ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2007, том 45, № 5, с. 777-781
УДК 536.24
ИССЛЕДОВАНИЯ МОДИФИКАЦИИ СОСТАВА ПРИМЕСЕЙ ЧАСТИЦ ПРИРОДНОГО КВАРЦА В ДИСПЕРСНОМ ПЛАЗМЕННОМ ПОТОКЕ
© 2007 г. Л. А. Борисов**, Ю. М. Гришин*, Е. Н. Гулин**, А. Д. Кайряк**,
Н. П. Козлов*, М. В. Кутырев*
* Научно-исследовательский институт энергетического машиностроения Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана ** Федеральное государственное унитарное предприятие "Центркварц", Москва
Поступила в редакцию 14.04.2006 г.
Представлены результаты экспериментальных исследований эффективности вывода примесей (обогащения) из частиц природного кварца при их взаимодействии с аргоновой плазменной струей стационарного электродугового плазмотрона. На основании анализа этих данных и результатов теоретического моделирования динамики нагрева частиц показано, что обогащение кварцевых частиц наблюдается при их динамическом нагреве (~5 х 105 К/с) до температур, превышающих определенный (пороговый) уровень Тт п = 700-800 К. Установлено, что при оптимальном тепловом режиме (нагрев частиц до Тт.0р^ = 1000-1400 К) общий коэффициент обогащения кварца плазмохими-ческим методом имеет значение ~3, а частные коэффициенты обогащения по Са, А1, Fe достигают величин 5-10 и более.
PACS: 47.61.Jd
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время резко возросла потребность в кварце повышенной чистоты (с содержанием примесей <20 млн-1) для нужд электроники и производства монокристаллического кремния. Природный кварц большинства российских месторождений характеризуется наличием значительного количества различных минеральных примесей и газожидкостных включений. Существующие технологии обогащения (т.е. вывода примесных соединений и газожидкостных включений) и получения чистого кварцевого концентрата многоступенчаты (включают крупное дробление кварцевого сырья, измельчение кварца до фракций 0.1-0.4 мм, трехстадиальную золотацию и далее, на финишном этапе, полиградиентную магнитную сепарацию, химическую и ультразвуковую обработку, электромагнитную сепарацию и др.) и позволяют получить кварцевый концентрат с суммарной долей элементов-примесей 30-100 млн-1, т.е. не удовлетворяющий требованиям повышенной чистоты [1].
В связи с этим возникает необходимость разработки, изучения и реализации новых методов обогащения кварцевого концентрата, особенно на финишных этапах технологии получения особо чистого кварца. Одним из перспективных методов доводки кварца может стать плазмохимический метод, основанный на нагреве мелкодисперсных (с размерами 0.1-0.4 мм) кварцевых частиц в стацио-
нарной плазменной струе, генерируемой электродуговым или индукционным плазмотроном. При динамическом нагреве частиц в плазменной струе до температур, меньших границы плавления кварца, в результате действия различных физико-химических механизмов (плазмохимическая десорбция, термобарическое разрушение частиц, испарение легкоплавких примесей, интенсификация диффузионных процессов и др.) происходит удаление из твердофазных частиц различных минеральных примесей (в том числе и частичное удаление из решетки структурных примесей) и газожидкостных включений.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
ДЛЯ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ КВАРЦЕВОЙ КРУПКИ
Экспериментальная установка (рис. 1) включает в себя: плазмотрон, систему подачи кварцевой крупки в генерируемую плазменную струю и эксикатор для сбора переработанного кварцевого концентрата. Данные эксперименты по плазмохимической обработке кварцевой крупки проведены на серийно выпускаемой технологической плазменной установке "Зульцер-Метко" с максимальной электрической мощностью Рэл = 30 кВт, использующей стандартный плазмотрон F-4МВ. Плазмотрон F-4МВ относится к типу плазмотронов постоянного тока с самоустанавливающейся длиной дуги, стабилизируемой вращением плазмообразующего газа.
Рис. 1. Схема плазмохимической переработки кварцевой крупки:
1 - электродуговой плазмотрон, 2 - поток плазмооб-разующего газа (Аг), 3 - потоки транспортирующего газа (Аг) и кварцевой крупки, 4 - дисперсная плазменная струя, 5 - эксикатор, 6 - продукты переработки.
Внутренний диаметр сопла плазмотрона составляет 6 мм. При значении массового расхода плазмообра-зующего газа (Аг) Спл = 1.5 г/с электрическая мощность варьировалась в пределах от 4.5 до 30 кВт при изменении силы тока от 130 до 750 А (напряжение на электродах ~37 В), что обеспечивало возможность изменения температуры плазмы на выходе из сопла плазмотрона в диапазоне 6-15 кК. Расход обрабатываемой кварцевой крупки регулировался специальным порошковым питателем (дозатором) и во всех экспериментах поддерживался постоянным Окв = 0.2 г/с. Подача обрабатываемой кварцевой крупки транспортирующим газом (аргоном) в плазменную струю осуществляется непосредственно за срезом сопла плазмотрона через две симметрично расположенные трубки (внутренний диаметр канала 1.5 мм) в направлении, перпендикулярном оси струи. Кварцевая крупка нагревалась в сформированном таким образом плазменно-дисперсном потоке и далее поступала в емкость (эксикатор) с дистиллированной водой, расположенную на расстоянии 0.4 м от сопла плазмотрона.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАГРЕВА КВАРЦЕВОЙ КРУПКИ В ПЛАЗМЕННОЙ СТРУЕ
Строгое описание гидродинамики и теплообмена потока мелкодисперсных частиц кварца в плазменной струе электродугового плазмотрона необходимо проводить в рамках модели многоскоростной, многожидкостной гидродинамики гетерогенных систем [2], которая является громоздкой и сложной даже для численного решения. При условиях, реализованных в данных экспериментах (С^^^ <§ 1), осуществляется режим течения газодисперсной смеси с малой объемной концентрацией частиц твердой фазы. В таком случае можно предположить, что, во-первых, наличие частиц в потоке не влияет на газодинамику несущего потока газа (плазмы) и, во-вторых, движение и теплообмен твердых частиц в потоке могут быть рассмотрены без учета взаимодействия их между собой. С учетом этих допущений математическая модель гидродинамики и тепломассообмена дисперсных частиц кварца в потоке плазмы включала в себя:
- систему уравнений, определяющих газодинамические параметры плазменной струи, истекающей из плазмотрона в газовую среду с заданными параметрами;
- систему уравнений движения и нагрева одиночной частицы в плазменной струе с известными газодинамическими параметрами.
Расчет газодинамических параметров затопленной дозвуковой турбулентной плазменной струи, истекающей из круглого цилиндрического сопла плазмотрона, в условиях постоянства статического давления во всей области течения проводился в рамках квазиодномерного приближения на основе модели, сформулированной в работах [3, 4]. Осевая скорость, температура и плотность плазменной струи в начальном сечении струи (на выходе из сопла плазмотрона) считались постоянными и определялись через основные характеристики плазмотрона с использованием эмпирических данных о параметрах плазмы, генерируемой плазмотроном.
Уравнение движения твердой частицы ке плазмы имеет вид
пото-
Ми
= Е
Здесь Уи - вектор скорости частицы; I - текущее время; - удельная (массовая) сила, обусловленная вязким сопротивлением [5]:
' То
ху(Яви),
где То = phd 2/18|, y(Reh) = 1 + 0.15 Re0h6S1, Reh = = pd|V - Vh|/| - локальные значения числа Рей-нольдса.
Анализ динамики нагрева частиц проведен на основе решения одномерного нестационарного уравнения теплопроводности внутри сферической частицы при отсутствии плавления и испарения в условиях конвективного теплообмена с несущим потоком плазмы. Коэффициент теплоотдачи рассчитывался по формуле [5] а = (Vd)(2 +
+ 0.6Ref5 Pr1/3). Все теплофизические параметры плазмы определялись в рамках приближения локального термодинамического равновесия с использованием программы расчета термодинамических параметров "Terra".
Численное решение уравнений движения твердой частицы и теплопроводности совместно с уравнениями для расчета полей скоростей и температур плазменной струи позволило определить динамику движения и нагрева частиц. Приведенные ниже расчетные данные соответствуют случаю истечения плазмы из сопла дугового плазмотрона "Зуль-цер-Метко" с расходом плазмообразующего газа Опл = 1.5 г/с при вариации электрической мощности Рэл в диапазоне 5-30 кВт, что было реализовано в экспериментальных исследованиях.
Нагрев частиц с размерами 0.1-0.3 мм происходит практически однородно во всем объеме. Для частиц с d > 0.3 мм имеет место пространственно-временная неоднородность в распределении температур. Частицы нагреваются до максимальных значений температуры поверхности Tm в области струи, ограниченной срезом плазмотрона (местом ввода частиц) и сечением с осевой координатой ~40-50 мм. Нагрев в областях струи за этим сечением незначителен из-за охлаждения расширяющейся плазменной струи. Эффективное время нагрева частиц tm (время нагрева до максимальной температуры Tm) определяется в основном диаметром частиц d и для частиц с d = 0.1-0.4 мм составляет 1-2 мс. Значение средней скорости нагрева частицы в плазменной струе Tm/tm зависит как от мощности плазмотрона, так и от размера частиц и находится в диапазоне ~2 х 105-106 К/с.
Величина Tm зависит и от диаметра частиц d, и от электрической мощности. Частицы с размерами d = 0.1-0.4 мм в плазменной струе нагреваются до температур Tm = 800-1800 К при электрической мощности плазмотрона Рэл = 7-18 кВт. Здесь важно отметить, что именно в этом температурном интервале могут иметь место процессы преобразования исходного кварцевого сырья (а-кварц) в другие модификации (при T ~ 850 К в ß-кварц, при T ~ 1150 К в тридимит и при T ~ 1750 К в кристобалит), отличающиеся структурой и теп-
лофизическими свойствами (в частности, коэффициентами объемного расширения).
При мощностях, меньших 5 кВт, температура нагрева основной массы частиц ниже 900 К. При мощностях Рэл > 20 кВт температура нагрева частиц с размерами ё = 0.1-0.2 мм достигает значений, превышающих температуру плавления кварца, что указывает на необходимость ограничения мощности плазмотрона при осуществлении процесса плазмохимического обогащения кварцевых част
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.