Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор. Цель и задачи исследования 10
1.1. Современное оборудование и промышленные технологии получения диоксида циркония из цирконового концентрата 10
1.2. Плазменные технологии переработки циркона 15
Выводы по главе 1 23
Глава 2. Создание опытного высокочастотного индукционного плазменного оборудования 25
2.1. Основные узлы 25
Теплотехническая оценка скорости нагрева частиц циркона до температуры диссоциации в плазменном потоке 50
2.2. Особенности схемы электропитания ВЧИ-плазмотрона 58
Вывод по главе 2 67
Глава 3. Исследование энергетических характеристик работы опытной плазменной ВЧИ-установки 68
3.1 Энергетический баланс основных элементов ВЧИ-установки 68
3.2. Распределение энергии ВЧИ-плазмотрона при различных режимах работы 78
3.3. Электрические параметры ВЧИ-плазмотрона при различных режимах работы 80
3.4. Расчет среднемассовой температуры плазменного разряда ВЧИ-плазмотрона 83
3.5. Расчет среднемассовой скорости плазменного разряда ВЧИ-плазмотрона 84
3.6. Блок-схема методики расчета ВЧИ-плазменной установки 86
Выводы по главе 3 87
Глава 4. Разработка и исследование двухстадийной технологии получения диоксида циркония из цирконового концентрата с последующим выщелачиванием с использованием энергии высокочастотной индукционной плазменной техники 88
4.1. Основные свойства цирконового концентрата 88
4.2. Термодинамическое моделирование процесса обработки циркона в воздушной ВЧИ-плазме 58
4.3. Расчет термодинамического минимума для диссоциации циркона 62
4.4. Получение плазмообработанного циркона 93
4.4.1 Гранулометрический анализ циркона, обработанного в ВЧИ плазме 97
4.4.4. Исследование микроструктуры частиц диссоциированного циркона 104
4.4.5. Элементный анализ плазмообработанной частицы циркона 108
4.5.1. Выщелачивания плазмообработанного цирконового концентрата. Химический анализ диоксида циркония 113
Выводы по главе 4 119
Глава 5. Повышение эффективности процесса получения диоксида циркония из цирконового концентрата. Изучение экономической целесообразности использования энергии высокочастотной индукционной плазменной техники 120
5.1. Изучение степени влияния размера частиц циркона на качество выщелоченного продукта 120
5.2. Сравнительный анализ схем по переработке цирконового концентрата с использованием энергии дуговой и высокочастотной индукционной плазмы. Расчет производственных затрат 128
5.3. Разработка технологической схемы получения диоксида циркония из плазмообработанного цирконового концентрата 132
Выводы по главе 5 134
Основные результаты и выводы 135
Список использованной литературы 137
- Плазменные технологии переработки циркона
- Теплотехническая оценка скорости нагрева частиц циркона до температуры диссоциации в плазменном потоке
- Расчет среднемассовой температуры плазменного разряда ВЧИ-плазмотрона
- Гранулометрический анализ циркона, обработанного в ВЧИ плазме
Введение к работе
Актуальность работы.
Диоксид циркония находит применение в различных отраслях промышленности, главным образом при производстве огнеупоров и пигментов для керамики. До последнего времени промышленной технологии производства диоксида циркония в России не существовало: его потребность компенсировалась диоксидом циркония с бадделеитового месторождения Ковдорского ГОКа, а также импортом из зарубежных стран. Цирконий включен в список стратегических материалов для экономики России. Процесс получения диоксида циркония из циркона становится актуальной проблемой для российской промышленности.
Перспективным оборудованием для обработки цирконового концентрата и извлечения диоксида циркония является высокочастотная индукционная плазменная техника. Создание высокочастотного индукционного оборудования для получения диоксида циркония является актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является разработка конструкции, технологии и создание методики расчета высокочастотного индукционного плазменного оборудования для обработки цирконового концентрата для извлечения диоксида циркония.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
изучить современное оборудование и технологии процесса извлечения диоксида циркония из цирконового концентрата, определить недостатки существующих технологий и оборудования;
выявить преимущества использования высокочастотной индукционной плазмы для извлечения диоксида циркония;
- исследовать энергетические характеристики ВЧИ-плазмотрона (1
MB-А), работающего на плазмообразующем газе - воздухе, определить
оптимальные режимы работы при обработке цирконового концентрата;
провести математическое моделирование ВЧИ-плазмы плазмотрона (1 MB-А) для определения основных тепловых и газодинамических характеристик плазменной струи при обработке цирконового концентрата;
изучить продукты плазменной обработки циркона и продукты их выщелачивания.
установить взаимосвязи между мощностью плазменного разряда и качеством полученного диоксида циркония.
установить зависимости между размером выщелачиваемого материала и качеством получаемого диоксида циркония.
В работе использовались методы исследования, основанные на положениях теории электромагнитного и теплового полей, а также газодинамики жидкости. Исследования электромагнитных, тепловых и газодинамических полей проводились с помощью компьютерного моделирования методами математической физики и вычислительной математики. Проверка основных теоретических положений осуществлялась путем экспериментальных исследований на физических моделях и промышленных образцах с обработкой экспериментальных данных в программе Excel.
Научная новизна работы:
-
С учётом физических процессов, протекающих в высокочастотном индукционном плазменном разряде, влияющих на качество обработки конечного продукта, разработан комплексный метод определения энергетической и эффективной зоны плазменного реактора ВЧИ-плазменной установки мощностью 1 MB-А, включающий в себя математическое моделирование газодинамических и тепловых параметров плазмы при обработке цирконового концентрата.
-
Экспериментально калориметрированием и электрическими измерениями установлены зависимости: тепловых потерь излучением при разных расходах плазмообразующего газа; величины анодной мощности от
расхода центрального и защитного газа, а также от угла открытия
тиристоров, выявлены зависимости колебательной и анодной мощности от анодного напряжения. 3. Впервые, при установленных энергофизических и технологических условиях показана возможность и эффективность получения ZrCh по технологической схеме: диссоциация цирконового концентрата в высокотемпературной плазменной струе высокочастотного индукционного плазмотрона, измельчение плазмодиссоциированного циркона, выщелачивание в растворе едкого натра.
Практическая значимость работы Создана опытная высокочастотная индукционная плазменная установка и разработана новая двухстадийная технология получения ZrCh, включающая диссоциацию цирконового концентрата в высокотемпературной плазменной струе высокочастотного индукционного плазмотрона с последующим выщелачиванием аморфного кремнезема. В результате получены: плазмодиссоциированный циркон, диоксид циркония, с содержанием ZrCh до 95%.
Достоверность полученных результатов
Достоверность результатов обеспечена расчетными и
экспериментальными данными, полученными на опытной высокочастотной индукционной установке мощностью 1 MB-А с использованием современных аттестованных методов оптической, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, рентгенофазового анализа для исследования полученных продуктов.
Публикации По материалам диссертации имеется 10 публикаций, в том числе 5 статей в журналах из перечня ВАК, 5 тезисов и докладов всероссийских и международных конференций: VI Всероссийская конференция «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине» (CLAPT—2015), (Новосибирск,
2015), The XXII Europhysics Conference on Atomic and Molecular Physics of
Ionized Gases (Germany, 2014), 12th Asia Pacific Conference on plasma science and technology (South Australia, 2014), 22nd International Symposium on Plasma Chemistry (Belgium, 2015), XII Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико - химия и технология неорганических материалов» (Москва, 2015).
Методологической основой диссертации послужили научные работы Ю.В. Цветкова, СВ. Дресвина, В.В. Кудинова, С.А. Панфилова, О.П. Солоненко, М. Булоса, Н. Куок-Ши, М.Ф. Жукова, Н.Н. Рыкалина, Г.А. Фарнасова.
Объем и структура диссертации
Диссертация изложена на 146 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы и приложений, содержит 104 рисунка и 12 таблиц. Список литературы включает 76 наименования.
Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю д.т.н. Фарнасову Г.А. за постановку цели и задач исследований, а также за помощь в обсуждении результатов.
Плазменные технологии переработки циркона
Получение ХЛОрИДОВ ЦИрКОНИЯ (Тсубл = 330 С) И КреМНИЯ (Ткнп = 57 С) осуществляют, соответственно, в системах конденсации твёрдых и жидких хлоридов. Температура последней конденсационной камеры первой системы составляет 80-100 С. В системе конденсации твёрдых хлоридов пары тетрахлорида циркония конденсируются с сопутствующими примесями - хлоридами железа и алюминия. В системе конденсации жидких хлоридов пары SiCU контактируют с охлаждённым жидким оборотным TiCU с образованием бинарной жидкости - смеси тетрахлоридов кремния (25% масс.) и титана (75% масс.) [5]. Полученный тетрахлорид циркония растворяют в воде с образованием солянокислого (100-110 г/л по НС1) раствора, содержащего 89-93 г/л циркония. Из раствора осаждают основной сульфат циркония следующим образом. При интенсивном перемешивании разбавляют (примерно в 6 раз) раствор водой, доводя концентрацию соляной кислоты в растворе до 15-18 г/л по НС1, одновременно добавляют концентрированную серную кислоту, из расчёта 0,5-0,6 SO% — иона на каждый атом циркония, и поддерживают температуру образующейся пульпы в пределах 90-100 С. Прокаливанием основного сульфата при температуре не менее 1200 С получают диоксид циркония.
Хлорная технология переработки циркона на ВГМК (Украина) обладает рядом существенных недостатков: низкая рентабельность производства продукции и образование больших объёмов экологически опасных жидких отходов. Образование больших объёмов экологически опасных сбросных солянокислых растворов (маточник с содержанием 15-18 г/л НС1) при осаждении основного сульфата циркония из раствора хлорида циркония в условиях современной организации производства недопустимо. Кроме того, к существенным недостаткам хлорного способа следует отнести высокий расход нерегенерируемого газообразного хлора, относительно низкое (не более 80 %) извлечение циркония из циркона в готовую продукцию [6] и кремния в тетрахлорид кремния, трудоёмкость и энергоёмкость производственных процессов подготовки исходной шихты для хлорирования, а также сложность технического устройства и эксплуатации оборудования. Указанные недостатки непосредственно и косвенно влияют на увеличение себестоимости получаемой продукции.
Другим способом получения ZrCh является фторидная переработка циркона. Данная тематика интенсивно изучается с середины XX века. Циркон хорошо взаимодействует с элементным фтором уже при температуре 300 С, также циркон реагирует с фтористым водородом при температуре выше 600 С [7]. Большинство фторидов способно взаимодействовать с цирконом, так как сродство ко фтору велико и у циркония, и у кремния. Привлекательность фторидной технологии заключается в возможности металлотермического получения циркония непосредственно из тетрафторида циркония (ZrF4) действием на него металлического кальция. Недостатком фторидной технологии является агрессивность и дороговизна фтора. Данную технологию производства циркония использует французская компания «Saint-Gobain».
Распространённым способом также является вскрытие циркона известью, которое происходит по реакции: ЗСаО (СаСОз) + ZrSi04=CaZr03+Ca2Si04+ ЗС02 Процесс спекания заключается в том, что измельченный циркон смешивают с известью или мелом с 10-20% избытком вскрывающего агента. В шихту добавляют СаСЬ в количестве 5-50% от массы концентрата и спекают при 1200-1300 С в течение 4-5 часов и более. Спек измельчают и направляют на кислотное разложение. Спек вначале обрабатывают 5-10% соляной кислотой, при этом растворяется избыточный СаО, оставшийся СаСЬ и большая часть СагБКХ Обработку спёков соляной кислотой ведут в две стадии. Первоначально при обработке на холоде 5-10%-ной соляной кислотой растворяется избыточный оксид кальция и разлагается ортосиликат кальция. Образующаяся коллоидная кремниевая кислота удаляется вместе с раствором. Не растворившийся остаток, содержащий цирконат кальция, выщелачивают 25- 30%-ной НС1 при нагревании до 70- 80С, получая растворы, содержащие оксихлорид циркония. Процесс проходит по следующей реакции: CaZr03+4HCl=ZrOCl2+CaCl2+2H20
Примерно по тем же режимам можно выщелачивать известковые спеки азотной кислотой, получая растворы, содержащие ZrO(N03)2- При обработке спека серной кислотой кальций остается в осадке в составе сульфата. Осадки безводного CaS04 практически не поддаются фильтрации. В связи с этим обработку ведут при режимах, обеспечивающих образование лучше фильтруемого дигидрата CaS04 2H20 или его смеси с полугидратом CaSO4 0,5H2O. Для снижения потерь циркония сульфатный кек, количество которого велико (6 т на 1 т Zr02), многократно промывают водой. В некоторых производственных схемах рационально сочетается выщелачивание известковых спеков соляной и серной кислотами, что обеспечивает получение различных соединений циркония. Недостатками этого метода являются высокие температуры процесса, что приводит к очень большим затратам электроэнергии. Также возникают трудности при фильтрации после выщелачивания [7].
Теплотехническая оценка скорости нагрева частиц циркона до температуры диссоциации в плазменном потоке
Канадская компания «Текла» осуществляет аксиальный ввод материала в ВЧИ-плазму и для этих целей используют водоохлаждаемый зонд, который опускается до уровня между первым и вторым витком индуктора. Изогнутые инжектора в основном используются в дуговых плазмотронах: частицы вводятся перпендикулярно на выходе плазменного потока. Изогнутый инжектор довольно сильно искажает движение потока транспортирующего газа и частиц, поэтому критическим становится длина участка L (рис.24). Так, например, частицы, движущиеся в изогнутом инжекторе, замедляются и попадают в область изогнутости, благодаря центробежным силам создаваемыми потоком газа. Распределение частиц в инжекторе становится несимметричным: 90% всех частиц концентрируются на внешней части кривизны инжектора. Проведено сравнение скоростей на выходе инжектора с разным радиусом кривизны R для разного диаметра частиц. Установлено [67], что значительное уменьшение скорости частиц, в сравнении с прямым инжектором, наблюдается при большом радиусе кривизны участка инжектора из-за длительного времени соприкосновения частиц с стенкой инжектора. Однако кривизна инжектора незначительно влияет на скорость частиц с диаметром выше 20 мкм. Инжекторы с двойным потоком используются при обработке частиц с небольшой плотностью и с размером ds 20 мкм. Инжекторы подобного типа используют при производстве субмикронных порошков, а также наноразмерных материалов [18].
Довольно простым и надежным является способ ввода частиц под срез ВЧИ-плазмотрона водоохлаждаемым прямым зондом. Зонд углублялся внутрь плазменного потока на определенную длину в зависимости от фракции обрабатываемого материала. Данный метод был применен при работе на ВЧИ-плазменной установке мощностью 1 MB-А.
Этот способ обеспечивает максимальное время нахождения частиц в высокотемпературной зоне, так как частицы вначале летят против плазменного потока, останавливаются и далее летят спутно, что позволяет частице нагреться, расплавиться, сфериодизироваться и частично испариться. Дополнительно, отсутствует влияние на плазменный разряд из-за вносимого дополнительного сопротивления частицами порошка. При вводе порошка аксиально сверху в плазменный разряд возникает проблема с тем, что в центре разряда существует зона с пониженной температурой. В результате, транспортирующий газ дополнительно захолаживает центральную зону разряда, частицы быстро пролетают горячую зону, не успевая в должном объеме и количестве расплавиться, что приводит к низкому коэффициенту использования всего объема плазменного разряда. Решение данной проблемы находят в подаче частиц через серию водоохлаждаемых зондов (до 3), что тем не менее имеет недостатки в связи потерями на нагрев зондов. Расчет диаметра и расхода транспортирующего газа зондов подачи порошка в плазменный факел
По результатам экспериментов было установлено что наилучший эффект при вводе частиц в плазменную струю наблюдается при небольшом заглублении зондов в плазменную струю. По этой причине зонды должны выдерживать тепловую нагрузку от плазменной струи и расплавленных частиц, которые могут кратковременно налипать на зонды. Зондам необходимо обеспечить внешнее водяное охлаждение, чтобы предотвратить их преждевременное разрушение. Рассчитаем параметры зондов: т = S р v (6) хг г хг хг v 7 где т - массовый расход транспортирующего газа (кг/с), s площадь сечения зонда (м2), р - плотность холодного транспортирующего газа (кг/м3), v - скорость транспортирующего газа (м/с). По предварительным расчетам ВЧИ-плазменная установка должна обеспечивать обработку 150 кг цирконового концентрата в час. Для равномерной обработки порошка в плазменной струе предполагается вводить порошок через 4 зонда, следовательно, через каждый зонд будет вводиться 37,5 кг/ч = 10,4 грамма в секунду. Так как система подачи порошка в плазменную струю представлена пневматической установкой, то необходимо рассчитать скорость витания частиц для расчета массового расхода, скорость витания гарантирует транспортировку частиц. v =d2-g(pM-Ps) (7) вит і о 18// где d- диаметр частиц (м), g- ускорение свободного падения (м/с2), рм- плотность частицы циркона (кг/м3), рг- плотность газа (кг/м3), /л динамическая вязкость газовой среды. Для частиц с размером 100 мкм скорость витания составила 1,4 м/с, для частиц с размером 150 мкм- 3,2 м/с. Скорость витания частиц и скорость газового потока связаны зависимостью: v = v к (8) хг вит v где к - коэффициент запаса. Значение коэффициента запаса следует принимать в интервале 1,5...2,0. Следовательно, скорость холодного газа составляет 2,8 м/с (для частиц с размером 100 мкм), 6,4 м/с (для частиц с размером 150 мкм). Массовый расход газа для зонда с диаметром выходного отверстия 8 мм для частиц размером 100 мкм составит 1,7-10"4 кг/с, для частиц 150 мкм - 4-Ю"4 кг/с. Отметим, что рассчитанные здесь массовые расходы относятся к скорости витания частиц, для того чтобы рассчитать массовый расход для скорости частиц, которые вводятся в плазменный факел (скорости около 5-7 м/с) необходимо произвести соответствующий пересчет.
Теплотехническая оценка скорости нагрева частиц циркона до температуры диссоциации в плазменном потоке
Известно, что процесс нагрева частиц определяется условиями внутренней и внешней теплопередачи. Внешняя теплопередача к поверхности частицы определяется интенсивностью радиационного излучения (плазмы) от теплоносителя к поверхности частицы, а также конвективным теплообменом между теплоносителем и твердыми частицами. Исследование процесса теплообмена между плазменным факелом и частицами циркона показало, что внешний теплообмен выражается критериальным уравнением: Nu=7,7-10-3- Re0-99 (10) где Nu=a-l/hr - критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность перехода тепла на границе поток-поверхность, в котором а [ккал/м2-ч-С] суммарный коэффициент теплопередачи излучением и конвекцией от потока к поверхности частиц; 1[м]-приведенный характерный размер (в данном случае-диаметр рабочего канала); hr [ккал/м2-ч-С]- коэффициент теплопроводности теплоносителя; Re= wl/v - критерий Рейнольдса, характеризирующий соотношение сил инерции и трения в потоке, в котором: w [м/с] - скорость потока; 1 [м] - характерный размер рабочего канала; v [м2/с]- коэффициент кинематической вязкости теплоносителя.
С использованием уравнения (10) и справочных данных работы [25] были выполнены расчеты времени нагрева частиц циркона в плазменной струе для условий внешней теплопередачи.
Время нагрева рассчитывалось для двух характерных размеров частиц - 63 мкм и 160 мкм исходя из необходимости: от прогрева до температуры 2100С, т.е. несколько превышающей температуру разложения циркона (1800С) и заведомо свидетельствующей о завершении процесса.
Расчет среднемассовой температуры плазменного разряда ВЧИ-плазмотрона
Особенности схемы электропитания ВЧИ-плазмотрона Распределительный щит Учитывая значительную единичную мощность установки, напряжение в силовую цепь подводят от сетевой подстанции сети 6/10 кВ через высоковольтный выключатель и понижающий трансформатор. Распределительная ячейка подстанции имеет автоматический выключатель на 2000 А с временем срабатывания в 1 с, который по показаниям трансформаторов тока, размещенных на фазах и нулевом проводе, производит аварийное выключение нагрузки. Для защиты потребителей и распределения электрической энергии на ВЧИ-плазменной установке используют распределительный щит. Щит оборудован автоматическим выключателем на 1800 А и времени размыкания в 15 мс (доступна точная настройка тока отключения и времени срабатывания), который обеспечивает аварийное отключение нагрузки (по показаниям трансформаторов тока, расположенным на шинах тиристорного регулятора) при коротких замыканиях, пробоях на индуктор, при факельных разрядах в высоковольтных частях установки, при выходе из строя генераторных триодов. Также в щите предусмотрена система резервного питания важных узлов установки (пульт управления, станция охлаждения). В щите установлены автоматические выключатели для питания цепей вентиляции, накала генераторных триодов, водоохлаждения, управления, загрузки и выгрузки материала. С помощью датчика мощности, расположенного в распределительном щите, измеряется напряжение питающей сети (для контроля колебаний питающего напряжения, идущего с подстанции), полная потребляемая мощность, активная и реактивная мощности, cos p.
Регулятор тиристорний трехфазный (РТТ) предназначен для плавного регулирования напряжения, питающего генератор ВЧИ-плазменной установки. Регулирование выполняется на стороне низкого (380 В) напряжения силового трансформатора от 0 до 380 В. Максимальный рабочий ток 1600 А. Тиристоры рассчитаны на 800 А и включены встречно-параллельно. Из-за больших токов, проходящих через тиристоры, требуется дополнительное водяное (деионизованная вода) охлаждение. Для защиты тиристоров от токов выше их номинала используют плавкие предохранители. Способ регулирования напряжения - фазовый. При фазовом методе на управляющие электроды тиристоров подают противофазные импульсы, сдвинутые относительно начала соответствующего полупериода напряжения питающей сети на угол управления а.
Регулирование осуществляют изменением формы кривой выходного напряжения, которая все больше отличается от синусоидальной по мере понижения действующего напряжения. Частота выходного напряжения равна 50 Гц (как и у питающей сети). Регулируется длительность подключения к питающей сети, но она не превышает половину периода частоты сети [45].
Регулирование напряжения в тиристорных преобразователях сопровождается снижением coscp и появлением высших гармоник. Серьезный недостаток фазоимпульсного регулирования - малый coscp основной гармоники и искажение формы кривой потребляемого тока (появление гармоник с номерами 3,5,7,9). Особенно значительны эти гармоники при работе на активную нагрузку и при больших углах открытия тиристоров ( 40), вызывающие значительные помехи.
Трансформатор трёхфазный силовой. Для повышения напряжения до уровня 10 кВ используют силовой трехфазный трансформатор мощностью 1000 кВ-А. Схема соединения звезда-треугольник.
Выпрямитель высоковольтный трехфазный предназначен для выпрямления переменного напряжения до 10 кВ в постоянное напряжение до 13 кВ. Выходной ток - до 120 А. В шкафу выпрямителя имеется фотодатчик, осуществляющий защиту от высоковольтных дуговых разрядов.
Автором выбрана двухполупериодная трехфазная схема Ларионова-Греца, которую называют шестифазной. В ней роль нулевой точки трансформатора выполняет вторая группа вентилей, которая позволяет выпрямлять не фазное, а линейное напряжение.
Выходной фильтр высоковольтного выпрямителя ВЧИ-плазменной установки. Приведенная выше схема высоковольтного выпрямителя является источником токов и напряжений сложной формы и как следствие - гармоник, оказывающих негативное влияние на работу подводящих энергию систем и самих высоковольтных выпрямителей. Все гармоники разделяются на несколько групп. Первая и основная группа гармоник - в кривой выпрямленного напряжения, обусловленные волнистостью. Эта группа имеет невысокие частоты, нарушающие работу агрегата при питании от выпрямителя. Защита агрегата от влияния гармоник, уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения требует специальных мер, которые не допускали бы проникновение токов низких частот. Эти меры подразумевают установку фильтров, которые ослабляют величины гармоник с возможностью их циркуляции в замкнутой системе, минуя потребителя. Данные фильтры могут быть применимы для сглаживания волнистости выпрямленных напряжений и для замыкания во внутренних цепях ВЧ-генератора высокочастотного тока, как на основной частоте, так и на частотах высоких гармоник. Высоковольтный выпрямитель, собранный по шестифазной схеме, питает ВЧ-генератор постоянным током с пульсацией в 300 Гц. Для уменьшения волнистости необходимо установить фильтр, который доведет волнистость до требуемой величины. Таким фильтром, состоящим из индуктивности Ьф и ёмкости Сф служит фильтр низких частот. В дополнении к нему ставят фильтр высоких частот Сфі. Влияние фильтра высоких частот Сфі значительно, т.к. неправильно выбранная емкость сказывается на работе ВЧ-генератора и вызывает увеличение сеточного напряжения на лампах, что может разрушить сетку лампы.
Высокочастотный ламповый генератор предназначен для получения тока высокой частоты (440±11 кГц). Генератор работает на двух параллельно включенных триодах марки ГУ-65А (или аналог ГУ-88А) по схеме автогенератора. При работе ВЧ-генератора на плазменную нагрузку осуществляют постоянный накал генераторных триодов.
Управление ВЧ-генератором осуществляется за счёт регулирования постоянного анодного напряжения за счёт воздействия на угол управления встречно-параллельных тиристоров, включенных на первичной стороне высоковольтного трансформатора. Такой вид регулирования имеет недостаток в связи с тем, что происходит искажение питающей сети, проявляющееся сильно при больших мощностях.
Особенности работы ВЧ-генератора на плазменную нагрузку. Процесс поджига плазмы эквивалентен для ВЧ-генератора переходу от режима холостого хода к номинальному режиму работы. Процесс обратный «поджигу» - срыв плазмы. Для ВЧ-генератора он эквивалентен переходу от режима полной загрузки к режиму холостого хода. Режим, когда плазма "лезет" на стенки камеры (что приводит к проплавленню кварцевой разрядной камеры), эквивалентен режимам близким к КЗ. При работе ВЧ-генератора необходимо обеспечить работу в режимы близкие к КЗ (на участках с падающей внешней характеристикой).
Гранулометрический анализ циркона, обработанного в ВЧИ плазме
Зависимость качества диоксида циркония от гранулометрического состава, измельченного плазмообработанного цирконового концентрата (1-стандартные частицы, 2 - средний помол, 3 - мелкий помол)
Основываясь на результатах, полученных при выщелачивании плазмообработанного циркона при различной степени помола, было предложено использовать технологию струйного помола для измельчения продукта до размера 40 мкм, подобного рода оборудование используется на Вольногорском Горно-металлургическом комбинате (Украина) для производства цирконового порошка фракции 40-63 мкм. Достоинством технологии струйного измельчения является отсутствие загрязняющих элементов, низкий уровень энергетических затрат, простота регулирования выхода конечного размера частиц. Согласно [73], удельные энергозатраты на процесс измельчения цирконового концентрата до размера частиц 40-63 мкм составляет 800-1000 кВт-ч/т, предполагается, что затраты энергии на плазмообработанный циркон будут сопоставимыми.
Опыты по исследованию химического состава материала показал, что процесс выщелачивания плазмообработанного циркона с целью извлечения диоксида циркония дает хорошие результаты. Для достижения хороших показателей содержания диоксида циркония, которые соответствуют рыночному продукту, необходимо произвести предварительное измельчение плазмообработанного циркона в струйной мельнице для уменьшения размера частиц (до 40-50 мкм) и увеличения их активной площади для эффективного выщелачивания.
Сравнительный анализ схем по переработке цирконового концентрата с использованием энергии дуговой и высокочастотной индукционной плазмы. Расчет производственных затрат
Для оценки эффективности разработанной схемы обработки цирконового концентрата в воздушной плазме высокочастотного индукционного плазматрона был проведен сравнительный анализ с существующей технологией (компании NECSA (ЮАР)) обработки циркона в дуговой аргоновой плазме, которая детально описана в главе 1. По мнению авторов, [76] относительная стоимость нагрева аргона в дуговых плазматронах ниже, чем в ВЧИ-плазматронах. Автор использовал кислородсодержащий газ - воздух, нагрев которого выгоднее производить в высокочастотном индукционном плазматроне. Сравнительные данные приведены в таблице 11.
Как видно, предпочтительнее использовать индукционный плазматрон для получения воздушной плазмы. Амортизационные отчисления у ВЧИ-плазматрона выше в 6 раз, однако, это компенсируется отсутствием заменой электродов, временем простоя и использованием аргона в качестве плазмообразующего или защитного газа для дуговой плазмы. Капитальные затраты увеличиваются за счет оборудования для генерации аргона, чего нет при работе воздушной ВЧИ-плазмы.
Как было показано выше, удельные энергозатраты при обработке цирконового концентрата ниже у индукционного источника плазмы, нежели у дугового, разница составляет 5-10%, но суммируя эти показатели с данными таблицы 11 можно сделать вывод о предпочтительности индукционного источника плазмы при обработке цирконового концентрата.
По данным таблицы средняя стоимость извлечения 1 тонны диоксида циркония составляет около 100 000 рублей (в значительной степени зависит от среднерыночной мировой цены цирконового концентрата) без учета капитальных затрат и амортизации на эксплуатацию оборудования. Рыночная цена диоксида циркония составляет около 4000 $/т (цена бадделеитового концентрата с содержанием ZrCh 98.5%).
На основании проведенных исследований была разработана технологическая схема (рис. 104) получения диоксида циркония из цирконового концентрата с использованием энергии высокочастотного индукционного плазматрона.
Согласно этой схеме цирконовый концентрат предварительно рассеивается на ситах для получения узкой фракции. Далее, полученный материал подается в ВЧИ-плазму под срез плазматрона под углом в 35-45 градусов. Обработанный продукт представляет собой 3 типа материала: сферичный порошок с размером частиц 0-350 мкм, слипшиеся сферы в виде конгломератов с размером более 300 мкм, субмикронный порошок аморфного диоксида кремния с размером частиц 20-2000 нм. Материал второго типа требует дополнительного измельчения в валковой мельнице. В итоге, материал первого и второго типа должны пройти предварительную магнитную сепарацию от металлических включений, которые могли попасть в результате выгрузки готового продукта из реакционной камеры, циклонов и в результате измола. Далее, очищенный продукт загружается в струйную мельницу, где он измельчается до размера 40 мкм. Измельченный материал подается в автоклав, где подвергается выщелачиванию раствором Na20 при температуре 150С в течение 60 минут при активном перемешивании. После процесса выщелачивания продукт подвергается фильтрованию и промывке для отделения диоксида циркония. Отфильтрованный Zr02 сушат при температуре 200 С. Конечный продукт представляет собой мелкодисперсный порошок диоксида циркония с содержанием Zr02+Hf02 -95%. Схема предусматривает получение натриевого стекла, которое имеет широкое применение в промышленности. Также предусмотрена схема с повторным использованием Na20. Добавление СаО и воды с получением известкового молока позволяет проводить процесс каустификации с получением CaSiCb. Отфильтрованный Na20 повторно используется в процессе автоклавного выщелачивания плазмообработанного циркона. Таким образом, конечными продуктами разработанной технологической схемы получения диоксида циркония являются: диоксид циркония, силикат кальция СаБіОз, натриевое стекло и аморфный диоксид кремния.