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DE2207048A1 - Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Lichtbogens und Verfahren zur Gewinnung oder Behandlung von Metallen mittels einer solchen Einrichtung - Google Patents

Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Lichtbogens und Verfahren zur Gewinnung oder Behandlung von Metallen mittels einer solchen Einrichtung

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DE2207048A1
DE2207048A1 DE19722207048 DE2207048A DE2207048A1 DE 2207048 A1 DE2207048 A1 DE 2207048A1 DE 19722207048 DE19722207048 DE 19722207048 DE 2207048 A DE2207048 A DE 2207048A DE 2207048 A1 DE2207048 A1 DE 2207048A1
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DE
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arc
electrode
products
furnace
copper
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DE19722207048
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Inventor
Jozef Kazimierz Stoneleigh Surrey Tylko (Großbritannien). P
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Tetronics International Ltd
Original Assignee
Tetronics Research and Development Co Ltd
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Publication date
Application filed by Tetronics Research and Development Co Ltd filed Critical Tetronics Research and Development Co Ltd
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Publication of DE2207048B2 publication Critical patent/DE2207048B2/de
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Description

Tetronics Research and Development Company Limited,
Lechlade Road, Faringdon, Berkshire,
England
Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Lichtbogens und Verfahren zur Gewinnung oder Behandlung von Metallen mittels einer solchen Einrichtung
Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Erzeugung
eines elektrischen Lichtbogens in Form einer in radialer Richtung erweiterten Lichtbogensäule sowie Verfahren zur Gewinnung oder Behandlung von Metallen aus Materialien, wie vorzugsweise Mineralien, Erz, Konzentrat, Aufbereitungsschlamm oder ochrott mittels einer derartigen Einrichtung.
Es ist bekannt, daß sich bei der Behandlung bestimmter Substanzen in elektrischen Lichtbögen mit hoher Stromdichte physikalische Materialänderungen ergeben, wie beispielsweise Zerstäubung und/oder Küßeichenbildung, bzw. daß das Material aufgrund von Dissoziation oder durch Reaktion mit der Entladungsatmosphäre oder mit der Atmosphäre in der unmittelbaren Umgebung der Lichtbogenentladung eine chemische Änderung erfährt. Es ist außerdem bekannt, daß zur Erzielung einer vollständigen und genau festgelegten Änderung der Materialien, die der Einwirkung elektrischer Entladungen ausgesetzt sind, sämtliche Materialien durch die Entladungszone hindurchgeleitet werden müssen und daß die Verweilzeit der Materialien in dieser Zone eine bestimmte Länge haben muß. Darüberhinaus müssen bei einigen chemischen Reaktionen zur Erzielung einer möglichst großen Ausbeute die Reaktionsprodukte sehr schnell abgeschreckt und/oder aus der Reaktionszone abgeführt werden, um eine Umkehrung der Reaktion oder eine unerwünschte Rekombination der Reaktionsprodukte zu verhindern.
Dafür sind bereits verschiedene Lösungswege vorgeschlagen worden. Gemäß einem bekannten Vorschlag soll der elektrische Lichtbogen so ausgebreitet werden, daß er eine fächerartige Gestalt annimmt.
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Außerdem ist bereits eine Vielzahl von Anlagen zur Erzeugung sehr hoher Temperaturen, bei welchen der Plasmazustand erreicht wird, vorgeschlagen worden. Gemäß einem solchen bekannten Vorschlag sollen beispielsweise Gase in vollständig ionisierte Plasmaströmungen umgewandelt werden, indem die Gase durch eine Lichtbogenkontraktionseinrichtung, wie sie beispielsweise in Gleichstromplasmakanonen vorhanden ist, hindurchgeleitet werden. Gemäß einem weiteren bekannten Vorschlag lassen sich Plasmaströmungen dadurch herstellen, daß Gasen auf induktivem Wege eine Hochfrequenzenergie zugeführt wird. Obgleich eine begrenzte Anzahl von Verbindungen und Allotropen durch Hochtemperaturreaktionen bereits hergestellt worden ist, ist es bislang allgemein nicht möglich gewesen, bei solchen sehr hohen Temperaturen entweder neue chemische Verfahren in Gang zu setzen oder wenigstens anzuwenden. Bei den Gleichstromplasmakanonen weisen beispielsweise die sich ergebenden Plasmaströmungen in der Regel zu hohe Geschwindigkeiten und eine zu große Viskosität auf, wodurch Teilchen am Eindringen in die heißesten Zonen der Plasmaströmung gehindert werden. Darüberhinaus hat das Einblasen großer M engen von Beschickungsmaterial in solche Plasmaströmungen häufig zu einer Lichtbogeninstabilität geführt. Auch bei den Hochfrequenzplasmaströmungen konnten nur verhältnismäßig geringe Mengen von Beschickungsmaterial zugeführt v/erden, ohne das Plasma
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zum Erlöschen zu bringen.
Aus diesen und anderen Gründen war die Einwirkung auf die injizierten Beschickungsmaterialien trotz der erreichten sehr hohen Temperaturen von 5000 K bis 30 000 0K bzw. darüber sehr gering und es war nicht möglich, den für die Rückgewinnung von Reaktionsprodukten in industriell verwertbarem Maßstab erforderlichen konstanten Temperaturgradienten aufrechtzuerhalten.
Man war sich allgemein darüber klar, daß zu den Erfordernissen für eine Materialbehandlung bei sehr hohen Temperaturen in erster Linie die Bildung und Aufrechterhaltung einer breiten Reaktionszone mit sehr hoher Temperatur gehört, deren Volumen größer ist als dasjenige bei bislang erreichbaren Reaktionszonen, und die sich mit wesentlich geringeren Geschwindigkeiten als bei der Lichtbogenkontraktion in Plasmakanonen bewegt und außerdem in der Lage ist, große Mengen von injizierten Beschickungsmaterialien ohne Entladungsinstabilitäten aufzunehmen und festzuhalten.
Methoden zur Stabilisierung und Erweiterung einer Lichtbogensäule, nämlich durch Drehen eines Zylinders,
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in welchem sich die Lichtbo^ensäule befindet, sind bereits seit vor dem zweiten Weltkrieg bekannt und beispielsweise von W. Weizel und R. Rompe in "Theorie elektrischer Lichtbogen und Funken", Leipzig, Barth, 19^9, beschrieben worden. Diese Methoden sind zwar wissenschaftlich von großem Viert, sie eignen sich jedoch nicht zu einer industriellen Verwertung. Die unvermeidlich hohen Wärmeverluste in dem rotierenden Zylinder und die Unmöglichkeit, ausreichend große Mengen von Beschickungsmaterialien ohne nachteilige Beeinflussung der Stabilität der Lichtbogenentladung injizieren zu können, bilden die Haupthindernisse, welche eine industrielle Verwertung dieser Methoden bzw. Anordnungen verhindert haben.
Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Lichtbogens in Form einer in radialer Richtung erweiterten Lichtbogensäule zu schaffen, in welche sich zur Metallgewinnung oder -behandlung große Mengen von Beschickungsmaterial injizieren lassen, ohne daß dadurch die Stabilität der Lichtbogenentladung nachteilig beeinflußt wird. Darüberhinaus sollen Verfahren zur Gewinnung von Metallen aus Materialien, wie vorzugsweise Mineralien, Erz, Konzentrat, Aufbereitungsschlamm oder Schrott, oder zur Behandlung von Metallen mittels einer Einrichtung der genannten Art angegeben werden.
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Im sinne der Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die Erfindung eine Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Lichtbogens in Form einer in radialer Richtung erweiterten Lichtbogensäule, Eine solche Einrichtung ist gemäß der Erfindung durch mindestens eine auf einer geschlossenen Bahn umlaufende Elektrode und durch mindestens eine mit dieser umlaufenden Elektrode zusammenwirkende stationäre Elektrode gekennzeichnet.
Außerdem beinhaltet die Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung von Metallen aus Materialien, wie vorzugsweise Minearlien, Erz, Konzentrat, Aufbereitungsschlamm oder Schrott, mittels einer Einrichtung nach der Erfindung, welches durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:
a) Einbringen der betreffenden Materialen in Teilchenform mit oder ohne weitere Zusätze in die Lichtbogensäule des Ofens,
b) Bilden und Aufrechterhalten geeigneter Atmosphären in verschiedenen Ofenbereichen, welche bei einem oder mehreren Bestandteilen der betreffenden Materialien eine Zerlegung oder Neugruppierung oder teilweise bzw. vollständige Reduktion bzw. eine
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Kombination aus diesen bewirken,
c) weiteres thermisches und chemisches Einwirken auf die sich ergebenden Produkte oder auf Bestandteile derselben und dadurch Verursachen weiterer Modifikationen in diesen Produkten, und
d) Abführen der gewonnenen Produkte aus dem Ofen.
Die umlaufende Elektrode(n) kann entweder eine abschmelzende oder eine nichtabschmelzende Elektrode oder aber eine Plasmakanone sein, welche ihre Plasmaströmungen auf die stationäre Elektrode richtet. Die stationäre Elektrode ist vorzugsweise eine Ringelektrode. Es hat sich geseilt, daß bei ausreichend großer Umlaufgeschwindigkeit der einen Elektrode oberhalb der stationären Ringelektrode eine in radialer Richtung wesentlich erweiterte Lichtbogenentladung zustande kommt. Wenn sich die umlaufende Elektrode nit ihrer Längsachse parallel zur Vertikalachse der stationären Ringelektrode bewegt, d.h. einen Zylindermantel beschreibt, so ergibt sich eine zylindrische Lichtbogensäule. Wenn andererseits die Längsachse der umlaufenden Elektrode gegen die Vertikalachse der Ringelektrode
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geneigt ist, d.h. vienn die umlaufende Elektrode die Mantelfläche eines Kegelstumpfes beschreibt, wird eine kegelstumpf förmice Lichtbogensäule erzeugt. Diese letztgenannte Form der Lichtbogensäule wird im folgenden näher erläutert.
Wenn eine der oben genannten Arten einer in radialer Richtung erweiterten Lichtbogensäule gebildet ist, gehen die von dieser ausgehenden Plasmaströmungen durch den Ring der Gegenelektrode hindurch und endigen in einer charakteristischen Flamme, welche im englischen Sprachraum als "tail flame" bekannt ist und in der folgenden Beschreibung als "Nachflamme" bezeichnet wird. Sowohl die umlaufende Elektrode wie auch die Ringelektrode kann jeweils zur Versorgung des Bereiches der erweiterten Lichtbogensäule bzw. der Nachflamme mit Substanzen verwendet werden. Wenn beispielsweise als umlaufende Elektroden Abschmelzelektroden verwendet werden, so sind diese für den genannten Zweck vorzugsweise hohl ausgeführt. Vienn als umlaufende Elektrode eine Plasmakanone verwendet wird, so liefert letztere selbstverständlich ihre eigenen Plasmaströmungen, die jedoch durch Hinzufügen von geeigneten Strömungsmitteln oder Pulvern gemäß einer Vielzahl bekannter Verfahren vermehrt werden können. Das Zuführen von Substanzen durch die Ringeleketrode wird dadurch bewerkstelligt, daß eine solche Elektrode an
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ihrer Innenseite mit einer Vielzahl kleiner öffnungen versehen wird oder daß der innere Teil dieser Elektrode als poröse Fläche ausgebildet wird. Die beiden letztgenannten Varianten reichen zum Injizieren einer begrenzten Menge von in der Ringelektrode umlaufenden Strömungsmitteln aus. Dieses Verfahren ist dann besonders günstig, wenn ein Teil des in der Ringelektrode umlaufenden Kühlmittels zum Injizieren verwendet werden kann. Aus den im folgenden näher erläuterten Beispielen ist ersichtlich, daß die Ringelektroden durch die verschiedensten Kohlenwasserstoffe, u*.a. durch öle, gekühlt werden können, deren Injektion in den Machflammenbereich von besonderem Vorteil sein kann. Der Ausdruck Ringelektrode soll im Rahmen der vorliegenden Beschreibung auch abschnittweise unterteilte Ringelektroden einschließen, d.h. Elektroden, die aus einzelnen Ringsegmenten bestehen, welche umfangsmäßig derart angeordnet sind, daß sie einen Ring bilden. Die Einrichtung nach der Erfindung ist an die verschiedensten Stromquellen anschließbar, wobei die elektrischen Verbindungen und Polaritäten in verschiedenster Weise gewählt werden können. Bei der Verwendung einer Plasmakanone wirkt dieselbe, abgesehen von einer sehr kurzen Zeitspanne während des Startens, wenn noch kein Lichtbogen gezogen ist, vorzugsweise wie eine Kathode, während die Ringelektrode als Anode wirkt.
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Bei Verwendung einer Vielzahl von Ringelektroden können diese entsprechend ihrer Entfernung von der umlaufenden Elektrode jeweils an zunehmendes elektrisches Potential gelegt werden. Wenn die umlaufende Elektrode eine Abschmelzelektrode ist, die außerdem hohl ist, so ist es von Vorteil, mit umgekehrter Polarität zu arbeiten, d.h. die umlaufende Elektrode zur Anode und die Ringelektrode zur Kathode zu machen und auf diese Weise proportional größere Wärmemengen über diese Elektroden abzuleiten. Die Einrichtung nach der Erfindung kann außerdem in Verbindung mit einer Wechselspannungsquelle verwendet werden. Der Wechselspannungsquelle kann dabei zusätzlich eine Gleichspannungskomponente überlagert sein. Dabei bietet sich die Verwendung einer in Ringsegmente unterteilten stationären Elektrode an, bei welcher jedes Ringsegment mit einer Phase der Wechselspannungsquelle verbunden wird, während die umlaufende Elektrode mit der Rückleitung bzw. der neutralen Klemme der Wechselspannungsquelle verbunden wird.
Die Lichtbogensäule der Einrichtung nach der Erfindung wird dadurch gestartet, daß die umlaufende Elektrode in die Nähe der stationären Ringelektrode abgesenkt und dadurch der Zwischenelektrodenabstand verringert wird und daß ein Hochfrequenz-Hochspannungsatoß zur Vorionisierung
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des Spaltes zwischen den Elektroden erzeugt wird. Wenn als umlaufende Elektrode eine Plasmakanone verwendet wird, arbeitet diese am Anfang bei noch nicht gezogenem Lichtbogen mit
verringerter Leistung, was sich ebenfalls günstig durch
Hochfrequenz-Vorionisierung erreichen läßt. Wenn die
Plasmaströmungen eine elektrisch leitende Verbindung zu
der stationären Ringelektrode hergestellt haben, wird der Lichtbogen zu der ringelektrode gezogen. Nach dem Ziehen
des Lichtbogens zu der Ringelektrode wird die umlaufende
Elektrode langsam zurückgezogen und dabei gleichzeitig die von der Stromversorgungsquelle gelieferte Leistung erhöht und die Umlaufgeschwindigkeit vergrößert. Auf diese Weise wird die Lichtbogensäule vorzugsweise gleichzeitig ausgedehnt und erweitert, und zwar so lange, bis die geforderten und festgelegten geometrischen und elektrischen Parameter erreicht sind. Zur Erläuterung der grundlegenden Merkmale der Erfindung wird diese im folgenden unter Bezugnahme
auf eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Erzeugung einer kegelstumpfförmigen Lichtbogensäule beschrieben, bei welcher der Lichtbogen zwischen einer als Kathode dienenden, umlaufenden Plasmakanone und einer als Anode dienenden, stationären Ringelektrode gezogen wird.
Wenn sich eine umlaufende Plasmakanone über die
stationäre Elektrode derart hinwegbewegt, daß die Längs-
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achse der Plasmakanone gegen die Vertikalachse der Ringelektrode geneigt ist, so beschreibt die Achse der Plasmakanone einen Kegelmantel, welcher unterhalb des Schnittpunktes derselben mit der Vertikalachse der Ringelektrode liegt. In solchen Fällen ist es möglich, den Neigungswinkel derart einzustellen, daß die nach unten ragende Achse der Plasmakanone einen zu dem Kreisring der stationären Elektrode konzentrischen Kreis beschreibt, dessen Radius etwa gleich dem Innenradius dieses Kreisringes ist. Wenn die Plasmakanone langsam, d.h. mit wenigen Umdrehungen pro Minuten umläuft und verhältnismäßig große Gasmengen
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in der Größenordnung von 720 sra /mm des Lichtbogenkontraktionskanals verarbeitet, so hat der sich ergebende Lichtbogen, wenn er zu der Ringelektrode hin gezogen ist, die Form eines scharf begrenzten Strahles mit hoher Geschwindigkeit und hoher Viskosität, dessen Länge nicht leicht vergrößert werden kann, ohne dadurch beträchtliche Instabilitäten und ein eventuelles Erlöschen der Entladung hervorzurufen. Ein derartiger Lichtbogen gleitet längs der Oberfläche der Ringelektrode mit einem charakteristischen glockenförmigen Anodenanlagebereich und mit einer kaum vorhandenen Nachflamme, welche gelegentlich Anodenschlieren aufweist. Die Geometrie eines solchen Lichtbogens ist in jeder Beziehung gleich derjenigen eines von einer stationären Plasmakanone erzeugten Lichtbogens, wenn man jedoch die Plasmakanone mit wesentlich
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geringerer Gasdurchströmung und mit beträchtlich größerer Umlaufgeschwindigkeit, beispielsweise mit 500 U/min, arbeiten läßt, so füllt der sich ergebende Lichtbogen schnell den Zwischenraum zwischen den Elektroden aus, nimmt dabei eine charakteristische kegelstumpfförmige Gestalt an und erzeugt eine kurze und dicke Nachflararie unterhalb der Ringelektrode. Ein solcher erweiterter Lichtbogen weist eine verbesserte Stabilität auf. Die Länge dieses Lichtbogens kann nun beträchtlich vergrößert v/erden, indem die umlaufende Plasmakanone in Richtung auf den genannten Achsenschnittpunkt zurückgezogen wird. Erweiterte Lichtbogensäulen dieser Art können durch Rotationsvolumen dargestellt werden,· welche durch Teile von Kurven begrenzt sind, die von der Exponentialfunktion χ = e^ bis zur Evolute einer Ellipse mit der Parametergleichung: χ = a cos θ; y = b sin θ reichen.
Bei der Untersuchung der Geometrie und der dynamischen von erweiterten Lichtbogensäulen der oben genannten Art hat man festgestellt, daß solche Lichtbogensäulen eine besonders stabile, sich selbst einstellende Form haben, welche zum Teil dem Vorhandensein der darin entwickelten Präzessionskräfte und deren Zusammenwirkung mit anderen magnetohydrodynamischen Komponenten zugeschrieben wird. Da eine Gesamtanalyse der erweiterten Lichtbogensäulen
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noch nicht vollständig vorliegt, werden im folgenden wichtige experimentell ermittelte Daten zusammengefaßt angegeben:
• A) Bei der Einrichtung nach der Erfindung nehmen die erweiterten Lichtbogensäulen im allgemeinen und die kegelstumpfförmigen Lichtbogensäulen insbesondere leicht Teilchenmaterial auf, welches innerhalb der Lichtbogensäule als "schnellste Abstiegslinie11 eine komplexe Spirale zurücklegt, die stark zur Verlängerung der Verweilzeit des Teilchenmaterials in der Lichtbogensäule beiträgt.
B) Die Lichtbogensäulen sind bei der Einrichtung nach der Erfindung in der Lage, außerordentlich große
Mengen von in der Nähe ihres oberen Bereiches in sie eingeleiteten Teilchen aufzunehmen.
C) Die Liohtbogensäulen sorgen bei der Einrichtung nach der Erfindung für eine besonders wirksame Wärmeübertragung auf die in dem Lichtbogen mitgeführten Teilchen. Die gute Wärmeübertragung wird
u.a. der innerhalb der Lichtbogensäulen vorherrschenden starken Turbulenz zugeschrieben.
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D) Bei den erweiterten Lichtbogensäulen der Einrichtung nach der Erfindung treten praktisch keine sogenannten "Elektronenausspüleffekte" auf, die bei anderen Lichtbogenarten zu beobachten sind, und die sich teilweise durch das Vorhandensein des zentralen Kernes in solchen Lichtbogensäulen, welcher vollständig ionisiert ist, und teilweise durch den dielektrischen Effekt von weniger als Im- großen Staubteilchen erklären lassen, die als Überbleibsel des in die Lichtbogensäulen eingeleiteten Teilchenmaterials vorhanden sind.
E) Bei der Einrichtung nach der Erfindung ist es möglich, die erweiterten Lichtbogensäulen mit Hochspannung zu betreiben, wobei jede beliebige Art von Gleich- und/oder VJechselstromquellen einschließlich Gleichstromquellen mit abnehmender Spannung oder mit konstantem Strom verwendet werden können. Außerdem ist es möglich, die erweiterte Lichtbogensäule nach der Erfindung mit einer Lichtbogenspannung zu betreiben, welche nahe bei dem Wert der Leerlaufspannung der jeweils angeschlossenen Spannungsquelle liegt, was auf einen sehr guten Leistungsfaktor führt.
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Neben den oben angegebenen Vorteilen der Einrichtung nach der Erfindung ist es außerdem möglich, die Lichtbogensäulen mit Umlaufgeschwindigkeiten zu betreiben, bei welchen sich kein vollständig erweiterter Lichtbogen ergibt, indem nämlich ein der Ringelektrode gegenüberliegender Sektor entladungsfrei gelassen wird. Bei dieser Betriebsart kommt es nicht wie man erwarten sollte dazu, daß unbehandeltes Material durch die Ringelektrode hindurchgelangt, sondern vielmehr zu einer Verstärkung der Turbulenz in der Lichtbogensäule.
Wenn die erweiterte Lichtbogensäule der Einrichtung nach der Erfindung in einen feuerfesten Mantel eingeschlossen wird, welcher sie samt ihrer Nachflamme von der umgebenden Atmosphäre trennt, so ergibt sich eine völlig neue Ausführungsform eines Hochtemperaturofens, welcher im folgenden als Lichtbogenofen mit erweitertem Lichtbogen bzw. kürzer als Lichtbogenofen nach der Erfindung bezeichnet wird.
Als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der genannte Lichtbogenofen in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
die Fig. 1 bis 3 im Aufriß jeweils einen Längsschnitt jeweils durch eine
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bevorzugte Ausführungsform des Lichtbo^enofens nach der Erfindung,
Fig. 4 schematisch eine erweiterte
Lichtbogensäule von kegelstumpfförmiger Gestalt sowie einen von einem injizierten Teilchen zurückgelegten typischen
Weg, und
Fig. 5 schematisch im Grundriß eine
in mehrere Segmente unterteilte Ringelektrode des Lichtbogenofens nach der Erfindung.
Gemäß Fig. 1 ist eine umlaufende Elektrode 1, welche aus einer Plasmakanone oder aus einer anderen Art von Elektrode bestehen kann, in einer Zylinderbüchse 2 verschiebbar angeordnet, welche in einem Rotorkörper 3 fest gehaltert ist. Eine kreisringförmige Platte mit einem Außenzahnkranz 4 ist an dem Rotorkörper 3 befestigt und wird über einen Kettenantrieb 5 durch einen Elektromotor 6 angetrieben. Die gesamte Rotoranordnung ist im bereich eines Rotorlagers mittels symmetrisch angeordneter Stangen 7,
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von welchen nur zwei in Fig. 1 dargestellt sind, gehaltert. Unmittelbar unterhalb des Rotorkörpers 3 und fest mit diesem verbunden ist ein feuerfestes Teil 8 angeordnet, welches einen Durchlaß für die verschiebbare Elektrode aufweist. Als eine von zahlreichen Möglichkeiten zum Einleiten von Beschickungsmaterial in die obere Zone der erweiterten Lichtbogensäule ist ein Beschickungsmaterialförderkanal 9 dargestellt, welcher tangential in eine Umfangsnut in dem feuerfesten Rotorteil 8 mündet. Die tangential injizierten Beschickungsmaterialteilchen verteilen sich in Umfangsrichtung in der Nut des feuerfesten Rotorteiles 8, bevor sie in dem Durchlaß, welcher zwischen dem feuerfesten Rotorteil 8, einer feuerfesten Auskleidung des Ofens und einer Ringscheibe 10 gebildet ist, nach unten gelangen, aufgrund dieser Anordnung gelangt ein gleichmäßiger zylindrischer Vorhang aus Beschickungsmaterial in dem oberen Teil der erweiterten Lichtbogensäule nach abwärts, wodurch die Lichtbogensäule optimal genutzt und die feuerfesten Wände des oberen Bereiches des Ofens mit einem wirksamen Wärmeschutzschild versehen werden. Eine weitere Ausführungsform einer Beschickungsmaterialzuführungseinrichtung, welche ebenfalls bereits mit Erfolg angewendet worden ist, besteht aus einem nicht dargestellten Beschickungsmaterialförderkanal, welcher direkt in das
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oberste äußere Ende der erweiterten Lichtbogensäule mündet. Eine solche Anordnung ist bei hohen Rotordrehzahlen anwendbar, beispielsweise bei Drehzahlen von 300 U/min, und darüber, bei welchen die Urnfangskomponente der Kraft der rotierenden Lichtbogensäule in der Lage ist, das Beschickungsmaterial schnell und gleichmäßig zu verteilen. Der obere Bereich des Ofens ist von einem geeigneten feuerfesten Material 11 umschlossen, welches aus einer einzigen Komponente oder aus einer Verbindung besteht und welches in einen Stahlmantel eingeschlossen ist. Die innerste Schicht des feuerfesten Materials, d.h. die dem Lichtbogen und den Ofenprodukten ausgesetzte Schicht kann aus bekanntem, hochtemperaturfestera bzw. feuerfestem Material hergestellt sein, welches entsprechend den mit ihm in Berührung kommenden Medien auszuwählen ist. Hinsichtlich der vorherrschenden hohen Temperaturen und der hohen Reaktionsfähigkeit vieler Materialbestandteile bei solchen Temperaturen ist jedoch experimentell ermittelt worden, daß feuerfeste Materialien, die gemäß dem aus der GB-PS 1 201 911 bekannten Verfahren behandelt worden sind, sich besonders gut eignen, da sie nicht porös und nicht benetzbar sind.
Der obere Teil des .Ofens endigt in einer stationären Ringelektrode 12, welche gemäß Fig. 1 die Form eines
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zylindrischen Ringkörper^ mit kreisförmigem Querschnitt haben kann, der an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist. Durch einen Ringkanal in der Elektrode kann ein geeignetes Kühlmittel hindurchgeleitet werden, dessen Wärmeaustausch in einem geschlossenen Kreislauf erfolgt oder welches teilweise in den Ofen hinein abgelassen wird, wie oben bereits erläutert. Unmittelbar unterhalb der Ringelektrode 12 und koaxial zu ihrer Mittelachse ist ein Sammler 13 angeordnet, Der dargestellte Sammler 13 besteht aus einem Tiegel, welcher auf einer unteren feuerfesten Anordnung 15 befestigt ist. Dieser Tiegel, welcher über einen nicht dargestellten Seitenkanal belüftet wird, kann über einen am Boden angeordneten Kanal 16 angezapft werden. Ein Leerraum 14, welcher den größten Teil des Sammlers 13 von der unteren feuerfesten Anordnung 15 trennt, wird zum Vorwärmen des Sammlers zwecks Verringerung des Anfangswärmeschocks verwendet, welcher dadurch verursacht werden könnte, daß der Sammler plötzlich den sehr hohen Lichtbogentemperaturen ausgesetzt wird. Zum Vorheizen des Sammlers werden Brenner oder elektrische Strahlungsheizkörper verwendet.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform, Vielehe für Versuche mit verschiednen Beschickungsmaterialien und mit Leistungen bis zu 200 kW verwendet wird. Die schematische Darstellung in Fig. 1 läßt nicht einen zusätzlichen Kanal
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in der Ofenwand unterhalb der Rotoranordnung erkennen, welcher zum Absaugen bestimmter leichtkondensierbarer Gase oder Dämpfe verwendet wird. Außerdem sind in Fig. 1 die Versuchsinstrumente, wie beispielsweise Stichprobensonden, Sauerstoffpotentialsonden, Fenster für optische Pyrometer, Manometer "und andere Instrumente nicht dargestellt0 Im Rahmen der Erfindung lassen sich Form und Anordnung des Sammlers und der Rotoranordnung sowie der Leistungsübertragung und der Beschickungsmaterialzuführeinrichtung belie big ändern.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Einrichtung bzw. des Lichtbogenofens nach der Erfindung, und zwar insbesondere das Verfahren und die Einrichtungen zum Absenken und Anheben der umlaufenden Elektrode für den speziellen Fall, daß es sich bei dieser um eine Plasmakanone handelt« Der obere Teil eines die Plasmakanone 1 halternden Zylinders ist über eine Zweikreuzgelenke 21 tragende Stange mit einer Kolbenstange 18 verbunden. Die Kolbenstange 18 ist am unteren Ende durch ein Querhalteteil 20 hindurchgeführt, welches seinerseits an zwei vertikalen Stange 19 verschiebbar gelagert ist. Das andere bzw. obere Ende der Kolbenstange endigt in einem Kolben, welcher in einem Zylinder 17 in Abhängigkeit von der durch
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ein Arbeitsmittel ausgeübten Kraft verschiebbar ist. Dieses Arbeitsmittel wird jeweils entweder am einen oder am anderen Ende in den Zylinder 17 eingeleitet. Bei dieser Anordnung nach der Erfindung sind biegsame Leitungen 22, über welche der Plasmakanone Leistung, Gase und Kühlmittel zugeführt werden, einem Minimum an Ermüdung infolge von Biegung ausgesetzt. Beim Absenken der Plasmakanone zum Starten der Lichtbogenentladung und beim Anheben der Plasmakanone zur Einstellung der optimalen Ausdehnung bzw. erweiterung der Lichtbogensäule kann leicht eine automatische Steuerung und Regelung in bezug auf andere Betriebsparameter, wie beispielsweise Lichtbogenspannung, Beschickungsmaterialförderuns usw. ausgeführt werden, während die Plasmakanone rotiert bzw. umläuft.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Ofens nach der Erfindung, bei welcher die Produkte in zwei Tiegeln 13 und 13A gesammelt werden. Diese Tiegel stoßen mit verlängerten lippen aneinander, die einen Verbindungskanal bilden. Beide Tiegel sind mit Abzapfkanälen 16 bzw. 16A versehen. Oberhalb des Tiegels 13A ist ein Abgaskanal sowie ein zusätzlicher Kanal 17 gebildet, welch letzterer in die obere Viand des Tiegels 13A mündet. Ein Vorheizraum des Tiegels 13 steht mit einem Vorheizraum I1IA in Verbindung,
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welch letzterer den Tiegel 13A umschließt. Bei dieser Ausführungsform des Ofens nach der Erfindung können die in dem Tiegel 13 gesammelten Produkte durch Schwerkraft getrennt werden, wobei die schwersten Produkte periodisch oder kontinuierlich über dem Abzapfkanal 16 abgezapft werden, während die leichteren Produkte über die aneinanderstoßenden Lippen der Tiegel 13 und 13A hinwegströmen und sich in dem Tiegel 13A sammeln, aus welchem sie anschließend über den Kanal l6A abgezapft werden. Bei dieser Betriebsart kann der aus den Tiegel 13 in den Tiegel 13A strömende leichtere Produktanteil in vorteilhafter Weise dem Einfluß eines neuen Zusatzmittels ausgesetzt werden, beispielsweise reinen Gasströmen oder Teilchen mit sich führenden Gasströmen, die über den Kanal 17 oder über andere nicht dargestellte Kanäle eingeleitet werden. Die Kanäle sorgen dafür, daß diese Gasströme im Gleichstrom oder im Gegenstrom mit den in den Tiegel 13A eintretenden Produkten in Berührung kommen.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform des Ofens nach der Erfindung ergibt sich somit als besonderes Merkmal, daß die leichteren Anteile der sich nach dem Passieren der Lichtbogensäule und der Nachflamme sammelnden Produkte zu einem weiteren Sammler weitergeleitet werden können, indem sie durch einen Bereich hindurchgeleitet werden, in welchem sich ein flacher Produktstrom ausbildet, ähnlich
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v/ie bei Reverberieröfen. Dieser flache, eine vergrößerte Oberfläche aufweisende Produktstrom wird einer reaktionsfähigen Umgebung ausgesetzt, die von der in dem ersten Sammler vorherrschenden Umgebung verschieden ist. Diese Ausführungsform des Ofens nach der Erfindung dient zur weiteren Trennung und zur Umwandlung von schlackenbildenden Bestandteilen. Bei besonderen Anforderungen kann in der genannten Reverberierstufe eine gesteuerte Reduktion oder eine gesteuerte Oxydation vorgenommen werden, die zu einer weiteren Trennung eines anderen Bestandteiles des Beschickungsmaterials mit oder ohne weitere Trennung anderer Bestandteile führt, beispielsweise durch Frischen, Ausbrennen, Verdampfen oder Rekombinieren mit anschließender Ausbildung noch einer anderen trennbaren Phase.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform des Ofens nach der Erfindung können selbstverständlich auch andere Arten und Formen von ProduktSammlern und anderen Einrichtungen verwendet werden, die die Produkte den Einwirkungen neuer Umgebungen aussetzen, v/ie sie in der Pyrometallurgie bekannt sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Im Rahmen der Erfindung können in den Lichtbogenofen
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nach der Erfindung zusätzlich oxydierende, reduzierende oder neutrale Atmosphären eingeleitet und Einrichtungen zum schnellen Abschrecken der Reaktionsprodukte verwendet v/erden, indem beispielsweise diese Produkte in einen Strom schnell expandierender kalter Gase injiziert werden, welche mit den Produkten nicht reagieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Es fällt außerdem unter die Erfindung, den erweiterten Lichtbogensäulen bzw. dem Nachflammenbereich ein Hochfrequenzfeld zu überlagern, wie es beispielsweise gegenwärtig zum Induktionsschrielzen verwendet wird, die Frequenzen können dabei höher oder niedriger gewählt werden, je nach Durchmesser und Höhe der Lichtbogensäule bzw. des Nachflaminenbereiches. Bei einem solchen zusätzlichen überlagern von Hochfrequenzfeldern oder sogar von Hörfrequenzfeldern auf eine bereits vorionisierte Lichtbogensäule und auf deren Ausströmbereich, nämlich die Uachflamme, läßt sich eine erheblich wirksamere Kopplung der in den Hoch- oder Hörfrequenzfeldern enthaltenen Energie mit der Lichtbogensäule als bei dem bislang angewendeten Verfahren erreichen, bei welchem Hochfrequenzen auf kalte Gase bzw. nicht erweiterte Lichtbögen aufgeprägt werden. Die Hechseifelder werden durch die Spule eines Generators erzeugt,
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welche in die die Lichtbo^ensäule umgebende Wand oder vorzugsweise in die die Nachflamme umgebende Wand eincelassen ist.
In Fig. H ist schematisch eine erweiterte Lichtbogensäule dargestellt, welche durch Kurven 19 begrenzt ist, deren Gleichung ziemlich genau derjenigen einer Evolute einer Ellipse entspricht. Die oberenEnden der Lichtbogensäule sind durch die Drehebene des äußeren Endes der Plasmakanone abgeschrägt, während die untere Grenze durch den inneren Durchmesser der stationären Ringelektrode festgelegt ist. eine Kurve 20 stellt eine von zahlreichen ebenen Projektionen einer Abstiegslinie eines Teilchens dar, welches mit einer solchen Lichtbogensäule in Berührung kommt.
Fig. 5 zeigt im Grundriß eine in Ringsegmente unterteilte stationäre Ringelektrode, wie sie beispielsweise in Verbindung mit einer VJechselstromquelle verwendet wird· Dabei ist jedes Ringsegment 21 mit einer Phase einer Dreiphasenquelle verbunden, während die Rückleitung an die umlaufende Elektrode angeschlossen ist. Jedes Ringsegment ist mit einem Kühlkanal 22 und vorzugsweise mit zwei Laschen jeweils in der Nähe des äußeren Endes für den Anschluß der Stromversorgungsquelle versehen.
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Bei Verwendung einer Plasmakanone als umlaufende Elektrode hat es sich gezeigt, daP> es zu keiner nachteiligen Ansanmlung von Ablagerungen könnt, wie es häufig bei Verwendung stationärer Plasmakanonen der Fall ist, bei welchen dendritische oder amorphe Strukturen zu häufigen Unterbrechungen und damit zu einer beträchtlichen Verringerung des V'irkungsgrades führen. Das Hichtvorhandensein solcher Ablagerungen in dem Lichtbogenofen nach der Erfindung ist der T*irkun" der Zentrifugalkräfte zuzuschreiben.
Im Gegensatz zu bekannten Plasmalichtbogenofen tritt bei der.i Lichtbogenofen nach der Erfindung nur ein sehr oeringer Verschleiß auf. Beispielsweise zeigten die dem Lichtbogen ausgesetzten Teile, wie beispielsweise die Kathode und das Kontraktionsteil der umlaufenden Plasmakanone, nach hundert Betriebsstunden keinen sichtbaren Verschleiß. Auch der Verschleiß der stationären Ringeleketrode war minimal, denn er machte nach einhundert Betriebsstunden nur einen Hetallverlust von 1 o/oo des Gesamtgewichtes aus. Dieser besonders geringfügige Verschleiß der Ringelektrode ist der Drehung der Lichtbogensäule zuzuschreiben, welche die Bildung heißer Stellen verhindert. Ein weiterer Faktor ist die kontinuierliche und gleichmäßige Strömung von flüssigen und gasförmigen Produkten über die dem Lichtbogen
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ausgesetzte Oberfläche der Ringelektrode. Der Lichtbogenofen nach der Erfindung kann somit kontinuierlich mit einem Minimum an Stillegungszeit betrieben werden, was zu einer Senkung der Investitions- und Betriebskosten pro Einheit des Ausstoßes führt.
Der Lichtbogenofen nach der B^rfindung ist sehr vielseitig verwendbar, da er mit allen Arten von Atmosphären oder Atmosphärengemischen betreibbar ist, die aus dem das Originalplasma bildenden Gasen und aus den in den Ofenraum eingeleiteten Flüssigkeiten und Feststoffen gebildet sein können, diese Vielseitigkeit erlaubt eine gute Steuerung der Temperatur, der Enthalpie, des chemischen Potentials, der Zusammensetzung und anderer Betriebsparameter des Lichtbogenofens nach der Erfindung. Da Temperatur und Wärmeübertragungsgeschwindigkeit in dem Lichtbogenofen nach der Erfindung beträchtlich höher sind als in bekannten öfen dieser Art, kann dieser zur Durchführung bekannter Extraktions-, Raffinations- und Legierungsverfahren verwendet werden. Insbesondere kann der Lichtbogenofen nach der Erfindung für folgende Aufgaben verwendet werden;
1) Kalzinieren, wie es in Brennöfen, z.B. Drehrohrund ähnlichen öfen, erfolgt, die zum Zerlegen und zum Aus-
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treiben der flüchtigen Bestandteile aus Erzen und Konzentraten verwendet werden, wobei es sich typischerweise um Kohlendioxid und !fasser handelt. Der Wirkungsgrad der Ealzinierverfahren hängt von der Zerlegungsgeschwindigkeit ab, welche seinerseits von der Wärmeübertragungsgeschwinddigkeit auf das Teilchenmaterial abhängt. Die in dem Lichtbogenofen nach der Erfindung erzeugte sehr hohe Temperatur und große Turbulenz, welche ein schnelles Eliminieren der Gase und Dämpfe gestatten, ermöglichen ein äußerst schnelles und wirksames Kalzinieren.
2) Rösten, wie es in Schachtofen, Drehrohröfen, Mehrherdröstöfen und verschiedenen anderen Arten von Fließbettröstern durchgeführt wird, und zwar für Arbeitsgänge, wie Sulfatierung, Oxydation, Verflüchtigung, Halogenisierung, Reduktion, Karborierung, Magnetisierung und Sinterung. Sämtliche Röstarten können in dem Lichtbogenofen nach der Erfindung ausgeführt werden, beispielsweise exothermisches und endothermisches Rösten, welche auf beträchtlich höhere Durchsätze als bei den obengenannten bekannten Anlagen führen. Im allgemeinen ist beim Rösten in dem Lichtbogenofen nach der Erfindung die Beschickungsgeschwindigkeit'beträchtlich größer und die Verweilzeit wesentlich kürzer als bei den bekannten Anlagen. Solche Bedingungen lassen sich am
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besten mit an der Basis erweiterten Lichtbögen und mit einer großen Elektrodenumlaufgeschwindigkeit erreichen.
3) Verhütten bzw. Schmelzen, wie es in Hochöfen, Reverberieröfen, Elektroöfen, Fließbettöfen und anderen durchgeführt wird, kann besonders günstig in einem Lichtbogenofen nach der Erfindung vorgenommen werden. Bei Verwendung des Lichtbogenofens nach der Erfindung zum Schmelzen oder zu anderen Zwecken, im folgenden noch näher beschrieben, können die sich in dem Sammler, d.h. an der Sohle sammelnden Produkte in den elektrischen Hauptstromkreis des Lichtbogens eingeschlossen werden. Der Lichtbogenofen nach der Erfindung kann so ausgelegt sein, daß entweder die stationäre Ringelektrode aus der elektrischen Schaltung ganz entfernt wird oder aber daß sie auf einem niedrigeren Leistun gspotential in bezug auf die umlaufende Elektrode als die Produkte in dem Sammler gehalten wird. Die elektrische Verbindung zu den Produkten in dem Sammler kann dadurch hergestellt werden, daß der Sammler bzw. dessen die Produkte berührende Oberfläche aus einem elektrisch leitenden feuerfesten Material, wie beispielsweise Graphit oder Siliziumkarbid, hergestellt wird. Bei Verwendung des Lichtbogenofens in der obengenannten Weise können auch Raffinationsverfahren ausgeführt werden. In diesen Fällen können weitere Schlackenbildende Zusätze direkt den gesammelten Produkten zugesetzt
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werden oder aber oberhalb des Spiegels der in dem Sammler gesammelten Produkte eingeführt werden.
Im Schmelzbetrieb eignet sich der Lichtbogenofen nach der Erfindung insbesondere zum Schmelzen bzw. Verhütten von Oxyderzen, wie beispielsweise Eisenerzen, Magnetit und Hämatit, sowie zum Schmelzen bzw. Verhütten von Sulfiderzen. Beim schmelzen von Sulfiderzen hat der Lichtbogenofen nach der Erfindung den besonderen Vorteil, daß ein großer Teil des Schwefels in seinem Elementarzustand aus der Reaktionszone abgezogen und dadurch die sehr lästige Verunreinigung und das Entfernen des Schwefels in Form von Schwefeldioxid vermieden vrerden kann. Andere Erze können ebenfalls geschmolzen werden, einschließlich der feuerfesten Erze, welche bislang nicht auf eine direkte Reduktion durch pyrometallurgisehe Verfahren angesprochen haben, beispielsweise Rhodonit-Erze, welche mehr als HO % Ilangansilikat enthalten. Andere Reduktionsschmelzverfahren, wie beispielsweise das Schmelzen von Kieselerde mit Kohlenstoff oder kohlenstoffhaltigen Materialien zur Erzeugung von Silizium, können ebenfalls mit der Einrichtung bzw. dem Lichtbogenofen nach der Erfindung ausgeführt werden.
H) Schmelzen und Raffinieren von metallen im allgemeinen, und das Schmelzen von Kupferkathoden, die sich nach der
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elektrolythischen TJiederschla,";un£ ergeben, im besonderen, können ebenfalls mit der Einrichtung bzv/. dem Lichtbogenofen nach der Erfindung durchgeführt werden, und zwar unter Erzielung beträchtlicher Vorteile ;-;e;;enüber dafür bekannten Verfahren, bei Vielehen Brenngase und Sauerstoff verwendet v/erden, die häufig zu einer Verunreinigung des Metalls führen.
Dieser Aspekt der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf das Schmelzen von Kupferkathoden beschrieben. Es ist bekannt, daß das Schmelzen solcher Kathoden eine beträchtliche Geschicklichkeit erfordert, sowohl um eine Verunreinigung des Kupfers mit Sauerstoff und Schwefel wie auch eine Aufnahme von Eisen aus den· feuerfesten '."aterial zu vermeiden. In folgenden ist näher dar/jele^t, daß die Erfindung diese Schwierigkeiten überwindet und weitere Vorteile bietet, wie beispielsweise:
a) Einen hohen Gleichr.iäßickeits[;rad des Endproduktes, ohne daß das Hinzufügen von schlackenbildenden Materialien erforderlich ist,
b) schnelles, kontinuierliches Liefern von Metall zum Gießen, ohne daß ^roße Schmelzenmenoen aufgenommen werden müssen,
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c) die Möglichkeit einer hohen und beständigen Entschwefelung,
d) die Möglichkeit der Erzeugung eines hohen und beständigen Oxydations:;;rades durch Phosphor-, Bor- und andere -Verfahren,
e) die Möglichkeit, in der Schmelze eine gleichmäßige Dispersion von speziellen Zusätzen zu
erzielen, wie sie beispielsweise zur Feinteilchenverfestigunr~ von Metallen verwendet werden,
f) die Möglichkeit, .in dem angrenzenden Sammler zu legieren,
g) die Zuverlässigkeit des rein elektrischen Verfahrens ohne das Erfordernis chemischer Brennstoffe, welche das Risiko einer Verunreinigung bringen,
h) einen hohen Massendurchsatz pro Volumeneinheit des Lichtbogenofens nach der Erfindung,
i) einen sehr niedrigen Verschleiß des feuerfesten Materials und damit praktisch überhaupt keine Verunreinigung durch dasselbe, und
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j) niedrige Installations- und Betriebskosten im Vergleich zu bereits existierenden Elektroöfen, Reverberieröfen oder brennstoffbeheizten Vertikalöfen.
Die Erfindung beinhaltet außerdem ein Verfahren zum Schmelzen von Kupferformteilen, indem diese Formteile in das Lichtbogenplasma oder in dessen Nähe gebracht werden. Da das Lichtbogenplasma aus reduzierenden oder neutralen Atmosphären besteht, wird ein Eindringen von ungünstigen Sauerstoffmengen in das geschmolzene Kupfer verhindert.
Kupferformteile, bei welchen es sich praktisch um Kupferkathoden mit rechteckiger oder quadratisch-prismatischer Form handelt, werden über eine Anzahl von den oberen Teil des Ofens oberhalb der Gegenelektrode umschließenden geneigten Kanälen zugeführt. Bei dieser Ausführungsform des Ofens nach der Erfindung weisen diese Kanäle einen rechteckigen Querschnitt auf und führen direkt in den Ofenraum oberhalb der Gegenelektrode. Ihre Jeweiligen Ausgänge bilden ein unvollständiges regelmäßiges Vieleek. Kupferkathoden, welche über diese Kanäle zugeführt werden, bewegen sich in den Kanälen durch Schwerkraft abwärts· Ihre Geschwindigkeit kann dabei durch Reibung, die durch
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entsprechend ausgebildete Rollen in den oberen Bereich der Kanäle ausgeübt wird, verringert werden. Der gesamte Betrieb des Zuführens der Kathoden zu dem Ofen kann durch Vorsehen geeigneter Förder-, Führuncs- und Beladungseinrichtungen in an sich bekannter Weise vollständig automatisiert werden. Die in den Piasriaofen nach der Erfindung eingeführten Kupferkathoden gelangen in die Lichtbo£nsäule und schmelzen schnell. Dabei ist, im Gegensatz su für diesen Zweck benutzten Brennstoffbeheisten Vertikalöfen, keine Zerstückelung des festen Kupfers erforderlich, vielmehr wird statt dessen ein reichlicher Γtron flüssiger Kupfertropfen erzeugt. Es ist anzunehmen, da/?> die Bildung solcher Tropfen durch die komplexen magnetohydrodynamischen Kräfte, die in der rotierenden Plasmalichtbosensäule in den Ofen nach der Erfindung vorhanden sind, noch verbessert wird. Bei Laborversuschen wurde die Bildung solcher Tropfen und ihr Fall durch den stationären Elektrodenring und durch die ■Jachflanue hindurch klar beobachtet. Darüberhinaus verbessert die Bildung von flüssigen Metalltropfen, wie aus ähnlichen pyronetallur~ischen Verfahren bekannt, die Raffination des Metalls, in diesem Fall die weitere Desoxydation. Mach seineiü Fall durch die Lichtbogensäule und die "lachf lamme hindurch sar;r.nelt sich das Metall am Grund des Ofens, von wo aus es kontinuierlich zum Gießen von HaIb-
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zeugen, wie Barren, Tafeln, Blöcken, Knüppeln, Stangen usw. abgezogen wird.
Der wichtigste Vorteil der Einrichtung bwz. des Ofens nach der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Umgebungsatrnosphäre, in v/elcher das Schmelzen und Sammeln des Metalls stattfindet, mit äußerster Genauigkeit Gesteuert v/erden kann. Ofenatmosphären werden erzeugt, indem verhältnismäßig kleine Mencen kohlenstoffhaltiger .Substanzen in den oberen Bereich der Lichtbogensäule eingeleitet werden. Bei solchen kohlenstoffhaltigen Substanzen kann es sich um Kohlenwasserstoffe, pulverisierten Koks, Kohle, öle und andere Kohlenstoff enthaltende Materialien handeln. Andere reduzierende Atmosphären können ebenfalls verwendet werden, wie beispielsweise Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Gemische derselben. Reduzierende Atmosphären lassen sich außerdem durch Zuführen von Ammoniak oder gekracktem Ammoniakgas erzielen. Es hat sich herausgestellt, daß in der Atmosphäre des Ofens nach der Erfindung ein großer Prozentsatz von industriellen Stickstoff ebenso wie Inertgas vorhanden sein kann. Wenn das Kathodenschmelzverfahren unter Verwendung einer Plasmakanone durchgeführt wird, ist es besonders günstig, als Ausgangsstoffe für das Plasma Stickstoff-Wasserstoff-Gemische oder Stickstoff zu verwenden.
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Reduzierende und/oder neutrale Atmosphären können in dem Lichtbogenofen nach der Erfindung auch dadurch hergestellt werden, daß man geeignete Flüssigkeiten durch eine Reihe kleiner öffnungen in der stationären Ringelektrode bzw. in deren Segmenten austreten läßt.
Wenn beabsichtigt ist, daß behandelte Kupfer zu legieren oder eine Peinverteilungsphase für eine besondere Modifikation der physikalischen Eigenschaften zu erzeugen, können diese Zusätze bzw, beliebige andere Zusätze, die erforderlich sein mögen, dadurch in den oberen Bereich des Ofens eingeleitet werden, indem diese Zusätze einem Gasstrom zugesetzt und mit diesem gemeinsam in den oberen Teil des Lichtbogens eingeblasen werden. Das letztgenannte Verfahren eignet sich insbesondere dort, wo verhältnismäßig kleine Menge von Zusätzen verwendet werden. Falls ein Legieren erfolgen soll, können die Legierungskomponenten in gesteuerten mengen direkt in den Ofen eingegebenwerden, vorzugsweise allerdings, in den oberen Teil des Lichtbogenplasmas.
Bei dem Lichtbogenofen nach der Erfindung kann auf die stationäre Ringelektrode auch verzichtet und anstelle derselben die Kupferkathode in dem Lichtbogenstromkreis vorgesehen werden. In solchen Fällen erfolgt die elektrische
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Verbindung mit den in den Ofen eintretenden Kupferkathoden über elektrisch leitende Siliziumkarbidplatten oder über Kupfer-Graphitplatten für hohe Stromdichten, welche im oberen Bereich des rechteckigen Zuleitungskanals für die Kupferkathoden angeordnet sind, es ist dabei von Vorteil, den Lichtbogenofen in Verbindung mit einer Wechselspannungsquelle zu verwenden und dabei jeden Kanal an eine Phase dieser Spannungsquelle anzuschließen. Dem Stromkreis kann zusätzlich eine Gleichstromkomponente zur Verbesserung der Lichtbogenstabilität aufgeprägt v/erden, wie oben bereits beschrieben.
Wie oben bereits erwähnt, können die mit der Einrichtung bzw. dem Lichtbogenofen nach der Erfindung gegebenen Möglichkeiten des Schmelzens, Legierens und Raffinierens auch bei der Behandlung anderer Metalle und Legierungen sowie bei Metallschrott angewendet werden. Geeignete Abänderungen der Einrichtung bzw. des Lichtbogenofens in Bezug auf Betriebsparameter, Zuführeinrichtung, Zusammensetzung der Ofenatmosphäre, Art und Menge von Zusätzen und feuerfesten Materialien werden in solchen Fällen unter Berücksichtigung der in der Pyrometallurgie üblichen Praxis vorgenommen.
Der Lichtbogenofen nach der Erfindung kann zum Schmelzen und Raffinieren von hochschmelzenden Metallen
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verwendet werden, wie beispielsweise V/o If ran, Tantal, niob, Molybdän, Vandiun, Rhenium, Chrom und Metalle der Platingruppe. Gleichermaßen ist in dem Lichtbogenofen nach der Erfindung das Schr^elzen und Raffinieren sehr reaktionsfähiger Metalle, wie beispielsweise Titan und Zirkon möglich, und zwar unter Verwendung geeigneter Inertgasatmosphären, l.'ährend dieses Schmelzens bestimmter Metalle kann das Ziehen des Lichtbogens zu dem angesammelten Schmelzbad von Vorteil sein, wie oben bereits beschrieben.
Die Verwendung von Inertgasatmosphären und insbesondere von Argonatmosphären ist auch bei anderen als sehr reaktionsfähigen Metallen angezeigt, und zwar bei Metallen, deren Verunreinigungsgehalt gesenkt uerden soll.
Die vorliegende Erfindung eignet sich sehr zum Einbringen feiner und ultrafeiner Teilchen, bei welchen es sich gewöhnlich um Teilchen von Zwischenverbindungen handelt, wie beispielsweise Oxide, Borverbindungen, Nitride und Karbide, zur Dispersionsverfestigung von Metallen. Die in der Lichtbogensäule nach der Erfindung vorherrschende starke Turbulenz stellt ein wirksames Mittel zur primären Pulverisierung solcher Materialien auf die gewünschte Größe und zur anschließenden gleichmäßigen Verteilung dieser pulverisierten Teilchen in der Flüssig-
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phase des Metalls dar. So kann beispielsweise mit Hilfe der Einrichtung nach der Erfindung eine Dispersionsverfestigung von Tonerdemetall mittels Titandiborid- bzw. Bornitridteilchen vorgenommen werden, welche jeweils kleiner als 1/trn sind.
Sämtliche obengenannten und ähnliche pyrometallurgische Operationen können mit üilfe der Einrichtung bzw. des Lichtbogenofens nach der Erfindung entsprechend den Erfordernissen bekannter metallurgischer Verfahren ausgeführt werden, d.h. durch Erzeugen von Bedingungen in verschiedenen Teilen des Lichtbogenofens, welche das Ausführen von Verfahrensschritten, wie Kalzinieren, Rösten, Schmelzen, Raffinieren usw. gestatten. Durch strenges Kontrollieren und Aufrechterhalten unterschiedlicher chemischer Potentiale der vorherrschenden elektronegativen Komponente in verschiedenen Teilen des Lichtbogenofens nach der Erfindung ist es möglich, eine Vielzahl solcher Verfahrensschritte innerhalb eines einzigen Lichtbogenofens nach der Erfindung auszuführen. Dieser Vorteil der Erfindung ergibt sich durch die Verwendung sehr hoher Temperaturen und Enthalpien in der erweiterten lichtbogensäule selbst, welche ermöglicht, daß die von der eigentlichen Lichtbogensäule weiter entfernten kühleren Bestandteile auf ausreichend hohen Temperaturen bleiben, so daß weitere Verfahrensschritte mit
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Erfolg ausgeführt werden können. Versuche mit der Einrichtung bzw. dem Lichtbogenofen nach der Erfindung haben jedoch eindeutig gezeigt, daß eine ganze Reihe neuer pyrometallurgischer Verfahren ausgeführt vrerden kann, welche allein bei sehr hohen Temperaturen möglich sind. Diese neuen Verfahren sind zwar theoretisch seit langem in der Hochtenperaturtechnologie bekannt und in einigen Fällen auch durch die im Plasma, besonders in Hochfrequenzplasma stattfindenden Reaktionen, bereits verwirklieht worden. Die sehr geringen Durchsätze und noch kleineren Ausstoßergebnisse sowie die großen Mengen an verbrauchter Energie hatten diese Verfahren jedoch für eine industrielle Anwendung bislang als ungeeignet erscheinen lassen.
Nach dem Stand der bisherigen Ermittlungen beruhen die neuen Verfahren der Höchsttemperaturtechnologie nach der Erfindung hauptsächlich auf thermischer Dissoziation, teilweiser Ionisation und allgemein größerer Reaktionsfähigkeit. Manchmal ist die Unterscheidung zwischen den bekannten und den neuen Verfahren nicht exakt möglich. Beispielsweise könnte im Falle der oben beschriebenen Behandlung von Sulfiderzen das endgültige Erscheinen von elementarem Schwefel, welcher aus dem gasförmigen Extrakt niedergeschlagen wird, und das nichtVorhandensein von
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Schwefeldioxid im gleichen Extrakt entweder der thermischen Zerlegung des Erzes unter reduzierenden Bedingungen oder möglicherweise einem sehr schnellen Röstvorgang unter Verwendung des mit dem Erz eingebrachten Sauerstoffes, an welchen sich das Zerlegen des Schwefeldioxids anschließt, zugeschrieben werden, welch letzteres in der stark reduzierenden Umgebung in elementaren Schwefel und in Kohlenoxid umgewandelt wird. Wie auch immer der tatsächliche Mechanismus solcher Reaktionen aussieht, die Endergebnisse derselben zeigen beträchtliche Vorteile auf.
Die industrielle Anwendung von Lichtbogenöfen nach der Erfindung ist nicht auf die Pyrometallurgie beschränkt. Lichtbogenöfen nach der Erfindung können außerdem in verschiedenen anderen chemischen Anwendungsfällen verwendet werden, nämlich: bei der Reduktion von Verbindungen halbmetallischer Elemente, beispielsweise die Reduktion von Kieserlsäure zu Silizium oder von Borverbindungen zu Bor, außerdem bei der Bildung von Verbindungen der Hartmetalle einschließlich der Bildung von Karbiden, Nitriden, Boriden und Suiziden des Titans, Zirkons, Hafniums, Vanadiums, Niobs, Tantals, Chroms, Molybdäns sowie Wolfram, Thorium und Uran, darüberhinaus bei der Bildung von Oxiden, Nitriden, Zyaniden, Zyanonitriden, Boriden und Siliziden anderer Metalle, bei welchen solche Verbindungen existieren,
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einschließlich der Bildung jeder der obengenannten Verbindungen in nichtstöehiometrischen Verhältnissen, und schließlich bei der Bildung von Gemischen der obengenannten Verbindungen. Insbesondere ist das Verfahren bei der Bildung hochreiner Oxide des Alluminiums, Magnesiums, Berylliums und Titans anwendbar.
Das Herstellen spezieller feuerfester Materialien und insbesondere das Herstellen von Aluminosilikate fällt ebenfalls in den Rahmen der Erfindung.
In Weiterbildung der Lehre der Erfindung können Teilchen eines feuerfesten Materials während des Passierens der Lichtbogensäule :nit einem überzug versehen werden. Die Lichtbogensäule enthält zu diesem Zweck geeignete Bestandteile bzw. Ausgangsmaterialien für die überzüge bzw. Niederschläge auf den Teilchen. Dieses Merkmal der Erfindung ist sehr wichtin und wird deshalb im folgenden in bezug auf ein besonderes Beispiel noch näher beschrieben,
Der Lichtbogenofen nach der Erfindung kann außerdem zur Zerstäubung und gleichzeitigem Kügelchenbildung und Raffination verwendet werden. Insbesondere kann er zur Herstellung von späroidisierten :ietallpulvern, d.h.
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von Pulvern, bei welchen die einzelnen Bestandteile jeweils Kügelchenform haben, sehr hoher Reinheit verwendet werden. Der Durchmesser der Kügelchen liegt dabei in einen Bereich von 3/*-m bis 6/<-n. Derartige Pulver werden bislang bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen durch Bilden und anschließendes Zerlegen der Karbonyle des betreffenden Metalls hergestellt. Dieses bekannte Verfahren ist verhältnismäßig teuer und auf die die genannten Karbonyle bildenden Metalle beschränkt.
Die im folgenden angeführten Beispiele stellen keine Einschränkung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, sondern dienen lediglich zur Erläuterung einiger der zahlreichen Anwendungsfälle, die in den Bereich der Hochtemperaturtechnologie fallen, die sich mit den Möglichkeiten des Lichtbogenofens nach der Erfindung verwirklichen läßt.
Das Verfahren nach der Erfindung kann, grob gesprochen, auf dreierlei verschiedene V.'eise verwendet werden:
a) Ausgehend von den bekannten Schritten der Hochemperaturverfahren, welche jedoch innerhalb des Lichtbogenofens nach der Erfindung ausgeführt werden, d.h. bei viel höheren Temperaturen, optimalen Enthalpien, starker Turbulenz und vor allem
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unter genauer ""teuerun^ des 3auerstof"poentials an unterschiedlichen Stellen des Lichtbor;enof ens,
b) Ausgehen von einer neuen Lösunj, welche auf einer schnellen the mi sehen Zerlerun;: und/oder ileujruppierun,;;; der Materialbestandteile beruht. Dieser Y.ez eignet sich insbesondere bei komplexen Oxid- und SuIfiderzen sowie in fällen, in welchen
bislang die "liberale auf die bekannten Gewinnun^sverfahren nicht angesprochen haben, und
c) Ausgehen von einer Dissoziation und einen schnellen
Abführen der dissoziierten Komponenten aus der Reaktion r> ζ one.
Die oben genannten drei verschiedenen Möglichkeiten könen gesondert oder ^e.-.einsan verwirklicht i/erden. Ge.:;env;"rtic; ina,;; es häufi;; VG7*!:or..:.:en, da" nicht klar festgestellt v/erden kann, welcher der vorgeschlagenen !Jege den vorherrschenden Faktor bildet.
ir- von K
in^; -'on \upfer aus kupfer entiialin^ralicn, Tlvzci>\ unä : ori^entraten, bei welcheu eitle
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direkte kontinuierliche Reduktion und Abscheidung von Kupfer erfolgt, wobei es sich bei dem gewonnenen Kupfer mindestens um Rohkupfer handelt, und bei welchem der gesarrmelte Schwefel im Elementarzustand ist, wird im folgenden näher beschrieben.
Die Beschickungsmaterialien können Kupfer in gediegener oder mineralischer Form aufweisen, d.h. es kann sich um Sulfide einschließlich des sogenannten Kupferfahlerzes handeln, welches zusätzlich zum eisen weitere Kationen, wie Antimon, Arsen, Blei oder Kombinationen der selben und andere Komplexe mit Kobalt und/oder Nickel enthält. Weniger übliche Erze, welche Oxide, Sulfate, Karbonate, Silikate und Chloride enthalten, können mit geeigneten Abwandlungen ebenfalls verwendet werden. Gleichfalls kann der Lichtbogenofen nach der Erfindung bzw. das obengenannte Verfahren bei der Anreicherung von nur geringfügig vorhandenem Kupfer, wenn beispielsweise bekannte Gewinnungsverfahren versagt haben, und bei kupferenthaltenden Rückständen verwendet werden, beispeilsweise bei Rückständen pyritischen Ursprungs.
Während bei der bekannten Pyrometallurgie von Kupfersulfiderzen eine aufwendige Folge gesonderter Schritte vorgesehen ist, zu welchen u.a. das Rösten zur teilweisen
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Scbwefelaustreibung, das Schmelzen zur Herstellung einer Kupfersau, bei welcher es sich prinzipiell um ein doppeltes Sulfid von Kupfer und Eisen handelt, ντο ran sich eine Umwandlung anschließt, bei welcher Kieselerde und andere Plußnittel hinzugefügt werden können, nanchnal gefolgt von einen breiteren Feuerraffinieren und Reduzieren der restlichen Oxide, bringt das Verfahren nach der Erfindung, wie im folgenden noch näher erläutert, eine beträchtliche Vereinfachung, deren Vorteile sich aus den folgenden Erläuterungen ohne weiteres ergeben. Eine vollständige Erläuterung des genauen Verlaufes der komplexen Reaktionen, welche bei der Verarbeitung von Kupferkonzentrat nach der1. Verfahren nach der Erfindung stattfinden, ist zwar nicht genau bekannt, es wird jedoch versucht, die erzielten Ergebnisse zu erläutern, Das Verfahren nach der Erfindung bestätigt in vieler Hinsicht die theoretischen Fetrachtungen von Fachleuten bezüglich des 'Wirkungsgrades der Kupfergewinnung, insbesondere von Betrachtungen, die in "Review of Efficiency of Copper Recovery" von G.T. Brittingh?" durch das Institute of 'lining and Metallurgy ar 10. TTSrz 1966 veröffentlicht worden sind. Die Erfindung bestätigt damit in der Praxis theoretische Voraussagen, indem sie ein ausführbares Verfahren und eine brauchbare Einrichtung bzw. einen Lichtbogenofen zur Durchführung einer kontinuierlichen Zerlegung von nehrfachen Sulfiderzkonzentraten r.it anschließender Entfernung des
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Schwefels, eine übertragung von Hisenbestandteilen in die Gancerzbestandteile und eine Reduktion von Kupferbestandteilen zu metallischem Kupfer mit nur nini:,ialen Kupfer^ehalt der Schlacke bringt.
Gemäß der Frfndun;: besteht die Gewinnung von T'upfermetall aus sulfidischen Kupfererzen bzv.f. -konzentraten aus: Einführen der Beschickuncsriaterialien in den oberen Bereich des ir; wesentlichen aus Stickstoff gebildeten Lichtbojenplasmas, Einleiten von Reduktionsmitteln in die Ofenatmosphäre, Trennen von Reaktionsprodukten in dem ersten Sammler durch '''eiterleiten der oberen schichten der gesammelten Materialien in den angrenzenden Saranler, Kontinuierliches Absaugen eines Teils der schwefelreichen Gase, die sich in der unmittelbaren ilühe des oberen Teils der Lichtbo-^ensäule ansammeln, um anschließend den Schwefel zu sammeln, Einspritzen v.reiterer "Tennen von Reduktionsmitteln im Bereich der Ringelektrode bzw. im Bereich der Ilachflamrne, und Abführen der Kupferschicht auf dem Boden des ersten Sammlers.
Im Rahmen der Erfindung können die obengenannten Verfahrensschritte noch weiter abgewandelt werden. Beispielsweise kann der Kieselsäuregehalt der Beschickungsmaterialien erhöht und außerdem Kalk hinzugefügt werden,
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insbesondere dann,wenn ein Kupfer erzielt werden soll, dessen Qualität sich zur elektrolytischen Raffination eignet, l'enn Kupfer mit etwa der Qualität von Rohkupfer erzielt werden soll, so sind weitere 2'usätze in der Re^eI nicht erforderlich, selbst dann, wenn der Kieselsäure- _;ehalt des Gan^erzes niedrig ist. Im Rahmen des Verfahrens nach der ürfindunj; können auch feste oder flüssige Reduktionsmittel zugesetzt werden, zu Vielehen beliebige, Kohlenstoff oder Uasserstoff oder beide enthaltende Substanzen gehören, indem diese Mit dem Konzentrat gemischt werden. Unter bestimmten Umständen ist es von Vorteil, eine unvollständig getrocknete Konzentrataufschlämmuno zu verwenden, insbesondere bei einigen Kuoferfahlerz-Konzentraten. Als Ausgangswaterial für die Plasmastrchiunfcen können anstelle des hauptsächlich verwendeten Stickstoffes insbesondere atach 'Wasserstoff, Kohlenwasserstoff und andere reduzierende Gosi; in vorteilhafter '/!eise verwendet werden. '-Jenn die Konzentrate erofte Hennen von "isen enthalten, so kann der r.ich in dem Cannier ansammeln I^ Anteil mit reichem Eisengehalt weiter reduziert v/erden, beispielsweise zu Roheinen, indem dem aus de ersten Sammler zu den: anderen rar.:· ,ler hinstr". .enden Produkte:, v/eitere ?Ien;;;en von Reduktions-.ittelri .'.u^.esetzt v/erden, di-i für die Iletallbildun^ und für :irt;-. "il^'tpfen dieses Met--, lies a.i. Boden des angrenzenden ':Ίί...:Λ<ίί·ί·, erforderliuii :.-:iiiu, -..--"hrend die obenschwiiafnende
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Schlacke in dem angrenzenden Sammler weiter oben abgesaugt wird. Erze, v/elche zusätzlich zum eisen noch andere Bestandteile enthalten, können ebenfalls mit dem Verfahren nach der Erfindung behandelt werden. In diesen Fällen treten die flüchtigeren Bestandteile in den Gasförmigen Produkten auf, die aus der unmittelbaren Mähe der oberen Zone der Lichtbo~ensäule abgesaugt vrerden. In diesen fall können die Produkte, wenn sie sich ir. Sulfidzustand befinden, gesondert reduziert oder wenn sie in ihrem elementaren Zustand erscheinen, leicht aus der: elementaren Schwefel abgesondert werden. Die schwereren bzw. weniger reaktionsfähigen Komponenten solcher Erze verbleiben hauptsächlich in der Schlackenschicht und können anschließend mittels bekannter Verfahren abgezogen werden. Gold- und "ilberbestandteile sprechen auf derartige Abscheidungschritte nicht an, da sie vermutlich den Kupfer zu ähnlich sind und im Kupfer fest£ehalten werden.
Beispiel I
Zs wurde ein Lichtbogenofen nach der Erfindung in verkleinertem Maßstab bzw. für Laborzv/ecke verwendet, wie in den Fi,;. 1 und 2 dargestellt, welcher reit einer Plasmakanone arbeitet, die der ^er.iäß Pig· ^ kebelsturpfförnigen Lichtbofjensäüle eine Leistunj von 50 k*.' zuf'ihrt, wobei iio Lichtbo^enrwul·- eine Länj;e von 20 cm und die Pin;j-
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elektrode einen Durchmesser von 1° c\ hatte. Die die u/i-1'.IuJ1PiIdC Pias.-a':ar:one tra/onde T?otoranordnunCj drehte sich ;.-lt '\Z\ Vf-In. Vtr; Plasua vurde aus eine" rtickstoff-•'asserstoff-Teniseh im VoIu. "enverh-f-tltnis *ί: 1 und mit einen (;erin ;en Anteil von Arv;on gebildet. Die Gesant[;asströmm£ v:irv:c '.-r'"hrend des Anlaufe? auf 2,3 hrJ (h = stunde) gehalten un i :iach de!.. Ziehen des Lichtto.-.ens su der Ringelektrode und den Ausdehnen und "rv/eitern der Lichtbo:~ensäule auf lyj h ^ veriiirjert. Eine 20 k^-Probo Pornit-I'onzentrat r..it erv.-jrteten Chalkoaiteinschl-üRser., Vielehe 4Ξ % Cu, 18 % 3, 8 7. Fe und im iibriL;en Ganzer ζ enthielt, wurde als unvollst'-noi · getrocknete Aufschlümunj hergestellt, v/elche zer.;£;Llen und durch ein 500 a- -'"det passiert vmrde. Vor de" einführen in den Ofen wurde das genannte Konzentrat r.it 10 ."' pulverisierten: ?Ioks gen;5 seht. Anschließend wurde es in einer.; Propangasstro^i nit O3C hr: Propan in den Ofen injiziert. Das Konzentrat v:urde ::it einer Geschwindigkeit von etv/a 10 ^fs, wehrend einer Zeitspanne von 33 min,, d.h. bis zui:i Aufbrauchen der gesagten Probe, in einen vorgeheizten Ofen einceleitet· Die erweiterte Lichtbogensäule nach der Erfindung vmrde während weiterer 3 Minuten aufrechterhalten, woraufhin der Tiegel angezapft und dem Ofen jestattet wurde, abzukühlen. Daraufhin vmrden die Produkte zur Untersuchung und Analyse entno::::en. Die Produkte, die in den den oberen Eereich des Ofens belüftenden Kanal
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gesammelt wurden, wiesen verfestigte glasige Schwefelniederschläge mit Spuren von Kupfersulfid auf. Diese Kupersulfidspuren waren nur in dem dem Ofen unmittelbar benachbarten Teil des Kanals vorhanden. Die abgezapfen Produkte verfestigten sich in zwei verschiednen Anteilen: der untere Anteil enthielt Kupfer mit einem Kupfergehalt von etwa 98,5 % sowie 0,3 % Schwefel und im übrigen Eisen, während der obere Anteil Eisenteilchen in einer Eisensulfidmatrix enthielt. Bezeichnenderweise wurden in diesem Teil keine Silikate festgestellt. Ein großer Teil des ursprünglich vorhandenen Gangerzes (etwa 5 kg) hatte sich zusammen mit mehr als 45 % des ursprünglich vorhandenen Eisens verflüchtigt. Dieser Versuch wurde mit einer geringen Eingangsleistung durchgeführt, und zwar hauptsächlich, um sämtliche Reaktionen ablaufen zu lassen. Bei dem verwendeten Versuchsaufbau traten beträchtliche WärmeVerluste auf, und zwar hauptsächlich aufgrund der geringen Größe und der damit in. bezug auf das Volumen verhältnismäßig großen Oberfläche. Außerdem aufgrund der Tatsache, daß viele zusätzliche öffnungen für überwachungszwecke vorgesehen werden mußten.
Es ist bekannt, daß es viele Möglichkeiten zur Bewahrung der Energie gibt, beispielsweise durch teilweises oder mehrfaches Hindurchleiten von Abgasen zum
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Trocknen der hereinkomraenden Konzentrate, zum Abkühlen der schwefelreichen Gase unter den Kondensationspunkt von Schwefel, damit letzterer entfernt werden kann, und durch Verwendung eines Teils entweder eines oder beider obengenannter Gase als Trägermittel für die Beschickungsmaterialien vor dem Einleiten derselben in den Lichtbogenofen nach der Erfindung. Alle diese Verfahren sind auch bei dem Lichtbogenofen bzw. dem Verfahren nach der Erfindung anwendbar.
Der Lichtbogenofen nach der Erfindung kann außerdem rit Einrichtungen zum Messen und überwachen des chemischen Potentials im oberen Lichtbor;enofenbereich versehen sein. Zu dieser; Zweck wird eine ^eeignete Sonde in der T>iand des Lichtbojenofens und eine weitere gleiche Sonde in der 'land des Sammlers angebracht und die Menr;e der in die unmittelbare Ilähe des Lichtbogens und der .'lachflamme bzw. der Gegenelektrode gelangenden Reduktionsmittel wird von den Meftercebnissen dieser Sonden abhärirji~ oenacht, ur.i optimale dynamische Bedingungen T":v die end^ülti^e Trennung bs'-T. Abscheidung der Hauptbestandteile zu erzielen, bzv/. uiii die aun der: Lichtbogenofen nach der Erfindung 'iurtretei,den Gar--streue messen zu kennen.
Die folgenden Beispiele II und III beziehen sich u,f> Ί5- jowinnun;: von rit-,en und Titan aus titanhalt·icen
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Erzen, welche veränderliche Mengen von eisenoxiden enthalten. Solche Erze, wie beispielsweise Ilmenit, sind reichlich vorhanden und es lassen sich aus ihnen leicht Eisenkonzentrationen von 26 % bis kS % und Titankonzentrationen von 35 % bis 48 % erzielen.
Die bekannten pyrometallurgischen Verfahren sind häufig bei Erzen dieser Art nicht anwendbar. Die bekannten Schmelzverfahren belassen einen zu hohen Prozentsatz von Eisen in der Titanschlacke und umgekehrt enthält das gewonnene Eisen einen zu hohen Prozentsatz von Titan, so daß diese Verfahren.nicht wirtschaftlich sind. Die Erfindung liefert ein wirksames Verfahren sowie eine Einrichtung zur Umwandlung titanhaltiger Erze, welche veränderliche Mengen von eisenoiden enthalten, in Eisenmetall, welches weniger als 1 % Titan enthält, und in einen titanreichen Anteil, welcher mehr als 9o % Titan enthält.
Es ist bekannt, daß die Menge des Titans im Eisen und umgekehrt durch den Sauerstoffgehalt an der Trennfläche zwischen den beiden geschmolzenen Anteilen gesteuert wird. Durch Einstellen und Beibehalten bestimmter Gehaltswerte an zwei Stellen des Verfahrens wird es möglich,
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diese beiden Komponenten verhältnismäßig frei voneinander zu erhalten, während die übrigen Bestandteile aus den Gangerz weitgehend verflüchtigt werden.
Die reduzierende Atmosphäre des Lichtbogenofens nach der Erfindung besteht dabei günstigerweise aus Kohlenwasserstoffgasen, Kohlenstoff, kohlenstoffhaltigem Material, Ammoniak oder Gemischen davon, Stickstoff kann als Teil des Lichtbogenplasmas verwendet werden.
Die in dem zweiten Sammler gebildeten mehr oxydierenden Atmosphären werden durch Einführen von Sauersoff oder durch Einleiten anderer oxydierender Substanzen hergestellt.
Auf diese Weise können gemäß der Erfindung andere Verunreinigungen, Vielehe üblicherweise vorhanden sind, wie beispielsweise Kieselerde, Kalziumoxyd, Kalkerde, Tonerde und andere, entfernt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Ilir.enit, Monazit und andere Erze des Titans, Zirkon und Hafnium sowie titanhaltige Schlacken aus Schmelzöfen behandeln.
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Im Prinzip beruht die Trennung der Bestandteile voneinander darauf, daß das Konzentrat mit den zugesetzten Reduktionsmitteln der Lichtbogensäule unter reduzierenden Bedingungen ausgesetzt wird, welch letztere zur Erzeugung im wesentlichen reinen Eisens a usreicht, d.h. eines Eisens, welches nur sehr geringe Mengen von Titan enthält, und daß die in dem ersten Sammler gebildeten Schlacken über eine Reverberierstufe in oben beschriebener Weise in den benachbarten Sammler gebracht werden. Die den ersten Sammler verlassende Schlacke ist einer oxydierenden Atmosphäre ausgesetzt, was zu einer Entfernung des restlichen Eisens und der Aluminosilikate aus dem Gangerz mit gleichzeitiger Reoxydation des Titanoxyds zu Dioxid führt.
Das obengenannte Verfahren itfurde an zwei Arten von titanhaltigen Konzentraten getestet, welche folgende Zusammensetzungen hatten:
Konzentrat 1 ' Konzentrat
TiO2 54 % 30,1 %
Pe5O 17 ς *
d ■> -1'·5 "· Gesamt-Fe: 39?6 %
PeO 2H %
A12O3 0.03 % 8.9 %
V2O 0.15 % 0.01 %
MnO 1,5 % 0.01 %
SiO2 0.5 % 8.3 %
Nb2O5 0.15 % keine Angabe
MgO 0.2 % ' 5.5 %
CaO 0.01 ί 1.8 %
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Beide Konzentrate wurde mit 10 Gew.-üS pulverisiertem Koks und 2 Gew.-/S Natriumkarbonat gemischt.
Beispiel II
20 k& des Konzentrats 1, welches auf eine Teilchen-3röi6e von weniger als 500 j.l:.\ gemahlen wurde, wurde zusammen :r.it den obengenannten Zusätzen in dem Lichtbogenofen nach der Erfindung ein^ejeben, wie im Beispiel I beschrieben. Zusätzlich wurde jedoch ein oxydierender Druckluft strahl auf der Seite des angrenzenden Sammlers, dargestellt als Kanal 17 in Fiü. 3, in ue^enstror.richtuni; zu der sich durch den Reverberierkanal zwischen den beiden Sammlern hindurchbeviejenden Schlacke ein^eblasen. Dem Konzentratgemisch wurde in gleicher "Weise Propangas zugesetzt, welches mit einer Geschwindigkeit von 0,6 hvJ zugeführt wurde. Das Konzentrat wurde mit einer Geschwindigkeit von 9 s/s in einen vorgeheizten Ofen ein^e^eben. Während einer Injektionszeitspanne von etwa k2 min. wurde der erste .rJa:;;r.ieltio;':(jl zweimal abgezapft, nämlich nach 20 Minuten sowie a;'i r,nde Jog Injektionszeitabschnittes. Der erste Abstich or-fol.jte nur wllhrend einiger Sekunden, während Lui ■/;;. z'./^ittr, .'.bnticli die ^esa:.ten flässigen Produkte ; '. "<;-:-.-i.i>rt v/urdon. Ai.: "ndo der Konzei.trat injektion wurde :j.·.· ;. ic'ilU-; -!Ciinöul'j um. Ie? LuTt^troiL noch vj'Ihrend einer
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weiteren Minute aufrechterhalten und dann der zv/eite Sammeltiegel angezapft. Das Produkt des ersten Abstiches enthielt 98,4 % Fe mit 0.2 % Ti, der zweite Abstich des ersten Tiegels erbrachte einen Anteil von Eisen und einen Anteil von Schlacke, wobei das Eisen 97,9 % Pe und 0,25 % Ti enthielt, während die oben schwimmende Schlacke 90,1 % Titanoxide, wie beispielsweise TiOp, und insgesamt 3,1 % Fe in Form von Oxiden enthielt. Wenige Kügelchen metallischen Eisens, die in dieser Schlacke gefunden wurden, sind in der oben angegebenen Analyse nicht enthalten. Die aus dem zweiten Sammeltiegel abgeleitete Schlacke, welche dem oxydierenden Luftstrom ausgesetzt war, ergab 94,6 % TiOp (Ti 0, wurde nicht festgestellt) und insgesamt 1,4 % Fe.
Beispiel III
In diesem beispiel wurden 20 kg des Konzentrats 2 mit den gleichen Zusätzen verwendet. Sämtliche anderen Betriebsparameter waren die gleichen, mit Ausnahme der Konzentratszuführunss^eschv/indigkeit, die auf 7,5 s/s verringert wurde. Die Ergebnisse waren beträchtlich schlechter, denn der zuerst abgezapfte Eisenanteil enthielt 95,2 % Pe und 0,7 % Ti, während die dem Luftstrom ausgesetzte Schlacke nach dem Abzapfen aus dem zweiten
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Sammeltiegel 32 % Titanoxide, wie TiOp, und insgesamt 6, 7 % Fe enthielt. Der Versuch wurde wiederholt und dabei dem Konzentrat 1,5 Sew.-% :-in0 hinzugesetzt und die Konzentrat Zuführungsgeschwindigkeit auf 6,8 g/s verringert. Die Ergebnisse waren trotz der sehr minderwertigen Qualität des Konzentrats besser, denn der zuerst abgezapften Eisenanteil enthielt 96,S % Fe mit 0,3 % Ti, während die dem Luftstrom ausgesetzte Schlacke, die aus dem zweiten Sammeltiegel abgezapft wurde, 90,3 % TiO enthielt.
Beispiel IV
Dei diesem Beispiel wurden 25 kc Magnetitkonzentrat, welches durch ein 500x-<-m-Sieb passiert wurde und welches 71,3 7 Fe enthielt, nit 4 kg pulverisiertem Koks und 1 kg Kalziumkarbonat vermischt und anschließend in einem Propangasstrom von 0,7 hnr in den oberen Bereich einer erweiterter. Lichtbogensäule nach der Erfindung eingeleitet. Das Konzentrat wurde mit etwa 12,5 g/s zugeführt. Die plasmabildenden Gase waren Stickstoff und !"ethan in einem Volumenverhältnis von 2:1; ihre kombinierte Strömung wurde auf 1 hm verringert. Die Rotoranordnung drehte sich mit 500 U/min., die Lichtbogenlänge betrug 23 er. und die der Plasmakanone zugeführte. Leistung wurde auf 60 k'\T eingestellt. Das Konzentrat wurde innerhalb von etra 1IO Minuten in den
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Ofen eingegeben. Es ergab sich nach dem Abzapfen ein Eisenblock mit einem Gevficht von 17>8 kg, welcher 98,3 % Pe, 1,3 % C und 0,3 % Si enthielt. Gleiche Ergebnisse wurden erzielt, als das feste Reduktionsmittel durch gasförmige Kohlenwasserstoffe ersetzt wurde.
Das nächste Beispiel zeigt einen völlig neuen Weg zur Gewinnung von Aluminium aus Tonerde. Im Gegensatz zu zahlreichen elektrothermischen Verfahren, gemäß welchen sich entweder nur Aluminiumlegierungen mit einem beträchtlichen Gehalt an Silizium und geringeren Anteilen von Eisen und Titan oder aber Xupfer-Aluminiuri-Legierungen herstellen lassen, führt das folgende Verfahren nach der Erfindung zur Gewinnung von in wesentlichen reinem Aluminium. Das wird dadurch erreicht, daß zunächst pulverisierte Tonerde in wasserstoffreichem Plasma der Lichtbogensäule nach der Erfindung verdampft, anschließend mit Methan im Nachflammenbereich reduziert und unter minimaler Bildung von Oxidkarbiden schnell abgeschreckt wird. Dieses Verfahren kann auch bei unreinen Tonerden angewendet werden, deren Verunreinigungsgehalt dadurch reduziert werden kann, daß die verflüchtigten Produkte aus dem oberen Bereich der Lichtbogensäule abgesaugt werden.
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Beispiel V
10 kc von 98»5 %-veiner Tonerde mit einer Teilchengröße von 125 ,Ain wurde in der Erzeinleitvorrichtung des Ofens auf etwa 850 C vorgeheizt und anschließend mit einer Geschwindigkeit von 5,5 kg/s in den oberen Bereich der Lichtbogensäule injiziert. Für das Lichtbogenplasma wurde Argon verwendet, welches mit einer Geschwindigkeit von 1 hm zugeführt wurde. Die Lichtbogensäule wurde bei einer Lichtbogenspännung von 600 V betrieben und hatte die Form eines Plegelstumpfes. Die dem Plasma zugeführte Leistung betrug etwa 100 ktJ und die Länge der Lichtbogensäule etwa 36 cm. Der Rotor drehte .sich mit 500 U/min. Der Nachflammenbereich war von einer HF-Spule umschlossen, die weitere 10 kW-Leistung lieferte. 0,4 hn Propan wurde in den Bereich unmittelbar unerhalb der Ringelektrode, jedoch oberhalb der HF-Spule injiziert. Die Produkte fielen infolge Schwerkraft durch ein steiles Tenperaturgefälle hindurch in einen Kohlenstofftiegel, dessen Temperatur auf einen Wert unter 1500 C gehalten wurde. Ein flüssiger oberer Anteil, welcher aus dem Tiegel in zwei Intervallen in einem Abstand von fünf Minuten abgezapft wurde, ergab 93,5 %- und 96,8 ^-reines Aluminium.
Dct" folgende Beispiel client 'Mir Erläuterung einer dor violon "lö^lichen tnor?tischen Zerle'!ungsreaktionen,
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für welche die Erfindung verwendet werden kann. Zu derartigen Reaktionen gehört auch die thermische Zerlegung von Rhodonit (MnSiO,), Kyanit (Al SiOc) und anderen.
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Beispiel VI
20 kg von industriellem Zirkonsand, im wesentlichen Zirkonsilikat, mit einer Teilchengröße von 355 /t-cm> wurden mit einer Geschwindigkeit von 13 g/s in dem oberen Bereich der Lichtbogensäule eingeleitet. Es wurden die gleiche Anlage und die gleichen Betriebsparameter wie in Beispiel IV verwendet, mit der Ausnahme, daß die gasförmigen Bestandteile in diesem Falle im wesentlichen aus Stickstoff mit geringen Argonzusätzen bestanden, die der Plasmakanone mit einer Geschwindigkeit von 0,8 hm zugeführt wurden, und daß zur Einleitung des Zirkonsandes in die Lichtbogensäule 0,1I hnr Luft verwendet wurden. Eine geringe Menge von feinem Natriumkarbonatstaub wurde außerdem in den unteren Teil der Lichtbogensäule eingeleitet, und zwar mit einer Geschwindigkeit von 5 g/min. Die Reaktionsprodukte konnten durch Schwerkraft und unter der Einwirkung einer geringen Saugwirkung durch eine lange Säule hindurchfallen, die in einem Schacht endigte, der in einen verhältnismäßig kühlen Sammelrauisi mündete, aus welchem sie mittels V/asserstrahlen abgeführt wurden. Die geringen Mengen von Matriunsilikat,
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die Gebildet wurden, verbesserten die anschließende Trennung des reinen Zirkons von der Kieselsäure durch Auslaugen beträchtlich.
Das nächste Beispiel zei~t eine völli™ andere industrielle Anv/eiKlunjs-iöglichkeit der ^rfindunr,. Fs ist bekannt, da" die 'Tarr festigkeit und andere Eigenschaften von feuerfesten Materialien aus hochreiner Tonerde durch das Ilinzuraischen geringer '!en^en von Kieselerde, welche an Ende zur Bildung einer feinen Ilullit-:iatrix führt, verbessert werden kann. Die bekannten Verfahren sina jedoch nicht immer dafür geeignet , au'erde.-!: erfordern sie aufwendige und teuere Verfahrensscnritte und e.c ist selten garantiert, daß sich z-.-rischen der. einzelnen Körnern eine gleichmäßige Hullit-IIatrix entv/ickelt. Irä Gegensatz dazu liefert das unten erläuterte Verfahren nach der Erfindung einen hohen Grad an Gleichmäßigkeit, indem auf sämtlichen Kornoberflächen eine cleichnäßige und äußerst dünne .'ullit-Schicht gebildet v/ird.
Beispiel VII
50 kiS hochreiner, weni^ poröser Tonerde in Porn von kugelförmigen Teilchen r.:it eine:;; Durchmesser von jevjeils etwa 2 er,: v/urden in den oberen Bereich der Lichtbogensäule injiziert, die in einem engen zylindrischen Rohr aus reinem
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Quarzglas gezogen war. Der den Rotorkörper schützende Teil aus feuerfestem Material war ebenfalls aus Quarzglas hergestellt. Für das Plasma wurden 0,71 hu Argon verwendet. Die der Plasmakanone zugeführte Gesamtleistung betrug 120 kW. Die Lichtbogenlänge betrug 33 cn. Die Lichtbogensäule hatte eine ke jelstumpf f örmige Form und der Rotor drehte sich nit 600 U/iiiii. Unterhalt) des Pereiches der stationären Ringelektrode wurde feuerfeste !'aeerialien aus Tonerde verwendet. Die Ringelektrode war in diese feuerfesten Materialien eingelassen. Die Tonerdekugeln wurden in einen feuerfesten Kasten vorgeheizt und in den oberen Bereich des Ofens eingebracht, indem sie unter der Wirkung der Schwerkraft durch zwei tangential zum Umfang des Ofens geneigte und diametral einander gegenüberliegend angeordnete Quarzrohre unter der Wirkung der Schwerkraft hindurchrollten. Die Kugeln fielen nit einer Geschwindigkeit von 2 Kugeln/s in den Ofen hinein, was etwa einer Zuführgeschwindigkeit von 23 g/s enspricht. Sie fielen in einen leicht abgeschrägten breiten Sanmeltiegel hinein, welcher mit Kiessand gefüllt war. Nach dem Abkühlen zeigte eine Langzeitbelichtung mit niedrigem Einfallswinkel eines Röntgenstrahlbeugungsmusters im wesentlichen das gleiche Beugungsmuster wie eine reine Mullit-Probe in einer 21 crn-Debye-Sherrer-Pulverkamera.
Das nächste Beispiel zeigt noch eine weitere wichtige
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industrielle Anwendung der Erfindung im Bereich der Kügelchenbildung von Ketallpulvern. Das gegenwärtige Verfahren der Hersellung kügelchenförmiger Teilchen von nickel und Eisen im 5 xuin-ßereich ist auf das umständliche und teuere Karbonvlverfahren beschränkt. Gemäß den Verfahren nach der Erfindung können kügelchenför.iige Eisen- und IJickelpulver ii.i Bereich von 5 ^m aus einem billigen Ausgangsstoff hergestellt werden, nämlich aus Eisen- und llickelflocken.
Beispiel VIII
20 kg von geflocktem Eisen mit großer spezifischer Oberfläche wurden in den oberen Bereich einer Lichtbogensäule mit einer Zuführgeschwindigkeit von 9 g/s in einem otrom von 0,28 hm von Argon eingeleitet. Für das Plasma wurde aös Ausgangsrr.aterial Argon verwendet, welches mit 0.71 hrr zugeführt wurde. Die der Plasmakanone zugeführte Leistung betrug 60 kM. Die Lichtbogensäule hate eine Länge von 30 cm. Der Innendurchmesser der Ringelektrode betrug 8 cm. Die kügelchenförmigen Produkte wurden beim abwärtsströmen abgekühlt und in einem was sergekühlten Kupferisyklongesammelt. Geringe Mengen von Teilchen mit einer Größe von weniger als 1^m, welche der wirkung des Zyklons entkamen, wurden durch elektromagnetische Ausscheidung abgeführt. Das Endprodukt bestand im wesentlichen aus volles -
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ständic kugelförmigen Teilchen rait einer mittleren Verteilun£s,3röße von etv/a 4,8 Am. Hur sehr selten v/urde eine "Zapfenbildunc"» d.h. ein Zusammenvrachsen der einzelnen Teilchen untereinander beobachtet.
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Claims (37)

Patentansprüche:
1. Einrichtung zur "rr,cuf*iin;; eines elektrischen Lichtb^ :env in Form einer in radialer Fichtunc erweiterten LichtbojjensMule, gekennzeichnet durch i.indestens eine auf einer geschlossenen Bahn umlaufende Elektrode (1) und durch mindestens eine i.iit dieser umlaufenden Elektrode susannenvrirkende stationäre Elektrode (12).
2. Linrichtunr: nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ua° die Lrni'sachse der umlauf er den I'lelrtrode (1) eine *''e:jel:nantelfl"che beschreibt.
3. Iinr.ichturi3 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da", die Längsachse der unlaufenden Elektrode (1) eine Zyliniermantelflüche beschreibt.
k. Einrichtung nach einer: der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, da": die umlaufende Elektrode (1) eine nic}itabschv;elzende Elektrode ist.
5. Einrichtung nach, einen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, da?- die umlaufende Elektrode (1) eine Plasmakanone ist.
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6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ddurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Elektrode (1) eine Abschmelzelektrode ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet t daft die Abschmelzelektrode (1) zu..!Versorgen der Lichtbogensäule mit Materialien innen hohl ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmakanone (1) einer Lichtbogenkontraktionsbauart angehört·
9. Einrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein der Lichtbogensäule bzw. der von dieser erzeugten Flasnaströmung aufgeprägtes elektromagnetisches Vechselfeld.
10. Einrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausgangsspule eines Hochfrequenzgenerators das elektromagnetische Uechselfeld erzeugt.
11. Einrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, mittels vrelcher die Entladung bei noch nicht gezogenem Lichtbogen eingeleitet und anschließend mit gezogenem Lichtbogen fortgesetzt wird, indem eine elektrisch
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leitende Strecke zu der stationären Elektrode (12) hin gebildet wird.
12. Hinrichtung nach einem der Anspräche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, da.3·, die Stationlire Elektrode (12) riiioförr'i,; ist.
13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die stationäre Elektrode (12) aus einer Vielzahl von Rinosecmenten (21) besteht.
1^1. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Mittel (17, 18, V)) zum Absenken und Anheben der umlaufenden Elektrode (1) zwecks Ziehen des Lichtbocens und Uriviandlunc desselben in die axial ausgedehnte und radial erweiterte Lichtbocensäule aufweist.
15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch eine v/eitere Vorrichtung {k t 5, 6), welche den Unlauf der nicht stationären Elektrode (1) auf der geschlossenen Bahn bewirkt.
l6-, Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte Lichtbogen-
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säule die Form eines Kegelstunpfes oder die Form von Teilen eines Kegelstumpfes hat.
17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die flantelf leiche der ganz oder teilweise kegelstumpf förmigen Lichtbogensäule durch Kurven begrenzt ist, v/elche im Bereich von Exponentialkurven bis zur Evolute einer Ellipse liefen.
Iu. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß diese an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist.
19· Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß diese an eine '.iechselstromquelle angeschlossen ist.
20. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die './'echselstronquelle zusätzlich eine Gleichstromkomponente liefert.
21. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 20, gekennzeichnet durch Dosseieinrichtungen zur Verringerung der Geschwindigkeit der Plasr.aströmung.
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22. Einrichtung nach einen der Anspräche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, da.° diese eine bzw. eine Vielzahl von Ringelektrode:; aufweist und susar.r.en r.it Einla°/vori'ichtunr;en f"r "eschiel;un,:sr::aterial und für verschiedene Onsatrosphären sovrie rnit Hinrichtungen jeweils zum ^a:nneln, Trennen und Abführen von Endprodukten einen Lichtbogenofen bildet.
23. einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Einla ^,vorrichtungen derart auföebaut sind, da'j sie die Besc.iickuncsuuterialien in den oberen Bereich ■Jer LichtbO(jensäule einleiten.
2fl. Einrichtun,; nach Anspruch 22, oder 23, dadurch gekennzeichnet, Ja." ein Teil der Ofeaatnoaph'lre von den innerhalb der Ringelektrode kreisel, ien Str^i.iuntjy;:itteln gebildet i/ird.
25. Einrichtuno nach einei;» der Ansprache 22 bis 2l\, Gekennzeichnet durch einrichtungen zu.'.i^annieln von Produkten in einen ersten Saunier, ferner durch Einrichtungen zu;.i '..'eiterleiten dieser in de;.! ersten Sammler „esai.iinelten Produkte oder eines Teils derselben in einen weiteren, angrenzenden Sar/.nler, v;eiter durch Einrichtungen, mittels vrelchen die Produkte der Einwirkuno von 3trc;:iunosi..itteln oder Pest-
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stoffen oder Gemischen derselben ausgesetzt werden können, und schließlich durch Einrichtungen zum kontinuierlichen oder stoßweisen Abführen von Produkten aus den Gannlerri.
26. Einrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen zu .le<; ersten " ami .i ler (13) oder zu den in diesem enthaltenen Produkten f;ezo~,en ist.
27. Einrichtung nach einen der Ansprüche 22 bis 26, gekennzeichnet durch eine Absaugvorrichtung für sich in der !Jähe des Lichtbo,~ensaule ansaiiirelnde ;;asförnije Produkte oder Teilchen derselben.
28. Verfahren zur Gewinnunc von Metallen aus Materialien, wie vorzugsweise Mineralien, Erz, Konzentrat, Aufbereitun&sschlamm oder Schrott, mittels einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 27, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
a) Einbringen der betreffenden Materialien in Teilchenform mit oder ohne v/eitere Zusätze in die Lichtbogensäule des Ofens,
b) Bilden und Aufrechterhalten ^eei^neter Atmosphären in verschiedenen Ofenbereichen, welche bei einem oder mehreren Restandteilen der betreffenden
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Materialien eine Zerlegung oder IJeugruppierung oder Teilweise bzw. vollständige Reduktion bzw. eine Kombination aus diesen bewirken,
c) weiteres thermisches und chemisches Einwirken
auf die sich ergebenden Produkte oder auf Bestandteile derselben und dadurch Verursachen weiterer Modifikationen in diesen Produkten, und
d) Abführen der gewonnenen Produkte aus dem Ofen.
29. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß dieses aus einen bzw." aus einer Kombination von in dem Lichtbogenofen ausgeführten Kalzinierungs-, Rost-, Schmelz-, Raffinations-, Dissoziations-, Destillations- und Abschreckschritten besteht.
30. Anwedune des Verfahrens nach Anspruch 28 und 29, zur Gewinnung von Kupfer aus Bornit-Konzentrat als kupferhaltigem Ausgangsmaterial.
31. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 28 und 29, zur Gewinnung von Eisen und Titan aus Ilmenit als Augsgnangsmaterial.
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32. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 28 und 29, zur Gewinnung von Eisen aus Magnetit-Konzentrat als Ausgangsmaterial.
33. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 28 und 29, zur Gewinnung von aluminium aus dessen Oxiderzen.
3*k Verfahren zum Schmelzen und Raffinieren von Metallen mittels einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Kupfer in Form von Kupferkathoden verwendet wird.
35.Verfahren zum Zerlegen chemisch gebundener Bestandteile von Mineralien, Erzen oder ähnlichen Substanze, mittels einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurchgekennzeichnet, da? als Mineral vorzugsweise Zirkonsilikat verwendet wird, welches in Zirkonerde und Kieselerde zerlegt wird.
36. Verfahren zum Aufbringen von Substanzschichten auf Teilchen mittels einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den zu diesen Zweck durch den Lichtbogen hindurchgeleiteten Teilchen vorzugsweise um Tonerdeteilchen und
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bei den auf diese aufgebrachten Schichten um "lullite handelt.
37. Verfahren zur Materialzerstäubunr. und -kügelchenbilduiv; ritteis einer ninrichtunr. nach einer.: der Anspräche 2c bis 27, dadurch jckennzeichhCG, dai? es sich bei den
der r.ü^elchenbild·:;:..: cU":.oe?et2:ten Matei'ir.lien um Lir-en- und YAc'cclfloc!:e:i handelt und Cz.?- die sich ergebenden ?rodu>te ■r!"t_,elc::ei: it eine... Du-1Ch .osscr i:.-. Bereich von 2w.:i bis
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