DE3000455A1

DE3000455A1 - Verfahren zur stabilisierung des lichtbogens in einem lichtbogen-plasmareaktor

Info

Publication number: DE3000455A1
Application number: DE19803000455
Authority: DE
Inventors: Richard George Gold; Donald Richard Macrae
Original assignee: Bethlehem Steel Corp
Current assignee: Bethlehem Steel Corp
Priority date: 1979-01-10
Filing date: 1980-01-08
Publication date: 1980-07-31
Also published as: ZA80156B; FR2446581A1; JPS5593695A; FR2446581B1; SE8000188L; BE881061A; GB2041710A; CA1112303A; US4234334A; GB2041710B

Description

Anmelder: ; Stuttgart, 8. Januar 198O

Bethlehem Steel Corporation P 3804 S/We Bethlehem, Pennsylvania I8OI6
■V.St.A. ^: ■ : -

-Vertreter:

Kohler-Sehwindling-Späth
Patentanwälte
Hohentwielstraße 41
7000 Stuttgart 1

Verfahren zur Stabilisierung des Lichtbogens in einem Lichtbogen-Plasmareaktor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lichtbogen-Plasmareaktor und insbesondere auf ein Verfahren zur Stabilisierung des Lichtbogens in einem Lichtbogen-Plamsreaktor.

Es wurden viele Vorrichtungen und Verfahren zum Umsetzen oder Behandeln von Erzen und anderen Metallverbindungen in Plasmareaktoren entwickelt, in denen das Plasma durch

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eine HP-Induktion oder Sehlagen eines Lichtbogens zwischen zwei Elektroden erzeugt wird. In beiden Typen von Plasmareaktoren wird das Erz oder ein sonstiges Material, welches den zu behandelnden Ausgangsstoff bildet, solange wie möglich dem Plasmagas im Reaktor ausgesetzt, um das Material ausreichend lange der im Reaktor erzeugten, intensiven Wärme auszusetzen. Da sich das Ausgangsmaterial im Zustand einer Suspension befindet, ist eine erhebliche Verweilzeit in der äusserst heißen Umgebung des Plasmareaktors erforderlich, um zu gewährleisten, daß die Ausgangsstoffe miteinander in Berührung kommen und die gewünschte Reaktion in einem vernünftigen Umfang abläuft. Abgesehen von den Schwierigkeiten, welche das Erreichen einer angemessenen Verweilzeit bereitet, kann in den Plasmareaktoren eine Anodenerosion auftreten, die eine Folge der starken Beanspruchungen ist, die an der Stelle auftreten, wo der.Lichtbogen an der Anode haftet. Wenn die Reaktionsteilnehmer in dem Plasma zwischen den Elektroden suspendiert sind, trifft der Lichtbogen unmittelbar auf die Anode auf und bewirkt deren Erosion.

Aus der US-PS 40 02 466 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, durch welche eine Anodenerosion vermieden wird und die gewährleisten, daß die Reaktionsteilnehmer eine längere Zeit in dem Plasmareaktor verweilen und in innigen Kontakt kommen. Diese Druckschrift offenbart einen Lichtbogen-Plasmabrenner, in dessen von einem Anodenrohr gebildeter Reaktionskammer ein stabilisierender Gasstrom in Form eines kreisenden Wirbels erzeugt

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wird. Teilchen der Ausgangsstoffe, die zwischen den Enden der Anode eingeführt werden, werden von dem Wirbel mitgerissen. Wenn zur Erzeugung des Plasma ein Lichtbogen gezündet wird, wird ausreichend Wärme geliefert, um die Teilchen zu schmelzen, die sich in einer die Anodenwand überdeckenden fallenden Materialschicht befinden.

Bei dieser bekannten Vorrichtung trifft der elektrische Lichtbogen nicht mehr unmittelbar auf die Anodenwandung auf, sondern haftet eher an der Materialschicht, welche die Anodenwandung überdeckt. Die fallende Schicht wirkt demnach sowohl als Schutz wie auch als thermisch isolierende Beschichtung des Anodenrohres. Weiterhin stabilisiert der rotierende Gaswirbel die Stelle, an welcher der Lichtbogen auf der fallenden Schicht haftet.

Es treten jedoch in solchen Fallschicht-Lichtbogen-Plasmareaktoren und anderen Plasmareaktoren mit verlagertem Lichtbogen erhebliche Probleme auf, wenn darin gewisse Verbindungen zur Reaktion gebracht werden.

Unter Plasmareaktor mit verlagertem Lichtbogen soll hier ein Plasmareaktor verstanden werden, bei dem sich der elektrische Lichtbogen zwischen einer Elektrode (Kathode) und dem Werkstück erstreckt, das in einen Stromkreis als die andere Elektrode (Anode) einbezogen ist. Ein verlagerter Lichtbogen kann auf zweierlei Weise erzeugt werden. Nach einer Methode kann in einem Plasmareaktor, in den das Arbeits- oder Stabilisierungsgas mit hoher Geschwindigkeit zwischen den Elektroden eingeleitet wird und aus dem es

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aus einer öffnung austritt, ein Zündlichtbogen zwischen einer Kathode und einer Anode erzeugt werden. Das Werkstück befindet sich nahe der öffnung und ist in den elektrischen Stromkreis eingeschlossen, so daß es ebenfalls eine Anode bildet. Die Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsgases durch den Plasmareaktor wird soweit erhöht, daß der Lichtbogen von der Anode des Reaktors hinweg bis zur Werkstück-Anode geblasen wird. Der Lichtbogen und der Plasmastrom streckt sich dann von der sich innerhalb des Reaktors befindenden Kathode bis zu dem Werkstück.

Eine übliche Ausführungsform eines Plasmareaktors mit verlagertem Lichtbogen dieses Typs umfasst eine Elektrode, die am Boden eines "Hegels oder Behälters angeordnet ist, in dem sich eine Schicht einer Schmelze, oder mit Hilfe des Plasmas zu schmelzenden, festen- Schrottes befindet. Der Lichtbogen-Plasmabrenner ist von dem Behälter getrennt angeordnet. Bei dieser Ausführungsform, die in Fig. 1 dargestellt und später noch näher beschrieben wird, wird der elektrische Lichtbogen nach unten geblasen, damit er sich verlagert und über die Schmelze oder den festen Schrott im Behälter an die Werkstück-Anode anliegt.

Demgemäß wird ein Plasmareaktor mit verlagertem Lichtbogen als Lichtbogen-Plasmareaktor definiert, bei dem der von einer Elektrode ausgehende Lichtbogen zu einer Reaktionsschicht führt, die eine zweite Elektrode bedeckt. Die Reaktionsschicht kann allein die zugeführten Ausgangsstoffe oder auch Reaktionsprodukte umfassen.

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Eine zweite Methode zur Erzeugung eines verlagerten Lichtbogens besteht darin, den elektrischen Lichtbogen zu veranlasse^ sich an die Schicht anzuheften, die in einem Fallschieht-Reaktor das Anodenrohr bedeckt. Es ist offensichtlich, daß ein solcher Fallschicht-Lichtbogen-Plasmareaktor unter die Definition fällt, die oben für einen Plasmareaktor mit verlagertem Lichtbogen gegeben wurde.

Das Problem, das bei solchen Plasmareaktoren mit verlagertem Lichtbogen gemäß der obigen Definition auftritt, läßt sich anhand des folgenden Beispiels erläutern. Es wurde versucht, zur Erzeugung von metallischem Molybdän Molybdändisufid (MoSo) in einem Fallschicnt-Plasmareaktor zu zersetzen. Das Molybdändisulfid wurde dem Reaktor in der üblichen Weise zugeführt, jedoch fand keine Reaktion statt. Es wurde nahezu kein metallisches Molybdän· gebildet, und es wurde der Halsabschnitt der Anode, der sich über der Stelle der Zuführöffnungen für das Erz und der fallenden Schicht befindet, stark erodiert. Diese Erosion war offensichtlich von einem wandernden Lichtbogen hervorgerufen.

Demgemäß bestand der Bedarf für ein Verfahren zur Stabilisierung des Lichtbogens in einem Plasmareaktor mit verlagertem Lichtbogen, um die Erosion der Anode eines Fallschicht-Plasmareaktors mit verlagertem Lichtbogen _Zu verhindern, die durch einen wandernden Lichtbogen bedingt ist. Weiterhin besteht ein Bedarf an einem Verfahren zur Erzeugung von Molybdän aus Molybdändisulfid in einem Lichtbogen-Plasmareaktor.

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Es wurde ein Verfahren zur Stabilisierung des elektrischen Lichtbogens in einem Plasmareaktor mit verlagertem Lichtbogen entwickelt, das zusätzlich die Herstellung von Molybdänaus Molybdändisulfid ermöglicht. Wie erwähnt, hatte zuvor der Versuch, Molybdändisulfid in einem Fallschicht-Plasmareaktor zu zerlegen, zu einer Zerstörung des Halsabschnittes der Anode geführt. Als Erklärung wurde angenommen, daß ein Kurzschließen des elektrischen Lichtbogens stattfindet, weil die Anodenwand mit einer Schicht aus geschmolzenem Molybdändisulfid bedeckt ist und Molybdändisulfid ein nicht leitendes Material ist. Demgemäß ist der Lichtbogen gezwungen, auf die Anode in deren Halsabschnitt aufzutreffen, der sich oberhalb der Zuführöffnungen für das Erz befindet, an denen sich der obere Rand der nicht leitenden fallenden Schicht einstellt.

Es wurde angenommen, daß die Stellen, an denen der Lichtbogen auf die Anode auftritt, unter anderem durch die Zusammensetzung der fallenden Schicht bestimmt ist. Wenn die zugeführten Ausgangsstoffe, ein Zwischenprodukt, die Reaktionsprodukte oder eine Mischung dieser Stoffe die fallende Schicht oder einen Teil davon nichtleitend machen, verschiebt sich die Stelle, an welcher der Lichtbogen auf die Anode auftritt, und es entstehen die Erosionsprobleme an den freiliegenden Stellen der Anode. Es ist leicht erkennbar, daß diese Analyse des Problems der Lichtbogenwanderung in einem Fallschicht-Plasmareaktor für alle Lichtbogen-Plasmareaktoren gültig ist, die eine von einer solchen Reaktionsschicht bedeckte Elektrode aufweisen.

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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Stabilisierung des Lichtbogens in Lichtbogen-Plasmareaktoren die eine erste und eine zweite Elektrode aufweisen und in welchen eine Reaktionsschicht die erste Elektrode überdeckt und eine Haftstelle für den Lichtbogen bildet. Wenn die Reaktionsschicht, welche die Reaktionsteilnehmer, Zwischen - oder Endprodukte sowie Mischungen dieser Produkte umfaßt , an irgendeiner Stelle oder in irgendeinem Stadium der Reaktion nicht leitend ist und daher einen sich zwischen den Elektroden über die Reaktionsschicht erstreckenden Lichtbogen zu einem Kurzschluß veranlaßt, kann die Zugabe eines elektrisch leitenden Materials zu der Reaktionsschicht die Reaktionsschicht leitend machen und die Haftung des Lichtbogens zwischen der unbedeckten zweiten Elektrode und der von der Reaktionsschicht bedeckten ersten Elektrode stabilisieren. Wenn eine Fallschicht an einer Stelle ihres Fallweges nicht leitend ist und ein Kurzschließen des elektrischen Lichtbogens verursacht, wird zu der fallenden Schicht ein elektrisch leitendes Material hinzugefügt, das diese Schicht leitend macht, um den Lichtbogen zu stabilisieren. Das elektrisch leitende Material kann unmittelbar zu der Reaktionsschicht oder fallenden Schicht hinzugefügt werden, oder es kann als Teil der Reaktions-Charge oder des Ausgangsmaterials eingeführt werden.

Die Erfindung ist besonders bei Verfahren zur Zersetzung von nicht leitenden Metallverbindungen anwendbar, bei denen unter Verwendung eines Lichtbogen-Plasmareaktors das reine Metall gewonnen werden soll und die zugeführte nicht- leitende Metallverbindung über der Elektrodenwand

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eine Fallschicht bildet, wie beispielsweise bei der Zersetzung von Molybdändisulfid zur Erzeugung von Molybdän.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Lichtbogen-Plasmareaktors mit verlagertem Lichtbogen, bei welchem der elektrische Lichtbogen nach unten auf eine Werkstück-Elektrode geblasen wird und

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch einen Lichtbogen-Plasmareaktor mit kurzer Anode, wie er für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wird.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Plasmaofen 12 mit verlagertem Lichtbogen zur Behandlung von Materialmassen» Der Ofen umfasst einen Lichtbogen-Plasmabrenner Ik und ein Aufnahmegefäß oder einen Tiegel 16.Der Brenner 15 umfasst einen Kathodenabschnitt 18, der von einem Anodenabschnitt 20 isoliert ist, und Gaseinlaßöffnungen 22. Am Boden des Tiegela16ist eine weitere Anode 2k angeordnet, die von der im Tiegel vorhandenen Reaktionsschicnt 26 bedeckt ist. Ein Plasmagas, wie beispielsweise Argon oder Wasserstoff, wird durch die Öffnungen 22 mit hoher Geschwindigkeit in den Brenner Ik eingeleitet und tritt aus der öffnung 30 aus. Unter Verwendung eines elektrischen Stromkreises 28 wird bei geschlossenem Schalter 29 ein Zündbogen zwischen der Kathode 18 und der Anode 20 entfacht, der innerhalb des Brenners Ik ein Plasma erzeugt. Das Plasmagas tritt aus der öffnung 30 des Brenners aus, um die Reaktions-

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schicht 26 zu erwärmen. Danach wird der Schalter 29 geöffnet'.

Wenn die Reaktionsschicht 26 nichtleitend ist, setzt sich der elektrische Lichtbogen nicht auf der Oberfläche der Reaktionsschicht 26 fest, sondern ist gezwungen, sich am äußeren Rand der Anode 20 festzusetzen, wo er eine starke Erosion bewirkt. Statt dessen kann der Lichtbogen auch einfach erlöschen. Durch Einführen eines elektrisch leitenden Materials in die Reaktionsschicht kann das Anhaften des Lichtbogens und, als Ergebnis davon, der Plasmastrom auf die Reaktionsschicht stabilisiert werden. Das elektrisch leitende Material kann von feinkörnigem Kohlenstoff, Eisenpulver oder einem sonstigen feinkörnigen, elektrisch leitenden Material gebildet werden, welches den Plasmaofen mit verlagertem Lichtbogen betriebsfähig hält, wenn die Reaktionsschicht in ihrem Ausgangs-, Zwischen- oder Endzustand elektrisch nichtleitend ist.

Fig. 2 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen typischen Lichtbogen-Plasmaofen mit fallender Schicht. Wie in Fig. dargestellt, ist der eine kurze Anode aufweisende 100 kW Fallschichtreaktor 50 sicher in einer kreisförmigen öffnung 52 des Deckels 54 eines feuerfest ausgekleideten Tiegels56 befestigt. Der Fallschichtreaktor hat grundsätzlich den gleichen Aufbau wie der Lichtbogen-Plasmareaktor, der in den US-PSen 40 02 466 und 40 99 958 beschrieben ist, deren Inhalt durch ihre Nennung zum Bestandteil dieser Beschreibung gemacht wird. Die in diesen Patentschriften beschriebenen Reaktoren haben längere Anodenrohre.

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Der Pallschichtreaktor 50 hat einen ringförmigen Querschnitt und umfaßt im wesentlichen einen Kathodenabschnitt 58 und einen kurzen Anodenabschnitt 60. Der Kathodenabschnitt 58 besteht aus einem Kathodenzylinder 62 aus Kupfer, der ein thoriiertes Wolframstück "Jk enthält, das in einer Vertiefung 66 am Boden des Kathodenzylinders 62 angeordnet ist und die Stelle bildet, von welcher der Lichtbogen ausgeht. Das obere Ende des Kathodenzylinders 62 ist durch einen nicht dargestellten Messingdeckel verschlossen, der Einrichtungen zum Hindurchleiten von Wasser durch den Hohlraum 68 zum Kühlen des Kathodenabschnittes 58 aufweist.

Längs der Achse der Erzanode 70, die unterhalb des Kathodenzylinders 62 angeordnet ist, befindet sich ein Hohlraum mit drei Abschnitten, nämlich einem Halsabschnitt 72, einer kegel stumpf förmigen Erzzuführkammer und einer zylindrischen öffnung 76. In den Umfang der Erzanode 70 ist ein ringförmiger Wasserkanal 78 eingeschnitten.

O-Ringe 80 sind in Nuten angeordnet, welche sich längs des Umfanges des Kathodenzylinders 62 und der Erzanode 70 erstrecken. Diese Bauteile sind ihrerseits von einem Isoliermantel 82 aus Nylon (Polyamid) umgeben.

Zwischen dem Kathodenzylinder 62 und der Erzanode 70 ist durch Abstandshalter 84 von diesen Bauteilen elektrisch getrennt ein Gasring 86 angeordnet. Ein Stabilisierungsgas tritt in den Fallschichtreaktor 50 durch Einlaßbohrungen

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87 ein, welche den Isoliermantel 82 durchdringen und in einen Kanal 88 münden, der konzentrisch auf den Raum 90 zwischen dem Kathodenzylinder 62 und der Erzanode 70 ausgerichtet ist und damit in Verbindung steht. Das Stabilisierungsgas durchdringt den Gasring 86, der mit einer Anzahl Bohrungen 92 versehen ist, welche das Gas tangential in eine Öffnung 95 einleiten, so daß das Gas einen rotierenden Wirbel bildet, wenn es in den Halsabschnitt 72 gelangt .

Feste Erzteilchen werden in die kegelstumpfförmige Erzzuführkammer fk der Erzanode 70 an einer sich zwischen den Enden des elektrischen Lichtbogens befindlichen Stelle mittels Zuführrohren 96 eingeleitet, welche nicht dargestellte Bohrungen im Isoliermantel 82 durchdringen. Die Zuführrohre 96 erstrecken sich durch den ringförmigen Wasserkanal 78 und sind fest in Zuführkänäle 100 eingeschraubt, die sich in der Erzanode 70 befinden. Die Zuführkanäle 100 münden tangential in die Erzzuführkammer 74, so daß die festen Teilchen des Erzes in die Strömungsrichtung des rotierenden Gaswirbels injiziert werden, um die Ausbildung einer fallenden Schicht an der Innenwand der Erzanode 70 zu erleichtern, welche die Erzzuführkammer 7^ und die zylindrische Öffnung 76 begrenzt. Kühlwasser wird in den ringförmigen Wasserkanal 78 über Einlasse eingeleitet und über Auslässe im Isoliermantel 82 wieder abgeführt, die nicht mehr dargestellt sind.

In einer konzentrischen Nut am Boden des Isoliermantels 82, der an einem scheibenförmigen kurzen Anodenflansch 104 befestigt ist, ist ein O-Ring 102 angeordnet. Die Öffnung im Plansch 104 ist koaxial zur Öffnung 76 der Erzanode 70 angeordnet und hat einen größeren Durchmesser. Durch einen

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ringförmigen Kanal 108 im Anodenflansch 104 wird Kühlwasser geleitet. An die Unterseite des kurzen Anodenflansches grenzt ein ringförmiger Deckelflansch 110 an, der eine zur öffnung 106 koaxiale Öffnung 112 aufweist. Die Öffnung 112, deren oberes Ende einen größeren Durchmesser hat als die Öffnung 106, erweitert sich nach unten. Der Deckelflansch 110 weist auch nicht dargestellte, radial angeordnete Bohrungen auf, die es ermöglichen. Kühlwasser durch einen Ringkanal 114 zu leiten. Der Kathodenzylinder 62 und der Anodenflansch 104 sind mit dem negativen bzw. positiven Pol einer üblichen Gleichstromquelle 116 verbunden, bei der es sich vorzugsweise um eine Gleichstromquelle von 200 V und 1.000 A handelt.

Im Betrieb wird demKathodenzylinder 62, der Erzanode 70, dem kurzen Anodenflansch 104 und dem Deckelflansch 110 durch die zugeordneten Einlasse, Bohrungen, Kanäle und Rohre, von denen einige nicht dargestellt sind, Kühlwasser zugeleitet. Stabilisierungsgas tritt durch die Einlaßbohrungen 87 unter Druck in den Fallschichtreaktor 50 ein wird auf die Kanäle 88 und den Raum 90 verteilt. Das Gas gelangt dann durch die Bohrungen 92 im Gasring 86 mit hoher Geschwindigkeit tangential in die Öffnung 94, in welcher es benachbart zum Wolframstück der Kathode in Form eines rotierenden Wirbels umläuft und dann in wirbelnder Bewegung an der Innenwand des Anodenabschnittes 60, die den Halsabschnitt 72, die Erzzuführkammer 64, die zylindrische öffnung 76 sowie die öffnungen 106 und 112 begrenzt, nach unten wandert. Diese Bewegung des Gases stabilisiert einen elektrischen Licht-

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bogen, der sich von dem Wolframstück 6¹J des Kathodenzylinders 62 zum Anodenabschnitt 60 erstreckt und ein Plasma erzeugt. Genauer gesagt wird angenommen, daß sich der Lichtbogen an die Innenwand der Erzanode 70 anheftet, welche die zylindrische Öffnung J6 begrenzt. Um eine Korrosion des Wolframstiickes 64 zu vermeiden, darf das Stabilisierungsgas mit dem toriierten Wolfram nicht reagieren. Geeinget ist beispielsweise Helium, Argon, Wasserstoff, Stickstoff oder eine Mischung solcher Gase.

Pulverisiertes Erz oder diskrete Teilchen der Ausgangsstoffe werden mittels eines Trägergases über die Zuführrohre 96 und Zuführkanäle 100 in die kegelstumpfförmige Erzzuführkammer 7^ zwischen die Enden des elektrischen Lichtbogens eingeleitet. Die Ausgangsstoffe können auch zusammen mit dem Stabilisierungsgas zwischen die Enden des Lichtbogens eingeleitet werden.' Die intensive Wärme des Plasmas bewirkt ein Schmelzen der Ausgangsstoffe, und es treibt das rotierende Gas die Schmelze gegen die Innenwand der Erzanode 70, wodurch eine fallende Schicht erzeugt wird. Theoretisch besteht die Schicht zunächst aus den geschmolzenen Ausgangsstoffen. Während sie durch den Anodenabschnitt nach unten wandert, umfaßt die Schicht außer den Ausgangsstoffen auch Reaktionsprodukte und besteht schließlich im wesentlichen nur aus Reaktionsprodukten, wenn sie in den Tiegel 56 fällt und darin ein Bad bildet. Wenn die Schicht die Anodenwandung überdeckt und der elektrische Lichtbogen über dieser Schicht an der Anode haftet, handelt es sich bei dem Plasmareaktor definitionsgemäß um einen Plasmareaktor mit verlagertem Lichtbogen.

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Die folgenden Beispiel veranschaulichen die Anstrengungen, die bezüglich der Herstellung von Molybdän durch Zersetzen von Molybdändisulfid gemacht worden sind, und die Reaktionsbedingungen, die einerseits zu einer Anodenerosion und andererseits zur erfolgreichen Gewinnung von metallischem Molybdän ohne Zerstörung des Halsabschnittes der Anode führen. Das Molybdändisulf id-Konzentrat, das in allen Beispielen benutzt wurde, wurde von der Firma McGee Chemicals Co., Inc. als Pulver technischer Qualität bezogen, das zu 7^ % eine Korngröße von weniger als 0,037 nun (400 Maschen) aufwies und folgende Zusammensetzung in Gew.% hatte:

Molybdän	61,0
Schwefel	39,7
Kupfer	0,017
Zink	0,01
Eisen	0,16
Siliziumdioxid	0,21

Bei dem feinkörnigen Kohlenstoff, der im Beispiel 3 benutzt wurde, handelte es sich um Nr. 5 PPP Bognar-Kohle (Koksstaub), der in einer Pallmann-Mühle gemahlen worden war, so daß etwa 98 % eine Korngröße von weniger als 0,210 mm (70 Maschen) und 50 % eine Korngröße von weniger als 0,030 mm (500 Maschen) hatten. Diese Werte wurden durch eine Naßsieb-Analyse ermittelt. Die Verfahren wurden in einem Pallschichtreaktor durchgeführt, wie er in Fig. 2 dargestellt ist.

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Beispiel 1

Der Reaktor und der Tiegel wurden zunächst unter Verwendung einer Mischung von 29.000 Normliter/h (1.025 SCPH) Wasserstoff und 2.000 Normliter/h (72 SCPH) Argon als Stabilisierungsgas 60 min lang bei 415 A (89,2 kW) und anschließend noch 15 min bei 450 A (92,3 kW) unter Verwendung einer Mischung von 12.740 Normliter/h (450 SCFH) Wasserstoff und 12.460 Normliter/h (440 SCPH) Argon vorgeheizt. Nach dem Vorheizen wurden 12.030 Normliter/h (425 SCPH) reines Argon als Stabilisierungsgas verwendet, und es betrug die Gesamtleistung während der Konzentrat-Zuführung 48,7 kW (825 A bei etwa 59 V). Das Molybdändisulfid-Konzentrat wurde pneumatisch durch zwei getrennte Leitungen während einer Zeit von 42 min in einer Menge von 29,4 kg/h mit 4.350 Normliter/h (154 SCPH) Argon als Fördergas eingeleitet. Aus dem Tiegelwurden keine Mengen abgegossen.

Es fanden sich im Tiegel 9,0 kg eines metallartigen Materials, dessen Analyse 72,1 Gew.% Molybdän und 26,5 Gew.% Schwefel ergab, sowie 2,3 kg eines Pulvers, dessen Analyse 64,3 Gew.% Molybdän und 35,5 Gew.% Schwefel ergab. Es gab kein Anzeichen dafür, daß metallisches Molybdän erzeugt worden war. Ein gelbes, nadelartiges Material, das an der Deckeloberfläche hinter der Dichtung aus feuerfestem Ton kondensiert hatte, bestand aus 77,8 % Schwefel. Das schwerwiegenste Resultat war die Erosion der Anode. Der Anodenhals, also derjenige Abschnitt der inneren Anodenwand, der den Halsabschnitt 72 in Fig. 2 begrenzt, war am oberen und unteren Ende stark ausgehöhlt.

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Beispiel 2

Die Vorrichtung wurde 63 min lang bei 420 A (84,0 kW) mit einer Mischung aus 29.000 Normliter/h (1.025 SCFH) Wasserstoff und 2.000 Normliter/h (72 SCPH) Argon und anschließend 15 min bei 38O A (83₅6 kW) mit einer Mischung 12.740 Normliter/h (450 SCPH) Wasserstoff und 12.460 Normliter/h (440 SCPH) Argon vorgeheizt. Das Molybdändisulfid-Konzentrat wurde pneumatisch unter Verwendung von 4.25O Normliter/h (150 SCPH) Argon mit einer Menge von 29,1 kg/h während 51 min eingeleitet. Die Brutto-Leistungszuführ während der Konzentrat-Einspeisung betrug im Mittel 119,1 kW. Die Leistung betrug während der ersten 10 min 150,0 kW, jedoch sank die Spannung bei fortschreitendem Verfahren auf 120 V und demgemäß die Leistung auf 96,0 kW ab. Das Stabilisierungsgas bestand aus einer Mischung von im Mittel 11.330 Normliter/h (400 SCPH) Wasserstoff und 12.740 Normliter/h (450 SCPH) Argon. Zu Beginn waren die Wasserstoff- und Argonströme geringer, nämlich 10.900 Normliter/h bzw. 11.330 Normliter/h. Als jedoch die Spannung und der Staudruck abnahmen, wurden die Stärken des Wasserstoff- und Argonstromes auf II.470 Normliter/h (405 SCPH) bzw. 13-730 Normliter/h (485 SCPH) erhöht. Nach Abschluß der Konzentrat-Zufuhr wurde die Vorrichtung weitere 4 min bei 800 A (96,0 kW) mit einer Mischung von 11.470 Normliter/h (405 SCPH) Wasserstoff und 13-730 Normliter/h (485 SCPH) Argon beheizt. Danach erfolgte ein erstes Ausgießen des Tiegelinhalts. Nach, weiterem Beheizen des Tiegels unter Verwendung der gleichen Leistungszufuhr und des gleichen Stromes an Stabilisierungsgas erfolgte nach 10 min ein zweiter Ausguß. Nach den beiden Ausgüssen blieben im Tiegel metallische und nichtmetallische Materialien zurück.

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Die Ausgüsse und der Tiegelinhalt hatten die folgende chemische Zusammensetzung:

Probe	Gewicht	Mo	S	Mg
	kg	^: Gew.%	Gew. %	Gew. %
Ausguß 1	5_;	80,5	16,9	0,09
Ausguß 2	0;	79,5	18,8	0,13
metallischer Tiegelinhalt	9:	91,6	8,3	0,45
nichtmetallischer Tiegelinhalt	3;	1,3	4,9	40,3
,44
,41 ,
,88
»17

Der im Verlauf des Verfahrens zunehmende Abfall der Spannung und des Staudruckes ließen darauf schließen, daß wiederum eine Erosion des Anodenhalses stattfand. Eine Untersuchung der kurzen Anode, die bei diesem Versuch zum ersten Mal benutzt wurde, zeigte eine vollständige Zerstörung des Halsabschnittes. Obwohl bei diesem Versuch metallisches Material erhalten wurde, dessen Analyse einen Molybdängehalt von mehr als 90 % ergab, ist die Anwendung dieses Verfahrens wegen der starken Anodenerosion praktisch unmöglich.

Beispiel 3

Die Vorrichtung wurde 60 min lang mit 425 A (76,5 kW) unter Verwendung einer Mischung von 29.000 Normalliter/h (I.o25 SCPH) Wasserstoff und 2.000 Normalliter/h (72 SCPH) Argon und anschließend 30 min lang mit 450 A (94,5 kW) unter Verwendung einer Mischung von 12.740 Normalliter/h (450 SCPH) Wasserstoff und 12.320 Normalliter/h (435 SCPH) Argon

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vorgeheizt. Das zugeführte Ausgangsmaterial bestand aus einer Mischung von Molybdändisulfid-Konzentrat (90 %) und feinem Koks (10 %), die mittels 4.250 Normalliter/h (150 SCPH) Argon 51 min in einer Menge von 35,7 kg/h zugeführt wurde. Während der Zuführung betrug die Bruttoleistung im Mittel 138,6 kW und es bestand das Stabilisierungsgas aus einer Mischung von 12.180 Normalliter/h (430 SCPH) Wasserstoff und II.610 Normalliter/h (410 SCPH) Argon. Nach 33 min der Zufuhr wurde das Verfahren 2 min lang unterbrochen, um einen ersten Ausguß zu machen, worauf die Zufuhr weitere l8 min fortgesetzt wurde. Danach wurde die Beheizung der Vorrichtung weitere 7 min mit 68O A (142,8 kW) unter Verwendung einer Mischung von 12.600 Normalliter/h (445 SCPH) Wasserstoff und 12.320 Normalliter/h (435 SCPH) Argon fortgesetzt. Nach einem zweiten Ausguß verblieb im Tiegel ein Material, von dem etwa 80 % metallisch und der Rest nichtmetallisch zu sein schien. Diese Materialien wurden getrennt analysiert. Es wurde auch das an den Anoden- und Deckelflanschen angesetzte Material entnommen. Die chemische Analyse dieser Materialien ergab folgende Werte:

Probe	Gewicht	Mo	S	C	Mg
	kg	Gew.?	Gew. %	Gew.?	Gew.?
Ausguß 1	2,58	8,2	26,0	6,4	38,4
Ausguß 2	0,95	7,7	24,5	6,0	37,8
Tiegelinhalt metallisch nichtmetallisch	14,0	96,9 1,4	0,7 6,8	2,7 1,7	0,4 51,1
Anoden- und Deckelflansch	0,14	81,8	5,3	5,5	5,1

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Nach diesem Verfahren wurde eine relativ reine Probe von metallischem Molybdän erzeugt. Weiterhin fand bei diesem Beispiel keine Erosion des Anodenhalses statt. Dagegen konnte eine beträchtliche Aushöhlung am Anodenausgang festgestellt werden. Dabei handelt es sich um eine typische Erscheinung, wenn eine Anode mit einer scharfen Kante am Ausgang verwendet wird. Nach mehreren Stunden des Betriebes ist die Kante abgefast. Wenn die Anode mit einer Fase am Auslaß hergestellt wird, kann eine solche Erosion vermieden werden.

Bei den vorstehend beschriebenen Beispielen befand sich zu Beginn des Verfahrens im Tiegelkein Material. Es wäre möglich, den Tiegel mit einer Eisenschmelze zu beschicken, so daß eine Eisenmolybdän-Mutterlegierung entsteht, wenn das neu erzeugte Molybdän in den Tiegel fällt und sich mit dem Eisen vermischt. Wenn zu viel Schwefel absorbiert wird, kann mittels bekannter Verfahren eine Entschwefelung stattfinden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wäre es durch Installation eines Induktionsofens möglich, ein entschwefeltes und gereinigtes Molybdänprodukt herzustellen.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Stabilisierung des Lichtbogens in einem eine erste und eine zweite Elektrode aufweisenden Lichtbogen-Plasmareaktor, in dem die erste Elektrode von einer Reaktionsschicht bedeckt ist, von der der Lichtbogen ausgeht und die insofern als nichtleitend gelten kann, als sie im Verlauf des Verfahrens einen zwischen der mit der Reaktionsschicht bedeckten ersten Elektrode und der unbedeckten zweiten Elektrode geschlagenen Lichtbogen zu einem Kurzschluß veranlaßt, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Reaktionsschicht ein Material hinzugefügt wird, welches stärker elektrisch leitend ist als die Reaktionsschicht, so daß der Lichtbogen zwischen der unbedeckten zweiten Elektrode und der mit der Reaktionsschicht bedeckten ersten Elektrode stabilisiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stärker elektrisch leitende Material zu der Reaktionsschicht als Bestandteil der Charge des der Reaktion ausgesetzten Ausgangsmaterials hinzugefügt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem Fallschieht-Lichtbogen-Plasmareaktor durchgeführt wird.

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4. Verfahren zur Zersetzung einer Metallverbindung zur Gewinnung des darin enthaltenen Metalls unter Ver- ~ Wendung eines zwei Elektroden aufweisenden Licht- bogen-Plasmareaktors ₃ in dem die zugeführte Metallverbindung an der Wand einer Elektrode eine fallende Schicht bildet, die insofern als elektrisch nichtleitend gelten kann, als sie an einer Stelle ihres Fallweges einen zwischen der einen Elektrode und der fallenden Schicht über der anderen Elektrode geschlagenen Lichtbogen zu einem Kurzschluß veranlaßt, dadurch gekennzeichnet, daß zu der fallenden Schicht ein Material hinzugefügt wird, welches stärker elektrisch leitend ist als die Schicht, so daß die fallende Schicht leitend gemacht und der Lichtbogen stabilisiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch U, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrisch nicht leitende Metallverbindung verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das stärker elektrisch leitende Material zu der fallenden Schicht als Bestandteil der die Metallverbindung umfassenden Ausgangsstoffe hinzugefügt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallverbindung Molybdändisulfid eingesetzt und daraus metallisches Molybdän gewonnen wird.

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8. Verfahren nach Anspruch f, dadurch gekennzeichnet, daß als stärker elektrisch leitendes Material feinkörniger Kohlenstoff eingesetzt wird.

9. Verfahren zur Zersetzung einer Metallverbindung zur Erzeugung des Metalls in einem Fallschicht-Lichtbogen-Plasmareaktor, bei dem die Metallverbindung insofern als elektrisch nichtleitend gelten kann, als die die Metallverbindung enthaltende Schicht einen zwischen einer unbedeckten Elektrode und einer von der fallenden Schicht überdeckten Elektrode geschlagenen Lichtbogen zu einem Kurzschluß veranlaßt, dadurch gekennzeichnet, daß

a) im Anschluß an die Kathode des Lichtbogen-Plasmareaktors ein stabilisierender Gasstrom in Form eines kreisenden Wirbels erzeugt wird,

b) die nichtleitende Metallverbindung in Form fester Teilchen zwischen den Enden des Lichtbogens in den Lichtbogen-Plasmareaktor eingeleitet wird,

c) zwischen der Kathode und der Anode ein Lichtbogen erzeugt wird, um die festen Teilchen der nichtleitenden Metallverbindung zu einer die Anodenwandung überdeckenden Materialschicht zu schmelzen,

d) die nichtleitende Metallverbinduhg zersetzt und der elektrische Lichtbogen durch Zusatz eines Materials, das stärker elektrisch leitend ist als die fallende Schicht, zu der die Anodenwand überdeckenden Materialschicht stabilisiert wird und

e) das aus dem Lichtbogen-Plasmareaktor austretende Metall aufgefangen wird.

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10. Verfahren zur Stabilisierung des elektrischen Lichtbogens in einem Lichtbogen-Plasmareaktor, dadurch gekennzeichnet, daß

b) ein umzusetzender Ausgangsstoff in Form fester Teilchen zwischen den Enden des Lichtbogens in den Lichtbogen-Plasmareaktor eingleitet wird,

c) zwischen der Kathode und der Anode ein Lichtbogen erzeugt wird, um den Ausgangsstoff zu schmelzen, der eine die Anodenwand überdeckende Schicht bildet, die insofern an einer Stelle ihres Fallweges als nichtleitend gelten kann, als sie einen zwischen der Kathode und der von der Schicht überdeckten Anode geschlagenen Lichtbogen zu einem Kurzschluß veranlaßt, und ■

d) zu der Schicht über der Anodenwand ein Material hinzugefügt wird, das stärker elektrisch leitend ist als die geschmolzenes Ausgangsmaterial enthaltende Schicht, wodurch der elektrische Lichtbogen stabilisiert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das stärker elektrisch leitende Material zusammen mit dem festen Teilchen im Schritt b) zugeführt wird.

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12. Verfahren zum Umsetzen von Molybdändisulfid zur Erzeugung von im wesentlichen reinem Molybdän, dadurch gekennzeichnet j daß

b) Molybdändisulfid in Form fester Teilchen zwischen den Enden des Lichtbogens in den Lichtbogen-Plasmareaktor eingeleitet wird,

c) zwischen der Kathode und der Anode ein Lichtbogen erzeugt wird, um die festen Teilchen des Molybdändisulfids zu einer die Anodenwandung überdeckenden Materialschicht zu schmelzen,

d) das Molybdändisulfid durch Zusatz eines Materials, das stärker elektrisch leitend ist als die das Molybdändisulfid enthaltende Schicht, zu der die Anodenwand überdeckenden Materialschicht umgesetzt und im wesentlichen reines Molybdän erzeugt wird und

e) das aus dem Lichtbogen-Plasmareaktor austretende, im wesentlichen reine Molybdän aufgefangen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das stärker elektrisch leitende Material zu der fallenden Schicht hinzugefügt wird, indem es zusammen mit den festen Teilchen des Molybdändisulfids in den Lichtbogen-Plasmareaktor eingeleitet wird.

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Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, d'aß das stärker elektrisch leitende Material feinkörniger Kohlenstoff ist.

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