DE2525400A1

DE2525400A1 - Heizvorrichtung mit einer kathodischen plasmaerzeugungseinrichtung

Info

Publication number: DE2525400A1
Application number: DE19752525400
Authority: DE
Inventors: Ian Geroge Sayce
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1974-06-07
Filing date: 1975-06-06
Publication date: 1975-12-18
Also published as: JPS5754918B2; GB1493394A; FR2274197A1; AU8164875A; CA1038937A; FR2274197B1; ZA753466B; JPS5118342A; US3989512A

Description

MÜLLER-BOR* · CROENINQ · DEUrEL · SCHÖN · HERTEL

PATE NTANWÄLTE MÜNCHEN - BRAUNSCHWEIG - KÖLN 2 5 2 5 A O

DW- W. MULLER-BORt ■ BRA ¹N^C M WE IQ H.W G^CtNiNG OH³L -IMG MJNCMEN DR P DEUTE i_. IJlf'i C'-r M MÜNCHEN

DH A 5CHÖN. O'PL-ChtM M-¹NCHEtJ WERNER HERTEL. DIPL-PHY5. KÖLN

D/S/Gl - N 1210

NATIONAL RESEARCH DEVELOPMENT CORPORATION, London,

England

Heizvorrichtung mit einer kathodischen Plasmaerzeugungseinrichtung

Die Erfindung betrifft die Wärmebehandlung von in Form von Einzelteilchen vorliegenden Materialien.

Viele chemische und physikalische Umwandlungen erfordern das Erhitzen eines in Form von Einzel teilchen vorliegenden Materials auf eine hohe Temperatur. Derartige Umwandlungen sind beispielsweise ein Zusammenschmelzen von Teilchen (Kugelbildung) , die Herstellung von zusammengesetzten feuerfesten Materialien oder Gläsern, die Zersetzung von Metallerzen, die Verdampfung von feuerfesten Materialien oder die Reduktion von metallischen Verbindungen. Die Produkte derartiger Umwandlungen sind oft in Form von Einzelteilchen erforderlich. Dies kann dadurch erreicht werden, dass einzelne Teilchen eines Ausgangsmaterials einer Wärmebehandlung unterzogen werden.

Für einige Zwecke kann das Ausgangsmaterial in entsprechender Weise mit einer chemischen Flamme, die von einem Ofen umschlos-

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MO.VCHKN 80 · SIEBEItTSTH.4 · POB 860720 · KABEL: HUIBOI¹AT · TEL·. <089) 471079 · TELEX: 3-22639

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sen wird, behandelt werden, während für andere Zwecke, für die höhere Temperaturen erforderlich sind, die Wärme elektrisch durch einen Bogen zwischen Kohleelektroden erzeugt werden kann. Dabei erfolgt gewöhnlich eine unerwünschte Erosion der Kohle, was in bestimmten Fällen eine Verschmutzung des Produktes mit Kohle bedingt.

Es wird nunmehr eine Heizvorrichtung zur Verfügung gestellt, welche eine Zone mit einer hohen Enthalpie in einem Ofen für eine Umwandlung von in Form von Einzelteilchen vorliegenden Materialien zu bilden vermag, wobei eine merkliche Elektrodenerosion und eine Verschmutzung des Produktes vermieden werden.

Erfindungsgemäss wird eine Heizvorrichtung geschaffen, die aus einer kathodischen Plasmaerzeugungseinrichtung zur Erzeugung einer Plasmasäule, einer Vielzahl von anodischen Plasmabrennern, deren Auslässe symmetrisch um die Säulenachse angeordnet sind, und einer Schaltung zur Energieversorgung der genannten Erzeugungseinrichtung und der Brenner besteht, wobei die Vorrichtung derart ausgelegt ist, dass während ihres Betriebs ein Strom gleichzeitig zwischen der Erzeugungseinrichtung und einem jeden der Brenner durch die Säule sowie Plasmastrahlen aus den Auslässen, die in die Säule münden, fliesst.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Wärmebehandlung von in Form von Einzelteilchen vorliegendem Material.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Durchführung einer chemischen oder physikalischen Modifizierung eines in Form von Einzelteilchen vorliegenden Materials besteht darin, dass das Material in einer Zone hoher Enthalpie aus einer Plasmasäule erhitzt wird, durch welche ein Strom von einer kathodischen Plasmaerzeugungseinrichtung gleichzeitig zu jeweils einer Viel-

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zahl von anodischen Plasmabrennern fliesst, deren Auslässe symmetrisch um die Säulenachse angeordnet sind, wobei die Zone auch den Abschnitt des Zusammenfliessens der Säule mit den Plasmastrahlen aus den Brennern umfasst.

Die kathodische Plasmaerzeugungseinrichtung kann durch eine einzige Elektrode gebildet werden, die mit einem Gasauslass versehen ist, beispielsweise durch einen Plasmabrenner, es kann sich auch um eine gasabgeschirmte, sich nicht verbrauchende Elektrode handeln, wobei sich der Auslass an der Achse der Plasmasäule befindet. Wahlweise kann eine Vielzal derartiger Elektroden verwendet werden, wobei die Elektroden derartig angeordnet sind, dass Plasmastrahlen erzeugt werden, die in die Säule einmünden. In diesem Falle sind die Auslässe der Elektroden im allgemeinen symmetrisch um die Achse der Plasmasäule angeordnet, die durch die Strahlen erzeugt wird.

Es ist im allgemeinen vorzuziehen, wenn das in der Zone hoher Enthalpie zu behandelnde in Form von Einzelteilchen vorliegende Material in die Plasmasäule an ihrer Ursprungsstelle oder in der Nähe dieser Stelle eingeleitet wird. Wird die Säule unter Verwendung einer einzigen Kathode erzeugt, dann wird das Material in zweckmässiger Weise mittels einer Düse zugeführt, die sich in der Nähe der Elektrodenspitze befindet, wobei diese Düse vorzugsweise ringförmig ist und die Spitze umgibt. Das Material wird im allgemeinen zunächst der Düse und dann der Plasmasäule in einem Trägergas zugeführt. Wird eine Vielzahl von kathodischen Elektroden verwendet, dann ist es jedoch zweckmässig, das Material der Säule an der Stelle des Zusammenfliessens der Plasmastrahlen, welche die Säule bilden, zuzuführen.

Wenn auch die Auslässe der anodischen Plasmabrenner derartig angeordnet sein können, dass die Plasmastrahlen aus ihnen in

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einer Richtung austreten, die senkrecht zu der Säulenachse steht, so i_st es dennoch im allgemeinen vorzuziehen, dass die Achsen der zuletzt genannten Strahlen eher einen flachen Winkel zu der Säulenachse bilden, so dass die Strahlen eine Bewegungskomponente in dem gleichen Sinne wie das Plasma in der Säule aufweisen, so dass das Einmünden glatt erfolgt. Wenn auch die Abweichung von der senkrechten Anordnung bis zu 45° betragen kann, so liegt sie vorzugsweise zwischen 10 und 20°.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine einfache Einstellung der Geometrie der Vorrichtung ohne weiteres möglich ist, und zwar auch während des Betriebs, falls dies erforderlich ist. Ein anderer Vorteil ist darin zu sehen, dass durch Einsatz von Plasmabrennern diese Komponenten der Vorrichtung bis zu einem gewissen Abstand von der Zone hoher Enthalpie abgezogen werden können, so dass ein Kontakt heisser Teilchen mit derartigen Elementen vermieden werden kann. Ein derartiger Kontakt ist natürlich nachteilig sowohl im Hinblick auf die Baumaterialien der Vorrichtung als auch auf die gewünschte Reaktion und die Reaktionsprodukte.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform sieht die Erfindung eine einzige Kathode vor, aus welcher ein Bogen auf drei oder mehrere anodische "Plasmaelektroden" gerichtet wird. Es ist darauf hinzuweisen, dass unter dem Begriff "Plasmaelektrode" eine Elektrode verstanden werden soll, die aus einem leitenden Gasstrom (Plasmastrahl) besteht, der aus einem Plasmabrenner austritt. Bei einer Verwendung als Plasmaelektrode kann dieser leitende Strom dazu veranlasst werden, Strom zu dem Plasmabrenner oder von diesem weg zu führen (wie im Falle eines Plasmaschneidens und -schweissens), so dass die Plasmaelektrode eine sich kontinuierlich erneuernde Gaselektrode darstellt. Ihre Verwendung als Anode gemäss vorliegender Erfindung ermöglicht das Ab-

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ziehen der metallischen Komponenten von den heissen und korrosiven Bedingungen der Hauptbehandlungszone und gewährleistet, dass die Hauptmenge der zu behandelnden Teilchen durch die Reaktionszone läuft, ohne dass dabei derartige Komponenten kontaktiert werden.

Am Anfang innerhalb der Plasmabrenner erzeugte Führungsbögen (pilot arcs), welche es ermöglichen, dass die Plasmastrahlen in der Weise herausgeführt werden, dass sie in die Plasmasäule münden und die Zone hoher Enthalpie bilden, werden während der Behandlung des in Form von Einzelteilchen vorliegenden Materials aufrecht erhalten, um die Gefahr einer Plasmaausdehnung auf einem Minimum zu halten. Die Wurzeln dieser inneren Führungsbögen des übertragenen Hauptbogens befinden sich innerhalb des Brenners an einer Stelle, die mit Inertgas gespült wird.

Die Betrxebscharakteristika der Vorrichtung lassen sich auf verschiedene Weise einstellen. Die Grosse, Form sowie die elektrischen Eigenschaften des Plasmas lassen sich durch eine Bewegung der Elektroden nach der Initiierung des Bogens einstellen. Die Art und das Fliessen des Gases zu den Plasmaanoden sowie des Abschirmgases, das um die Kathode oder um die Kathoden herum eingeführt wird, lassen sich ebenfalls einstellen. Das verwendete Gas ist normalerweise ein Gas, welches nicht das heisse Metall an der Stelle der Bogenwurzeln angreift. Argon oder Stickstoff werden bevorzugt. Das Gas oder die Gase, die in das System an irgendeiner Stelle eingeführt werden, umfassen auch das Gas, welches dazu verwendet wird, das in Form von Einzelteilchen vorliegende Beschickungsmaterial in das Plasma einzuführen. Diese Gase können erheblich variieren, man kann auch Gase verwenden, die gegenüber heissen Metallen korrosiv sind. Das Gas, welches den grösseren Teil der Hauptplasmasäule bildet,

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kann oxydierend oder reduzierend sein oder Halogen etc. enthalten, durch die Verwendung der Plasmaelektroden wird jedoch eine Korrosion der Metallkomponenten der Vorrichtung im wesentlichen vermieden. Auf diese Weise können die Teilchen des Beschickungsmaterials bei hohen Temperaturen mit den Plasma-erhitzten Gasen reagieren und aus der Plasmazone als diskrete Teilchen austreten, die abgekühlt und gesammelt oder nach üblichen Methoden weiterverarbeitet werden.

Ein vorteilhaftes Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Wärmebehandlung gleichmässig erfolgt, so dass ein Teilchenstrom erzeugt werden kann. Durch die Tatsache, dass es gewährleistet ist, dass die Teilchen gleichmässig in den Plasmastrom eingeführt werden, und dass die Teilchen dann durch die kontinuierliche Bogensäule wandern, welche durch den Gleichstrombogen geschaffen wird, ist es möglich, die Hauptmenge der Teilchen einer etwa gleichmässigen Wärmebehandlung zu unterziehen. Eine derartige Gleichförmigkeit lässt sich nicht beim Einsatz von üblichen Gleichstrombogenerhitzern oder Erhitzern erzielen,die Wechselstrombögen verwenden.

Beispiele für Anwendungszwecke der erfindungsgemässen Vorrichtung sind Schmelzvorgänge, Verdampfungsvorgänge oder Teilverdampfungsvorgänge, Zersetzungsvorgänge, Oxydationsvorgänge und Reduktionsvorgänge.

Wird Siliciumdioxyd der Vorrichtung in Form beispielsweise eines zerstossenen kristallinen Quarzpulvers zugeführt, dann können die Teilchen aus feuerfestem Oxyd einzeln geschmolzen werden, so dass sie beim Abkühlen ein freifliessendes kugelförmiges Pulver bilden, das im wesentlichen aus geschmolzenem Siliciumdioxyd besteht. In diesem Falle ist es zweckmässig, Stickstoff als Kathodenabschirmgas, Argon als Plasmaanodengas und Luft als Teil-

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chenträgergas zu verwenden. Das Vorliegen von Sauerstoff in dem Hauptplasma dient dazu, eine Verdampfung der heissen SiIiciumdioxydteilchen zu unterdrücken.

In anderen Fällen kann es zweckmässig sein, eine Verdampfung durchzuführen, beispielsweise um Produkte aus kleinen Teilchen zu erzeugen, oder eine Teilverdampfung durchzuführen, beispielsweise bei der Wiedergewinnung von wertvollen Metallen aus Schlacken oder aus einem Konzentrat geringer Qualität. Beispiele für Metalle, die auf diese Weise wiedergewonnen werden können, sind Zinn, Blei und Zink. Beispielsweise kann ein Zinnkonzentrat geringer Qualität als feiner Teilchenstrom in einem Trägergasstrom der Plasmasäule zugeführt werden. Zur Erhöhung der Flüchtigkeit des Zinns, das hauptsächlich als Zinn(II)-oxyd und (SnO) -Polymerspezies vorliegt, wird ein leicht reduzierendes Plasma verwendet, beispielsweise durch Zugabe von Wasserstoff oder eines Kohlenwasserstoffgases zu dem System in der entsprechenden Stöchiometrie. Die einzelnen Teilchen des Zinnkonzentrats werden leicht auf eine Temperatur zwischen 1600 und 2000⁰C gebracht, wenn eine schnelle Verdampfung des wertvollen Metalls erfolgt. Die verbrauchten Schlacketröpfchen können abgekühlt und gesammelt werden, während der Dampf zur Gewinnung eines Zinn(IV)-oxyddampfes oxydiert wird, der frei von SiIiciumdioxyd oder Eisen als Hauptverunreinigungen ist, die in dem ursprünglichen Beschickungsmaterial vorliegen. Die Verwendung eines Überschusses an Reduktionsmittel oder die Anwendung einer übermässig hohen Temperatur ist bei der Durchführung dieses Verfahrens nicht nur weniger wirksam, sondern hat auch eine Verschmutzung des dampfförmigen Produktes zur Folge. Bei hohen Temperaturen oder in einer stark .,reduzierenden Umgebung können Siliciumspezies verdampft werden (hauptsächlich als SiO und (SiO) -Polymerspezies) , so dass ein Produkt erhalten wird, das viel Siliciumdioxyd enthält.

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Ein Beispiel für eine Zersetzung unter Verwendung der Vorrichtung ist die Behandlung von Molybdäniterz. Dieses Erz besteht aus Molybdändisulfid. Wird es auf Temperaturen von mehr als ungefähr 2000⁰C erhitzt, dann tritt Schwefeldampf aus den geschmolzenen Tröpfchen aus, wobei metallisches Molybdän (fest oder flüssig) gebildet wird. Dieses Verfahren kann unter Einsatz der erfxndungsgemässen Vorrichtung durchgeführt werden, wobei es vorzuziehen ist, eine Argonatmosphäre in der Vorrichtung einzusetzen.

Zahlreiche andere Beispiele für Zersetzungen unter Einsatz der erfindungsgemässen Vorrichtung können genannt werden. Viele dieser Zersetzungen lassen sich auf metallurgische Extraktionsmethoden anwenden. So kann beispielsweise Beryllerz zur Gewinnung von Teilchen eines Berylliumaluminiumsilikatglases behandelt werden, aus welchem Beryllium anschliessend ausgelaugt werden kann. Zirkonteilchen können zur Gewinnung eines Produktes in Form von Einzelteilchen behandelt werden, aus denen das Siliciumdioxyd ausgelaugt werden kann, so dass Teilchen aus im wesentlichem reinen Zirkonoxyd zurückbleiben. Ferner können Chalcopyrit-enthaltende Erze zur Gewinnung eines in Form von Einzelteilchen vorliegenden Produktes behandelt werden, aus dem das Kupfer leichter als aus dem nicht-behandelten Erz ausgelaugt werden kann.

Ein Beispiel für eine erfindungsgemäss durchführbare Oxydation ist das Schnellrösten eines Metallsulfids. Ein Sulfid, wie beispielsweise Kupfer-, Eisen- oder Bleisulfid kann mit hohen Geschwindigkeiten durch die Vorrichtung geführt werden. In diesem Falle herrscht eine überwiegend oxydierende Atmosphäre vor. Dabei werden Metalloxyde und Schwefeldioxyd gebildet. Das letztere wird in einer hohen Konzentration, die für die Erzeugung von Schwefelsäure geeignet ist, abgekühlt. Unter geeigneten

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Bedingungen ist es möglich, diese Reaktion derartig zu steuern, dass nur die Oxydation von Schwefel erfolgt. Das Metall kann dann in Form von Einzelteilchen oder als flüssiges Produkt gesammelt werden.

Schliesslich kann die Reduktion von beispielsweise metallischen Oxydteilchen unter Anwendung der Erfindung bewirkt werden. Wird ein Eisenoxyd mit einer gesteuerten Teilchengrösse in die erfindungsgemässe Vorrichtung eingeführt, wobei ein reduzierendes Gas, wie Wasserstoff, vorzugsweise ein Kohlenwasserstoffgas, vorhanden ist, dann erfolgt eine Reduktion der Oxydteilchen, wobei diskrete Metallteilchen gebildet werden. Auch eine Teilreduktion kann wie im Falle der Behandlung von Ilmenit (FeO-TiO₂) durchgeführt werden. Dieses Erz liegt in der Natur in Form von kleinen Teilchen vor, die durch den Erhitzer mit einem darin übertragenen Bogen in einem reduzierenden Plasma geschickt werden. Dabei werden diskrete Teilchen erhalten, die metallisches Eisen enthalten, sowie ein an Titandioxyd reicher Rückstand. Ein relativ reines Titandioxyd kann durch Entfernung dieses Eisens erhalten werden, beispielsweise durch Chlorierung oder durch Auflösung in einer Säure.

Die Erfindung wird durch die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die bevorzugte Ausführungsformen wiedergeben. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Weise eine erste Erhitzungsvorrichtung, die im Zusammenahng mit einem Ofen geeignet ist.

Fig. 2 in schematischer Weise die Darstellung einer zweiten Erhitzungsvorrichtung.

Fig. 3 in schematischer Weise einen Teil eines Ofenaufbaus, der eine dritte Heizvorrichtung enthält.

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Fig. 4 in schematischer Weise eine Schaltung, die zur Inbetrieb- · Setzung der durch Fig. 3 wiedergegebenen Heizvorrichtung geeignet ist.

Die Fig. 1 zeigt eine erste Heizvorrichtung, in welcher Plasmabrenner 1 um die Achse der Vorrichtung, die in einer horizontalen Ebene liegt, angeordnet sind. Ein Führungsbogen (pilot arc) wird innerhalb einer jeden dieser Brenner durch getrennte elektrische Generatoren 2 aufrecht erhalten. Ein Gas wird durch die Brenner
geschickt, so dass ein Plasmastrahl 3 aus der Düse eines jeden
Brenners austritt. Die drei Plasmastrahlen werden derartig angeordnet, dass sie in dem Mittelteil der Vorrichtung zusammenlaufen und eine leitende Zusammenfliesszone 4 bilden, auf die ein Bogen aus der Kathode 5 gerichtet werden kann, welche auf der Achse
der Vorrichtung vertikal oberhalb der Zone 4 sitzt. Wenn auch in Fig. 1 die Hauptkathode 5 aus einer gasabgeschirmten wassergekühlten Wolframalektrode besteht, so kann sie dennoch auch die
Form eines Plasmabrenners annehmen, der nach der Einstellung des Bogens nach der Methode des sogenannten übertragenen Bogens
(transferred arc mode) verwendet wird. Sie kann ferner aus einer geeianeten wassergekühlten und gasabgeschirmten sich nicht verbrauchenden Metallkathode bestehen. Ferner kann man irgendeine
andere Form einer Kathode verwenden.

Zum Betrieb der Vorrichtung wird Gas über die Plasmabrenner 1,
welche durch die Kathode 5 abgeschirmt werden, eingeführt. Erforderlichenfalls kann eine Einführung an anderen Stellen erfolgen. Der Führungsbogen wird dann auf die anodischen Brenner 1 gerichtet. Die Kathode 5 wird anschliessend bis zu der Zusammenfliesszone 4 herabgesenkt, so dass ein Bogen aus der Kathode auf dieses Plasma gerichtet wird. Um das Auftreffen dies es Bogens zu fördern, kann ein Funken hoher Spannung verwendet werden. Nach der Einstellung des Hauptbogens kann die Kathode 5 in ihre Betriebspositition ange-

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hoben werden, um die Plasmasäule zu verlängern und den Spannungsabfall längs dieser Säule zu erhöhen. Soll die Grosse der Zone erhöht werden, dann können die Plasmastrahlen aus den Brennern auch von der Achse der Vorrichtung weggezogen werden. Während des Betriebs nimmt das Plasma die schematisch in Fig. 1 gezeigte Form an. Die Hauptmenge der in der Vorrichtung verbrauchten Energie wird in der vertikalen Bogensäule verbraucht. Elektronen aus dem elektrischen Hauptgenerator 6 verlassen die Hauptkathode und wandern in der Kolonne in Abwärtsrichtung zu den drei Plasmaanoden 1 und kehren über die Plasmabrenner 1 zu dem Hauptgenerator 6 zurück.

Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere zur Behandlung eines Materials in Form von Einzelteilchen oder in Form eines Pulvers. Das zu behandelnde Pulver kann an verschiedenen Stellen zugeführt werden, es treten jedoch verschiedene Schwierigkeiten infolge der Tatsache auf, dass ein strömendes Plasma als fliessendes viskoses Gas anzusehen ist, wobei es nicht einfach ist, einen Teilchenstrom in ein derartiges Gas einzuführen. Eine zufriedenstellende Einführung eines Pulvers in den Mittelteil einer Plasmasäule kann nur an bestimmten Stellen der Plasmasäule erfolgen. Zwei derartige Stellen werden durch A und B in der Fig. 1 angegeben. An der Stelle A münden die Plasmasäulen aus der Hauptkathode und den Plasmaanoden zusammen, so dass eine wirksame Einführung von Pulver an dieser Stelle möglich ist. Gemäss einer bevorzugten Arbeitsweise wird jedoch das Pulver an der Stelle B eingeführt, und zwar an der Stelle, an welcher der Kathodenstrahl eingeengt ist. Bei dieser Einführungsmethode bedient man sich eines bekannten Prinzips, das ■ zuerst von Maecker diskutiert worden ist, der zeigte, dass eine Einengung einer stromführenden Bogensäule infolge von magnetohydrodynamischen Effekten einen Druckabfall innerhalb der Bogensäule bewirkt. Daher kann Gas in die Bogensäule an der Einengungsstelle eingezogen werden. Diesen Effekt kann man sich an der Stelle

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der Kathode zunutze machen, wo die Hauptbogensäule infolge der kleinen Grosse des Kathodenflecks in unvermeidbarer Weise eingeengt ist. Die Einführung eines kalten Gases, insbesondere eines kalten Gases, das mit Teilchen beladen ist, wird daher erleichtert und erhöht sogar noch die Einengung sowie den erzielten Maecker-Effekt.

Die Fig. 2 zeigt eine zweite Heizvorrichtung. In diesem Falle besteht der anodische Teil der Heizvorrichtung wie im Falle der ersten Heizvorrichtung aus einer Vielzahl von Plasmabrennern 1, die um eine Achse angeordnet sind, welche mit derjenigen des Ofens zusammenfällt, wobei jedoch der kathodische Teil dieser Abänderung drei einzelne gasabgeschirmte Kathoden aufweist, von denen jede einen Plasmastrahl erzeugt, der auf die anodische Plasmazone gerichtet ist. Eine geeignete elektrische Schaltung für diese Anordnung geht ebenfalls aus Fig. 2 hervor. Die Initiierung oder Einstellung der Hauptbogensäule wird dadurch erleichtert, dass die Kathoden in dichte Nähe zu der anodischen Plasmaelektrode gebracht werden. Nach der Einstellung der Plasmasäule werden die Kathoden weggezogen.

Während des Betriebs verlässt ein Plasmastrom jede der einzelnen Kathoden in Form eines Strahls mit hoher Geschwindigkeit. Infolge der gegenseitigen Anziehung von Leitern, die sich wie ein Strom verhalten, laufen diese kathodischen Ströme an der Stelle A in Fig.2 zusammen. Diese Stelle ist eine Zone tiefen Druckes, der ein pulverförmiges Beschickungsmaterial leicht zugeführt werden kann. Ein derartiges Beschickungsmaterial gelangt anschliessend in die Hauptbogensäule, wo das gewünschte Verfahren durchgeführt wird.

Wenn auch diese Anordnung eine etwas kompliziertere elektrische Schaltung erfordert, so hat sie dennoch den Vorteil, dass die

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Probleme einer gleichmässigen Zuführung des Pulvers in das Plasma merklich verringert werden.

Die Fig. 3 gibt ein rohrförmiges Gestell 7 wieder, das ein wassergekühltes Reaktorgehäuse aus rostfreiem Stahl 8, von dem nur ein Teil gezeigt ist, trägt, in dessen Inneres sich drei anodische Plasmabrenner 9 (von denen nur zwei gezeigt sind) erstrecken, deren Auslässe 10 symmetrisch unter einem Winkel von 120° um die Achse des Gehäuses angeordnet sind. Die Brenner sitzen gleitbar in hermetischen nicht-gezeigten Abdichtungen innerhalb rohrförmiger Träger 11, die an dem Gehäuse befestigt sind, so dass die Brenner gegenseitig einstellbar sind. Jeder Brenner 9 ist nach unten aus der Horizontalen um 20° geneigt und so konstruiert, dass während des Betriebs die anodischen Wurzeln der inneren Führungsbögen sowie des übertragenen Hauptbogens innerhalb der Brenner in einer mit Inertgas gespülten Zone liegen.

Eine nicht-gezeigte Kathode in Form eines Stabes, der in einer Wolframspitze 12 endet, ist radial von einer Kupferabschirmung angebracht, von welcher sie umgeben ist. Auf diese Weise wird eine rohrförmige Leitung zum Fliessen eines Kathodenabschirmgases zu der Spitze 12 geschaffen. Diese Leitung steht an dem oberen Ende der Kathode mit dem Gaszufuhrrohr 13 in Verbindung. Die nicht-gezeigte Abschirmung ist in der Nähe des unteren Endes der Kathode in einem Abstand von einer umgebenden wassergekühlten Düse angebracht, wobei eine rohrförmige Leitung zum Transport eines pulverbeladenen Trägergases aus einem Dreiwegpulver-Verteiler 14 gebildet wird, und zwar mittels dreier Rohre 15, von denen nur zwei gezeigt sind. Drei Einlasse sind symmetrisch um die Düse angeordnet und erstrecken sich durch diese hindurch bis zu der Kathodenspitze 12. Die Kathode, die Abschirmung und die Düse bilden eine Kathodeneinrichtung 16/ die gleitbar in einer gasdichten Dichtung auf der Achse des Gehäuses

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oberhalb der Anoden innerhalb eines wassergekühlten Metallzylinders 17 sitzt, welcher von einem Siliciumdioxydrohr 18 getragen wird, das auf dem Reaktorgehäuse 8 sitzt. Durch dieses Rohr 18 wird der Zylinder 17 von dem Gehäuse 8 isoliert. Die Kathodeneinrichtung 16 ist in der Nähe des oberen Endes eines Rahmens 19 befestigt, der mit einem hydraulischen Kolben 20 verbunden ist, der in einem Zylinder 21 sitzt und die Kathodeneinrichtung 16 in Bezug auf die Anoden 9 anhebt und absenkt. Das Reaktorgehäuse 8 erstreckt sich in Abwärtsrichtung in ein nicht-gezeigtes Stahlrohr, das in einem Teilchensammler endet, welcher aus einem Zyklon oder einer Sprühabschreckvorrichtung besteht.

Die durch Fig. 3 wiedergegebene Heizvorrichtung wird in der Weise betrieben, dass zuerst Führungsbögen in jedem der anodischen Brenner 9 erzeugt werden. Die Kathodeneinrichtung 16 wird dann in die Nähe der anodischen Plasmastrahlen abgesenkt. Bei fliessendem Argon in der Kathodenabschirmung wird ein Bogen auf die drei Anoden 9 gerichtet. Die Kathodeneinrichtung 16 wird dann auf ihre Betriebsposition angehoben, worauf das Abschirmgas in dieser Stufe verändert werden kann, beispielsweise kann man anstelle von Argon Stickstoff nehmen. Pulverisiertes Beschickungsmaterial wird in die Plasmasäule von der Kathodeneinrichtung 16 über den Pulververteiler 14 und die Kathodenspitze 12 zugeführt, wo die Ströme unter Bildung eines ringförmigen Flusses zusammenlaufen, der derartig ist, dass das Pulver mit hoher Geschwindigkeit in die Zone mit niedrigem Druck der Bogensäule eingeführt wird.

Die Fig. 4 zeigt eine Schaltung, die zum Betrieb der durch Fig.3 wiedergegebenen Vorrichtung geeignet ist. Gemäss der Figur werden die anodischen Brenner 9 durch NMR 650 (British Oxygen Ltd.)-Schweissgeneratoren 22 und die Kathodeneinrichtung 16 durch zwei

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Plasmaenergiequellen 23 (Typ PPS 320/185, Hirst Electric), die parallel geschaltet sind, mit Energie versorgt. Die Teile der Schaltung, die durch die Bezugszahlen 24 und 25 gekennzeichnet sind, bedeuten eine Hochfrequenzfunkeneinheit bzw. wassergekühlte Ballastwiderstände.

Die folgenden Beispiele erläutern Anwendungen der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen.

Beispiel 1

Schmelzen und Kugelbildung von Siliciumdioxyd

Bei dieser Ausführungsform wird Siliciumdioxyd einer Wärmebehandlung in der durch Fig. 3 wiedergegebenen Vorrichtung unterzogen. Die Behandlung wird in einer oxydierenden Atmosphäre durchgeführt, um eine Verdampfung des Oxyds zu unterdrücken.

Zunächst werden drei anodische Führungsbogenbrenner in Gang gesetzt, wobei Argon (4,6 l/Minute) bei 24 V und 250 A (6 kW) verwendet wird,so dassdie Gesamtführungsbogenenergie 18 kW beträgt. Der kathodische Bogen wird dann ausgerichtet, worauf die Kathode weggezogen wird. Anschliessend wird das Kathodenabschirmungsgas auf Stickstoff (20 l/Minute) umgestellt, worauf Siliciumdioxydpulver (150 g/Minute), mitgeschleppt in einem Luftstrom (30 1/ Minute), über das ringförmige Zuführungssystem eingeführt wird. Der Hauptbogen wird dann bei 100 V und 500 A (50 kW) betrieben. Das Pulver wird in diesem Falle vollständig in Kügelchen überführt und in ein glasartiges Produkt umgewandelt, wobei der Energiebedarf 7,6 kW h/kg beträgt.

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- 16 Beispiel 2
Aufspaltung von Zirkonsilikat

Unter Verwendung der gleichen Vorrichtung wird Zirkonsilikat in die Komponentenoxyde aufgeteilt und in Kugeln überführt. Die Heizvorrichtung wird in der Weise betrieben, dass in jedem Führungsbogenbrenner Argon (7,5 l/Minute) verwendet wird, und zwar bei 24 V und 300 A (7,2 kW), wobei die Gesamtführungsbogenenergie 21,6 kW beträgt. Bei einem Kathodenabschirmungsgasstrom aus Stickstoff (20 l/Minute) wird Zirkonsand (180 g/Minute) über das ringförmige Beschickungssystem eingeführt, wobei der Sand in einem Luftstrom (39,5 l/Minute) mitgeschleppt wird. Der Hauptbogen wird dann bei 104 V und 600 A (62,4 kW) betrieben. Der Zirkonsand, der beim Abkühlen gesammelt wird, ist vollständig gespalten und besteht aus kugelförmigen Teilchen, die eine Mischung der Komponentenoxyde in nicht-vereinigtem Zustand enthalten. Bei der Durchführung dieses Versuchs beträgt der gesamte Energiebedarf 7,8 kW h/kg.

Beispiel 3

Aufspaltung oder Dissoziation von Molbydändisulfid

In diesem Falle ist es notwendig, die Heizvorrichtung in Abwesenheit von Luft oder Sauerstoff zur Verhinderung einer Oxydation zu betreiben. Das Vermeiden einer Kohlenstoffverschmutzung ist ebenfalls notwendig.

Führungsbogenbrenner, die mit Argon (7,5 l/Minute) arbeiten, werden bei 24 V und 300 A (7,2 kW) in Gang gesetzt, wobei der gesamte Führungsbogenenergxebedarf 21,6 kW beträgt. Bei einem Kathodenabschirmungsgasstrom aus Argon (23 l/Minute) wird Molybdändisulf idpulver (176 g/Minute) über das ringförmige Be-

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schxckungssystem eingeführt, wobei das Pulver in einem Argonstrom (36 l/Minute) mitgeschleppt wird. Der 'Bauptbogen wird dann bei 70 V und 600 A (42 kW) betrieben. Unter diesen Bedingungen wird die Beschickung im wesentlichen in eine Kugelform überführt, wobei ungefähr 50 % zu metallischem Molybdän und Schwefeldampf dissoziieren. Der Gesamtenergiebedarf beträgt 6 kW h/kg des Beschickungsmaterials.

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Claims

- 18 Patentansprüche

( 1 J Heizvorrichtung, gekennzeichnet durch eine kathodische Plasmaerzeugungseinrichtung (5,16) zur Erzeugung einer Plasmasäule, eine Vielzahl von anodischen Plasmabrennern (1,9), deren Auslässe (10) symmetrisch um die Achse der Säule angeordnet sind, und eine Schaltung zur Energieversorgung der Erzeugungseinrichtung (5,16) sowie der Brenner (1,9), wobei die Anordnung derartig ist, dass während des Betriebs ein Strom gleichzeitig zwischen der Erzeugungseinrichtung und jedem der Brenner (1,9) durch die Säule und durch Plasmastrahlen (3) aus den Auslässen (10), die in die Säule münden, fliesst.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmabrenner (1,9) so angeordnet sind, dass die Plasmastrahlen (3), die aus ihnen austreten, flach mit der Plasmasäule zusammentreffen.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmabrennerauslässe (10) so angeordnet sind, dass die Achsen der Plasmastrahlen (3), die austreten, aus der Senkrechten zu der Plasmasäulenachse um 10 bis 20° geneigt sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei anodische Plasmabrenner (1,9) vorgesehen sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass die kathodische Plasmaerzeugungseinrichtung in einfacher Ausfertigung vorliegt.

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6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Plasmaerzeugungseinrichtung eine Einrichtung zur Einführung eines Materials in Form von Einzelteilchen in einem Trägergas an dem Ursprung der Plasmasäule aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Plasmaerzeugungseinrichtung (5,16) aus einer Vielzahl von Kathoden zur Erzeugung von Plasmastrahlen besteht, wobei die Kathoden derartig angeordnet sind, dass die Strahlen unter Ausbildung einer Plasmasäule zusammenlaufen.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kathodische Plasmaerzeugungseinrichtung (5,16) eine oder mehrere Kathoden aufweist, die mit einem Gas abgeschirmt sind und sich nicht selbst verbrauchen.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zum Abkühlen eines durch die Vorrichtung erhitzten Materials in Form von Einzelteilchen vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einem Ofen zugeordnet ist, der die Säule und die Plasmastrahlen einschliesst.
11. Verfahren zur Durchführung einer chemischen oder physikalischen Veränderung eines in Form von Einzelteilchen vorliegenden Materials, dadurch gekennzeichnet, dass das Material in einer Zone hoher Enthalpie aus einer Plasmasäule erhitzt wird, durch welche ein Strom aus einer kathodischen Plasmaerzeugungseinrichtung gleichzeitig zu jeweils einer Vielzahl von anodischen Plasma-

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brennern, deren Auslässe symmetrisch um die Säulenachse angeordnet sind, fliesst, wobei die Zone auch den Abschnitt des Zusainmenfliessens der Säule mit Plasmastrahlen aus den Brennern umfasst.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Material in Form von Einzelteilchen in die Plasmasäule an der Stelle ihres Ursprungs eingeführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Material durch Erhitzen in der Zone hoher Enthalpie und durch abschlxessendes Abkühlen in eine Kugelform überführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Material aus Siliciumdioxyd besteht, wobei Sauerstoff in der Zone hoher Enthalpie zur Unterdrückung einer Verdampfung des Sildciumdioxyds vorliegt.
15. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Material in der Zone hoher Enthalpie dissoziiert oder aufgespalten wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Material aus Zirkonsilikat besteht, das zu einer Mischung aus Zirkonoxyd und Siliciumdioxyd in der Zone hoher Enthalpie aufgespalten wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Material aus Molybdändisulfid besteht, das in der Zone hoher Enthalpie zu einer Mischung aufgespalten wird, die Molybdän und Schwefel enthält.

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18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Material aus Beryllerz besteht, das zu Berylliumaluminiumsilikat in der Zone hoher Enthalpie aufgespalten wird.
19. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Material aus Chalcopyriterz besteht, das in der Zone hoher Enthalpie erhitzt und anschliessend zur Gewinnung eines Produktes in Form von Einzelteilchen abgekühlt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Material in der Zone hoher Enthalpie zur Bewirkung einer Verdampfung wenigstens eines Teils davon erhitzt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Material in der Zone hoher Enthalpie zur Wiedergewinnung einer Metallkomponente in dem Material durch Verflüchtigung daraus erhitzt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallkomponente aus Zinn besteht.
23. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Material in der Zone hoher Enthalpie, die ein oxydierendes Gas enthält, oxydiert wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Material aus einem Sulfid von Kupfer, Blei oder Zinn besteht, das zu einem Oxyd davon sowie zu Schwefeldioxyd oxydiert wird.
25. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des Materials in der Zone hoher Enthalpie,

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die ein reduzierendes Gas enthält, reduziert wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Material aus einem Oxyd von Eisen besteht, das in den metallischen Zustand in der Zone hoher Enthalpie durch ein reduzierendes Gas reduziert wird.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Material aus Ilmenit besteht, das zu Titandioxyd und metallischem Eisen in der Zone hoher Enthalpie reduziert wird.

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