DE2715744A1

DE2715744A1 - Verfahren und vorrichtung zum destillieren von metallen und zum trennen von legierungen

Info

Publication number: DE2715744A1
Application number: DE19772715744
Authority: DE
Inventors: Laszlo Dipl Ing Csernavoelgyi
Original assignee: Energiagazdalkodasi Intezet
Current assignee: CSERNAVOELGYI, LASZLO, DIPL.-ING., BUDAPEST, HU
Priority date: 1977-04-07
Filing date: 1977-04-07
Publication date: 1978-10-12
Also published as: DE2715744C2

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Destillieren von Metallen und zum Trennen von Legierungen. Es handelt sich dabei um Metalle mit hohem Schmelzpunkt, welche in reiner Form aus Metallerzstauben oder aus Metallegierungen bekannter Zusammensetzung extrahiert werden sollen. Zu diesem Zweck werden Plasmastrahlen verwendet, die mit Hilfe von Sauerstoff aus an inerten Gaskomponenten, insbe- sondere an Kohlendioxyd reichen Erdgasen gebildet werden.
Wie bekannt, besteht eine große Nachfrage nach Verfahren, mittels welcher Metalle mit hohem Schmelzpunkt gewonnen und Metallegierungen getrennt werden können.
Gleichzeitig wird untersucht, wie Erdgase mit hohem Gehalt an inortem Gas, insbesondere an Kohlendioxyd als Hauptkomponente ausgenutzt werden können.
Obwohl viele Möglichkeiten bestehen, Erdgase mit hohem Gehalt an inertem Gas unmittelbar oder mittelbar auszunutzen, mitinbegriffen die praktische Anwendung von aus Erdgasen gebildeten Plasmastrahlen im Gebiet der Verbrennungs- und Gastechnologie, blieb ihr Anwendungsgebiet trotz den zur Verfügung stehenden reichen Vorräten verhältnismäßig eng. Es ist ferner bekannt, daß Ionplasmen in der Gießtechnologie sehr wirtschaftlich benützt werden können, da sie eine hohe Energiedichte und Reinheit aufweisen, wie dies aus der Fachliteratur hervorgeht. Es sind bereits Schmelzöfen mit einer l<apao zität von 100 Tonnen bekannt, die durch Plasmastrahlen betätigt werden. Der große Vorteil derartiger Vorrichtungen im Verhältnis zu Vakuumboger- oder Elektronstrahlöfen besteht darin, daß selbst flüchtige Zusatzstoffe wie Mangan, Molybdän, Magnesium usw. geborgen werden können. Es ist auch möglich, Metallegierungen, die leicht oxydierende und chemisch aktive Komponenten, wie Titan oder Aluminium enthalten, in derartigen Ofen zu raffinieren. Es sind bereits plasmabetätigte Vakuumöfen bekannt, die in einem Druckgebiet von 10 2 bis 10 tor/u arbeiten und zum Schmelzen von Titan dienen.
fn gleicher Weise ist die Plasmatechnologie zum Herstellen von großen Einzelkristallen geeignet, z.B. eInes Wolframeinzclkll ';falls mit einem Durchmesser von annähernd 50 mm rli,d mit einem Gewicht von mehr als 10 kg, der nicht nur durch seine großen Abmessungen, sondern auch durch seiri strukturelle Stabilität und die Abwesenheit von irgendniner Neigung zur Transkritallisation beachtenswert war. Es ist schließlich zu bemerken, daß auch Grundmaterialien für die Pulvermetallurgie durch Plasmatechnologie hergestellt worden sind. Auf diese Weise entstanden globulare körnige Metallpulver hoher Reinheit und Gleichförmigkeit, wobei Sublimation in einem Plasmastrom niedriger Temperatur und nachfolgende Kondensation verwendet worden sind.
Obwohl die oben beschriebenen plasmatechnologischen Verfahren große technologische Vorteile aufesen, sind sie sehr kostspielig, da sowohl ihre Gestehungskosten als auch ihre Betriebskosten sehr hoch ausfallen.
Es ist nämlich unvermeidlich, gereinigte Arbeitsgase zum Bilden der Plasmastrahlen zu verwenden, wodurch dann verhältnismäßig viel elektrische Energie verbraucht wird.
Die Erfindung bezweckt die Erzeugung von Metallen hohen Schmelzpunktes und hoher Reinheit, sowie die Trennung von Legierungen, ohne daß hierzu verwickelte und kostspielige Vorrichtungen bzw. ein beträchtlicher Verbrauch an elektrischer Energie erforderlich wären. Dies wird durch Plasmastrahlen erreicht, die in einer kohlendioxydhaltigen trdgasatmosphäre ohne vorherige Reinigung gebildet werden. Der Kohlendoxydgehalt gewährt eine Schutzgaswirkung. Auf die Behandlung mit Plasmastrahlen folgt eine Kondensation in einer Kühlzone, die in vorteilhafter Weise aus nacheinander geschalteten Kühikammern besteht, wobei die in diesen Kühlkammern herrschenden Temperaturen derart geregelt werden, daß sie jeweils d n Schmelzpunkten der h)(handelten Metalle entsprechen. Bei der Erfindung handelt es sich somit zunächst um ein Verfahren zum DestilJieren von Metallen und zum Trennen von Legierungen, wobei die Erfindung selbst darin besteht, daß ein Gemisch von Erdgas und Sauerstoff gebildet, das Gemisch zum Bilden eines Plasmastrahles gezündet, zerkleinertes Metall durch den Plasmastrahl hindurch geleitet und dadurch in Metalldämpfe umgewandelt, und schließlich die Metalldämpfe durch geregeltes Abkühlen zum Erstarrten gebracht und die erstarrten Metalle als Feststoffe erhalten werden.
Zweckmäßig wird das erfindung-gemäße Verfahren mittels einer Vorrichtung ausgeübt, bei welcher ein Plasmatron mit einem Anschluß an eine Erdgasquelle zum Bilden eines Plasmastrahles, eine Reatt ionskammer mit je einem Anschluß an des Plasmatron. an eine Sauerstoffquelle und an eine Quelle von zerkleinertem Metall zum Versetzen von Sauerstoff und Metall mit dem Plasmastrahl und dadurch zum Bilden von durch den Plasmastrahl mitgenommenen Metalldmpfen, sowie eine Kühlzone mit einem Anschluß an die Rea1<tionskammer und mit Abführungsstellen für infolge einer stufenweisen Abkühlung aus den Metalldämpfen erstarrende Metalle vorgesehen sind.
Zweckmäßig wird der Sauerstoff in Form von Luft zugeführt, weil dann für eine besonderen Sauerstoffquellen zu sorgen ist. Ferner wird vorteilhaft ein Erdgas mit reichem Gehalt an inerten Gasen, insbesondere an Kohlendioxyd verwendet, weil ein derartiges Gas gleichzeitig als wirksames Schutzgas dient. Bei einem Erdgas mit einem Gehalt an Hydratwasser wird das Hydratwasser vor Bildung des Gemisches für den Plasmastrahl entfernt, wobei aber eine Reirric3ung oder sonstige Behandlung des Erdgases entfallen kann. Bei der Trennung von verschiedenen Metallegierungen werden die im Plasmastrahl entstehenden Metalldämpfe zwecksmäßig durch eine Reihe von Temperaturgebieten hindurch geleitet, deren Temperaturen jeweils den Schmelzpunkten der 1<omponenten der Metalldämpfe entsprechen, wobei die Temperaturgebiete gemäß abnehmenden Temperaturen angeordnet sind, so daß die verschiedenen Metalldämpfe in jeweils verschiedenen Abschnitten der Kühlzone nacheinander erstarren und niederschlagen.
Das Plasmatron ist zweckmäßig mit Zündungselektroden ausgerüstet, die mit einer Kühlieltung zum Vorwärmen des zu verwendenden Erdgases versehen sind. Auf diese Weise wird die Ionisation des Plasmastrahles wirksam gefördert. Die Kühlzone der Vorrichtung besteht zweckmäßig aus einer Reihenschaltung von Kbhlkammern mit je gesonderten Abführungsstellen, wobei die kühlkammern mit einer Kühlleitung für ein Kühlmittel vorbestimmter Temperatur ausgerüstet sind. Auf diese Weise kann ein besonders einfacher Aufbau der Vorrichtung erreicht werden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert, die ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Ausüben. des erfindungsgemäßen Verfahrens im Längsschnitt darstellt.
Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist eine Ringelektrode 3a mit einem ringförmigen Kühlmantel versehen, dessen Innenraum über ein Ventil 1 mit einer Kühlmittelquelle verbunden ist. 2 bezeichnet einen Kühikreis, der an den erwähnten Kühimantel angeschlossen ist. 3b bezeichnet abnehmende Elektroden, die in an sich bekannter Weise gekühlt und vorgerückt werden können. Ein Plasma- tron 4 ist mit wärmeisolierten Wänden ausgerüstet und an eine elektrische Stromquelle 3 angeschlossen.
Zwecks Kühlung der Elektroden 3a und 3b könnte Wasser benutzt werden, wobei dann das Arbeitsgas unmittelbar dem Plasmatron 4 zugeführt wird. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wird aber das Erdgas über das Ventil 1 zunächst expandiert und dann als Kühlmittel benutzt, dessen Temperatur im Kühlkreis 2 zunimmt und dadurch die Plasmastrahlbildung wirksam fördert.
Andas Plasmatron 4 ist eine Reaktionskammer 5 angeschlossen, die einerseits über ein Steuerventil 8 mit einer Sauerstoff- oder Luftquelle und anderseits über einen Lüfter 7 mit einem Behälter 6 für staubförmiges oder körniges Metall verbunden ist.
An die Reaktionskammer 5 ist eine I<ühlzone angeschlossen, die aus einer Reihe von Kühlkammern 9a, 9b, 9c besteht, in denen Thermometer 10 zum Messen und/oder Aufzeichnen der dort herrschenden Temperaturen dienen.
Diese Temperaturen sind den zu erwartenden Schmelzpunkten T1, T2, T3 usw. der Metalle entsprechend eingestellt, wobei sie nach abnehmenden Werten aufeinander folgen.
Die Kühikammern 9a, 9b, 9c sind jeweils mit einem Kühimantel verstehen, die zwischen Kühlleitungen 12 und 13 liegen. An der.Zuflußseite sind Regelventile 12a, 12b und 12c vorgesehen, durch welche die Zuflußmenge des Kühlmittels im Kühlmantel der einzelnen Kühlkamsern 9a, 9b, 9c und dadurch die dort herschende Temperatur geregelt werden kann.
Tiegel 11 dienen zum Auffangen der in den Kühlkammern 9a, 9b, 9c aus den Metalldämpfen erstarrenden Feststoffe.
Ein AuLaßstutzen 14 verbindet die letzte Kühl- kammer 9c mit einem Stuaubabsch Ser 15. Dieser ist mit Auslaßöffnungen 15a bzw. 15b fi;r abgeschiedenen Staub bzw. staubfreies Gas versehen.
Das dargestellte Ausfüli-ungsbeipsiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung arbeitet wie folgt: Ein Erdgas mit hohem Gehalt an inerten Komponenten wird über das Ventil 1 dem Kühlmantel der ringförmigen Elektrode 3a des Plasmatrons 4 zugeführt, beim Durchströmen zwischen den Elektroden 3a und 3b erhitzt und als vorgehitztes Arbeitsgas ionisiert. Nach momentanem Kurzschließen oder nach Bogenzündung gelangt ein Plasmastrahl in die Real<tionskammer 5, wo er mit aus dem Behälter 6 mittels des Lüfters 7 in tangentialer Richtung zugeführtem Erzstaub oder Metallpulver, sowie mit über das Steuerventil 8 zuströmendem Sauerstoff oder Luft versetzt wird. Die zugeführten metallischen Feststoffe werden verdampft und die entstandenen Metalldämpfe durch den Plasmastrahl mitgerissen. an/ Der mit Metalldämpfen iwereicherte Plasmastrahl betritt die aus den kühlkammern 9a, 9b und 9c bestehende Kühlzone. In der zuerst betretenen Kühlkammer 9a herrscht eine höchste Temperatur Tl, die dem Schmelzpunkt der bei höchster Temperatur erstarrenden Komponente des zugeführten metallischen Feststoffes entspricht.
Auf ähnliche Weise werden in der Kühlkammer 9b die Metalldämpfe des Metalls ausgeschieden, dessen Schmelzpunkt der hier herrschenden Temperatur T2 entspricht, wobei T2 niedriger ist als T1.
Schließlich erreichen die durch den Plasmastrahl mitgerissenen Metalldämpfe die Kühlkammer 9c mit ihrer Temperatur T3, die wiederum niedriger ist als die Temperatur T2 der eben verlassenen Kühikammer 9b.
Während die aus den ausgeschiedenen Metalldämpfen entstehenden Feststoffe in den Tiegeln 11 angesammelt werden, verläßt der Plasmastrahl die Kühlzone 9a, 9b, 9c über den Auslaßstutzen 14 und tritt in den Staubabscheidz 15 ein. Hier werden sich die im Plasmastrahl eventuell noch schwebenden Staubteilchen ablagern und werden über die Auslaßöffnung 15b nach unten entfernt. Das von Feststoffen befreite Gas entweicht über die AuslaBöffnung 15a.
Die Erfindung bringt verschiedene Vorteile mit sich.
Zunächst können Metalle von hohem Schmelzpunkt erzeugt und Metallegierungen getrennt werden, ohne daß hierzu kostspielige Anlagen und beträchtliche Energiemengen erforderlich wären. Anstatt dessen werden Neturgase verwendet, die in großen Mengen zur Verfügung stehen und als Hauptkomponenten Kohlendioxyd und andere inerten Gase enthalten.
Bei Verwendung von derartigen Gasen muß lediglich das Hydratwasser entfernt werden, wobei Reinigung oder vorherige Behandlung der Gase entfallen kann.
Der Bedarf an elektrischer Energie für die Ionisierung der Arbeitsgase ist bei jedem Plasmatyp als sehr gering einzuschätzen, wenn beachtet wird, daß bei der Rekombination durch das Plasma bei einer Temperatur von annähernd 10 000 oC ein beträchtlicher Energieüberschuß anfällt.
L e e r s e i t e

Claims

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM DESTILLIEREN VON METALLEN UND ZUM TRENNEN VON LEGIERUNGEN PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zum Destillieren von Metallen und zum Trennen von Legierungen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Gemisch von Erdgas und Sauerstoff gebildet, das Gemisch zum Bilden eines Plasmastrahles gezündet, zerkleinertes Metall durch den Plasmastrahl hindurch geleitet und dadurch in Metalldämpfe umgewandelt, und schließl;ch die Metalidämpfe durch geregeltes Abkühlen zum Erstarren gebracht und als Feststoffe gewonnen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Sauerstoff in Form von Luft zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Erdgas mit reichem Gehalt an inerten Gasen, insbesondere an Kohlendioxyd verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Erdgas mit einem Gehalt an Hydratwasser verwendet wird, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß vor Bildung des Gemisches das Hydratwasser aus dem sonst unbehandelten Erdgas entfernt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die im Plasmastrahl entstehenden Metalldämpfe durch eine Reihe von Temperaturgebieten hindurch geleitet werden1 deren Temperaturen jeweils den Schmelzpunkten der omponenten der Metalldämpfe entsprechen.
6. Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Plasmatron (4) mit einem Anschluß an eine Erdgasquelle (1) zum Bilden eines Plasmastrahles, eine Reaktionskammer (5) mit je einem Anschluß an das Plasmatron, an eine Sauerstoffquelle (8) und an eine Quelle (6) von zerkleinertem Metall zum Versetzen von Sauerstoff und Metall mit dem Plasmastrahl, und dadurch zum Bilden von durch den Plasmastrahl mitzunehmenden Metalldämpfen, sowie eine Kühlzone (9a, 9b, 9c) mit einem Anschluß an die Reaktionskammer (5) zum stufenweisen Abkühlen der Metalldämpfe, und mit Abführungsstellen für infolge der Abkühlung aus den Metalldämpfen erstarrende Feststoffe vorgesehen sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Plasmatron (4) Elektroden (3a, 3b) aufweist, die mit einer Kühlleitung (2) zum Vorwärmen des zu verwendenden Erdgases ausgerüstet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7 dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kühizone aus einer Reihenschaltung von Kühlkammern (9a, 9b, 9c) mit je gesonderter Abführungsstelle besteht, wobei die Kühlkammern mit je einer Kühlleitung (12, 13) für ein Kühlmittel vorbestimmter Temperatur ausgerüstet sind.