DE2056018A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Material behandlung - Google Patents

Description

8393-70/H

Humphreys Corporation Dow Road, Bow, New Hampshire, USA

Verfahren und_iiyp_i ^ichtung_zur_Materialbehandlung

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Hochtemperaturtechnik und betrifft insbesondere eine Vorrichtung, die zur Materialbehandlung und/oder zur Erzeugung von Strahlungsenergie eine Umgebung hoher Enthalpie herstellt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Materialbehandlung unter Verwendung einer solchen Vorrichtung.

Es ist häufig erforderlich, ein Material einer Wärmeumgebung hoher Enthalpie auszusetzen, um beispielsweise eine pyrometallurgische oder chemische R_eaktion hervorzurufen. Zu diesem Zweck sind bereits verschiedene Vorrichtungen bekannt. Handelbare Vorrichtungen zum Hervorrufen chemischer Reaktionen in einer Hochtemperaturumgebung mit einem Teilchenmaterial wie Erzen, Konzentraten und Rückständen, die ein Metall enthalten, arbeiten allgemein chargenweise₀ Es hat sich als schwierig erwiesen, in die durch einen elektrischen Lichtbogen erzeugte Wärmeumgebung hoher Enthalpie feste oder flüssige Reaktionsteilnehmer in einer solchen Menge einzuführen, daß sich der gewünschte Nutzen ergibt, ohne daß der Lichtbogen gelöscht oder der Spalt zwischen den Elektroden veratopft wird*,, Außerdem war die Aufenthaltszeit der Reaktionsteilnehmerstoffe in der Lichtbogenzone der meisten bekannten

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Vorrichtungen zu kurz für brauchbare Ergebnisse. Um diese Schwierigkeiten zu beheben, haben Sheer und Korman eine mit Graphitelektroden arbeitende Vorrichtung vorgeschlagen, in welcher das zu behandelnde Erz ein Bestandteil der Elektroden war und allmählich während des Abbrandes der Elektroden in die Lichtbogenzone eingeführt wurde. Diese Vorrichtung hat aber keine wirtschaftliche Bedeutung erHsngt, zum Teil wegen der K_osten und des Aufwandes beim Herstellen der verwendeten Elektroden. Bainbridge beschreibt in der USA-Patenanmeldung Nr« 826 991 " vom 22.Mai 1969 eine Vorrichtung, in welcher eine langgestreckte Wärmezone hoher Enthalpie mittels eines Lichtbogens hoher Intensität zwischen Kohlelektroden erzeugt wird. Bei dieser Anordnung wird ein Teilchenmaterial gleichmässig in die Lichtbogenzone eingeführt und durch sie hindurch geleitet, wobei sich eine erhebliche pyrometallurgische Bearbeitung des zugeführten Materials ergibt.

Die Erfindung schafft eine Vorrichtung, die vorteilhaft zur Behandlung von Gasen, Flüssigkeiten und festem Material verwendet werden kann und eine Umgebung hoher Ϊ Temperatur erzeugte Insbesondere eine Vorrichtung, die ein Material der Wirkung eines elektrischen Lichtbogens hoher Intensität aussetzt, um das Material durch die H^tze zu beeinflussen und/oder eine chemische Reaktion hervorzurufen, und zwar derart, daß sich ein stabiler Lichtbogen und eine Wärmezone hoher Enthalpie ergeben und das Material mit gutem Wirkungsgrad in die Lichtbogenzone eingeführt werden kann. Vorzugsweise schafft die Erfindung eine "Vorrichtung, bei der das Material in einem kontinu-

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ierlichen Verfahren der Wärmeumgebung hoher Enthalpie ausgesetzt wird.

Ferner schaJEb die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen sphärischer Partikel, insbesondere ein wirtschaftliches Verfahren zum Erzeugen sphärischer Partikel in einem vorgegebenen Größenbereich.

Weiterhin schafft die Erfindung ein Verfahren vom kontinuierlichen Typ zum Ändern der körperlichen Gestalt eines Teilchenmaterials, insbesondere ein mit einem elektrischen Lichtbogen arbeitendes Verfahren, das wirtschaftlicher und kommerziell attraktiver ist und einen besseren Wirkungsgrad hat als vergleichbare bekannte Verfahren.

Eine Vorrichtung zur Materialbehandlung gemäß der Erfindung enthält eine Kammer, in der mehrere erste Elektroden in einem Abstand voneinander so angeordnet sind, daß ihre jeweiligen Endflächen zueinander benachbart sind und einen Kanal bilden, dessen Achse zwischen diesen Endflächen verläuft ο Eine zweite Elektrode ist im Abstand von den ersten Elektroden angeordnet und mit der Kanalachse (achsgleich) ausgerichtet. Ferner enthält die Vorrichtung eine Schaltungsanordnung, mittels welcher -die ersten und zweiten Elektroden einen Lichtbogen und eine sich ergebende langgestreckte Zone hoher Enthalpie, die koaxial zur Kanalachse liegt, erzeugen. Diese Zone hoher Entaalpie erstreckt sich von den Seiten der ersten Elektroden fort, die der zweiten Elektrode abgewandt sind. Es sind Einlaßöffnungen zum Einführen des zu behandelnden Materials

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in den Lichtbogen zwischen den ersten und zweiten Elektroden vorgesehen, welches längs der Kanalachse durch den von den Stirnflächen der ersten Elektroden und der Zone hoher Enthalpie begrenzten Kanal fließt.

Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung eignet sich vor allem für eine Verarbeitung eines teilchenförmigen Materials auf kontinuierlicher Basis. Die Elektrodengeometrie ruft eine stabile Gestalt des Lichtbogens und eine stabile langgestreckte Zone hoher Enthalpie hervor.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die ersten Elektroden Anoden, die symmetrisch um die Achse des Kanales angeordnet sind. Wenn Graphit als Anodenmaterial verwendet wird, enthält die Vorrichtung vorzugsweise eine Antriebseinrichtung, die die Anoden gleichzeitig dreht und vorwärts bewegt, um die Elektrodenendflächen in einer solchen Lage zu halten, daß sie einen Kanal relativ gleichmäßiger Abmessung begrenzen. Bei der praktischen Anwendung der E_rfindung sind auch andere Anodenanordnungen günstig, beispielsweise die "poröse Anode", bei der durch die Anodenstirnfläche ein Gas geleitet wirdo Bei diesen Ausführungsbeispielen ist die zweite Elektrode eine Kathode, für die verschiedene Anordnungen möglich sindo Beispielsweise wird bei einer ersten Ausführungsform eine einzelne Metallkathode mit einer gasgeschützten konischen Spitze verwendet, während bei einer anderen Ausführungsform die Kathode eine sich verbrauchende Kohlestange ist„ Andere Kathodenanordnungen können eine ringförmige (hohle) Elektrode oder eine Gruppe von Einzelelektroden enthalten. Der Mittelpunkt der Endfläche (oder

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der Endflächen) der Kathodenkonstruktion liegt auf der Achse des Kanales zwischen den Endflächen der Anoden. Die benachbarten Endflächen der Graphitanoden sind weißglühend, wenn sie erfindungsgemäß zur Erzeugung eines Lichtbogens hoher Intensität gespeist werden, und der Kohlenstoff wird so sublimiert, daß eine konzentrierte Kanalzone entsteht, deren Wände intensiv heiß sind.

Der erfindungsgemäß erzeugte Lichtbogen zeichnet sich durch einen raummäßig stabilen Kathodenstrahl aus, der sich durch den durch die Endflächen der Anoden begrenzten Kanal längs dessen Achse erstreckt und die Anoden selbst nicht berührt. Es ergibt sich eine Gaszirkulation, die eine Gasströmung nach oben zwischen den beabstandeten Ano^den und nach unten durch den Kanal zwischen den Anodenendflächen und dem Kathodenstrahl umfaßt, besonders dann, wenn keine Hilfsgasströmung beispielsweise eines T_rägergases für teilchenförmiges Material hervorgerufen wird₀ Unterhalb der Anoden erstreckt sich als Portsatz des Kathodenstrahles ein ITlammenschweif, der bis zu 1,5 m oder länger sein kann.

Mehrere Materialeinführkanale, die symmetrisch in Bezug auf die Achse der Vorrichtung angeordnet sind, werden vorzugsweise verwendet, wenn beispielsweise teilchenförmiges Material behandelt werden soll. Die Kanäle leiten das zu behandelnde Material in den Lichtbogen zwischen den ersten und zweiten Elektroden, worauf das Material durch den Kanal zwischen den Endflächen der ersten Elektroden hindurch und dann längs der Achse der Vorrichtung durch die

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langgestreckte Zone hoher Enthalpie fließt. Vorzugsweise enden die Einführkanäle nahe bei (innerhalb etwa 1,3 cm) der Ebene der Spitze der zweiten Elekbrode, oder sie ragen über diese Ebene in Richtung zu den ersten Elektroden hinaus, damit eine Verunreinigung der zweiten Elektrode
verroeden wird» Das zu behandelnde gasförmige, flüssige
oder feste Material wird durch diese Kanäle mit einer
positiven Geschwindigkeit eingeführb (bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen wii'd eine Trägergasgeschwindigkeit gewählt, die größer ist als 3 m/sec) und gelangt gleichmassig in die Kathodenstrahlzone zwischen den ersten und zweiten Elektroden für eine Anfangswärmebeaufschlagung.
Dann fließt das Material in den durch die intensiv heißen Elektrodenflächen der ersten Elektroden begrenzten Kanal und erfährt dort eine weitere Wärmebeaufschlagung. Die
Wärmebeaufschlagung setzt sich fort, während das Material dann durch den langgestreckten Flammenschweifteil des
Lichtbogensystems hindurchfließt. Die Gasgeschwindigkeiten in der Lichtbogenzone in dieser Vorrichtung gewährleisten eine Aufenthaltszeit für durch die Zone hoher Enthalpie
gelangende Teilchen von bis zu etwa 500 Millisekunden.

In einer Gleichstrom-Ofenanordnung mit einer gemeinsamen Kathode und einer Mehrzahl von Anoden bilden die Achsen der Einfürhkanäle vorzugsweise einen Winkel von weniger als 4-5° mit der Kanalachse und schneiden diese oberhalb der
Ebene der ersten Elektroden. Es wurde gefunden, daß ein
Einführwinkel von 37 1/2° zu besondere guten Ergebnissen führt. Es ist ferner zu bevorzugen, daß teilchenförmiges Material in einem Trägergas mitgeführt wird, welches ein Bestandteil (Reaktionsgas) einer chemischen R_eaktion oder

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zu einer chemischen Reaktion beitragen kann und welches diesem eingeführten Material eine positive Geschwindigkeit erteilt. Trägergasgeschwindigkeiten von 15,2 bis 27,4· m/sec führen zu befriedigenden Resultaten. Kleinere oder größere Trägergasgeschwindigkeiten können für spezielle Materialien und Anwendungsfälle der E₁. findung günstig sein. Es können die unterschiedlichsten Gase wie Luft, Sauerstoff, Kohlenmonoxid, Methan, Stickstoff, Chlor, Argon und Wasserstoff benutzt werden. Bei einigen Verfahren ist die Verwendung von Wasserstoff besonders günstig, weil die Anodenabbrandraten um bis zu Zweidrittel herabgesetzt werden, wenn man Wasserstoff statt Luft verwendet. Der Lichtbogen arbeitet bei Wasserstoff mit einer höheren Spannung und hat einen kleineren Durchmesser,und der Kathodenstrahl ist weiter von den glühenden Enden der Graphitanoden entfernte

Die vorliegende Vorrichtung gewährleistet eine stabile langgestreckte Zone hoher Enthalpie für die Behandlung eines Materials. Die Vorrichtung eignet sich besonders für die Behandlung von Teilchenmaterial, sowohl zum Bewirken chemischer Reaktionen wie Z₀B. bei der Pyrometallurgie als auch zum Ändern der körperlichen Gestalt der Teilchen, wie es z.B. zum Formen von Kugelkörpern oder Körnern geschieht. Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung kann auch für andere Zwecke eingesetzt werden, beispielsweise als Lichtquelle, als Wärmequelle, bei der der Flammenschweif auf die Oberfläche eines äußeren Werkstoffes gerichtet wird, beispielsweise zum Steuern einer Abkühlgeschwindigkeit, oder als Einrichtung zum Flammenspritzen.

Bei einem Verfahren zum Erzeugen von kornförmigen Teilchen wird ein elektrischer Lichtbogen mit einer solchen Strom-

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dichte aufrechterhalten, die ausreicht, um eine raummäßig stabile langgest reckte Zone hoher Enthalpie zu erzeugen«, Das zu bearbeitende Material wird mit einer positiven Geschwindigkeit eingeführt (d.h_o beim beschriebenen Ausführungsbeispiel mit einer Trägergasgeschwindigkeit, die größer ist als 3 m/sec), so daß das Material zwischen den Elektroden hindurch und längs der Zone hoher Enthalpie fließt und geschmolzen wird. Das geschmolzene Material kann sich in der gewünschten Gestalt, beispielsweise in K_ugelform, nach Passieren der Zone hoher Enthalpie durch freien Fall verfestigen. Durch Aufprall gegen eine Fläche oder eine andere Einrichtung kann das Material aber auch eine abgeflachte oder verspratzte Form erhalten. Die verfestigten Teilchen werden dann gesammelt.

Wenn ein teilchenförmiges Material eine Kugelform erhalten soll, wird es in einem Trägergas mitgeführt, welches ihm eine positive Geschwindigkeit erteilt. Trägergasgeschwindigkeiten von 15,2 bis 27,4 m/sec (^O bis 90 Fuß/Sekunde) führen zu befriedigenden Resultaten. Es können aber auch kleinere oder größere Trägergasgeschwindigkeiten für speziel· Ie Materialien und Anwendungsfälle der E_rfindung zweckmäßig sein. Das Material wird durch Kanäle eingeführt, die in Bezug auf die Achse der Vorrichtung symmetrisch angeordnet sind. Diese Kanäle leiten das körnige Material gleichmäßig und stoßfrei in den Lichtbogen zwischen den ersten und zweiten Elektroden, worauf es durch den Kanal zwischen den Endflächen der ersten Elektroden hindurch und dann längs der Achse der Vorrichtung durch die langgestreckte Zone hoher Enthalpie fließt. Die Einführkanäle können ungefähr in einer Ebene enden, welche die Spitze der zweiten Elektrode enthält, oder sie können sich bis unter

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diese Spitze in Richtung zu den ersten Elektroden erstrecken, Es ist auch zweckmäßig, eine Auslaßöffnung vorzusehen, die größere Abmessungen hat als die Zuführkanäle.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung, aus denen sich weitere Merkmale der Erfindung ergeben, sind in der Zeichnung dargestellt« Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, teilweise im Schnitt;

Figo 2 eine Draufsicht auf die in Fig, 1 dargestellte, durch die Lichtbogenkopfanordnung gebildete Feuerungseinrichtung, wobei eine Kathoden- und Materialzufuhranordnung entfernt worden ist;

Fig. 3 in einer Schnittansicht Einzelheiten der Kathoden- und Materialzufuhranordnung;

Fig. 4- in einer Schnittansicht Einzelheiten einer Anodenanordnung;

Fig. 5 einen Schnitt durch Fig. M- längs der Ebene 5-5;

Fig. 6 eine graphische Darstellung, die Betriebsbedingungen in der Feuerungseinrichtung angibt;

Fig. 7 und 8 schematische Darstellungen zur Erläuterung verschiedener Betriebsweisen der F_euerungseinrichtung; und

igo 9 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Auaführungsform der in Fig. 1 dargestellten Feuerungseinrichtung.

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Die in Pig. 1 dargestellte Vorrichtung enthält eine Hauptkaramer 10, die eine aus korrosionsbeständigem Werkstoff wie Edelstahl hergestellte Innenwand und eine beabstandet e Außenwand aus Flußstahl aufweist. Die Kammer umfaßt: eine gewölbte Oberwand -12, die eine zentrale Öffnung besitzt, in der eine Lichtbogen-Kopfanordnung 14 montiert ist; einen zylindrischen Hauptabschnitt 16, der einen Durchmesser von 1,52 m hat und 1,02 m lang ist und ein "Mannloch" besitzt, welches durch eine Pforte 18 verschlossen ist, die einen Durchmesser von 76 cm hat und ein

fc wassergekühltes Fenster 20 trägt, »owie beliebig viele weitere Pforten; und einen unteren Abschnitt 22, der 1,52 m lang ist, konisch bis zu einer Auslaßpforte, die einen Durchmesser von 20 cm hat, verläuft und mittels eines Flansches 24 am zylindrischen Abschnitt 16 befestigt ist. Eine konventionelle Verarbeitungseinrichtung wie etwa ein Berieselungsteil (skrubber) 26 kann mit Flanschen 28 am unteren Ende des konischen Abschnitts 22 befestigt sein. Kühlwasser wird durch die oberen Abschnitte 12 und 16 der Kammer 10 mittels Anschlußverbindungen 30 und durch den unteren Abschnitt 22 der Kammer 10 mittels Anschlußverbindungen 32 zirkulierte Leitplatten zwischen den Edelstahlinnenwänden und den Flußstahlaußenwänden lenken die Kühl-

W wasserzirkulation.

In einer Vorrichtung zum Erzeugen von kugeligen Körpern wird bei einer speziellen Ausführungsform ein zylindrischer Tank verwendet, der einen Durchmesser von 1,52 m hat und 6,10 m lang ist, und während des Betriebes des Systems wird der Druck im Tank geringfügig größer als Atmosphärendruck gehalten.

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Die Lichtbogen-Kopfbogenanordnung enthält ein zylindrisches Gehäuse 4-0 mit einem Innendurchmesser von 40,6 cm, das einen auf einer passenden Gegenfläche der gewölbten Oberwand 12 des Tanks oder der Kammer 10 montierten unteren Plansch 42, einen oberen Flansch 4-4-, auf den eine Isolatorscheibe 4-5 aus Epoxydglas befestigt ist, sowie eine Platte 46 aufweist, welche einen Kathoden— und Materialzufuhranordnung 50 trägt. Radial nach außen vom Gehäuse 40 erstrecken sich drei Anodenanordnungen, die jeweils eine Kohleelektrode oder Anode 52, eine Elektrodenantriebanordnung 54, eine elektrische Verbindungsanordnung 56 und Kühlwasserverbindungen 58 enthalten. Eine Draufsicht auf die Feuerungskonstruktion mit entfernter Kathoden- und Materialzufuhranordnung ist in Figv 2 dargestellte

Die Oberseiten der Anoden 52 sind in einer Ebene angeordnet, die 2,5 cm unter der Spitze der Kathode 48 liegt, und das Ende jeder Anode hat einen Abstand von etwa 2,5 cm von der Achse der F_euerungskonstruktion, wodurch ein Kanal mit einem Durchmesser von ungefähr 5 cm (2 Zoll) begrenzt wird.

Einzelheiten der Kathoden- und Materialzufuhranordnung sind in Fig. 5 gezeigt. Diese Anordnung enthält eine Düsenplatte 60, die auf der Platte 46 montiert ist und durch einen 0-Ring 62 abgedichtet ist. Drei Materialzufuhrkanäle 64, die jeweils einen Durchmesser von 0,64 cm haben und um 5? 1/2° gegen die Senkrechte geneigt sind, verlaufen durch die Platte 60, haben in einem Abstand von 2,23 cm von der Achse der Feuerungskonstruktion Auslaßöffnungen und

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sind über einen mit einem O-Ring 70 abgedichteten Nippel 68 mit je einem Zufuhrrohr 66 verbunden. Bei abgewandelten Ausführungsformen werden Zufuhrkanäle 64 verwendet, die einen Durchmesser von 0,32 bis 0,95 cm haben» Bei der Herstellung kugeliger Körper aus Teilchenmaterial hat es sich als zweckmäßig erwiesen, Auslaßöffnungen vorzusehen, die größer sind als die Zufuhrkanäle, beispielsweise einen Zufuhrkanaldurchmesser von 0,48 cm und einen Auslaßöffnungsdurchmesser von 0,95 cm. Der Winkel der Injektionsmündungen bzw. Kanäle 64 sollte so gewählt sein,

b daß eine Verlängerung der Mündungsachse die Achse der Kathode oberhalb der Ebene der Anodenoberseiten schneidet. Dieser Winkel hängt zwar etwas von der Art des behandelten Teilchenmaterials ab, doch hat ein größerer Winkel (z.B. 45°) häufig die Folge, daß das Pulver vollständig durch den Kathodenstrahl hindurch gelangt, während ein kleinerer Winkel (30°) bewirkt, daß nicht alles Pulver in den Kathodenstrahl eingeführt wird, bevor es durch die geschlossene Zone hindurch gelangt, welche durch die Stirnflächen der Anoden begrenzt wird. Ein Düseneinsatzteil 72 verläuft konisch von der Hauptbohrung der Platte 60 (Durchmesser von 4,13 ^cm) bis zu einem Auslaßdurchmesser von 1,27 cm am Düsenauslaß 74_O Eine Kühlkammer 76 im Einsatzteil 72

" wird durch einen Kanal 78 mit Kühlmitteln gespeist.

In der Platte 60 sitzt eine Verteileranordnung, die durch einen Ring 80 und eine Hülse 82 gebildet wird. Ein Ringkanal 84 im Ring 80 bildet eine Verteilungskammer, die in ihrer Innenwand eine Reihe von Mündungen 86 aufweist, welche Kanäle zum Einführen eines zweckmäßigen Schutzgases wie Argon durch ein (nicht dargestelltes) Gewinde-

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Verbindungsstück in die Düsenkonstruktion bilden. Innerhalb der Hülse 82 ist ein isolierender Zylinder 90 aus Nylon montiert, der eine zylindrische Kathodenanordnung 92 trägt, die einen Durchmesser von 3|34 cm hat«, Die Kathodenanordnung 92 enthält einen oberen zylindrischen Abschnitt 94 aus K_upfer, einen zylindrischen Zwischenabschnitt 96 aus Kupfer und eine konische Wolframspitze 98, die bis zu einer flachen Spitze 100 mit einem Durchmesser von 0,32 cm verläuft« Es wird ein Winkel von 60° für die konische Spitze der Kathode bevorzugt, obwohl befriedigende Ergebnisse mit Kathodenspitzenwinkeln im Bereich von 40 bis 120° erzielt wurden. Ein koaxial innerhalb der Kathodenanordnung 92 gelagertes Rohr 102 liefert Kühlwasser, das durch das Rohr 102 hinunter fließt und nach oben durch den umgebenden Ring zurückkehrt, der zwischen dem Rohr 102 und der Kathodenanordnung 92 gebildet ist·

Einzelheiten der Anodenanordnung sind in den 3?ig· 4 und 5 gezeigt. Die Graphitanode 52 ist mittels zwei Rollen 124, 122 in der Elektrodenantriebanordnung 5^ und einer Einsatzlagerbüchse 120 aus T_ellurkupfer in der elektrischen Verbindungsanordnung 56 gelagert. Die Büchse 120 wird von einer Tellurkupferscheibe 126 getragen, die eine Dicke von 3,12 cm und einen Durchmesser von 27,9 cm hat und mit Isolatorscheiben 128 aus Epoxydglas zwischen den Plansch 130 des wassergekühlten Gehäuses 40 der Lichtbogen-Kopfanordnung und den Plansch 132 des wassergekühlten Abstandhalterzylinders 134 geklemmt ist. Durch die Scheibe 126 verlaufen zwei Kanäle , die durch einen Kanal in einem Block 136 verbunden sind, so daß ein Strömungsweg für Kühlwasser durch die Kupferscheibe gebildet ist. Die Anodenelektrode

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52 wird durch einen Graphitfühler 140 in Eingriff mit der Büchse 120 gedrückte Am Fühler 140 ist ein Folgeglied 142 befestigt, das wiederum durch eine Anordnung beaufschlagt wird, welche eine Feder 144, einen Block 146 und eine Klemmplatte 148 umfaßte Die Klemmplatte ist mittels Schrauben 150 an den Isölatorscheiben 128 befestigt« B_ei geeigneter Wahl der Größe der Rollen 124, 122 und der Büchse 120 können bei dieser Vorrichtung Kohleanodenstangen mit einem Durchmesser von 2,5 cm (1 Zoll), 3,2 cm (1 1/4 Zoll) oder 3,8 cm (1 1/2 Zoll) verwendet werden.

Die Anodenantriebanordnung 54 ist zwischen einen Flansch 160 des Abstandhalterzylinders 134 und einen Flansch 162 eines Dichtungstragzylinders 164 eingespannt. Isolatorscheiben 166 aus Epoxydglas befinden sich auf jeder Seite der Antriebanordnung, welche eine Basiskonstruktion 170 aufweist, die drei Wellen 172, 174 und 176 lagert» Spannstifte 180 halten die Bestandteile der Wellenlageranordnung zusammen. Auf der Welle 172 sitzt ein Schneckenzahnrad 182, das in Eingriff mit einer Schnecke 184 steht, die über eine Welle 186 und ein Untersetzungsgetriebe 188 mittels eines Antriebsmotors 190, der auf einem Bügel 192 fc montiert ist, angetrieben wird_o An dem zum Zahnrad 182 entgegengesetzten Ende der Welle 172 ist ein Kettenrad montiert. Ähnliche Kettenräder 196, 198 sitzen an entsprechenden Stellen auf den Wellen 174 und 176„ Um diese drei Kettenräder ist eine Kette 200 gelegt, die durch ein Vorspannungskettenrad 202 und eine Feder 204 unter Spannung gehalten wird₀ Auf den Wellen 174 und 176 sind Tragrollen 122 bzw, 124 montiert. Eine Zahnrolle 206 ist auf der Welle 127 montiert« Die Achse der HoHb 206 liegt schräg mit einem

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Winkel von 1 1/2°, so daß bei Drehung der Welle 172 durch den Motor 190 die stangenförmige Anode 52 langsam v.orwärtsbewegt und zugleich kontinuierlich gedreht wird. Außerhalb der Antriebanordnung ist vorzugsweise eine Gasdichtungskonstruktion 152 vorgesehene Wie in Fig. 2 dargestellt ist, enthält die Konstruktion 152 zwei ringförmige flexible Wischer 15^, die eine Ringkammer 156 bilden, in die durch einen Kanal 158 ein Dichtungsgas eingeführt wird. Stickstoff mit einem Druck von 0,55 kg/cm (5 psig) ist für viele Anwendungsfälle zweckmäßig.

Bei einem typischen Betrieb in Luftumgebung legt eine Haupt-Gleichstrom-Leistungsquelle 208 eine Leerlaufspannung von 160 Y zwischen die Kathode 92 und die Anoden 52 an₀ Eine Start-Leistungsquelle, die eine Leerlauf-Hilfsspannung von 3OO Y liefert, ist zwischen die Kathode 92 und die Hülse 82 geschaltet. Ein Lichtbogen wird mit einer Starteinrichtung vom Schweißtyp im konischen Raum zwischen der Kathodenspitze 100 und dem umgebenden Düseneinsatzteil 72 gezündet. Durch die Kammer 84 und die Öffnungen eingeführtes Argon-Schutzgas bläst den Lichtbogen von der Spitze 100 der Kathode 200 nach unten, wo er gegen die Anode 52 stößt» Die Hilfsspannung wird dann abgeschaltet, λ

und der von der Hauptleisjungsquelle 208 gelieferte Strom wird erhöht, bis sich eine Lichtbogenumgebung bildet, die einen Kathodenstrahl 210 sowie eine Schweifflamme 212 umfaßt, die von den Anoden 52 nach unten in den konischen Abschnitt 22 des Tanks oder der Kammer 10 reicht. Eine typische Lichtbogenspannung beträgt in Luftumgebung 100 V und in einer Wasserstoffumgebung 170 V (im letztgenannten Pail beträgt die Leerlaufspannung der Leistungsquelle 320 V).

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Eine typische Temperatur des Kathodenstrahl 210 ist etwa '20 000⁰P. Fig. 6 zeigt in einer graphischen Darstellung die Gastemperaturen in der Schweifflamme 212 in der Feuerungseinrichtung, wenn sie mit Leistungen von 210 kW und JOO kW arbeitet. Diese Temperaturen wurden 76>2 cm unterhalb der Graphitanoden 52 mit einem ungeschirmten Thermoelement gemessen. V/ie in Fig. 6 angegeben ist, beträgt bei einer Leistung von 210 kW die Gastemperatur angrenzend an die Wände der Kammer 10 etwa 750 F und steigt bis auf mindestens 2 500⁰F in der Mitte der Schweifflamme 212. B_ei einer Leistung von JOO kW beträgt die Temperatur an der Kammerwand etwa 900⁰F und steigt
des Flammenschweifes.

etwa 900 F und steigt bis auf mindestens 3 000 F am Zentrum

Bei einer typischen Betriebsweise wird die Kammer 10 zunächst von sämtlichem Material eines vorhergegangenen Durchganges gereinigt. Alle Pulverzufuhreinrichtungen (mit jedem Kanal 64- ist eine von ihnen gekoppelt) werden mit einer gleichen Menge von teilchenförmigen Zufuhrmaterial beschickt, jjas elektrodensystem wird eingeschaltet und man läßt es arbeiten, bis sich eine vernachlässigbare Menge an Sauerfc stoff im Tank oder der Kammer 10 befindet. Die T_rägergasströmungen wurden auf die gewünschten Werte justiert, und die Pulverzufuhreinrichtungen wurden bei voreingestellten Zufuhrraten eingeschaltet. Der Kähodenstrahl 210 nimmt die Teilchen mit und schwemmt sie nach unten durch den Kanal, der durch die glühenden sublimierenden Endflächen der Anoden 52 begrenzt wird und längs der Zone hoher Enthalpie der Schweifflamme 212. Ein Durchgang ist beendet, wenn eine der Pulverzufuhreinrichtungen leer geworden ist. Mit

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dieser Vorrichtung wurden die verschiedensten teilchen-, förmigen Materialien behandelt.. Die folgende Tabelle gibt verschiedene Arten von Materialien und die Betriebsbedingungen der Vorrichtung an:

Siebfeinheit Vorschub- Trägergas .SCi¹H Bogender Eingangs- rate (=0,0283 NmVh) leistung teilchen engl.Pfd«/h ~ Kilowatt

(Lochgröße)

Stahlschrot

TuIameen-Sand

Zirkon

Rutil und
Kohlenstoff Ilmenit
Zirkon
Zirkon
Zirkon

Zirkon
Zirkon
Rutil

-JO (0,59 mm)

-150 (0,10 mm)

-200 (0,0? mm)

-30

-30 -30 -30 -30

-30 -30 -30

380 30

60

77

257 320

Stickstoff -155
Wasserstoff -98

Luft -345

Kohlen-Monoxid - 345

Kohlen-Monoxid - 345

Kohlen-Monoxid -345

296

210

218

253

Wasserstoff -900 270 Luft -345 231 Methan -458 277

258

Wasserstoff -900 276 Wasserstoff -900 319 Luft -280 270

Bei allen diesen Durchläufen wurden die Teilchen geschmolzen und wieder hart und waren im wesentlichen alle sphärische Die pro Pfund des Zufuhrmaterials erforderliche Leistung ist wesentlich geringer als bei bekannten Plasmasystemen.

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Die folgende Tabelle gibt die Betriebsbedingungen einer Vorrichtung zum B_ehandeln von 0,25 mm - Stahlschrot (-45 + 70 Siebfeinheit) (Durchgänge 1-5), Zirkon (Durchgang 6) und Rutil (Durchgang 7) an;

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Durchgang Zahl der durchmesser

Pulverin— der ruxver—

jekfcions- inoektions-

öffnunfien öffnungen

1
2

5
4-

5
6

3
3
6
i
3
3
3

6,35 mm 6,35 mm 4,77 mm 9,54 mm 9,54 mm 6,35 mm 6,35 ^mra Durchmesser Vorschubder Pulver- rate zufuhrrohre (engl-Pfd»/h)

6,35 mm
6,35 mm
4,77 mm

9.54 mm
4,77 mm
6,35 mm

6.55 mm

189

189

524

580

527

257

520

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st -

Leistung N₃ Trägergas H_o Trägergas Luft (kW) ^(SCFH) ^d (SCFH) Trägergas

226	310
228	276
258	276
296	155
3o4-	207
319	-
27o

129 900

°/o Kugeln -4-5 + 70

93,0 92,0 88,0 87,0 92,5

280

1, Die Teilcheninjektion erfolgte über den Anoden in allen Durchgängen mit Ausnahme des Durchgangs 4, bei dem sie zwischen den Anoden erfolgte.

2. "% Kugeln" wurde gemessen mit einem Cleland-Separator (Gleland Manufacturing Co., Minneapolis, Minnesota) mit einer Spiralweite von 8,9 cm (3 1/2 Zoll).

+) Ein Cleland-Separator war nicht verfügbar. Eine visuelle mikroskopische Untersuchung ergab schätzungsweise 95 % Kugeln.

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Der Anodenabbrand wird um bis zu Zweidrittel reduziert, wenn als Trägergas Wasserstoff anstelle anderer Gase wie Luft, Argon, Stickstoff oder Chlor verwendet wird. Ein Vergleich der Form des Kathodenstrahls, der sich bei der Verwendung von Luft und Wasserstoff ergibt, ist den Figo 7 und 8 zu entnehmen. Der Lichtbogen arbeitet mit Wasserstoff mit einer höheren Spannung, so daß der Strom bei gegebener Leistung kleiner ist. Ferner scheint der Wasserstoff-Kathodenstrahl einen kleineren Durchmesser zu haben als der Kathodenstrahl in Luft, ist also weiter von den glühenden Enden der Graphitanöden entfernte Die Abbrandrate der Graphitanode beträgt bei einer Betriebsleistung von 500 kW ungefähr 12 (englische) Pfund/h mit entweder Luft oder Stickstoff als Trägergas und ungefähr M- Pfund/h mit Wasserstoff.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 9 dargestellt ist, werden drei Graphitanoden verwendet, die einen Durchmesser von 3»8 cm haben und jeweils ähnliche Antriebanordnungen 54-' und elektrische Leistungsanschlußanordnungen 56' aufweisen. Die Kathode 92' ist eine Graphitstange mit einem Durchmesser von 2,5 cm. Es werden eine Antriebsanordnung 220 und eine elektrische Leiteranordnung 222 für die Kathode verwendet, die ähnlich denjenigen für die Anoden sind. Dieses Ausführungsbeispiel wurde mit einer Bogenspannung von 140 V, einem Anoden strom von 700 A und einem Kathodenstrom von 2 100 A betrieben.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wurden eine gasgeschützte Metallkathode und drei nicht-rotierende Graphit-

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anoden mit einem Außendurchmesser von 3,2 cm verwendet, bei einem Abstand der Kathode von der Ebene der Anoden von 2,5 cm. Dieses Ausführungsbeispiel wurde geprüft mit einem Rohrkalorimeter mit einem Außendurchmesser von 4,8 cm, das sich quer durch den Flammenschweif erstreckte, und zwar an einer Stelle etwa 17>8 cm unterhalb der Anoden. Hierbei wurde keine wesentliche Änderung im Wärmeeingang des Kalorimeters über einen Bereich der Strömungsrate von Ergänzungsgasströmen festgestellt, die von Null bis 5,66 NmVh (200 scfh) reichte«

Die Erfindung schafft also eine Vorrichtung, die besonders dazu geeignet ist, ein teilchenförmiges Material einer beträchtlichen Wärme und/oder einem chemischen Prozeß auszusetzen. Von besonderem Wert ist eine solche Vorrichtung auf dem Gebiet der Pyrometallurgie. Es versteht sich, daß verschiedene Änderungen und Abwandlungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele im Rahmen der Erfindung möglich sind.

Kurz zusammengefaßt, schafft die Erfindung eine Vorrichtung zur Behandlung (oder Aufbereitung) eines Materials mit mehreren ersten Elektroden mit aneinander angrenzend gegenüberliegenden Endflächen, welche einen Kanal bilden, dessen Achse zwischen den Endflächen verläuft. Die Enäfläche einer zweiten Elektrodenkonstruktion hat einen Abstand von den ersten Elektroden und ist mit der Kanalachse achsgleich ausgerichtet. Schaltungsmittel erregen die ersten und zweiten Elektroden so, daß ein elektrischer LichtbogenzusJband hoher Intensität erzeugt und koaxial mit der Kanalachse eine längliche Zone hoher Enthalpie gebildet werden. Eine Einlaßmündungseinrichtung in der Kammer führt das zu behandelnde Material in die Z_one zwischen den ersten

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und zweiten Elektrodenkonstruktionen ein für eine Strömung durch den zwischen den Stirnflächen der ersten Elektroden begrenzten Kanal und die Z_one hoher Enthalpie.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   .1. Vorrichtung zur Materialbehandlung mit einer Kammer, mehreren ersten Elektroden^ einer zweiten Elektrodenanordnung, deren Endfläche einen Abstand von den ersten Elektroden hat und einer Schaltungsanordnung, mittels welcher die ersten und zweiten Elektroden einen elektrischen Lichtbogen hoher Intensität erzeugen und eine langgestreckte Zone hoher Enthalpie gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Endflächen der ersten Elektroden (52) einander benachbart gegenüberliegen und einen Kanal bilden, dessen Achse zwischen diesen Endflächen verläuft und mit der zweiten Elektrode (92) ausgerichtet ist, daß die Zone hoher Enthalpie koaxial zu dieser Achse liegt, und daß in der Kammer (10) Einlaßöffnungen (64) zum Einführen des zu behandelnden Materials in die Zone zwischen den ersten und zweiten Elektroden vorgesehen sind, welches durch den von den Stirnflächen der ersten Elektroden und der Zone hoher Enthalpie begrenzten Kanal fließt.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Elektroden (52) als Anoden und die zweite Elektrode (92) als Kathode an die Schaltungsanordnung (208) angeschlossen sind»

   5« Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden (52) aus Kohlenstoff hergestellt sind und zu behandelndes Material enthalten.

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   4. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (208) die Anoden (52) derart speisen, daß deren Endflächen sublimiert werden,

   5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 31 daäirch gekennzeichnet, daß die Endfläche der Kathode (92) eine konische Spitze (98) aufweist, und daß eine Einrichtung (86) vorgesehen ist, welche ein Schutzgas zuführt, das über diese konische Spitze fließt.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der Kathodenspitze (98) zwischen 40 und 120° beträgt.

   7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (92) aus Kohlenstoff hergestellt ist und zu behandelndes Material enthält.

   8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (208) die Kathode (92) derart speist, daß ein raummäßig stabilder Kathodenstrahl (210) entsteht, der sich durch den durch die Endflächen der Anoden (52) begrenzten Kanal erstreckt.

   9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnungseinrichtung (64) eine Injektionsachse besitzt, welche die Kanalachse oberhalb der Ebene schneidet, die durch die Oberseiten der Endflächen der ersten Elektroden (52) gebildet wird.

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   10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsöffnungseinrichtung (64-) so angeordnet ist, daß zu behandelndes Material hieraus mit einem Injektionswinkel von 50 bis 45° gegen die Kanalachse ausgestossen. wird,

   11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnungseinrichtung mehrere Einführkanäle (6A-) enthält, die symmetrisch um die Kanalachse herum verteilt sind.

   12e Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnungseinrichtung (64) in einem Bereich zwischen einer durch die Endflächen der ersten Elektroden (52) gebildeten Ebene und einer parallelen Ebene endet, welche von der Endr fläche der zweiten Elektrodenanordnung (92) weniger weit entfernt ist als der halbe Abstand zwiscnen den Endflächen der ersten und zweiten Elektroden beträgt.

   13. vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, mittels welcher das Material in die genannte Zone mit einer positiven Geschwindigkeit eingeführt wird.

   14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zufuhrkanaleinrichtung (66) vorgesehen ist, welche Material in die Einlaßöffnungseinrichtung (64) liefert, und daß der Quer-

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   schnitt dieser Einlaßöffnungseinrichtung größer ist als derjenige der Z_ufuhrkanaleinrichtung.

   15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, mittels welcher zu behandelndes teilchenförmiges Material in einem Trägergas mitgeführt wird, welches eine Geschwindigkeit von mehr als 3 m/sec hat.

   16. Vorrichtung nach einem der voimgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Elektroden (52) eine langgestreckte Gestalt haben, und daß eine Einrichtung (Fig. 4-) vorgesehen ist, mittels welcher diese Elektroden gedreht und vorwärts bewegt werden, während Material durch den Kanal geführt wird, um Dimensionsänderungen de.s Kanals zu kompensieren.

   17· Vorrichtung zum Erzeugen einer Zone hoher Enthalpie mit einer Mehrzahl von Anoden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche die Anoden symmetrisch um eine Achse derart hält, daß ihre Endflächen aneinander angrenzen und einen zu der Achse koaxialen Kanal begrenzen, daß eine Kathode vorgesehen ist, die in einem Abstand von den Anoden derart gehalten ist, daß das Zentrum ihrer Endflächenteile mit der Kanalachse ausgerichtet ist, und daß eine Schaltungsanordnung vorgesehen ist, welche die Anoden— und Kathodenelektroden derart speist, daß ein raummässig stabiler Kathodenstrahl entsteht, der sich längs der genannten Achse durch den durch die Endflächen der Anoden gebildeten

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   Kanal erstreckt, ohne die Anoden zu berühren, sowie eine koaxial zur Kanalachse auslaufende Schweifflamme, die sich von den Anoden auf der von der Kathode entfernten Seite als Verlängerung des raummässig stabilen Kathodenstrahls wegerstreckt.

   18. Vorrichtung nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden eine langgestreckte Gestalt haben, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der diese langgestreckten Elektroden gedreht und vorwärts bewegt werden, um die Dimensionen des Kanales praktisch konstant zu halten.

   19β Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden langgestreckte Teile sind und daß die Anodenhalterungseinrichtung wenigstens zwei beabstandet e Halterungselemente enthält, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, mittels welcher die langgestreckten Anoden in Richtung zur genannten Achse vorwärts bewegbar ist, um die Dimensionen des Kanales praktisch konstant zu halten.

   20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb der Vorwärtsbewegungseinrichtung eine Gasdichtungskonstruktion (152) montiert ist, die zwei beabstandete Wischerglieder (154) enthält, die Wände einer ringförmigen Zone um einen Teil der Länge jeder langgestreckten Elektrode begrenzen, und daß eine Einrichtung zum Zuführen von Gas zu dieser Ringzone vorgesehen ist.

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   21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung die Anoden so speisen, daß die Endflächen sublimieren,

   22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche der Kathode eine konische Spitze besitzt, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, mittels welcher ein Schutzgas zuführbar ist, das um die konische Spitze fließt»

   25. Verfahren zum Ändern der körperlichen Gestalt eines teilchenförmigen Materials, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Lichtbogen zwischen wenigstens zwei beabstandeten Elektroden gebildet wird, deren Enden einander gegenüberliegen und einen Kanal bilden, daß der Lichtbogen mit einer Stromdichte aufrechterhalten wird, die ausreicht, um eine raummässig stabile langgestreckte Zone hoher Enthalpie zu erzeugen, daß das teilchenförmige Material derart eingeführt wird, daß es sich zwischen den Elektroden und längs der Achse der langgestreckten Zone hoher Enthalpie bewegt, um das Material zu schmelzen, daß man das geschmolzene Material sich in partikeiförmiger Gestalt verfestigen läßt, nachdem es die Z_one hoher Enthalpie verlassen hat, und daß die verfestigten Teilchen gesammelt werden.

   24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die beabstandeten Elektroden aus Kohlenstoff hergestellt werden, in dem das Material enthalten ist, und daß der elektrische Lichtbogen mit einer Stromdichte aufrechter-

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   halten wird, die so groß ist, daß der Kohlenstoff an den einander gegenüberliegenden Enden sublimiert.

   25β Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß an den Elektroden eine Stromdichte aufrechterhalten wird, die zur Erzeugung eines Lichtbogens hoher Intensität ausreicht.

   26β Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25» dadurch gekennzeichnet, daß das teilchenförmige Material in ein Trägergas eingeführt und ihm dadurch eine positive Geschwindigkeit für den Durchlauf zwischen den Elektroden erteilt wird.

   27· Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß das teilchenförmige Material eine Siebfeinheit von -16 (0,99 nun Lochgröße) besitzt.

   28. Verfahren nach Anspruch 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß man das geschmolzene Material durch eine Kühlatmosphäre frei fallen läßt, um die Teilchen zu einer kugeligen Gestalt zu verfestigen,,

   29. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Lichtbogen zwischen einer Mehrzahl von Anoden, die derart angeordnet werden, daß ihre Jeweiligen Endflächen einen Kanal bilden, dessen Achse zwischen den Endflächen verläuft und einer Kathode aufrechterhalten wird, deren Endflächenzentrum einen Abstand von den ersten Elektroden hat und

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   mit der Kanalachse ausgerichtet ist, und daß der Lichtbogen mit einer Stromdichte aufrechterhalten wird, die so groß ist, daß ein sich durch den Kanal erstreckender, raummässig stabiler Kathodenstrahl sowie ein
   Flammenschweif, der sich längs der Achse von dem Kathodenstrahl weg als dessen Fortsetzung erstreckt, erzeugt werden.

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