DE2056018B2

DE2056018B2 - Ofen zur Behandlung eines teilchenförmigen Materials in einem Gleichstrom-Lichtbogenplasma

Info

Publication number: DE2056018B2
Application number: DE19702056018
Authority: DE
Inventors: Lawrence Whidden Concord Scammon Jun.; Merle Lee Hopkington Thorpe
Original assignee: Humphreys Corp Bow Nh(vsta)
Current assignee: Humphreys Corp Bow Nh(vsta)
Priority date: 1969-11-14
Filing date: 1970-11-13
Publication date: 1973-09-13
Also published as: GB1317918A; JPS5030591B1; FR2069405A5; DE2056018A1; GB1317919A

Description

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Die Erfindung betrifft einen Ofen zur Behandlung eines teilchenförmigen Materials in einem Gleichstrom-Lichtbogenplasma, mit einer Behandlungskammcr. die eine mittige Kathode und eine in axialem Abstand von dieser angeordneten, die Achse der Kathode umgebenden Anordenanordnung enthält. ferner mit einer an die Kathode sowie die Anodenanordnung angeschlossene Gleichstromversorgung und einer in der Kammer mündenden Zuführungsvorrichtung zum Einführen des teilchenförmigen Materials in das sich von der Kathode aus längs der Achse durch die Anordenanordnung erstreckende Lichtbogenplasma.

Es ist häufig erforderlich, ein Material einer Wärmeumgebung hoher Enthalpie auszusetzen, beispielsweise um eine pyrometallurgische oder chemische Reaktion hervorzurufen. Zu diesem Zweck sind bereits verschiedene Vorrichtungen bekannt, die allgemein chargenweise arbeiten. Es hat sich als schwierig erwiesen, in die durch einen elektrischen Lichtbogen erzeugte Würmeumgebung hoher Enthalpie ein Teilchenniatcrial wie Erze. Konzentrate und Rückstände, die ein Metall enthalten, oder flüssige Rcaktionstcilnehmer in einer solchen Meime einzuführen, daß sich der gewünschte Nutzen ergibt, ohne daß der Lichtbogen Gelöscht oder der Spalte zwischen den Elektroden verstopft wird. Außerdem war die Aufenthaltszeit der Reaktionsteilnehmerstoffe in der Lichtbocenzon-j der meisten bekannten Vorrichtung zu kurz für "brauchbare Ergebnisse. Diese Schwierigkeiten sind teilweise bei einer aus der USA -Patentschrift

2 617 761 bekannten, mit Graphitelektroden arbeitende Vorrichtung behoben, in welcher das zu behandelnde Erz ein Bestandteil der Elektroden ist und allmählich während des Abbrandes der Elektroden in die LichtbouenzonJ eingeführt wird.

Aus der "deutschen Offenlegungsschrift 1014 212 ist ein elektrischer Lichtbogenofen mit einem Tiegel zum Niederschmelzen von Metall bekannt, bei dem das zu schmelzende Material durch eine hohle Elektrode zusei'ührt wird, die in den Tiegel eintaucht und gesen das in diesem befindliche Metall einen Lichtbogen erzeugt.

Aus der USA.-Patentschrift 3 290 723 ist eine Vorrichtung zur Behandlung eines teilchenförmigen Materials )n einem Gleichstrom-Lichtbogenplasma bekannt, die eine Behandlungskammer mit einer mittigen Kathode und eine in axialem Abstand von dieser angeordneten, die Kathodenachse umgebende Anodenanordnung enthält. Beide Elektroden sind ringförmia ausgebildet. In die Behandlungskammer und das sich von der Kathode aus längs der Achse durch die Anodenanordnung erstreckende Lichtbogenplasma wird das teilchenförmige Material axial durc¹; die obere Elektrode eingeführt.

Aus der USA.-Patentschrift 3 198 810 ist eine Vorrichtung zur Herstellung kugelförmiger Teilchen in einem Entladungsraum bekannt, bei der stabförmige Elektroden radial zur Achse des Entladungsraumes hin vorspringen. D^:;se Elektroden werden mit Drehstrom gespeist, so daß sich zwischen ihnen eine rotierende Entladung bildet, in die das zu behandelnde Gut von oben durch ein axiales Einführungsrohr eingeführt wird.

Aus den USA.-Patentschriften 3 051639,

3 390 980 und 3 332 870 sind Vorrichtungen zur Materialbehandlung in einem Lichtbogen bekannt, der zwischen einer stabförmigen Kathode und einer ringförmigen oder rohrförmigen Anode erzeugt wird. Das zu behandelnde Material wird in den aus der Anode austretenden Strahl radial eingeführt.

Aufgabe der Erfindung ist. einen Ofen zu~ Hochtemperaturbehandlung von Gasen, Flüssigsten und festen Stoffen anzugeben, in der das Material kontinuierlich in ausreichender Menge zuführbar ist, ohne daß eine Verstopfungsgefahr besteht, und in der das Material gleichmäßiger und mit besserem Wirkungsgrad behandelt wird als bei den bekannten Vorrichtungen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß bei einem Ofen der eingangs genannten Art mehrere mit ihren Enden in einer Ebene angeordnete Anoden, deren Endflächen dem Plasma zugewandt sind, und eine Materialzufuhr durch Kanäle, die oberhalb der Anoden unter spitzem Winkel auf die Plasmalängsachse gerichtet sind.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß sich ein stabiler Kathodenstrahl durch den von den Endflächen der Anoden gebildeten Kanal erstreckt und eine stabile Entladung ilen gesamten Behandliingsbercich gleichmäßig ausfüllt. Ein wesentlicher Vorteil besteht auch darin, daß die Matcrialbehandlun» etwa zur Er-

.nhärischer Partikeln kontinuierlich mit ge-Aufwand und entsprechend wirtschaftlich

rMr in Der Ofen arbeitet mit aiitem Wir-.bar ι t ; _{fülme Materia! ver}.

Hauptabschnitt 16 und ein
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'''^--.Mchende Kohlestanee ist. Andere Katho- düngen 32 zirkuliert ;" π mtn V.nnen eini ringförmige (hohle) Der "™£

n,.-ι-·. Gruppe von Einzelelektroden 15 Gehäuse

ΐί N i lkfder Endfläche (oder der fläche dct

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^ Plansch 42.

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bilden die Achsen der Einführka- gegen

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achse, vor^u^s«V-I-Ti- .^.. „. . .

kanalachse oberhalb der Anodenebene.

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 z. B. bei der Pyrometallurgie, als auch zum Ändern der körperlichen Gestalt der Teilchen, wie es z. B. zum Formen von Kugclkörpern oder Körnern Dichtungsring 62 abge_{r Q{ hse}

mit je TfäÄ

66 verbunden. Bu derτ _{cr aus} Teilchenmatenal hat e,

^ ^jJZ_{cr aus} Teilchenmatenal hat e, ^,^ gespeist. _{Vcrlcileranordnun}g, die

5-5.

F i g. 6 eine graphische Darstellung, die Betriebsbedingungen ir. der Feuerungseinrichtung angibt.

1" i g. 7 und 8 schcmatische Darstellungen zur Erläuierung verschiedener Betriebsweisen des Ofens.

Die in Fi υ. 1 dargestellte Vorrichtung enthält eine 1 k'.'.iptkammer 10. die eine aus korrosionsbeständigein Werkstoff wie .-/jclstalil hergestellte Innenwand und eine beabstandete Außenwand aus Ehißsu.hl aufweist. Die Kammer umfaßt: eine ivwölbte Oberwand 12. die eine zentrale Öffnung besitzt, in der ein 14 montiert ist: einen zylindrischen

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65

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aus Kupfer und eine koniM.n<_ ·..

bis zu einem flachen Ende 100 verläuft. Ein innerhalb de; Kathodenanordnung 92 gelagertes Rohr 102 liefert Kühlwasser, das durch das Rohr 102 hinunter fließt und nach oben durch den umgebenden Ring zurückkehrt, der /wischen dem Rohr 102 und der Kathodenanordnung 92 gebildet ist.

Einzelheiten der Anodenanordnung sind in den F i g. 4 und 5 gezeigt. Die Graphiumode 52 ist mittels zwei Rollen 124. 122 in der Elektrodenantriebsanordniiiig 54 und einer EinsatzlagerbüehSL" 120 aus

Tcllurkupfcr in der elektrischen Verbindungsanord- Schweifflamme 212 umfaßt, die von den Anoden 52 nung 56 gelagert. Die Büchse 120 wird von einer nach unten in den konischen Abschnitt 22 des Tanks Tellurkupferscheibe 126 getragen und mit Isolator- oder der Kammer 10 reicht. Eine typische Lichtboscheiben 128 aus Epoxydglas zwischen den gcnspannung beträgt in Luftumgebung 100 V und in Flansch 130 des wassergekühlten Gehäuses 40 des 5 einer Wasserstoffumgebung 170 V (im letztgenannten Plasmabrenners und den Flansch 132 des wasserge- Fall beträgt die Leerlaufspannung der Lcistungskühlten Abstandhalterzylinders 134 geklemmt. quelle 320 V). Eine typische Temperatur des Katho-Durch die Scheibe 126 verlaufen zwei Kanäle, die denstrahls 210 ist etwa 1 1 000^c C. F i g. 6 zeigt in durch einen Kanal in einem Block 136 verbunden einer graphischen Darstellung die Gastemperaturen sind, so daß ein Strömungsweg für Kühlwasser durch io in der Schweifflammc 212 im Ofen, wenn sie mit die Kupferscheibe gebildet ist. Die Anodenelektrode Leistungen von 210 kW und 300 kW arbeitet. Diese 52 wird durch einen Graphitfühler 140 in Eingriff Temperaturen wurden unterhalb der Graphitanoden mit der Büchse 120 gedrückt. Am Fühler 140 ist ein 52 mit einem Thermoelement gemessen. Wie in Folgeglied 142 befestigt, das wiederum durch eine Fig. 6 angegeben ist, beträgt bei einer Leistung von Anordnung beaufschlagt wird, welche eine Feder 15 210 kW die Gastemperatur angrenzend an die Wände 144, einen Block 146 und eine Klemmplatte 148 um- der Kammer 10 etwa 400^r C und steigt bis auf minfaßt. Die Klemmplatte ist mittels Schrauben 150 an destens 137O⁼C in der Mitte der Schweifflamme den Isolatorschciben 128 befestigt. 212. Bei einer Leistung von 300 kW beträgt die Tem-

Die Anordenantriebsaoordnung 54 ist zwischen peratur an der Kammerwand etwa 480° C und steigt einen Flansch 160 des Abstandhalterzylindcrs 134 20 bis auf mindestens 1650⁰C am Zentrum des Flam- und einen Flansch 162 eines Dichtungstragzylinders menschwcifes.

164 eingespannt. Isolatorscheiben 166 aus Epoxyd- Bei einer typischen Betriebsweise wird die Kamglas befinden sich auf jeder Seite der Antriebsanord- mer 10 zunächst von sämtlichem Material eines vornung, welche eine Basiskonstruktion 170 aufweist, hergegangenen Durchganges gereinigt. Alle Pulverdie drei Wellen 172. 174 und 176 lagert. Spannstifte .3 zufuhreinrichtungen (mit jedem Kanal 64 ist eine von 180 halten die Bestandteile der Wellenlageranord- ihnen gekoppelt) werden mit einer gleichen Menge nung zusammen. Auf der Welle 172 sitzt ein Schnek- von teilchenförmigen! Zufuhrmaterial beschickt. Das kenrad 182. das im Eingriff mit einer Schnecke 184 Elektrodensystem wird eingeschaltet, und man läßt steht, die über eine Welle 186 und ein Unterset- es arbeiten, bis sich eine vernachlässiebare Mence an zungsgetriebe 188 mittels eines Antriebsmotors 190. 30 Sauerstoff in der Kammer 10 befindet. Die Trägcrder auf einem Bügel 192 montiert ist, angetrieben gasströmungen werden auf die gewünschten Werte wird. An dem zum Zahnrad 182 entgegengesetzten justiert, und die Pulverzufuhreinrichtungen werden Ende der Welle 172 ist ein Kettenrad 194 montiert. bei voreingestellten Zufuhrraten eingeschaltet. Der Ähnliche Kettenräder 196, 198 sitzen an enlspre- Kathodenstrahl 210 nimmt die Teilchen mit und chenden Stellen auf den Wellen 174 und 176. Um 35 schwemmt sie nach unten durch den Kanal, der diese drei Kettenräder ist eine Kette 200 gelegt, die durch die glühenden sublimierenden Enflächen der durch ein Vorspannungskettenrad 202 und eine Fe- Anoden 52 begrenzt wird und längs der Zone hoher der 204 unter Spannung gehalten wird. Auf den WeI- Enthalpie der Schweifflamme 212. Eine Charge ist len 174 und 176 sind die Tragrollen 122 bzw. 124 beendet, wenn eine der Pulverzufuhreinrichtungen leer montiert. Eine Zahnrolle 206 ist auf der Welle 172 40 geworden ist. Mit dieser Vorrichtung wurden die vermontiert. Die Achse der Rolle 206 liegt schräg mit schiedensten teilchenförmigen Materialien behandelt, einem Winkel von I¹/.,'. so daß bei Drehung der Bei allen diesen Chargen wurden die Teilchen geWelle 172 durch den Motor 190 die stangenförmige schmolzen und wieder hart und waren im wesentli-Anode 52 langsam vorwärts bewegt und zugleich chen alle kugelförmig. Die pro Gewichtseinheit des kontinuierlich gedreht wird. Außerhalb der Antriebs- 45 zugeführten Materials erforderliche Leistung ist \veanordnung ist vorzugsweise eine Gasabdichtung 152 sentlich geringer als bei bekannten Plasmasystemen,
vorgesehen. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, enthält die Der Anodenabbrand wird um uis zu Zweidrittel

Gasabdichtung 152 zwei ringförmige flexible Wi- reduziert, wenn als Trägergas Wasserstoff an Stelle scher 154, die eine Ringkammer 156 bilden, in die anderer Gase wie Luft, Argon, Stickstoff oder Chloi durch einen Kanal 158 ein Dichtungsgas, wie Stick- 50 verwendet wird. Ein Vergleich der Form des Kathostoff, eingeführt wird. denstrahls, der sich bei der Verwendung von Lufi

Bei einem typischen Betrieb in Luftumgebung legt und Wasserstoff ergibt, ist den F i g. 7 und 8 zu enteine Haupt-Gleichstrom-Leistungsquelle 208 eine nehmen. Der Lichtbogen arbeitet mit Wasserstoff mil Leerlaufspannung von 160 V zwischen die Kathode einer höheren Spannung, so daß der Strom bei gege- ?2 und die Anoden 52 an. Eine Start-Leistungs- 55 bener Leistung kleiner ist. Ferner scheint der Wasquelle, die eine Leerlauf-Hilfsspannung von 300 V serstoff-Kathodenstrahl einen kleineren Durchmessei liefert, ist zwischen die Kathode 92 und die Hülse 82 zu haben als der Kathodenstrahl in Luft, ist also weigeschaltet. Ein Lichtbogen wird mit einer Startein- ter von den glühenden Enden der Graphitanoder richtung vom Schweißtyp im konischen Raum zwi- entfernt. Die Äbbrandrate der Graphitanode betrag! sehen der Kathodenspitze 100 und dem umgebenden 60 bei einer Betriebsleistung von 300 kW unsefähi Düseneinsatzteil 72 gezündet. Durch den Ringkanal 5,4 kg h mit entweder Luft oder Stickstoff al<T Trä- 84 und die Mündungen 86 eingeführtes Argon- gergas und ungefähr 1.8 kg h mit Wasserstoff.
Schutzgas bläst den Lichtbogen von der Spitze 100 Die Erfindung schafft also eine Vr» richtung, dk

der Kathode nach unten, wo er gegen die Anode 52 besonders dazu geeignet ist. ein teilchenRirmiaes Mastößt. Die Hilfsspannung wird dann abgeschaltet, und 65 teria¹ einer beträchtlichen Wärme und oder einen der von der Hauptleistungsquelle 208 gelieferte chemischen Prozeß auszusetzen. Von besonderer! Strom wird erhöht, bis sich eine Lichtbogenumge- Wert ist eine solche Vorrichtung auf dem Gebiet dei birne bildet, die einen Kathodenstrahl 210 sowie eine Pyrometallurgie.

_{Dic (}„_l?c,dc Tab., tung an:

Ar.cn von

und die Betriebsbedingungen der Vorrich-

Material

Siehfeinheit der Eingangsteilchen

(Lochgröße)

Vorschubrate (kg/h)

Trägergas

(NmVh)

Bogen-

leistung

(Kilowatt)

Stahlschrot

Tulameen-Sand

Zirkon

Rutil und Kohlenstoff

Ilmenit

Zirkon

Rutil

0,6 mm

0,1 mm 0,07 mm 0,6 mm 0,6 mm 0,6 mm 0,6 mm 0,6 mm U,6 mm 0,6 mm 0,6 mm

14 20 20 27 44 38 27 35 117 145

Stickstoff 4,4

Wasserstoff 2,8

Luft 9,8

Kohlenmonoxid 9,8 Kohlenmonoxyd 9,8 Wasserstoff 25,5 Luft 9,8

Methan

Kohlenmonoxid 9,8 Wasserstoff 25,5 Wasserstoff 25,5 Luft 7,9

296

210 218 253 270 231 277 258 276 319 270

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309 537/42C

Claims

Patentansprüche:

1. Ofen zur Behandlung eines teilchenförmiffn Materials in einem Gleichstrom-Licrübosenplasma, mit einer Behandlungskammer, die eine mittige Kathode und eine in axialem Abstand von dieser angeordnete, die Achse der Kathode umgebende Anodenanordnung enthält, ferner mit einer an die Kathode sowie die Anodenunordnung angeschlossene Gleichstromversorgung und einer in der Kammer mündenden Zuführunssvorrichtung zum Einführen des teilchenförmigen Materials in das sich von der Kathode aus längs der Achse durch ui,- An^denanordnung erstrekkende Lichtbogenplasma. gekennzeichnet durch mehrere mit ihren Enden in einer Ebene angeord.i .^jie Anoden (52). deren Endflächen dem Plasma zugewandt sind, und eine Materialzufuhr durch Kanäle (64). die oberhalb der Anoden (52) unter spitzem Winkel auf die Plasmalängsachse gerichtet sind.

2. Ofen nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Mündangsachse der Kanäle (64) einen Winkel zwischen 30 und 45° mit der Kathodenachse bildet.

3. Ofen nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß mehrere getrennte Einführkanäle (64) konzentrisch um die Kathodenachse verteilt sind.

4. Ofen nach eir.;m der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzc jhnet. daß den Anoden (52) eine zur Sublimierung ihrer Endflächen ausreichende Energie zugeführt ist.

5. Ofen nach einem der vorangehenden Ansprüche. dadurch gekennzeichnet, daß eine Antriebseinrichtung vorgesehen ist. weiche die Anoden (52) dreht und vorwärts bewegt.