DE2715744C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gewinnen von Metallen oder zum Trennen von Legie­ rungen. Es handelt sich dabei um Metalle mit hohem Schmelz­ punkt, welche in reiner Form aus Metallerzstäuben oder aus Metallegierungen bekannter Zusammensetzung extrahiert wer­ den sollen.

Wie bekannt, besteht eine große Nachfrage nach Verfahren, mittels welcher Metalle mit hohem Schmelzpunkt gewonnen und Metallegierungen getrennt werden können.

Obwohl viele Möglichkeiten bestehen, Erdgase mit hohem Ge­ halt an inertem Gas unmittelbar oder mittelbar auszunutzen, einschließlich der praktischen Anwendung von aus Erdgasen gebildeten Plasmastrahlen im Gebiet der Verbrennungs- und Gastechnologie, blieb ihr Anwendungsgebiet trotz der zur Verfügung stehenden reichen Vorräte verhältnismäßig eng. Es ist ferner bekannt, daß Plasmen in der Metallurgie sehr wirtschaftlich genützt werden können, da sie eine hohe Energiedichte und Reinheit aufweisen, wie dies aus der Fach­ literatur hervorgeht. Es sind bereits Schmelzöfen mit einer Kapazität von 100 Tonnen bekannt, die durch Plasmastrahlen betätigt werden. Der große Vorteil derartiger Vorrichtungen im Verhältnis zu Vakuumlichtbogen- oder Elektronenstrahlöfen be­ steht darin, daß selbst flüchtige Zusatzstoffe, wie Mangan, Molybdän, Magnesium usw., gewonnen werden können. Es ist auch möglich, Metallegierungen, die leicht oxydierende und chemisch aktive Komponenten, wie Titan oder Aluminium, enthalten, in derartigen Öfen zu raffinieren.

In gleicher Weise ist die Plas­ matechnologie zum Herstellen von großen Einkristallen ge­ eignet, z. B. eines Wolframeinkristalls mit einem Durch­ messer von annähernd 50 mm und mit einem Gewicht von mehr als 10 kg, der nicht nur durch seine großen Abmessungen, sondern auch durch seine strukturelle Stabilität beachtens­ wert war. Es ist schließlich zu bemerken, daß auch Grund­ materialien für die Pulvermetallurgie durch Plasmatechnolo­ gie hergestellt worden sind. Auf diese Weise entstanden kugelför­ mige körnige Metallpulver hoher Reinheit und Gleichförmig­ keit, wobei Verdampfen in einem Plasmastrom niedriger Tempe­ ratur und nachfolgende Kondensation angewendet worden sind.

Obwohl die oben beschriebenen plasmatechnologischen Verfah­ ren große technologische Vorteile aufweisen, sind sie sehr kostspielig, da sowohl ihre Gestehungskosten als auch ihre Betriebskosten sehr hoch ausfallen. Es ist nämlich unver­ meidlich, gereinigte Arbeitsgase zum Bilden der Plasmastrah­ len zu verwenden, wodurch dann verhältnismäßig viel elektri­ sche Energie verbraucht wird.

Die DD-PS 53 309 schlägt ein Verfahren zur Raffination ver­ schiedener Metalle von speziellen Verunreinigungen vor. Über den Plasmastrahl wird nur angegeben, daß er aus neu­ tralem Arbeitsgas hergestellt wird (Spalte 3, Beispiel 1). Das neutrale Gas bedeutet in der Praxis Stickstoff oder Argon. Es gibt hier keinen Hinweis über die Abkühlung der Dämpfe und über die getrennte Kondensation der Metalldämpfe.

In Umschau (1961) S. 713, 714, 742 und 743, wird die Zuführung pulverförmiger Stoffe zur Plasmaflamme beschrieben. Auf der Seite 714 ist ein konkreter Hinweis zur Auswahl der Arbeitsgase gegeben: Am wirtschaft­ lichsten habe sich für Schmelz- und Heizzwecke Stickstoff mit 5 bis 10% Wasserstoffzusatz erwiesen. Die Verwendung von Sauerstoff oder von Wasserdampf könne Schwierigkeiten ver­ ursachen und erfordere die Ausstattung der Wolframkathode mit einem Schutzgasmantel. Die Verwendung von zweiatomigen Gasen sei vorteilhafter als die von einatomigen.

Der vorliegende Artikel faßt die verschiedenen Anwendungs­ möglichkeiten zusammen, wobei die Hinweise auf Seite 714 die nachfolgende Richtung zeigen: Es ist besser, die neutralen Gase, wie N₂, oder Edelgase, wie Argon, anzuwenden, und die Benutzung von aggressiven Gasen, wie Sauerstoff und Wasserdampf, zu vermeiden.

Der Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Gewinnen von Metall oder zum Trennen von Legierungen bereitzustellen, bei dem das zu verarbeitende Material in zerkleinertem Zustand durch einen Plasmastrahl geführt wird. Diese Aufgabe wird, wie aus den vorstehenden Ansprüchen er­ sichtlich, gelöst.

Der Gegenstand der Erfindung ist auf den Einsatz besonderer Erdgase gerichtet, d. h. "arme" Erdgase mit einem hohen Gehalt an Kohlendioxyd. Solche Erd­ gase mit einem Gehalt von 60-97% Kohlendioxyd und insbe­ sondere die mit einem Gehalt von 60-75% Kohlendioxyd werfen viele Probleme bei ihrem Einsatz auf. Da solche Erdgase sehr preiswert sind, ist es erwünscht, vor­ teilhafte Anwendungen für sie zu erarbeiten. Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Einsatzmöglichkeit für die "armen" Erdgase zu finden. Es soll ferner noch bemerkt wer­ den, daß das Kohlendioxyd als Arbeitsgas bisher nicht vorge­ sehen wurde. Es verursacht zu viele Probleme - das I/U-Ver­ hältnis des Plasmagenerators muß sehr sorgfältig ausge­ wählt und überwacht werden, weil sonst die Plasma­ flamme instabil werden kann; sie kann sogar wegen der Schutzgaswirkung des Gases erlöschen.

Die Erfindung bezweckt die Gewinnung von Metallen hohen Schmelzpunktes und hoher Reinheit, sowie die Trennung von Legierungen, ohne daß hierzu verwickelte und kostspielige Vorrichtungen bzw. ein beträchtlicher Verbrauch an elektri­ scher Energie erforderlich wären. Dies wird durch Plasma­ strahlen erreicht, die in einer hochkohlendioxydhaltigen Erdgas­ atmosphäre ohne vorherige Reinigung gebildet werden. Der Kohlendioxydgehalt gewährt eine Schutzgaswirkung. Auf die Behandlung mit Plasmastrahlen folgt eine Kondensation in einer Kühlzone, die aus aufeinander­ folgenden Kühlkammern besteht, wobei die in diesen Kühl­ kammern herrschenden Temperaturen derart geregelt werden, daß sie jeweils den Schmelzpunkten der behandelten Metalle entsprechen.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Arbeitsgas, insbesondere bei hohem Gehalt an Hydratwasser, zur wirksamen Kühlung der Plasmaanlage angewendet werden kann. So wird die Kühlung der Anlage, die Entfernung des unerwünschten Hydratwassers sowie die Vorerhitzung des Arbeitsgases zur Plasmabildung gleichzeitig erreicht. Die Anlage kann daher zur Erzeugung einer kontinuierlichen Hochtemperatur-Plasmaflamme (im Ge­ gensatz zur US-PS 37 08 409) ausgebildet werden, wobei die nützliche Luftmenge gemeinsam mit dem Strom des zerkleiner­ ten Stoffes, sowie durch die offenen Bereiche der Anlage (durch die Spalte in den Wänden) mit der Luft zuströmen kann.

Der Plasmabrenner ist zweckmäßig mit Zündungselektroden ausge­ rüstet, die mit einer Kühlleitung zum Vorwärmen des zu ver­ wendenden Erdgases versehen sind. Auf diese Weise wird die Ionisation des Plasmastrahles wirksam gefördert. Die Kühlzone der Vorrichtung besteht zweckmäßig aus in Reihe geschalte­ ten Kühlkammern mit je gesonderten Abführungsstellen, wobei die Kühlkammern mit einer Kühlleitung für ein Kühlmittel vorbe­ stimmter Temperatur ausgerüstet sind. Auf diese Weise kann ein besonders einfacher Aufbau der Vorrichtung erreicht werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeich­ nung erläutert, die ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens im Längs­ schnitt darstellt.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist eine Ringelektrode 3 a mit einem ringförmigen Kühlmantel versehen, dessen Innenraum über ein Ventil 1 mit einer Kühlmittelquelle verbunden ist. 2 bezeichnet einen Kühlkreis, der an den erwähnten Kühlman­ tel angeschlossen ist. 3 b bezeichnet sich verbrauchende Elektroden, die in an sich bekannter Weise gekühlt und vorgerückt werden können. Ein Plasmabrenner 4 ist mit wärmeisolierten Wänden aus­ gerüstet und an eine elektrische Stromquelle 3 angeschlossen.

Zwecks Kühlung der Elektroden 3 a und 3 b könnte Wasser be­ nutzt werden, wobei dann das Arbeitsgas unmittelbar dem Plas­ mabrenner 4 zugeführt wird. Beim dargestellten Ausführungs­ beispiel 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.

An den Plasmabrenner 4 ist eine Reaktionskammer 5 angeschlossen, die einerseits über ein Steuerventil 8 mit einer Luftquelle und andererseits über einen Lüfter 7 mit einem Behälter 6 für pulverförmiges oder körniges Metall verbunden ist.

An die Reaktionskammer 5 ist eine Kühlzone angeschlossen, die aus einer Reihe von Kühlkammern 9 a, 9 b, 9 c besteht, in denen Thermometer 10 zum Messen und/oder Aufzeichnen der dort herr­ schenden Temperaturen dienen. Diese Temperaturen sind den zu erwartenden Schmelzpunkten T 1, T 2, T 3 usw. der Metalle ent­ sprechend eingestellt, wobei sie nach abnehmenden Werten auf­ einanderfolgen.

Die Kühlkammern 9 a, 9 b, 9 c sind jeweils mit einem Kühlmantel versehen, der zwischen den Kühlleitungen 12 und 13 liegt.

An der Zuflußseite sind Regelventile 12 a, 12 b und 12 c vorge­ sehen, durch welche die Zuflußmenge des Kühlmittels im Kühl­ mantel der einzelnen Kühlkammern 9 a, 9 b, 9 c und dadurch die dort herrschende Temperatur geregelt werden kann.

Tiegel 11 dienen zum Auffangen der in den Kühlkammern 9 a, 9 b, 9 c aus den Metalldämpfen kondensierenden Feststoffe.

Ein Auslaßstutzen 14 verbindet die letzte Kühlkammer 9 c mit einem Staubabscheider 15. Dieser ist mit Auslaßöffnungen 15 a bzw. 15 b für abgeschiedenen Staub bzw. staubfreies Gas ver­ sehen.

Die dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Ein Erdgas mit hohem Gehalt an CO₂ wird über das Ventil 1 dem Kühlmantel der ringförmigen Elektrode 3 a des Plasmabrenners 4 zugeführt, beim Durchströmen zwischen den Elek­ troden 3 a und 3 b erhitzt und als vorgeheiztes Arbeitsgas ioni­ siert. Nach momentanem Kurzschließen oder nach Bogenzündung gelangt ein Plasmastrahl in die Reaktionskammer 5, wo er mit aus dem Behälter 6 mittels des Lüfters 7 in tangentialer Rich­ tung zugeführten pulverförmigen Erzen oder Legierungen, sowie mit über das Steuerventil 8 zuströmender Luft versetzt wird. Die Feststoffe werden verdampft und die ent­ standenen Metalldämpfe durch den Plasmastrahl mitgerissen.

Der mit Metalldämpfen angereicherte Plasmastrahl tritt in die aus den Kühlkammern 9 a, 9 b und 9 c bestehende Kühlzone ein. In der zuerst erreichten Kühlkammer 9 a herrscht eine höchste Temperatur T 1, die dem Schmelzpunkt der bei höchster Temperatur kondensierenden Komponente des zugeführten metallischen Fest­ stoffes entspricht.

Auf ähnliche Weise werden in der Kühlkammer 9 b die Metall­ dämpfe des Metalls ausgeschieden, dessen Schmelzpunkt der hier herrschenden Temperatur T 2 entspricht, wobei T 2 niedriger ist als T 1. Anschließend erreichen die Metalldämpfe die Kühlkammer 9 c mit ihrer Temperatur T 3, die wiederum niedriger ist als die Temperatur T 2 der eben verlas­ senen Kühlkammer 9 b. Während die aus den ausgeschiedenen Metall­ dämpfen entstehenden Feststoffe in den Tiegeln 11 angesammelt werden, verläßt der Rest die Kühlzone 9 a, 9 b, 9 c über den Auslaßstutzen 14 und tritt in den Staubabscheider 15 ein. Hier werden die eventuell noch schweben­ den Staubteilchen abgelagert und über die Auslaßöffnung 15 b nach unten entfernt. Das von Feststoffen befreite Gas ent­ weicht über die Auslaßöffnung 15 a.

Die Erfindung bringt verschiedene Vorteile mit sich:
Zunächst können Metalle von hohem Schmelzpunkt erhalten und Metallegierungen getrennt werden, ohne daß hierzu kostspielige Anlagen und beträchtliche Energiemengen erforderlich wären. Statt dessen werden hochkohlendioxidhaltige Naturgase verwendet.

Der Bedarf an elektrischer Energie für die Ionisierung der Arbeitsgase ist bei jedem Plasmatyp als sehr gering einzu­ schätzen, wenn beachtet wird, daß bei der Rekombination durch das Plasma bei einer Temperatur von annähernd 10 000°C ein beträchtlicher Energieüberschuß anfällt.

Claims (3)

1. Verfahren zum Gewinnen von Metallen oder zum Trennen von Legierungen durch Destillieren und Kondensieren, wobei der zu verarbeitende Stoff im zerklei­ nerten Zustand durch einen Plasmastrahl geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasma­ strahl aus Luft und einem Erdgas mit hohem Gehalt an CO₂ ge­ bildet wird und die Dämpfe durch geregeltes Abkühlen nacheinander kon­ densiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß vor der Bildung des Plasmastrahls das Hydratwasser aus dem Erdgas entfernt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Plasma­ brenner (4), der mit einer um die Elektroden (3 a, 3 b) geführten Kühlleitung (2) zum gleichzeitigen Vorwärmen des Erdgases mit hohem CO₂-Gehalt versehen ist, in Verbindung mit einer Reaktions­ kammer (5) angeordnet ist, in die Zuführungen für Luft und pul­ verförmige Erze oder Legierungen münden, und daß die Reaktions­ kammer (5) in die erste von aufeinanderfolgenden Kühlkammern (9 a, 9 b, 9 c) mündet, in denen je ein Auslaß für die aus den Me­ talldämpfen kondensierten Metalle angeordnet ist.