FI64876C - Saett och anlaeggning foer hettning av ett material med hjaelpav ett stroemplasma - Google Patents

Description

1 64876

Tapa ja laitteisto materiaalien kuumentamiseksi virta- plasman avulla

Keksintö kohdistuu tapaan kuumentaa eri materiaaleja reak-tioastiassa plasman avulla, jolloin plasman synnyttämiseen käytetään tasavirtaa ja matalaa jännitettä, sekä laitteistoon tavan suorittamiseksi.

Pyrometallurgisten prosessien vaatima lämpö voidaan tuoda reaktioastiaan joko suoraan reaktioastian sisään tai sen vaipan kautta. Reaktioastian vaipan kautta tapahtuvassa lämmönsiirrossa on etenkin endotermisissä reaktioissa haittana se, että reaktioastian sisäpinnan lämpötila selvästi ylittää prosessoitavan materiaalin lämpötilan. Tästä seuraa helposti materiaalin sintraantuminen reaktioastian vaippaan ja siten lämmönsiirron heikkeneminen. Lopputuloksena saattaa olla koko materiaalipatjän sintrautuminen. Prosessin vaatima lämpö voidaan myös saada aikaan suorittamalla kuumennus reaktioastian sisäpuolella. Konventionaalinen tapa tämän toteuttamiseksi on johtaa kuumia polt-tokaasuja reaktioastian läpi. Seurauksena on kuitenkin suuri käsiteltävä kaasumäärä ja suuri lentopölymäärä. Polttokaasut voivat myös osallistua reaktioihin.

Eräs käytännön ratkaisu reaktioastian sisäpuolella tapahtuvaksi kuumentamiseksi on valokaaren käyttö. Valokaari-kuumennuksessa elektrodit kuluvat ja kuluessaan ne vaikuttavat pelkistävästi uuniatmosfääriin.

US-patentin 4 006 284 mukaisessa laitteessa käytetään elektrodien välille tehtyä valokaarta materiaalin kuumentamiseen siten, että materiaali syötetään valokaaren lävitse. Tästä syystä joudutaan käyttämään korkeata jännitettä, että elektrodit voitaisiin viedä riittävän kauaksi toisistaan. Em. laitteessa on käytetty vaihtovirtaa ja elektrodien väliin on syötetty Ar, He, CO tai metaa- 64876 nia. Näiden syöttämisellä on sanottu olevan kaarta stabiloiva vaikutus.

Plasmaa, joka muodostetaan ionisoituvasta kaasusta elektrodien välille, on käytetty reaktioastian kuumennukseen. Tunnetuissa menetelmissä käytetty kuumennus voi olla epäsuora: plasma on muodostettu esim. kvartsiputkessa, jonka ohi virtaa kaasua, jota käytetään lämmön siirtäjänä reaktioasti-aan. Haittoina menetelmässä on suuren kantokaasumäärän vaikutus prosessiin sekä kaasujen huono lämmönsiirtokyky.

Plasman käyttö materiaalien kuumennukseen reaktioastian sisällä on moneen tarkoitukseen edullisempi kuin muut vaihtoehdot: ei tarvita suuria kantokaasumääriä lämmön tuomiseksi reaktioastiaan kuten epäsuorassa plasmakuumennuksessa, ja plasma ei vaikuta niin paljon uuniatmosfääriin kuten esim. valokaaren käyttö. Pyörivissä reaktioas-tioissa käytetyt kuumennustavat ovat joko reaktioastian vaipan kuumennus tai polttokaasujen johtaminen reaktio-astiaan .

Plasmaa muodostettaessa elektrodien määrä voi vaihdella. Joissakin tapauksissa elektrodeja voi olla vain yksi; tällöin plasma muodostetaan elektrodin ja uunipanoksen kesken.

Elektrodeja voi olla myös useampia; yleisin määrä lienee kaksi kappaletta, jolloin toinen elektrodi on anodinen ja toinen katodinen. Elektrodien materiaalina on yleisimmin hiili.

Ionisoituva kaasu voidaan tuoda elektrodien väliin monella tavalla. Kaasu voidaan tuoda erillisenä suihkuna ionisoitu-miskohtaan ja se voidaan tuoda elektrodin ympäriltä. Erääksi edulliseksi tavaksi on osoittautunut kaasun tuominen eiektrodin sisään poratun reiän kautta.

3 64876

Plasman muodostamiseksi käytettävä sähkövirta voi olla joko tasavirtaa tai vaihtovirtaa. Käytettävä vaihtovirta voi olla joko yksi- tai kolmivaiheista.

Plasman kuumennustehoa säädetään yleensä virtaa ja/tai jännitettä säätämällä muuntajan avulla.

Nyt kehitetyn keksinnön mukaisella tavalla materiaalien kuumentamiseksi synnytetään plasma reaktioastiassa käyttämällä tasavirtaa ja matalaa jännitettä. Kun plasma synnytetään pyörivässä reaktioastiassa, muotoillaan elektrodit siten, että kuumennettava materiaali ei pyöriessään pääse elektrodien väliin. Lisäksi plasman kuumennustehoa voidaan säätää ionisoituvan kaasun virtausta säätämällä. Kun plasma synnytetään pystyuunissa, käytetään tällöin uunissa vain yhtä elektrodia, uunin pohja toimii toisena elektrodina.

Nyt on yllättäen todettu, että virtaa voidaan kasvattaa lisäämällä ionisoituvan kaasun määrää jännitteen pysyessä halutulla tasolla 18 - 24 V. Koko tasavirtateho menee plasman synnyttämiseen ja sen kautta säteilylämpönä uuniin. Plasman lämpötila on riippuvainen käytettävästä kaasusta ja sen määrästä sekä teholähteestä. Elektrodien lämpötilan tullessa korkeaksi plasmakaasun ionisoituminen helpottuu samalla kun sen tilavuus kasvaa. Tästä syystä voidaan vakiolämmönsiirron aikaansaamiseksi kaasuvirtaa tai käytettyä tehoa pienentää. Nyt kehitetyn menetelmän mukaisesti voidaan uunin lämpötilaa säätää plasmakaasuventtii-liä säätämällä ennakolta ohjelmoidun aikataulun mukaan.

Plasmaa synnytetään ionisoituvasta kaasusta kuten argonista, kahden tasavirtaohjatun hiilielektrodin väliin teslapurkauksen avulla. Näin muodostettua plasmaa kutsutaan virtaplasmaksi. Katodinen jännite on kytketty toiseen ja anodinen jännite toiseen elektrodiin, jossa on reikä keskellä ionisoituvan kaasun johtamista varten. Hiili-elektrodien paksuus määräytyy käytettävän tehon mukaan.

4 64876

Elektrodeina toimivat hiilet ovat tässä tapauksessa vain sähköä johtavina elementteinä, ne eivät kulu kuten valo-kaaren muodostavat elektrodit, vaan näiden elektrodien kuluminen on vain vähäisessä määrässä tapahtuvaa höyrystymistä .

Tasavirran vaikutuksesta saadaan hyvin stabiili plasma. Matalasta jännitteestä johtuen voidaan käyttää vain helposti plasmatilaan saatavaa kaasua kuten argonia. Koska käytetään matalaa jännitettä, 18 - 24 V, voidaan laitteisto tehdä yksinkertaiseksi, sillä tällöin ei ole läpi-lyöntiongelmia eikä turvallisuusriskiä.

Elektrodit suojataan palamiselta typpi- tai jonkin muun suojakaasun avulla. Elektrodien välille synnytetään alku-ionisaatio teslapurkauksella. Tämän jälkeen elektrodien etäisyys toisistaan säädetään sopivaksi ja helposti ionisoituvaa kaasua kuten argonia johdetaan elektrodien väliin halutun ionisaation ja sähkövirran aikaansaamiseksi.

Seuraavassa keksintöä ja sillä saavutettavia etuja selitetään yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää poikkileikkausta eräästä keksinnön edullisesta toteutusesimerkistä, pyörivästä putkiuunista.

Kuvio 2 esittää poikkileikkausta putkiuunikäyttöön tarkoitetuista elektrodeista.

Kuvio 3 esittää poikkileikkausta keksinnön toisesta sovel-lutusmuodosta, pystyuunista.

Kuvion 1 mukaiseen laitteistoon kuuluu pyörivä putkiuuni 1, johon virta saadaan tasavirtateholähteestä 2, jonka vaihtovirtasyöttöä on merkitty numerolla 16. Laitteistoon kuuluvat myös jännite-virta stabilisaattorit 3, ja jänni-te-virta-asetusarvon säätölaitteet 4. Lämpötilamittaus 5 64876 uunissa tapahtuu pisteessä 5 (käytännössä mittaus tapahtuu useammassa pisteessä, mutta tähän on yksinkertaisuuden vuoksi otettu vain yksi piste). Lämpötilan säätö laitteessa 6 tapahtuu kullekin prosessille laadittua lämpötila-ohjelmaa 7 seuraten siten, että laaditusta ohjelmasta ja uunin lämpötilasta riippuen säätösysteemi 6 avaa ja sulkee venttiiliä 8, jonka kautta ionisoituva kaasu 17 johdetaan uuniin. Anodinen elektrodi 9 ja katodinen elektrodi 10 on johdettu uunin päistä uunitilaan. Anodisen elektrodin 9 läpi virtaava ionisoituva kaasu sytytetään teslapurkauksen avulla ja tämä sytytys tapahtuu sytytysyksikön 11 avulla. Elektrodeissa on vesijäähdytys 12 ja anodiseen elektrodin ohjauspitimeen (ei tarkemmin kuvassa) on porattu reikä, jota myöten johdetaan suojakaasua 13 uunitilaan. Uuniti-lasta kaasut poistuvat katodisen elektrodin pitimeen (ei kuvassa) poratun reiän 14 kautta. Uunin täyttö ja tyhjennys tapahtuu aukon 15 kautta.

Kuviossa 2 on kuvattu hiilielektrodien päät, jolloin ne on muotoiltu pyörivässä reaktioastiassa tapahtuvaa plasman muodostamista varten. Katodisen elektrodin 10 pää 18 on pallomainen ja anodisen elektrodin 9 pää 19 on kovera, kuppimainen vastaten katodisen hiilen (elektrodin) muotoa. Elektrodien välinen etäisyys säädetään välille 1 - 5 mm. Elektrodien välissä olevilla katkonuolilla on pyritty havainnollistamaan plasmakaasun ulosvirtausta.

Kuviossa 3 on kuvattu pystyuuni 1, jonka sisällä on jauhemaista materiaalia 25 esim. sulatusta varten. Kuten kuviossa 1, kuvaavat viitenumerot 2-8 virransyöttö- ja sää-tölaitteistoja sekä lämpötilan säätösysteemiä. Anodinen elektrodi 9 ulottuu ylhäältäpäin lähelle uunin pohjaa. Katodisena elektrodina 10 toimii uunin grafiittipohja, ja kun uunin pohjalle on kertynyt sulaa materiaalia, tämä sula toimii katodisena elektrodina. Ionisoituva kaasu sytytetään tässäkin tapauksessa sytytysyksikön 11 avulla. Anodinen elektrodi 9 on tuettu tukivarren 20 avulla, jonka 6 64876 välityksellä se on myös yhteydessä elektrodin siirtolaitteeseen 21. Siirtolaitteen avulla elektrodia voidaan nostaa ja laskea. Toisen osan siirtolaitteesta muodostaa moottori M. Tukivarren 20 ja elektrodin välissä on eriste 22. Molemmat elektrodit ovat vesijäähdytettyjä. Katodinen elektrodi 10 eli grafiittipohja supistuu uunista ulospäin tankomaiseksi elektrodiksi, jonka ympärillä on vesijäähdytteinen elektrodin pidin 23. Tähän tulevaa jäähdy-tysvesiventtiiliä on merkitty numerolle 24.

Pyörivässä putkiuunissa on kuumennettavan materiaalin pääsy plasmatilaan estetty monin tavoin. Ensinnäkin elektrodien päät on muotoiltu (pallomainen - kovera) tätä tarkoitusta varten. Myös plasmakaasun aiheuttama paine estää materiaalin pääsyn plasmatilaan. Samoin on mahdollista käyttää hiilielektrodeja suojaavaa suojakaasua.

Pystyuunissa on uunitilaan upotettu vain yksi elektrodi eli anodi 9, uunin grafiittipohja toimii toisena, katodisena elektrodina. Ionisoituva kaasu johdetaan tässäkin tapauksessa anodisen elektrodin läpi elektrodien väliin, ja plasma synnytetään uunin pohjalle. Lämpötilan noustessa sulatettava materiaali sulaa, ja toimii myös katodisena elektrodina uunin pohjalla. Sulan sähkönjohtavuudesta ja sulan pinnankorkeudesta riippuen voidaan anodista elektrodia nostaa. Elektrodin nosto voi olla automaattisesti kytketty virrankulutukseen. Uunin sulatettavan materiaalin täyttö tapahtuu ylhäältäpäin. Uunin yläosassa, alemmissa lämpötiloissa, sulatettava patjamateriaali voi olla jonkin verran sähköäjohtavaa, mutta sen johtokyky heikkenee lämpötilan noustessa, kunnes taas metallisulana se on sähköä-johtavaa. Uunitilassa olevan hiilielektrodin 9 sähkönjohtokyky taas kasvaa lämpötilan noustessa. Kun sähkövirta uunissa kulkee katodisesta anodiseen elektrodiin eli alhaalta ylöspäin ja sähkönjohtokyvyltään alaspäin mennessä heikkenevä patjamateriaali kulkee alaspäin, 7 64876 kulkee kaikki sähkövirta vain elektrodin kautta. Samalla vältetään patjamateriaalin tarttuminen elektrodiin. Pystyuuni soveltuu hyvin esim. pienten alkuainemäärien analyysin tekoon.

Keksinnön mukainen materiaalin kuumennustapa on hyvin edullinen, kun halutaan tutkia reaktioastiassa syntyviä pääs-tökaasuja. Kun virtaplasma synnytetään reaktioastiassa, sieltä poistuvat kaasut ovat joko suoja- tai plasmakaasuja tai sitten päästökaasuja. Suoja- ja plasmakaasun määrä ja laatu tiedetään ja tästä on helppo laskea päästökaasun määrä ja koostumus.

Esimerkki

Koelaitteistona käytettiin pyörivää uunia, jonka kierros-nopeutta voi säätää. Elektrodit työnnettiin uunin päissä olevista pyöreistä aukoista uunin sisään. Teholähteenä käytettiin kahta 16 kW:n tasasuuntaajaa, joiden jännitettä voitiin säätää 0-40 V:iin. Uuniin syötettävän virran voimakkuus oli 800 A ja jännite 20 V. Katodisen hiili-elektrodin halkaisija oli 60 mm ja anodisen 90 mm. Ano-diseen elektrodiin oli lisäksi porattu keskelle reikä, jota myöten johdettiin argonkaasua. Laitteisto on ollut koekäytössä puoli vuotta ja on täyttänyt sille asetetut vaatimukset.

Claims (9)

1. Tapa materiaalin kuumentamiseksi uunissa synnyttämällä kuumennettavassa materiaalissa olevien elektrodien välille virtaplasma ionisoituvan kaasun avulla, tunnettu siitä, että plasman kuumennustehoa säädetään säätämällä plasmakaasun virtausnopeutta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tapa, tunnettu siitä, että käytetään tasavirtaa.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen tapa, tunnettu siitä, että tasavirran jännite on n. 18-24 V.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tapa, tunnettu siitä, että plasmakaasu syötetään elektrodien väliin anodi-sessa elektrodissa olevan pituussuuntaisen reiän kautta, ja että kaasun virtausnopeutta säädetään säätämällä vir-tausventtiiliä ennaltamäärätyn automaattisen ohjelman mukaisesti .

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tapa, tunnettu siitä, että elektrodeja suojataan lisäksi johtamalla elektrodeille suojakaasua, kuten typpeä.

6. Laite materiaalin kuumentamiseksi uunissa synnyttämällä kuumennettavassa materiaalissa olevien elektrodien välille virtaplasma ionisoituvan kaasun avulla, tunnettu siitä, että ainakin toinen elektrodeista (9, 10), edullisesti anodinen (9) on ontto, jolloin plasmakaasu on tarkoitettu johdettavaksi elektrodien väliin onton elektrodin kautta virransyöttö- ja säätölaitteiston (2-5) ja lämpötilan säätölaitteiston (6, 7) ohjaamassa määrässä.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laite, tunnettu siitä, että toisen elektrodin (esim. 10) pää on kuppimaisen kovera ja toisen (9) vastaavasti kupera. 9 64876

8. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen laite, tunnettu siitä, että elektrodit (9, .10) ovat vesi jäähdytetty jä ja suojakaasun avulla suojattuja kulumista vastaan.

9. Patenttivaatimuksien 1-5 mukaisen tavan ja patenttivaatimuksien 6-8 mukaisen laitteen käyttö edullisesti la-boratoriomittakaavaisen pyörivän putkiuunin ja/tai pystyuunin, jossa toisen elektrodin muodostaa uunin pohja, yhteydessä . 64876 10