ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РЕАКТОР И СПОСОБ ЕГО ПУСКА Российский патент 2004 года по МПК H05B7/22 

Группа изобретений относится к электротермии и изобретения могут быть использованы для плавления различных минеральных материалов и проведения химических реакций в конденсированной фазе, в частности, для плавления стекла и базальтовых пород с последующим получением из них теплоизоляционных материалов.

Известен электромагнитный технологический реактор (патент Российской Федерации 2129343, МПК Н 05 В 7/18, публ. 20.04.99). Она содержит реакционную камеру цилиндрической формы, имеющую дно, боковые стенки и крышку, с размещенными в ней двумя стержневыми электродами, устройства ввода перерабатываемых материалов и вывода продуктов переработки, электромагнит, выполненный в виде охватывающего камеру замкнутого ярма с симметрично расположенными полюсными наконечниками, на которых размещены сериесные обмотки поперечного магнитного поля, создаваемого протекающим через них током дуги, с выводами для подключения цепи электродугового разряда реактора и обмотки управления постоянного тока. На полюсных наконечниках поперечного магнитного поля размещены дополнительные обмотки, выводы которых подключены к клеммам электродов реактора, а полярность подключения выбрана таким образом, что дополнительное магнитное поле направлено встречно создаваемому сериесными обмотками основному поперечному магнитному полю.

Способ пуска реактора, описанный в патенте РФ 2129343, предусматривает подключение источника питания и подачу напряжения на электроды, смыкание электродов с образованием дуги и подачу мелкодисперсных перерабатываемых материалов в реакционную камеру. Электродуговой разряд в реакторе формируется эффективным воздействием магнитного поля, сформированного электромагнитом за счет тока обмоток, расположенных на соответствующих полюсах, и тока дуги, не замыкающейся на стенку камеры и горящей между концами электродов. Управление электродуговым разрядом достигается путем воздействия на него поперечным магнитным полем, индукция которого пропорциональна току дуги, и полем обратного направления, индукция которого функционально связана с напряжением на дуге.

Известный реактор обеспечивает эффективный управляемый нагрев пылегазовой среды перерабатывающих материалов в объеме реакционной камеры, однако после высадки конденсированной фазы на стенки реактора этот процесс замедляется и уменьшается степень перемешивания материалов. Кроме этого, наличие высокой среднемассовой температуры в камере (до 3500^oС и выше) и ее стенок делает экономически нецелесообразным плавку и переработку материалов с температурой плавления ниже 1800^oС, например, базальтовой породы, при плавке которой удельные энергозатраты составляют до 4 кВт•ч/кг перерабатываемого продукта.

Наиболее близким аналогом к заявляемому является электромагнитный технологический реактор, описанный в патенте Российской Федерации 2025054, МПК Н 05 В 7/22, публ. 15.12.94, используемый для плавления материалов, например шихты для силикат-глыбы, и проведения химических реакций в конденсированной фазе. Известный реактор содержит реакционную камеру, имеющую дно, боковые стенки и крышку, выполненную в виде трехлучевой звезды, устройства для ввода и вывода перерабатываемых материалов и вывода продуктов переработки, стержневые электроды, размещенные в реакционной камере, и электромагнит.

Электромагнит выполнен в виде охватывающего камеру замкнутого ярма с тремя полюсными наконечниками, на которых расположены сериесные обмотки поперечного магнитного поля, один вывод каждой из которых соединен с соответствующим электродом, а другой - с трехфазным источником питания. Реакционная камера оснащена 6 стержневыми электродами. Вдоль каждого из лучей реакционной камеры размещены по два эквипотенциальных электрода. Наружный электрод является стационарным, а внутренний - подаваемым. Внутренние электроды установлены под углом к продольной оси реакционной камеры. Наличие внутренних и наружных электродов позволяет управлять тепловыделением в объеме реакционной камеры путем изменения положения одного из них при питании от источника с неизменным напряжением и осуществлять пуск установки. Производительность реактора регулируется количеством выпускаемого расплава.

Известный из патента РФ 2025054 (С5) способ пуска вышеописанного реактора заключается в подключении источника питания и подаче напряжения на стержневые электроды, сведении внутренних электродов с образованием дуги между ними и подаче в реакционную камеру перерабатываемых измельченных материалов, которые попадают в область дугового разряда, плавятся, заполняют нижнюю часть реакционной камеры, пока расплав не соединяет нижние концы внутренних электродов и шунтирует их. Ток проходит через расплав и продолжает нагревать и плавить перерабатываемые материалы. Постепенно расплав заполняет реакционную камеру и достигает наружных электродов, что приводит к появлению тока в их цепи. Измельченные материалы продолжают подавать, а внутренние электроды поднимают.

Наличие трех внутренних электродов необходимо для запуска реактора и прогрева внутренней части объема расплава камеры, но в базовом режиме работы реактора надобность в них отпадает. Три дополнительных механизма подачи электродов с устройствами изоляции, токопровода и охлаждения резко усложняют конструкцию реактора. В базовом режиме, из-за их близости по сравнению с расстоянием между наружными тремя электродами они будут шунтировать цепи крайних электродов, что приведет к перегреву центральной части реакционной камеры и захолаживанию наружного объема расплава в камере.

Кроме этого в известной конструкции велика возможность замыкания токов между электродами через стенку реакционной камеры, если она выполнена из проводящего материала. В реакторах с погружными электродами в качестве материала стержневых электродов часто используется графит, что при определенных условиях может привести к восстановлению окислов железа, содержащихся, например, в базальтовых породах и привести к выходу из строя устройства вывода расплава, расположенного в холодной зоне ниже уровня дна реакционной камеры. Все это снимает надежность работы электромагнитного технологического реактора.

В основу изобретения положена задача создания электромагнитного технологического реактора, позволяющего эффективно нагревать перерабатываемые материалы, мощность которого можно регулировать и который имеет более простую и надежную конструкцию, и простого и надежного способа его пуска.

Технический результат: упрощение конструкции электромагнитного реактора, повышение надежности его работы, регулирование мощности реактора, создание простого и надежного способа его пуска.

Для достижения этого результата в электромагнитном технологическом реакторе, содержащем реакционную камеру, имеющую дно, боковые стенки и крышку, устройства ввода перерабатываемых материалов и вывода продуктов переработки, стержневые электроды, размещенные в реакционной камере, и электромагнит, выполненный в виде охватывающего реакционную камеру замкнутого ярма с тремя симметричными полюсными наконечниками, на которых расположены сериесные обмотки поперечного магнитного поля, один вывод каждой из которых соединен с соответствующим электродом, а другой - с источником питания, в соответствии с изобретением, реакционная камера оснащена тремя стержневыми электродами, установленными параллельно продольной оси камеры на одинаковом расстоянии от нее и под углом 120^o друг к другу, а источником питания является трехфазный регулируемый тиристорный источник питания, работающий в режиме источника тока.

Реактор предпочтительно имеет в поперечном сечении форму шестиугольника, а боковые стенки реакционной камеры выполнены из продольных взаимоизолированных водо- или воздухоохлаждаемых секций из немагнитной стали.

Преимущественно устройство для вывода продукта переработки размещено выше уровня дна реакционной камеры. Кроме того, дно и крышка реакционной камеры могут быть выполнены водо- или воздухоохлаждаемыми.

В предпочтительном варианте осуществления вдоль оси реакционной камеры установлен дополнительный электрод, не соединенный с источником питания.

Устройство для вывода продукта переработки может быть выполнено в боковой стенке камеры.

Для достижения указанного технического результата в способе пуска электромагнитного технологического реактора, имеющего реакционную камеру со стержневыми электродами и электромагнитом, выполненными в виде охватывающего реакционную камеру замкнутого ярма с тремя симметричными полюсными наконечниками, на которых расположены сериесные обмотки поперечного магнитного поля, один вывод каждой из которых соединен с соответствующим электродом, а другой - с источником питания, путем подключения источника питания и подачи напряжения на стержневые электроды, подачи измельченных перерабатываемых материалов, согласно изобретению осуществляют подачу измельченных перерабатываемых материалов в реакционную камеру и заполнение ее, при этом формируют между слоями измельченного перерабатываемого материала слой мелкодисперсного электропроводящего материала, например, графита, замыкающего три стержневых электрода, установленных параллельно продольной оси на одинаковом расстоянии от нее и под углом 120^o друг к другу, затем подключают источник питания, в качестве которого используют трехфазный регулируемый тиристорный источник питания, работающий в режиме источника тока, и осуществляют постепенный набор токовой нагрузки.

На фиг.1 изображен схематично электромагнитный технологический реактор в разрезе; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг.1 со схемой подключения; на фиг.3 - схематично разрез электромагнитного технологического реактора, вариант.

Электромагнитный технологический реактор предназначен для плавления базальтовых пород и включает реакционную камеру 1, имеющую в поперечном разрезе форму шестиугольника. Форма реакционной камеры 1 в виде шестиугольника выбрана для увеличения величины магнитного поля путем сближения полюсов электромагнита при сохранении достаточно большого расстояния между электродами из соображений повышения рабочего напряжения. Боковые стенки 2 реакционной камеры 1 выполнены из немагнитного материала - нержавеющей стали и состоят из продольных секций 3, изолированных друг от друга изоляционными промежутками 4. Секции 3 охлаждаются водой или воздухом. Реакционная камера имеет крышку 5 и дно 6, которые также могут охлаждаться водой или воздухом. Секции 3 могут быть изолированы слоем изоляции и от дна 6 и крышки 5. В крышке 5 выполнено устройство для подачи перерабатываемых материалов - патрубок 7 и патрубок 8 для вывода газов. Устройство для вывода продуктов переработки 9 выполнено в донной части реакционной камеры, причем оно расположено выше уровня дна 6 реакционной камеры. В другом варианте осуществления устройство для вывода продуктов переработки расположено в боковой стенке 2 камеры выше уровня дна 6 (фиг.2). Внутри камеры параллельно ее продольной оси расположены три стержневых электрода 10. Они размещены на одинаковом расстоянии от оси и смещены на одинаковый угол 120^o относительно друг друга. Снаружи реакционную камеру охватывает электромагнит, состоящий из замкнутого ярма 11 с симметрично расположенными тремя полюсными наконечниками 12, на которых расположены сериесные обмотки 13 поперечного магнитного поля. Один вывод каждой обмотки 13 подключен к источнику питания 14, а другой вывод - к электроду 10. Источник питания 14 представляет собой трехфазный тиристорный регулируемый источник питания, работающий в режиме источника тока. Вдоль продольной оси реакционной камеры 1 установлен дополнительный нейтральный электрод 15, не связанный с источником питания.

Способ пуска электромагнитного технологического реактора и его работа осуществляются следующим образом.

Через патрубок 7 в реакционную камеру подают измельченный перерабатываемый материал - базальт с размерами частиц до 5-7 мм. В центральной части камеры 1 между слоями базальта формируют плоский слой мелкодисперсного электропроводного материала, например графитового порошка, замыкающего электроды 10. Затем подключают трехфазный тиристорный регулируемый источник питания 14. Ток проводимости протекает по слою графита, разогревает его и передает тепло близлежащим слоям базальта. В результате образуется первоначальная линза электропроводного расплава, которая постепенно увеличивается и перемыкает электроды 10. Далее происходит омический нагрев расплава токами проводимости и формируется рабочая плавильная зона реакционной камеры 1. В процессе пуска реактора и выхода его на рабочий режим величину тока увеличивают от минимального до рабочего, что обеспечивает тиристорный регулируемый источник питания. В базовом режиме осуществляют слив расплава базальта через устройство вывода продукта переработки 9 с одновременной подачей измельченного базальта от дозатора шихты (не показан) через патрубок 7, расположенный на крышке 5. Отходящие газы отводятся через патрубок 8. Мощность реактора задается тиристорным источником питания 14, на схему управления величиной трехфазного тока которого заведен сигнал обратной связи по температуре расплава. Благодаря взаимодействию токов проводимости между электродами и поперечным магнитным потоком, создаваемым обмотками 13 электромагнита, на область расплава действуют силы, направленные вдоль оси реакционной камеры. Кроме этого, движению расплава в горизонтальной плоскости способствует вращающееся переменное магнитное поле трехфазного магнита, подобно действию вращающегося магнитного поля статора асинхронного двигателя.

Движение расплава вдоль оси камеры 1 и в поперечной плоскости обеспечивает перемешивание перерабатываемых материалов, что в свою очередь увеличивает скорость их нагрева, усреднение их химического состава и температурных полей в плавильной зоне. Реакционная камера 1 при этом охлаждается пропусканием воды или воздуха через секции 3, дно 6 и крышку 5. Это исключает возможность шунтирования токов проводимости стенками камеры 1, воздух который использовался для охлаждения и нагретый в этом процессе, может использоваться для раздува волокон из расплава базальта.

Электромагнитный технологический реактор был опробован для плавки базальтовых пород различных месторождений, в том числе Селендумского месторождения Республики Бурятия, содержащей до 9,7% окислов железа. При подготовке базальтовых пород к плавке специальный рассев измельченного базальта не производился, что удобно при промышленной эксплуатации. В процессе запуска величина тока регулировалась от 50 до 200 А. Время запуска составляло 50-60 мин. При использовании нейтрального электрода время запуска сокращалось еще до 40-50 мин.

При производительности реактора 80 кг/ч рабочая величина тока составляла 250 А, а напряжение 200 В. При повышении рабочего напряжения до 300 В замыканий токов на стенку реактора и аварийных ситуаций не было. При плавке базальтовых пород, содержащих окислы железа, порции восстановленного металла оседали на дно реакционной камеры и периодически сливались через дополнительную летку в дне реактора (не показана). При этом вследствие расположения устройства для вывода продуктов переработки выше уровня дна реакционной камеры восстановленный металл не заливал выходное отверстие устройства и реактор не останавливался.

Изобретения относятся к электротермии и могут быть использованы для плавления минеральных компонентов и проведения химических реакций в конденсированной фазе, в частности для плавления стекла и базальтовых пород для получения из них теплоизоляционных материалов. Электромагнитный технологический реактор содержит реакционную камеру, имеющую дно, боковые стенки и крышку, устройства ввода перерабатываемых материалов и вывода продуктов переработки, стержневые электроды, размещенные в реакционной камере, и электромагнит, выполненный в виде охватывающего реакционную камеру замкнутого ярма с тремя симметричными полюсными наконечниками, на которых расположены сериесные обмотки поперечного магнитного поля, один вывод каждой из которых соединен с соответствующим электродом, а другой - с источником питания. Реакционная камера оснащена тремя стержневыми электродами, установленными параллельно продольной оси камеры на одинаковом расстоянии от нее и под углом 120^o друг к другу, а источником питания является трехфазный регулируемый тиристорный источник питания, работающий в режиме источника питания. Реакционная камера может иметь в поперечном сечении форму шестиугольника, боковые стенки реакционной камеры могут быть выполнены из продольных водо- или воздухоохлаждаемых секций из немагнитной стали, а устройство для вывода продукта переработки размещено выше уровня дна реакционной камеры. В предлагаемом способе пуска электромагнитного технологического реактора сначала осуществляют подачу измельченных перерабатываемых материалов в реакционную камеру и заполнение ее, при этом формируют между слоями измельченного перерабатываемого материала слой мелкодисперсного электропроводящего материала, например графита, замыкающего три стержневых электрода, размещенных параллельно продольной оси на одинаковом расстоянии от нее и под углом 120^o друг к другу, а затем подключают источник питания, в качестве которого используют трехфазный регулируемый тиристорный источник питания, работающий в режиме источника тока, и осуществляют постепенный набор токовой нагрузки. Технический результат - упрощение конструкции электромагнитного реактора, повышение надежности его в работе, регулирование мощности реактора, а также создание простого и надежного способа его пуска. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Электромагнитный технологический реактор, содержащий реакционную камеру, имеющую дно, боковые стенки и крышку, устройства ввода перерабатываемых материалов и вывода продуктов переработки, стержневые электроды, размещенные в реакционной камере на одинаковом расстоянии от ее продольной оси и под углом 120° друг к другу, и электромагнит, выполненный в виде охватывающего реакционную камеру замкнутого ярма с тремя симметричными полюсными наконечниками, на которых расположены сериесные обмотки магнитного поля, выполненные с возможностью создания поперечного магнитного поля протекающим через них электрическим током, причем один вывод каждой из обмоток соединен с соответствующим электродом, а другой - с источником питания, отличающийся тем, что реакционная камера оснащена тремя стержневыми электродами, установленными параллельно продольной оси камеры, а источником питания является трехфазный регулируемый тиристорный источник питания, работающий в режиме источника тока.2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что имеет в поперечном сечении форму шестиугольника.3. Реактор по п.1 или 2, отличающийся тем, что боковые стенки реакционной камеры выполнены из продольных взаимоизолированных водо- или воздухоохлаждаемых секций из немагнитной стали.4. Реактор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что устройство для вывода продукта переработки размещено выше уровня дна реакционной камеры.5. Реактор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что дно и крышка реакционной камеры выполнены водо- и воздухоохлаждаемыми.6. Реактор по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что вдоль оси реакционной камеры установлен дополнительный нейтральный электрод.7. Реактор по п.6, отличающийся тем, что устройство для вывода продукта переработки выполнено в боковой стенке камеры.8. Способ пуска электромагнитного технологического реактора, имеющего реакционную камеру со стержневыми электродами и электромагнитом, выполненным в виде охватывающего реакционную камеру замкнутого ярма с тремя симметричными полюсными наконечниками, на которых расположены сериесные обмотки, один вывод каждой из которых соединен с соответствующим электродом, а другой - с источником питания путем подключения источника питания и подачи напряжения на стержневые электроды, подачи измельченных перерабатываемых материалов в реакционную камеру, отличающийся тем, что осуществляют подачу измельченных перерабатываемых материалов в реакционную камеру и заполнение ее, при этом формируют между слоями измельченного перерабатываемого материала слой мелкодисперсного электропроводящего материала, например графита, замыкающего три стержневых электрода, размещенных в реакционной камере параллельно продольной оси на одинаковом расстоянии от нее и под углом 120° друг от друга, а затем подключают источник питания, в качестве которого используют трехфазный регулируемый тиристорный источник питания, работающий в режиме источника тока, и осуществляют постепенный набор токовой нагрузки.