FI71338B - Plasmareaktor med en foerflyttad baoge foer kemiska och metallurgiska anvaendningar - Google Patents

Description

71338

Siirretyllä kaarella varustettu plasmareaktori kemiallisiin ja metallurgisiin käyttötarkoituksiin. - Plasmareaktor med en förflyttad bäge för kemiska och metallurgiska användningar.

Esillä olevan keksinnön kohteena on siirretyllä kaarella varustettu plasmareaktori kemiallisiin ja metallurgisiin käyttötarkoituksiin .

Plasnateknologian käyttö kemiallisiin ja metallurgisiin prosesseihin on saanut osakseen yhä lisääntyvää huomiota kahden viime vuosikymmenen aikana. Seuraavassa keksinnön selityksessä plasma määritellään erottuneiden molekyylien, atomien, ionien ja elektronien hyvin suurissa lämpötiloissa olevaksi kaasuseokseksi. Ionisaatioaste ioneiksi ja elektroneiksi riippuu kaasun lajista ja lämpötilasta. Teollisissa käyttötarkoituksissa plasman lämpötila on alueella noin 6 000°K - 25 000°K.

Pääasiallisena tarkoituksena plasman kehittämisessä ja käytössä on muodostaa ympäristö, jossa vallitsee hyvin korkea lämpötila. Sen lisäksi, että tämä korkean lämpötilan omaava ympäristö mahdollistaa reaktionopeuksien huomattavan kasvun useimmissa teollisesti tärkeissä prosesseissa, se myös usein mahdollistaa sellaisten reaktioiden tapahtumista, jotka eivät olisi mahdollisia toteuttaa alhaisemmissa lämpötiloissa, joita saavutetaan tavanomaisilla menetelmillä, esimerkiksi polttoliekillä tai hap-piasetyleeniliekillä. Hyvä esimerkki tästä on luonnossa molybdeniittinä esiintyvän molybdeenidisulfidin, MoS2, lämpö-hajaantuminen jopa 2 900 K:n lämpötiloissa, jolloin saadaan suoraan molybdeenimetallia ja jolloin kehittyy rikkialkuainehöy-ryjä, jotka voidaan tiivistää erikseen kiinteäksi rikiksi ja siten välttää saastumisongelmat. Lisäksi plasmanmuodostuskaasua voidaan usein käyttää reagoivana aineena esimerkiksi hapetus-(happi ja/tai ilma), pelkistys-(hiilimonoksidi, vety tai luon-nonkaasu), klooraus-(kloori) tai nitrausreaktioihin (typpi).

Käytännössä paras menetelmä plasman muodostamiseksi on käyttää kahden elektrodin (katodi ja anodi) väliin sytytettyä 2 71338 tasavirtavalokaarta tai käyttää hyväksi elektroditonta radiotaa-juusindiktiota tai kapasitanssia.

Teollisessa mielessä plasmajärjestelmän pitää ollakseen teknisesti ja taloudellisesti käyttökelpoinen täyttää seuraavat ehdot : 1. Järjestelmän pitää olla hyvin energiataloudellinen. Tämä on luultavasti plasmajärjestelmän kaikkein tärkein rajoitus johtuen yleisesti ottaen sähköenergian korkeammasta hinnasta verrattuna tavanomaisiin polttoaineisiin, kuten hiileen, öljyyn ja luonnon-kaasuun. Yleensä voidaan todeta, että vain silloin kun nämä tavanomaiset polttoaineet eivät kykene taloudellisesti kehittämään haluttua korkeata lämpötilaa pitäisi plasman käyttöä harkita.

2. Tuotteen puhtausmääräyksiä pitäisi noudattaa. Monien metallurgian ja kemian reaktiotuotteiden pitää täyttää tarkat puhta-usmääräykset. Näissä tapauksissa pitää reagoivien aineiden kon-verttausasteen olla lähes 100 % halutun tuotteen saamiseksi. Se merkitsee myös sitä, että järjestelmään saa tulla vain vähän tai ei lainkaan saastuttavia aineita joko rakennusmateriaaleista tai laitteista tai ilman tai muiden kaasumaisten saastuttavien aineiden järjestelmään tunkeutumisesta johtuen.

3. Tuotteen fyysisen muodon pitää olla teollisesti hyväksyttävä. Jotkut plasmageneraattorit rajoittuvat hienojakoisessa muodossa olevien kiinteiden tuotteden muodostukseen. Koska tällaisia tuotteita voidaan käyttää vain rajoitetusti metallurgisissa menetelmissä (esim. jauhemetallurgia), pidetään edullisina plasma järjestelmiä , jotka kykenevät tuottamaan myöhemmin harkoiksi valettavan sulan tuotteen, koska tällainen tuote kyetään helpommin muuttamaan haluttuihin lopullisiin muotoihin.

4. Pääoma- ja käyttökustannuksien pitäisi olla kohtuulliset. Plasmajärjestelmän pitäisi olla yksinkertainen eikä vaatia huomattavaa syöttövalmistelua tai poistoaineen käsittelyä. Toiminnan pitäisi olla jatkuvaa tai lähes jatkuvaa sekä sallia täydellinen automaatio. Virtaustoiminnan pitäisi olla tehokas ja vaatia vain vähän huoltoa. Elektrodien käyttöiän pitäisi olla kohtuullinen ja niiden vaihdon vaatia mahdollisimman vähän aikaa.

H

3 71338 5. Työ- ja ympäristöolosuhteiden pitäisi olla korkealaatuisia. Plasmajärjestelmän työympäristön pitäisi olla suhteellisen meluton eikä liian kuuma eikä siinä saisi olla myrkyllisiä höyryjä tai pölyä. Plasmajärjestelmästä lähtevien kaasumaisten poisto-aineiden pitäisi olla käsiteltävissä pölyn talteenottamiseksi ja uudelleen kierrättämiseksi, käyttökelpoisen lämmön talteenottamiseksi ja kemiallisten saasteiden eliminoimiseksi.

Monia laitteita on kehitetty plasmojen valmistamiseksi valokaarilla. Yleisimpiä näistä ovat tasavirtaiset suihkukaarimenetel-mät, joissa plasmanmuodostuskaasu puhalletaan katodin ja vesijäähdytteisen anodin välistä läheltä niitä. Plasma työntyy ulos suuttimesta erittäin suurella nopeudella leviävän suihkun tai pyrstöllekin muodossa. Eräs toinen yleinen laite on radiotaa-juusinduktio-plasmageneraattori, jossa ulkopuolinen sähkökenttä liittyy generaattorin sisällä olevaan magneettikenttään kehittäen siten korotetuissa lämpötiloissa olevan tulipallon. Plasma tunkeutuu ulos suuttimesta leviävänä suihkuna, mutta tyypillisesti alhaisemmissa lämpötiloissa ja pienemmillä nopeuksilla kuin tasavirtasuihkugeneraattorissa. Suihkua käyttämättömissä laitteissa voidaan kehittää suuri tilavuuksisia ja nopeudeltaan vähäisiä plasmoja kolmen elektrodin välillä, jotka elektrodit on liitetty kolmivaiheiseen vaihtovirtapiiriin ja käynnistyksessä käytetään koe- tai ohjauskaarta. Lopuksi voidaan todeta, että viime vuosina on kiinnitetty yhä enemmän huomiota siirrettyyn kaareen keraamisten tuotteiden valmistamiseksi ja metallurgisten toimintojen suorittamiseksi. Tällaisessa plasmageneraat-torissa sytytetään halutusta sulasta tuotteesta muodostuvan anodin ja katodin väliin pitkä tasavirtakaari, jonka pituus vaihtelee muutamasta senttimetristä metriin tai ylikin. Kaaren muoto on korkeassa lämpötilassa oleva plasmakaasupylväs. Lämpötila on suurimmillaan lähellä katodin kärkeä ja laskee hitaasti lähestyttäessä anodia. Lämpötila lähellä katodia on tyypillisesti argonilla lähes 20 000 K ja riippuu tietyssä määrin plasman-muodostuskaasun ja muiden käyttöolosuhteiden luonteesta ja tyypistä.

4 71338

Tieteellistä- ja patenttikirjallisuutta plasmalaitteista ja niiden käyttötarkoituksista on varsin paljon. Tähän mennessä suurin osa tämän alan tutkimustyöstä on kohdistettu haluttujen reaktioiden teknisiin toteuttamismahdollisuuksiin plasmaolosuh-teissa eikä plasmajärjestelmän optimointiin ja ohjaukseen sen saattamiseksi taloudellisesti käyttökelpoiseksi. Tämä kohta on erinomaisen tärkeä otettaessa huomioon sähköenergian korkea hinta. Tästä syystä ja vaikka saatavissa onkin plasmageneraattorei-ta, jotka kykenevät toimimaan jatkuvasti useiden megawattien teholla, plasmareaktoreiden käyttö kaupallisessa mittakaavassa on rajoittunut muutamiin prosesseihin: asetyleenin valmistus, titaanioksidin valmistus, sirkonihiekan erotus, sulatustoimin-nat teräksen valmistuksessa ja erikoisterästen sulatus. Plasman käyttöä suurilämpötilaisiin heterogeenisiin järjestelmiin on viime aikoina tutkittu perusteellisesti artikkelissa "Utilisation Industrielle Actuelle et Potentielle des Plasmas", joka on kirjoittanut P. Fauchais (julkaisu Revue Phys. Appi. osa 15 alkaen sivulta 1281, 1980).

Etsittäessä uusia menetelmiä rautaseosten valmistamiseksi kon-sentraateistaan (esimerkiksi ferrokromi, ferromolybdeeni, ferro-vanadiini, ferroniobi jne.), jotka menetelmät olisivat halvempia ja vähemmän saastuttavia kuin olemassa olevat tavanomaiset menetelmät, uskottiin että plasmajärjestelmät tarjoaisivat joitakin etuja. Esimerkiksi nykyiseen teknologiaan ferromolybdeenin valmistamiseksi kuuluu MoS^rn konsentraatin pasutus teollisesti käyttökelpoisen MoO^in valmistamiseksi, jolloin lisäksi muodostuu suuria määriä SC^ kaasua, joka pitää puhdistaa tai muuttaa rikkihapoksi. Tämän jälkeen oksidi saatetaan reagoimaan piirau-dan ja alumiinin kanssa raudan läsnäollessa erä- tai jaksomene-telmänä, jossa seos ladataan matalaan tiili- ja hiekkakaivan-toon ja sytytetään. Vaikka itse reaktio on hyvin nopea, pitää paljon aikaa uhrata valmistuneen massiivisen ferromolybdeeni-harkon jäähdyttämiseksi. Kuonahatun erotuksen jälkeen ferro-molybdeeni hajotetaan sopivan kokoisiksi paloiksi. Koko prosessi vaatii paljon työtä ja siinä muodostuu paljon pölyä, savua ja lämpöä. Toisaalta voidaan todeta, että plasmatekniikka

II

71338 mahdollistaa saman toiminnan suorittamisen yhtenä vaiheena seu-raavan yhtälön mukaisesti:

MoS2 = Mo + s2 Tämän jälkeen tällä tavoin valmistettu molybdeeni voidaan lisätä tarvittavaan rautamäärään, jotta saadaan lopullinen ferro-molybdeenituote, jolla on haluttu Mo-pitoisuus. Voidaan todeta, että rikki kehittyy alkuainemuodossaan olevana höyrynä ja tästä syystä se voidaan kerätä talteen ja tiivistää erikseen ilman saastumisongelmia. R.J. Munzin ja W.H. Gauvinin artikkelissa "The Decomposition Kinetic of Molybdenite in an Argon Plasma" (julkaisu AIChEJ., osa 21, numero 6, sivut 1132 - 1142, 1975) on esitetty, että mitä korkeampi reaktion lämpötila on sitä nopeampi on sen reaktionopeus. Kuitenkin terästeollisuudessa käytettävän ferromolybdeenin (sen pääasiallinen käyttöalue) rikkipitoisuuden teolliset rajoitukset ovat erittäin tarkat. Tuotteessa saa olla korkeintaan 0,15 % rikkiä. Tämä merkitsee sitä, että reaktion pitää olla 99,9 %:sesti täydellinen, koska muussa tapauksessa tuotteessa jäljellä oleva rikki ylittää tämän rajan. Hiilipitosuuden rajoitus on yhtä tarkka. Lopuksi voidaan todeta, että suoraan sulassa tilassa olevan molybdeenin tai ferromolybdeenin muodostamiseen kykenevä plasmareaktori on selvästi parempi kuin sellainen, joka muodostaa molybdeenijauhetta .

Etsittäessä ja tutkittaessa uutta plasmamenetelmää tarkasteltiin kriittisesti julkaistua tieteellistä aineistoa ja patentti-kirjallisuutta sekä suoritettiin monia laboratoriokokeita. Kaikki järjestelmät, joissa tapahtui jauhekonsentraatin ja plasma-liekin välinen kosketus, oli hylättävä kahdesta syystä: joko jauheen tai kiinnittävän plasmallekin välinen kosketusaika oli liian lyhyt (vain muutamia millisekunteja on käytettävissä) reaktion saattamiseksi loppuun tai osa jauhetta pakeni plasman kuumasta vyöhykkeestä ja tuli käsitellyksi joko epätäydellises-ti tai ei lainkaan. Tässä yhteydessä on ymmärrettävä, että 99,9 %:n konversio merkitsee, että vain yksi tuhannesta hiukkasesta saa mennä käsittelemättä. Samalla tavoin oli 6 71338 induktiiviset ja kapasitiiviset plasmat hylättävä johtuen niiden huonosta hyötysuhteesta muodostettaessa suurtaajuuskenttä (tyypillisesti 4 MHz), joka tarvittiin plasman muodostamiseksi. Noin 30 % kokoomakiskossa olevasta energiasta menetetään oskillaattoreissa, jotka muodostavat suurtaajuusvirran. Yhteenveto epäonnistuneista kokeista, jotka suoritettiin useilla plasman-muodostuslaitteilla, on löydettävissä G.R. Kubanekin, R.J. Munzin ja W.H. Gauvinin julkaisusta "Plasma Decomposition of Molybdenum Disulphide", Proceedings of Third International Symposium on Plasma Chemistry, Limoges, Ranska, 1977.

Yllä kuvatun teoksen tuloksista johtuen päätettiin, että pitäisi kehittää sellainen plasmareaktorijärjestelmä, jossa kaari on siirretty sulaan, jotta kyettäisiin vastaamaan energian käytön, tuotteen puhtauden jne. asettamiin vaatimuksiin. Aikaisemmin on esitetty useita tasavirtakaarijärjestelmiä ja niitä on kehitetty sulassa muodossa olevan jauhesyötön käsittelemiseksi. Huomattavia tällaisia järjestelmiä ovat: a. Laajennettu prekessiivinen plasmajärjestelmä (esitetty U.S. Patenteissa 3,932,171 ja 4,154,972, J.K. Tylko sekä muissa tähän liittyvissä patenteissa), jossa kaari siirretään keskiakse-lin ympäri pyörivästä katodista sulaan kylpyyn samalla kun hienoja hiukkasia syötetään valamalla niitä alaspäin katodin ympärille. Mahdollinen käyttötarkoitus on ferrokromin valmistus kromiitista.

b. Kuumaseinäinen jatkuva plasmareaktori (U.S. Patentti numero 3,856,918, J.F. Skrivan ja J.D. Chase), joka muodostuu tavanomaisesta tasavirta plasmaliekistä, jonka kuuma kaasu purkautuu sylinterimäisen reaktorin yläpäähän. Hienoja hiukkasia (titaani-pitoisia malmeja) syötetään paineilmalla reaktorin yläpään alapuolelle noin 45° kulmassa, jolloin ne törmäävät seinään ja valuvat alas sitä pitkin ja reagoivat pelkistyskaasun kanssa. Tuote tippuu alla olevaan upokkaaseen.

c. Kalvoplasmareaktori (U.S. Patentti 4,002,466 ja kanadalainen patentti 1 ,065,794 , D.R. MacP.ae et ai.) käsittää yläkatodin ja sylinterimäisen seinämän omaavan anodin, jolloin kiinteitä hiukkasia, syötetään paineilmalla ja tangentiaalisesti anodin

II

7 71338 yläpään lähelle muodostaen siten anodin sisäpintaan sulan laskevan kalvon. Kaari osuu tähän kalvoon sattumanvaraisesti pisteisiin, jotka tarjoavat vähiten sähkövastusta. Tällöin tämä kalvo, mikäli se on jatkuva, suojaa anodia, pienentää sen kulu-misnopeutta ja toimii lämpöeristimenä vähentäen jäähdytysveteen tapahtuvaa lämpöhäviötä. Sula laskeutuu tämän jälkeen upokkaaseen, josta se lasketaan pois.

Viimeksi mainittu laskevaa kalvoa käyttävä tasavirtainen siirretyllä kaarella varustettu plasmareaktorijärjestelmä todettiin lupaavammaksi. Järjestelmää on sovellettu rautamalmin pelkistykseen hiilipitoisella kiinteällä pelkistimellä ja metaanin ja vedyn kaasuseoksella. Muita käyttöalueita ovat ferrovanadiinin valmistus vanadiinioksidin karbotermisellä pelkistyksellä, jollainen on julkaistu esityksessä "Ferrovanadium Production by Plasma Carbothermic Reduction of Vanadium Oxide”, jonka ovat julkaisseet D.R. MacRae, R.G. Gold, C.D. Thompson ja W.R. Sandall, Proceedings of Third International Symposium on Plasma Chemistry, Limoges, Ranska, 1977 sekä molybdeenin valmistus molybdeenidisulfidistä, jonka on julkaissut D.R. MacRae ja R.G. Gold U.S. Patentissa numero 4,234,334. Tässä patentissa on todettu, että aluksi johtamaton MoSj-kalvo aiheutti kaaren oikosulun katodin ja anodin peittämättömän osan välillä. Tämä ongelma poistettiin lisäämällä syöttöön johtavaa materiaalia (edullisesti hiiltä). Tässä yhteydessä on havaittava, että upokkaassa oleva materiaali lämmitetään yksinomaan virtaavan lämmön siirrolla sen pinnan yli virtaavista kuumista poistokaasuista. Tämän patentin tarkka tutkiminen osoittaa, että kuvattu menetelmä on epäedullinen suorituskykyvaatimuksiltaan erittäin ankariin teollisuuskäyttöihin seuraavista syistä: 1. Hiilen lisäys M0S2 syöttöön on välttämätöntä seinämässä olevan kalvon saattamiseksi sähköisesti johtavaksi. Tämän hiilen lisäys johtaa molybdeenikarbiidin muodostumiseen, joka on lämpö-dynaamisesti vakaa ja jää saastuttavana aineena tuotteeseen, josta se pitäisi poistaa plasmareaktorijärjestelmään lisäksi tulevalla toisella korkeata lämpötilaa vaativalla käsittelyprosessilla.

8 71338 2. Tuotteen puhtausvaatimukset jäävät täyttämättä. Tuotetta saastuttavat edellisessä kappaleessa mainittujen liiallisten hiilimäärien lisäksi myös liian suuri rikkipitoisuuus ja myös magnesiummäärä on Mian suuri (kuten esitetty patenttiesimer-kis-sä 3), vaikkakin viimeksimainittu voidaan välttää upokasmatcn-aalir. sopivalla valinnalla tai sulatuksella.

3. Järjestelmä on suhteellisen epätaloudellinen energian käytön suhteen. Vaippa-anodi vaatii voimakasta jäähdytystä kiertävällä vedellä sen suojaamiseksi siihen kohdistuvalta voimakkaalta lämmöltä plasmakaasussa olevien elektronien yhdistyessä uudelleen sen pinnalla. Tästä syystä vain osa tätä energiaa käytetään sulatettaessa ja hajotettaessa M0S2— kalvo. Lisäksi käytetään upokasmateriaalin lämmitykseen suuria määriä kylmää kaasua, jota tarvitaan syöttöjauheseoksen kuljettamiseksi kuumien plas-makaasujen mukana, josta seuraa huomattavasti alempi lämpötila poistokaasuissa. Tämän seurauksena poistokaasut lähtevät keskilämpötilassa, jota ei voida tehokkaasti käyttää upokkaan lämmityksessä, mutta joka kuitenkin muodostaa huomattavan lämpö-häviön koko järjestelmässä.

4. Esitetyssä patentissa mainitaan upokkaan täyttö aluksi rauta-sulalla ferromolybdeeniesiseoksen muodostamiseksi samalla kun juuri valmistunut molybdeeni laskeutuu upokkaaseen ja sekoittuu rautaan, jonka jälkeen lisätään rautajauhe syöttöön sähköisesti johtavana materiaalina anodin syöpymisongelman ja/tai tuhoutumisen välttämiseksi. Tässä yhteydessä on kuitenkin havaittava, että rauta sekoittuisi järjestelmässä olevaan rikkiin muodostaen FeS:n, joka on lämpödynaamisesti hyvin vakaa. Tästä seuraisi huomattavat rikkimäärät tuotteeseen, josta syystä tuotteen olisi teknisesti ja taloudellisesti vaikeata vastata tarkkoja rikki-vaatimuksia .

5. Menetelmän ollessa käynnissä anodin vaippaa suojaa sulavan MoS^n muodostama laskeutuva kalvo, joka absorboi huomattavan osan syttyvän alkukaaren kehittämästä lämmöstä. Mikäli menetelmän jossakin vaiheessa tapahtuu laskeutuvan kalvon katkeaminen, jolloin pieni alue anodin vaippaa jää paljaaksi, kaari ilmeisesti iskisi tähän pisteeseen sen paremmasta sähkönjohtamiskyvystä johtuen ja tuhoaisi anodin tämän osan, kuten MacRaen ja Goldin 9 71338 patentin esimerkissä 2 on esitetty. Turvallisuuden kannalta voidaan todeta, että koska tällainen tapahtuma päästäisi vettä jäähdytysvaipasta järjestelmään, veden ja upokkaassa olevien suurten sulametallimäärien välinen kosketus saattaisi aiheuttaa räjähdyksen.

Kokeita suorittamalla on tämän keksinnön yhteydessä havaittu, että yllä mainitun U.S. Patentin 4,234,334 ja monien muiden tieteellisessä kirjallisuudessa ja patenttikirjallisuudessa mainittujen järjestelmien haittapuolet voitaisiin poistaa käyttämällä uutta reaktorirakennetta, johon kuuluu upokkaan muodostava pohjaosa sulan materiaalin keräämiseksi, anodi, joka on sovitettu koskettamaan upokkaassa olevaa sulaa materiaalia, upokkaan yläpäähän kiinnitetty ja siitä sähköisesti eristetty vaippa, katodi-yksikkö, johon kuuluu vaipan yläpäähän kiinnitetty ja siitä sähköisesti eristetty katodi, laitteet kantokaasun kuljettaman syöttömateriaalin ohjaamiseksi lähelle vaipan yläpäätä siten, että materiaali tulee syötetyksi vaipan sisäseinää vasten, sulaa katodin ja sulan materiaalin väliin muodostuneen plasmakaaren säteilemän energian lämpövaikutuksesta muodostaen sulaa materiaalia olevan laskeutuvan kalvon, joka valuu alas vaipan sisäseinää ja putoaa alla olevaan upokkaaseen, sekä reaktorin pohjaosassa olevat poistoaukot kantokaasun ja reagoimattoman plasman-muodostuskaasun poistamiseksi.

Katodi pääsee liikkumaan pystysuuntaan plasmakaaren aloittamiseksi saattamalla katodin kärki lähelle sulaa materiaalia sekä plasmakaaren ohjaamiseksi ja valvomiseksi parhaan mahdollisen tuloksen saavuttamiseksi.

Normaalisti mukaan on järjestetty elimet katodiyksikön jäähdyttämiseksi. Eräässä keksinnön edullisessa suoritusmuodossa kylmä plasmanmuodostuskaasu voidaan kierrättää katodiyksikön läpi sen jäähdyttämiseksi.

Vaippa voidaan jäähdyttää vedellä tai muilla jäähdytysaineilla mikäli reaktion lämpötila vaatii sitä.

10 71338

Reaktorin pohjaosassa on anodi, joka muodostuu sulalle inertis-tä sähköisesti johtavasta materiaalista. Se saattaa vaatia jäähdytystä (tarvittaessa vedellä, ilmalla, öljyllä). Yleensä reaktorin seinämien ja muiden osien jäähdytys pitäisi minimoida tai välttää kokonaan käyttämällä eristystä.

Keksinnön eräs tunnusmerkki on se, että virtauksen lisäys epäpuhtauksien puhdistamiseksi tai kuonan poistamiseksi voidaan suorittaa joko syöttömateriaalin mukana vaipan läpi tai erikseen sulan yläpuolella upokkaan seinämässä tai kannessa olevan suljettavan aukon läpi. Seoksen muodostavien ainesosien lisäys voidaan myös suorittaa joko syöttömateriaalin mukana vaipan läpi tai erikseen sulan yläpuolelta upokkaan seinämässä tai kannessa olevan suljettavan aukon läpi.

Keksintöä selvitetään seuraavassa esimerkin muodossa viittaamalla oheisiin piirrustuksiin, joissa: kuvio 1 on leikkauskuva keksinnön mukaisen plasmareaktorin eräästä edullisesta suoritusmuodosta; kuviot 2 ja 3 esittävät energian tehon jakautumaa, joka on mitattu reaktorissa argon- ja typpiplasmoilla; ja kuviot 4 ja 5 esittävät keksinnön mukaisen reaktorin jännite- virtaominaisuuksia käyttämällä argon- ja typpiplasmoja.

Kuvion 1 mukaisesti uuteen reaktoriin kuuluu pohjaosa, joka on valmistettu kolmena osana rakenteen ja huollon helpottamiseksi, ja nämä osat ovat kansiosa 10, keskiosa 12 ja pohjaosa 14.

Kaikki kolme osaa on valmistettu metallista, joka on vuorattu tultakestävällä materiaalilla 16. Keski- ja pohjaosat muodostavat upokkaan sulan materiaalin 18 keräämiseksi. Keskiosa on varustettu aukoilla 20 kuonan ja metallituotteiden poistamiseksi tietyin aikavälein. Pohjaosassa on myös pohja-anodi 22, joka jäähdytetään tarvittaessa vedellä, öljyllä tai ilmalla, jota syötetään tuloputkeen 24 (poistokanavaa ei esitetty) ja joka il 11 71338 anodi on sovitettu liitettäväksi tasavirtatasasuuntaajän positiiviseen puoleen. Sula suojaa anodin hyvin plasmakaaren suoralta iskulta. Yläosa tai kansi 10 on varustettu keskiaukolla, johon on kiinnitetty vaippa 26, joka on sähköisesti eristetty kannesta rengaseristimen 28 avulla. Vaippaa 26 ympäröi kaksi samankeskeistä putkea, joiden välillä kierrätetään vettä tai muita jäähdytysaineita tulokanavan 30 kautta sisään ja poisto-kanavan 32 kautta ulos. Vaippa on valmistettu edullisesti metallista, kuten kuparista tai teräksestä käyttötarkoituksesta riippuen. Vaippa 26 voi tietyissä käyttötarkoituksissa olla myös vaihdettava grafiittivaippa. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää joissakin käyttötarkoituksissa jäähdyttämätöntä putkivaippaa. Rengaslevy 34 on hitsattu vaipan 26 yläpäähän ja katodiyksikkö kiinnitetty rengaslevyyn 34. Katodiyksikköön kuuluu katodi 36, jonka alapäähän on kiinnitetty irroitettava toriumvolfrämiä oleva katodikärki 38. Katodia ympäröi vaippasuutin 40, jonka erottavat katodista ylä- ja alasähköeristimet 42 ja jolloin plasmakaasua syötetään vaippasuuttimen tulokanavan 44 sisään ja katodikärkeen alaeristimissä 42 olevien jakoreikien kautta. Jäähdytysvaippa 46 on järjestetty katodin vaippasuuttimen ympärille jäähdytysainetta varten, jota syötetään sisään tulokanavan 48 kautta ja ulos poistokanavan 50 kautta. Katodikärki jäähdytetään myös saattamalla jäähdytysaine virtaamaan sisään tulo-kanavan 52 kautta ja ulos poistokanavan 54 kautta. Sähköliitin 56 on hitsattu katodiin liitettäväksi tasavirtasuuntaajän negatiiviseen puoleen. Vaihtoehtoisesti voitaisiin käyttää muunkinlaisia katodeja yhdessä muutetun vaippasuuttimen ja jäähdytys-järjestelyn kanssa, jolloin esimerkiksi voidaan käyttää rengas-katodia ja plasmakaasu syöttää renkaan sisään ja siitä ulos tai ontelokatodia, jossa on alalla hyvin tunnettu kaaren magneettinen tai kaasuvirtaustabilointi.

Katodiyksikkö on liukuvasti sovitettu sähköeristimeen 58, joka on kiinnitetty renkaaseen 60 pulteilla 59. Rengas 60 on kiinnitetty rengaslevyyn 34 pulteilla 62. Liikemekanismi (ei esitetty) on järjestetty mukaan katodin pystyasennon säätämiseksi vaipassa 26 kaaren aloittamiseksi (tai uudelleen aloittamiseksi) 12 71 338 saattamalla katodikärki lähelle anodia (upokkaassa oleva sula-kylpy) plasmapyIvään 64 muodostamiseksi katodin ja anodin välille. Piasmapylvään pituutta voidaan myös säätää siirtämällä katodia ylös ja alas parhaan mahdollisen toiminnan aikaansaamiseksi. O-renkaat 63 on järjestetty mukaan reaktorin tiivistämiseksi siten, että katodiyksikkö pääsee kuitenkin liikkumaan.

Syöttömateriaali kuljetetaan vaipan 26 sisään syöttöaukon 66 kautta kylmän kantokaasun avulla. Syöttömateriaali syötetään edullisesti tangentiaalisesti siten, että materiaali lingotaan keskipakovoimalla vaipan 26 sisäpintaa vasten. Materiaali sulaa piasmapylvään 64 säteilemän energian lämpövaikutuksesta ja sen annetaan valua alas pitkin vaipan 26 sisäseinää ja sen jälkeen pudota alla olevaan upokkaaseen. Katodissa ja myös plasmapyl-väässä muodostuneet elektronit neutraloituvat sulan kylvyn 18 pinnassa vapauttaen siten huomattavan rekombinaatiolämpönsä ja kuumentaen sulan kylvyn 18. Jauhemainen syöttömateriaali kulkee kylmän kantokaasun mukana ja tämä kaasu virtaa alas vaipan ja piasmapylvään välisessä rengastilassa siten, että vain hiukan sitä jää kiinni plasmapylvääseen. Kantokaasu lämmitetään tiettyyn pisteeseen konvektiivisella lämmönsiirrolla siten, että kantokaasu on kosketuksessa vaipan 26 pinnassa olevaan sulaan kalvoon, mutta lämmitystä ei suorita plasmapylväästä tuleva säteily, koska sen säteilyn absorptiokyky on merkityksettömän pieni. Toisin sanoen se on säteilylle läpikuultava tai läpäisevä. Yleisesti ottaen vaipasta ulostyöntyvä kantokaasu on paljon alhaisemmassa lämpötilassa kuin piasmapylvään lämpötila. Sen jälkeen kantokaasu etenee ja virtaa kohti poistoaukkoja 68 ja johtuen suhteellisen alhaisesta lämpötilastaan se jäähdyttää tehokkaasti reaktorin yläosat, vaipan 26 takapinnan ja reaktorin katon sekä estää poistoaukkoja 68 ylikuumenemasta.

Aikaisemmin on jo painotettu sen seikan tärkeyttä, että käytetään järjestelmään mahdollisimman suurella hyötysuhteella syötettyä sähköenergiaa. Kuvio 2 esittää tehon jakautuman prosentteina, joka on mitattu eri kaaren pituuksilla yllä kuvatun tyyppisessä reaktorissa virran ollessa 150 - 350 amp ja käytettäessä 13 71 338 typpiplasmaa, kun taas kuvio 3 esittää tehon jaukautuman kilo-vatteina eri kaaren pituuksille virran ollessa 350 amp käytettäessä typpi- ja argonplasmoja.

Näistä kuvioista voidaan havaita, että suurin osa plasmaan toimitetusta energiasta menee laskeutuvan kalvomateriaalin käsittelyyn plasmapylväästä tulevalla säteilyllä sekä upokkaassa olevaan sulaan materiaaliin elektronirekombinaation kautta ja että vain pieni osa hukataan katodiyksikköön. Tällöin suurin osa toimitetusta energiasta tulee hyödyllisesti käytetyksi. Siitä huolimatta jää jäljelle kolme vääjäämätöntä lämpöhäviölähdettä: ensimmäinen lämpöhäviö kärsitään vaipan ja katodiyksikön jäähdyttämiseksi; toinen on lämpöhäviö poistokaasuihin; kolmas on lämpöhäviö, joka tapahtuu reaktorin seinämien läpi ympäristöön. Ensimmäisen suhteen voidaan kuviosta 2 todeta, että katodiyksikön viileänä pitämiseksi poistunut lämpö on alle 10 % toimitetusta kokonaisenergiasta. Sen on todettu olevan lähes vakio monissa käyttöolosuhteissa (kaaren pituus, virta, plasmakaasun virtausnopeus). Kokeellisesti on osoitettu, että osa tätä lämpöä saadaan talteen käyttämällä kylmää plasmanmuodostuskaasua katodiyksikön jäähdytysaineena mieluummin kuin vedellä tai öljyllä suoritettua jäähdyttämistä. Edelleen on havaittu, että tärkeätä on pikemminkin tämän kaasun nopeus kuin sen tilavuuden muutosaste katodikärjen suojaavan jäähdytyksen aikaansaamiseksi, jolloin nopeus myös määrää katodin käyttöiän. Reaktorin ja upokkaan seinämien ja katon läpi tapahtuvat lämpöhäviöt voidaan minimoida jättämällä käyttämättä vesijäähdytystä näissä osissa ja käyttämällä raskasta eristystä.

Lopuksi lämpöhäviö poistokaasuun on verraten pieni johtuen sen suhteellisen alhaisesta lämpötilasta ja pienestä lämpökapasiteetista .

Kokeellisesti on osoitettu, että paras toiminta saavutetaan tyhjentämällä tai juoksuttamalla upokas jaksottaisesti. Käytettäessä esimerkiksi upokasta, joka vetää kahdeksan tunnin toiminnasta saadun tuotteen, pitäisi upokkaan sisältö tyhjentää ]oka 14 71 3 38 neljäs tunti, jolloin noin puolet kuormituksesta voidaan poistaa. Mikäli käsiteltävä materiaali on sellaista, että sulan tuotteen päälle muodostuu kuonakerros, voidaan tämä helposti poistaa ylimmän poistoreiän 20 kautta. Kuonaton tuote voidaan poistaa kahden alemman poistoreiän 20 kautta tai tyhjentämällä upokkaan pohjan läpi.

Toimintaa ei tarvitse keskeyttää tyhjennettäessä tuote upokkaasta. Raaka-aineen syöttö voi jatkua samoin kuin ennenkin, josta seuraa plasmapylvään 64 piteneminen samanaikaisesti kun sulan metallin pinta upokkaassa laskee. Vaihtoehtoisesti voidaan lii-kemekanismiin (ei esitetty) kiinnitetty katodiyksikkö siirtää vaipassa 26 alaspäin siten, että plasmapylvään pituus ei muodostu liian suureksi.

Tuotteen hankala saastuminen tai pinttyminen upokkaassa voidaan välttää järjestämällä upokkaan seiniin ja pohjaan katkaistu grafiittikartio upokkaan kuumentamiseksi yhtenäisesti tai jäätynyt kerros.

Suurempien reaktoreiden kylvyn sekoitus voidaan suorittaa monilla anodeilla ja/tai magneettisella sekoituksella. Jälkimmäinen menetelmä on hyvinkin tunnettu.

On joitakin käyttötarkoituksia, joissa tämä plasmareaktori antaa ainutlaatuiset käyttömahdollisuudet reagoivien aineiden lisäyksen suhteen. Tätä valaisee parhaiten molybdeniitin hajottaminen molybdeeniksi: a. Lisäämättä hiiltä voidaan täydellinen rikin poisto saada aikaan sulkemalla jauheen syöttö ennen tuotteen tyhjennystä samalla ylläpitäen kaari, jonka energia hajaantuu sulaan, jossa sitä tarvitaan. Sulaan hajaantunutta osaenergiaa voidaan lisätä edelleen laskemalla katodia. Sen jälkeen tuote voidaan tyhjentää molybdeeninä tai sitä voidaan käsitellä edelleen erillisessä puhdistus- tai raffinoimisuunissa lisäämällä rautaa ferromolyb-deenin valmistamiseksi.

b. Lisäämällä hiiltä saadaan aikaan rikin poisto pieniin 15 71 338 rikkimääriin hiilisaastumisen kustannuksella. Hiili ja jäljellä oleva rikki voidaan poistaa erillisessä raffinoimisuunissa molybdeenin valmistamiseksi tai vaihtoehtoisesti lisäämällä rautaa raffinoimisuuniin ferromolybdeenin valmistamiseksi.

Useita käyttötarkoituksia on tutkittu tässä plasmajärjestelmässä. Seuraavaksi on esitetty kolme esimerkkiä vastaavassa järjestyksessä molybdeenin, ferrovanadiinin ja ferroniobin valmistuksesta.

Esimerkki 1: Molybdeenin valmistus a. Molybdeniitin konsentraattia (54,5 % Mo, 39 % S) syötettiin yllä kuvatun tyyppiseen plasmareaktoriin laskevan kalvon (tyypillisesti 2,5 mm paksu) muodostamiseksi vaipan (sisähalkaisija 38 mm) sisäseinään tehon ollessa 22 kW, jolloin käytettiin typpeä plasmakaasuna ja kaaren pituutta 11 cm. Hiiltä ei lisätty. Seu-raavassa taulukossa on esitetty saadun lopputuotteen kemiallinen analyysi jämettämisen ja ilman syöttöä tapahtuneen lämpökäsittelyn jälkeen. On tärkeätä huomata, että rikin poistumisen lisäksi tapahtui epäpuhtauksien (lyijy, antimoni, vismutti, kupari, fosfori jne.) huomattava poistuminen.

Taulukko 1

Pienten alkuaineiden eliminointi molybdeniitistä _Mo S Pb Sb Bi Cu P As_

Molybdeniitti, % 54.5 39 0.020 0.08 0.0042 0.288 0.01 0.018

Molybdeenituote, % 98.0 0.14 0.0057 0.021 0.0026 0.0287 0.003 0.025

Poistuma, %_- 99.9 84 85 66 94 83 23_ b. Molybdeniitti konsentraattia syötettiin jatkuvasti yllä kuvatun tyyppiseen plasmareaktoriin, jossa vaippa ja upokas oli vuorattu grafiitilla laskeutuvan kalvon muodostamiseksi tehon ollessa 24 kW, jolloin käytettiin argon plasma kaasua ja kaaren pituus oli 18 cm. Tuote sisälsi 94,2 % Mo, 2,8 % S ja 2,95 % C. Samanlaisessa kokeessa käyttämällä typpeä tehon ollessa 38,5 kW tuote sisälsi 92,5 % Mo, 0,24 % S ja 4,6 % C. Hiilipitosuus oli peräisin vaipan ja upokkaan vuorauksesta; tästä syystä hiili on 16 71 338 epäedullinen rakennemateriaalina tässä käyttötarkoituksessa, c. Molybdeniitti konsentraattia ja 8 paino-% lisättyä hiiltä syötettiin jatkuvasti yllä kuvatun tyyppiseen plasmareaktoriin vaipan ja upokkaan ollessa molempien vuorattuina grafiitilla laskevan kalvon muodostamiseksi tehon ollessa 37 kW, jolloin typpeä käytettiin plasmakaasuna ja kaaren pituus oli 12 cm.

Tuote sisälsi 92,1 % Mo, 0,085 % S ja 6,7 % C.

On tärkeätä huomata, että jälkimmäisessä esimerkissä hiiltä ei lisätty syöttömateriaalin tekemiseksi sähköisesti johtavaksi, kuten aikaisemmin mainitussa MacRaen ja Goldin patentissa piti tehdä, vaan sitä lisättiin rikin lopullisen poistumisen edistämiseksi korvausreaktiolla: M0S2 + C -> MoC + S2.

Yllä kuvatuissa esimerkeissä b ja c hiilen poisto tuotteessa voidaan suorittaa erillisessä astiassa lisäämällä palalla hyvin tunnetulla menetelmällä valssihilsettä tai rautaoksidia.

Esimerkki 2: Ferrovanadiinin valmistus

Vanadiinipentoksidia (99 %) lisättiin plasmareaktoriin ja käsiteltiin 17 kW:11a käyttämällä argon- ja typpiplasmakaasua ja arkin pituuden ollessa 5,5 cm, jolloin käsittely suoritettiin raudalla ja hiilellä. Tuote sisälsi 79,4 % V, 18 % Fe ja 0,6 %C. Tästä syystä tämä tuote oli hyvin lähellä tälle korkeatasoiselle seokselle asetettua tavoitetta, joka oli 80 % ferrovanadiinia.

Esimerkki 3: Ferroniobin valmistus

Pyroklooria (62 % Nb20^, 3 % Si02, 3 % TiC>2 , 13 % CaO, 6 % Na20 plus K2O) lisättiin plasmareaktoriin ja käsiteltiin 22 kW:11a käyttäen argon- ja typpiplasmakaasua ja kaaren pituutta 7 cm, jolloin käsittely suoritettiin raudalla ja hiilellä. Tuote si-sälti 43 % Nb, 46 % Fe ja 2,6 % C, ja inertit ainesosat muodostivat kuonan.

Esimerkeissä 2 ja 3 painotetaan jälleen sitä, että hiiltä lisättiin ainoastaan metallurgisen pelkistyksen suorittamiseksi.

17 71 338

Yllä kuvatu plasmareaktorin tärkeimmät tunnusmerkit voidaan yhteenvetona esittää seuraavasti: 1. Suurin osa plasmakaasuun toimiteusta energiasta menee laskevaan kalvomateriaaliin, jota käsitellään plasmapylväästä tulevalla säteilyllä sekä upokkaassa olevaan sulaan materiaaliin elektronirekombinaation kautta. Lämpöhäviön pieneminen saadaan aikaan välttämällä upokkaan jäähdytystä aina kun se on mahdollista käyttämällä raskasta eristystä (vastaa upokkaan vuorauksen pitämistä sulan lämpötilaan soveltuvassa lämpötilassa) käyttämällä kylmää plasmanmuodostuskaasua katodiyksikön jäähdy-tysaineena sekä käyttämällä kylmää kantokaasua vaipan takapinnan ja reaktorin katon jäähtymisen edesauttamiseksi. Lämpöhäviö poistokaasuun on myös vähäinen, koska se kuumennetaa ainoastaan tiettyyn määrään virtaavalla lämmönsiirrolla kosketuksessa vaipan pinnassa olevaan sulaan kalvoon, jolloin plasmapylväästä tuleva säteily ei suorita kuumennusta, koska sen säteilyn absorptiokyky on merkityksettömän pieni.

2. Keksinnön mukaisessa plasmarakenteessa päinvastoin kuin U.S. Patentin 4,234,334 mukaisessa ei tarvitse lisätä syöttöön sähköisesti johtavaa materiaalia, kuten hiiltä johtavan laskeutuvan kalvon ylläpitämiseksi ja anodin pettämisen estämiseksi, koska nimenomaan upokkaassa oleva sula johtaa tehokkaasti virtaa ja on sähkökosketuksessa anodiin. Toisaalta hiiltä voidaan lisätä reagoivana aineena karbometrisen pelkistyksen suorittamiseksi tarvittaessa.

3. Keksinnön eräs toinen tärkeä tunnusmerkki on liikkuvan katodin käyttö. Tällä saadaan aikaan hyvin helppo kaaren käynnistys (tai uudelleen käynnistys) saattamalla katodikärki lähelle anodia. Tällä saadaan myös aikaan kaaren pituuden säätö optimi-toiminnan kehittämiseksi, eli vaihtamalla energian suhteellinen jaukautuma sulaan ja laskevaan kalvoon. Lopuksi tällä mahdollistetaan kaaren pituuden säätö sulan kylvyn pinnan korkeuden mukaisesti.

4. Kaaren pysyvyys ja sen kehittämä plasmapylväs muodostuvat kantokaasun voimakkaasta keskipakovaikutuksesta vaipassa.

5. Upokkaan suuri kapasiteetti mahdollistaa hyvin pitkän viipy-misajan reaktion saattamiseksi loppuun. Reaktiota nopeuttaa 18 71338 anodikaaren tyvessä vapautunut suuri lämpömäärä. Tätä erikoispiirrettä voidaan käyttää hyväksi lisäreaktion suorittamiseksi syötön lopettamisen jälkeen.

Yllä kuvattujen tunnusmerkkien lisäksi keksinnön mukaisella plasmareaktorilla on seuraavat 1isätunnusmerkit: 1. Reaktorin rakenne on kaasutiivis. Tämä rakenne varmistaa valvottujen ja ohjattujen olosuhteiden säilymisen reaktorissa ilman pääsemättä saastuttamaan sitä.

2. Reaktori mahdollistaa myös hyvät työolosuhteet: alhainen melutaso; ei liian kuumaa työalueella; ei pölyä.

3. Reaktorirakenne on hyvin turvallinen. Vesivuodot pyrkivät sammuttamaan kaaren.

4. Plasmanmuodostuskaasun valinnassa on huomattavan paljon mahdollisuuksia: argonia ja typpeä on molempia tutkittu perusteellisesti ja niiden jännite- virtaominaisuudet eri kaaren pituuksille on määritelty, kuten kuviossa 4 on esitetty argonplasman kohdalla ja kuviossa 5 typpiplasmalle. Vetyä voidaan käyttää mikäli tarvitaan pelkistävää ympäristöä. Se muodostaa myös hyvin suuren energiapitoisuuden omaavan liekin. Edelleen voidaan käyttää metaania ja hiilimonoksidia, mikäli tarvitaan pelkistys-olosuhteita. Samoin on osoitettu, että kloorikaasun plasmaa voidaan käyttää jonkun kloridiyhdisteen valmistamiseksi, esimerkiksi ZrC^den muuttamiseksi ZrCl^:ksi (O. Biceroglu ja W.H. Gauvin: "Chlorination Kinetic of ZrC>2 in an R.F. Plasma Flame", esitetty tilaisuudessa nimeltä Fourth International Symposium on Plasma Chemistry, Zurich, Sveitsi, elokuu 1979).

5. Johtuen rakenteen yksinkertaisuudesta on rakenneparametrien määrittäminen helppoa reaktorin mitoittamiseksi mille tahansa tehovaatimuksille. Kokeellisesti on esimerkiksi määritelty, että virran kasvaessa jännitegradientti liekkipylvvään pituus-yksikköä kohti saavuttaa vakaan ja pysyvän arvon. Tällöin siis plasmapylväs kykenee kestämään hyvin suuria virtoja ja siis suuria tehoja.

6. Rakenne eliminoi suurimman osan tai osan syöttömateriaaleis-sa olevista haihtuvista epäpuhtauksista. Tällöin molybdeenin valmistuksessa saadaan magnesium, natrium ja kalium täysin 19 71338 eliminoiduiksi. Kupari, lyijy, sinkki, arseeni, fosfori, vismut-ti ja antimoni epäpuhtaudet vähenevät suuresti. Tällöin siis erittäin paljon epäpuhtauksia sisältävä syöttö voidaan jalostaa ja puhdistaa siten, että saadaan hyväksyttävää laatua oleva tuote.

7. Reaktoria voidaan käyttää myös uudelleen sulatukseen ja laadun parannukseen tai sulametallivirran käsittelemiseksi haitu-vien epäpuhtauksien poistamiseksi, jolloin lisäkustannukset ovat vähäiset.

8. Virtauksen lisääminen epäpuhtauksien puhdistamiseksi ja kuonan poistamiseksi voidaan suorittaa joko vaipan tulokanavan 66 kautta tapahtuvan jauhesyötön yhteydessä tai erikseen sulan yläpuolelta upokkaan seinämässä tai katossa olevan suljettavan aukon kautta.

9. Raudan tai jonkun muun seosmuodostusainesosan lisääminen voidaan myös suorittaa joko vaipan tulokanavan 66 kautta tapahtuvan jauheen syötön yhteydessä tai erikseen sulan yläpuolelta upokkaan seinämässä olevan suljettavan aukon kautta. Vaihtoehtoisesti voidaan todeta, että silloin kun on lämpödynaamisestι epäedullista lisätä rautaa plasmareaktoriin, jolloin esimerkiksi on rikkiä läsnä, tämä pitäisi tehdä ulkopuolisessa uunissa, jota voidaan käyttää ainoastaan lisäpuhdistukseen.

Esillä olevan keksinnön mukaista plasmareaktoria voidaan edullisesti käyttää prosessirikastuksessa ferromolybdeenin tai molybdeenin valmistamiseksi, kuten W.H. Gauvin, G.R. Kubanek ja G.A. Irons ovat esittäneet artikkelissa " The Plasma Production of Ferronolybdenum-Process Development and Economics" julkaisussa Journal of Metals, osa 23, no 1, sivut 42 - 46, tammikuu 1981 tai reaktoria voidaan myös käyttää muiden rautaseosten ja metallien valmistuksessa.

Claims (19)

20 71338

1. Siirretyllä kaarella (64) varustettu plasmareaktori kemiallisiin ja metallurgisiin käyttötarkoituksiin, tunnettu siitä, että reaktoriin kuuluu: a) pohjaosa (10, 12, 14), joka muodostaa upokkaan sulan materiaalin keräämiseksi; b) anodi (22) , joka on järjestetty koskettamaan upokkaassa olevaa sulaa materiaalia; c) vaippa (26), joka on asennettu mainitun upokkaan päälle ja sähköeristetty siitä; d) katodiyksikkö, johon kuuluu mainitun vaipan (26) päälle asennettu ja siitä sähköeristetty katodi (36); e) elimet kantokaasun lähelle vaipan yläpäätä kuljettaman syöttömateriaalin ohjaamiseksi tai syöttämiseksi siten, että syöttömateriaali tulee vasten vaipan (26) sisäseinää, sulattaa katodin (36) ja sulan materiaalin väliin muodostuneen plasmapylvään (64) heijastaman lämpöenergian vaikutuksesta sulaa materiaalia olevan laskeutuvan kalvon muodostamiseksi, joka kalvo valuu alas pitkin vaipan (26) sisäseinää ja putoaa alla olevaan upokkaaseen; ja f) reaktorin pohjaosassa (10, 12, 14) olevat poistoaukot (68) plasman ja kantokaasujen poistamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen plasmareaktori, tunnettu siitä, että mainittu katodi (36) liikkuu pystysuunnassa plasmakaaren (64) aloittamiseksi saattamalla katodi-kärki (38) lähelle sulaa materiaalia (18) sekä kaaren pituuden säätämiseksi parhaan mahdollisen toiminnan aikaansaamiseksi.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen plasmareaktori, tunnettu siitä, että siihen kuuluu lisäksi elimet (46, 48, 50, 52, 54) mainitun katodiyksikön jäähdyttämiseksi. 21 71338

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen plasmareaktori, tunnettu siitä, että siihen kuuluu lisäksi elimet (30, 32) mainitun vaipan (26) jäähdyttämiseksi.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen plasmareaktori, tunnettu siitä, että reaktorin pohjaosaan (10, 12, 14) on muodostettu useita tyhjennysaukkoja (20) sulan tuotteen (18) poistamiseksi tietyin aikavälein upokkaasta.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen plasmareaktori, tunnettu siitä, että siihen kuuluu lisäksi elimet (24) mainitun anodin (22) jäähdyttämiseksi.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen plasmareaktori, tunnettu siitä, että siihen kuuluu lisäksi elimet mainitun upokkaan jäähdyttämiseksi.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen plasmareaktori, tunnettu siitä, että mainittu upokas on valmistettu tulen kestävästä materiaalista (16), joka muodostaa raskaan eristyksen siten, että lisäjäähydytystä tarvitaan mahdollisimman vähän tai ei lainkaan.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen plasmareaktori, tunnettu siitä, että mainittu vaippa (26) on valmistettu metallista.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen plasmareaktori, tunnettu siitä, että mainittu vaippa (26) on vuorattu tulen kestävällä materiaalilla.

11. Menetelmä hiukkasmaisen materiaalin käsittelemiseksi korkeassa lämpötilassa käyttämällä plasmareaktoria, johon kuuluu upokkaan muodostava pohjaosa (10, 12, 14) sulan materiaalin vastaanottamiseksi, upokkaassa olevan sulan materiaalin kanssa kosketuksessa oleva anodi (22), upokkaan 22 71 338 päälle asennettu ja siitä sähköeristetty vaippa (26), mainitun vaipan päälle asennetun ja siitä sähköeristetyn katodin (36) käsittävä katodiyksikkö sekä reaktorin pohjaosassa olevat kaasun poistoaukot (68), tunnettu siitä, että menetelmään kuuluu seuraavat vaiheet: a) kantokaasun vaipan yläpään lähelle kuljettaman syöttö-materiaalin syöttö sellaisessa paineessa, että materiaali työntyy vasten vaipan (26) sisäseinää; b) kaaren (64) muodostaminen katodin (36) ja anodin (22) väliin syöttömateriaalin sulattamiseksi ja sulaa materiaalia olevan laskevan kalvon muodostamiseksi vaipan (26) sisäseinämään, joka kalvo putoaa alla olevaan upokkaaseen; c) sulaa materiaalin (18) laskeminen pois upokkaasta.

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sitä käytetään metallisten komponenttien hajotukseen metallin talteen ottamiseksi.

13. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sitä käytetään metallisten komponenttien pelkistykseen metallin talteen ottamiseksi.

14. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sitä käytetään metallisten komponenttien sulatukseen.

15. Patenttivaatimuksen 12, 13 tai 14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että syöttömateriaaliin lisätään virtaavaa ainetta materiaalissa olevien epäpuhtauksien puhdistamiseksi ja kuonan poistamiseksi.

16. Patenttivaatimuksen 12, 13 tai 14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että seosyhdiste lisätään syöttö-materiaaliin seoksen muodostamiseksi.

17. Patenttivaatimuksen 12, 13 tai 14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että materiaali sisältää huomattavan i< 23 71 3 3 8 määrän rikkiä ja että syöttömateriaalin syöttö katkaistaan ennen kaaren (64) sammutusta siten, että kaaren energia hajoaa täysin sulaan materiaaliin ennalta määrätyksi ajanjaksoksi rikin poistamiseksi syöttömateriaalista olennaisesti täydellisesti.

18. Patenttivaatimuksen 11, 12 tai 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että plasman muodostuskaasua käytetään reagoivana aineena hapetus-, pelkistys-, klooraus- tai nitrausreaktioiden suorittamiseksi syöttömateriaalin kanssa.

19. Patenttivaatimuksen 11, 12 tai 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että syöttömateriaali syötetään tangentiaalisesti vaippaan (26) siten, että materiaali lingo-taan keskipakovoimalla vasten vaipan (26) sisäseinää. 71338 24