СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОРОШКООБРАЗНОГО МАТЕРИАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК B22F1/00 

Изобретение относится к металлургии и горной промышленности и может быть использовано для получения чистых элементов.

Известен способ высокотемпературного разделения элементов осаждением из паровой фазы, в котором используют плазму с температурой 4000-5000 К для пиролиза угля.

Недостатком этого способа является низкая производительность и невозможность получения оксидов, карбидов и нитридов.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному способу является способ получения порошков тугоплавких металлов плазменным восстановлением их из оксидов, включающий введение порошкообразного материала в плазменную струю, испарение его в плазменной струе и конденсацию.

Недостатками известного способа являются малая производительность, отсутствие утилизации газообразной фазы, невозможность комплексной переработки многокомпонентного сырья, а также осаждения в чистом виде высокофугитивных элементов, например, таких, как мышьяк, сурьма , сера и т.д.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для получения тугоплавких металлов плазменным восстановлением их оксидов, содержащее плазмотрон, камеру испарения, магнитопроводы и узел подачи порошкообразного материала.

Недостатком известного устройства является невозможность комплексной переработки в нем многокомпонентного сырья и утилизации газообразной фазы.

В основу изобретения положена задача разработать высокотемпературную непрерывную комплексную технологию переработки многокомпонентного порошкообразного материала, а также устройство для реализации этой технологии, которые обеспечивали бы получение чистых элементов.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе обработки порошкообразного материала в плазме, включающем введение порошкообразного материала в плазменную струю, испарение его в плазменной струе и конденсацию, в качестве порошкообразного материала используют многокомпонентный материал, после испарения производят разделение полученного ионизированного газа на положительные и отрицательные ионы и сбор положительных и отрицательных ионов, при этом отрицательно заряженные ионы нейтрализуют и полученный газ разделяют на компоненты, а положительно заряженные ионы дополнительно нагревают в плазменной струе до температуры испарения самого высококипящего порошкообразного материала и отбирают ионы последнего путем конденсации с одновременной их нейтрализацией, причем дополнительный нагрев в плазменной струе положительно заряженных ионов до температуры испарения очередного по температуре испарения элемента и его отбор повторяют до полного разделения многокомпонентного порошкообразного материала на элементы.

Заявленный способ реализуется в устройстве для обработки порошкообразного материала в плазме, содержащем плазмотрон, камеру испарения, магнитопроводы и узел подачи порошкообразного материала, которое, согласно изобретению, снабжено последовательно соединенными камерами отбора элементов, каждая из которых охвачена отрицательно заряженным магнитопроводом, и выполнена с плоским сводом и выпуклым вниз основанием со входным и выходным отверстиями, дополнительными плазмотронами, установленными во входных отверстиях, дутьевым устройством для отбора газа, полученного из отрицательно заряженных ионов, систему разделения газов на компоненты и дополнительным положительно заряженным магнитопроводом, размещенными на своде камеры испарения, фильтром, соединенным с дутьевым устройством для перемещения положительно заряженных ионов, при этом камера испарения выполнена с выпуклым сводом и плоским основанием.

На чертеже показано устройство для обработки порошкообразного материала в плазме, разрез.

Способ обработки порошкообразного материала в плазме осуществляют следующим образом.

Испарение многокомпонентного порошкообразного материала, в качестве которого была использована медная руда Норильского месторождения, содержащая сульфиды меди, железа, никеля, кобальта, оксиды этих металлов, золото, серебро, оксиды и сульфиды цинка, свинца, соединения мышьяка, сурьмы, теллуриды, германий, кадмий, селен и другие, происходило путем воздействия на многокомпонентный порошковый материал плазменной струей с температурой 6000 К, создаваемой плазмотроном с полым самовосстанавливающимся катодом мощностью 0,1 МВт. Причем осуществляли подачу порошкового материала непосредственно в плазменную струю, получая ионизированный газ. В качестве плазмообразующего газа использовали метан. Далее осуществляли разделение полученного ионизированного газа на положительно и отрицательно заряженные ионы с помощью магнитопроводов постоянного тока, положительно и отрицательно заряженных, мощностью 0,1 МВт, которые охлаждались водой. Затем вели сбор отрицательных ионов одновременно со сбором положительных ионов. Отрицательно заряженные ионы нейтрализовали на положительно заряженном магнитопроводе мощностью 0,1 МВт. В результате получали газ, который разделяли на компоненты, для этого газ отводили по газопроводу, соединенному с вакуумным насосом и далее подавали на группу цеолитовых мембран, где газ разделялся на чистые газы (О₂, Н₂, СО, СО₂ и др.),
Подача материала в плазменную струю происходила непрерывно из бункера с шиберным затвором под действием сил гравитации. Крупность материала 0-2 мм.

Положительно заряженные ионы дополнительно нагревали в плазмотроне с полым самовосстанавливающимся катодом мощностью 50 кВт до температуры испарения самого высококипящего элемента многокомпонентного порошкообразного материала. В данном случае этот элемент медь (Cu) с температурой испарения 3150 К.

Далее осуществляли конденсацию паров ионов Cu. При выходе из плазмотрона происходит внезапное расширение паров положительно заряженных ионов соответственно их охлаждение и первым конденсируется элемент Сu в результате потери температуры испарения на выходе из плазмотрона, осуществлялась одновременно и нейтрализация заряда ионов меди за счет воздействия поля водоохлаждаемого отрицательно заряженного магнитопровода мощностью 0,1 МВт. Далее производят отбор межи.

Оставшуюся часть газа из положительно заряженных ионов подвергали повторному дополнительному нагреву в плазменной струе путем пропускания указанного газа через следующий плазмотрон мощностью 50 КВт с полым самовосстанавливающимся катодом, соответственно положительно заряженные ионы приобрели в плазмотроне дополнительную кинетическую энергию и тепловую, нагреваясь до температуры испарения золота (Au), равной 3120 К, после выхода из плазмотрона элемент Au конденсируется в результате потери температуры испарения. Полученные сконденсированные ионы золота нейтрализуют с помощью отрицательно заряженного магнитопровода мощностью 0,1 МВт и отбирают. Причем дополнительный нагрев в плазменной струе оставшихся положительно заряженных ионов (путем пропускания через очередной плазмотрон с вышеуказанными характеристиками) до температуры испарения следующего очередного по температуре испарения элемента и его отбор повторяли до отбора последнего по температуре испарения элемента - серы (см.таблицу). Таким образом, было осуществлено полное разделение медной руды Норильского месторождения на чистые элементы.

Расчеты показали, что при переработке медной руды Норильского месторождения по заявленному способу на устройстве для его осуществления в количестве 1 т выход элементов соответствует данным, приведенным в таблице.

Элементы в таблице расположены по температуре конденсации (испарения) , т. е. в том порядке, в котором происходит их выделение из паров порошкообразного материала. В таблице даны длины камер отбора элемента, которые меняются от 0,1 до 2,5м и являются функцией от свойств и количества конкретного элемента, конденсируемого из паров ионов. Кроме того, если это необходимо для производства, то элементы, имеющие близкие температуры конденсации (испарения) медь, и золото, никель и серебро, свинец и сурьма, могут быть сконденсированы в одной камере. Медь и золото дают хороший контактный сплав, который может быть использован в электротехнической промышленности. Никель и серебро в сочетании с закисью меди (Cu₂O) представляют отличный продукт для изготовления полупроводниковых материалов. Свинец и сурьма, высаженные в одной камере отбора, дают отличное сырье для производства баббитового сплава.

Устройство для осуществления вышеизложенного способа включает в себя плазмотрон 1 с полым самовосстанавливающимся катодом (не показан), который своим выходным отверстием 2 установлен во входном отверстии 3 камеры испарения, футерованной высокоогнеупорным материалом (графит, ZrO₂ или другими подобными), имеющей выпуклый свод 5. На своде 5 камеры испарения 4 расположен положительно заряженный водоохлаждаемый магнитопровод 6. Камера испарения 4 имеет плоское основание 7, на котором установлен отрицательно заряженный водоохлаждаемый магнитопровод 8.

В своде 5 камеры испарения 4 установлено устройство подачи обрабатываемого материала 9, выполненное в виде бункера 10, соединенного с трубопроводом 11, в котором установлен шиберный затвор 12. Выходное отверстие трубопровода 11 выходит во внутреннюю полость камеры испарения 4 и направлено в область плазменной струи 13 плазмотрона 1. В центре свода 5 выполнено отверстие 14, которое соединено с дутьевым устройством по отбору газа, полученного из отрицательно заряженных ионов, выполненным из газопровода 15, снабженного вакуумной установкой 16, которая соединена с системой 17 разделения газов на компоненты, выполненной из группы цеолитовых мембран, установленных по ходу газопровода 15 после вакуумной установки 16. Входное отверстие 3 и выходное отверстие 18 камеры испарения 4 расположены между основанием 7 и сводом 5, выполнены противолежащими и соосными. Полость камеры испарения 4 соединена своим выходным отверстием 18 с последовательно соединенными камерами отбора элементов 19, 20, 21. Количество указанных камер 19, 20, 21 соответствует количеству элементов, содержащихся в многокомпонентном порошкообразном материале, который подвергается обработке.

Каждая из камер отбора элементов 19, 20, 21 охвачена отрицательно заряженным водоохлаждаемым магнитопроводом соответственно 22, 23, 24 и образована плоским сводом соответственно 25, 26, 27 и выпуклым вниз основанием соответственно 28, 29, 30. Каждая камера отбора элементов 19, 20, 21 имеет входное и выходное отверстия соответственно 18 и 31; 31 и 32; 32 и 33. Т.е. в собранном устройстве выходное отверстие предыдущей камеры отбора элементов является входным отверстием последующей камеры отбора элементов, причем входные и выходные отверстия 18, 31, 32, 33 всех камер отбора элементов 19, 20, 21 расположены соосно и противоположно. Во входном отверстии 18, 31, 32 каждой камеры отбора элементов 19, 20, 21 установлены плазмотроны 34, 35, 36. Выходное отверстие 33 последней камеры 21 отбора элементов сообщено с фильтром 37, выполненным из нетканых материалов для тонкой очистки. Фильтр 37 сообщен с дутьевым устройством 38 для перемещения положительно заряженных ионов. Устройство для осуществления предлагаемого способа работает следующим образом: подается напряжение на плазмотроны 1, 34, 35, 36 с полым самовосстанавливающим катодом, плазмообразующий газ (метан, СО, СО₂) и одновременно подается напряжение на магнитопроводы 6, 8 камеры испарения 4 и магнитопроводы 22, 23, 24 камер отбора элементов 19, 20, 21. Из устройства подачи материала 9 непосредственно в плазменную струю 13, имеющую температуру 6000 К, подают под действием сил гравитации многокомпонентный порошкообразный материал фракции 0-2 мм, например медную руду Норильского месторождения, которая содержит сульфиды меди, железа, никеля, кобальта, оксиды этих металлов, золото, серебро, оксиды и сульфиды цинка, свинца, соединения мышьяка, сурьмы, теллуриды, германий, кадмий, селен и другие. Порошкообразный многокомпонентный материал испаряется, превращаясь в ионизированный газ, состоящий из положительных и отрицательных ионов, который образуется в камере испарения 4, футерованной высокоогнеупорным материалом (графит, ZrO₂ или подобные им). Образовавшись, ионизированный газ под действием магнитного поля, создаваемого положительно 6 и отрицательно 8 заряженными водоохлаждаемыми магнитопроводами, расположенными соответственно на своде 5 и основании 7 камеры испарения 4, разделяют на положительно заряженные ионы, которые оттягивают и собирают к основанию 7 и отрицательно заряженные ионы, которые оттягивают и собирают к своду 5, далее их нейтрализуют на положительно заряженном магнитопроводе 6 и отводят из камеры испарения 4 с помощью вакуумной установки 16 на группу цеолитовых мембран 17, где разделяют полученный газ на чистые газы (О₂, Н₂, СО, СО₂ и др. ).

Затем оттянутые и собранные у основания 7 камеры испарения 4 положительно заряженные ионы направляют под действием разрежения в 20-30 кПа, создаваемого дутьевым устройством 38 для перемещения положительно заряженных ионов в плазмотрон 34 камеры отбора 19, где их дополнительно нагревают, путем пропускания через плазмотрон 34 до температуры испарения самого высококипящего элемента из обрабатываемого материала, в данном случае это элемент медь (Cu) c температурой испарения, равной 3150 К. При выходе из выходного отверстия плазмотрона 34 пары ионов, попадая в камеру 19 отбора элементов, претерпевают внезапное расширение, в результате которого они теряют температуру, а так как самый высококипящий элемент Cu, то именно пары ее ионов и конденсируются в камере отбора элементов 19, собираясь в выпуклом основании 28, где под действием отрицательно заряженного магнитопровода 22 нейтрализуются и осуществляют их отбор через сливное отверстие 39. Далее оставшуюся часть газа из положительно заряженных ионов направляют на повторный дополнительный нагрев в плазменной струе путем пропускания указанного газа через плазмотрон 35. Дополнительный нагрев в плазмотроне 35 осуществляют до температуры испарения очередного по температуре испарения элемента - золота (Au), равной 3120 К. После выхода из плазмотрона 35, попадая в камеру отбора 20, положительно заряженные ионы претерпевают внезапное расширение, в результате которого они теряют температуру и самый высококипящий элемент Au конденсируется в камере отбора элементов 20, собираясь в выпуклом основании 29, где под действием отрицательно заряженного магнитопровода 23 нейтрализуется и отбирается через сливное отверстие 40. Таким образом отбор следующего по температуре испарения элемента может быть осуществлен аналогично описанному выше отбору Cu и Au, но уже в камере отбора элементов 21, работа которой аналогична работе описанных выше камер отбора элементов 19, 20. Таким образом заявляемое устройство должно иметь количество камер отбора элементов, равное количеству элементов в многокомпонентном обрабатываемом порошковом материале. После отбора последнего по температуре испарения элемента (это сера) в очередной камере отбора элементов 21, оставшийся газ направляется в фильтр 37, где освобождается от тонкодисперсной пыли, неосажденной в камерах отбора элементов 19, 20, 21, которую затем направляют в устройство подачи материала 9 для дальнейшей переработки.

Использование: для получения чистых элементов. Сущность изобретения: устройство включает в себя плазмотрон 1, который выходным отверстием 2 установлен во входном отверстии 3 камеры разделения 4, в своде 5 последней установлено устройство подачи порошкообразного материала 9, выходное отверстие 11 которого направляет материал непосредственно в плазменную струю 13, которая организована в камере разделения 4, и ею ведут испарение с получением ионизированного газа. Собирают положительно заряженные ионы у плоского основания 7 камеры разделения 4 с помощью отрицательно заряженного магнитопровода 8, закрепленного на основании 7, а отрицательно заряженные ионы собирают у свода 5, на котором закреплен положительно заряженный магнитопровод 6, последний нейтрализует эти ионы и полученный газ разделяют на компоненты в системе разделения газов, включающей вакуумную установку 16 и группу цеолитовых мембран 17. Камера разделения 4 сообщена с последовательно соединенными камерами отбора элементов 19, 20, 21. Во входных отверстиях 18, 31, 32 последних установлены плазмотроны 34, 35, 36, которые осуществляют дополнительный нагрев положительно заряженных ионов. Причем ионы, положительно заряженные, нагревают дополнительно до температуры испарения самого высококипящего элемента порошкообразного материала и конденсируют последний в камере отбора элементов 19, которая охвачена отрицательно заряженным магнитопроводом 22, и с помощью последнего нейтрализуют, затем через отверстие 39 в основании 28 чистый элемент отводят. Все остальные камеры 20, 21 отбора устроены и работают аналогично камере 19, в них осуществляется последовательное выделение очередных по температуре кипения элементов многокомпонентного порошкообразного материала путем дополнительного нагрева в плазменной струе плазмотронов 34, 35, 36 положительно заряженных ионов до температуры испарения очередного по температуре испарения элемента и его отбор. Выходное отверстие 33 последней камеры отбора элементов 21 сообщено с фильтром 37, который соединен с дутьевым устройством 38 для перемещения положительно заряженных ионов. 2 с. п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Способ обработки порошкообразного материала в плазме, включающий введение порошкообразного материала в плазменную струю, испарение его в плазменной струе и конденсацию, отличающийся тем, что в качестве порошкообразного материала используют многокомпонентный материал, после испарения производят разделение полученного ионизированного газа на положительные и отрицательные ионы и сбор положительных и отрицательных ионов, при этом отрицательно заряженные ионы нейтрализуют и полученный газ разделяют на компоненты, а положительно заряженные ионы дополнительно нагревают в плазменной струе до температуры испарения самого высококипящего элемента порошкообразного материала и отбирают ионы последнего путем конденсации с одновременной их нейтрализацией, причем дополнительный нагрев в плазменной струе положительно заряженных ионов до температуры испарения очередного по температуре испарения элемента и его отбор повторяют до полного разделения многокомпонентного порошкообразного материала на элементы. 2. Устройство для обработки порошкообразного материала в плазме, содержащее плазмотрон, камеру испарения, магнитопроводы, узел подачи порошкообразного материала, отличающееся тем, что оно снабжено последовательно соединенными камерами отбора элементов, каждая из которых охвачена отрицательно заряженным магнитопроводом и выполнена с плоским сводом и выпуклым вниз основанием с входным и выходным отверстиями, дополнительными плазмотронами, установленными во входных отверстиях, дутьевым устройством для отбора газа, полученного из отрицательно заряженных ионов, систему разделения газов на компоненты и дополнительным положительно заряженным магнитопроводом, размещенным на своде камеры испарения, фильтром, соединенным с дутьевым устройством для перемещения положительно заряженных ионов, при этом камера испарения выполнена с выпуклым сводом и плоским основанием.