CN100460128C - 等离子体辅助熔炼方法 - Google Patents

Abstract

一种等离子体辅助熔炼的装置和方法。在一个实施例中，等离子体辅助熔炼方法包括：(1)将固体添加入熔炼区域；(2)这样在腔中形成等离子体，在存在等离子体催化剂的情况下，对气体施加电磁辐射，所述辐射的频率小于约333GHz，其中所述腔具有壁；(3)将所述等离子体维持在所述腔中，从而来自所述等离子体的能量通过所述壁进入所述熔炼区域，并将所述固体熔化成液体；以及(4)收集所述液体。根据本发明可以熔炼的固体包括例如金属矿和废金属的金属。本发明还提供了各种等离子体催化剂。

Description

等离子体辅助熔炼方法

技术领域

本发明涉及等离子体辅助加热和熔炼的方法和装置，尤其涉及熔炼金属和其它固体材料。

背景技术

高炉已被用于将铁的氧化物化学还原和物理转换成铁液。通常，高炉包括用难熔砖衬里的大的钢炉身，在所述炉身处，将铁矿石、焦炭、以及石灰石倾倒入顶部，并且将预热空气从底部吹入。所述材料下落到高炉的底部，并在底部变成液态炉渣和铁液的最终产物，所述产物通常被定期从炉中排出。高炉一旦起动，其可以连续运行数年。

冲天等离子炉类似于高炉地运行，不同的是，其从废钢或废料熔化铸铁。用于该炉的燃料通常为焦炭，并且通常需要兆瓦特的等离子体功率。在运行中，利用等离子炬升高被加热空气的温度，并将所述空气吹入冲天炉的底部。焦炭可以燃烧产生更多的热量以熔化铁。然后所述铁可以流出冲天炉，并通过流槽流入铁水包。

公知的是，通过在减压下对气体施加充足量的微波辐射，可以激发等离子体。然而，真空设备可能是昂贵、低速并耗能的。而且，使用该设备将限制所述炉的应用。

发明内容

本申请是2003年5月7日提交的国际专利申请PCT/US03/14133“PLASMA HEATING APPARATUS AND METHODS”(AttorneyDocket No.1837.0020)的部分继续申请，并要求2002年12月4日提交的美国临时专利申请60/430,677和2002年12月23日提交的60/435,278的优先权，在此引用其全部内容作为参考。

根据本发明，提供了等离子体加热和熔炼装置及方法。

在一个实施例中，提供了等离子体辅助熔炼方法。所述方法可以包括：在存在等离子体催化剂的情况下，通过对第一气体施加频率低于约333GHz的电磁辐射，而在腔内形成等离子体；用等离子体加热第二气体；向熔炼容器中加入固体；充分地将加热的第二气体引向固体，以至少将固体熔化成液体；以及收集所述液体。

在另一个实施例中，提供了一种等离子体辅助熔炼方法。所述方法可以包括，将固体加入熔炼区域；在存在等离子体催化剂的情况下，通过对气体施加频率低于约333GHz的电磁辐射，而在腔内形成等离子体，其中所述腔具有壁；将等离子体维持在腔内，使得来自等离子体的能量穿过所述壁进入熔炼区域，并将固体熔化成液体；以及收集所述液体。

在又一个实施例中，等离子体辅助熔炼方法可以包括：在存在等离子体催化剂的情况下，通过对气体施加频率低于约333GHz的电磁辐射，而在腔内形成等离子体；将金属传送通过等离子体，直到金属熔化成熔融金属；以及收集熔融金属。

另外，提供了根据本发明的等离子体催化剂、以及用于激发、调节和维持等离子体的方法和装置。

附图说明

通过参考下面结合附图的详细描述，本发明的其它方面将显而易见，其中相同的标号表示相同的部件，其中：

图1图解示出了根据本发明的说明性装置；

图2示出了根据本发明的等离子体系统的部分的说明性实施例，所述部分用于将粉末等离子体催化剂加入等离子体腔，以在腔内激发、调节或维持等离子体；

图3示出了根据本发明的说明性等离子体催化剂纤维，所述纤维的至少一种成分沿其长度方向具有浓度梯度；

图4示出了根据本发明的说明性等离子体催化剂纤维，所述纤维的多种成分的比例沿纤维的长度变化；

图5A示出了根据本发明的另一说明性等离子体催化剂纤维，所述纤维包括核芯内层和涂层；

图5B示出了根据本发明的图5A的等离子体催化剂纤维沿图5A中的5B-5B线的截面图；

图6示出了根据本发明的等离子体系统的另一部分的说明性实施例，所述部分包括长等离子体催化剂，其延伸通过激发口；

图7示出了根据本发明可以用于图6的系统中的长等离子体催化剂的说明性实施例；

图8示出了根据本发明可以用于图6的系统中的长等离子体催化剂的另一说明性实施例；

图9示出了根据本发明的等离子体系统的部分的说明性实施例，所述部分用于将电离辐射射入辐射室；

图10示出了根据本发明的说明性等离子体辅助加热装置的截面图；

图11示出了根据本发明的等离子体辅助加热的说明性方法的流程图；

图12示出了根据本发明的另一说明性等离子体辅助加热装置的截面图；

图13示出了根据本发明的另一说明性等离子体辅助加热装置的截面透视图；

图14示出了根据本发明的又一说明性等离子体辅助加热装置的截面透视图；

图15示出了根据本发明的说明性等离子体辅助熔炼炉的截面图；

图15A示出了根据本发明的另一说明性等离子体辅助熔炼炉的截面图，其中所述炉的内管是多孔的；

图16示出了根据本发明的又一说明性等离子体辅助熔炼炉的截面图，其中所述炉具有多个电磁辐射源；

图17示出了根据本发明的等离子体辅助炉的另一实施例，所述炉用于熔炼例如金属的固体；

图18示出了根据本发明的又一等离子体辅助熔炼炉的简化截面图，所述炉包括坩锅和至少一个等离子体腔，所述腔与坩锅的外表面热接触；以及

图19示出了根据本发明的等离子体辅助熔炼炉的另一说明性实施例，所述炉包括传送装置。

具体实施方式

根据本发明，提供了等离子体辅助加热和熔炼的系统和方法。如下文更全面的描述，在可选地具有等离子体催化剂的情况下，通过调节或维持腔内的等离子体，可以加热任何类型的物质(例如固体、液体或气体)。在一个实施例中，所述腔可以具有透射辐射的壁和导热壁。可以通过利用电磁辐射照射腔中的气体而在腔中形成等离子体。当等离子体的温度升高，可以通过导热壁将由等离子体吸收的辐射能以热能的形式传递给物质(例如在相邻室中)。在一个实施例中，辐射源，例如微波辐射源，可以将辐射引到气体上。

可以理解，根据本发明，可以使用多个辐射源，例如在2003年5月7日提交的共同拥有的美国专利申请10/430,415(Attorney DocketNo.1837.0018)中所述，在此引入其整体作为参考。另外，可以改变辐射源的相位和/或频率，如在2003年5月7日提交的现在到期的共同拥有的PCT申请US03/14132(Attorney Docket No.1837.0010)中所述，在此引入其整体作为参考。从而，本发明可以以低能量成本和增加的效率可控地产生热量以及进行等离子体辅助熔炼。

另外，提供了用于激发、调节和维持等离子体的等离子体催化剂。催化剂可以是惰性或活性的。惰性等离子体催化剂可以包括任何这样的物体，所述物体通过使根据本发明的局部电场(例如电磁场)变形可以诱发等离子体，而不需要通过催化剂施加另外的能量，例如通过施加电压引起瞬间放电。另一方面，活性等离子体催化剂可以是任何粒子或高能波包，其在存在电磁辐射下可以向气体原子或分子传输充足的能量，以使气体原子或分子失去至少一个电子。

在此引入下面的2003年5月7日提交的共同拥有的美国专利申请的全部内容作为参考：美国专利申请10/513,221(Atty Docket No.1837.0008)、10/513,393(Atty Docket No.1837.0009)、10/513,394(Atty Docket No.1837.0011)、10/513,305(Atty Docket No.1837.0012)、10/513,607(AttyDocket No.1837.0013)、10/449,600(Atty Docket No.1837.0015)、现在到期的PCT申请US03/14034(Atty Docket No.1837.0016)、10/430,416(Atty Docket No.1837.0017)、10/513,606(Atty Docket No.1837.0021)、10/513,309(Atty Docket No.1837.0023)、10/513,220(Atty Docket No.1837.0024)、现在到期的PCT申请US03/14122(Atty Docket No.1837.0025)、10/513,605(Atty Docket No.1837.0027)、现在到期的PCT申请US03/14137(Atty Docket No.1837.0028)、10/430,426(Atty DocketNo.1837.0029)、现在到期的PCT申请US03/14121(Atty Docket No.1837.0030)、以及10/513,604(Atty Docket No.1837.0032)。

说明性等离子体炉

图1示出了根据本发明的说明性等离子体系统10。在该实施例中，在位于辐射室(即辐射器(applicator))14中的容器中形成腔12。在另一实施例中(未示出)，容器12和辐射室14为同一个，从而不必需要两个独立的部件。其中形成有腔12的容器可以包括一个或多个透射辐射的隔层，以改进其绝热特性，而不显著屏蔽对腔12的辐射。

在一个实施例中，在由陶瓷制成的容器中形成腔12。由于根据本发明利用等离子体可以获得极高的温度，可以使用能够在约3000华氏度下工作的陶瓷。所述陶瓷材料可以包括，以重量表示，29.8％的硅、68.2％的铝、0.4％的氧化铁、1％的氧化钛、0.1％的石灰、0.1％的氧化镁、0.4％的碱金属，其由New Castle，Pennsylvania的New Castle Refractories Company出售为型号LW-30。然而，本领域的普通技术人员可以理解，根据本发明，还可以使用其它材料，例如石晶以及不同于上述的材料。还应该理解，因为炉的工作温度根据不同类型的应用而不同，用于制造容器的材料只需要承受基本低于3000华氏度的温度，例如约2500华氏度、或约1000华氏度，或更低。

在一个实施例中，在部分开口的腔中形成等离子体，所述腔在第一砖状物内，并由第二砖状物封顶。所述腔的尺寸为约2英寸×约2英寸×约1.5英寸。在砖状物中还提供了至少两个连通腔的孔：一个用于观察等离子体，以及至少一个孔用于供给气体。腔的尺寸可以根据希望的等离子体过程而变化。另外，在一些应用中，所述腔可以被形成为防止等离子体从主要加热区域上升/漂移离开。

腔12通过管道20和控制阀22可以连接一个或多个气体源24(例如氩气、氮气、氢气、氙气、氪气源)，所述阀由电源28或其它电源供电。管道20可以是管状的(例如在约1/16英寸和约1/4英寸之间，如约1/8″)，但是可以是任何能够向腔12供气的通道或装置。另外，如果希望，可以将真空泵(未示出)连接室14，以除去可能在等离子体处理中产生的任何不需要的气体。

可以将辐射泄漏检测器(未示出)安装到源26和波导管30的附近，并连接安全连锁系统，从而，如果检测到泄漏量超过预定的安全限度，例如由FCC和/或OSHA规定的限度(例如5Mw/cm²)，就可以自动关闭辐射(如微波)电源。

在一个实施例中，辐射装置可以包括用于将辐射射入腔中的辐射源26。辐射装置还可以包括其它用于将其它辐射射入腔中的辐射源(未示出)。可以由电源28供电的辐射源26，可以通过一个或多个波导管30将辐射射入室14中。本领域中的普通技术人员可以理解，源26可以直接连接室14或腔12，从而略去波导管30。可以利用进入腔12的辐射能在腔中激发等离子体。通过结合其它的辐射与催化剂，可以将等离子体调节或基本维持并限制在腔中。

辐射源26可以是磁控管、速调管、回旋管、行波电子管放大器、或其它能够产生辐射的装置。根据本发明可以使用具有小于约333GHz的任何频率的辐射。例如，可以使用例如电力线频率(约50Hz至约60Hz)的频率，尽管形成等离子体的气体的气压可以降低以辅助激发等离子体。另外，根据本发明可以使用任何无线电频率或微波频率，包括大于约100kHz的频率。在大部分情况下，用于该较高频率的气压不需要被降低以激发、调节或维持等离子体，从而允许在大范围气压上实现多种等离子体处理，所述气压包括大气压及更高的气压。

例如，本发明可以通过采用由通讯和能源工业(CPI)提供的915MHz和2.45GHz的微波源而实施，但是也可以采用具有小于约333GHz的任何频率的辐射。3通短线(3-stub)调谐器可以允许用于最大功率传输的阻抗匹配，并且可以使用双向连接器测量进入和反射的功率。

由辐射源26通过循环器32和调谐器34(例如3通短线调谐器)来提供辐射能。调谐器34可以用于根据变化的激发或处理的条件而最小化反射功率，尤其在形成等离子体前，因为例如微波功率将被等离子体强吸收，不过，循环器和调谐器的使用是可选的。

如下面将更详细的说明，如果室14支持多种模，尤其当所述模是连续地或周期地混合时，则透射辐射的腔12在室14中的位置并不重要。同样如下面更详细的说明，电机36可以连接模混合器38，所述模混合器38用于使时间平均的辐射能在整个室14中的分布基本均匀。而且，可以在室14邻近腔12的一壁上设置窗口40(例如石英窗口)，使得可以使用温度传感器42(例如光学高温计)以观测腔12中的过程。在一个实施例中，光学高温计输出值可以在温度升高时从零伏增加到追踪范围值之内。

传感器42可以根据腔12中相关工件(未示出)的温度或任何其它可调节条件给出输出信号，并将信号提供给控制器44。另外可以使用双重温度感测和加热、以及自动冷却气流控制。控制器44又可以用于控制电源28的运行，电源28可以具有一个如上述连接源26的输出端、以及另一个连接阀22以控制流入腔12的气流的输出。

可以利用LabView 6i软件计算机控制该设备，所述软件可以提供实时温度监测和微波功率控制。通过利用合适数量的数据点的平滑平均值可以降低噪音。另外，通过调整移位寄存器和缓冲器的大小，可以限制阵列中存储的数据点数，以提高速度和计算效率。高温计可以测量约1cm²的敏感区域的温度，所述温度可以用于计算平均温度。所述高温计可以测量两个波长的辐射强度，并利用Planck定律拟合这些强度以确定温度。然而，应该理解，根据本发明，可以获得和使用其它用于监测和控制温度的装置和方法。在例如2003年5月7日提交的现在到期的共同拥有的PCT申请US03/14135(Attorney Docket No.1837.0033)中描述了根据本发明可以使用的控制软件，在此引入其全部内容作为参考。

室14可以具有几个具有辐射屏蔽的玻璃盖观测口和用于放入高温计的石英窗口。还可以提供几个连接真空泵和气体源的口，不过不是必需的。

示例炉还可以包括封闭循环去离子水冷却系统(未示出)，所述系统具有由自来水冷却的外部热交换器。在运行中，去离子水可以首先冷却磁控管，然后是循环器(用于保护磁控管)中的负载堆(load-dump)、最后流过焊在室的外表面上的水管冷却辐射室。

等离子体催化剂

根据本发明的等离子体催化剂可以包括一种或多种不同的材料，并且可以是惰性的或活性的。在小于、等于或大于大气压的气压下，等离子体催化剂可以用于在其它物质中激发、调节、和/或维持等离子体。

根据本发明的一种形成等离子体的方法可以包括，在存在惰性等离子体催化剂的情况下，通过对腔中的气体施加频率低于约333GHz的电磁辐射。根据本发明的惰性等离子体催化剂可以包括通过变形根据本发明的局部电场(例如电磁场)可以诱发等离子体的任何物体，而不需通过催化剂添加另外的能量，例如通过施加电压引起瞬间放电。

根据本发明的惰性等离子体催化剂还可以为纳米粒子或纳米管。这里，术语“纳米粒子”可以包括最大物理尺寸小于约100nm、并至少是半导电的任何粒子。另外，根据本发明，掺杂和未掺杂的、单层壁和多层壁的碳纳米管，都可以尤其有效地用于激发等离子体，由于其具有优异的导电性和长形形状。纳米管可以具有任何合适的长度，并且可以是固定在基板上的粉末。如果被固定，当激发或维持等离子体时，纳米管可以在基板表面上的任意取向或者固定到基板上(例如，以某个预定方向)。

根据本发明的惰性等离子体催化剂还可以是粉末，并不需要包括纳米粒子或纳米管。其可以由例如纤维、尘粒、薄片、片等形成。当以粉末形式时，催化剂可以至少临时地悬浮在气体中。通过将粉末悬浮在气体中，如果希望，所述粉末可以迅速分散到整个腔并更容易被消耗。

在一个实施例中，可以将粉末催化剂载入腔中，并利用载气至少临时地悬浮。载气可以与形成等离子体的气体相同或不同。另外，可以在被引入腔中之前将粉末加入气体中。例如，如图2所示，辐射源52可以向辐射腔55提供辐射，在辐射腔55中放置有等离子体腔60。粉末源65可以将催化剂粉末70提供入气流75。在可选实施例中，可以首先将粉末70的块(即堆积)加入腔60中，然后以任何方法分布到腔中，所述方法包括通过粉末块或从其上方吹气。另外，通过移入、传送、撒入、洒入、吹入或其它方式，将粉末送入或分布于腔内，可以将粉末加到气体中用于激发、调节或维持等离子体。

在一个实施例中，通过在伸入腔的铜管中放置碳纤维粉末堆而在腔中激发等离子体。虽然充分的辐射被引到腔中，但是铜管对粉末屏蔽了辐射，从而没有发生等离子体激发。然而，一旦载气开始流动通过铜管，将粉末带出管道并进入腔中，从而使粉末受到辐射，几乎瞬间在腔中激发等离子体。

根据本发明的粉末等离子体催化剂可以是基本不可燃的，从而不需要包括氧气或在氧气的存在下燃烧。这样，如上所述，所述催化剂可以包括金属、碳、碳基合金、碳基复合物、导电聚合物、传导硅氧烷弹性体、聚合物纳米复合材料、有机无机复合材料、以及上述物质的任意组合。

另外，粉末催化剂可以基本均匀地分布在等离子体腔中(例如，当悬浮在气体中)，并且可以在腔中精确控制等离子体的激发。均匀激发在特定应用中较重要，所述应用包括需要短暂等离子体暴露的应用，如以一次或多次爆发的形式。另外，粉末催化剂自身分布到整个腔中可能需要一定的时间，尤其在复杂、多室的腔中。因此，根据本发明的另一方面，可以通过多个激发口将粉末催化剂引入腔中，以在腔中更快地获得更均匀的催化剂分布(见下文)。

除了粉末，根据本发明的惰性等离子体催化剂可以包括，例如一种或多种微观或宏观的纤维、片、针、线、绳、丝、纱、细绳、刨花、裂片、碎片、纺布、带、须，或上述的任何组合。在这些情况中，等离子体催化剂可以具有至少一个部分，所述部分的一个物理尺寸基本大于另一个物理尺寸。例如，至少两个垂直尺寸之间的比值应该至少为约1:2，但是可以大于1:5，或甚至大于1:10。

这样，惰性等离子体催化剂可以包括至少部分材料，所述部分相比于其长度较细。可以使用催化剂束(例如纤维)，所述催化剂可以包括例如一段石墨带。在一个实验中，成功地使用了这样的一段带，其具有大约三万股石墨纤维，每股纤维的直径为约2-3微米。束中的纤维数和长度对于激发、调节或维持等离子体并不重要。例如，利用一段约四分之一英寸长的石墨带已经获得了满意的结果。根据本发明已经成功使用的一种碳纤维由Anderson，South Carolina的Hexcel Corporation售为商标为Magnamite的型号AS4C-GP3K。另外，还成功地使用了碳化硅纤维。

根据本发明另一方面的惰性等离子体催化剂可以包括一个或多个部分，所述部分是例如基本球形、环形、锥体、立方体、平面形、圆柱体、矩形或长形的。

上述的惰性等离子体催化剂包括至少一种至少半导电的材料。在一个实施例中，所述材料可以是强导电的。例如，根据本发明的惰性等离子体催化剂可以包括金属、无机材料、碳、碳基合金、碳基复合物、导电聚合物、传导硅氧烷弹性体、聚合物纳米复合材料、有机无机复合材料、或上述的任何组合。可以包括在等离子体催化剂中的一些可能的无机材料包括碳、碳化硅、钼、铂、钽、钨、氮化碳、以及铝，不过相信其它导电无机材料同样可以工作良好。

除了一种或多种导电材料，根据本发明的惰性等离子体催化剂可以包括一种或多种添加剂(其不需要能够导电)。这里，所述添加剂可以包括用户希望加入等离子体的任何材料。例如，在掺杂半导体和其它材料中，可以通过催化剂将一种或多种掺杂剂加入等离子体中。见2003年5月7日提交的共同拥有的美国专利申请10/513,397(Attorney Docket No.1837.0026)，在此引入其全部内容作为参考。催化剂可以包括掺杂剂本身、或者可以包括前体材料，所述前体材料一旦分解即可以产生掺杂剂。这样，等离子体催化剂可以包括一种或多种添加剂或一种或多种导电材料，其比例根据等离子体的最终希望组成和利用等离子体的处理而可以为任何希望的比值。

惰性等离子体催化剂中的导电成分与添加剂的比值可能随着其被消耗的时间而变化。例如，在激发中，等离子体催化剂可以要求包括较大百分比的导电成分以改善激发条件。另一方面，如果在调节或维持等离子体时使用，催化剂可以包括较大百分比的添加剂。本领域的普通技术人员可以理解，用于激发、调节、和/或维持等离子体的等离子体催化剂的成分比值可以是相同的。

可以使用预定比值分布以简化多个等离子体处理。在很多常规等离子体处理中，按需要向等离子体中添加成分，但是该添加通常需要可编程设备根据预定方案添加成分。然而，根据本发明，催化剂中的成分比值可以变化，并且等离子体自身中的成分比值可以自动变化。也就是说，在任何特定时间的等离子体中的成分比值可以依赖于当前被等离子体消耗的催化剂部分。从而，催化剂的成分比值在催化剂中的不同位置可能不同。并且，等离子体中的当前成分比值可以依赖于催化剂中当前和/或先前被消耗的部分，尤其当通过等离子体室的气体的流速较慢时。

根据本发明的惰性等离子体催化剂可以是均匀的、不均匀的或渐变的。另外，等离子体催化剂的成分比值在整个催化剂中可以连续地或不连续地变化。例如，在图3中，所述比值可以非常平滑地变化，并沿催化剂100的长度形成梯度。催化剂100可以包括这样一股材料，所述材料在段105含有较低浓度的成分，并向段110连续增加浓度。

可选的是，如图4所示，在催化剂120中的每个部分的所述比值可以不连续地变化，所述催化剂包括例如具有不同浓度的交替段125和130。可以理解，催化剂120可以包括多于两段的形式。从而，被等离子体消耗的催化剂成分比值可以以任意预定方式变化。在一个实施例中，当监测等离子体，并检测到特定添加剂，可以自动开始或终止进一步处理。

改变被维持的等离子体中的成分比值的另一种方法是，以不同的次数或不同的速度引入具有不同的成分比值的多种催化剂。例如，可以在近似相同的位置或不同的位置将多种催化剂引入腔中。当在不同的位置引入时，在腔中形成的等离子体可以具有由不同催化剂的位置确定的成分浓度梯度。从而，自动化系统可以包括这样的装置，通过所述装置在激发、调节、以及/或维持等离子体前和/或期间，机械地插入可消耗的等离子体催化剂。

根据本发明的惰性等离子体催化剂还可以是经过涂敷的。在一个实施例中，催化剂可以包括基本不导电的涂层，所述涂层被沉积在基本导电材料的表面上。可选的是，催化剂可以包括基本导电的涂层，所述涂层被沉积在基本不导电的材料的表面上。例如，图5A和5B示出了纤维140，其包括内层145和涂层150。在一个实施例中，包括碳芯的等离子体催化剂被涂敷有镍，以防止碳的氧化。

单个等离子体催化剂还可以包括多个涂层。如果所述涂层在接触等离子体中被消耗，可以将所述涂层以从最外层到最内层的顺序引入等离子体，从而形成延时释放(time-release)机制。这样，涂敷等离子体催化剂可以包括任意数量的材料，只要催化剂的部分是至少半导电的。

根据本发明的另一实施例，可以将等离子体催化剂全部放置在辐射腔内，而基本减少或防止能量泄漏。通过这样，等离子体催化剂不与包括腔的容器、或在腔外的任何导电物体电或磁耦合。这防止了在激发口的瞬间放电，并且防止辐射在激发期间或在后来等离子体被维持时泄漏到腔外。在一个实施例中，可以将催化剂放置在基本不导电的延伸物的端部，所述延伸物延伸通过激发口。

例如，图6示出了其中设置有等离子体腔165的辐射室160。等离子体催化剂170加长并延伸通过激发口175。如图7所示，根据本发明，催化剂170可以包括导电末端部分(其被放置在室160中)和不导电部分185(其基本被放置在室160外)。该结构防止了末端部分180和室160之间的电连接(例如瞬间放电)。

在另一个实施例中，如图8所示，可以这样形成催化剂，通过将多个导电段190由多个不导电段195隔离并机械连接。在该实施例中，催化剂可以延伸通过激发口，所述激发口在腔内的一点和腔外的另一点之间，但是电不连续性的分布有效防止了瞬间放电和能量泄漏。

另一种形成根据本发明的等离子体的方法包括，在存在活性等离子体催化剂的情况下对腔内的气体施加电磁辐射，所述辐射的频率小于约333GHz，所述催化剂产生或包括至少一种致电离粒子。

根据本发明的活性等离子体催化剂可以是任何粒子或高能波包，其在电磁辐射的存在下，可以向气体原子或分子传输充足的能量，而使气体原子或分子失去至少一个电子。根据源，可以以聚焦束或准直束的形式将致电离粒子引入腔中，或者可以将其喷洒、喷流、喷溅或以其它方式引入。

例如，图9示出了将辐射射入辐射室205的辐射源200。可以将等离子体腔210放置在室205内，并允许气体通过通气口215和216流通过所述等离子体腔210。源220将致电离粒子225引入腔210。可以通过例如金属屏蔽保护源220，所述金属屏蔽允许致电离粒子通过，但屏蔽了对源220的辐射。如果需要，源220可以用水冷却。

根据本发明的致电离粒子的实例可以包括x射线粒子、γ射线粒子、α粒子、β粒子、中子、质子及其的任意组合。这样，致电离粒子催化剂可以是带电的(例如，来自离子源的离子)或不带电的，并且可以是放射性裂变过程的产物。在一个实施例中，其中形成有等离子体腔的容器可以完全或部分地透过致电离粒子催化剂。这样，当放射性裂变源位于腔外时，所述源可以引导裂变产物穿过容器而激发等离子体。放射性裂变源可以位于辐射室内，以基本防止裂变产物(即致电离粒子催化剂)产生安全危险。

在另一个实施例中，致电离粒子可以是自由电子，但是其不需要在放射性衰变过程中发射。例如，可以通过激发电子源(如金属)以使电子具有充分的能量从源中逃逸出，而将电子引入腔中。可以将电子源放到腔内、邻近腔、或甚至在腔壁中。本领域的普通技术人员可以理解，电子源的任何组合都是可以的。产生电子的常用方法是加热金属，并且可以通过施加电场进一步加速电子。

除了电子，自由能质子也可以用于催化等离子体。在一个实施例中，可以通过电离氢并且可选地利用电场加速而产生自由质子。

多模辐射腔

可以设置辐射波导管、腔或室以支持或便于传播至少一种电磁辐射模。这里使用的术语“模”指任何电磁驻波或行波的特定模式，所述电磁波满足Maxwell方程和适用边界条件(例如腔的边界条件)。在波导管或腔中，所述模可以是电磁驻波或行波的各种可能模式的任意一种。每种模由其电场和/或磁场矢量的频率和极化表征。模的电磁场模式依赖于频率、折射率或介电常数、以及波导管或腔的几何形状。

横电(TE)模是电场矢量垂直于传播方向的模。类似地，横磁(TM)模是磁场矢量垂直于传播方向的模。横电磁(TEM)模是电场和磁场矢量都垂直于传播方向的模。中空的金属波导管通常不支持辐射传播的标准TEM模。尽管辐射表现为延波导管长度传播，但是其可以这样只是因为从波导管的内壁以特定角度反射。因此，根据传播模，辐射(例如微波)可以具有延波导管轴(通常指z轴)的特定电场成分或特定磁场成分。

腔或波导管中的实际场分布是其中的模的叠加。可以用一个或多个下标(例如TE₁₀(“Tee ee one zero”))来标记每种模。所述下标通常说明在x和y方向上包括多少个波导波长的“半波”。本领域的技术人员可以理解，波导波长可以不同于自由空间波长，因为辐射通过以某一角度从波导管的内壁反射而在波导管内传播。在一些情况中，可以增加第三下标，以定义在沿z轴的驻波波形中的半波数。

对于给定的辐射频率，可以选择波导管的尺寸足够小，以支持单个传播模。在该情况中，称该系统为单模系统(即单模辐射器)。在矩形单模波导管中，TE₁₀模通常是占主导。

当波导管(或波导管所连接的腔)的尺寸增大时，所述波导管或辐射器有时可以支持其它更高阶的模，从而形成多模系统。当可以同时支持多个模时，通常称该系统为高模的(highly moded)。

简单的单模系统具有这样的场分布，所述场分布包括至少一个最大值和/或最小值。最大值的大小较大地依赖于提供给系统的辐射量。从而，单模系统的场分布强烈的变化并且基本是不均匀的。

与单模腔不同，多模腔可以同时支持几个传播模，所述几个传播模当叠加时，导致复合场分布模式。在该模式中，场趋于空间模糊，从而，所述场分布通常不在腔中显示同一种稳定的最小和最大场值。另外，如下文详细说明，可以使用模混合器“搅拌”或“再分布”模(例如通过辐射反射器的机械移动)。该再分布希望地在腔内提供了更均匀的时间平均的场分布。

根据本发明的多模腔可以支持至少两个模，并可以支持多于两个的模。每个模具有最大电场矢量。尽管可以存在两个或多个模，但是一个模占主导，并具有大于其它模的最大电场矢量大小。这里所用的多模腔可以为如下的任何腔，其中第一和第二模的大小比值小于1:10、或小于约1:5，或甚至小于约1:2。本领域的普通技术人员可以理解，比值越小，模间的电场能分布越大，从而腔中的辐射能的分布越大。

在处理腔中的等离子体的分布可以极大地依赖于施加辐射的分布。例如，在纯单模系统中，可能只有一个电场值最大的位置。因此，只能在所述单个位置上形成强等离子体。在很多应用中，该局部强化的等离子体将不利地导致等离子体处理或加热的不均匀性(即局部过热或加热不足)。

根据本发明，无论是否使用单模或多模腔，本领域的普通技术人员可以理解，其中形成等离子体的腔可以完全封闭或部分封闭。例如，在特定应用中，例如在等离子体辅助熔炉中，所述腔可以是完全封闭的。然而，在其它应用中，可能希望通过腔流通气体，从而必须将腔打开一定程度。这样，流动气体的流量、类型和气压可以随时间变化。这可能是希望的，因为便于例如氩气的形成等离子体的特定气体更容易激发，但是可能在随后的等离子体处理中并不需要。

模混合

对于很多应用，需要腔内包括均匀的等离子体。然而，因为辐射可能具有较长波长(例如几十厘米)，将难于获得均匀分布。因此，根据本发明的一方面，在一段时间中可以混合或再分布多模腔中的辐射模。因为腔内的场分布必须满足由腔的内表面设定的所有边界条件，因此，可以通过改变内表面的任何部分的位置而改变所述场分布。

在根据本发明的一个实施例中，可以在辐射腔内放置可移反射表面。反射表面的形状和移动可以在移动时联合改变腔的内表面。例如“L”形金属物体(即“模混合器”)在围绕任意轴旋转时，将改变腔内的反射表面的位置或方向，从而改变其中的辐射分布。还可以使用任何其它不对称形状的物体(当旋转时)，但是也可以使用对称形的物体，只要相对移动(例如转动、平易或其合成)导致反射表面的位置或方向的一些变化。在一个实施例中，模混合器可以是围绕非圆柱体纵轴的轴转动的圆柱体。

多模腔中的每个模可以具有至少一个最大电场矢量，但是每个这些矢量会周期性地出现穿过腔的内直径。通常，假设辐射频率不变，则这些最大值是固定的。然而，通过移动模混合器使得其与辐射相互作用，则可以移动最大值的位置。例如，模混合器38可以最优化腔12内的场分布，从而最优化等离子体激发条件和/或等离子体维持条件。从而，一旦激发等离子体，可以改变模混合器的位置来移动最大值的位置，而获得均匀的时间平均的等离子体处理(例如加热)。

从而，根据本发明，在等离子体激发中模的混合将是有用的。例如，当将导电纤维用作等离子体催化剂时，公知的是，纤维方向将极大地影响最小等离子体激发条件。例如，已经提出，当将该纤维取向为与电场成大于60°的角度时，则催化剂将很难改善或放松这些条件。然而，通过移动腔内或附近的反射表面，可以显著改变电场分布。

通过例如旋转波导管连接将辐射发射到辐射器室中可以获得模的混合，所述连接可以被安装在辐射器室内。所述旋转连接可以机械地移动(例如旋转)，以有效在辐射室中的不同方向发射辐射。从而，可以在辐射器室中产生变化的场模式。

可以通过柔性波导管将辐射射入辐射室中而实现模混合。在一个实施例中，可以将波导管固定在室内。在另一个实施例中，可以将波导管伸入室中。可以以任何合适的方式连续或周期性地移动(例如弯曲)柔性波导管的末端位置，以将辐射(例如微波辐射)以不同的方向和/或位置射入室中。这种移动也可以导致模的混合，并便于在时间平均的基础上更均匀地进行等离子体处理(例如加热)。可选的是，该移动可以用于优化等离子体的激发位置或其它等离子体辅助处理。

如果柔性波导管是矩形的，波导管开口端的简单的扭曲将旋转辐射器室中的辐射的电和磁场矢量的方向。从而，波导管的周期性扭转将导致模的混合以及电场的旋转，其可以被用于辅助激发、调节或维持等离子体。

从而，即使催化剂的初始方向垂直于电场，但是电场矢量的重新取向可以将无效的方向变为更有效。本领域的技术人员可以理解，模的混合可以是连续的、周期性的、或预编程的。

除了等离子体激发，模的混合可以有用于随后的等离子体辅助处理(例如加热)中，以减少或增加(例如调谐)室中的“热点”。当腔只支持少数模时(例如小于5)，一个或多个局部电场最大值可以导致“热点”(例如在腔12内)。在一个实施例中，可以将这些热点构成为与一个或多个分开但同时的等离子体激发或处理相一致。从而，等离子体催化剂可以位于一个或多个所述激发或随后的处理或加热的位置上。

多位置激发

可以利用不同位置的多种等离子体催化剂激发等离子体。在一个实施例中，可以利用多纤维在腔内的不同点激发等离子体。当要求均匀等离子体激发时，这种多点激发尤其有益。例如，当在高频(例如几十赫兹以及更高)下调节等离子体，或在较大空间中激发，或者同时在两种情况下时，可以改善等离子体的基本均匀的瞬态撞击或再撞击。可选的是，当在多点使用等离子体催化剂时，通过将催化剂选择性地引入到这些不同位置，可以利用催化剂在等离子体室内的不同位置连续激发等离子体。这样，如果希望，可以在腔内控制地形成等离子体激发梯度。

另外，在多模腔中，催化剂在腔中多个位置的随机分布增加了这样的可能性，即根据本发明的至少一种纤维或任何其它惰性等离子体催化剂最佳地取向为电场线的方向。另外，即使催化剂没有最优化地取向(基本没有与电场线对准)，但是激发条件仍得到了改善。

而且，因为催化剂粉末可以悬浮在气体中，认为每个粉末颗粒可以具有被放置在腔内的不同物理位置的效果，从而改善了腔内的激发均匀性。

双腔等离子体激发/维持

根据本发明，可以使用双腔设置来激发和维持等离子体。在一个实施例中，系统可以包括至少第一激发腔和第二腔，所述第二腔与第一腔流体连通。为了激发等离子体，在可选地存在等离子体催化剂的情况下，可以对第一激发腔中的气体施加电磁辐射，所述辐射的频率小于约333GHz。这样，第一和第二腔的接近可以允许在第一腔中形成的等离子体在第二腔中激发等离子体，其可以利用增加的电磁辐射而维持。

在本发明的一个实施例中，第一腔可以非常小，并被设计为主要或只用于等离子体激发。这样，只需要非常小的辐射能来激发等离子体，从而允许更容易地激发，尤其当使用根据本发明的等离子体催化剂时。

在一个实施例中，第一腔可以是基本单模的腔，而第二腔是多模腔。当第一激发腔只支持单模时，腔内的电场分布将较大地变化，从而形成一个或多个精确定位的电场最大值。该最大值通常是激发等离子体的第一位置，将其作为放置等离子体催化剂的理想点。然而，应该理解，当使用等离子体催化剂时，不需要将其放置在电场最大值上，并且，在很多情况下不需要取向为任何特定方向。

说明性等离子体辅助加热和熔炼

根据本发明可以提供用于等离子体辅助加热的方法和装置。在气压低于、等于或高于大气压下，可以使用等离子体催化剂用于辅助激发、调节或维持等离子体。

图10示出了根据本发明的说明性等离子体辅助加热装置300的截面图。装置300可以包括，用于容纳气体的腔305、至少一个辐射源310、以及加热区域315。辐射源310可以被设置为辐射位于腔305中的气体，并激发、调节以及/或维持来自腔305中的气体的等离子体。腔305可以具有至少一个导热壁320，用于将由腔305中的等离子体吸收的能量传导给腔305外部的位置。加热区域315可以位于腔305的外部(如图10所示)并邻近壁320。可以利用辐射透射窗328防止等离子体从腔305移到波导管325中。

辐射源310可以是例如磁控管、速调管、回旋管、行波电子管、固态微波源、或其它能够提供频率小于约333GHz的电磁辐射的辐射源。如图10所示，辐射源310可以通过波导管325引导辐射。可选的是，可以利用选择用于传播希望类型辐射的同轴光缆耦合辐射源和腔305。在另一个实施例中，辐射源310可以简单地向腔305中进行辐射，而不需要其它物理连接。

例如，如图1所示，辐射源26向室14内辐射，并且所述辐射穿过包括腔12的容器。在该情况下，所述腔可以具有至少部分透射辐射的壁部分(例如陶瓷、石英等)。可以理解，根据本发明，可以利用任何其它技术将辐射射入等离子体腔。

当打开或激活辐射源310，应该注意防止辐射从腔305的内表面反射，并重新进入源310，这将损坏源310。防止该损坏的一种方法是，利用根据本发明的等离子体催化剂。如上所述，利用等离子体催化剂可以使得，当辐射第一次进入腔305中时几乎瞬间地激发等离子体。因为等离子体强烈地吸收电磁辐射，在腔305中的等离子体可以在等离子体激发的初期就基本防止辐射反射回辐射源310。如果需要，还可以在腔305和源310之间放置隔离器(在图10中未示出)，以进一步防止可能的损坏辐射返回辐射源310。

另外，根据本发明，可以使用一个或多个辐射源以将辐射引向腔305。在该情况下，由一个辐射源发出的辐射可能不希望地射向另一个辐射源，这同样可以导致由于反射功率的同种损坏。同样，使用根据本发明的等离子体催化剂可以基本消除该危险，因为一旦形成等离子体，将强烈地吸收几乎所有的辐射。因此，如在2003年5月7日提交的共同拥有的美国专利申请10/430,415(Attorney Docket No.1837.0018)中所述，在此引用其全部内容作为参考，可以在激活其它源之前激活一个源以激发等离子体，随后再激活其它源。可选的是，第一源可以与第二源交叉极化。

如上文的更全面的说明，可以将等离子体催化剂放置在任何操作位置。例如，可以将等离子体催化剂放置在等离子体腔内。在该情况下，当使用熔炉时，可以对催化剂进行持续地等离子体暴露，这将不利地随时间减少催化剂。因此，还可以将等离子体催化剂放置为接近所述腔，包括在腔305的壁中或邻近该壁。例如，在惰性等离子体催化剂的情况中，只需要将催化剂放置为充分接近腔305，从而其可以使腔中的电磁场变形。在活性催化剂的情况中，可以将源放置在腔外，但是可以将致电离粒子引入等离子体腔中。

如图10所示，腔305可以完全封闭或密封。从而，当腔305中存在足够量的气体时，可以使用相同的气体反复在腔305内形成等离子体。可选的是，腔305可以包括一个或多个通气口(未示出)，用于在产生等离子体时使气体流入或流出腔305。虽然在该结构中没有完全密封所述腔，根据本发明，所述结构仍可以基本限定等离子体，并用于发热。而且，如果需要，可以利用气流控制等离子体的温度。也就是说，可以利用更高的气流速度冷却、或至少基本减缓根据本发明的等离子体辅助炉的加热速度。

当腔305被密封时，可以将等离子体催化剂327以及气体放置在腔305中。在该情况下，可以对等离子体催化剂涂敷热保护层。可选的是，可以将催化剂从用于激发等离子体的腔中的最佳位置移到略佳的位置，在所述略佳的位置上，在操作中等离子体将较少地减少或消耗催化剂。在另一个实施例中，可以将等离子体催化剂固定在腔中，但是可以利用模混合器来改变腔内的场分布。例如，可以先将分布调节为使热点位于等离子体催化剂上，然后调节使热点邻近壁320。

如图10所示，导热区域315可以包括导热管用于流通流体。所述流体可以是例如液体或气体、或其组合。可以使用水、油或任何其它通过热传导或辐射吸收可以吸收能量的流体。可选的是，可以将加热区域315构成为包括可加热固体。例如铁的固体可以有效地以热能的形式存储能量。另外，根据本发明的熔炉可以用于加热任何其它类型的固体，如半导体，以进行任何类型的需要加热的处理。

图11示出了根据本发明的等离子体辅助加热(例如熔炼)的说明性方法的流程图。在步骤350中，可以将辐射射入包括气体的腔中以在腔中激发等离子体。在步骤355，可以在腔中将等离子体调节或维持足够长的一段时间，以加热至少一个导热腔壁。以及，在步骤360中，可以通过所述壁传导或辐射热量，以将热量传递给在壁的对面侧的物质。

如上述对装置300的说明，在存在等离子体催化剂的情况下，在步骤350中，通过对腔中的气体施加辐射，可以激发等离子体，所述催化剂可以是活性的或惰性的。同样如上所述，通过从至少一个辐射源将辐射射入腔中可以调节或维持等离子体。当使用多个辐射源时，可以在使用其它源前利用第一源向腔内辐射，以确保已经形成吸收辐射的等离子体。这可以有助于防止辐射反射或传播进入这些辐射源中并损坏它们。

图12示出了另一说明性等离子体辅助加热装置370的截面图。在该实例中，腔375可以包括两个功能壁：辐射透射壁322和导热壁324。如上所述，辐射透射壁322可以由这样的材料形成，所述材料可以基本透射具有由一个或多个辐射源提供的频率的辐射。根据本发明可以使用的一些辐射透射材料包括，例如石英、Al₂O₃、以及多种陶瓷。

根据在装置370的外壁326和338中的辐射的模的模式，可以将壁322和324构成为在腔375内的一些区域调节或维持等离子体、并在其它区域阻止等离子体的形成。例如，在一个实施例中，等离子体的形成可以在接近壁324处最大，从而可以将最大量的能量传递给加热区域330，所述加热区域可以邻近导热壁324。如上所述，根据本发明的加热区域依照应用可以用于加热流体或固体。在该情况下，区域330由外壁326部分界限。当结合壁324和326时，可以形成可以流通并加热流体的通道。

如图12所示，可以弯曲壁324以增加其表面积，这将增加能量通过壁324的速度。可以理解，也可以采用其它形状。同样可以理解，单个熔炉可以具有多个等离子体腔，并且每个所述腔可以具有相同或不同的形状。

另外，虽然图12中未示出，但是可以在根据本发明的等离子体装置370以及任何其它等离子体辅助炉中使用等离子体催化剂，以便于激发、调节和/或维持等离子体。如上所述，使用等离子体催化剂可以放宽形成等离子体所需的条件，从而使等离子体更容易控制，即使在等于或高于大气压下。

可以理解，相比于例如只是周期性地瞬间放电的火花塞，该催化剂由于其基本连续的催化效应将尤其有效。在需要等离子体的重复撞击和再撞击的周期性过程中，连续性催化尤其有效。

图13示出了另一说明性等离子体辅助加热装置400的截面透视图。在该装置中，等离子体腔405是圆柱形的，但是可以理解，所述形状也可以是矩形，或任何其它可以支持辐射传播的至少一个模的合适形状。可以在至少导热的管410中形成腔405。可以以任何合适的方式将辐射射入腔405中，例如通过波导管或同轴光缆。如图13所示，可以使用同轴光缆415将辐射射入腔405中。可以打开或关闭等离子体管410。如果打开，气体可以纵向流通。

等离子体管410可以位于外管420内。通过这样，可以将加热区域430放置在管410和420之间，并且当流体通过该区域时可以对其加热。可以理解，外管420的形状不必为圆柱形，而可以是矩形或任何其它合适的形状。

图14示出了另一说明性等离子体辅助加热装置450的截面透视图。在该装置中，等离子体腔480可以是在两个导电管(例如，在同轴波导管中)之间的环形空间。管460和470示出为例如圆柱形，但是所述形状也可以是矩形或任何其它适合的形状。从而，可以在可以导热的管460和可以导电的管470之间形成腔480，并利用绝缘套(未示出)包围腔480。

在操作中，可以以任何合适的方式将辐射射入腔480中，例如通过波导管或同轴光缆。如图14所示，可以使用同轴光缆465将辐射射入腔480中。可选的是，可以通过辐射透射窗(未示出)同轴地提供所述辐射。另外，可以将加热区域455设置在管460内，并当流体通过该区域时对其加热。

另外可以理解，虽然图13中的管410和420以及图14中的管460和470示出为直线形，但是其不必如此。例如，所述管可以具有螺旋形、盘旋形或任何其它合适的形式。另外，可以理解，加热区域430和455的位置可以分别与等离子体腔405和480对换。

图15示出了根据本发明的说明性等离子体辅助熔炼炉的截面图。熔炉500可以包括熔炼柱505、环绕等离子体腔510、以及电磁辐射源(未示出)，所述辐射源用于将频率小于约333GHz的电磁辐射515射入等离子体腔510中。下面结合用于熔炼例如金属矿、废金属或其它包括固体废料的固体的物体的方法，描述其它结构元件(示出和未示出)。

在一个实施例中，用于熔炼金属矿的说明性方法可以包括，将金属矿502添加入熔炼区域(例如熔炼柱505)；在存在等离子体催化剂520(例如碳纤维)的情况下，通过对气体(例如氩气)施加电磁辐射515，而在腔510中形成等离子体；在腔510中维持等离子体，从而来自等离子体的能量通过腔510的导热壁525进入熔炼柱505，并将金属矿502熔化成熔融金属530和矿渣535；以及，然后收集熔融金属530。

等离子体催化剂520可以是活性等离子体催化剂和惰性等离子体催化剂。因为，在上文已经详细描述了这些催化剂，这里将不再描述，但是可以理解，根据本发明，可以使用任何上述催化剂、以及任何相关的方法来熔炼物体，所述物体如金属矿或固体废料。

如图15所示，熔炼柱505可以由内管540的传导壁525至少部分地限定。类似地，可以将腔510限定在内管540和外管545之间。如果需要，内管540可以基本位于外管545的内部。当管540和545都基本垂直地取向时，可以使用两种或多种气体，以优先更接近内管540地形成等离子体。在一个实施例中，可以将较容易形成等离子体的第一气体(例如氩气)流入接近管540的腔510中，从而所述气体接近壁525地流通，并在那里形成等离子体。当维持等离子体时，可以将不如第一气体容易形成等离子体的第二气体(未示出)流入靠近外管545的腔510中。可以理解，其中优先靠近壁525形成等离子体的其它实施例还可以包括采用电和/或磁场。

在操作中，熔炼柱505可以是基本垂直的。然后，可以将金属矿添加入熔炼柱505的顶端555，并且可以在熔炼柱505的底端560收集熔融金属530。可以通过同轴波导管565将辐射515射入腔510中，所述波导管可以通过辐射透射板570与腔510隔离。在一个实施例中，内管525可以具有这样的外直径，而外管545可以具有这样的内直径，使得内直径与外直径之比在约2.5至约3.0之间，包括约2.72。根据正被熔化、处理或提取的固体，可以将合适的反应物575(例如如空气的还原剂加焦炭或一氧化碳)添加入组件中。例如可以使用添加剂，以将金属从其它相关的化合物分离。

可以理解，可以在腔510的一个或两个轴端放置可移动传导板(未示出)以调节其长度。通过调节该长度，可以如希望地偏移电磁辐射的驻波波形。在一个实施例中，可以利用所述板将波形偏移至少约四分之一个波长。

通过在内管540和外管545之间施加电压差，也可以调节电磁辐射吸收的空间依赖性。施加的电压可以朝径向内侧吸引等离子体，而增加其在壁525的表面上的浓度，从而增加能量通过传导壁525的速度。

图15A示出了另一个说明性实施例的截面图，其中内管640是多孔的。在该情况下，在腔610中形成的等离子体可以流入熔炼柱605以加热其中的物体，但是应该注意确保管640中的开口607位于可以在柱605中形成的矿渣609或任何其它液体的上方。从而，壁625不必是导热的。如上所述，可以使用等离子体将一种或多种反应物传输入柱605中。为了防止熔融金属和其它不希望的液体和气体从柱605流入腔610中，开口607的纵轴可以取为向下的方向。也就是说，每个开口的朝向腔610的一端可以高于同一开口的朝向柱605的一端。这里没有描述在图15A和后续附图中示出的很多组件，因为已经通过参考图15对其进行了描述。

根据本发明，还可以提供其它等离子体辅助熔炼方法和装置。例如，在一个实施例中，所述方法可以包括，在存在等离子体催化剂的情况下，通过对第一气体施加频率小于约333GHz的电磁辐射而在腔中形成等离子体；利用等离子体加热第二气体；将固体添加入熔炼容器中；将加热的第二气体充分引向固体，以至少将固体熔化成液体；以及收集所述液体。

可以理解，所述固体可以是金属矿、废金属、或其它固体，所述液体可以是例如熔融金属。第一气体可以是任何已知的在合适的条件下形成等离子体的气体，如氩气。类似的，第二气体可以是空气。而且，如果需要，第一气体与第二气体可以相同，并包括一种或多种添加剂。如上文已经详细描述的，可以利用根据本发明的等离子体催化剂(例如在大气压下)激发、调节或维持等离子体，所述催化剂包括惰性的和活性催化剂。因此，这里将不再描述根据本发明可以使用的多种可能的催化剂。

图16示出了另一说明性等离子体辅助熔炼炉700的截面，所述炉具有多个电磁辐射源705。在该情况下，在炉700中图解示出了两层难熔砖710衬底的熔炼柱715以及将被熔化的固体。如图16所示，炉700的底部包括至少一个出口通道720用于排出液化的固体722。另外，炉700还可以包括至少一个通道725，用于排出矿渣727或任何其它不需要的熔炼副产物。

在操作中，可以在等离子体腔730中形成等离子体。可以从通过入口735输送的气体形成等离子体。可以由窗口740隔离等离子体腔730和辐射源705，所述窗口可以基本透射由源705发出的电磁辐射。如上文的全面讨论，可以利用任何常规技术将辐射射入等离子体腔730中，包括同轴光缆、天线以及任何类型的波导管。从而，可以利用任何这些技术使源705与等离子体腔730轴向或以其它方式地耦合，或者可以将源705直接安装到等离子体腔730上。

在一个实施例中，可以利用如电磁体745的磁体将磁场施加到等离子体腔730中。如图16所示，电磁体745可以为缠绕在等离子体腔730周围的线圈。然后可以将线圈连接电源(未示出)，将所述电源设置为通过线圈流通电流。这样，磁场的方向可以为轴向，也就是说，沿长等离子体腔的轴向。

图17示出了用于熔炼如金属的固体的等离子体辅助炉750的另一实施例。炉750可以包括，难熔外壳760，其可以通过例如难熔砖形成；用于容纳正在熔化和/或已经熔化的固体的坩锅755，其可以由任何可以承受熔化坩锅755中的固体所需的高温的材料形成；用于支撑坩锅755的支架765；至少一个通气口770，用于从对外壳760提供或排出气体；至少一个电磁辐射口775，用于将电磁辐射射入外壳760中；以及可选的外部金属壳780，用于防止辐射从外壳中泄漏，从而防止可能的健康危害。在一个实施例中，可以在壳780和外壳760之间形成可以流通气体的间隙(未示出)。这可以用于例如预热由通气口770提供的气体并在外壳760内形成等离子体.

外壳760还可以包括金属盖790(其可以是绝热的)以防止泄漏电磁辐射。外壳760还可以包括板774，其可以是金属的，并可以包括一个或多个孔，以允许气体通过排气口772流过并流出外壳760。可选的是，板可以是基本无孔的，在该情况下，废气可以通过一个或多个通气口770流出。

本领域的普通技术人员可以理解，如果希望，可以将支架设置为倾斜以倒出它的熔化的内容物。另外，可以理解，可以如上述利用(例如)高温计监测等离子体辅助熔炼处理的温度。另外，如上所述，可以将等离子体催化剂785放置在任何合适的位置，以在高于、等于或低于大气压下激发、调节或维持外壳760内的等离子体。最后，可以对等离子体施加一个或多个磁场，以影响其位置和加热特征。

图18示出了另一等离子体辅助熔炼炉800的简化截面图，但是未示出可选的绝缘套、用于排出熔融金属的管道以及盖。炉800可以包括坩锅805和至少一个等离子体腔810，所述腔810与坩锅805的外表面热接触。如上述重复的描述，等离子体腔810可以包括一个或多个通气口和电磁辐射口。另外，可以理解，等离子体腔810可以是基本螺旋形或盘旋形(未示出)或者直线形(示出)。在任何情况下，当使用多个等离子体腔时，可以分离地控制每个腔以控制坩锅或里面的材料的温度。而且，每个等离子体腔部分的取向可以是垂直的、水平的或二者的任意组合，并且如果需要，可以通过分离的多个源对其提供电磁辐射。

图19示出了等离子体辅助熔炼炉850的另一说明性实施例，其中可以这样在腔中形成等离子体，在可选地存在等离子体催化剂的情况下，通过对气体施加频率小于约333GHz的电磁辐射。炉850可以包括传送装置875和至少一个等离子体腔860，从而可以将固体传送通过在腔860中形成的等离子体直到固体熔化，并收集液体.如图19所示，可以将固体颗粒865(例如废铁)填入给料斗870中，并堆积到热阻传送装置875上。通过这样，传送装置875可以将颗粒865传送通过等离子体，所述等离子体可以在传送装置875的上方或下方形成。

在一个实施例中，传送装置875可以将固体颗粒865传送通过等离子体腔860。如图19所示，传送装置875可以是多孔的，并允许熔融部分868向下穿过传送装置875进入收集渠道880。可以理解，当将传送装置875放置到腔860的上部时，可以利用等离子体的固有特征而在腔中升高温度，并基本熔化颗粒865。传送装置875还可以位于具有异于外壳890的外壳的等离子体腔(未示出)的上方或下方。在该情况下，可以利用腔形成一个或多个等离子体流，可以将其引向传送装置875和颗粒865并熔化所述颗粒。当传送装置875将颗粒传送通过等离子体后，传送装置875可以循环。

在上述实施例中，为了简化该公开，在单个实施例中一起列出了各个特征.这种公开方法不意味着所要求的发明的特征比在每个权利要求中明确陈述的特征更多。而是，如下面的权利要求书所述，本发明的特征比单个上述公开实施例的全部特征要少。从而，将下面的权利要求书在此引入该实施例的详细说明书，其中每个权利要求其自身代表本发明单独的优选实施例。

Claims (55)

1.一种等离子体辅助熔炼方法，包括：

这样在腔中形成等离子体，在存在等离子体催化剂的情况下，对第一气体施加电磁辐射，所述辐射的频率小于333GHz；

利用所述等离子体加热第二气体；

将固体添加入熔炼容器；

将所述加热的第二气体充分引向所述固体，以至少将所述固体熔化成液体；以及

收集所述液体。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述固体包括金属，以及所述液体包括熔融金属。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述等离子体催化剂包括活性等离子体催化剂和惰性等离子体催化剂中的至少一种。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述催化剂包括如下物质的至少一种：金属、无机材料、碳、碳基合金、碳基复合物、导电聚合物、传导硅氧烷弹性体、聚合物纳米复合材料、以及有机无机复合材料。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述催化剂是如下形式中的至少一种：纳米粒子、纳米管、粉末、粉尘、薄片、纤维、片、针、线、绳、丝、纱、细绳、刨花、裂片、碎片、纺布、带以及须。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述催化剂包括碳纤维。

7.如权利要求3所述的方法，其中所述催化剂是如下形式中的至少一种：纳米粒子、纳米管、粉末、粉尘、薄片、纤维、片、针、线、绳、丝、纱、细绳、刨花、裂片、碎片、纺布、带以及须。

8.如权利要求3所述的方法，其中所述等离子体催化剂包括活性等离子体催化剂，所述活性等离子体催化剂包括至少一种致电离粒子。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述至少一种致电离粒子包括粒子束。

10.如权利要求8所述的方法，其中所述粒子是如下粒子中的至少一种：x射线粒子、γ射线粒子、α粒子、β粒子、中子、以及质子。

11.如权利要求8所述的方法，其中所述至少一种致电离粒子是带电粒子。

12.如权利要求8所述的方法，其中所述致电离粒子包括放射性裂变产物。

13.如权利要求1所述的方法，其中所述形成在至少为大气压的气压下发生。

14.如权利要求1所述的方法，其中所述施加包括从多个辐射源将所述电磁辐射射入所述腔中。

15.如权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二气体基本相同。

16.一种等离子体辅助熔炼方法，包括：

将固体添加入熔炼区域；

这样在腔中形成等离子体，在存在等离子体催化剂的情况下，对气体施加电磁辐射，所述辐射的频率小于333GHz，其中所述腔具有壁；

将所述等离子体维持在所述腔中，从而来自所述等离子体的能量通过所述壁进入所述熔炼区域，并将所述固体熔化成液体；以及

收集所述液体。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述等离子体催化剂包括活性等离子体催化剂和惰性等离子体催化剂中的至少一种。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述催化剂包括如下物质的至少一种：金属、无机材料、碳、碳基合金、碳基复合物、导电聚合物、传导硅氧烷弹性体、聚合物纳米复合材料、以及有机无机复合材料。

19.如权利要求18所述的方法，其中所述催化剂是如下形式中的至少一种：纳米粒子、纳米管、粉末、粉尘、薄片、纤维、片、针、线、绳、丝、纱、细绳、刨花、裂片、碎片、纺布、带以及须。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述催化剂包括碳纤维。

21.如权利要求17所述的方法，其中所述催化剂是如下形式中的至少一种：纳米粒子、纳米管、粉末、粉尘、薄片、纤维、片、针、线、绳、丝、纱、细绳、刨花、裂片、碎片、纺布、带以及须。

22.如权利要求17所述的方法，其中所述等离子体催化剂包括活性等离子体催化剂，所述活性等离子体催化剂包括至少一种致电离粒子。

23.如权利要求22所述的方法，其中所述至少一种致电离粒子包括粒子束。

24.如权利要求22所述的方法，其中所述粒子是如下粒子中的至少一种：x射线粒子、γ射线粒子、α粒子、β粒子、中子、以及质子。

25.如权利要求22所述的方法，其中所述至少一种致电离粒子是带电粒子。

26.如权利要求22所述的方法，其中所述致电离粒子包括放射性裂变产物。

27.如权利要求16所述的方法，其中所述形成在至少为大气压的气压下发生。

28.如权利要求16所述的方法，其中所述熔炼区域基本由内管的所述壁限定，并且其中，所述腔被限定在所述内管和基本环绕所述内管的外管之间。

29.如权利要求16所述的方法，还包括：

在所述维持期间将所述气体靠近所述内管流入所述腔中；以及

在所述维持期间将第二气体靠近所述外管流入所述腔中，其中所述第二气体基本不形成所述等离子体。

30.如权利要求29所述的方法，其中所述熔炼区域是基本垂直的通道，以及其中，所述添加包括，将金属矿加入所述熔炼区域的顶端，并在所述熔炼区域的底端附近收集熔融金属。

31.如权利要求16所述的方法，还包括在所述维持期间将所述气体流入所述腔。

32.如权利要求16所述的方法，还包括通过同轴波导管将所述辐射射入所述腔。

33.如权利要求28所述的方法，其中所述内管具有外直径，所述外管具有内直径，其中所述内直径与所述外直径的比值在2.5至3.0之间。

34.如权利要求33所述的方法，其中所述比值为2.72。

35.如权利要求16所述的方法，其中所述腔具有第一轴端，所述方法还包括从至少所述第一轴端将所述辐射射入所述主腔。

36.如权利要求16所述的方法，其中所述施加包括从多个辐射源将所述电磁辐射射入所述腔中。

37.如权利要求36所述的方法，其中所述多个辐射源包括至少一圈磁控管。

38.如权利要求36所述的方法，其中所述维持包括允许热能通过所述壁传导。

39.如权利要求16所述的方法，其中所述腔具有缠绕所述熔炼区域的螺旋形。

40.如权利要求16所述的方法，其中所述腔包括多个长形腔，所述长形腔与所述熔炼区域进行热交换。

41.一种等离子体辅助熔炼方法，包括：

这样在腔中形成等离子体，在存在等离子体催化剂的情况下，对气体施加电磁辐射，所述辐射的频率小于333GHz；

将金属传送通过所述等离子体，直到所述金属熔化成熔融金属；以及

收集所述熔融金属。

42.如权利要求41所述的方法，其中所述腔通过多个开口与所述熔炼区域流体连通，所述方法还包括，在所述开口处分别形成多个进入所述熔炼区域的等离子体流。

43.如权利要求41所述的方法，其中所述施加包括从多个辐射源将所述电磁辐射射入所述腔中。

44.如权利要求43所述的方法，其中所述多个辐射源包括至少一圈磁控管。

45.如权利要求41所述的方法，其中所述等离子体催化剂包括活性等离子体催化剂和惰性等离子体催化剂中的至少一种。

46.如权利要求45所述的方法，其中所述催化剂包括如下物质的至少一种：金属、无机材料、碳、碳基合金、碳基复合物、导电聚合物、传导硅氧烷弹性体、聚合物纳米复合材料、以及有机无机复合材料.

47.如权利要求46所述的方法，其中所述催化剂是如下形式中的至少一种：纳米粒子、纳米管、粉末、粉尘、薄片、纤维、片、针、线、绳、丝、纱、细绳、刨花、裂片、碎片、纺布、带以及须。

48.如权利要求47所述的方法，其中所述催化剂包括碳纤维。

49.如权利要求45所述的方法，其中所述催化剂是如下形式中的至少一种：纳米粒子、纳米管、粉末、粉尘、薄片、纤维、片、针、线、绳、丝、纱、细绳、刨花、裂片、碎片、纺布、带以及须。

50.如权利要求45所述的方法，其中所述等离子体催化剂包括活性等离子体催化剂，所述活性等离子体催化剂包括至少一种致电离粒子。

51.如权利要求50所述的方法，其中所述至少一种致电离粒子包括粒子束。

52.如权利要求50所述的方法，其中所述粒子是如下粒子中的至少一种：x射线粒子、γ射线粒子、α粒子、β粒子、中子、以及质子。

53.如权利要求50所述的方法，其中所述至少一种致电离粒子是带电粒子。

54.如权利要求50所述的方法，其中所述致电离粒子包括放射性裂变产物。

55.如权利要求41所述的方法，其中所述传送在热阻传送装置上进行，并且所述等离子体在所述传送装置下方形成。

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