В данной работе представлены теоретические расчеты времени плавления частиц кварца радиусом от 0,001 до 1 мм при нахождении их в потоке низкотемпературной и при попадании в силикатный расплав. Аналитическое решение поставленной задачи сводится к тому, что при нагреве частицы кварца до температуры плавления изменение температуры происходит только за счет электрического нагрева и теплообмена с окружающей средой [1].
На первом этапе плавление частицы кварца происходит в потоке низкотемпературной плазмы, представляющем собой цилиндрическую трубку радиусом r, протяженностью L (рисунок 1). Из плазмотрона со стационарной объемной скоростью W выходят потоки плазмы, которые прогревают частицы до температуры плавления, а после расплавления нагревают получившийся расплав до стационарной температуры. После заполнения объема установки расплавом частицы кварца попадают сразу в расплав и нагреваются за счет теплообмена с расплавом. При расчетах времени плавления частиц в условиях низкотемпературной плазмы целью являлось определение возможности расплавления частицы кварца за время движения до дна установки (высота падения частиц h ~ 100 мм). Качественный вид изменения температуры частицы во времени от момента начала нагрева до момента полного расплавления для r = 1 мм представлен на рисунке 2.
Расчеты показали, что при объемной скорости плазменного потока W = 0,65 л/с полностью расплавляются частицы размером 1,28 мм. Расчеты для W = 1,4 л/с показали возможность полного расплавления частиц размером 0,88 мм до попадания на дно установки, частицы большего размера успевают расплавиться частично.
После заполнения установки высокотемпературным силикатным расплавом подаваемые в плавильную печь частицы кварца сразу попадают в расплав. Проведенные расчеты позволили установить зависимость времени полного расплавления частицы кварца, находящейся в высокотемпературном силикатном расплаве, от ее радиуса. Результаты расчета также представлены в таблице 2.
Выделение джоулева тепла при прохождении электрического тока происходит в расплаве (в жидкой фазе). Расчетами установлено, что электрический ток слабо влияет на скорость разогрева частиц до температуры плавления. Однако после начала плавления расплавленный слой вокруг кристаллической частицы быстро догревается до средней температуры расплава за счет электрического тока и в связи с этим ускоряет процесс плавления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. V. A. Vlasov, O. G. Volokitin, G. G. Volokitin, N. K. Skripnikova, and V. V. Shekhovtsov Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 89(1), pp.152–156 (2016).