专利名称：新颖等离子体焰炬及其在物质转化的方法中的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新颖的等离子体焰炬及其可能的应用。
背景技术：
实质上，等离子体是最普通的材料状态。术语“等离子体”指离子化的气体，其中绝大部分的原子丢失了一个或多个电子并由此变为正离子。等离子体实际上是三种成分的混合物正离子、自由电子，和中性原子(或许是分子)。等离子体为其中电子浓度和离子浓度基本相等的准中性介质。在等离子体中，带电粒子之间的电子力起作用，因此它是受电磁力影响的动态体系。
实际上，等离子体存在于各种气体放电(例如，电火花、雷电、电弧)中。从工业和科学方面讲，高温的准中性和准固定等离子体电弧非常重要，它们在例如冶金、玻璃化工艺、发电、危险垃圾处理和在高温下分解的有机材料与具有高卤素含量的塑料材料的循环汽化等领域中的应用也很重要。
其中电弧形成温度甚至在相对高(约10,000℃)的电弧温度下可以精确控制而且其中熔炉气氛可以改变的等离子体能电弧熔炉(或等离子体熔炉)现在是公知的。装备有等离子体焰炬(torch)的等离子体熔炉(或类似设备)的主要缺点是，在这些设备中焰炬只形成极易控制的热源(熔化电弧)，即，它只起加热器的作用。用于使将要经受冶金工艺的材料白热化的热输入(现在是目标)以强辐射热传递的形式发生，电阻也因为通过阳极的电弧和作为阴极的目标的靠近而变热。
在等离子体熔炉中应用的等离子体焰炬的输出接近目前的2.5MW的值，而且由于进行了改进，电极的总寿命已经达到了约1,000小时。然而，技术难度会阻止等离子体焰炬输出的进一步增长；目前，在更高的输出中，等离子体电弧的维持、获得电弧气体的适当离子化程度和冷却等离子体焰炬的组成元件仍未解决。直到现在，还没有造出这样的等离子体焰炬，其中正电极，即，阳极的连续消耗将不会限制等离子体焰炬的总寿命，并由此不会限制等离子体熔炉的总寿命。为了替代可消耗的阳极，在给定时间内，等离子体熔炉应该被停止，这会明显增加此类熔炉的操作成本。
此外，在目前使用的等离子体焰炬中，将氮气、空气(也包括氮气)、氩气、氢气、氦气、甲烷或丙烷用作放电气体。当所述放电材料在与目标相互作用之后(即，在与目标热传递之后)从等离子体状态再冷却时，它们与脱离目标的蒸汽/气体混合，在很多情况下，它们也与它们反应并接着与这些蒸汽/气体一起通过气体清洁器/气体洁净器系统离开反应体积或(在等离子体熔炉的情况下)结合进残余炉渣中。在多数情况下，获得的产品是高污染的，因此应该解决它们的再循环或至少它们的处理，这也会增加讨论的等离子体焰炬的操作成本。例如，现在广泛使用的用氮气或空气作为放电气体的等离子体焰炬会产生大量含氮的烟雾(例如，NOX)作为副产品，这些烟雾严重地污染环境而且有害健康。将这些材料结合进炉渣和/或通过气体清洁器/气体洁净器系统滤出它们得不到预期的结果，结果，传统等离子体焰炬的NOX散发超出了环保措施规定的限制。
当等离子体焰炬用于冶金目的时，还有一个问题是对于给定的等离子体冲击速度和等离子体体积，传递给目标的热量非常小，这是因为用作放电气体的材料的比重很低。
另一方面，在我们研究期间我们得出结论，如果除了辐射热传递和目标的电阻加热，在等离子体离子与目标的碰撞中也采用如下所述产生的热能，等离子体焰炬影响的热传递的范围可以明显增加。被电磁场加速的等离子体电弧的正离子撞击在目标和/或其熔池的表面上，并进入更深层。在正离子与目标的原子、离子和分子的连续碰撞中，离子将它们的动能传递给所述的原子、离子和分子。结果，目标的原子和离子被激发或离子化，而且目标的较大分子撞击较小的部分。所有这些导致目标内激发的红外辐射密度的增加，这导致目标温度的急剧增加，由此，将获得目标的极度温度值。用作放电气体的材料的比重越大，此称为撞击加热的角色就越重。
另一方面，在我们研究期间我们得出结论，当等离子体焰炬处理/暴露发生时，在目标内需要给定化学物理反应出现的情况下，可以通过选择合适的电弧气体材料按计划的方式影响这些反应的开始和进程。
发明内容
根据以上内容，本发明旨在开发一种新颖的等离子体焰炬，其消除现有等离子体焰炬和基于它的等离子体熔炉(以及其它设备)的不足和缺点，而且其中有效使用了通过等离子体相放电材料的离子冲击目标产生的碰撞加热。本发明的另一个目的是除了它的加热利用相关等离子体焰炬确保目标的计划化学物理工艺和反应的激活和进程。本发明的另一个目的是防止作为放电材料的材料增加残渣或废料的量，以及使它以稳定、易处理和不会污染环境的副产品的形式留在反应容器(例如等离子体熔炉)里。本发明的另一个目的是开发用于在某些特殊领域内应用此新颖等离子体焰炬的方法，例如在冶金或危险废料的处理领域。
通常，通过构建其放电材料包括包含金属原子的气体/蒸汽而不是常规采用的非金属材料的等离子体焰炬来达到上述目的。优选金属原子的气体/蒸汽包括碱性或碱土金属蒸汽。甚至更加优选包含金属原子气体/蒸汽包括钠蒸汽(Na蒸汽)或钾蒸汽(K蒸汽)。也可选择金属原子气体/蒸汽还包括目标的计划化学物理反应发生所需的化学元素。
具体地说，要达到本发明的上述目的，第一方面要通过开发一种包括放电材料的等离子体电弧的等离子体焰炬，其中所述等离子体电弧从带有高电压的第一电极延伸到与所述第一电极相隔一段距离的第二电极，而所述放电材料设置在存储设备中并通过所述存储设备中形成的出口送入所述等离子体电弧，而且其中沿所述等离子体电弧设置至少一个确保所述等离子体电弧的集中的瞄准仪，而且通过至少一种金属的蒸汽提供所述放电材料。
具体地说，要达到本发明的上述目的，第二方面要通过一种用于从含金属的给料中提取纯金属的方法，其中提供具有金属出口和至少一个气体出口(off-take)和至少一个给料入口的熔炉，而且其中所述给料通过所述给料入口送入所述熔炉，而且其中(a)在所述熔炉内与所述给料相对设置等离子体焰炬，其中所述等离子体焰炬具有从带有高电压的第一电极延伸到第二电极的放电材料的等离子体电弧，以及其中通过至少一种金属的蒸汽提供所述放电材料；(b)将所述金属蒸汽的所述等离子体电弧引入所述给料；(c)用所述等离子体电弧加热所述给料，并同时使作为化学试剂的等离子体电弧的放电材料与所述给料发生化学反应，其中利用所述化学反应，所述给料的金属成分被释放，以及同时所述等离子体电弧的所述放电材料与所述给料的非金属成分结合；(d)通过所述气体出口从所述熔炉中除去由此获得的包括所述等离子体电弧的所述放电材料的物质；以及通过所述金属出口从所述熔炉中导出释放的所述金属成分作为纯金属。
具体地说，要达到本发明的上述目的，第三方面要通过一种用于破坏有机物质的方法，其中所述将要破坏的有机物质与等离子体焰炬的等离子体电弧相互反应，其中使用至少一种金属的蒸汽形成所述等离子体焰炬的所述等离子体电弧。
相对于常规的非金属放电气体等离子体焰炬，根据本发明的金属蒸汽电弧等离子体焰炬的最重要的优点如下(1)因为宽松约束的化合价电子，适当选择(主要是碱性或碱土)金属蒸汽电弧等离子体焰炬的放电气体可以很容易地以比常规非金属放电气体的原子/分子更低的能量输入离子化。因此，施加用于产生等离子体电弧的离子化形成部分减少了，也就是说，施加的能量的更多部分用于加速离子并由此用于目标的集中加热。
(2)金属蒸汽等离子体电弧内的粒子的荷质比非常均匀，因为通过适当选择放电金属(主要是碱性或碱土金属)，甚至在相对高的能量输入下可以获得存在于等离子体电弧中的简单(或者最多是加倍)离子化的金属离子。因此，从离子成分的角度考虑，相对于常规非金属放电气体的等离子体电弧，获得了更加均匀的等离子体电弧。因此，因为发生在电弧的独立成分之间的碰撞造成动能损失和通过电磁波(辐射热)导致的能量流失也降低了。此外，通过在相同能量输入水平下产生更高电弧温度的瞄准仪，可以更好地聚集等离子体电弧。
(3)通过等离子态电弧自身带到目标上的适当选择的(主要是碱性或碱土)金属的极易反应的正离子可以包括在可以在例如冶金或其它工业领域内采用的与目标成分的化学物理(还原)处理/反应之内。代替通过应用非金属等离子体焰炬产生的作为反应结果的废料和残渣，可以获得工业有用的材料，由此废料和残渣的量明显下降了。
(4)在常规等离子体焰炬中(由于经济原因)优选使用空气或氮气作为放电材料。在此等离子体焰炬中，在电弧温度下，形成了高度污染的NOX型含氮烟雾。如果使用金属蒸汽电弧等离子体焰炬就不会出现这种环境破坏的效应。
(5)金属蒸汽电弧等离子体焰炬发射紫外(UV)区内的强辐射，例如汞蒸汽电弧焰炬，非常适合用于处理危险的有机材料，包括最有毒的生物传染物，以及最稳定的毒气。
将参考附图更加详细地解释本发明，其中图1示出了根据本发明的金属蒸汽电弧等离子体焰炬的优选实施例的示意图；图2示意性地示出了根据本发明的用于实现还原方法的装配，此装配用于从离子氧化物和离子氢氧化物中提取离子；
图3示出了钛冶金领域内非常重要的相图；图4示意性地示出了根据本发明的用于实现还原方法的装配，此装配用于提取金；以及图5示出了通过图4中所示装配获得的金属锭的立体图和纵向截面图。
具体实施例方式
图1示意性地示出了根据本发明的金属蒸汽电弧等离子体焰炬1的可能的实施例。等离子体焰炬1包括接地的阴极15、焰炬体2、运载气体存储容器(未示出)、金属蒸汽产生容器19和金属存储容器22。
焰炬体2形成为双壁的、纵向拉伸的、包括等离子体室3的优选环形体。焰炬体2在其一端终止于运载气体入口11中，而尖端4在其相反端接近它。形成尖端4用于确保等离子体室3与焰炬体2外部的连通；优选将尖端4形成为平截头圆锥形。等离子体室3从运载气体入口11延伸向尖端4。用冷却剂6填充位于双壁焰炬体2的外部和内部壁5a、5b之间的体积部分，冷却剂6通过入口12(箭头“A”)进入壁5a、5b之间并通过出口13(箭头“B”)流出。冷却剂6优选通过泵(在图1中未示出)通过一个或多个冷却剂容器和热交换器在焰炬体2内循环。用具有极佳热传导性，并具有耐腐蚀和压力的材料制造焰炬体2；而当使用例如蒸馏水或(因为它良好的热容量)乙二醇乙烯的冷却剂时，优选用不锈钢形成它。
在被焰炬体2包围的等离子体室3内，安排电磁瞄准仪14与焰炬体2同轴并与其内壁5b相倚相邻。瞄准仪14沿焰炬体2的长度延伸。它用于通过由它引起的磁场建立等离子体电弧10，并接着聚集获得的等离子体电弧10和在等离子体焰炬1工作期间加速其离子。瞄准仪14的构造和几何结构以及工作与在文献中公知的非冶金电弧等离子体焰炬中使用的类似元素的相对应，因此在此不详细讨论。应该注意，在根据本发明的在等离子体焰炬1中使用的瞄准仪14的实施例中，通过冷却剂6在焰炬体2中连续流动间接实施瞄准仪14的冷却。然而，也可以使用相关领域内的技术人员公知的允许直接冷却瞄准仪14的其它瞄准仪几何结构。
现在参考图1，在所示的根据本发明的等离子体焰炬1的实施例中形成负电极的阴极15安排的与焰炬体2的尖端4相反，并隔开一定距离。优选形成空心的阴极15，并由此如图1中箭头“C ”和“D”所示，冷却剂16可以循环通过它。阴极15具有双层功效一方面将要被金属蒸汽等离子体电弧10处理的目标(图1中未示出)安排在它的表面上，而另一方面通过它接近等离子体电弧10。除了阴极15的冷却能力，图1中所示阴极设计的另一个优点是通过循环通过它的冷却剂16实施的阴极15的直接冷却允许对目标反应进程的良好控制。可以将阴极15的冷却剂回路形成为焰炬体2的冷却剂回路的一部分，然而，它也可以是独立的回路。在根据本发明的等离子体焰炬1的其它实施例中，目标自己可以扮演阴极15的角色。然而，在缺乏阴极15的情况下，不可能良好控制化学反应的进程。
阴极15可以是任何形状，例如平板、坩埚、杓等。阴极15应该由对等离子体焰炬10有抵抗并具有良好热传导性的材料形成。此材料包括例如纯铜、铜和钨的合成物以及炼煤(artificial coal)。此外，应该以这样的方式选择阴极材料，在它和目标、等离子体电弧10的放电材料、和在目标与放电材料的反应中产生的任何中间或最终产物之间不会发生物理或化学混合和扩散相互混合。如将要在后面详细讨论的，此后一约束是否满足取决于实际用作目标的材料、放电金属的选择和目标材料与放电金属之间的计划的反应。
将等离子体焰炬2的运载气体入口11通过气泵(未在图1中示出)连接到包括运载气体的容器。优选使用氩、氪或其它相对难电离的惰性气体(即，具有高电离电势)的惰性气体作为运载气体。运载气体的作用是抑制从金属蒸汽产生容器19进入等离子体室3的热金属蒸汽在运载气体通过气泵吹过运载气体入口11进入等离子体室3时在焰炬体2的内壁5b上冷凝。
金属蒸汽产生容器19代表本发明的金属蒸汽电弧等离子体焰炬1的一个关键组成部分。它存储用于产生等离子体电弧10的金属(或含金属材料)的熔液。此外，金属蒸汽产生容器19中包括的金属熔液池也起等离子体焰炬1的(可消耗)正电极，即，阳极的作用。
此金属蒸汽产生容器19具有供给管7，其以阻止气体方式穿过焰炬体2的壁5a、5b进入等离子体室3并在运载气体入口11和瞄准仪14之间终止。金属蒸汽产生容器19装备有加热器18。加热器18用于连续沸腾容器19中包含的熔化金属，并由此将容器19中的压力增加到比等离子体室3中的压力更高的值，以使容器19中产生的金属蒸汽通过供给管7进入等离子体室3。由于作为阳极的熔化金属负载了与接地阴极15相比较高的电压，出于安全原因，蒸汽产生容器19和供给管7优选用例如陶瓷的绝缘材料形成，以确保熔化金属的加热。出于类似原因，将加热器18制造为可控制的感应加热器。也可以将其它间接加热原理用于沸腾蒸汽产生容器19中的熔液，重要的是要确保具有高电压的熔化金属的电绝缘。
通过流出控制阀20、21将金属存储容器22的输出口28连接到蒸汽产生容器19的熔液入口17，同时将泵装置26和可移除管27安装在所述阀20、21之间。可以通过被阀门24关闭的金属进料口25用放电金属(或含金属的材料)(再)填充金属存储容器22。为了保持容器22中的材料处于能被轻易抽取的状态，优选提供具有加热器23的金属存储容器22。加热器23为一般的电阻加热器，然而，也可以采用提供间接加热的其它方式。出于安全原因，熔液入口17、阀门20、21、24、与熔化金属接触的泵装置26的部分和管27要用具有极佳绝缘特性的陶瓷形成，金属存储容器22自己(不用考虑其用于影响电阻加热的部分)和金属进料口25也是。
下面，将简要讨论根据本发明的等离子体焰炬1的操作。
当阀门20、21处于开启位置时，通过启动泵装置26，将金属存储容器22中利用加热器23保持在熔化相的金属通过管27和熔液入口17加入蒸汽产生容器19。相对于阴极15，给容器19中的熔化金属施加高压，并通过打开感应型加热器18，开始沸腾熔化的金属。蒸汽产生容器19中的压力增加迫使熔化金属的蒸汽通过供给管7进入焰炬体2的等离子体室3，其中它被通过入口11以高速(箭头“E”)引入的运载气体带走。惰性运载气体和热金属蒸汽的混合物进入瞄准仪14，其中受控的强磁场激发金属蒸汽进入等离子体状态，聚集由此形成的等离子体电弧10并将其正金属离子加速到高速，同时促使它们冲向焰炬体2的尖端4。获得的金属蒸汽等离子体电弧10通过尖端4，优选撞击在设置在阴极15上的目标，并引起目标的(辐射、电阻、和碰撞)加热。同时，由等离子体电弧10运载的金属离子在目标中开始计划的化学物理处理/反应和/或它们自己进行处理/反应。
当金属从金属存储容器22连续进入蒸汽产生容器19时，所述容器22时不时会变空并因此需要再填。出于安全原因，在再填期间，金属存储容器22应该电绝缘。为了达到此目的，关闭阀门20、21，并在确定它们完全关闭之后，在出于安全原因维持阀门20、21关闭的同时，除去桥接在所述阀门20、21之间的陶瓷管27。然后与同时屏蔽的气体泵一起，打开金属存储容器22的阀门24，并通过金属进料口25(箭头“F”)将适当的金属(或含金属的材料)填入容器22。
再填之后，首先关闭阀门24并接着将管27重新装回阀门20、21之间。在打开阀门21之后检查紧密度和电导通，在结果满意的情况下，打开阀门20并执行等离子体电弧10的操作。发现，在等离子体电弧10的放电金属选择适当的情况下，为了再填金属存储容器22，没必要中断等离子体焰炬1的操作，这是因为如果当再填开始时蒸汽产生容器19还未包含一些放电的熔化金属，那么在目标中发生的化学物理反应中会产生足量能量，用于确保再填容器22期间反应的自维持能力。
在回顾根据本发明的金属电弧等离子体焰炬1的常规构造和操作之后，将考虑其可能的应用。为了这个目的，关键是要分析实践中哪些金属适合于产生等离子体焰炬1和/或基于什么样的标准选择放电金属或含金属的材料。
原则上，任何金属都可用作根据本发明的金属蒸汽电弧等离子体焰炬1的放电金属。然而，由于也旨在利用等离子体电弧10的金属离子在还原物质转化工艺中包括目标材料，并由此以计划的方式将目标材料转化为工业上有用的材料而随之产生最少量的浪费和残渣材料，通过考虑下面的标准根据要被影响的物质转化工艺选择用作放电材料的金属。
-在计划的还原反应工艺中，金属应该与目标的成分反应，或至少与其一种成分反应，并且应该有利于影响反应的进程(例如，利用热产生)，也就是说，选择的金属在目标的所有成分金属中应该最具电负性，这意味着在目标和等离子体焰炬的系统中它的标准化学电极电势应该最低；-为了易于送入蒸汽产生容器19，当金属处于熔化相时，它应该易于抽取，而且它的熔点应该较低，以使它可以存储在金属存储容器22中并能从那里传送；-为了在蒸汽产生容器19内蒸发，金属应该具有相对低的沸点和小的蒸发热；-金属应该易于电离，它的离子在等离子体电弧10中应该是稳定的，即，抵抗再结合，而且甚至在相对强的电离作用下只出现很少的电离态(即，它应该为一价或二价，而且当原子化时，填充水平应该与惰性气体的电子配置相对应)；-金属应该相对便宜，容易获得和/制造，此外它能够以简单方式存储；以及-在它与目标成分的反应中，应该产生能够易于相互分离的优选作为用于工业工艺的原料的产品。
基于上述标准，从碱性金属、碱土金属和其混合物、合金和结合物中选择根据本发明的金属蒸汽电弧等离子体焰炬1的放电材料。作为根据本发明的等离子体焰炬1的放电材料，甚至可以更加优选应用钠(Na)、钾(K)和其混合物、合金和结合物。
在下面的内容中，将通过一些特定实例描述根据本发明的金属蒸汽电弧等离子体焰炬1的工业应用。在实例中，根据要采用的还原工艺，钠(Na)被用作金属蒸汽电弧等离子体焰炬1的放电材料，这是因为它对计划反应的有利影响。
实例
(1)从亚铁和三价铁氧化物和/或氢氧化铁中提取铁在没有保护性气氛的情况下完成的铁和钢的旋转、锻造中，以及铁和钢的热形成中，产生了数百万吨基本上由氧化铁和氢氧化铁组成的铁锈。当生成的铁锈不能被熔化时，它存储于巨大的、高成本形成的储存设备中，而不是提取其铁含量。通过基于根据本发明的等离子体焰炬的应用，可以简单地从堆积在此储存设备中的铁锈中提取出铁。
对此，具体是在图2中所示装置中应用钠蒸汽电弧等离子体焰炬，其中铁锈自己就是要被等离子体焰炬处理的目标。用于从氧化铁和氢氧化铁中提取铁的还原反应基本上可以写成下面这样
。
如果目标内的温度被等离子体焰炬设定的高于氧化钠(Na2O)升华的温度，即，1,275℃，那么在它产生以后，氧化钠将从目标中升华并由此可以简单地以升华气体的形式从反应室中除去。如果此气体流过冷水的水阱，根据下面的反应方程氧化钠将产生氢氧化钠。
在此，氢氧化钠被收集。
通常，认为的铁锈也包含水(以较小的量)。由此，反应也在目标中发生，其中氢氧化钠和氢出现在反应体积的蒸汽部分中，就在目标上方，从这里它们可以被简单地吹向下。来自水阱的氢气可以排入大气或在适当条件下将其燃烧，并由此用于热产生。
收集的氢氧化钠要经过浓缩，并接着通过蒸发它制备氢氧化钠颗粒，它将是非常适合销售的化学原料。这意味着放电气体既没有转化为残渣材料，也没有增加要被清除的浪费气体的量，恰相反，它形成可以进一步处理的含氢产物。
图2详细示出了还原铁的提取工艺。铁的提取发生在图2中所示的铁锈处理熔炉30中，其中前面讨论的使用钠蒸汽作为放电材料的等离子体焰炬1通过其圆顶进入熔炉30。要被处理的铁锈通过嘴部32(参看箭头“a”)被装填入熔炉30。如果需要添加炉渣形成剂，也通过嘴部32装填与铁锈混合的炉渣形成剂。形成的炉渣通过切入熔炉30的壁的炉渣出口(参见箭头“c”)排出熔炉30。提取的铁以铁熔液36的形式聚集在熔炉30的底部区域中。铁熔液36接地，在此情况下，它作为了等离子体焰炬1的负电极。要通过适当地打开安全阀门35，通过在熔炉30最底部形成的出口34定期地导出熔化的铁。熔炉30内铁熔液36以上的空间中充满了源自等离子体电弧和目标以及其反应中产生的气体混合物37。与上面一样，气体混合物37基本上由氧化钠和氢氧化钠组成。当实际中经过化学反应的反应物的量不能得以精确设定时，这里的气体混合物37也包括一些来自等离子体焰炬1的电弧的自由钠蒸汽。此外，所述气体混合物37也包括一些优选为氮气的吹走(blow-off)气体，它通过在炉渣出口33上的熔炉30的壁中形成的气体入口38(参见箭头“b”)进入熔炉30。吹走氮气用于将形成气体混合物37的气体/蒸汽通过吹走阀39泵入冷水的水阱40。钠蒸汽和氧化钠41在水阱40内转化为氢氧化钠，而与气体混合物37一起通过吹走阀39漂入的杂质将作为矿泥42沉积在水阱40的底部。通过装配有阀门的排泄管43从水阱40除去矿泥42。水阱40中形成的苛性钠(氢氧化钠)的浓度被pH计44连续检测，而且当其浓度达到足够高的值时，通过打开排走阀，苛性钠会通过排泄管45(参见箭头“e”)进入蒸发杓47。在一部分水阱40以此方式排泄之后，通过打开入水管46(参见箭头“d”)的阀门补充冷水。在此期间，气体混合物37的氢和氮含量48以气泡方式通过氢氧化钠熔液41并退入吸送式输送器49。
在吸送式输送器49的气体中，氮为惰性气体，而氢在存在氧的情况下可以通过火炉50燃烧为水。由于氢和氧(按一定比例存在)可以形成氢氧爆炸，所以要在与自然气体混合之后通过火炉50燃烧氢和氧的混合物。获得的热能量用于蒸发蒸发杓47中氢氧化钠中的水份。结果，干燥的氢氧化钠留在了形成化学原料的杓47中。
(2)从含钛矿物中提取钛钛是银白色、易延展的金属，它在工业中非常重要。它的强度(可以通过形成它的合金进一步提高)可与退火钢相媲美，然而，它的比重仅为钢比重的约一半。纯钛具有非常好的抗腐蚀性，甚至在高温下它的强度仍保持的极佳而且在低温下它也不会变脆，这个特点使它具有特殊的工业重要性，尤其在空间研究和飞机制造工业中。
然而从其最常见的矿物(金红石[TiO2]和钛铁氧体[FeTiO3])中提取钛非常复杂。原因是钛是极易形成化学化合物的化学元素，它很容易与非金属元素反应并与其它金属形成合金/固体溶液。然而，钛既不会与钠、钾或铝混合也不会与它们形成固体溶液。
如本领域内技术人员公知的，钛从钛矿石或矿物中的常规提取由若干后面的还原步骤构成，其中依靠特征为变得越来越负的普通电极电势的金属从含钛化合物中提出钛。优选使用根据本发明的钠蒸汽电弧等离子体焰炬1，可以将此多步提取工艺转化为单反应，其中反应所需的激活能由与钛矿物目标碰撞的等离子体电弧提供。
钛的提取完成于和图2中所示装置类似的装置中，其中等离子体焰炬1的负电极由中空并因此能够直接冷却且设置在熔炉30底部上的接地阴极形成。(在此使用的阴极与图1中所示阴极15的结构一样。)形成具有确保正电荷Na+离子以高密度射入目标的几何形状的等离子体焰炬1。
导致从设置在阴极上的钛矿物目标中和从其金属化合物中提取的纯天然钛金属的反应(还原)，要经过目标池和位于等离子体焰炬1下面的熔化金属池。Na+离子束参加还原并参加相对于钛矿物目标的熔化金属的分离。为了保证熔炉30中发生的还原的连续性，需要足量的钠。这可以通过将液体钠通过嘴30或气体入口38送入熔炉30来完成。以此方式送入熔炉30的钠优选来自例如已经填有钠的容器22，但是其它钠源也可用于此目的。此外，为了避免氮与钛的反应，要通过气体入口38将氩气送入熔炉30作为替代氮的吹走和掩护气体。
熔液金属池的温度是极其重要的技术参数。钛冶金领域中非常重要的最低和最大温度值可以从显示钛与重要合金元素、杂质和强化合物形成剂的平衡和准平衡相的相图中读取。这些图可以在任何金属物理方面的教科书中找到(例如参照C.J.Smithells写的书“Metal Reference Book”[由Butterworths于1962年在伦敦出版])，因此在此不作详述。
公知在二元合金中，如果温度超过组成金属中具有最高熔点的成分的熔点，既不会发生合金化也不会发生混合，在此情况下，液体成分会相对于它们的比重而分离。这种情况不会改变，直到一种成分开始沸腾而且蒸汽相开始扮演重要角色。
对于通过根据本发明的钠蒸汽电弧等离子体焰炬1完成的钛冶金，两个最重要的平衡图分别是图3A和3B中所示的铁-钛和钛-氧二元合金平衡图。从所述图中可以看出，为了使钛金属在熔炉30中处于熔化相并漂浮于熔化的铁的顶部，熔化池的温度至少要2,000℃。使用良好控制功率输出的等离子体焰炬，可以在稍低的目标温度下影响钛提取工艺。
此外，示例的钛提取的方法可以很容易实现自动化。在氩掩护气体存在的情况下，送入熔炉30的足量钛矿物(例如钛铁氧体)要在熔炉30关闭的状态下加热到约1,400℃，并通过安置在熔炉30腔体内的适当分析仪连续显示Na∶Na2O的比率。如果比率保持几乎不变，那么就可以降低等离子体电弧的功率；作为通过Na+离子形成的反应期间产生的反应热的结果，设定温度值将不会下降。然而，如果Na∶Na2O的比率上升(这表明被Na+离子还原的金属氧化物的量在减少)，连接到分析仪的控制单元会根据存储的作为时间函数的Na∶Na2O的比率逐渐增加温度。增加温度直到在中止(run-off)阶段达到中止温度，等离子体焰炬1简单地起了加热器的作用。如果温度降到1,400℃的设定值以下或产生的(升华的)钠氧化物的量下降了，等离子体焰炬1应该再次被激活。
应该注意，如果二氧化钛混合进气体混合物37，它应该在通过吹走阀39之后在水阱40中沉积为矿泥42。在除去它之后，可以将矿泥42通过嘴部32送入熔炉30。按照与实例(1)中所述方式相同的方式处理排出熔炉30的气体混合物37。然而，在熔炉30的底部区域，现在漂浮在铁熔液顶部上的钛熔液系统出现在氩气氛下。通过等离子体焰炬1过加热熔化的金属，并在通过炉渣出口33排出炉渣之后，就会出现选择性的中止，其中所关心的是气体入口38和吹走阀39在整个中止过程中的持续工作。当钛被导出时，应该特别注意从它排出熔炉30到它冷却的过程中，通过掩护氩气给钛提供保护。
(3)从黄铜矿中提取铜铜(Cu)是半贵重金属，也可以在自然界以其纯的形式找到它。最重要的铜矿石是黄铜矿(CuFeS2)，为了铜冶炼和铜生产，多数情况下要提取这种矿石。要通过所谓的浮选工艺浓缩提取的铜矿石。
为了通过根据本发明的金属蒸汽电弧等离子体焰炬从黄铜矿中生产纯铜，应该除去铁和硫。铜既不与氮反应，也不与二氧化碳反应。作为开发的目的，铁和硫共同构成了黄铜矿，在这种情况下(除了贵重气体)优选应该使用氮气作为掩护气体。由于铜既不会与钠形成化合物也不会通过扩散与它混合，因此钠蒸汽电弧等离子体焰炬非常适合黄铜矿的处理。考虑到钠既不会与铁形成化合物也不会与铁形成合金的事实，后面的描述尤其真实。然而，在硫存在的情况下情形就非常不同了，钠很容易与硫和其它硫的化合物在发热反应中形成化合物，也就是说，例如钠还原了硫化亚铁和硫化铁。
铜矿石浓缩的常规工艺的首要的而且同时也是非常难的一点是从浓缩中除去硫。这可以利用黄铁矿煅烧工艺在实现，该工艺(取决于铜的化合价)基本上可以用下面氧化工艺的形式写出或如果此氧化工艺彻底完成了，那么黄铁矿煅烧步骤之后的(氧化铜)还原步骤的金属产量将会降低。因此，在常规的铜冶金中要以几个步骤完成黄铁矿煅烧工艺。
第一步，在存在稍微过量的空气的情况下，在约800℃到850℃的温度下煅烧含CuFeS2黄铜矿的提炼过的矿石的过剩的硫，并接着根据下面的反应在硫化物熔液中混合获得的黄铁矿残渣和分解为其硫化物的黄铜矿(或Cu2S+FeS)。
结果，形成了硫化金属的溶液。这种中间冶金产物就是所谓的锍。此后，进行此氧化工艺的第二步，其中锍自己被氧化为氧化铁和氧化铜。此步骤通过二氧化硫的加强形成实现。
为了避免铜化合物通过消散材料或炉渣浪费掉以及由此导致的金属产量的明显下降，通过上面的方程式描述的工艺应该在低温下分几个步骤缓慢进行。
在常规的冶金中，在各种冶金熔化车间，通常在熔炉中制造天然铜，这也是多步工艺。第一步，将锍中的FeS氧化为FeO氧化铁(其中再次形成二氧化硫)。优选通过对其添加炉渣形成剂石英砂(SiO2)将获得的氧化铁转化为炉渣。第二步，氧化留在熔炉中的硫化铜，在空气中熔化，到它能够与剩下的硫化铜反应的范围。在此，又发生了释放二氧化硫的反应。
熔炉底部上的粗铜具有97-98％的纯度。对更高纯度的铜的需求要通过净化、精炼粗铜满足。作为第一步，包括通过将在鼓状浴室中旋转的熔化金属的表面暴露给氧气流影响的氧化熔化。通过此获得的再熔化的铜的电解精炼来获得高纯度的铜(电解铜)。
通过使用根据本发明的钠蒸汽电弧等离子体焰炬，以如下方式实现基于黄铜矿的铜冶炼。
当黄铜矿在850℃下根据的反应分解为硫化物时，而且当这些硫化物在1,600℃以上的温度下不存在时，因为它们通过热破坏分解为它们的成分，可以通过最简单的等离子体能量气体掩护热解工艺，甚至在一个步骤中执行常规工艺。在约1,600℃下，铁和铜都处于熔化相，但是它们都不会沸腾，因此扰乱了它们相对于比重的分离(而且，铁和铜可以相互溶解达到一个有限的范围，而且由于1,600℃的操作温度超过了两种金属的熔点，因此既不允许通过扩散混合也不允许形成金属间相)。此外，具有445℃沸点的硫已经蒸发，而且它处于热蒸汽相。
铁和铜的比重相互不同达到一个范围，此范围充分用于分别并且定期导出两种金属。在根据本发明的方法中，排出的硫蒸汽在关闭的体积中浓缩为硫肝(liver)，利用天然铁并提取出了天然铜金属。由此，在所述方法中利用了黄铜矿的所有成分。
如上所述，将目标的分子带入真正的临界状态的最有效的方法是用等离子体的离子轰击它，这需要范围从约10,000℃到25,000℃的放电温度。这对于例如黄铜矿的简单材料来说是极其高的温度，但是另一方面，可以降低通过等离子体焰炬发射的电弧的体积，而且另一方面，注意力应该实际聚焦在位于焰炬下面的熔化池上。作为结论，在此位置中1,600℃的温度足够了。由于只在短时间内需要此温度，所以可以获得进一步的能量节约。通常，在第一步中，在850℃和1,200℃之间的温度下黄铜矿分解为硫化物迅速起效，且同时被离子化，比通常的钠原子更容易发生化学反应的等离子体状态钠原子引入黄铜矿，其中根据下面的等式钠原子迅速剥离硫化物的硫原子
。
以此方式形成的Na2S是高吸湿化合物，它易于溶解在水中并在周围的空气中转化为硫代硫酸盐和氢氧化钠，也就是。
非常值得注意的是，钠的电负性大于铁和铜的电负性，因此从硫化铁和硫化铜中提炼硫导致大量的热产生。因此，如果通过等离子体实现讨论的工艺，它从此后就变成了热力学自维持工艺。
用于实施上述工艺的装置除了几个细小的修改以外与图2中所示装置一样，而且可以应用的等离子体焰炬例如图1中所示。可以实施与“钛冶炼”[实例2]的章节中讨论的一样的补充。此外，由于上述硫化物-钠反应的强烈的热产生效应，甚至可以在此干涉期间关掉等离子体焰炬1。
在熔炉30中，铜就在底部(这减轻了选择性的中止，而且因为熔点的巨大差别，如果连续测量中止温度，安全阀35在约1,500℃下甚至可以自动关闭，而且由此在重新加热之后天然铁就准备好用于导出了)，熔化的铁将漂浮在熔化的铜的顶部而且很好分离，而熔化的铁上面硫化钠蒸汽充满了熔炉30。
通过气体入口38引入氮气，在中止期间维持氮气的入流量。氮气将通过吹走阀39从熔炉30中“吹走”产生的硫化钠。在关闭吹走阀39之后，将硫化钠送去淬火，其中它成为颗粒或至少被高度蒸发用于进一步的化学反应。
在熔炉30中，等离子体焰炬1的阴极15沉入精炼材料的金属铜熔液中。由于在本方法中在铜和碳之间既没有发生混合也没有发生相互扩散，优选阴极15由炼煤形成。为了保护阴极15，并为了确保对工艺的良好控制，优选图1中的中空电极作为阴极15。
(4)从金矿石和累积的矿堆(pit-heap)中提取金对于人类，众所周知，金对于富人特别重要，金也许是吸引人们注意力的第一金属。这可能涉及它完美的抗氧化性和抗腐蚀性，也涉及它的稀有程度和闪耀之美，以及它良好的延展性。它是极其稀有的金属，估计地壳中金的含量约为0.005ppm。
金是最贵重金属，从其普通电极电势的角度看这句话也是千真万确。它的熔点是1,065℃，而沸点是2,700℃。其化学和物理特性与铜和银类似。在它的化合物中，它可以形成易于分解的碲化物和硫化物，其中它具有一或三的化合价。
下面的技术在金矿脉(reef)和其废渣处理领域内是新颖的，因此下面将详细考虑金矿脉的处理。金矿脉来自提取它的矿石和矿物，它们是针碲金银矿[Au、Ag、Te]、斜方碲金矿[AuTe2]和叶碲矿[(PbAu)2*(TeSbS3)]。碲金矿[AuTe]也是非常重要和常见的矿石。
第一步中，通过其为用于分离矿石中有用成分的方法的浮选(flotation)，浓缩发现的矿脉的矿石的漩流(gulf)。多数情况下，浮选剂为油，它可以粘在颗粒的金属部分上，由此使得它很难湿水，即，不易变湿。(结果，不包括金属的颗粒表面就很容易变湿。)接着，将起泡材料混进悬浮液中，并通常从下面吹入气泡。气泡粘到油性(金属)颗粒上并使它们上升到泡沫中，而所有其它颗粒都停留在水的底部。通过收集泡沫，就获得了包括矿泥部分的金属，而其它部分被扔到了矿堆。
进一步通过融合处理浮选的金粉；由此融合是用于提取原始金的方法。融合是一种严重破坏环境的方法。在融合中，人们采用将含金颗粒粘在用汞涂覆的铜板上并在一段时间之后在板上与汞形成汞合金。在其矿石(也包括碲)和硫化物中仍然存在的各种不含金的金属，以及浮选剩余的油性杂质削弱了金和汞的粘合以及金和汞的接触，因此在一定时间之后，通过橡胶刮铲就可以除去粘在板上的颗粒，而且通过约五到六次的稀释，冲洗更多的汞。接着通过汞齐加压机(有些时候，在将鹿皮用于此目的之前)从由此获得的汞-汞合金混合物中过滤出汞，并蒸发掉汞合金中的汞成分(通过在357℃以上的温度下加热它)。剩下的将是要通过其它方法进一步纯化的原始金，而其它部分也被扔到了矿堆。
氰化物过滤技术可用于处理浮选的金粉浓缩物或用作融合的补充，用于在融合之后从剩余的矿泥中提取金。在存在氧的环境空气中通过氰化钠(NaCN)溶液在两种情况下从含金的良好矿石中提取、过滤金。通常，要用0.5％(重量百分比)的NaCN溶液过滤粗糙的颗粒碎末3-4周，用0.25％(重量百分比)的NaCN溶液过滤良好的颗粒碎末3-4天，而用0.1％(重量百分比)的NaCN溶液过滤包含最好颗粒的矿泥3-18小时。在此过程中发生了如下反应。
接着根据下面的反应通过锌还原合成金盐。
在冲洗和干燥之后，进行硫酸锌去除步骤，接着再次在石墨坩埚中熔化清洗和干燥的金。
在技术规划之前，应该着手利用根据本发明的金属蒸汽电弧等离子体焰炬进行金的提取工艺，在缺乏要被等离子体焰炬处理的材料(即等离子体焰炬的目标)的实际化学分析的情况下，值得测量其重要成分以及成分的某些特性。要被处理的材料包括-首先，是矿物矿石成分自己材料 比重 熔点沸点 电阻率(g/cm3) (℃)(℃) (Ω·cm)金 Au 19.31,063 2,9702.3银 Ag 10.5961 2,2101.6碲 Te 6.24450 990 4.36·105锡 Sn 7.30232 2,27012.8铅 Pb 11.4327 1,72520.6锑 Sb 6.62631 1,380420硫 S 2.07119 444 2·1023-硫化物矿物(来自地质层)和它们的相伴金属铜 Cu 8.961,083 2,5951.7锌 Zn 7.14420 906 6.0-因为矿泥工艺中的融合而使用的成分汞 Hg 13.6-38.4 357 95.8-可能伴随的硅酸盐岩石残余(只是估计)石英 SiO21.981,420刚玉 Al2O33.852,050从上面列表形式的成分分析可以看出，独立成分的分离是及其复杂的工作。因此，上述主要技术工艺的目的在于-应该提取Au、Ag和Te的金属/半金属的每一种；
-污染生活水的重金属和上面所列不含铁的金属应该相互隔离或作为合金；-应该玻璃化剩余的矿渣材料，以由其形成不溶于水的物质；以及-应该通过闭环、对环境无害的技术获得上面的成分，此技术同时适用于根据上述需求重整日常生产和处理对环境构成潜在威胁的废弃金属容器。
值得注意的是，不仅贵重金属，即金和银是本实例要提取的目标，半金属碲也是，这是因为它是比金更稀有更有用的元素，而且几百年或者也许一千年的碲“生产”存在于矿泥容器中。碲与铋的合金，即Bi2Te3合金，是不太有名的半导体。碲是奇特的p型半导体，利用它，可以将电能和热能相互可逆转化。
回到所列的目标，除了上面讨论的各种可能的目标和它们不同的特性(比重、熔点、沸点)，碲与硫、硒、锡、铅和铋，以及与碱性和碱土金属，和铝的混合使得形式更加复杂。对此，一个小的补救措施作是碲精炼是精细化学和物理技术(实际上是一系列的多个化学净化、提取和提纯蒸馏)，因此，如果能够提供碲浓缩并转到适当的实验室，可以认为此冶金子工艺成功了。
还有一个补救措施是，碲不溶于水但是能很好地溶于碱中。同样也保持在碲化碱的情况中，因此也在碲化钠的情况中(虽然碲化碱也溶于水)。同样感兴趣地是要注意碲在其沸点以上会转化为气体并在上至2,000℃的温度下作为分子碲(即作为Te2)存在。
如果看碲的平衡相图，可以很容易地看到碲的双特性，即，它可以同时作为金属和非金属元素。在后面的情况中，Te-Zn化合物是最稳定的，它只在1,239℃的温度下分解(在此也给出了一些二元金属间化合物或化合物以及它们的分解温度Au-Te 1,063℃；Ag-Te 960℃；Sn-Te 790℃；Pb-Te906℃；Sb-Te 630℃；S-Te 453℃；Cu-Te 1,033℃；Na-Te[以Na2Te的形式] 953℃)。结论在1,250℃的温度以上，各种碲化合物都会分解，元素Te与它们隔离，也就是说，碲的化合物和固体溶液经历了导致元素碲隔离的热降解；在1,250℃到2,000℃的温度范围内只存在Te2分子。
此外，也应该考虑物质的强烈蒸发，即如果它的实际温度(在给定环境下)超过其沸点，就可以预期(而且也应该对其加以注意)它会转化为气相。
简单总结完成冶金子工艺的操作温度优选在1,300℃-1,350℃的温度范围内，从技术角度讲，这是易于维持的，可测和可控制的范围在±30℃的容差之内。在这些温度下，多数金属成分，例如Ag、Au、Sn、Pb和Cu会熔化并对应于比重排布在熔液中。对于作为贵重金属的银和金，这尤其会保持，在这些温度下它们不会与存在于它们之间的铅扩散接合。其它的硫化金属，例如锡、锑、铜和也可能是铅的大部分，虽然它们的二元平衡相图不建议此种行为，但是它们可以在更小或更大范围内形成合金(当比重之间的差别非常小时)，尤其是如果熔液的冷却(即淬火)不够迅速的话。
在此情况下，优选使用钠蒸汽电弧等离子体焰炬，因为如上所述(例如参照实例(3)描述的铜的冶炼)，另一方面，它以硫化钠的形式约束易消散的硫蒸汽，而且如公知的，可以通过在装备中应用的用于实施工艺的惰性(或掩护)气体吹走此气体。另一方面，钠的电负性远低于锌的电负性，因此更加电负性的钠(如果存在足量的话)不允许锌与硫的结合。而且，钠也会从锌的随机化合物中驱出锌，尤其如果钠以来自等离子体电弧的钠离子(Na+)的形式存在的话。这对于偶然进入装置的氧也会保持(例如，来自湿的浮选的提炼过的矿石，空气填充在了提炼过的矿石颗粒等之间的空间)。因此，实际上由于蒸汽通过吹走，多余的锌会离开装置，或者如上所述可以部分结合进类似重金属(来自硫化物)的合金中。
在70℃温度以上的水中和pH值12.5以上的碱中金属锌开始溶解，否则这些溶剂不能溶解它。(幸运地是，氢氧化锌[Zn(OH)2]不溶于水而只当它在39℃的温度以上分解为ZnO氧化锌和水时才溶于碱中。然而，氧化锌既不溶于水也不溶于氢氧化钠。)严重汞污染也是可以预见的，尤其当从矿泥容器中获得的作为融合的废料的物质被处理或经过环境处理时。从技术角度考虑，这不成问题，这是因为如公知的，汞化合物在汞的沸点温度(357℃)下会分解并因此汞会进入气相。由此，在根据本发明的冶金工艺的1,300-1,350℃的操作温度下，很容易就能将汞蒸汽吹出装置。此外，汞蒸汽在357℃以下的淬火槽中冷却时，只有寻常汞珠会在安排在淬火槽中的碱性熔液水阱40的矿泥42中出现并积累(参见图2)。
也可以在此发现浓缩的锌，而且它可以和更大量存在的汞形成汞合金。从技术角度考虑，这可以使矿泥42的释放变得容易，但是不管怎样它并非最重要的。分离上面讨论的而且出现在装置中的气相成分的关键技术参数是所述槽中的水阱40的温度应该为约20℃，优选为10-50℃，但决不能超过60℃。此外，所述槽中水阱40的碱度(pH值)应该低于pH11，但决不能达到pH12。这些参数可以通过pH计44(参见图2)和同时设置在所述槽中的温度计测得，而且可以通过开启进入管46的阀门关于测量值进行自动控制。此外，包括水阱40的所述槽也可以装备通过温度计控制的分离冷却器。也优选通过简单的水平指示器监测矿泥42的水平，测得的值可以用于控制排泄管43。
所幸地是，如果碲含量高于约35-38％(重量百分比)，汞就只和碲形成化合物。因此，排进蒸发杓47的氢氧化钠水熔液中包括所有溶解的或以碲化钠形成存在的碲和所有硫化钠。蒸发之后(也可以应用离心分离技术)，碲就变得可以从此熔液中化学和/或电化学提取了(也在此建议讨论中的元素的标准电极电势[Na+-2.71V；Te2--0.91V；S2--0.51V])。
也会存在一些来自矿石浓缩工艺和/或跳进金属颗粒的硅酸盐矿物。每种附随的岩石的成分是未知的，但是如上所示，可以用其颗粒极其稳定和耐热的石英(SiO2)和刚玉(Al2O3)很好地近似它。此外，这些颗粒具有很高的熔点，但是比重却相对较低。因此，这些物质会作为残渣漂浮在熔化金属的顶部。
为了避免在将要提取的稀有而昂贵的物质中意外地形成杂质和多余的化合物，氩气(Ar)被用作掩护气体。相反电极，即阴极，由炼煤制成，这是因为将要提取的元素在所述环境下不会与碳结合。原则上，等离子体焰炬与图1中所示的一样，然而，对冶炼子工艺的实施中进行了几个重要的修改。因此，图1中所示等离子体焰炬1的基本结构没有发生改变，但是由炼煤制成的阴极的几何形状改变了，而且取代中止，熔化金属的淬火将基于以下几点进行-由于不能以廉价的方式从以明显更高量存在的其它材料中可靠且无损失地分离出相对小量的金，因此不能采用选择性中止；-如果在圆柱形坩锅中淬火相对于独立成分的比重分离的熔化金属，金会以非常薄的圆盘的形式分离于圆柱体底部；然而，因为圆盘的细度，从圆柱体除去圆盘就会成为一个问题，甚至淬火期间一个细小的误差(即，淬火发生的要比需求的慢)会导致圆盘厚度可与相互扩散层的厚度相比较(金属的固体熔液；Pb、Ag等)。
基于此，如图4中所示，选择使用由炼煤制成的圆锥形、漏斗状阴极的淬火方法。因此，要提取的金属-基本上是金-将浓缩为圆锥体，而具有越来越低的比重、存在的量越来越大，但是越来越不珍贵的剩余的金属将在关闭的由炼煤制成的漏斗状阴极中占据越来越多的空间。
阴极由炼煤制成，因为它具有良好的热传导性，而且它决不会和要提取的金属结合。此外，它便宜而且可以制造成所需的形状。
现在参考图4，按如下方式设置包括由炼煤制成的中空的圆锥形阴极的钠蒸汽电弧等离子体熔炉。如图4中所示，钠蒸汽电弧等离子体焰炬71(图1中所示)被导向由炼煤制成的阴极72。提供具有圆柱形边缘的关闭的漏斗状阴极72，这是因为在熔化期间，填入熔炉的具有非常低的间隔填充的浓缩过的矿石会缩减、熔合，因此它的体积会变小；然而，目标是通过冶炼操作获得圆锥形金属锭。因此，圆柱体部分的内容(或多或少)也会熔化并缩小为圆锥体；从技术角度考虑，这无关紧要，尤其当残渣层处于顶部上时。通过熔炉的壁73固定易碎的阴极72，炼煤圆锥体的几何形状非常适合进入熔炉。
在熔炉壁内设置靠近阴极的冷却螺旋管74，利用它冷却剂75可以实现非常迅速的冷却(淬火)。当熔化工艺结束时开始淬火，不会有更多的气体从目标中释放，而且(熔炉)装置内的全部气体已经被掩护气体氩气吹走。通过掩护气体入口77送入的氩气和装置内产生的蒸汽通过出口78排出。如果将一个适当的、便于制造的气体分析仪连接到出口78，就可以通过气体的成分(或其它特征)追踪冶炼工艺的进程，由此也可以探测工艺的后端(当关掉等离子体焰炬，开始淬火冷却剂时)。
在淬火持续直到冷却到室温期间，要持续保持掩护气体的循环并在达到冷却状态时将其关断。出口78通过图2中所示的吹走阀39连接到图2中所示的装置。由炼煤制成的漏斗状电极终止于同样由炼煤制成的模块79中，其中模块79对由炼煤制成的接地阴极80施加压力。在模块79和阴极80之间具有完美的电接触。阴极80形成了等离子体熔炉装置的内建部分，而漏斗状阴极72可以用金属除去，而且很可能它会在下一个中止之前被另一个(一块新的)取代。可以通过填料入口81将矿物浓缩物连续小批量或一次性填入熔炉。在后一种情况中，可以通过阀门82关闭装置，优选将此阀门形成为能够在过压情况下自动打开的阀门。通过送料入口81，也可以通过添加各种辅助产品在操作期间影响熔化工艺。
在完成熔化工艺之后，按比重依次排列的熔化的金属83向后留在漏斗状电极内，其中硅和铝氧化物的残渣84漂浮在熔化金属83顶上。在淬火熔液并除去形成铸造模具的阴极之后，获得了图5中所示圆锥形锭90。从铸造模具中除去的锭90几乎是一个完美的圆锥体，其形状与通过阴极形成的铸造模具的形状一样，然而，因为热收缩，圆锥体的圆形基础中会出现细微的下沉91。
如上所述，矿物浓缩物的金属按比重依次排列并凝固为圆锥体；最重或具有最大比重的金92位于最底部，接下来是封在金92和银94之间的铅93，其它金属95(硫化物矿物非铁金属)层积于银94之上。非常重要地是所述金属可以明显地相互分离，金以金圆锥体的形式在最底部，而层状淀积的金属圆台就以圆柱对称的几何排布位于此圆锥之上。因此，如果知道这些圆台之间的界面位于何处，甚至就可以机械分离各种金属。现在相邻金属间的界面位置是公知的，因为金属的电阻率是完全不同的。通过用电阻测试探针97测试图5中所示的圆锥形锭90，就可以清楚地探测出各种金属之间的边界，应该就在这些位置上执行(机械)切片。
金和银的其它用途很清楚它们被送去用于精炼或铸造成以后要存在银行里的砖块。其它非铁金属95，包括从金和银之间切下来的铅盘93，被分别送到化学工厂或送到专门从事非铁冶金的车间。如果其它金属的提取可行，残渣96也可以包括应该被单独再熔化的重要的非铁金属，作为残渣堆。如果其它金属的提取不可行，多数情况下，残渣96要经过最终玻璃化(可通过对其添加残渣成形剂实现)并由此转化为可以用于垃圾掩埋或作为惰性物质用于其它目的的类似玻璃的岩块。
同样值得注意地是，圆锥形电极结构以这样的方式弯曲了图1中所示等离子体的静电场即电场电力线，以使所谓点效应促使了更高金和银产量的实现。也应该注意，上述方法与流电矿泥废料处理一致。
(5)有机材料的热破坏在不同的时代和不同的文献中，“有机材料”具有不同的含义。以前，只有活着的有机体的有机、碳化合物与此术语有关，而现在多数情况下，此术语指所有的碳化合物。在其它地方此术语指后者的含义，不包括碳化金属和二氧化碳等。结果，相关化合物的命名和/或定义也是一项很难的工作，因此为了显示此领域内等离子体能量工艺的用途，在此列举了几个热破坏的方法。
碳原子相互间很容易形成共价键。这允许如此多种类的稳定化合物，现在的化学家已经拥有的碳化合物的知识是所知其它化合物总数的几十倍。大量这样的化合物甚至不会天然形成于自然界中。
这么多组的化合物可以按其它方面分类。
在此，不处理金属碳化合物，因为通过等离子体能的转化和/或其它处理可以利用与上述应用实例类似的冶金工艺。
根据另外一个分类方面，可以来自苯，即来自“苯环”的开链(脂肪族的或无环的)碳化合物和闭环(脂环族的)碳化合物十分重要。在脂肪族化合物中，有许多是很难分解并且因此从环境保护角度考虑破坏环境的塑料材料，它们中的很多类很难在常规燃烧车间处理，但是也可以在这类化合物中找到有毒气体化合物。脂环族碳氢化合物的总数约为几十万，它们的相当多的人造种类原来是杀虫剂或杀真菌剂，但是后来传出它们具有剧毒而且会引起人类的癌改变，也会导致基因破坏，甚至会影响几代。
最后的但不是最少的同样是有机化合物和活的有机体自己。消息称地球上的病毒和细菌具有越来越变得更具抵抗力的变种，例如Ebola病毒、HIV病毒、病毒性脑炎、病毒肺炎等，或简单的细菌武器。
除了生物武器的销毁，有两个主要领域，其中通过等离子体能的生物处理可以用于-危险的医院垃圾的处理；以及-在登录系统之前机场垃圾的销毁。
现如今，在更加现代的机场有较小的燃烧车间在运转，其中机场垃圾(食品、餐具、市政垃圾、下水道垃圾等)的销毁发生在全世界范围内。类似地，在大多数国家，危险的医院垃圾要隔离焚烧。
一般认为，通过会使全部生物活性分子销毁的根据本发明的金属蒸汽等离子体焰炬实现的轻微修改的、实用的、有标准组件的热破坏和玻璃化技术提供了极佳的-虽然过度确保-用于解决上述问题的方法(然而，这只是形成了一系列问题的单独的，可是很重要的部分)。
前面发现，落入从10nm到400nm波长范围内的紫外(UV)光具有极强的生物作用。大气过滤掉了大部分来自太阳光谱的UV区，不管怎样它都可能威胁到人类，例如，过度的日光浴，尤其是它的UV部分，会导致皮肤癌的形成。具有约300nm波长的高强度UV辐射具有消毒、杀菌的作用，在此范围内这种作用也用于提纯生物污染的水。
关键的事情是，很清楚地示出了在暴露到具有至多300nm(即在10-300nm地范围内)波长的UV辐射时，也会发生核酸的光裂解，因此UV辐射通过光裂解恰好破坏了不想要的病毒、细菌和生物活性物质的基础构建块。
基于上述内容，绝对确信完全在高度离子化下工作的钠蒸汽电弧等离子体焰炬的电磁辐射谱也是黑体辐射的连续谱特征同时也包括足量和足密度(W/mm2)的“所需的”紫外光谱。然而，当病毒的蔓延酿成极大惨剧时，最好采取额外的安全措施。由此，将汞蒸汽以10-20％(质量百分比)的量混入图1中所示的钠蒸汽电弧等离子体焰炬的蒸汽中。汞很难离子化，而且由于它的离子化电势较高所以它的离子化至少要比钠的离子化难。相反，汞是“臭名昭著的”UV辐射源，例如在汞蒸汽灯中。当使用光源时，应该在灯泡上施加光粉，这些光粉把UV辐射变成了可见光。以此方式，通过添加10-20％(质量百分比)的量的汞稍微弯曲“黑体”光谱10-400nm的UV区内的辐射量会增加到比通常更高的值。
此外，通过热破坏可以实现生物破坏，要保证这个，一方面要通过等离子体的工作温度而另一方面要通过具有大的原子质量并存在于等离子体电弧中的很难离子化的汞。如在大多数情况下，含碳有机化合物是共价键化合物，热破坏是影响等离子体焰炬的特征和重要的成分。自然，等离子体束的离子和动力效果将保持不变。
可以用已经有的模具轻易建造用于处理生物危险垃圾的装置。等离子体焰炬自己就是图1中所示具有W-Cu阴极的钠蒸汽电弧等离子体焰炬1。在此唯一的区别是还将以相同的方式作为金属存储容器22的汞存储容器连接到了装备有感应加热的金属蒸汽产生容器19。由此获得的根据本发明的金属蒸汽电弧等离子体焰炬连接常规PEPS(Plasmon Energy PyrolysisSystem；Vanguard Research Co.的注册商标)装置，也可以利用辅助产品实现玻璃化，而且其等离子体焰炬被钠-汞蒸汽电弧等离子体焰炬取代。
本装置和常规PEPS装置的唯一区别是从PEPS装置的淬火氢氧化钠的槽中的矿泥中重新获得了汞，而且接着再次循环进入装置，尽管通过等离子体焰炬吹入的钠蒸汽可以再循环作为PEPS装置的淬火柱中的氢氧化钠，可以导出，即提取出用于再循环的多余存在的氢氧化钠。
权利要求
1.一种等离子体焰炬，包括放电材料的等离子体电弧，其中所述等离子体电弧从带有高电压的第一电极延伸到与所述第一电极相隔一段距离的第二电极，所述放电材料设置在存储设备中并通过所述存储设备中形成的出口送入所述等离子体电弧，以及其中沿所述等离子体电弧设置至少一个确保所述等离子体电弧的集中的瞄准仪，其特征在于通过至少一种金属的蒸汽提供所述放电材料。
2.根据权利要求1的等离子体焰炬，其中所述至少一种金属选自碱性金属、碱土金属或其混合物。
3.根据权利要求1的等离子体焰炬，其中所述至少一种金属为钠(Na)或钾(K)或其混合物。
4.根据权利要求1至3的任何一项的等离子体焰炬，其中所述放电材料以熔化相存储于所述存储设备中，以及所述存储设备装备有能够将所述熔化的放电材料转化为蒸汽的单元。
5.根据权利要求4的等离子体焰炬，其中所述能够将所述熔化的放电材料转化为蒸汽的单元为加热器(18)。
6.根据权利要求1至5的任何一项的等离子体焰炬，其中所述放电材料自己是所述第一电极。
7.根据权利要求1至6的任何一项的等离子体焰炬，其中所述第二电极接地。
8.根据权利要求1至7的任何一项的等离子体焰炬，其中所述等离子体电弧(10)至少部分被焰炬体(2)包围，所述焰炬体(2)能够同样使所述等离子体电弧(10)进入和离开所述焰炬体(2)。
9.根据权利要求8的等离子体焰炬，其中所述焰炬体(2)形成为包括外和内壁(5a、5b)的双壁元件，其中在所述外和内壁(5a、5b)之间存在冷却剂(6)。
10.根据权利要求8或9的等离子体焰炬，其中所述瞄准仪(14)设置在所述焰炬体(2)中的其全部范围内并与其内壁(5b)相邻。
11.根据权利要求8至10的任何一项的等离子体焰炬，其中所述第二电极设置在所述焰炬体(2)的外部。
12.根据权利要求1至11的任何一项的等离子体焰炬，其中所述第二电极形成为中空电极。
13.根据权利要求1至12的任何一项的等离子体焰炬，其中所述放电材料具有在其受激转化期间发射强紫外辐射的成分。
14.根据权利要求13的等离子体焰炬，其中所述发射强紫外辐射的成分为包括汞的物质。
15.一种用于从含金属的给料中提取纯金属的方法，其中提供具有金属出口和至少一个气体出口和至少一个给料入口的熔炉，以及其中所述给料通过所述给料入口送入所述熔炉，其特征在于(e)在所述熔炉内与所述给料相对设置等离子体焰炬，其中所述等离子体焰炬具有从带有高电压的第一电极延伸到第二电极的放电材料的等离子体电弧，以及其中通过至少一种金属的蒸汽提供所述放电材料；(f)将所述金属蒸汽的所述等离子体电弧引入所述给料；(g)用所述等离子体电弧加热所述给料，并同时使作为化学试剂的等离子体电弧的放电材料与所述给料发生化学反应，其中利用所述化学反应，所述给料的金属成分被释放，以及同时所述等离子体电弧的所述放电材料与所述给料的非金属成分结合；(h)通过所述气体出口从所述熔炉中除去由此获得的包括所述等离子体电弧的所述放电材料的物质；以及(i)通过所述金属出口从所述熔炉中导出释放的所述金属成分作为纯金属。
16.根据权利要求15的提取方法，其中通过所述等离子体电弧提供步骤(c)中发生的所述化学反应的激活能。
17.根据权利要求16的提取方法，其中通过受所述等离子体电弧的带正电离子影响还原所述给料的所述金属氧化物，来实现所述金属氧化物的还原。
18.根据权利要求15至17的任何一项的的提取方法，其中通过进一步处理步骤(d)中从所述熔炉中除去的所述物质，从中形成工业给料。
19.根据权利要求18的提取方法，其中形成干燥的氢氧化钠作为工业给料。
20.一种用于破坏有机物质的方法，其中所述将要破坏的有机物质与等离子体焰炬的等离子体电弧相互反应，其中使用至少一种金属的蒸汽形成所述等离子体焰炬的所述等离子体电弧。
21.根据权利要求20的破坏方法，其中将一种成分添加到所述等离子体电弧，所述成分在其受激转化期间发射电磁辐射，所述电磁辐射断裂将要破坏的有机材料的分子键。
22.根据权利要求21的破坏方法，其中使用在其受激转化期间发射强紫外辐射的物质作为添加的成分。
23.根据权利要求22的破坏方法，其中将包括汞的化合物添加到所述放电材料。
全文摘要
本发明涉及一种新颖的等离子体焰炬(1)并涉及它在物质的化学物理转化领域内的应用。所述等离子体焰炬(1)包括一对相互隔离的电极、存在与两个电极之间的等离子体电弧(10)和设置用于聚集所述等离子体电弧(10)的瞄准仪(14)。所述放电材料存储于专门的存储槽内并通过金属蒸汽，优选通过碱性或碱土金属的蒸汽实现。
文档编号H05H1/42GK1969596SQ200580020121
公开日2007年5月23日 申请日期2005年4月19日 优先权日2004年4月19日
发明者L·G·博德罗格克齐, L·G·科泽基 申请人:普拉斯马’05研究和开发有限公司