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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Destillieren
von Metallen und zum Trennen von Legierungen. Es handelt sich dabei um Metalle mit
hohem Schmelzpunkt, welche in reiner Form aus Metallerzstauben oder aus Metallegierungen
bekannter Zusammensetzung extrahiert werden sollen. Zu diesem Zweck werden Plasmastrahlen
verwendet, die mit Hilfe von Sauerstoff aus an inerten Gaskomponenten, insbe-
sondere
an Kohlendioxyd reichen Erdgasen gebildet werden.
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Wie bekannt, besteht eine große Nachfrage nach Verfahren, mittels
welcher Metalle mit hohem Schmelzpunkt gewonnen und Metallegierungen getrennt werden
können.
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Gleichzeitig wird untersucht, wie Erdgase mit hohem Gehalt an inortem
Gas, insbesondere an Kohlendioxyd als Hauptkomponente ausgenutzt werden können.
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Obwohl viele Möglichkeiten bestehen, Erdgase mit hohem Gehalt an
inertem Gas unmittelbar oder mittelbar auszunutzen, mitinbegriffen die praktische
Anwendung von aus Erdgasen gebildeten Plasmastrahlen im Gebiet der Verbrennungs-
und Gastechnologie, blieb ihr Anwendungsgebiet trotz den zur Verfügung stehenden
reichen Vorräten verhältnismäßig eng. Es ist ferner bekannt, daß Ionplasmen in der
Gießtechnologie sehr wirtschaftlich benützt werden können, da sie eine hohe Energiedichte
und Reinheit aufweisen, wie dies aus der Fachliteratur hervorgeht. Es sind bereits
Schmelzöfen mit einer l<apao zität von 100 Tonnen bekannt, die durch Plasmastrahlen
betätigt werden. Der große Vorteil derartiger Vorrichtungen im Verhältnis zu Vakuumboger-
oder Elektronstrahlöfen besteht darin, daß selbst flüchtige Zusatzstoffe wie Mangan,
Molybdän, Magnesium usw. geborgen werden können. Es ist auch möglich, Metallegierungen,
die leicht oxydierende und chemisch aktive Komponenten, wie Titan oder Aluminium
enthalten, in derartigen Ofen zu raffinieren. Es sind bereits plasmabetätigte Vakuumöfen
bekannt, die in einem Druckgebiet von 10 2 bis 10 tor/u arbeiten und zum Schmelzen
von Titan dienen.
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fn gleicher Weise ist die Plasmatechnologie zum Herstellen von großen
Einzelkristallen geeignet, z.B. eInes
Wolframeinzclkll ';falls mit
einem Durchmesser von annähernd 50 mm rli,d mit einem Gewicht von mehr als 10 kg,
der nicht nur durch seine großen Abmessungen, sondern auch durch seiri strukturelle
Stabilität und die Abwesenheit von irgendniner Neigung zur Transkritallisation beachtenswert
war. Es ist schließlich zu bemerken, daß auch Grundmaterialien für die Pulvermetallurgie
durch Plasmatechnologie hergestellt worden sind. Auf diese Weise entstanden globulare
körnige Metallpulver hoher Reinheit und Gleichförmigkeit, wobei Sublimation in einem
Plasmastrom niedriger Temperatur und nachfolgende Kondensation verwendet worden
sind.
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Obwohl die oben beschriebenen plasmatechnologischen Verfahren große
technologische Vorteile aufesen, sind sie sehr kostspielig, da sowohl ihre Gestehungskosten
als auch ihre Betriebskosten sehr hoch ausfallen.
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Es ist nämlich unvermeidlich, gereinigte Arbeitsgase zum Bilden der
Plasmastrahlen zu verwenden, wodurch dann verhältnismäßig viel elektrische Energie
verbraucht wird.
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Die Erfindung bezweckt die Erzeugung von Metallen hohen Schmelzpunktes
und hoher Reinheit, sowie die Trennung von Legierungen, ohne daß hierzu verwickelte
und kostspielige Vorrichtungen bzw. ein beträchtlicher Verbrauch an elektrischer
Energie erforderlich wären. Dies wird durch Plasmastrahlen erreicht, die in einer
kohlendioxydhaltigen trdgasatmosphäre ohne vorherige Reinigung gebildet werden.
Der Kohlendoxydgehalt gewährt eine Schutzgaswirkung. Auf die Behandlung mit Plasmastrahlen
folgt eine Kondensation in einer Kühlzone, die in vorteilhafter Weise aus nacheinander
geschalteten Kühikammern besteht, wobei die in diesen Kühlkammern herrschenden Temperaturen
derart geregelt werden, daß
sie jeweils d n Schmelzpunkten der h)(handelten
Metalle entsprechen. Bei der Erfindung handelt es sich somit zunächst um ein Verfahren
zum DestilJieren von Metallen und zum Trennen von Legierungen, wobei die Erfindung
selbst darin besteht, daß ein Gemisch von Erdgas und Sauerstoff gebildet, das Gemisch
zum Bilden eines Plasmastrahles gezündet, zerkleinertes Metall durch den Plasmastrahl
hindurch geleitet und dadurch in Metalldämpfe umgewandelt, und schließlich die Metalldämpfe
durch geregeltes Abkühlen zum Erstarrten gebracht und die erstarrten Metalle als
Feststoffe erhalten werden.
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Zweckmäßig wird das erfindung-gemäße Verfahren mittels einer Vorrichtung
ausgeübt, bei welcher ein Plasmatron mit einem Anschluß an eine Erdgasquelle zum
Bilden eines Plasmastrahles, eine Reatt ionskammer mit je einem Anschluß an des
Plasmatron. an eine Sauerstoffquelle und an eine Quelle von zerkleinertem Metall
zum Versetzen von Sauerstoff und Metall mit dem Plasmastrahl und dadurch zum Bilden
von durch den Plasmastrahl mitgenommenen Metalldmpfen, sowie eine Kühlzone mit einem
Anschluß an die Rea1<tionskammer und mit Abführungsstellen für infolge einer
stufenweisen Abkühlung aus den Metalldämpfen erstarrende Metalle vorgesehen sind.
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Zweckmäßig wird der Sauerstoff in Form von Luft zugeführt, weil dann
für eine besonderen Sauerstoffquellen zu sorgen ist. Ferner wird vorteilhaft ein
Erdgas mit reichem Gehalt an inerten Gasen, insbesondere an Kohlendioxyd verwendet,
weil ein derartiges Gas gleichzeitig als wirksames Schutzgas dient. Bei einem Erdgas
mit einem Gehalt an Hydratwasser wird das Hydratwasser vor Bildung des Gemisches
für den Plasmastrahl entfernt, wobei aber eine Reirric3ung oder sonstige
Behandlung
des Erdgases entfallen kann. Bei der Trennung von verschiedenen Metallegierungen
werden die im Plasmastrahl entstehenden Metalldämpfe zwecksmäßig durch eine Reihe
von Temperaturgebieten hindurch geleitet, deren Temperaturen jeweils den Schmelzpunkten
der 1<omponenten der Metalldämpfe entsprechen, wobei die Temperaturgebiete gemäß
abnehmenden Temperaturen angeordnet sind, so daß die verschiedenen Metalldämpfe
in jeweils verschiedenen Abschnitten der Kühlzone nacheinander erstarren und niederschlagen.
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Das Plasmatron ist zweckmäßig mit Zündungselektroden ausgerüstet,
die mit einer Kühlieltung zum Vorwärmen des zu verwendenden Erdgases versehen sind.
Auf diese Weise wird die Ionisation des Plasmastrahles wirksam gefördert. Die Kühlzone
der Vorrichtung besteht zweckmäßig aus einer Reihenschaltung von Kbhlkammern mit
je gesonderten Abführungsstellen, wobei die kühlkammern mit einer Kühlleitung für
ein Kühlmittel vorbestimmter Temperatur ausgerüstet sind. Auf diese Weise kann ein
besonders einfacher Aufbau der Vorrichtung erreicht werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert,
die ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Ausüben. des erfindungsgemäßen Verfahrens
im Längsschnitt darstellt.
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Wie aus der Zeichnung hervorgeht, ist eine Ringelektrode 3a mit einem
ringförmigen Kühlmantel versehen, dessen Innenraum über ein Ventil 1 mit einer Kühlmittelquelle
verbunden ist. 2 bezeichnet einen Kühikreis, der an den erwähnten Kühimantel angeschlossen
ist. 3b bezeichnet abnehmende Elektroden, die in an sich bekannter Weise gekühlt
und vorgerückt werden können. Ein Plasma-
tron 4 ist mit wärmeisolierten
Wänden ausgerüstet und an eine elektrische Stromquelle 3 angeschlossen.
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Zwecks Kühlung der Elektroden 3a und 3b könnte Wasser benutzt werden,
wobei dann das Arbeitsgas unmittelbar dem Plasmatron 4 zugeführt wird. Beim dargestellten
Ausführungsbeispiel wird aber das Erdgas über das Ventil 1 zunächst expandiert und
dann als Kühlmittel benutzt, dessen Temperatur im Kühlkreis 2 zunimmt und dadurch
die Plasmastrahlbildung wirksam fördert.
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Andas Plasmatron 4 ist eine Reaktionskammer 5 angeschlossen, die
einerseits über ein Steuerventil 8 mit einer Sauerstoff- oder Luftquelle und anderseits
über einen Lüfter 7 mit einem Behälter 6 für staubförmiges oder körniges Metall
verbunden ist.
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An die Reaktionskammer 5 ist eine I<ühlzone angeschlossen, die
aus einer Reihe von Kühlkammern 9a, 9b, 9c besteht, in denen Thermometer 10 zum
Messen und/oder Aufzeichnen der dort herrschenden Temperaturen dienen.
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Diese Temperaturen sind den zu erwartenden Schmelzpunkten T1, T2,
T3 usw. der Metalle entsprechend eingestellt, wobei sie nach abnehmenden Werten
aufeinander folgen.
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Die Kühikammern 9a, 9b, 9c sind jeweils mit einem Kühimantel verstehen,
die zwischen Kühlleitungen 12 und 13 liegen. An der.Zuflußseite sind Regelventile
12a, 12b und 12c vorgesehen, durch welche die Zuflußmenge des Kühlmittels im Kühlmantel
der einzelnen Kühlkamsern 9a, 9b, 9c und dadurch die dort herschende Temperatur
geregelt werden kann.
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Tiegel 11 dienen zum Auffangen der in den Kühlkammern 9a, 9b, 9c
aus den Metalldämpfen erstarrenden Feststoffe.
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Ein AuLaßstutzen 14 verbindet die letzte Kühl-
kammer
9c mit einem Stuaubabsch Ser 15. Dieser ist mit Auslaßöffnungen 15a bzw. 15b fi;r
abgeschiedenen Staub bzw. staubfreies Gas versehen.
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Das dargestellte Ausfüli-ungsbeipsiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
arbeitet wie folgt: Ein Erdgas mit hohem Gehalt an inerten Komponenten wird über
das Ventil 1 dem Kühlmantel der ringförmigen Elektrode 3a des Plasmatrons 4 zugeführt,
beim Durchströmen zwischen den Elektroden 3a und 3b erhitzt und als vorgehitztes
Arbeitsgas ionisiert. Nach momentanem Kurzschließen oder nach Bogenzündung gelangt
ein Plasmastrahl in die Real<tionskammer 5, wo er mit aus dem Behälter 6 mittels
des Lüfters 7 in tangentialer Richtung zugeführtem Erzstaub oder Metallpulver, sowie
mit über das Steuerventil 8 zuströmendem Sauerstoff oder Luft versetzt wird. Die
zugeführten metallischen Feststoffe werden verdampft und die entstandenen Metalldämpfe
durch den Plasmastrahl mitgerissen. an/ Der mit Metalldämpfen iwereicherte Plasmastrahl
betritt die aus den kühlkammern 9a, 9b und 9c bestehende Kühlzone. In der zuerst
betretenen Kühlkammer 9a herrscht eine höchste Temperatur Tl, die dem Schmelzpunkt
der bei höchster Temperatur erstarrenden Komponente des zugeführten metallischen
Feststoffes entspricht.
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Auf ähnliche Weise werden in der Kühlkammer 9b die Metalldämpfe des
Metalls ausgeschieden, dessen Schmelzpunkt der hier herrschenden Temperatur T2 entspricht,
wobei T2 niedriger ist als T1.
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Schließlich erreichen die durch den Plasmastrahl mitgerissenen Metalldämpfe
die Kühlkammer 9c mit ihrer Temperatur T3, die wiederum niedriger ist als die Temperatur
T2 der eben verlassenen Kühikammer 9b.
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Während die aus den ausgeschiedenen Metalldämpfen entstehenden Feststoffe
in den Tiegeln 11 angesammelt werden, verläßt der Plasmastrahl die Kühlzone 9a,
9b, 9c über den Auslaßstutzen 14 und tritt in den Staubabscheidz 15 ein. Hier werden
sich die im Plasmastrahl eventuell noch schwebenden Staubteilchen ablagern und werden
über die Auslaßöffnung 15b nach unten entfernt. Das von Feststoffen befreite Gas
entweicht über die AuslaBöffnung 15a.
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Die Erfindung bringt verschiedene Vorteile mit sich.
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Zunächst können Metalle von hohem Schmelzpunkt erzeugt und Metallegierungen
getrennt werden, ohne daß hierzu kostspielige Anlagen und beträchtliche Energiemengen
erforderlich wären. Anstatt dessen werden Neturgase verwendet, die in großen Mengen
zur Verfügung stehen und als Hauptkomponenten Kohlendioxyd und andere inerten Gase
enthalten.
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Bei Verwendung von derartigen Gasen muß lediglich das Hydratwasser
entfernt werden, wobei Reinigung oder vorherige Behandlung der Gase entfallen kann.
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Der Bedarf an elektrischer Energie für die Ionisierung der Arbeitsgase
ist bei jedem Plasmatyp als sehr gering einzuschätzen, wenn beachtet wird, daß bei
der Rekombination durch das Plasma bei einer Temperatur von annähernd 10 000 oC
ein beträchtlicher Energieüberschuß anfällt.
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L e e r s e i t e