NO160621B

NO160621B - Plasmareaktor med overfoert lysbue for kjemiske og metallurgiske anvendelser.

Info

Publication number: NO160621B
Application number: NO822146A
Authority: NO
Inventors: William H Gauvin; George R Kubanek
Original assignee: Hydro Quebec
Priority date: 1981-07-30
Filing date: 1982-06-25
Publication date: 1989-01-30
Also published as: ZW11482A1; AU547820B2; JPS6053088B2; DE3267013D1; MX152755A; JPS5827937A; FI822044A0; FI71338C; EP0071351B1; BR8204051A; AU8349082A; FI822044L; US4466824A; US4519835A; CA1173784A; EP0071351A1; NZ200548A; FI71338B; NO160621C; ZA823282B

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en plasmareaktor med overført lysbue og som er egnet for kjemiske og metallurgiske anvendelser.

Anvendelse av plasmateknologi i kjemiske og metallurgiske prosesser er viet økende oppmerksomhet i de siste to åritier.

I den følgende beskrivelse defineres et plasma som en gass-lignende blanding av dissosierte molekyler, atomer, ioner og elektroner ved meget høye temperaturer. Graden av ionisering til ioner og elektroner avhenger av arten av vedkommende gass og dens temperatur.. Ved industrielle anvendelser ligger temperaturen av et plasma fra omkring 6.000°K til 25.000°K.

Det viktigste formål som søkes oppnådd ved dannelse og anvendelse av plasma er å skape et område med meget høy temperatur. Dette høye temperaturområde tillater ikke bare i høy grad økede reaksjonshastigheter i de fleste prosesser av industriell interesse, men tillater også ofte fraksjoner å finne sted som ikke ville være mulig ved de lavere temperaturnivåer som kan oppnås ved vanlige metoder, f.eks forbrenningsflammer eller oksyacetylen-flammer. Et godt eksempel på dette er termisk spalting av molybdendisulfid M0S2» SQm finnes i naturen som molybdenitt, ved temperaturer opp til 2900°K for direkte utvinning av molybdenmetall og dannelse av elementært svovel i dampform, som kan kondenseres separat til svovel i fast form, således at forurensningsproblemer unngås. I tillegg kan den plasma-dannende gass ofte anvendes som en reaktant, f.eks. for oksydasjon (oksygen og/eller luft), reduksjon (karbonmonooksyd, hydrogen eller naturgass), klorinering(klorgass) eller nitriddannende reaksjoner (nitrogen).

For praktiske formål dannes et plasma best ved hjelp av

en likestrøms-lysbue som opprettes mellom to elektroder (katode og anode) eller ved hjelp av elektrodeløs induktiv eller kapasitiv høyfrekvensko bling.

For at et plasmasystem skal være teknisk og økonomisk anvendbart fra et industrielt synspunkt må det oppfylle følgende betingelser: 1. Systemet må ha høy energivirkninqsqrad. Dette er sannsynligvis den viktigste fordring som må stilles til vedkommende plasmasystem, på grunn av den vanligvis høyere pris for elektrisk energi sammenlignet med vanlige brensel-materialer, slik som kull, olje og naturgass. Bare når sådant konvensjonelt brensel viser seg ute av stand til å frembringe den ønskede høye temperatur økonomisk bør en plasmaanvendelse komme i betraktning. 2. Spesifiserte fordringer til produktets renhet: bør oppfylles. Mange produkter fra metallurgiske eller kjemiske prosessreaksjoner må oppfylle meget strenge renhetsspesifikasjoner. I disse tilfeller må omsetningen av reaktantene til det ønskede produkt være nær 100%. Dette betyr også at bare små mengder eller ingen forurensninger kan tillates innført i systemet, hverken fra konstruksjonsmaterialene i produksjonsutstyret eller fra innslipp av luft eller andre gassforurensninger i systemet. 3. Den fysiske form av produktet må være industrielt qodtaqbart. Noen typer av plasmageneratorer er begrenset til dannelse av faste produkter i finfordelt form. Da produkter i denne form har begrenset anvendelse i metallurgiske prosesser (f.eks. pulvermetallurgi), bør det foretrekkes plasmasystemer som er i stand til å gi et produkt i smeltet form, som så kan støpes til barrer, da sådanne barrer lettere kan overføres til den ønskede endelige utforming. 4. Kapitalomkostninqer og driftsomkostninger bør være rimelige. Plasmasystemet bør være enkelt og ikke kreve omfattende behandling av det tilførte material eller avfallsmaterialet fra prosessen: Driften bør være kontinuerlig eller nesten kontinuerlig og være .egnet for fullstendig automatisering. Driften bør i høy grad kunne holdes fortløpende i gang med lite behov for vedlikeholds-arbeide. Elektrodenes tevetid bør være rimelig og elektrodeutskifting bør ta minst mulig tid. 5. Arbeidsforholdene og driftsomkostningene bør ha høy ■' standard. Driftsomgiyelsene for et plasmasystem bør være relativt fritt for støy- og varme-påkjenninger, samt for giftige damper og støv. De gasser som avgis fra gjenvinningsbehandling og tilbakeføring av støvinnholdct, samt også for gjenvinning av nyttig varme og fjerning av de forurensende kjemiske stoffer.

Mange anordninger er blitt utviklet for å frembringe plasmaet ved hjelp av elektriske lysbuer. Av disse er den blåste likestrøm-lysbue mest alminnelig, hvor den plasma-dannende gass blåses inn mellom en katode og en vannkjølt anode som ligger meget nær hverandre. Plasmaet trer ut fra blåsemunnstykket i form av en ekspanderende blåse- eller hale-flamme ved meget høy hastighet. En annen vanlig form er plasmadannelse ved høyfrekvensinduksjon, hvor et ytre elektrisk felt er koblet til et magnetisk felt inne i høyfrekvensgeneratoren, og derved danner en ildkule ved høye temperaturer. Selve plasmaet utgår fra et munnstykke i form av en ekspanderende stråle, som imidlertid typisk har lavere temperatur og hastighet enn ved nevnte likestrøm-generator. Blant de typer som ikke benytter gassblåsing, kan plasmadannelse med stort volum og lav hastighet frembringes mellom tre elektroder som er tilkoblet en 3-faset vekselstrømkrets, som er utstyrt med en start-lysbue. Endelig har under de senere år den overførte lysbue blitt gjenstand for øket oppmerksomhet for anvendelse ved fremstilling av keramiske materialer samt for metallurgiske prosesser. I plasmageneratorer av denne type frembringes en meget lang likestrøm-lysebue av en lengde fra noen få cm til en meter eller mer, mellom en katode og en anode som utgjøres av det ønskede materialprodukt i smeltet form. Lysbuen tar da form av en søyle av plasmagass ved høy temperatur. Temperaturen er høyest nær den ytterste ende av katoden og avtar langsomt henimot anoden. Temperaturen nær katodespissen ligger typisk nær 20.000°K for argon og avhenger til en viss grad av arten av den plasmadannende gass samt andre driftsforhold.

Den vitenskapelige litteratur og patentlitteraturen som omhandler plasmaanordninger og deres anvendelser er ganske omfattende. Inntil nu er mesteparten av forskningen på dette område blitt rettet mot undersøkelse av tekniske muligheter for å frembringe ønskede reaksjoner under plasmaforhold, heller enn mot optimalisering og styring av plasmasystemet på sådan måte at det blir økonomisk hensiktsmessig. Det siste forhold er imidlertid av aller høyeste viktighet, i betraktning av den høye pris for elektrisk energi. Som en følge av dette, og på tross av plasmageneratorer som er i stand til kontinuerlig drift ved effekter på flere megawatt er kommersielt tilgjengelig, er den nuværende anvendelse av plasmareaktorer i kommersiell skala faktisk begrenset til noen få prosesser, nemlig fremstilling av acetylen, fremstilling av titanoksyd, dissosiering av zirkonium-sand, smelteprosesser ved stålfremstilling samt smelting av spesielle stålarter. Anvendelse av plasma i heterogene høytemperatursystemer er

i det siste blitt inngående behandlet i en tidsskriftartikkel med tittel "Utilisation Industrielle Actuelle et Potentielle des Plasmas" av P. Fauchais (publisert i

Revue Phys. Appl. bind 15, fra og med side 1281, 1980).

Ved søking etter nye prosesser for fremstilling av ferrolegeringer fra deres konsentrater (f.eks- ferrokrom, ferromolybden, ferrovanadium, ferroniob, også kjent som ferrocolumbium, etc), og som ville være mindre kostnadskrevende og mindre forurensende enn de eksisterende konvensjonelle metoder, ble det antatt at plasmasystemer kunne gi visse fordeler. Den teknologi som nu anvendes for fremstilling av ferromolybden omfatter f.eks. røsting av konsentrat av MoS2 for å fremstille teknisk Mo03 med tilleggsproduksjon av store mengder S02~gass som må holdes fortløpende i gang med lite behov for vedlikeholds-arbeide. Elektrodenes Devetid bør være rimelig og elektrodeutskifting bør ta minst mulig tid. 5. Arbeidsforholdene og driftsomkostningene bør ha høy! standard. Driftsomgivelsene for et plasmasystem bør være relativt fritt for støy- og varme-påkjenninger, samt for giftige damper og støv. De gasser som avgis fra gjenvinningsbehandling og tilbakeføring av støvinnholdrt, samt også for gjenvinning av nyttig varme og fjerning av de forurensende kjemiske stoffer.

Revue Phys. Appl. bind 15, fra og med side 1281, 1980).

Ved søking etter nye prosesser for fremstilling av ferrolegeringer fra deres konsentrater (f.eks- ferrokrom, ferromolybden, ferrovanadium, ferroniob, også kjent som ferrocolumbium, etc), og som ville være mindre kostnadskrevende og mindre forurensende enn de eksisterende konvensjonelle metoder, ble det antatt at plasmasystemer kunne gi visse fordeler. Den teknologi som nu anvendes for fremstilling; av ferromolybden omfatter f.eks. røsting av konsentrat av MoS2 for å fremstille teknisk MoO^ med tilleggsproduksjon av store mengder SC^-gass som må skrubbes eller omvandles til svovelsyre. Oksydet bringes så til å reagere med ferrosilisium og aluminium i nærvær av jern i en satsprosess hvor blandingen innføres i en grunn grop av teglsten og sand og derpå tennes. Skjønt reaksjonen i seg selv er meget rask, går det meget tid med til kjøling av den massive barre av ferromolybden som dannes. Etter at slagghetten er fraskilt, brytes ferro-molybdenet opp i stykker av passende størrelse. Hele prosessen er arbeidskrevende og ledsages av en sterk utvikling av støv, røyk og varme. Plasmateknologien gir på den annen side mulighet for å utføre samme prosess i et enkelt prosesstrinn i samsvar med ligningen:

Det således fremstilte molybden kan så tilsettes den påkrevede jernmengde for å gi det endelige ferromolybden-produkt med ønsket Mo-innhold. Det bør bemerkes at svovelet her avgis som damp i elementærform og kan derfor samles opp og kondenseres separat, uten at dette medfører forurensningsproblemer. Det er blitt vist i en tidsskriftartikkel med tittelen "The Decomposition Kinetic of Molybdenite in an Argon Plasma" av R.J. Munz og W.H. Gauvin (publisert i AIChEJ., bind 21, nr. 6, sidene 1132-1142, 1975) at jo høyere reaksjonstemperaturen er jo raskere vil også reaksjonstakten være. De spesifiserte industrielle fordringer med hensyn til svovelinnholdet i ferromolybden for anvendelse ved stålfremstilling (dets viktigste anvendelse) er imidlertid ytterst strenge. Ikke mer enn 0,15% svovel må forekomme i produktet. Dette betyr at reaksjonen må være 99,9% fullstendig, da ellers det gjenværende svovel i produktet vil overskride den spesifiserte fordring. Spesifikasjonen av karboninnholdet er like streng. En plasmareaktor som er i stand til å fremstille molybden eller ferromolybden direkte i smeltet tilstand er således i høy grad å foretrekke fremfor en reaktor som frembringer molybdenpulver.

Ved leting etter en sådan plasmaprosess, ble den

publiserte vitenskapelige litteratur og patentlitteraturen kritisk undersøkt og mange eksperimentelle laboratorie-prøver ble utført... Alle systemer som gikk ut på kontakt mellom et pulverkonsentrat og en plasmaflamme måtte avvises av to grunner. Enten var nemlig kontakttiden mellom pulveret og den drivende plasmaflamme for kort (bare noen få millisekunder var tilgjengelig) til å gjennomføre reaksjonen fullstendig, eller også var endel av det pulver som kom ut fra den varme plasmasone enten ufullstendig behandlet eller ikke behandlet i det hele tatt. Man nå

være klar over at en omsetning til 99,9% betyr at bare en av tusen partikler kan tillates å fortsette ubehandlet. Likeledes måtte induktive og kapasitive plasmaer avvises på grunn av deh lave virkningsgrad ved fremstilling av det påkrevede høyfrekvensfelt (typisk 4 MHz) for dannelse av plasmaet. Omtrent 30% av den tilførte energi over samle-skinnene går tapt i de oscillatorer som frembringer høyfrekvensstrømmen. Et sammendrag som behandler de forsøk med uheldig utgang som er blitt utført ved hjelp av mange forskjellige plasmageneratoranordninger kan finnes i en publikasjon av G.R. Kubanek, R.J. Munz og W.H. Gauvin,

med tittelen "Plasma Decomposition of Molybdenum Disulpide", Proceedings of Third International Symposium on Plasma Chemistry, Limoges, Frankrike, 1977.

I betraktning av resultatene av det ovenfor angitte arbeide ble det besluttet at et plasmareaktorsystem med lysbuen overført til en smelte skulle utvikles for å oppfylle de foreliggende fordringer til energivirkningsgrad, produkt-renhet og så videre. Forskjellige systemer med likestrøm-lysbue er tidligere foreslått og utviklet for behandling av pulver tilført i smeltet form. Bemerkelsesverdig blant disse systemer er de følgende: a. Det ekspanderte precesserende plasmasystem (omtalt) av J.K. Tylko i US patentskrifter nr. 3.932.171 og 4.154.972 og andre beslektede patenter), hvor lysbuen overføres fra en katode som roterer om en midtakse til et smeltebad, idet fine partikler tilføres som et regn nedover rundt katoden. En mulig anvendelse er her fremstilling av ferrokrom fra kromitt.

b. Plasmareaktoren med varm vegg og kontinuerlig materialfremstilling (J.F. Bkrivan og J.D. Chase,

US patent nr- 3-856.918) og som består av en vanlig like-strøm-plasmaflamme, hvis varme gass utgår fra toppen av en sylinderformet reaktor. Fine partikler (titanholdig malm) tilføres pneumatisk like under reaktorens topp i en vinkel på omkring 45° for anslag mot og strømning nedover langs reaktorveggen, og reagerer derved med reduksjonsgassen. Det fremstilte smelteprodukt drypper fra reaktoren ned i en smeltedigel nedenfor. c. Plasmareaktoren med fallende smeltefilm (D.R. MacRae et al, US patent nr. 4.002.466 og kanadisk patent nr. 1.065.794) består av en øvre katode og en sylinderformet anodevegg, idet faste partikler tilføres pneumatisk og tangentialt nær toppen av anoden, således at det dannes en fallende film av smeltematerial på innsiden av anoden. Lysbuen treffer denne film slumpvis på steder som gir minst elektrisk motstand. Hvis denne film er kontinuerlig vil den således beskytte anoden, nedsette dens erosjonstakt å virke som en termisk isolator for å nedsette varmetapet til kjølevannet. Smeltematerialet faller så ned i en digel som det etterhvert tappes ut av.

Den sistnevnte plasmareaktor-anordning med fallende film og overført likestrøm-lysbue ble funnet å være den mest lovende. Denne anordning er blitt anvendt for reduksjon av jernmalm med karbonholdig faststoffreduktant samt en blanding av metan og hydrogen i gassen. Andre anvendelser omfatter fremstilling av ferrovanadium ved karbotermisk reduksjon av vanadiumoksyder, slik det er angitt i en avhandling med tittelen "Ferrovanadium Production by Plasma Carbothermic Reduction of Vanadium Oxide" av

D.R. MacRae, R.D. Gold, CD. Thompson og W.R. Sandall,

fra "Proceedings of Third International Symposium on Plasma Chemistry, Limoges, Frankrike, 1977, samt fremstilling av molybden fra molybden-disulfid, slik som angitt av D.R. MacRae og R.G. Gold i US patentskrift nr. 4.234.334.

I det sistnevnte patentskrift er det angitt at den innledningsvis ikke-ledende film av MoS2 frembragte kortslutning av lysbuen mellom katoden og et ubelagt område av anoden. Dette problem ble omgått ved tilsats av ledende material (fortrinnsvis karbon) til det tilførte råmaterial. Det bør bemerkes at materialet i smeltedigelen oppvarmes utelukkende ved hjelp av konveksjons-varmeoverføring fra de varme utløpsgasser som strømmer over materialets overflate. Et inngående studium av dette patentskrift viser at prosessen, slik den er beskrevet, er uhensiktsmessig ved industrielle anvendelser med strenge prosessfordringer av følgende grunner: 1. Tilsats av karbon til det tilførte MoS2 er nødvendig for å gjøre filmen på reaktorveggen elektrisk ledende. Tilsats av dette karbonmaterial fører til dannelse av molybdenkarbon som er termodynamisk stabilt og blir igjen som en forurensning i produktet, og behøver å fjernes fra dette ved en annen behandlingsprosess ved høy temperatur, i tillegg til plasmareaktorprosessen. 2. Renhetskravene til produktet er ikke tilfreds-stillet. Således er produktet ikke bare forurenset med ikke godtagbare karbonmengder, slik som omtalt i forrige avsnitt, men dets svovelinnhold er også for høyt og likeledes magnesiuminnholdet (slik som angitt i eksempel 3 i patent-skriftet) , skjønt den sistnevnte forurensning kan fjernes ved hensiktsmessig valg av digelmaterial eller ved tilsats av flussmiddel. 3. Anordningen er forholdsvis lite effektiv i sitt energiforbruk. Sterk kjøling ved hjelp av sirkulerende vann er påkrevet for å beskytte vegganoden fra den kraftige varme som frembringes pø veggen når elektronene i plasmagassen kombineres på veggoverflaten. Bare en del av denne energi anvendes således for materialsmelting og nedbrytning av den foreliggende film av M0S2. De store mengder kold gass som er påkrevet for å føre råmaterialets pulver-blanding sammen med de varme plasmagasser gir i tillegg et meget lavere temperaturnivå i de utløpsgasser som anvendes for å oppvarme digelmaterialet. Som en følge av dette slippes utløpsgassene ut ved en midlere temperatur som ikke kan utnyttes effektivt for oppvarming av smeltedigelen, men likevel utgjør et meget betydelig varmetap for anordningen som helhet. 4. Det nevnte patentskrift omtaler den innledende fylling av digelen med en jernsmelte for å frembringe en forlegering av ferromolybden etterhvert som det nyproduserte molybden faller ned i digelen og blandes med jernet, samt tilsats av jernpulver som elektrisk ledende material til det tilførte råmaterial med det formål å unngå errosjons-problemer og/eller ødeleggelse av anoden. Det bør imidlertid bemerkes at jernet vil forbinde seg med foreliggende svovel i anlegget for å danne FeS, som er termodynamisk meget stabilt. Dette vil føre til vesentlig svovelinnhold i det fremstilte produkt, hvilket gjør det teknisk og økonomisk vanskeligere å oppfylle de strenge forskrifter med hensyn til svovel. 5. Mens prosessen er i gang beskyttes anodeveggen av den fallende film av smeltet MoS2, som absorberer en betydelig andel av den varme som frembringes ved roten av den opprettede lysbue. Hvis det imidlertid ved et tidspunkt under prosessen skulle opptre en åpning i den fallende film, således at et lite område av anodeveggen blottlegges, vil imidlertid lysbuen fortrinnsvis opprettes på dette sted på grunn av dets bedre elektriske ledningsevne, hvilket vil føre til at dette område av anoden ødelegges, slik som beskrevet av MacRae og Gold i eksempel 2 i foreliggende patentskrift. Ut fra et sikkerhetssynspunkt bør det

bemerkes at en slik tildragelse som vil slippe vann fra kjølekappen inn i reaktoren, kan frembringe eksplosjon ved vannets kontakt med de store mengder smeltet metall i digelen.

Ved eksperimentelt arbeide har søkerne funnet at mange ulemper- med anordningen i henhold til ovenfor angitte US patentskrift nr. 4.234.334 samt de forskjellige andre systemer som er nevnt i den angitte vitenskapelige litteratur og patentlitteratur, kan overvinnes ved å

anvende en ny reaktorkonstruksjon med et bunnparti som danner smeltedigel for oppsamling av smeltet material, en anode anordnet for kontakt med det smeltede material i digelen, en muffe montert på oversiden av digelen og elektrisk isolert fra denne, en katodesammenstilling med en katode montert på toppen av muffen og elektrisk isolert fra denne, samt utstyr for å tilføre råmaterial drevet av en bæregass nær den øvre ende av muffen, slik at råmaterialet føres langs muffens innervegg og smeltes av den varme

energi som stråler ut fra et plasmasøyle som er opprettet mellom katoden og det smeltede material og danner en fallende film av smeltet material som strømmer nedover langs muffens innervegg og drypper ned i den underliggende smeltedigel, og utløpsåpninger i reaktorens bunnparti for å slippe ut bæregass og de plasmadannende gasser som ikke har deltatt i noen reaksjon.

Katoden er vertikalt bevegelig for igangsetting av plasma-lysbuen ved å bringe katodespissen i umiddelbar nærhet av det smeltede material, samt for styring av lysbuen til optimal drift.

Midler er normalt anordnet for avkjøling av katodesammenstillingen. I en foretrukket utførelse av foreliggende oppfinnelsesgjenstand, kan den kolde plasma-dannende gass sirkuleres gjennom katodesammenstiIlingen for nedkjøling av denne.

Muffen kan kjøles med vann eller andre kjølemidler hvis reaktorens temperaturnivå krever dette.

Bunnpartiet av reaktoren inneholder en anode som består av elektrisk ledende material som er inert overfor smeiten. Denne anode kan kreve nedkjøling (vann, luft, olje etter behov). I alminnelighet bør nedkjølingen av reaktorveggene og andre komponenter nedsettes til et minimum eller helt unngås ved bruk av isolasjon.

Et trekk ved foreliggende oppfinnelse er at tilsats av flussmiddel for raffinering eller slaggdannelse av forurensninger enten kan tilføres sammen med råmaterialet gjennom muffen eller separat fra oversiden av smeiten gjennom en stengbar åpning i digelens vegg eller overside. Tilsats av legeringsdannende bestanddeler kan også finne sted enten sammen med råmaterialet gjennom muffen eller separat til oversiden av smeiten gjennom en stengbar åpning i digelens vegg eller overside.

Oppfinnelsen vil nu bli nærmere beskrevet ved hjelp av utførelseseksempler under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå:

Fig. 1 viser et snitt gjennom en foretrukket utførelse av

en plasmareaktor i henhold til oppfinnelsen,

Fig. 2 og 3 viser effektfordelingen slik den er målt i reaktoren under anvendelse av argon- og nitrogen-plasma, og Fig. 4 og 5 viser spenning/strøm-karakteristikkene for reaktoren i henhold til oppfinnelsen ved anvendelse av argon- og nitrogen-plasmaer. Fig. 1 viser at den nye reaktor omfatter et bunnparti som er utført i tre deler for hensiktsmessig konstruktiv utførelse og vedlikehold, nemlig en overdel 10, en midtdel 12 og en bunndel 14. Alle disse tre deler er utført i metall foret med varmebes.tandig material 16. Midtdelen og bunndelen danner en digel for oppsamling av smeltet material 18. Midtdelen er utstyrt med åpninger 20 for periodisk fjerning av slagg og metallprodukter. Bunndelen rommer også en bunnanode 22 som, hvis nødvendig, er nedkjølt ved hjelp av vann,, olje eller luft som føres inn gjennom innløpsrøret 2 4 (.utløpet er ikke vist) , samt er utført for tilkobling til den positive side av en likeretter som avgir likestrøm. Anoden er godt beskyttet av smeiten mot å treffes direkte av plasma-lysbuen. Overdelen eller dekslet 10 er forsynt med en midtåpning hvori det er montert en muffe 26 som er elektrisk isolert fra dekslet ved hjelp av en ringisolator 28. Muffen 26 utgjøres av to konsentriske rør, og mellom disse sirkuleres vann eller andre kjølemidler som føres inn gjennom innløpet 30 og ut gjennom utløpet 32. Muffen er fortrinnsvis utført i metall, f.eks. kobber eller stål, alt avhengig av den foreliggende anvendelse. Muffen 26 kan også i visse anvendelser være en utskiftbar grafittmuffe. Alternatet kan en rørformet muffe uten kjøling anvendes i visse tilfeller. En ringformet plate 34 er sveiset til den øvre ende av muffen 26 og en katodesammenstilling er montert på denne ringformede plate 34. Denne katodesammenstilling omfatter en katode 36 i viss nedre ende det er montert en utskiftbar katodespiss 38 av toriumbelagt wolfram. Katoden er omgitt av et innløpshylster 40 som holdes i avstand fra katoden av øvre og nedre elektriske isolatorer 42, idet plasmagassen tilføres inn gjennom innløpet 44 til hylsterets innside, samt til katodespissen gjennom fordelingshull i de nedre isolatorer 42. En kjølekappe 46 er anordnet rundt katodens innløpshylster for føring av et kjølemiddel som innføres gjennom et innløp 48 og tas ut gjennom et utløp 50. Katodespissen nedkjøles også ved hjelp av et kjølemiddel som strømmer inn gjennom et innløp 52 og ut gjennom et utløp 54. Et koblingsstykke 56 er sveiset til katoden for forbindelse med den negative side av en likeretter som avgir likestrøm. Alternativt kan det anvendes andre katodetyper med modifiserte innløpshylstre og kjøleanordninger-, f.eks. en ringformet katode med plasmagass tilført på innsiden og utsiden av ringformen, eller en hulromskatode med magnetisk stabilisering eller gass-strømstabilisering av lysbuen,

slik det er vel kjent på dette fagområde.

Katodesammenstillingen er glidbart montert inne i en elektrisk isolator 58 som er fast forbundet med en ring 60 ved hjelp av bolter 59. Ringen 60 er festet til den ringformede plate 34 ved hjelp av bolter 62. En bevege1sesmekanisme (ikke vist) er anordnet for innstilling av katodens vertikale stilling inne i muffen 26 for igangsetting (eller fornyelse) av lysbuen ved å bringe katodespissen i umiddelbar nærhet av anoden (smeltebadet i digelen) for å danne en plasmasøyle 64 mellom katoden og anoden. Lengden av denne plasmasøyle kan også innstilles ved bevegelse av katoden oppover og nedover for optimal drift. O-ringer 63 er anordnet for avtetning av reaktoren, samtidig som de tillater bevegelse av katodesammenstillingen.

Råmaterialet tilføres til det indre av muffen 26 gjennom et innløp 66 ved hjelp av en kold bæregass. Dette tilførte råmaterial innføres fortrinnsvis tangentialt, således at materialet slyn<g>es sentrifugalt mot innerveggen av muffen 26. Materialet smeltes så under varmepåvirkning fra den energi som utstråles fra plasmasøylen 64, og tillates å flyte ned langs muffens innervegg og derpå dryppe ned i den underliggende digel. De elektroner som frembringes ved katoden og også inne i plasmasøylen, nøytraliseres på overflaten av smeltebadet 18, og avgir derved betraktelig kombinasjons-varme for oppvarming av smeltebadet 18. Den kolde bæregass som fører med seg råmaterial i pulverform drives til å strømme nedover i det ringformede hulrom mellom muffen og plasmasøylen, mens bare en del av gassen trekkes inn i søylen. Bæregassen blir' til en viss grad oppvarmet av overført konveksjonsvarme i kontakt med smeltefilmen på overflaten av muffen 26, men ikke av utstrålingen fra plasmasøylen, da gassens evne til strålingsabsorbsjon er ubetydelig. Gassen er med andre ord gjennomsiktig for stråling. Den gass som kommer ut av muffen har således vanligvis en meget lavere temperatur enn plasmasøylen.

Den fortsetter så å strømme mot utløpsåpningene 68, og på grunn av dens relativt lave temperatur vil den effektivt avkjøle de øvre deler av reaktoren, utsiden av muffen 26 samt reaktortaket, og bidra til å hindre overheting av utløpsåpningene 68.

Den store viktighet av å bruke den elektriske energi som tilføres reaktorsystemet med maksimal virkningsgrad er blitt understreket tidligere. Fig. 2 viser effektfordelingen i prosent, slik den er målt ved forskjellige lysbuelengder i en reaktor av den type som er omtalt ovenfor ved strømverdier på 150 - 350 amp. med et nitrogen-plasma, mens fig- 3 viser effektfordelingen i kw for forskjellige lysbuelengder ved en strømstyrke på 350 amp. ved anvendelse av nitrogen- og argon-plasmaer.

Det bør bemerkes at størstedelen av den energi som overføres til plasmaet går til den fallende materialfilm som behandles av utstrålingen fra plasmasøylen samt til smeltematerialet i digelen ved rekombinering av elektroner, mens bare en liten del g§r tapt i katodesammenstillingen. Mesteparten av den energi som tilføres går således til nyttig anvendelse. Tre uunngåelige kilder til varmetap foreligger imidlertid

fremdeles,og det første av disse tap oppstår ved avkjøling av muffen og katodesammenstillingen, mens det annet varmetap er til utløpsgassene, og det tredje varmetap finner sted gjennom reaktorveggene til omgivelsene. Med hensyn til det først-nevnte tap, vil det fremgå av fig. 2 at den varme som fjernes for å kjøle katodesammenstillingen utgjør mindre enn 10% av den samlede tilførte energi. Denne del har vist seg å være nesten konstant og uavhengig av forskjellige driftsforhold (lysbuelengde, strøm, plasmagass-strømning). Det er vist eksperi-mentelt at en del av denne varme kan gjenvinnes ved anvendelse av kold plasmadannende gass som kjølemedium for katodesammenstillingen, i stedet for kjøling med vann eller olje. Det er også funnet at det er hastigheten heller

enn mengdestrømmen av denne gass som er viktig for den beskyttende nedkjøling av katodespissen og bestemmer katodens levetid. Varmetap gjennom vegger og tak i reaktoren og smeltedigelen kan nedsettes til et minimum ved å utelate vannkjøling av disse deler, samt ved anvendeise av kraftig isolering.

Endelig er varmetapet i utløpsgassen forholdsvis lite, på grunn av dens relativt lave temperaturnivå og dens lille varmekapasitet.

Det er funnet eksperimentelt at de beste driftsforhold oppnås når digelen tappes med visse mellomrom. For en smeltedigel som kan romme tilstrekkelig smelteprodukt fra 8 timers drift, bør uttapping av digelinnholdet finne sted hver 4. time, hvorunder omtrent halvparten av digelinnholdet kan fjernes. Hvis det material som behandles er av sådan art at et sfegglag bør dannes ovenpå smelteproduktet, kan dette lett fjernes gjennom det øverste tappehull 20. Fremstilt produkt fritt for slagg kan da fjernes gjennom de nedre to tappehull 20, eller ved uttapping gjennom digelens bunn.

Reaktorens drift behøver ikke å avbrytes under tapping av produktet fra smeltedigelen. Tilførsel av råmaterial kan finne sted som tidligere, hvilket vil føre til en forlengelse av plasmasøylen 24 etterhvert som nivået av smeltet metall 18 i digelen senkes. Alternativt kan katodesammenstillingen, som er forbundet med en bevegelig mekanisme (ikke vist), forskyves nedover i muffen 26 således at plasmasøylens lengde ikke blir overdrevet stor.

Forurensning av det fremstilt produkt i smeltedigelen av ildfast material kan unngås ved dannelse av en såkalt salamander eller et skikt av størknet smelteprodukt langs veggene og bunnen av digelen.

Omrøring av badet ved større reaktorer kan oppnås ved hjelp av flere anoder og/eller ved magnetisk omrøring. Den sistnevnte metode er velkjent innenfor dette fagområde.

I visse anvendelser har denne plasmareaktor enestående driftstilpasning overfor tilsats av reaktanter. Dette kan best anskueliggjøres når det gjelder spalting av molybdenitt til molybden, hvor følgende forhold gjør seg gjeldende.

a. Uten tilsats av karbon kan fullstendig avsvovling oppnås ved å stenge av tilførselen av pulvermaterial før sluttproduktet tappes ut, samtidig som lysbuen opprettholdes slik at dens energi opptas i metallsmelten, hvor det er behov for den. Den del av energien som opptas av smeiten kan økes ytterligere ved å senke anoden. Det fremstilte produkt kan så tappes ut som molybden, eller behandles ytterligere i en separat raffineringsovn med tilsats av jern for fremstilling av ferromolybden.

b. Ved tilsats av karbon fremmes avsvovling til lave svovelnivåer på bekostning av karbonforurensning. Karbon pluss gjenværende svovel kan elimineres i en separat raffineringsovn for fremstilling av molybden eller alternativt ved tilsats av jern i raffineringsovnen for å fremstille ferromolybden.

Et antall anvendelser er studert for en sådan plasmareaktor. De følgende tre utførelseseksempler går ut på fremstilling av henhv. molybden, ferrovanadium og ferrocolumbium.

Eksempel 1: MolybdenfremstiIling

a. Molybdenitt-konsentrat (54,5% Mo, 39% S) ble tilført en plasmareaktor av den type som er angitt ovenfor, for å danne en fallende film (typisk 2,5 mm tykk) på innerveggen av muffe (indre diameter 38 mm) ved et effektnivå på 22 kw, med nitrogen som plasmagass og en lysbuelengde på II cm. Intet karbon ble tilsatt. Kjemisk analyse av det

oppnådde ferdige produkt oppnådd etter størkning og varmebehandling uten materialtilførsel, er vist i den etter-følgende tabell. Det er viktig å legge merke til at en betraktelig fjerning av forurensninger (bly, antimon, vismutt, kobber, fosfor og så videre) fant sted i tillegg til fjerning av svovel.

b. Molybdenkonsentrat ble.tilført kontinuerlig inn i en plasmareaktor av den type som er omtalt ovenfor og med en muffe og digel foret med grafitt, for dannelse av en fallende film ved et effektnivå på 24 kw ved anvendelse av argon som plasmagass og en lysbuelengde på 18 cm. Det oppnådde produkt inneholdt 94,2% Mo, 2,8% S og 2,95% C. I en lignende test med nitrogen som plasmagass ved 38,5 kW inneholdt det oppnådde produkt 92,5% Mo, 0,24% S og 4,6% C. Karboninnholdet hadde sin opprinnelse i foringen av muffen og smeltedigelen,og karbon er derfor uønsket som konstruksjons-material i denne anvendelse. c. Molybdenitt-konsentrat pluss 8 vekt% tilsatt karbon ble ført kontinuerlig inn i en plasmareaktor av den type som er angitt ovenfor og med en muffe og smeltedigel som begge var foret med grafitt for dannelse av en fallende film, ved et effektnivå på 37 kw ved anvendelse av nitrogen som plasmagass og med en lysbuelengde på 12 cm. Det fremstilte produkt inneholdt 92,1% Mo, 0,085% S og 6,7% C.

Det er viktig å legge merke til at karbon i det sistnevnte tilfelle ikke ble tilsatt med det formål å gjøre det tilførte råmaterial elektrisk ledende, slik det var et behov for i henhold til den lære som er fremsatt av MacRae og Gold samt omtalt ovenfor, men for å gi muligheter for den endelige fjerning av svovel med forskyvningsreaksjonen: MoS2 + C - > MoC+S2-

I eksemplene b og c ovenfor kan fjerning av karbon i sluttproduktet finne sted i et separat kar ved tilsats av glødeskall eller jernoksyd, i en prosess som er vel kjent innenfor dette fagområde.

Eksempel 2: Ferrovanadium- produksion

Vanadium-pentoksyd (99%) ble tilført plasmareaktoren og behandlet ved et effektnivå på 17 kW ved anvendelse av argon og nitrogen som plasmagass samt en lysbuelengde på 5,5 cm sammen med jern og karbon. Dette produkt inneholdt 79,4% V, 18% Fe og 0,6% C. Dette produkt lå derfor tett inntil det tilsiktede mål på 80% ferrovanadium for denne høyverdige legering.

Eksempel 3: Ferroniob- produkslon

Pyroklor (62% Nb205< 3% Si02, 3% Ti02, 13% CaO, 6% Na20 pluss K20) ble tilført plasmareaktoren og behandlet ved 22 kW ved anvendelse av argon og nitrogen som plasmagass samt en lysbuelengde på 7 cm sammen med jern og karbon.

Det fremstilte produkt inneholdt 43% Nb, 46% Fe og 2,6% C, samt inerte bestanddeler som dannet et slagg.

I eksemplene 2 og 3 fremgår det atter at karbon ble tilsatt bare for det formål å oppnå metallurgisk reduksjon.

De viktigste særtrekk ved den plasmareaktor som er omtalt ovenfor, kan sammenfattes på følgende måte: 1. Størsteparten av den energi som tilføres plasmagassen går til den fallende materialfilm som behandles under bestråling fra plasmasøylen(samt til det smeltede material i digelen ved rekombinasjon av elektroner. Nedsettelse av varmetapet er oppnådd ved å unngå kjøling av digelen i alle tilfeller dette er mulig, ved anvendelse av kraftig isolasjon (tilsvarer at det ildfaste digelmaterial holdes ved en temperatur som tilsvarer smelte-temperaturen), ved anvendelse av den kolde plasmadannende gass som kjølemedium for katodesammenstillingen, samt ved å anvende den kolde bærergass som bidrar til nedkjølingen av muffens utside samt taket på reaktoren. Varmetapet i den utstrømmende gass er også lite, da denne gass bare oppvarmes i moderat grad ved overføring av konveksjonsvarme i kontakt med den smeltede film på muffens overflate, men ikke ved utstråling fra plasmasøylen, da gassens evne til å

absorbere stråling er ubetydelig liten.

2. Ved foreliggende plasmautførelse i samsvar med oppfinnelsen er det i motsetning til utførelsen i henhold til US patent nr- 4-234.334 ikke noe behov for tilsats av elektrisk ledende material, slik som karbon, til det tilførte råmaterial med det formål å opprettholde en ledende fallende film og derved hindre anodesvikt, da det er smeiten i- digelen som effektivt leder strømmen og er i elektrisk kontakt med anoden. På den annen side kan karbon tilsettes som reaktant for å frembringe karbometrisk reduksjon, når dette er nødvendig. 3. Et annet viktig trekk ved foreliggende oppfinnelse er anvendelse av en bevegelig katode. Dette gir en meget lett igangsetting (eller fornyet opprettelse) av lysbuen ved å bringe katodespissen i umiddelbar nærhet av anoden. Dette trekk gir også muligheter for innstilling av lysbuelengden for å oppnå optimal drift, hvilket vil si forandring av den relative energifordeling mellom smeiten og den fallende film. Endelig tillates nevnte trekk innstilling av lysbuelengden i samsvar med smeltebadets overflatenivå. 4. Stabiliteten av lysbuen og den plasmasøyle den danner fremkommer ved den kraftige sentrifugalvirkning av bærergassen inne i muffen. 5. En meget lang oppholdstid for å tillate reaksjonen å fortsette til den er fullført, oppnås ved smeltedigelens høyekapasitet. Reaksjonen fremskyndes ved den store varme-mengde som frigjøres ved lysbueroten på anoden. Dette trekk kan hensiktsmessig utnyttes for det formål å utføre ytterligere reaksjon etter at materialtilførselen er stanset.

T tillegg til de ovenfor angitte trekk har plasmareaktoren i henhold til foreliggende oppfinnelse også følgende ytterligere særtrekk: 1. Reaktoren er utført gasstett. Denne utførelse sikrer vedlikehold av en regulert atmosfere inne i reaktoren, uten noen luftforurensning. 2. Reaktoren gir også gode arbeidsbetingelser, lavt støynivå og ingen overdreven varme i arbeidsområdet samt intet støv. 3. Reaktorkonstruksjonen er helt sikker. Vannlekkasjer vil ha en tendens til å slukke lysbuen. 4. Det er betraktelig frihet med hensyn til valg av plasmadannende gass, og både argon og nitrogen er blitt inngående undersøkt og deres spenning/strøm-karakteristikker er fastlagt for forskjellige lysbuelengder, slik som vist i fig. 4 for argonplasma og fig. 5 for nitrogenplasma. Hydrogen kan anvendes hvis en reduserende atmosfære er påkrevet. Denne gass gir også en flamme med meget høyt energiinnhold. Metan og karbonmonooksyd kan også anvendes hvis reduserende driftsforhold er påkrevet. Det er videre også påvist at et plasma av klorgass kan anvendes for å frembringe en klorforbindelse, f.eks. ved omsetning av ZrO^ til ZrCl^ (0. Biceroglu og W.H. Gauvin, "Chlorination Kinetic of ZrC^ in an R. R. Plasma Flame", som er en artikkel fremlagt ved "Fourth International Symposium on Plasma Chemistry", ZUrich, Sveits, august 1979). 5. På grunn av den enkle utførelse kan konstruksjons-parametre lett fastlegges for oppskalering av reaktoren for ethvert effektbehov. Det er f.eks. eksperimentelt fastlagt at når strømmen økes vil spenningsgradienten pr. lengdeenhet av flammesøylen ha uforandret verdi. Meget høye strømmer og således meget høye effekter kan således utnyttes ved hjelp av plasmasøylen. 6. Ved den foreliggende utførelse utelukkes størstedelen eller en del av de flyktige forurensninger i de tilførte råmaterialer. Ved fremstilling av molybden utelukkes således magnesiun, natrium og kalium fullstendig, mens kobber, bly, zink, arsen, fosfor, bismutt og antimon i høy grad nedsettes. Tilført råmaterial som inneholder en høy prosentandel av forurensninger kan således oppgraderes til å gi et produkt av godtagbar kvalitet. 7. Reaktoren kan også anvendes for gjentatt smelting og oppgraderingsprosesser, eller for behandling av en strøm av smeltet metall med det formål å eliminere flyktige forurensninger med lave tilleggsomkostninger. 8. Tilsats av flussmiddel for raffinering og slaggdannelse av forurensninger kan enten utføres ved tilført pulvermaterial gjennom muffeinnløpet 66 eller separat på smeltens overside gjennom en avtettbar åpning i smeltedigelens vegg eller tak. 9. Tilsats av jern eller andre legeringsdannende bestanddeler kan også finne sted sammen med det tilførte pulvermaterial gjennom muffeinnløpet 66 eller separat på smeltens overside gjennom en avtettbar åpning i digelveggen. I tilfeller hvor det er termodynamisk uheldig å tilsette jern til plasmareaktoren, f.eks. i nærvær av svovel, kan tilsatsen alternativt finne sted i en ytre smelteovn som også kan utnyttes for ytterligere raffinering.

Plasmareaktoren i henhold til oppfinnelsen kan med fordel anvendes i en løpende prosess for fremstilling av ferromolybden eller molybden, på den måte som er omtalt av W.H. Gauvin, G.R. Kubanek og G.A. Irons i en tidsskriftartikkel med tittelen "The Plasma Production of Ferromolybdenum-Process Development and Economics", Journal of Metals, bind 23, nr. 1. sidene 42-46, januar 1981, eller ved fremstilling av andre ferrolegeringer og metaller.

Claims

1. Plasmareaktor med overført lysbue (64) for kjemiske og metallurgiske anvendelser og karakterisert ved : a) et bunnparti (10, 12, 14) som danner en smeltedigel for det oppsamlede smeltede material (18), b) en anode (22) anordnet for kontakt med det smeltede material (18) i digelen, c) en muffe (26) montert på oversiden av digelen og. elektrisk isolert fra denne, d) en katodesammenstilling med en katode (36) montert på toppen av muffen (26) og elektrisk isolert fra denne, e) utstyr (66) for å tilføre råmaterial drevet av en bæregass nær den øvre ende av muffen (26), slik at råmaterialet føres langs muffens innervegg og smeltes av den varmeenergi som stråler ut fra en lysbue i form av en plasma-søyle (64) som er opprettet mellom katoden (36) og det smeltede material (18), samt danner en fallende film av sme.ltematerial som strømmer nedover langs muffens (26) innervegg og drypper ned i den underliggende smeltedigel, og f) utløpsåpninger (68) i reaktorens bunnparti (10, 12, 14) for å slippe ut plasmagasser og bæregass.

2. Plasmareaktor som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte katode (36) er anordnet bevegelig i vertikal retning for å kunne opprette plasma-lysbuen (64) ved å bringe katodespissen (38) i umiddelbar nærhet av det smeltede metall (18), samt for å kunne innstille lysbuens lengde for optimal drift.

3. Plasmareaktor som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at den videre omfatter utstyr (46, 48, 50, 52, 54) for kjøling av katodesammenstillingen.

4. Plasmareaktor som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at den videre omfatter utstyr (30, 32) for kjøling av muffen (26).

5. Plasmareaktor som angitt i krav 1, karakterisert ved at flere tappeporter (20) er anordnet i bunnpartiet (10, 12, 14) av reaktoren for periodisk uttak av smelteprodukt (18) fra digelen.

6. Plasmareaktor som angitt i krav 1, karakterisert ved at den videre omfatter utstyr (24) for kjøling av anoden (22).

7. Plasmareaktor som angitt i krav 1, karakterisert ved at den videre omfatter utstyr for kjøling av smeltedigelen.

8. Plasmareaktor som angitt i krav 1-7, karakterisert ved at smeltedigelen omfatter varmebestandig material (16) som danner en kraftig isolering, således at lite eller ingen kjøling er nødvendig.

9. Plasmareaktor som angitt i krav 1, karakterisert ved at muffen (26) er utført i metall.

10. Plasmareaktor som angitt i krav 9, karakterisert ved at muffen (26) er foret med varmebestandig material.

11. Fremgangsmåte for varmebehandling av partikkelmaterial ved høy temperatur under anvendelse av en plasmareaktor som omfatter et bunnparti (10, 14, 16) som danner en smeltedigel for å motta smeltet material (18), en anode (22) i kontakt med det smeltede material i digelen, en muffe (26) montert på oversiden av digelen og elektrisk isolert fra denne, en katodesammenstilling med en katode (36) montert på toppen av muffen (26) og elektrisk isolert fra denne, samt gassutløps-åpninger (68) i reaktorens bunnparti, karakterisert ved følgende prosesstrinn: a) råmaterial tilføres drevet av en bæregass til et sted nær den øvre ende av muffen (26) ved sådant trykk at materialet føres langs muffens innervegg, b) en lysbue (64) opprettes mellom katoden (36) og anoden (22) for å smelte det tilførte material og bringe dette til å danne en fallende film av smeltematerial langs muffens innervegg, og som drypper ned i den underliggende smeltedigel, og c) det smeltede material (18) tappes ut fra smeltedigelen.

12. Fremgangsmåte som angitt i krav 11, karakterisert ved at flussmiddel tilsettes det tilførte material med det formål å raffinere og danne slagg av forurensningene i materialet.

13. Fremgangsmåte som angitt i krav 11, karakterisert ved at en 1egeringsdannende forbindelse tilsettes det tilførte råmaterial for dannelse av en legering.

14. Fremgangsmåte som angitt i krav 11-13, i det tilfelle det tilførte material inneholder en betraktelig andel av svovel, karakterisert ved at material tilførselen avbrytes før lysbuen (64) slukkes, således at lysbuens energi helt opptas av smeiten (18) i et forut bestemt tidsrom for å oppnå hovedsakelig fullstendig avsvovling av det tilførte material.

15. Fremgangsmåte som angitt i krav 11-14, karakterisert ved at den plasma-dannende gass anvendes som en reaktant for oksydasjon, reduksjon, klorin-ering eller nitridering ved reaksjoner med det tilførte materi al.

16. Fremgangsmåte som angitt i krav 11-15, karakterisert ved at det tilførte material føres tangentialt inn i muffen (26), således at materialet sentrifugalt slynges mot muffens innervegg.

17. Anvendelse av reaktor som angitt i krav 1-10, for spalting av metallforbindelser for utvinning av metall.

18. Anvendelse av reaktor som angitt i krav 1-10, for reduksjon av metallforbindelser for utvinning av metall.

19. Anvendelse av reaktor som angitt i krav 1-10, for nedsmelting av metallforbindelser.