Патент на изобретение №2296105

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОДУКТОВ НА ОСНОВЕ ОКИСИ МАГНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к производству огнеупорных и электроизоляционных материалов и может быть использовано для получения плавленого периклаза. Способ получения продуктов на основе окиси магния включает измельчение природного магнезита, его засыпку в металлическую камеру, в которую вдоль ее оси со стороны засыпки вводят поток СВЧ-энергии, возбуждают плазму СВЧ-разряда внутри засыпки и плазмой нагревают магнезит до температуры начала его разложения 300-400°С, откачивают из камеры газ до давления, меньшего парциального давления углекислого газа, соответствующего температуре магнезита примерно 400°С, полученную смесь магнезита и окиси магния продолжают нагревать плазмой СВЧ до температуры разложения магнезита 500-600°С, при этом откачивают выделяющийся углекислый газ в сборник, поддерживая давление газа в камере примерно равным парциальному давлению газа, соответствующему температуре магнезита 400-500°С, прекращают откачку углекислого газа в сборник после начала падения величины потока откачиваемого газа, затем в камеру напускают воздух до атмосферного давления и нагревают материал плазмой СВЧ до температуры 1500°С с получением окиси магния. Полученные продукты охлаждают. После получения окиси магния газ из камеры откачивают до давления, меньшего 1 Торр, и нагревают окись магния до температуры свыше 1500°С СВЧ-плазмой до получения плавленого периклаза. Возбуждение СВЧ- плазмы производят в импульсном режиме. Изобретение позволяет упростить процесс, снизить энергозатраты. 2 з.п. ф-лы.

Область применения

Изобретение относится к производству огнеупорных и электроизоляционных материалов из магнезита.

Продукты на основе обожженной окиси магния и плавленого периклаза широко используются в строительстве и промышленности в качестве огнеупоров и изоляторов.

Уровень техники

Обычно продукты на основе окиси магния получают путем разогрева природного сырья – магнезита или брусита – в газовой среде продуктов сгорания топлива во вращающихся или шахтных печах. Основным недостатком этого способа являются большие потери тепла, так как температура выбрасываемого газа не может быть ниже температуры обработки материала, и вынос пыли движущимся газом.

Известен способ получения продуктов на основе окиси магния, согласно которому измельченный магнезит нагревают до температуры 700-900°С путем продувания его газовым потоком из смеси природного газа и воздуха, предварительно проведенного через катализатор, нагретый до температуры 500-550°С, и создания режима беспламенного сгорания этой смеси (Авт. свид. СССР №989833, кл. С 01 F 5/06). Этому способу присуща низкая экономичность вследствие необходимости использования катализаторов и специальных устройств их нагрева, а также необходимости измельчения сырья до размера фракций около 40 мкм, чтобы обеспечить быстрый разогрев сырья в газовом потоке. Мелкий помол приводит к необходимости использовать устройства типа «Циклон» для улавливания продуктов в пылеобразном состоянии.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ индукционной плавки и плазменной сфероидизации, в котором для нагрева материала используется воздействие электромагнитных волн ВЧ-диапазона [В.Г.Сиваш, В.А.Перепелицын, Н.А.Митюшов. Плавленый периклаз. Екатеринбург. «Уральский рабочий», 2001 г., с.282-283.]

При плазменной сфероидизации окиси магния с целью ее термообработки или получения плавленого периклаза энергия ВЧ электромагнитного поля сначала преобразуется в энергию плазмы в основном вне зоны нахождения частиц, а плазма передает свою энергию в виде теплового потока в пролетающие через нее частицы исходного материала. При индукционном нагреве ВЧ электромагнитными полями требуется первоначальный разогрев засыпки материала до температуры не менее 1500°С, достаточной для протекания в материале электрического тока, разогревающего материал до температуры его плавления. Затем прогрев основной массы материала осуществляется теплопередачей от зеркала ванны расплава, поглощающего электромагнитную энергию ВЧ поля.

Основными недостатками этого способа получения периклаза являются большие энергозатраты, загрязнение продукта из-за необходимости использования добавок для запуска технологического процесса, низкая производительность, а также потеря выделяющегося при термообработке природного магнезита углекислого газа, который в этом процессе не может быть собран и использован в качестве коммерческого продукта. При этом процесс получения плавленого периклаза является двухстадийным: сначала получают окись магния в газовой среде продуктов сгорания, затем плавят ее в электроплавильных печах, что по крайней мере увеличивает капитальные затраты.

Одним из недостатков этого способа является малое время пребывания частиц в зоне плазменного нагрева, поэтому для получения технологического результата требуется измельчение исходного материала до фракции размером не более 1,0 мм, при этом расплавленные частицы принимают сферическую форму, что приводит к снижению электрической прочности изоляции электронагревателей, в которых в основном продукт используется. Кроме того, малое время пребывания частиц в плазменной зоне и выброс плазменного потока с температурой, превосходящей величину, требуемую для термообработки, не позволяют эффективно использовать энергию плазмы, реальные энергозатраты слишком велики.

Задачей предлагаемого изобретения является создание на основе использования СВЧ электромагнитной энергии способа получения продуктов на основе окиси магния без указанных выше недостатков.

Технический результат заключается в упрощении и повышении экономичности способа, получении возможности использования сырья с большим размером фракций и в качестве дополнительного продукта – углекислого газа.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что исходный материал – природный магнезит измельчают, засыпают в металлическую камеру, в которую вдоль ее оси со стороны засыпки вводят поток СВЧ-энергии, возбуждают плазму СВЧ-разряда внутри засыпки и плазмой нагревают магнезит до температуры начала его разложения 300-400°С, откачивают из камеры газ до давления, меньшего парциального давления углекислого газа, соответствующего температуре магнезита примерно 400°С, полученную смесь магнезита и окиси магния нагревают плазмой СВЧ-разряда до температуры разложения магнезита 500-600°С, при этом откачивают выделяющийся углекислый газ в сборник, поддерживая давление газа в камере примерно равным парциальному давлению углекислого газа, соответствующему температуре магнезита 400-500°С, прекращают откачку углекислого газа в сборник после начала падения величины потока откачиваемого газа, затем в камеру напускают воздух до атмосферного давления и нагревают материал СВЧплазмой до температуры 1500°С с получением окиси магния. Продукты охлаждают. После получения окиси магния газ из камеры откачивают до давления, меньшего 1 Торр и нагревают окись магния до температуры свыше 1500°С до получения плавленого периклаза.

Кроме того, возбуждение СВЧ-плазмы производят в импульсном режиме ввода СВЧ-энергии.

Принципиальное отличие предлагаемого способа термической обработки природного магнезита и окиси магния от известных способов, основанных на просыпании измельченного материала через плазму, заключается в создании плазмы в зазорах между частицами материала по всему поперечному сечению засыпки материала в камере. Указанный эффект основан на известном свойстве повышения напряженности электрического поля электромагнитной волны СВЧ-диапазона у поверхности диэлектрика. Максимальные величины напряженностей электрического поля вне сферической частицы диэлектрического материала и внутри нее связаны известными соотношениями

где: E₁ – напряженность электрического поля вне частицы;

E₂ – напряженность электрического поля внутри частицы;

E₀ – напряженность электрического поля подводимой электромагнитной волны;

₁ – диэлектрическая постоянная среды вне частицы (газа);

₂ – диэлектрическая постоянная частицы.

При отношении диэлектрических постоянных магнезита и окиси магния ₂, с одной стороны, и воздуха (газа) ₁, с другой, около десяти обеспечивается также десятикратное превышение напряженности поля вне частицы E₁ над величиной напряженности электрического поля внутри нее Е₂. Это позволяет создать внутри засыпки материала, являющегося диэлектриком, электрическое поле с напряженностью, превышающей значение напряженности электрического пробоя газовой среды между частицами материала, и возбудить плазму СВЧ-разряда при использовании относительно маломощных и недорогих источников СВЧ-энергии.

Напряженность электрического поля внутри засыпки частиц зависит от поперечного размера камеры и уровня вводимой СВЧ-мощности, поэтому всегда имеется возможность обеспечить в зазорах между частицами материала значения напряженности электрического поля, достаточные для создания плазмы СВЧ-разряда, за счет подбора размеров камеры и ввода в камеру СВЧ-энергии, требуемой для разогрева засыпки до заданной температуры за определенное время.

Величина поглощаемой материалом СВЧ-мощности Р определяется, помимо напряженности электрического поля Е, общим объемом плазмы V и величиной электропроводности плазмы 6, зависящей от условий ввода энергии плазмы в частицы материала и, в свою очередь, от напряженности электрического поля Е и связаны соотношением Р=бЕ²V. Все три параметра зависят от объема свободного от частиц материала пространства, т.е. от размера фракций измельченного материала.

Улучшению управляемости процессом нагрева засыпки способствует использование импульсного режима ввода СВЧ-энергии. От СВЧ-источника с относительно низким уровнем средней мощности в импульсном режиме можно получить требуемое высокое значение напряженности электрического поля, гарантируя возбуждение плазмы СВЧ-разряда по всему объему засыпки материала, а регулируя соотношение длительности импульсов и паузы между ними управлять средним потреблением энергии, определяющим режим термообработки материала.

Осуществление изобретения

Способ реализуется следующим образом. В камеру, выполненную преимущественно в виде металлической трубы, засыпают измельченный магнезит, затем вводят СВЧ-энергию. Благодаря малой величине диэлектрических потерь материала электромагнитная энергия свободно проникает в весь объем засыпки. При достижении определенной величины СВЧ-мощности в зазорах между фракциями материала возникает электрический пробой, чему способствуют также и неровности поверхности фракций. При размерах зазоров, малых в сравнении с длиной электромагнитной волны, СВЧ-токи протекают практически без изменения через зазор и окружающий его материал, при этом диэлектрический материал является емкостным сопротивлением, ограничивающим величину протекающего через зазор тока, как и в известных устройствах барьерного разряда. Поэтому возникающий в зазорах электрический разряд не переходит в искровую форму, а заполняет зазор в виде плазмы.

Плазма поглощает СВЧ-энергию и нагревает находящийся в зазорах газ, который в свою очередь передает энергию тепловым потоком во фракции материала через его поверхность. Важной особенностью является то, что отдаваемое газом тепло сразу же компенсируется за счет его нагрева энергией СВЧ-плазмы, так как источник тепловой энергии образован внутри всего объема засыпки.

Преимущество предлагаемого способа нагрева материала можно оценить следующим образом. При характерной для плазмы СВЧ-разряда величине электропроводности б=0,01 1/Ом·см и напряженности электрического поля Е=1000 В/см в каждом кубическом сантиметре плазмы будет выделяться бЕ²=10⁴ Вт/см³, что существенно больше возможной теплоотдачи газа. Так, например, поток газа, нагретого до температуры 3000°С и пропускаемого через каждый кв. см со скоростью 10 м/с, переносит около 400 Вт. Причем это количество тепла может быть передано в частицы материала лишь на длине пути много большем, чем 1 см. Таким образом, в предлагаемом способе достигается значительная интенсификация процесса нагрева магнезита или другого диэлектрического материала.

При преимущественно вертикальном положении камеры с материалом и вводе СВЧ-энергии потоком, направленным сверху вниз, зона плазменного нагрева, инициируемая в самом низу засыпки путем, например, кратковременного ввода в эту зону пламени горелки, постепенно перемещается навстречу потоку СВЧ-энергии за счет прогрева вышележащих слоев магнезита в восходящем потоке нагретого газа. Скорость продвижения зоны нагрева материала регулируется изменением вводимой СВЧ-мощности.

Для уменьшения примеси воздуха в углекислом газе смесь удаляется из рабочей камеры после нагрева магнезита до температуры начала разложения на уровне 300-400°С откачкой до давления, существенно меньшего парциального давления углекислого газа при этой температуре, а затем плазменный нагрев продолжают в атмосфере углекислого газа, выделяющегося из разлагающегося магнезита. Выделяющийся углекислый газ утилизируют. Контрольной величиной, по которой судят о степени разложения магнезита, является парциальное давление газа, соответствующее температуре магнезита 400-500°С. В процессе нагрева материала до температуры 500-600°С углекислый газ удаляют до тех пор, пока его давление в камере превышает эту величину. При этом измеряют величину потока откачиваемого газа. Падение этой величины свидетельствует, что основная часть исходного материала уже разложилась. Для уменьшения загрязнения углекислого газа парами веществ, содержащихся в сырье, газ пропускают через холодильник, где пары конденсируются в ловушках, и собирают в газовые баллоны.

Другими словами, откачку углекислого газа ведут в режиме, когда количество выделяющегося газа превышает количество откачиваемого газа. Указанный режим требуется соблюдать потому, что при этом выделяющийся газ не разрушает структуру материала и не создает пыль. Уменьшение потока и давления газа ниже контрольной величины указывает на то, что большая часть магнезита разложилась и прокачка через него газа приведет к его запылению, поэтому откачку прекращают, в камеру напускают воздух и нагрев продолжают до температуры, требующейся для получения необходимых потребительских свойств продукта, после чего конечный продукт сбрасывается в сборник. При достижении температуры 1500°С все возможные технологические модификации окиси магния оказываются реализованными.

При повышении температуры свыше 1500°С электрическое сопротивление окиси магния существенно снижается и материал начинает нагреваться непосредственно СВЧ-полем вплоть до начала плавления. Условия плавления окиси магния в определенной зоне рабочей камеры реализуют путем увеличения удельной СВЧ-мощности в этой зоне, при этом с целью предотвращения электрического пробоя газа, нагретого до температуры свыше 1500°С, рабочий объем откачивают до давления, меньшего 1 Торр, при котором в соответствии с законом Пашена величина напряженности электрического поля, необходимая для пробоя, гораздо больше напряженности СВЧ электрического поля.

Проведенные эксперименты показали, что технический результат достигается при размере фракции не менее 1 мм, предпочтительным является диапазон (1-50) мм, однако наиболее благоприятным для достижения технического результата является диапазон (5-30) мм. При меньших размерах частиц слишком велик теплоотвод из плазмы и для поддержания СВЧ-разряда приходится сильно увеличивать напряженность электрического поля, что влечет за собой после превышения некоторого предела СВЧ-мощности резкое удорожание СВЧ-источников и подводящих энергию СВЧ-устройств и, как следствие, снижение экономичности процесса. При больших размерах частиц зазоры между ними велики и плазма СВЧ-разряда из диффузной формы может переходить в нитевидную форму, что ведет к неравномерности энерговыделения по объему засыпки и, соответственно, к неравномерности разогрева по объему материала.

При использовании импульсного режима ввода СВЧ-энергии в магнезит создается возможность надежного управления интенсивностью нагрева и, следовательно, достигаемой температурой нагрева материала. При постоянстве величины импульсной СВЧ-мощности реализуются постоянные от импульса к импульсу условия возбуждения плазмы и поглощения СВЧ-энергии, а за счет регулирования соотношения длительностей импульсов и пауз между ними появляется возможность манипулирования величиной поглощаемой плазмой средней СВЧ-мощности, управления темпом нагрева материала и величиной достигаемой температуры. Темп нагрева определяется типом, объемом и физическим состоянием материала и уровнем СВЧ-мощности. Чем выше импульсная мощность, тем при более низкой температуре возникает разряд, создающий зону энерговыделения.

Пример 1. Дробленый магнезит с размерами фракций (10-30) мм размещен в металлической трубе с площадью поперечного сечения 75 см, труба подключена к СВЧ-источнику с выходной мощностью 3 кВт в непрерывном режиме на частоте 2,45 ГГц. При достижении магнезитом температуры 300°С газовая смесь из камеры откачана, в процессе дальнейшего нагрева магнезита углекислый газ откачивали в емкость. Из 1 кг магнезита по окончании процесса получено 0,5 кг окиси магния, длительность процесса составила 5 мин, затраты электроэнергии 900 кДж/кг. При дальнейшем нагреве путем увеличения подводимой мощности до 5 кВт за 15 мин получено 0,5 кг плавленого периклаза. Общие затраты электроэнергии составили 10000 кДж/кг.

Пример 2. Дробленый магнезит с размерами фракции менее 1 мм (0,5 мм и меньше) размещен в той же трубе. Из 1 кг магнезита получено 0,5 кг окиси магния, длительность процесса при уровне подводимой мощности 6,6 кВт составила 5 мин, затраты энергии 2000 кДж/кг.

Формула изобретения

1. Способ получения продуктов на основе окиси магния, включающий измельчение природного магнезита, термическое разложение его на окись магния и углекислый газ и охлаждение продуктов, отличающийся тем, что измельченный природный магнезит засыпают в металлическую камеру, в которую вдоль ее оси со стороны засыпки вводят поток СВЧ энергии, возбуждают плазму СВЧ разряда внутри засыпки, и плазмой нагревают магнезит до температуры начала его разложения 300-400°С, откачивают из камеры газ до давления, меньшего парциального давления углекислого газа, соответствующего температуре магнезита примерно 400°С, полученную смесь магнезита и окиси магния продолжают нагревать плазмой СВЧ до температуры разложения магнезита 500-600°С, при этом откачивают выделяющийся углекислый газ в сборник, поддерживая давление газа в камере примерно равным парциальному давлению газа, соответствующему температуре магнезита 400-500°С, прекращают откачку углекислого газа в сборник после начала падения величины потока откачиваемого газа, затем в камеру напускают воздух до атмосферного давления и нагревают материал плазмой СВЧ до температуры 1500°С с получением окиси магния.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после получения окиси магния газ из камеры откачивают до давления меньше 1 тор и нагревают окись магния до температуры свыше 1500°С СВЧ плазмой до получения плавленого периклаза.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что возбуждение СВЧ плазмы производят в импульсном режиме.