СВЧ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР Российский патент 2006 года по МПК H05H1/30 H05B7/18 

Область применения

Изобретение относится к плазменным реакторам с увеличенными объемом плазмы и величиной вводимой в разряд электрической энергии.

Предлагаемое устройство предназначено для прямого восстановления металлов из руд, розжига электроплавильных печей, синтеза порошковых материалов, сфероидизации порошков, осаждения пленок и в других областях.

Уровень техники

СВЧ плазма может быть полезно использована в самых различных плазменных технологиях, основанных на реализации неравновесных эффектов, объемности разряда и управляемости основными плазменными характеристиками в отсутствие расходуемых в технологическом процессе электродов.

Обычно для электрометаллургических процессов предлагается применение электродуговых плазмотронов. Однако, несмотря на многолетние попытки, не удалось создать приемлемой для промышленной реализации конструкции из-за сильной эрозии катода, что сдерживает применение плазменных технологий для прямого восстановления металлов из руд.

Принципиально лишены этого недостатка СВЧ плазмотроны. Однако пока промышленность не освоила выпуск относительно дешевых СВЧ источников требуемой мощности. Недостатки устройств, основанных на СВЧ плазмохимических технологиях, связаны с низкой производительностью оборудования вследствие малости вводимой в разряд энергии.

Известен СВЧ плазмохимический реактор, в котором благодаря поддержанию разряда при величине напряженности электрического поля, меньшей пробивного значения, созданию условий для рециркуляции газа в зоне разряда и использованию типа СВЧ волны, имеющей на границе разряда нормальный к ней вектор напряженности электрического поля, ионизованный поток газа, выходящий из основной зоны процесса поглощения энергии, вновь в нее возвращается, сохранив степень ионизации, определяющую электропроводность, достаточную для поглощения СВЧ энергии. При этом сохраняется диффузный (относительно равномерный по объему) характер разряда при давлении газа, близком или превышающем атмосферное, за счет устранения на используемом типе СВЧ волны ионизационной неустойчивости плазменного канала. Надежность устройств ввода энергии в этом реакторе обеспечена размещением окон ввода энергии там, где они не находятся под воздействием излучения плазмы [Пат. РФ №2149521 от 2000 г].

Недостатком известного устройства является малый удельный энерговклад в приосевой зоне разряда и вследствие этого недостаточная технологическая эффективность устройства.

Прототипом предлагаемого реактора, в котором этот недостаток устранен, является СВЧ плазмохимический реактор, включающий металлическую разрядную камеру в виде цилиндрической трубы с торцевыми днищами и боковой стенкой, узел ввода СВЧ энергии в разрядную камеру, выполненный в виде двух коаксиальных металлических труб, внешней с верхним днищем и внутренней, переходный узел, состоящий из металлического тела в форме усеченного конуса, большее основание которого образует часть верхнего днища разрядной камеры, расположенного вокруг внутренней трубы, и металлического кожуха, окружающего металлическое тело коаксиально ему и соединяющего внешнюю трубу с боковой стенкой разрядной камеры, коаксиально-волноводный переход, внешний проводник-корпус которого подсоединен к верхнему днищу узла ввода СВЧ энергии и изолирован от внутренней трубы диэлектрическим кольцом, при этом один конец центрального проводника соединен плавным переходом с верхним концом внутренней трубы и изолирован от корпуса, а в стенке внешней трубы выполнены окна, к которым подсоединены прямоугольные волноводы так, что их широкие стенки ориентированы параллельно оси разрядной камеры, и сами окна закрыты диэлектрическими вставками, платформу для размещения обрабатываемого материала, установленную на нижнем днище разрядной камеры с возможностью перемещения, размещенное между кожухом и металлическим телом герметизирующее диэлектрическое окно, формирователь дополнительного вихревого газового потока, установленные на боковой стенке разрядной камеры поджигающий электрод и тангенциально к стенке сопла ввода рабочего газа и выполненные в нижнем днище отверстия для выхода газа [Пат. РФ №2225684 от 2000 г].

Заявитель проанализировал возможность совмещения режимов горения СВЧ разряда в этом реакторе с дуговым разрядом и установил, что пропускание постоянного электрического тока через плазменный столб СВЧ разряда не только не разрушает последний, как можно было предположить, учитывая существенные различия в физических процессах, реализованных в обоих типах разрядов, и в их мощности, но и стабилизирует СВЧ разряд, одновременно благодаря созданному СВЧ плазмотроном сочетанию электрических СВЧ полей и их концентрации под катодом СВЧ разряд реализует физические состояния, благоприятные для возбуждения и стабилизации дугового разряда и формирования бегущего дугового пятна на поверхности катода и препятствующие его эрозии. Предлагаемое устройство приобретает, таким образом, новые качества - стабильность и ресурс работы, которые не были присущи названным процессам и использующим их устройствам по отдельности.

Сущность изобретения

Задача, решаемая предлагаемым устройством, заключается в расширении области применения плазменных процессов с использованием возбуждаемого СВЧ энергией разряда и в разработке плазмохимического реактора, способного обеспечить проведение высокоэнергетических технологических процессов.

Технический результат заключается в устранении известных ограничений на вводимую в плазменный разряд энергию и в существенном ее увеличении при сохранении свойственных СВЧ плазменным устройствам отсутствия расходуемых электродов и простоты управления процессом, а также в обеспечении стабильности работы и увеличении ресурса.

Указанный технический результат обеспечивается благодаря тому, что в плазмохимическом реакторе во внутренней трубе у торца ее, обращенного в разрядную камеру, установлена вставка из электропроводящего материала с центральным отверстием, зафиксированная на внутренней поверхности трубы с помощью выступов и выполненная преимущественно в виде тела вращения, второй конец центрального проводника коаксиально-волноводного перехода подсоединен к дозатору исходного сырья, между конусной поверхностью металлического тела и стенкой внешней трубы соосно с последней вставлен герметизирующий диэлектрический цилиндр, а формирователь дополнительного вихревого газового потока установлен в кожухе вокруг диэлектрического цилиндра, в центре нижнего днища разрядной камеры установлена металлическая труба с возможностью перемещения относительно днища, внутри которой размещено средство для размещения исходного сырья и сбора конечного продукта, выполненное в виде платформы, при этом электропроводящая вставка подключена к отрицательному, а металлическая труба - к положительному полюсам источника электрического напряжения, вокруг разрядной камеры установлен соленоид, а в стенке металлической трубы могут быть выполнены отверстия.

Увеличение вводимой в разряд СВЧ энергии обеспечивается установкой на внешней трубе узла перехода двух волноводов и диэлектрических окон, в соответствии с прототипом.

Описание чертежей

На фиг.1 представлено предлагаемое устройство.

На фиг.2 представлено поперечное сечение предлагаемого плазмохимического реактора со средствами подвода энергии от дополнительных СВЧ источников.

СВЧ плазмохимический реактор состоит из цилиндрической разрядной камеры 1, образованной нижним 2 и верхним 3 днищами и боковой стенкой 4, на нижнем днище 2 которой в подвижной металлической трубе 5 расположена платформа 6 для размещения обрабатываемого в плазме материала или сбора конечного продукта, коаксиально-волноводного перехода 7 с полым центральным проводником 8 и внешним проводником 9, узла ввода СВЧ энергии 10, содержащего внутреннюю 11 и внешнюю 12 трубы с верхним днищем 13, и конусообразного переходного узла 14 с металлическим кожухом 15 и размещенным внутри него металлическим телом 16. В боковой стенке 4 разрядной камеры 1 размещены тангенциально к боковой стенке 4 сопла 17 для подачи в разрядную камеру газовой смеси, а в нижнем днище 2 разрядной камеры 1 выполнены отверстия 18 для выхода смеси. В той же боковой стенке установлен на герметичном сильфоне подвижный штыревой электрод 19 для инициирования СВЧ разряда.

Центральный проводник 8 перехода 7 соединен плавным переходом 20 с внутренней трубой 11, а внешний проводник 9 подсоединен к верхнему днищу 13 узла ввода 10 и изолирован от трубы 11 диэлектрическим цилиндром 21, во внешнем проводнике 9 размещен дроссель 22, предотвращающий излучение СВЧ энергии наружу вдоль проводника 8 в сторону дозатора исходного сырья (на чертеже не показан), выходной патрубок 23 которого механически соединен с проводником 8 изолятором 24.

Конусный кожух 15 меньшим основанием конуса подсоединен к нижней части внешней трубы 12 узла ввода, большим основанием - к боковой стенке 4 разрядной камеры 1, тело 16 выполнено в виде усеченного конуса с центральным отверстием и укреплено снаружи внутренней трубы, герметизирующее окно 25, отделяющее рабочий объем разрядной камеры 1 от внутреннего пространства узла ввода 10, выполнено в виде цилиндра и размещено в зазоре между конической поверхностью тела 16 и кожухом 15, а вокруг цилиндра 25 на стыке трубы 12 и кожуха 15 установлен формирователь 26 дополнительного газового потока, направляемого в разрядную камеру 1.

У нижнего торца внутренней трубы 11, обращенного к разрядной камере 1, внутри нее установлена электропроводящая вставка 27 с центральным отверстием, закрепленная на внутренней поверхности трубы 11 с помощью выступов.

В стенке трубы 5 могут быть выполнены отверстия 28 для выхода газовой смеси. Подвижная труба 5 подсоединена к положительному полюсу, вставка 27 через внутреннюю трубу 11 и центральный проводник 8 - к отрицательному полюсу источника электрического напряжения (на чертеже не показан). Вокруг разрядной камеры 1 установлен соленоид 29.

Средства подвода дополнительной СВЧ энергии подключены к узлу ввода 10 через окна 30, установленные во внешней трубе 12, к которым подсоединены прямоугольные волноводы 31 так, что их широкие стенки параллельны оси трубы 12, аналогично прототипу. Два диэлектрических окна 30 установлены в стенке трубы 12 со смещением по азимуту на 90 градусов. Волноводы 31 возбуждают в пространстве между внешней 12 и внутренней 11 трубами волну типа Н в коаксиальной линии.

Коаксиально-волноводный переход 7 представляет собой устройство преобразования волн, распространяющихся от источника СВЧ энергии в прямоугольном волноводе, в тот или иной тип волны коаксиальной линии. В предлагаемом устройстве низшая волна Н₁₀ прямоугольного волновода преобразуется в волну ТЕМ коаксиального волновода, которая возбуждает в разрядной камере 1 электрическую волну Е₀₁.

Плавный переход 20 предназначен для согласования сопротивлений коаксиалов, образованных центральным проводником 8 и внешним проводником 9, с одной стороны, внутренней трубой 11 и внешней трубой 12, с другой.

Нагреваемые в технологическом процессе элементы конструкции, в том числе внутренняя труба 11, разрядная камера 1 и электропроводящая вставка 27, при необходимости могут быть выполнены охлаждаемыми. Однако для обеспечения возможности регулирования температуры вставки 27 (обычно это - графит, вольфрам и другие тугоплавкие металлы), в том числе достижения температуры, достаточной для осуществления термоэлектронной эмиссии в начале процесса, предпочтительным является ограничение теплоотвода от нее, например, уменьшением площади ее контакта с внутренней трубой 11 с помощью выступов на внешней поверхности вставки 27, размеры которых могут варьироваться в зависимости от подводимой мощности.

Существенное увеличение мощности разряда и, соответственно, мощности его теплового излучения потребовало перенести диэлектрическое окно, изолирующее подводящие СВЧ энергию устройства от рабочего объема разрядной камеры, установить его между конической поверхностью металлического тела 16 и нижним концом внешней трубы 12 и заменить его форму вместо диска в прототипе на цилиндр 25 в предлагаемом устройстве. Формирователь 26 дополнительного вихревого потока установлен вокруг цилиндра 25 для его охлаждения.

Выходные отверстия 18 расположены на радиусе r=(0,6-0,8) R, где R - радиус камеры 1, аналогично аналогу. Диаметр выходных отверстий 18 выбирается из условия недопущения излучения через них СВЧ энергии наружу, количество отверстий влияет на равномерность внешней границы рециркулирующего вихревого потока газа и не должно быть меньше четырех.

Высота разрядной камеры 1 выбирается из условия поглощения всей подводимой СВЧ энергии.

Осуществление изобретения

Для реализации процесса прямого восстановления металла предлагаемое устройство работает следующим образом. При включении СВЧ источника СВЧ энергия вводится в плазмохимический реактор через коаксиально-волноводный переход 7, при этом в разрядной камере 1 возбуждается аксиально-симметричная волна Е₀₁. Силовые линии этой волны сконцентрированы в приосевой зоне разрядной камеры 1, что способствует (после инициации разряда поджигающим штырем 19) формированию СВЧ разряда под торцом внутренней трубы 11 - держателя электропроводящей вставки 27, выполняющей роль отрицательного электрода (катода) дугового разряда. Рабочая газовая смесь вдувается в разрядную камеру 1 через сопла 17 и формирователь 26. В приосевой зоне образуется рециркулирующий газовый поток, в котором и формируется плазменное образование. После заполнения плазмой зоны торца катода 27 его поверхность разогревается и при подаче на него электрического напряжения относительно металлической трубы 5 в разрядной камере 1 возникает дуговой разряд.

Отработанный плазмообразующий газ выходит в основном через отверстия 18 в днище 2 и частично через отверстия 28 в металлической трубе 5. Исходное сырье вводится через верхний конец центрального проводника 8 коаксиально-волноводного перехода 7, а сбор конечного продукта осуществляется внутри металлической трубы 5 или с размещенной в ней платформы 6. При необходимости разогрева диэлектрических материалов (руды - Fe₂O₃, Mg CO₃ и др.) их располагают на платформе 6, разогревают СВЧ плазменным потоком и после появления электропроводности включают дуговой режим. Затем подают шихту в виде порошка.

Разогрев поверхности вставки-катода 27, обращенной в разрядную камеру 1, до температуры термоэлектронной эмиссии диффузным СВЧ разрядом, прилегающим к его поверхности, и возбуждение автоэлектронной эмиссии со всей поверхности катода под действием пространственного заряда равномерно распределенных под ней положительных ионов, образовавшихся в результате ионизации газа СВЧ полем, обеспечивают для дугового разряда равные условия по всей поверхности катода. Благодаря этому дуговой разряд возбуждается уверенно и мягко, а дуговое пятно в магнитном поле соленоида движется равномерно, без остановок и скачков, характерных для традиционных режимов дугового разряда.

Кроме того, в отличие от обычных режимов дугового разряда, в которых протекание тока разряда полностью обеспечивается эмиссией электронов из периодически стабилизирующихся дуговых пятен на катоде, что и предопределяет его быстрое разрушение, в предлагаемом реакторе термо- и автоэлектронная эмиссия катода играет основную роль только в стадии возбуждения дугового разряда. В дальнейшем катод в основном утрачивает функцию эмиттера электронов и приобретает функцию коллектора поступающих из разряда положительных ионов. Протекание тока и разогрев находящегося на аноде материала происходит за счет электронов образовавшихся в плазме разряда в основном вследствие наличия СВЧ поля вблизи поверхности катода. Так как разряд благодаря использованным средствам является диффузным, оседание на катод положительных ионов происходит равномерно по всей его поверхности. Таким образом устраняются причины, вызывающие разрушение катода.

В результате совместного воздействия на плазму СВЧ поля и постоянного тока и компенсации постоянным током СВЧ энерговыделения в центральной зоне из-за скинирования электромагнитного поля (затухания от периферии к оси) в плазме образуется высокотемпературный канал, плотность газа в котором ниже плотности газа на фронте СВЧ плазменного образования, облегчается развитие СВЧ разряда именно в этой зоне и предотвращается перемещение разряда навстречу потоку СВЧ энергии. Таким образом, разряд стабилизируется в указанной зоне.

Сочетание в предлагаемом устройстве СВЧ и дугового разряда позволяет использовать преимущества обоих плазменных процессов, нивелировать их недостатки и получить новые качества. Так, дуговой разряд обеспечивает введение нужной энергии, позволяет понизить требования к мощности дорогих СВЧ источников и создает условия для стабилизации СВЧ разряда. СВЧ разряд разогревает катод до температуры термоэлектронной эмиссии, создает у поверхности катода пространственный заряд положительных ионов, способствующий возникновению автоэлектронной эмиссии, обеспечивает плавное движение дугового пятна по поверхности катода, предотвращая или резко снижая его эрозию и снимая тем самым ограничения на увеличение ресурса устройства, облегчает возникновение дугового разряда за счет ионизации газа во всем объеме разрядной камеры и стабилизирует его.

Возможность совмещения в одном устройстве плазменного СВЧ разряда и дугового разряда установлена нами впервые и нигде не опубликована.

Дополнительные возможности регулирования прикатодных процессов в плазме возникают при использовании импульсных режимов ввода СВЧ энергии, позволяющих значительно увеличить напряженность СВЧ электрического поля у катода 27 и обеспечить достижение вышеуказанных эффектов при относительно низкой суммарной средней мощности СВЧ источников.

При необходимости увеличения вводимой в разряд СВЧ энергии и диаметра плазменного столба включают один или два СВЧ источника, подключенных к волноводам 31, установленным на внешней трубе 12 узла ввода СВЧ энергии 10, как показано на фиг.2. В этом случае в разрядной камере 1 возбуждаются либо волна Н-типа с круговой поляризацией (когда СВЧ энергия вводится от одного источника через два волновода, расположенных под углом 90 градусов по азимуту относительно друг друга, при разнице электрических длин волноводных плеч от делителя СВЧ энергии до трубы 12, равной также 90 градусов), либо две ортогонально поляризованные волны Н-типа (от двух разных СВЧ источников).

В первом случае благодаря вращению вектора поляризации электромагнитной волны вся СВЧ энергия равномерно распределяется по площади кольцевого зазора между металлическим телом 16 и кожухом 15. Во втором случае импульсы СВЧ мощности от разных источников (в импульсном режиме) сдвигаются относительно друг друга во времени. Поэтому СВЧ источники не мешают работе друг друга и суммарная СВЧ мощность равномерно распределяется в кольцевом зазоре.

Предлагаемое устройство открывает новые возможности в использовании плазмохимических реакторов, достижение которых ранее было технически затруднено. Например, известно, что практически невозможен ввод исходного материала в зону катодного пятна дугового плазмотрона и обеспечение пребывания материала в канале дуги из-за хаотического перемещения дуги по поверхности катода и контрагирования дугового канала. В предлагаемом устройстве вся торцевая зона под отверстием ввода исходного материала заполнена плазмой СВЧ разряда, внутри которой вокруг этого отверстия равномерно вращается дуговой канал, при этом СВЧ энергия, выделяющаяся на периферии более высокотемпературного дугового канала вследствие скинирования СВЧ поля, препятствует контрагированию плазменного канала.

Такой режим формирования плазменного столба позволяет использовать устройство для технологических процессов, сопровождающихся большим энергопотреблением для получения конечного продукта, например для восстановления металлов, в том числе тугоплавких, из руд.

Изобретение относится к плазменным реакторам с увеличенными объемом плазмы и величиной вводимой в разряд электрической энергии и может быть использовано для прямого восстановления металлов из руд, розжига электроплавильных печей, синтеза порошковых материалов, сфероидизации порошков, осаждения пленок и др. Технический результат - устранение известных ограничений на вводимую в плазменный разряд СВЧ энергию и в существенном ее увеличении при сохранении свойственных СВЧ плазменным устройствам отсутствия расходуемых материалов и простоты управления процессом. СВЧ плазмохимический реактор содержит средства для подачи исходного материала сбора конечного продукта, подачи и отбора рабочего газа, средства создания продольного магнитного поля и ввода СВЧ энергии. Во внутренней трубе узла ввода СВЧ энергии у торца ее, обращенного в разрядную камеру, размещена электропроводящая полая вставка, подключенная через трубу, плавный переход и центральный проводник коаксиально-волноводного перехода к отрицательному полюсу источника напряжения, а центральный проводник выполнен в виде трубы и подключен к дозатору исходного материала, при этом средство для начального размещения исходного материала и сбора конечного продукта выполнено в виде платформы, установленной в подвижной трубе, выполняющей роль анода дугового разряда. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. СВЧ плазмохимический реактор, состоящий из металлической разрядной камеры в виде цилиндрической трубы с торцевыми днищами и боковой стенкой, узла ввода СВЧ энергии в разрядную камеру, выполненного в виде двух коаксиальных металлических труб, внешней с верхним днищем и внутренней, переходного узла, состоящего из металлического тела в форме усеченного конуса, большее основание которого образует часть верхнего днища разрядной камеры, расположенного вокруг внутренней трубы, и металлического кожуха, размещенного вокруг металлического тела коаксиально ему и соединяющего внешнюю трубу с боковой стенкой разрядной камеры, коаксиально-волноводного перехода, внешний проводник-корпус которого подсоединен к верхнему днищу узла ввода СВЧ энергии и изолирован от внутренней трубы диэлектрическим кольцом, центральный проводник перехода соединен плавным переходом с верхним торцом внутренней трубы и изолирован от корпуса, платформы для размещения обрабатываемого материала, установленной на нижнем днище разрядной камеры с возможностью перемещения, размещенного между кожухом и металлическим телом герметизирующего диэлектрического окна, формирователя дополнительного вихревого газового потока, установленных на боковой стенке разрядной камеры поджигающего электрода и тангенциально к стенке сопел ввода рабочего газа, и выполненных в нижнем днище отверстий для выхода газа, отличающийся тем, что в плазмохимическом реакторе во внутренней трубе у торца ее, обращенного в разрядную камеру, установлена вставка из электропроводящего материала с центральным отверстием, зафиксированная на поверхности трубы с помощью выступов и выполненная преимущественно в виде тела вращения, второй конец центрального проводника коаксиально-волноводного перехода подсоединен к дозатору исходного сырья, между конусной поверхностью металлического тела и стенкой внешней трубы соосно с последней вставлен герметизирующий диэлектрический цилиндр, формирователь дополнительного вихревого газового потока установлен в кожухе вокруг диэлектрического цилиндра, в центре нижнего днища разрядной камеры установлена металлическая труба с возможностью перемещения относительно днища, внутри которой размещен сборник конечного продукта или платформа для размещения исходного сырья, при этом электропроводящая вставка подключена к отрицательному, а металлическая труба - к положительному полюсам источника электрического напряжения, вокруг разрядной камеры установлен соленоид.2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что в стенке внешней трубы выполнены два окна, разнесенные по азимуту на 90°, к которым подсоединены прямоугольные волноводы так, что их широкие стенки ориентированы вдоль оси разрядной камеры, а окна подсоединения волноводов закрыты диэлектрическими вставками.