Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор оборудования высокочастотных плазменных установок для обработки мелких дисперсных порошков 11
1.1. Плазменные установки и плазмотроны 11
1.2. Порошковые питатели 23
1.3. Источники питания 27
1.4. Промышленные ВЧИ плазменные установки 31
1.5. Варианты высокочастотных индукционных плазменных установок для получения сфероидизированных порошков различных материалов 40
1.5.1. Высокочастотная плазменная установка для получения дисперсного плавленного кварца (горизонтальная плазменная струя) 40
1.5.2. Высокочастотная плазменная установка для получения плавленных дисперсных порошков электротехнического периклаза (вертикальная плазменная струя) 43
1.5.3. ВЧИ-установка для получения плавленных сфероидных ультрадисперсных порошков диоксида кремния 46
2. Описание экспериментальных плазменных установок и проведенных экспериментов 49
2.1. Применение высокочастотной индукционной плазмы 49
2.2. Особенности технологического процесса сфероидизации порошкового материала 66
2.3. Описание экспериментальных установок для обработки дисперсных материалов в ВЧИ-плазмотроне 70
3. Расчет параметров ВЧИ~плазмы 87
3.1. Система уравнений, описывающих поведение плазмы 87
3.1.1. Электромагнитные уравнения 8 8
3.1.2. Уравнение баланса энергии 92
3.1.3. Уравнение неразрывности 94
3.1.4. Уравнение движения 94
3.2. Граничные условия 96
3.3. Основные положения метода контрольного объема 100
3.4. Расчетная сетка 102
3.5. Дискретные аналоги уравнений, описывающих поведение плазмы 105
3.6. Алгоритм решения 117
3.7. Исходные данные для расчета. Результаты расчета 121
4. Расчет динамики движения и нагревания мелкодисперсных тугоплавких частиц в плазменной струе 136
4.1. Методика расчета движения частицы в плазме 140
4.2. Методика расчета нагревания частицы в плазме 144
4.2.1. Стадии нагрева частицы в плазме и механизмы передачи энергии 144
4.2.2. Физические процессы, связанные с потерями массы 149
4.3. Результаты расчета движения и нагревания частицы дисперсного материала в плазменной струе 153
4.4. Плазменная струя, загруженная большим количеством мелкодисперсных частиц 168
5. Анализ критериальных формул теплообмена сферических тел в высокотемпературных и плазменных потоках 179
6. Экспериментальная часть 207
6.1. Определение скорости движения мелкодисперсных тугоплавких частиц в факеле плазменной струи 209
6.2. Исследование энергетических характеристик плазменных установок 212
6.3. Измерение температуры плазмы 217
6.4. Определение максимальной степени загрузки плазмы мелкодисперсными частицами 222
Заключение 225
Список литературы 228
- Высокочастотная плазменная установка для получения дисперсного плавленного кварца (горизонтальная плазменная струя)
- Описание экспериментальных установок для обработки дисперсных материалов в ВЧИ-плазмотроне
- Дискретные аналоги уравнений, описывающих поведение плазмы
- Результаты расчета движения и нагревания частицы дисперсного материала в плазменной струе
Введение к работе
В последние годы плазменные процессы получают все более широкое применение в различных отраслях промышленности. К ним предъявляются определенные требования, направленные на повышение эффективности производства, постоянное совершенствование и обновление на основе последних достижений науки и техники.
Все большее значение начинают приобретать технологические процессы и установки, основанные на применении низкотемпературной плазмы. Необычайно широкие возможности практического применения низкотемпературной плазмы з технологических процессах объясняются ее свойствами как теплоносителя с высокой концентрацией энергии. С помощью низкотемпературной плазмы сейчас успешно решаются такие технологические задачи как резка металлов, напыление жаростойких покрытий, наплавка, сфероидизация различных мелкодисперсных порошковых материалов, специальная термическая обработка поверхности строительных материалов. Таким образом, в настоящее время определился ряд направлений использования низкотемпературной плазмы в технике.
Для получения низкотемпературной плазмы используют различные виды электрических разрядов: дуговой, высокочастотный индукционный (ВЧИ), высокочастотный емкостной (ВЧЕ), сверхвысокочастотный (СВЧ). Наиболее исследованными и широко распространенными в промышленности в настоящее время являются дуговые и ВЧ-плазмотроны [1-5].
Дуговые плазмотроны не во всех случаях обеспечивают необходимые параметры плазмы для ведения технологического процесса, а также имеют серьезный недостаток, связанный с загрязнением плазменной струи материалом электродов при их эрозии, и ограниченный ресурс непрерывной работы. В этих случаях целесообразно использовать ВЧИ-плазмотроны, которые по ряду технологических характеристик обладают лучшими показателями по сравнению с дуговыми.
Высокочастотный индукционный плазмотрон - это устройство, позволяющее получать при атмосферном давлении плазму с температурой 7000-11000 К. Мощность современных ВЧИ-плазмотронов - от единиц до сотен и тысяч киловатт. Нагревание плазмы в высокочастотном безэлектродном плазмотроне индукционного типа связано с широко известным явлением электромагнитной индукции и представляет собой индукционный нагрев проводящей среды в высокочастотном переменном электромагнитном поле индуктора.
Благодаря кольцевой форме индукционных токов и отсутствию электродов ВЧИ-плазмотрон является одним из немногих источников, позволяющих генерировать чистую плазму в большом объеме, не загрязненную материалом электродов, и обладает широкой возможностью изменения скорости истечения плазменного потока и практически неограниченным ресурсом работы с любой газовой средой.
Сегодня высокочастотные плазмотроны прочно заняли свое место в научном и техническом арсенале заводов и исследовательских лабораторий.
Среди плазменных процессов с использованием особенностей ВЧИ-плазмотронов особое место занимает термообработка и сфероидизация мелкодисперсных частиц тугоплавких порошковых материалов. Такие порошки применяются в широких областях техники: при изготовлении фильтров, катодов электровакуумных приборов, композиционных материалов и материалов для нанесения покрытий, наплавки и сварки, а также в качестве наполнителей пластмасс, твердого топлива, смазок и для многих других целей.
Обеспечение высокой эффективности обработки мелкодисперсных частиц в ВЧИ-плазмотроне требует проведение всестороннего исследования процесса сфероидизации порошкового материала с целью выявления различных факторов, влияющих на технологию.
С ростом мощностей индукционных плазмотронов и увеличением при этом затрат на проведение экспериментов важное значение приобретают теоретические исследования с использованием математических моделей. Такие
исследования позволяют выделить основные закономерности и важнейшие параметры процесса и обладают рядом особенностей, которые в сочетании с экспериментами на установках, позволят повысить эффективность проектирования и качество исследовательских разработок.
Математическое моделирование процессов требует ясной физической постановки, разумных ограничений и упрощений, достаточной математической строгости и сопоставления результатов расчетов с независимыми экспериментальными данными. Выполнение этих условий позволяет во многих случаях получить результаты быстрее, чем с помощью сложных и дорогостоящих экспериментов, выявить скрытую в экспериментальных данных информацию, оптимизировать технологию и дать исходные данные для разработки критериев подобия, столь необходимые при проектировании промышленных плазменных процессов.
Все вышесказанное убеждает в актуальности работы по разработке и исследованию высокочастотной плазменной установки для обработки и сфероидизации дисперсных материалов.
Цель и содержание поставленных задач. Разработать эффективный технологический процесс обработки мелкодисперсных частиц в струе ВЧИ-плазмотрона на примере очистки и сфероидизации порошков электротехнического периклаза MgO и кварцевого песка 8іОг. Создать математическую модель, адекватно описывающую взаимодействие потока твердых частиц с плазменной струей, для определения основных параметров при плавлении дисперсных порошков в плазме, оценки качества получаемых при этом продуктов, а также для выбора оптимальной технологической конструкции ВЧ-установки по обработке частиц различного дисперсного материала.
Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:
1. Создать лабораторную установку для проведения экспериментальных исследований процесса термообработки различных порошковых материалов.
Провести ряд экспериментов для исследования энергетических характеристик установки, определения скорости движения мелкодисперсных частиц в струе ВЧИ-плазмы, нахождения радиального распределения температуры в плазменной струе.
Экспериментальна определить максимальную степень загрузки плазмы мелкодисперсными частицами.
Определить пространственное распределение параметров плазмы (температуры, составляющих скорости, электромагнитных величин) в разрядной камере ВЧИ-плазмотрона.
Провести анализ и сравнение критериальных зависимостей теплообмена плазмы и частицы с многочисленными экспериментальными данными.
Провести математическое моделирование процессов движения, нагревания и испарения частиц порошкового материала в плазме. Проанализировать влияние условий ввода частиц.
Провести расчетную оценку производительности плазменной струи с учетом массовой загрузки дисперсными частицами.
Объект исследования - процесс плазменной обработки различных мелкодисперсных частиц порошкового материала в ВЧИ-плазме.
Основные методы исследования. При проведении исследований применялись математическое моделирование и экспериментальные методы.
Математическое моделирование ВЧИ-плазмотронов основывалось на двумерных уравнениях баланса энергии, движения, неразрывности и электромагнитных уравнениях. Математическое моделирование процесса плазменной обработки дисперсных материалов - на уравнениях движения, нагрева, фазовых превращениях, баланса энергии и сохранения импульса системы струя-частицы.
Параметры плазменной струи определялись спектрально - по абсолютной интенсивности континуума, движение частиц в потоке плазмы - по стробоскопической трековой методике, энергетические характеристики установок - калориметрическим способом.
Экспериментальное исследование технологических схем проводилось на лабораторных экспериментальных установках в процессе термообработки частиц тугоплавких материалов: оксида магния и диоксида кремния.
Методологической основой диссертации послужили научные работы СВ. Дресвина, B.C. Клубникина, В.В. Кудинова, А.Л. Мосеэ, И.П. Дашкевича, Ю.В. Цветкова, С.А. Панфилова, М.Ф. Жукова, О.П. Солоненко, И.С. Бурова, А.Л. Суриса, С. Патанкара, М. Булоса, П. Фуше, Д. Сполдинга, Е. Пфендера и других исследователей.
На защиту выносятся:
Результаты расчета двумерного распределения параметров плазмы в разрядной камере ВЧИ-плазмотрона.
Результаты анализа и сравнения критериальных формул теплообмена сферических тел в плазменных потоках с экспериментальными данными.
Результаты математического моделирования процессов движения, нагревания и испарения мелкодисперсных частиц Si02 и MgO в плазме.
Результаты расчета плазменной струи, загруженной большим количеством мелкодисперсных частиц.
Результаты экспериментального исследования ВЧИ-установки для обработки дисперсных материалов: определение скорости движения мелкодисперсных частиц в факеле плазменной струи, измерение температуры плазменной струи, определение максимальной степени загрузки плазмы мелкодисперсными частицами, определение энергетических характеристик.
Научная значимость результатов. Проведено комплексное исследование процессов теплообмена движущихся в плазме частиц. Предложена новая поправка в критериальную зависимость теплообмена сферических тел в плазменных потоках. При расчете нагревания порошкового материала в плазменной струе поправка учитывает смену характера теплопередачи от плазмы к частице. Полученные результаты хорошо согласуются с многочисленными экспериментальными данными. Расчетным путем получены двумерные распределения параметров плазмы в разрядной камере ВЧИ-
плазмотрона. Уточнена и расширена математическая модель движения и нагревания мелкодисперсных частиц в плазменной струе с учетом их испарения. Разработана методика расчета плазменной струи с учетом массовой загрузки дисперсным материалом. Экспериментально изучено влияние основных параметров на эффективность и производительность процесса плазменной обработки различного дисперсного материала. Экспериментально определены технологические характеристики различных вариантов схем плазменной обработки дисперсного материала, выявлены их преимущества и недостатки.
Практическая значимость результатов. Результаты проведенных расчетов и экспериментальных исследований позволяют глубже понять и обосновать физико-химические процессы, протекающие при плазменной обработке дисперсных материалов. На основе разработанной математической модели определены условия для стабильного и эффективного расплавления частиц, обеспечивающие улучшение качества обрабатываемых материалов. Разработанная методика расчетной оценки влияния порошкового материала на параметры плазменной струи может быть использована для различных вариантов схем ВЧИ-плазмотронов. Созданы экспериментальные лабораторные установки колебательной мощностью 60 кВт с частотами 1,76 и 5,28 МГц с вертикальным и горизонтальным расположением высокочастотных индукционных плазмотронов соответственно для исследования обработки различных порошковых материалов, в том числе и тугоплавких. Разработана высокоэффективная технологическая схема процесса очистки и сфероидизации порошков электротехнического периклаза MgO и кварцевого песка SiOi различного фракционного состава, включающая особенности режимов ВЧИ-установки и ввода частиц дисперсного материала в плазменную струю. Результаты, полученные в работе, могут быть использованы при создании и оптимизации промышленных ВЧИ-установок для термообработки и сфероидизации дисперсных частиц различного порошкового материала.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: политехнический симпозиум «Молодые ученые - промышленности Северо-западного региона» (Санкт-Петербург, 2001); VI Европейская конференция по термическим плазменным процессам и технологиям (Франция, Страсбург, 2001); XXIX Неделя науки СПбГТУ - Межвузовская научная конференция (Санкт-Петербург, 2001); XV Международный симпозиум по плазмохимии (Франция, Орлеан, 2001); XXX Юбилейная Неделя науки СПбГГУ - Межвузовская научная конференция (Санкт-Петербург, 2002); VII Европейская конференция по термическим плазменным процессам и технологиям (Франция, Страсбург, 2002).
Публикации. По результатам теоретических и экспериментальных исследований опубликованы восемь статей и тезисы одного доклада.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Полный объем диссертации - 239 страниц, рисунков — 92, таблиц — 34.
Высокочастотная плазменная установка для получения дисперсного плавленного кварца (горизонтальная плазменная струя)
В диапазоне частот 66 кГц - 5,28 МГц для питания ВЧИ-плазмотронов можно использовать (с учетом переделки колебательной системы) промышленные генераторы типа ВЧИ (рис. 14), которые разработаны и применяются для индукционного нагрева различных материалов. Выбор этих генераторов определяется тем, что они рассчитаны на нагрев в поле индуктора, эквивалентная схема которого подобна эквивалентной схеме индукционного плазмотрона. В диапазоне частот 13-40 МГц применяются промышленные генераторы типа ВЧГ, которые разработаны и применяются для нагрева диэлектриков. Нагрузка таких генераторов емкостная и близка к эквивалентной схеме ВЧЕ-плазмотрона [11].
Расчетам режима генераторных ламп и элементов генератора посвящено большое число публикаций [23-26]. Цель расчетов элементов автогенератора и режимов работы генераторных триодов при работе на ВЧ-плазмотроны заключается в определении эквивалентного сопротивления нагрузочного контура, которое необходимо обеспечить через параметры разряда [27]. Алгоритм расчета параметров элементов и характеристик лампового автогенератора для питания высокочастотных плазмотронов, а также оптимального режима работы генераторной лампы в известном диапазоне изменения параметров нагрузки - плазмотрона приведен в [28].
Недостаток ламповых генераторов как источника питания индукционных плазмотронов заключается в их ограниченной мощности, v. v ществующие в настоящее время генераторные триоды могут обеспечить создание генераторов мощностью не более 1000-2000 кВт. В то же самое время і оупнотоннажным производствам современной промышленности уже сейчас требуются установки мощностью 5-10 МВт и более. Выходом из положения является понижение частоты и применение новых источников питания - электромашинных и тиристорных преобразователей частоты. Используемый диапазон частот в этом случае не превышает 10 кГц. Мощность плазменной установки может достичь величины нескольких десятков мегаватт [16].
Итак, ламповые автогенераторы в диапазоне частот от 0,44 до 40 МГц и выше являются на сегодня незаменимыми источниками питания для высокочастотных плазмотронов. Технические характеристики ламповых генераторов отечественного производства приведены в табл. 3.
В настоящее время в промышленности используется ряд высокочастотных индукционных плазменных установок различного назначения. Так, например, во ВНИИТВЧ за последнее время разработаны и созданы следующие серии плазменных установок с ВЧИ-плазмотронами [16]: 1. Для проведення различных плазмохимических реакций Получение смешанного уран-плутониевого топлива для реакторов и плазмохимическая денитрация высокоактивных отходов
Установки (см. табл. 4) предназначены для удаления из сферы жизнедеятельности человека отработанного топлива атомных электростанций на основе комплексного метода, включающего: растворение отработанного топлива (обычно в азотной кислоте); разделение полученного раствора методом экстракции на целевые компоненты (элементы, которые могут найти применение в народном хозяйстве) и высокоактивные отходы (ВАО); переработка целевых компонентов для возврата их в топливный цикл; переработка ВАО с целью получения минералоподобных матриц, в которые можно включать радионуклиды. Действительно, проблема переработки и утилизации радиоактивных отходов (РАО), скопившихся на Земле преимущественно в жидком виде в очень большом количестве в результате технической деятельности человечества (ядерк їя энергетика, производство и уничтожение ядерного оружия), очень актуальна в настоящее время [29]. Сегодня широкое применение нашла технология стеклования РАО с последующим захоронением стекольных матриц. Однако в процессе стеклования в матрице оказываются не только радионуклиды, но и большое количество безопасных соединений, что приводит к большому объему продуктов захоронения и является существенным недостатком технологии. Поэтому перспективными представляются современные разработки по предварительной сепарации отходов: разделение РАО, переведенных в парообразное состояние, по атомному весу под воздействием специально подобранной комбинации электромагнитных полей. После такой сепарации стеклованию подвергается лишь малая часть исходных отходов. В подвергаемой стеклованию части отходов, состоящей из элементов с атомным весом более 90, сосредотачивается 99,9% всех радионуклидов. Остальная очищенная часть имеет низкую активность и может быть захоронена вместе с низкоактивными отходами [30]. В связи с этим существует необходимость создания высокоэффективных испарителей жидких РАО. Поэтому для экспериментального исследования технологического процесса испарения расплавов солей, моделирующих радиоактивные смеси, а также и других опасных продуктов промышленного производства в лаборатории Электротехнологические установки и процессы» (ЭТУП) кафедры «Электротехника и электротехнология» СГЖТЇУ был создан экспериментальный плазменный испаритель на базе высокочастотного индукционного плазмотрона (рис. 15). Для питания установки применен серийный ламповый генератор 60 кВт, 5,28 МГц, предназначенный для работы на плазменную нагрузку [31-33]. Разложение сероводорода для получения серы и водорода Для переработки сероводорода, часто сопутствующего природному газу и являющегося существенным потенциальным источником серы и водорода, в настоящее время разработаны два варианта опытно-промышленных установок на основе плазмохимической диссоциации H2S: с ВЧИ-плазмотроном (мощность в плазме 400 кВт, частота тока 0,44 МГц); » с СВЧ-плазмотроном (мощность в плазме 600 кВт, частота тока 915 МГц). Преимущества использования индукционной плазмы при разложении сероводорода в отличие от традиционных способов состоят в отсутствии выброса S02 в атмосферу и потерь водорода, т.е. плазмохимическая переработка сероводорода позволяет создать безотходное, экологически чистое производство и при этом энергозатраты на образование Н2 и S незначительны.
Описание экспериментальных установок для обработки дисперсных материалов в ВЧИ-плазмотроне
В данном случае под тепловым кпд процесса понимают отношение тепловой мощности плазмы, переданной в порошок, к мощности электрического разряда. Следствием этого является высокая производительность ВЧИ-плазмотронов при сфероидизации порошков различных материалов. При этом высокочастотная плазма не только существенно повышает эффективность процесса сфероидизации, но и обеспечивает возможность округления более крупных частиц. Например, в дуговой плазме удается сфероидизировать порошок корунда АЬ03 размером до 60-70 мкм, в то время как в ВЧИ-плазме размер обрабатываемых частиц может быть увеличен до 600-800 мкм [38]. Перечисленные выше особенности индукционной плазмы используются в большом количестве технологических процессов, которые можно разбить на две группы: 1) процессы, протекающие при воздействии плазмы на какой-либо материал - нагрев, плавление, испарение и конденсация материалов; 2) плазмохимические процессы.
Процессы плавления можно рассмотреть на примере получения порошков со сферической формой частиц. Такие порошки применяются при изготовлении фильтров, катодов электровакуумных приборов, в качестве наполнителей пластмасс и для других целей [11, 16].
Итак, рассмотрим примеры эффективных технологических процессов с применением ВЧИ-плазмотронов - очистка и сфероидизации порошков электротехнического периклаза MgO и диоксида кремния Sid.
Плавленый оксид магния - электротехнический периклаз представляет собой уникальный материал. Будучи хорошим диэлектриком, он обладает достаточно высокой теплопроводностью. Это сочетание свойств делает его незаменимым материалом в виде порошкового наполнителя в качестве высокотемпературной электроизоляции при изготовлении широко применяемых в быту и в промышленности трубчатых электрических нагревателей - ТЭНов (рис. 24), а также и в других отраслях техники, где требуется надёжный электроизоляционный и теплопроводящий материал.
Существующий процесс получения электротехнического периклаза путем наплавки на блок магнезита MgC03, брусита Mg(OH)3 или магнезии MgO в дуговой электрической печи с графитовыми электродами несовепшенен. Кроме того, блок по своей макро- и микроструктуре, химическому составу очень неоднороден из-за неравномерного температурного поля в печи [39]. Полученные в результате дробления и помола по существующей технологии порошки имеют много загрязнений и дефектов, а также высокую удельную поверхность частиц. Это приводит к существенному ухудшению электроизоляционных характеристик ТЭНов, изготавливаемых с применением периклаза, и вынуждает предъявлять весьма жесткие требования к химическому составу порошка, особенно, по содержанию СаО и Fe203. Кроме того, процесс имеет низкую производительность. Чтобы сделать более однородным химический и фазовый состав порошка, повысить его электроизоляционные свойства, проводится последующая термическая обработка порошка в газовых или низкотемпературных электропечах [40, 41]. Однако из-за спекаемости порошка при температурах более 1400 С, высокой стоимости и малого срока службы керамических тиглей, в которых проводится термообработка, ее эффективность снижается.
Плазменный способ обработки мелких тугоплавких частиц имеет ряд преимуществ по сравнению с механическим способом дробления. Помимо того, что сам способ механического дробления предоставляет возможность дополнительного загрязнения и необходимость химической очистки порошков, представляется трудной задачей и порой невыполнимой само механическое дробление на мелкие и сверхмелкие частицы диаметром меньше 100 мкм. При этом задачу химической очистки материалов и сфероидизации невозможно решать при таком методе. По сравнению с традиционным методом обработки материалов плазменный метод лишен этих недостатков и, более того, позволяет получить высокие технико-экономические показатели, т.е. путем обработки в потоке высокочастотной индукционной плазмы можно существенно улучшить качество порошка периклаза [42].
В плазменной струе частички порошка, имеющие первоначально неправильную форму, расплавляются и под действием сил поверхностного натяжения приобретают сферическую форму. При последующем охлаждении приобретенная частичками сферическая форма фиксируется. Из-за быстрого охлаждения порошка спекания его не наблюдаются. Качество полученных продуктов оценивается по химическому составу, содержанию магнитных включений, удельной поверхности, влагопоглощению, удельному объемному электросопротивлению и текучести. В табл. 11 представлены для сравнения электрические и механические характеристики периклаза до и после его обработки в высокочастотной индукционной плазме (в числителе и знаменателе соответственно).
В результате обработки периклаза в индукционной плазме, как видно из табл. 11, в нем снижается содержание железа и магнитных включений в полтора-два раза; примерно в два раза уменьшается удельная поверхность из-за значительных изменений в зерновом составе периклаза - уменьшается содержание мелких частиц (менее 40-60 мкм) и соответственно увеличивается доля крупных, благодаря чему более чем в два раза снижается влагопоглощение [43]; в несколько раз (в некоторых случаях на порядок) увеличивается удельное объемное электрическое сопротивление. В среднем на 30 % увеличивается текучесть порошка периклаза и, как следствие, повышается производительность при изготовлении ТЭНов. Повышение текучести связано с приобретением частичками сферической формы (рис. 25). В большинстве случаев наблюдается снижение содержания углерода с 0,04-0,1 до 0,02-0,03 %.
Дискретные аналоги уравнений, описывающих поведение плазмы
Среди многообразных способов получения сфероидизированных порошков плазменный процесс занимает особое место благодаря возможности активного воздействия на обрабатываемые, особенно тугоплавкие, материалы.
В общем виде процесс сфероидизации материалов можно представить состоящим из трех стадий: 1) нагрев и плавление обрабатываемого материала; 2) скругление расплавленных частиц; 3) их затвердение и охлаждение. При этом воздействие плазмы на порошковые материалы приводит не только к оплавлению частиц и их сквозному прогреву, но и к выкипанию легких фракций порошка и значительному испарению примесей с поверхности частиц.
Общий анализ процесса показывает, что скругление жидких капель расплавленных в плазме частиц проявляется во взаимодействии проверхностного натяжения, инерционных сил и вязкости вещества, связанных критерием Лапласа. Для недробящихся капель сфероидизация частиц является результатом двух противоположно действующих факторов: поверхностного натяжения и вязкости и выражается функциональной зависимостью С =/(о7г), устанавливающей, что лучшей сфероидизируемостью С обладают вещества с высокими значениями поверхностного натяжения а и малой вязкостью ц. Обе величины находятся, в свою очередь, в зависимости от ряда факторов, таких как теплофизические свойства материалов, наличие добавок, повышающих поверхностную энергию или расширяющих температурный интервал кристаллизации и др. Поэтому сфероидизируемость частиц представляет собой сложное явление, в котором наличие того или иного фактора может существенно влиять на характер процесса [36].
В работе [64] получены экспериментальные значения максимального размера сфероидизированных частиц для некоторых металлических и керамических материалов, обработанных в одинаковых условиях. Из этих данных видно, что для металлов существенную роль играет теплопроводность, с уменьшением которой снижаются и значения максимального размера сфероидизированных частиц при различающемся поверхностном натяжении. Меньшие значения для керамик соответствуют низкой их теплопроводности. Важная роль поверхностного натяжения проявляется и в величине внутреннего давления в частицах. Из формулы Лапласа р = 2 о/г следует, что с уменьшением размера частиц резко возрастает внутреннее давление в них, что наряду с высокими скоростями охлаждения, особенно для весьма мелких частиц, является причиной их высокой механической прочности.
Процесс сфероидизации характеризуется выходом сфероидизированных частиц в продукте, выраженным в процентах от общего числа частиц. При этом эффективность сфероидизации частиц, главным образом, зависит от параметров самого плазменного процесса: мощности ВЧИ-разряда, расхода плазмообразующего и транспортирующего газа, а также от расхода, места и угла ввода порошка в струю, от типа обрабатываемого материала и размера исходных частиц. Эффективность процесса сфероидизации во многом зависит от правильно выбранного режима работы индукционного плазмотрона.
Ввод материала в плазму может быть осуществлен двумя способами: вдоль оси индукционного разряда по направлению движения плазменного потока и радиально за разрядной камерой под некоторым углом к плазменному потоку. В качестве плазмообразующего газа могут быть использовгны аргон, азот, кислород и их смеси. Ввод плазмообразующего газа в ВЧИ-плазмотроне может осуществляться как тангенциально, так и аксиально (или с использованием обоих методов), но при этом важно правильно выбрать его расход. Так как при больших его расходах, хотя потери на стенках разрядной камеры минимальны, возникает встречный по отношению к основному поток газа [16]. Вследствие этого снижается эффективность процесса сфероидизации. Также заметное влияние на процент выхода сфероидизированнных частиц оказывает расход транспортирующего газа, большое количество которого вызывает захолаживание струи, сквозной пролет частиц в поперечном сечении струи плазмы и тем самым заметное снижение выхода сфероидизированного продукта. Увеличение выхода и размера сфероидиированных частиц удается достичь за счет применения высокоэнтальпииных газов и повышения мощности разряда, что обусловливает лучший теплообмен плазмы с частицами и увеличивает время пребывания обрабатываемого материала в плазменном потоке. Повышение загруженности плазменного потока обрабатываемым порошком с некоторых ее значений, зависящих от тепловой мощности пазменной струи, ведет к резкому снижению процента сфероидизации. Вместе с тем визуальные наблюдения показывают, что при одностороннем вводе порошка используется не весь объем плазменного потока. Подача порошка двумя питателями с одновременным увеличением мощности плазмы позволяет в 2-3 раза повысить производительность процесса без снижения выхода сфероидизированного продукта. Обработка порошков в плазме повышает выход крупных фракций сфероидизированного порошка, обусловленный комкованием частиц при транспортировке к плазме и коагуляционными явлениями в самом плазменном потоке. Это в существенной мере определяет полезное использование стандартных исходных порошков, содержащих значительное количество мелких зерен.
Для сфероидизации порошковых материалов в основном используются электроплазменнче установки на базе дуговых или высокочастотных индукционных плазмотронов. В дуговых плазмотронах порошок вводится перпендикулярні4 или под некоторым углом к оси плазменной струи, в результате чего частицы порошка попадают в разные места струи и поэтому не удается осуществить одинаковые условия для разогрева и ускорения различных частиц. Поэтому наряду с хорошо проплавленными имеется значительная доля плохо проплавленных и непроплавленных (несфероидизированных) частиц. А при сфероидизации мелкодисперсного порошкового материала в плазме решающим показателем является производительность процесса при 100 %-ной обработке порошка. При одинаковой мощности плазмотронов в зависимости от их типов значительно различается скорость частиц и время их пребывания в плазме: 3-5 м/с и 100 мс в ВЧИ-плазме; 25-100 м/с и 0,5-4,0 мс в дуговой. Как следует из приведенных данных о сравнении условий сфероидизации порошка, скорость частиц в ВЧИ-плазме может быть в десятки раз меньше чем в дуговой плазме, что и определяет преимущества ВЧИ-плазмотронов: их более высокий тепловой кпд нагрева порошка (25-30 %) по сравнению с 2-10 % при дуговом способе сфероидизации, и как следствие, высокую производительность при практически 100%-ной сфероидизации порошкового материала (более подробно преимущества и достоинства ВЧИ-плазмотронов для сфероидизации порошковых материалов рассмотрены выше). Поэтому, несмотря на более низкий энергетический кпд ВЧ плазменной установки (60-70 %) по сравнению дуговым плазмотроном (85-95 %), более эффективным является ВЧИ плазменный способ обработки [11].
В высокочастотной плазме не только существенно эффективнее процессы сфероидизации, но и обеспечивается возможность округления более крупных частиц. Например, в дуговой плазме удается сфероидизировать порошок А120з с размером частиц до 60-70 мкм, в то время как в высокочастотной индукционной плазме размер обрабатываемых частиц может быть увеличен до 600-800 мкм. Переход к обработке крупных фракций электрокорунда или порошков тех же размеров, но из материала с РЫСОКОЙ теплоемкостью требует увеличения тепловых потоков от плазмы к порошку. Этому в значительной степени способствуют добавки кислорода в плазмообразующий газ. В кислородной плазме ВЧИ-разряда удается сфероидизировать порошки диоксида кремния, оксида магния и диоксида циркония, которые невозможно обработать в аргоновой плазме ВЧИ-разряда при той же мощности.
Результаты расчета движения и нагревания частицы дисперсного материала в плазменной струе
Рассмотренные выше нелинейные дифференциальные уравнения (16), (24) г, (28), описывающие поведение плазмы, будут решаться методом контрольного объема - МКО [73]. Этот метод для решения задач моделирования плазмы получил наибольшее распространение [72, 74-78]. История применение различных методик при математическом моделировании происходящих в плазме процессов, их особенности и недостатки представлена в работе СВ. Дресвина [2].
Метод контрольного объема относится к численным методам решения нелинейных дифференциальных уравнений. Результат численного решения представляет собой набор чисел, который позволяет построить распределение некоторой искомой переменной р в рассматриваемой расчетной области. Таким образом, в качестве основных неизвестных в методе контрольного объема рассматриваются значения искомой переменной о в конечном числе точек рассматриваемой области. Эти точки называются сеточными узлами или узловыми точками.
При этом дифференциальное уравнение, описывающее изменение искомой величины, в результате дискретизации заменяется системой алгебраических линейных уравнений СЛАУ (системой дискретных аналогов исходного дифференциального уравнения) и включает в себя неизвестные значения (р в выбранных узловых точках. При получении этих уравнений необходимо использовать некоторой предположение о характере изменения р в интервале между узловыми точками (в зависимости от предположения о характере изменения искомой переменной в интервале между узловыми точками получаются разные типы дискретных аналогов). Таким образом, дискретный аналог представляет собой алгебраическое уравнение, связывающее значения ф в данной точке со значениями ф в соседних точках, а так как он получается из дифференциального уравнения, описывающего изменение ф, следовательно, несет ту же физическую информацию, что и дифференциальное уравнение.
Итак, метод контрольного объема включает в себя получение системы дискретных аналогов исходного дифференциального уравнения для неизвестных и алгоритм решения этих уравнений.
Согласно методу контрольного объема, исследуемая область с помощью расчетной сетки разбивается на множество контрольных объемов таким образом, чтобы каждая узловая точка содержалась бы только в одном контрольном объеме. Для выполнения всех законов сохранения (массы, энергии, количества движения) необходимо, чтобы все элементарные контрольные объемы не пересекались и плотно прилегали друг к другу (рис. 39). Реализация метода контрольного объема в виде математических алгоритмов получается путем интегрирования искомого дифференциального уравнения по каждому элементарному контрольному объему. При этом используется вспомогательная аппроксимирующая функция, которая описывает изменение искомой величины между узловыми точками при условии постоянства свойств плазмы (X,, ср, р, а const). Вот так конструируется дискретный аналог дифференциального уравнения, в который входят значения искомой величины в нескольких узловых точках. Он выражает закон сохранения рассчитываемой переменной для конечного объема точно так же, как дифференциальное уравнение выражает закон сохранения для бесконечно малого контрольного объема.
Одним из важнейших достоинств метода контрольного объема является то, что в нем заложено точное интегральное сохранение таких величин как масса, количество движения и энергия для каждого контрольного объема и следовательно на всей расчетной области. Это свойство позволяет получать решение для крупных объемов и грубых сеток.
Для конкретного случая моделирования плазменных процессов известны некоторые начальные и граничные условия уравнений, определяющих неизвестные переменные (см. п. 3.2). С учетом этих факторов можно построить систему расчетных сеток таким образом, чтобы лучше отразить граничные условия задачи, а так же и другие заданные параметры плазмотрона [73]. Сетки для определения каждой зависимой переменной геометрически смещены относительно друг друга и называются шахматными или смещенными расчетными сетками. Геометрически шахматная сетка смещена по сравнению с основной сеткой так, чтобы узлы шахматной сетки находились прямо на гранях контрольных объемов основной сетки. Впервые шахматная сетка для расчета составляющих скорости была использована в [79]. Использование такой сетки лежит в основе известных процедур SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations) [80] и SIMPLER (SIMPLE Revised) [81].
Итак, исходя из граничных условий, можно построить расчетные сетки для моделирования плазменных процессов для ВЧИ-плазмотронов. На входе обычно скорость газа можно определить из граничного условия; поэтому узловые первоначальные точки для определения скорости vz должны находиться непосредственно на входе расчетной области. В силу осевой симметрии на оси плазмотрона vr = 0, поэтому точки расчетной сетки для определения составляющей скорости vr должны находиться на оси симметрии. На стенке плазмотрона считаем, что газ прилипает к стенке и скорость газа равна нулю. Сетка для определения vr должна быть построена так, чтобы краевые точки сетки находились непосредственно на стенке. Давление на выходе обычно известно, поэтому узловые точки сетки для определения давления необходимо разместить непосредственно на выходе. Таким образом, учитывая вышеприведенные условия, построим систему расчетных сеток для решения искомых уравнений (рис. 40). Шахматная сетка для решения уравнения движения относительно составляющей скорости vz смещается относительно основной сетки по направлению оси z на полшага так, чтобы ее точки определения (-1) находились непосредственно на z-ой грани контрольного объема основной сетки. Аналогично сетка для решения уравнения движения относительно второй составляющей скорости vr смещается по направлению г на полшага по сравнению с основной сеткой так, чтобы точки ее определения (-») находились на z-ой грани контрольного объема основной сетки. Сетка для определения давления смещается вниз по оси z на полшага (по сравнению с сеткой для определения vz) и смещается направо в сторону стенки на полшага (по сравнению с сеткой для определения vr) и получается, что точки определения газостатическое давление р (х) совпадают с узлами основной сетки расчетной области.
