PL112809B1 - Method of separating metals and apparatus for separating metals - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób oddzielania metali oraz urzadzenie do oddzielania metali.Znane sa sposoby oddzielania metali w których surowiec zawierajacy metale jest poddawany odpa¬ rowywaniu i powstale pary metali po skondenso- 5 waniu w temperaturze topnienia sa zbierane w zbiornikach. Do odparowywania surowca stosuje sie miedzy innymi technike plazmy. Duza gestosc energii oraz czystosc wiazki plazmy pozwala na zastosowanie ekonomicznych metod hutnictwa me- 10 tali, a (zwlaszcza cennych i zazwyczaj trudno top- liwych 'metali i ich stopów.Znany imiedzy innymi z opisu patentowego Wiel¬ kiej Brytanii nr 1 383 380 sposób oddzielania metali polega na sproszkowaniu materialu, wprowadzeniu 15 materialu wraz z gazem do generatora plazmy, wytworzeniu wiazki plazmy z gazu i materialu oraz oddzieleniu 'komponentów za pomoca spek¬ troskopii .masowej.Znane z tego opisu urzadzenie do oddzielania 2( metali zawiera plazmotron z lukiem wewnejtrznym zawierajacy elektrode pierscieniowa i elektrode pretowa.W porównaniu ze znanymi prózniowymi piecami lukowymi oraz piecami elektronowymi, urzadzenia 25 plazmowe pozwalaja na uzyskanie metali o niskiej temperaturze topnienia, takich jak mangan, mo¬ libden, magnez itp., oraz takich skladników sto¬ pów metali, które latwo ulegaja utlenianiu -i sa chemicznie aktywne, jak tytan lub aluminium. 30 2 Technika plazmy przydatna jest takze do wytwa¬ rzania (monokrysztalów o duzych wymiarach oraz w metalurgii proszków do wytwarzania proszków metali o duzej czystosci, o równomiernych wymia¬ rach ziaren, w ksztalcie kuli.Znane i stosowane do tego celu urzadzenia plaz¬ mowe maja bardzo zlozona budowe, do wytwarza¬ nia wiazki plazmy wymagaja stasowania technicz¬ nie czystych gazów szlachetnych i wymagaja do¬ starczenia duzej ilosci energii.Istnieje takze niebezpieczenstwo zatkania gene¬ ratora plazmy sproszkowanym materialem jak równiez niebezpieczenstwo korozji czysci sklado¬ wych generatora plazmy z powodu obecnosci tle¬ nu w materiale, który ma byc rozdzielony. Prze¬ strzen manipulacyjna urzadzen tego rodzaju po¬ winna byc otoczona izolacja gazoszczelna, antyko- . rozyjna i cieploodporna, i dlatego nie moga byc one zasilane ubogim gazem ziemnym, chociaz ubo¬ gi gaz ziemny czyli gaz zawierajacy co najmniej 65 + 70% objetosciowych. C02 zastosowano juz do wytwarzania wiazki plazmy, co zastalo ujawnione w wegierskim opisie patentowym nr 150 916.Celem wynalazku jest opracowanie sposobu od¬ dzielania ¦metali, który nie ma wad sposobów zna¬ nych ze stanu techniki.Dalszym celem wynalazku jest opracowanie kon¬ strukcji urzadzenia do oddzielania metali, które charakteryzuje sie malym poborem mocy elek¬ trycznej. 112 809112 809 Cel wynalazku zaslal osiagniety przez to, ze wiazke .plazmy wytwarza sie iz ubogiego gazu ziemnego o duzej zawartosci gazów obojetnych, korzystnie zawierajacego co najmniej 60—70% objetosciowych C02.Gazy ziemne zawierajace glównie dwutlenek we¬ gla, i posiadajace w ten sposób, cechy gazu 'ochron¬ nego po przetworzeniu w wiazke lub strumien plazmy przy zaskakujaco malym (zapotrzebowaniu -na energie moga byc ekonomicznie wykorzystane do odparowywania materialów zawierajacych me¬ tale. Okazalo sie bowiem, ze po ustabilizowaniu wiazki plazmy do utrzymywania jej jest potrzebna . zaledwie drobna czastka mocy wykorzystanej do generowania i uruchamiania.Sposób oddzielenia metali wedlug wynalazku po¬ lega na odparowaniu surowca oraz kondensowaniu powstalych par metali przez chlodzenie do tempe¬ ratury ich topnienia.Ekonomicznosc sposobu wedlug wynalazku moz¬ na zwiekszyc przeksztalceniem gazu ziemnego po rozprezeniu w gaz roboczy podgrzany w rekupera- cyjnym ukladzie ogrzewania wstepnego, poniewaz mozna tym samym zwiekszyc skutecznosc jonizacji Celowe jest takze dodawanie tlenu do par metali, obecnych w wiazce plazmy, poniewaz w ten spo¬ sób 'mozna zwiekszyc erozje surowca.Cel wynalazku zostal osiagniety równiez przez to, ze urzadzenie zawiera reaktor polaczony z elek¬ troda pierscieniowa plazmotronu, przewód chlo¬ dzacy z zaworem regulacyjnym, przylaczony do elektrody pierscieniowej, co najmniej jedna prze¬ strzen chlodzaca o regulowanej temperaturze po¬ laczona z reaktorem, z tyglem do zebrania stopio¬ nego metalu, powstalego z kondensacji par metali, przy czym elektrody plazmotronu maja co naj- ' mniej jeden uklad chlodzenia gazowego. Urzadze¬ nie to charakteryzuje sie wielka prostota kon¬ strukcji i niezawodnoscia pracy.Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przy¬ kladzie wykonania na rysunku, na którym fi|. 1 przedstawia schemat urzadzenia wedlug wynalaz¬ ku w przekroju, fig. 2 fragment urzadzenia z fig. 1 w wiekszej skali.Jak przedstawiono na fig. 1 i 2 urzadzenie wed¬ lug wynalazku sklada sie z trzech czesci podsta¬ wowych.Pierwsza czesc podstawowa stanowi plazmotron 4, posiadajacy elektrode pretowa 3b o chlodzeniu gazowym oraz elektrode pierscieniowa 3a o chlo¬ dzeniu gazowym.Druga czesc podstawowa stanowi reaktor 5, przylaczony do elektrody pierscieniowej 3a plazmo¬ tronu 4.Trzecia czesc podstawowa stanowi jednostka destylacyjna, powiazana z reaktorem 5, i w przed¬ stawionym przykladzie wykonania skladajaca sie z trzech przestrzeni chlodzacych 9a, 9b, 9c.Elektroda pierscieniowa 3a plazmotronu 4 pola¬ czona jest z przewodem chlodzacym 16, zawiera¬ jacym zawór regulacyjny 1. Przestrzen chlodzaca elektrody pierscieniowejv 3a polaczona jest z prze¬ strzenia chlodzaca elektrody pretowej 3b, i przez nia z przestrzenia robocza plazmotronu 4. Elek¬ troda pierscieniowa 3a oraz elektroda pretowa 3b plazmotronu 4 zasilane sa z generatora 3.W reaktorze 5 istnieje przestrzen reakcyjna 5a, której koniec lewy wedlug rysunku, polaczony jest 5 z elektroda pierscieniowa 3a plazmotronu 4, a pra¬ wy z pierwsza przestrzenia chlodzaca 9a jednostki destylacyjnej. Przewód rurowy 17 laczy przestrzen reakcyjna 5a ze zbiornikiem 6. Dmuchawa 7 pola¬ czona jest z przewodem rurowym 17 miedzy zbior- io nikiem 6 a reaktorem .5. Do przewodu 17, za dmu¬ chawa 7 podlaczony jest przewód rurowy 18 do - transportu tlenu, w którym wbudowany jest za¬ wór regulacyjny 8.Jednostka destylacyjna sklada sie w przedsta- 15 wionym przykladzie wykonania z trzech przestrze¬ ni chlodzacych 9a, 9b, 9c, umieszczonych kolejno za soba- i posiadajacych po jednym termometrze lOa, lOb, lOc. Kazda przestrzen chlodzaca 9a, 9b, 9c otoczona jest plaszczem chlodzacym, a plaszcze te 20 polaczone sa przez zawory 12a, 12b, 12c z przewo¬ dem rozdzielajacym 12, a ich krócce wyjsciowe z przewodem zbiorczym 13.W przedstawionym przykladzie wykonania jed¬ nostka destylacyjna posiada króciec 14 polaczony 25 z przestrzenia chlodzaca 9c. Króciec 14 laczy jed¬ nostke destylacyjna z oddzielaczem 15 zanieczysz¬ czen stalych. Przez dolny króciec 15b oddzielacza wydala sie zanieczyszczenia stale, a przez górny króciec 15a odprowadzane sa oczyszczone gazy. 30 Jak widac na fig. 2, elektroda pretowa 3b po¬ siada trzpien gwintowany 3c, wprowadzony do sciany przestrzeni chlodzacej, przez co polozenie osiowe elektrody pretowej 3b jest regulowane.Sposób dzialania urzadzenia wedlug wynalazku 35 jest nastepujacy: Przewód chlodzacy 16 jest polaczony ze zródlem gazu ziemnego. Generator 3 jest napedzany za po¬ srednictwem turbiny gazowej, zasilanej ubogim gazem ziemnym i tym samym elektroda pierscie- 40 niowa 3a, wzglednie elektroda pretowa 3b jest pod napieciem. Przewód 18 powinien byc podlaczony do zródla tlenu, na przyklad do butli tlenowej.W tym stanie urzadzenie jest gotowe dó pracy.Otwarcie zaworu regulacyjnego 1 pozwala na 45 wprowadzenie gazu ziemnego do przewodu chlo¬ dzacego 16, przy czym gaz wskutek oddzialowywa- nia dlawiacego zaworu 1 ulega rozprezeniu i tym samym ochlodzeniu. Ochlodzony ubogi gaz ziemny, jako gaz roboczy przeplywa przez przestrzen chlo- 50 dzaca elektrody pierscieniowej 3a, nastepnie prze¬ wodem rurowym 2 dochodzi do* przestrzeni chlo¬ dzacej elektrody pretowej 3b, stad dalej do prze¬ strzeni roboczej plazmotronu 4. W tym czasie ubo¬ gi gaz ziemny, chlodzac elektrody sam sie pod- 55 grzewa, co wplywa na wspomaganie procesu joni¬ zacji. Gaz roboczy w przestrzeni roboczej plazmo¬ tronu 4 jest w znany sposób tworzony w wiazke plazmy i wiazka ta jest skierowana przez otwór elektrody pierscieniowej 3a clo przestrzeni reak- 60 cyjnej 5a reaktora 5.Urzadzenie wedlug wynalazku moze byc stoso¬ wane do przetwarzania proszków metali, wzgled¬ nie rud. W przypadku obrabiania proszku, jest on nasypany do 'zbiornika 6, z którego dmuchawa 7 85 transportuje go dalej do przestrzeni reakcyjnej 5areaktora 5. Wiazka plazmy wygenerowana przez elektrode pierscieniowa 3a plazmotronu 4 powo¬ duje wyparowywanie proszku i mieszanka prze¬ plywa przez otwór wyjsciowy przestrzeni reakcyj¬ nej 5a do jednostki destylacyjnej. Otwierajac za¬ wór regulacyjny 8 mozna wprowadzic do wiazki plazmy takze tlen dla wspomagania erozji proszku transportowanego do reaktora 5.Temperatury Tl, T2, wzglednie T3 trzech prze¬ strzeni chlodzacych 9a, 9b, wzglednie 9c jednostki destylacyjnej nastawia isie za pomoca zaworów re¬ gulujacych 12a, 12b wzglednie 12c w taki sposób, by odpowiadaly one temperaturom topnienia uzys¬ kanych metali, przy czym w przestrzeni chlodza¬ cej 9a kondenisuje sie metal o najwyzszej tempe¬ raturze topnienia, a w kolejnych przestrzeniach 9b, 9c metale o nizszych temperaturach topnienia.Metal skondensowany w przestrzeniach chlodza¬ cych 9a, 9b, 9c zbierany jest w tyglach lla, llb, wzglednie lic.Jezeli celem jest rozdzielenie (skladników stopu metali, a nie obróbka proszku metalowego, wzgled¬ nie rudy, to celowe jest wykonanie elektrody pre¬ towej 3b z danego stopu, i zastosowania jej jako elektrody zuzywajacej si^. Sposób jest zreszta taki sam, jak poprzednio.Gazy powstale w jednostce destylacyjnej sa od¬ prowadzane przez króciec odprowadzajacy 14 wraz z oddzielonymi zanieczyszczeniami stalymi do od¬ dzielacza 15, w którym nastepuje rozdzielenie na gazy wyprowadzane przez króciec 15a do góry, oraz na zanieczyszczenia wydalane przez króciec I5b, jak to przedstawiono na rysunku za pomoca strzalek.W urzadzeniu wedlug wynalazku elektrody sa chlodzone za pomoca gazu roboczego. Zamiast ga¬ zu oczywiscie mozna 'stosowac wode, chociaz chlo¬ dzenie gazem jest korzystndejsze, poniewaz gaz podgrzewa sie wstepnie w obiegu chlodzacym, wspomagajac tym samym proces jonizacji.Urzadzenie wedlug wynalazku charakteryzuje sie prosta konstrukcja. Pozwala ono na zastosowanie ubogich gazów ziemnych zawierajacych przede wszystkim dwutlenek wegla, do uzyskiwania trud¬ no topliwych metali o wielkiej czystosci ar a-z do oddzielenia skladników stopów metali.Urzadzenie stosowane korzystnie w przemysle metalurgicznym nie wymaga do pracy chemicznie czystych gazów. Pozwala na zastosowanie jako ga¬ zu roboczego ubogich gazów ziemnych po usunie¬ ciu z nich w znany sposób wody.Sposób oddzielania metali wedlug wynalazku jesit- zilustrowany za pomoca ponizszych przykladów.Przyklad 1. Ubogi gaz ziemny zawierajacy 96,3% C02, 1,32% Nz, 2,17% Clt 0,04% C2, 0,06% C3, 0,08% C4 i 0,03% C5 zapala sie i przepuszcza mie¬ dzy elektrodami zródla pradu stalego o srednim napieciu 350—450 V i natezeniu 5—6 A w ilosci 450—500 dcm8/godz. przy srednim cisnieniu 2 atm.W wyniku tego uzyskuje sie wiazke plazmy o dlu¬ gosci 100^1500 mm, o temperaturze 8500—8600°K.Proszek AI2O3 wdmuchuje sie z szybkoscia Okolo 0,5—1 g/min., przy czym jednoczesnie wprowadza sie tlen w ilosci okolo 15—20 1/godz. co stanowi maksymalnie 2—4% ilosci gazu. W przestrzeni re- L2 809 6 akcyjnej wytraca sie czyste aluminium w postaci proszku, przy czym straty powstale w postaci zgo¬ rzelin i pylów lotnych wynosza w przyblizeniu 30—40%. 5 Przyklad 2. Wiazke plazmy wytworzono w sposób opisany w przykladzie 1. Do przestrzeni reakcyjnej wdmuchiwano w ilosci okolo 2—3 g/min. wysuszony, proszkowany konstyfikowany szlam czerwony zawierajacy w procentach objetoscio- 10 wych Fe2Oa — 33,4%, A1203 — 15,1%, SiG2 — 10,0%, CaO — 18,40/o, MgO — 1,2%, Na^ — 3,2%, MnO - 0,1%, TiQ2 — 3,7%, SOa — 0,65%, 0205 — 0,14%, P^s — 0,3%. Proces ograniczono do wy¬ dzielenia tylko trzech skladników, których rozróz- 15 nienie na podstawie ich kolorów nie stanowilo zad¬ nej trudnosci. W wyniku tego procesu otrzymano A1203 o kolorze szaro-bialym, Ti02 o kolorze nie¬ bieskim i Fe203 o kolorze rdzawo-czerwonym.Energia elektryczna potrzebna do jonizacji .20 w sposobie wedlug wynalazku jest w przypadku zastosowania dowolnego plazmotronu jedynie drob¬ na czescia energii obecnej w wiazce plazmy o tem¬ peraturze blisko 10 000°C po rekombinacji, i fakt ten jest przyczyna zaskakujacej ekonomicznosci 25 sposobu wedlug wynalazku.Zastrzezenia patentowe 30 1. Sposób oddzielania metali, w którym za po¬ moca wiazki plazmy odparowuje sie surowiec, za¬ wierajacy metal a powstale pary metalu konden- suje sie przez chlodzenie do temperatur topnienia metali, znamienny tym, ze wiazke plazmy wytwa- 35 rza sie z ubogiego gazu ziemnego, o duzej zawar¬ tosci gazów obojetnych, korzystnie, zawierajacego co najmniej 65 + 70% objetosciowych COz. 2. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze wiazke plazmy wytwarza sie z ubogiego gazu ziem- 40 nego, który po rozprezeniu podgrzewa sie w reku- peracyjnym ukladzie podgrzewania wstepnego. 3. Sposób wedlug zastrz. I albo 2, znamienny tym, ze do wiazki plazmy wprowadza sie tlen wraz z odparowywanym metalem. 45 4. Urzadzenie do oddzielania metali, zawierajace plazmotron z lukiem wewnetrznym, wyposazony w elektrode pierscieniowa i elektrode pretowa, znamienny tym, ze ma reaktor (5) polaczony i z elektroda pierscieniowa (3a) plazmotronu (4), przewód chlodzacy (16) z zaworem regulacyjnym (1), polaczony z elektroda pierscieniowa (3a), co najmniej jedna przestrzen chlodzaca (9a, 9b, 9c) ,, .u o regulowanej temperaturze, polaczona z reakto¬ rem <5 i z tyglem (Ha, llb, lic) do zbierania sto- 55 pionego metalu, powstalego z kondensacji par me¬ talu, przy czym elektrody (3a, 3b) plazmotronu (4) maja co najmniej jeden uklad chlodzenia gazo¬ wego. 5. Urzadzenie wedlug zastrz. 4, znamienne tym, 60 ze zawiera uklad dozujacy polaczony z reaktorem (5) i skladajacy sie ze zbiornika (6) wbudowanego do przewodu rurowego (17) oraz dmuchawy (7). 6. Urzadzenie wedlug zastrz. 5, znamienne tym, ze zawiera przewód (18) z zaworem regulujacym 65 (8) dla dostarczenia tlenu do reaktora (5). \112 809 7 8 % 7. Urzadzenie wedlug zastrz. 4, znamienne tym, rozdzielanych metali, stanowi elektrode zuzywaja- ze katoda plazmotronu <4) wykonana jest ze stopu ca si? i zamocowana jest przesuwnie. llb— V.c Fig .1 3b' Fig. 2 RSW Zakl. Graf. W-wa, Srebrna 16, z. 334-81/0 — 100 + 20 egz.Cena 45 zl PL

Claims (7)

1. Zastrzezenia patentowe 30 1. Sposób oddzielania metali, w którym za po¬ moca wiazki plazmy odparowuje sie surowiec, za¬ wierajacy metal a powstale pary metalu konden- suje sie przez chlodzenie do temperatur topnienia metali, znamienny tym, ze wiazke plazmy wytwa- 35 rza sie z ubogiego gazu ziemnego, o duzej zawar¬ tosci gazów obojetnych, korzystnie, zawierajacego co najmniej 65 + 70% objetosciowych COz.

2. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze wiazke plazmy wytwarza sie z ubogiego gazu ziem- 40 nego, który po rozprezeniu podgrzewa sie w reku- peracyjnym ukladzie podgrzewania wstepnego.

3. Sposób wedlug zastrz. I albo 2, znamienny tym, ze do wiazki plazmy wprowadza sie tlen wraz z odparowywanym metalem. 45

4. Urzadzenie do oddzielania metali, zawierajace plazmotron z lukiem wewnetrznym, wyposazony w elektrode pierscieniowa i elektrode pretowa, znamienny tym, ze ma reaktor (5) polaczony i z elektroda pierscieniowa (3a) plazmotronu (4), przewód chlodzacy (16) z zaworem regulacyjnym (1), polaczony z elektroda pierscieniowa (3a), co najmniej jedna przestrzen chlodzaca (9a, 9b, 9c) ,, .u o regulowanej temperaturze, polaczona z reakto¬ rem <5 i z tyglem (Ha, llb, lic) do zbierania sto- 55 pionego metalu, powstalego z kondensacji par me¬ talu, przy czym elektrody (3a, 3b) plazmotronu (4) maja co najmniej jeden uklad chlodzenia gazo¬ wego.

5. Urzadzenie wedlug zastrz. 4, znamienne tym, 60 ze zawiera uklad dozujacy polaczony z reaktorem (5) i skladajacy sie ze zbiornika (6) wbudowanego do przewodu rurowego (17) oraz dmuchawy (7).

6. Urzadzenie wedlug zastrz. 5, znamienne tym, ze zawiera przewód (18) z zaworem regulujacym 65 (8) dla dostarczenia tlenu do reaktora (5). \112 809 7 8 %

7. Urzadzenie wedlug zastrz. 4, znamienne tym, rozdzielanych metali, stanowi elektrode zuzywaja- ze katoda plazmotronu <4) wykonana jest ze stopu ca si? i zamocowana jest przesuwnie. llb— V.c Fig .1 3b' Fig. 2 RSW Zakl. Graf. W-wa, Srebrna 16, z. 334-81/0 — 100 + 20 egz. Cena 45 zl PL