RU230157U1

RU230157U1 - Device for plasma melting of refractory non-metallic materials

Info

Publication number: RU230157U1
Application number: RU2024116192U
Authority: RU
Inventors: Валентин Валерьевич Шеховцов; Ахрорбег Боходиржон Угли Улмасов; Шариф Мнирович Шарафеев
Filing date: 2024-06-13
Publication date: 2024-11-18

Abstract

Полезная модель относится к области получения расплавов из тугоплавких неметаллических и силикатных материалов, которые могут быть применены, в производстве керамических, терморезистентных, изоляционных материалов и покрытий, а также в изготовлении специальных стёкол. Устройство для плазменного плавления тугоплавких неметаллических и силикатных материалов содержит катодный узел и анодный узел. Для соблюдения соосности устройства катодный узел и анодный узел соединены жестким каркасом и подключены к источнику постоянного тока. Анодный узел установлен на металлический держатель. Для создания области переменного магнитного поля на внешнем периметре анодного узла установлена индукционная катушка, а для повышения срока службы теплонапряженные узлы подключены к общей системе водяного охлаждения.The utility model relates to the field of obtaining melts from refractory non-metallic and silicate materials, which can be used in the production of ceramic, heat-resistant, insulating materials and coatings, as well as in the manufacture of special glasses. The device for plasma melting of refractory non-metallic and silicate materials contains a cathode unit and an anode unit. To maintain the coaxiality of the device, the cathode unit and the anode unit are connected by a rigid frame and connected to a DC source. The anode unit is installed on a metal holder. To create an area of an alternating magnetic field on the outer perimeter of the anode unit, an induction coil is installed, and to increase the service life, heat-stressed units are connected to a common water cooling system.

Description

Полезная модель относится к области получения расплавов из тугоплавких неметаллических и силикатных материалов, которые могут быть применены, в производстве керамических, терморезистентных, изоляционных материалов и покрытий, а также в изготовлении специальных стёкол. The utility model relates to the field of obtaining melts from refractory non-metallic and silicate materials, which can be used in the production of ceramic, heat-resistant, insulating materials and coatings, as well as in the manufacture of special glasses.

Наиболее близким аналогом (прототип) заявленной полезной модели по совокупности существенных признаков является стенд для синтеза алюмомагнезиальной керамики MgAl₂O₃ в среде термической плазмы, [1]. Известное устройство содержит плазмотрон с вынесенным дуговым разрядом, подключенный к источнику постоянного тока, систему подачи плазмообразующего газа, графитовый тигель, являющийся анодом. Известное устройство обеспечивает интенсивное плавление шихты в тигле в течение 30 с для получения алюмомагнезиальной шпинели.The closest analogue (prototype) of the claimed utility model in terms of the set of essential features is a stand for the synthesis of alumina-magnesia ceramics MgAl ₂ O ₃ in a thermal plasma environment [1]. The known device contains a plasma torch with an external arc discharge connected to a DC source, a plasma-forming gas supply system, and a graphite crucible, which is the anode. The known device ensures intensive melting of the charge in the crucible for 30 s to obtain alumina-magnesia spinel.

Недостатком известного стенда является точечная привязка плазменной дуги к анодному узлу, что обеспечивает повышенную эрозию узла, а также отсутствие системы поддержания скорости охлаждения расплавленного материала.The disadvantage of the known stand is the point attachment of the plasma arc to the anode unit, which ensures increased erosion of the unit, as well as the absence of a system for maintaining the cooling rate of the molten material.

Целью предполагаемой полезной модели является создание электроплазменного устройства, устраняющего эти недостатки.The purpose of the proposed utility model is to create an electroplasma device that eliminates these disadvantages.

Для решения поставленной задачи устройство для плазменного плавления тугоплавких неметаллических материалов содержит катодный узел в виде плазматрона с вынесенным дуговым разрядом, установленный над цилиндрическим графитовым анодом. Цилиндрический графитовый анод установлен в металлический держатель, выполненный с возможностью подключения через ременную передачу к электродвигателю. Для соблюдения соосности устройства катодный узел в виде плазмотрона с вынесенным дуговым разрядом и графитовый анод соединены жестким каркасом через изолирующие вставки и выполнены с возможностью подключения к источнику постоянного тока. При этом упомянутый жесткий каркас выполнен с возможностью подключения к плюсовому каналу источника постоянного тока. С внешней стороны цилиндрического графитового анода установлена индукционная катушка, выполненная с возможностью работы от источника переменного тока для создания области переменного магнитного поля. Между внешней стенкой цилиндрического графитового анода и индукционной катушкой установлен теплоизолятор (муллитокремнеземистая вата) позволяющая сократить тепловые потери, а плазмотрон и индукционная катушка, подключены к общей системе водяного охлаждения и соединены магистралями.To solve the set problem, the device for plasma melting of refractory non-metallic materials contains a cathode unit in the form of a plasmatron with an external arc discharge, installed above a cylindrical graphite anode. The cylindrical graphite anode is installed in a metal holder, made with the possibility of connecting via a belt drive to an electric motor. To maintain the coaxiality of the device, the cathode unit in the form of a plasmatron with an external arc discharge and the graphite anode are connected by a rigid frame through insulating inserts and are made with the possibility of connecting to a DC source. In this case, the said rigid frame is made with the possibility of connecting to the positive channel of the DC source. An induction coil is installed on the outer side of the cylindrical graphite anode, made with the possibility of operating from an AC source to create an area of an alternating magnetic field. A heat insulator (mullite-siliceous wool) is installed between the outer wall of the cylindrical graphite anode and the induction coil, which allows for a reduction in heat loss, and the plasma torch and induction coil are connected to a common water cooling system and are connected by pipelines.

Устройство для плазменного плавления тугоплавких неметаллических материалов (фиг. 1) включает в катодный узел в виде плазмотрона с вынесенным дуговым разрядом 1, цилиндрический графитовый анод 2. Для соблюдения соосности устройства катодный узел и графитовый анод 2 соединены жестким каркасом 13 через изолирующие вставки 14 и подключены к источнику постоянного тока 4. При этом плюсовой канал источника постоянного тока 4 подключен к жесткому каркасу 13. Цилиндрический графитовый анод 3 установлен на металлический держатель 5, подключенный к электродвигателю 7 через ременную передачу 6, который осуществляет вращательное движение с заданной скоростью. Для создания области переменного магнитного поля (вихревые токи) на внешнем периметре цилиндрического графитового анода 3 установлена индукционная катушка 8 работающая от источника переменного тока 9. Индукционная катушка 8 представляет собой медную полую трубку высотой 1/3 от высоты цилиндрического графитового анода 3. Между внешней стенкой цилиндрического графитового анода 3 и индукционной катушкой 8 установлен теплоизолятор (муллитокремнеземистая вата) 10, позволяющий сократить тепловые потери при нагреве и охлаждении расплава. Плазмотрон 1 и индукционная катушка 8, являющиеся теплонапряженными узлами, выполнены с возможностью подключения к общей системе водяного охлаждения посредством магистралей.The device for plasma melting of refractory non-metallic materials (Fig. 1) includes a cathode unit in the form of a plasma torch with an external arc discharge 1, a cylindrical graphite anode 2. In order to maintain the coaxiality of the device, the cathode unit and the graphite anode 2 are connected by a rigid frame 13 through insulating inserts 14 and connected to a direct current source 4. In this case, the positive channel of the direct current source 4 is connected to the rigid frame 13. The cylindrical graphite anode 3 is mounted on a metal holder 5, connected to an electric motor 7 through a belt drive 6, which performs a rotational movement at a given speed. To create a region of alternating magnetic field (eddy currents), an induction coil 8 operating from an alternating current source 9 is installed on the outer perimeter of the cylindrical graphite anode 3. The induction coil 8 is a hollow copper tube 1/3 the height of the cylindrical graphite anode 3. A heat insulator (mullite-siliceous wool) 10 is installed between the outer wall of the cylindrical graphite anode 3 and the induction coil 8, which makes it possible to reduce heat losses during heating and cooling of the melt. The plasma torch 1 and the induction coil 8, which are heat-stressed units, are designed with the possibility of connection to a common water cooling system by means of main lines.

Устройство для плазменного плавления тугоплавких неметаллических материалов работает следующим образом.The device for plasma melting of refractory non-metallic materials operates as follows.

Для реализации процесса плавления тугоплавких неметаллических и силикатных материалов 12 осуществляется их подготовка в виде агломерированного порошка фракцией 63–71 мкм. Подготовленный порошок засыпается в цилиндрический графитовый анод 3 в количестве 1/3 от объема, где происходит его равномерное распределение и уплотнение за счет вращения держателя 5 с заданной скоростью. После этого осуществляют запуск плазмотрона 1 и под воздействием плазменной дуги 2, происходит плавление материала, а вращение держателя 5 позволяет реализовать его равномерное плавление. По достижению полного плавления материала, одновременно с отключением плазмотрона 1, осуществляют запуск индукционной катушки 8, для осуществления остывания расплава с заданной скоростью. Режим скорости охлаждения и длительность выдержки расплава выбирается в зависимости от состава расплава. Продукт плавления после полного остывания извлекается из цилиндрического графитового анода 3 для дальнейшего применения.In order to implement the process of melting refractory non-metallic and silicate materials 12, they are prepared in the form of an agglomerated powder with a fraction of 63–71 μm. The prepared powder is poured into the cylindrical graphite anode 3 in an amount of 1/3 of the volume, where it is uniformly distributed and compacted due to rotation of the holder 5 at a given speed. After this, the plasma torch 1 is started and, under the influence of the plasma arc 2, the material is melted, and the rotation of the holder 5 allows for its uniform melting. Upon achieving complete melting of the material, simultaneously with the shutdown of the plasma torch 1, the induction coil 8 is started to cool the melt at a given speed. The cooling rate mode and the duration of holding the melt are selected depending on the composition of the melt. The melting product after complete cooling is removed from the cylindrical graphite anode 3 for further use.

Источники информации:Sources of information:

1. «Синтез алюмомагнезиальной керамики MgAl₂O₃ в среде термической плазмы», Авторы: В.В. Шеховцов и др., Вестник ТГАСУ, 2022, т.24, 3, с.141, рис.2, абзац 1.1. "Synthesis of aluminomagnesia ceramics MgAl ₂ O ₃ in a thermal plasma environment", Authors: V.V. Shekhovtsov et al., Bulletin of TSUACE, 2022, v. 24, 3, p. 141, fig. 2, paragraph 1.

Claims

A device for plasma melting of refractory non-metallic materials, comprising a cylindrical graphite anode and a plasmatron with an external arc discharge, installed above the cylindrical graphite anode, characterized in that the cylindrical graphite anode is installed in a metal holder, configured to be connected via a belt drive to an electric motor, wherein in order to maintain coaxiality, the cathode unit in the form of a plasmatron with an external arc discharge and the graphite anode are connected by a rigid frame via insulating inserts and are configured to be connected to a DC source, wherein said rigid frame is configured to be connected to the positive channel of a DC source, wherein an induction coil configured to operate from an AC source is installed on the outer side of the cylindrical graphite anode to create an area of an alternating magnetic field, wherein a heat insulator is installed between the outer wall of the cylindrical graphite anode and the induction coil to reduce heat loss, wherein the plasmatron and the induction coil, which are heat-stressed units, are designed with the possibility of connection to a common water cooling system via pipelines.