DE102004006636B4

DE102004006636B4 - Plasmagenerator und Verfahren zur Reduktion und Reinigung von oxidhaltigen Metallverbindungen

Info

Publication number: DE102004006636B4
Application number: DE102004006636A
Authority: DE
Inventors: Dr. Laure Stefan
Original assignee: Dr Laure Plasmatechnologie GmnH
Current assignee: Dr Laure Plasmatechnologie GmnH
Priority date: 2004-02-10
Filing date: 2004-02-10
Publication date: 2013-10-17
Anticipated expiration: 2024-02-11
Also published as: DE102004006636A1

Abstract

Plasmagenerator zur Reduktion und Reinigung von oxidhaltigen Metallverbindungen, mit einer Kathode (1) und einer koaxial zur Kathode angeordneten rohrförmigen Anode (2) zur Ausbildung eines Lichtbogens, wobei an der Anode (2) in Richtung des Plasmastrahls unmittelbar nach der Spitze (3) der Kathode (1) an der Plasmazone mit der höchsten Temperatur eine Precursorzuführung (14) zum Zuführen der zu reduzierenden oder zu reinigenden Metallverbindung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (1) zumindest an der Spitze (3) eine konische Form aufweist, dass der Plasmagenerator mit einer schlitzförmigen Düse (11) an der Anode (2) oder zwischen Anode (2) und Kathode (1) zum Zuführen eines in dem Lichtbogen zu ionisierenden Gases ausgestattet ist, wobei die schlitzförmige Düse am Fuß der Anode ist, dass eine Anodenhalterung (6) für die Anode vorgesehen ist, und dass die Anodenhalterung zwei scheibenförmige Anschlußteile (7, 8) mit elektrischen Anschlüssen und einer Kühlvorrichtung aufweist, wobei in Richtung des Plasmastrahls vor dem ersten scheibenförmigen Anschlussteil (7) der Anodenhalterung (6) eine als Scheibe ausgebildete Vorrichtung zur Gaszuführung (10) vorgesehen ist, welche das zu ionisierende Gas der schlitzförmigen Düse (11) zuführt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Plasmagenerator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik sind Plasmageneratoren zur Erzeugung eines heißen Plasmastrahls bekannt. Bei einem Lichtbogen-Plasmagenerator wird einströmendes Gas, beispielsweise Argon oder Stickstoff, durch einen Lichtbogen ionisiert und auf hohe Temperaturen aufgeheizt. Der Lichtbogen bildet sich zwischen einer Anode und einer Kathode aus. Der durch das strömende ionisierte Gas entstehende gerichtete Plasmastrahl wird auf ein zu bearbeitendes Substrat oder Werkstück gerichtet. Hierzu ist die Anode häufig als Austrittsdüse für den Plasmastrahl ausgebildet.
Als nachteilig erweist sich bei den bekannten Plasmageneratoren, dass die im Bereich des Substrats oder im Bereich der Zuführung des Substrats erzeugten Energiedichten nicht ausreichen, um Metalloxide zu reduzieren oder zu reinigen. Die Schmelztemperaturen zahlreicher Metalloxide sind höher, als die Energiedichten des Plasmastrahls beim Auftreffen auf das Substrat.
Die DE 196 25 539 A1 offenbart ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Stoffen in einem Plasmaofen. Hierzu wird zwischen einem rohrförmigen Ofengefäß und einer Elektrode ein Lichtbogen erzeugt, in welchen über eine Zuführung Stoffe eingeleitet werden. Die Form des Lichtbogens wird durch elektrische, geometrische und magnetische Parameter beeinflusst um die Fragmentierung der eingeleiteten Stoffe zu begünstigen. Als nachteilig erweist sich, dass die eingeleiteten Stoffe zu der Kathode gelangen und diese beschädigen können.
Aus US 5,273,957 A , US 2002/0151604 A1 , US 4,902,870 A und DE 30 00 802 A1 sind Plasmageneratoren mit einer Anode und einer Kathode bekannt, bei denen in das Plasma Stoffe eingeleitet werden. Bei der US 5,273,957 A und der US 4,902,870 A werden diese Stoffe in einigem Anstand zu der heißen Kathodenspitze eingeleitet. Zwar wird dadurch die Gefahr einer Beschädigung der Kathode reduziert, jedoch ist dies mit dem Nachteil verbunden, dass die Stoffe nicht in den Plasmabereich mit der höchsten Temperatur gelangen. Eine Zerlegung von Metalloxiden ist daher mit derartigen Plasmageneratoren nicht möglich. Bei den Plasmageneratoren gemäß US 2002/0151604 A1 und gemäß DE 30 00 802 A1 ist die Zufuhr für die Stoffe nahe der Kathodenspitze vorgesehen, so dass die Stoffe an den Lichtbodenansatz an der Kathodenspitze gelangen können und die Gefahr einer Beschädigung der Kathode latent gegeben ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Plasmagenerator zur Verfügung zu stellen, der es ermöglicht, im kontinuierlichen Betrieb Metalloxide in ihre Bestandteile zu zerlegen und den freigesetzten Sauerstoff zu binden, so dass reine Metalle entstehen.
Die Erfindung und ihre Vorteile
Gegenüber dem Stand der Technik hat der erfindungsgemäße Plasmagenerator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 den Vorteil, dass aufgrund der konischen Form der Kathode oder zumindest der Spitze der Kathode ein gerichteter Plasmastrahl ausgebildet wird, der unmittelbar nach der Spitze der konischen Kathode eine sehr hohe Energiedichte erreicht. In diesen Bereich hoher Energiedichte wird über eine Precursorzuführung die zu reduzierende oder zu reinigende Metallverbindung zugeführt. Unter Precursor ist das Substrat zu verstehen, das in den Plasmastrahl eingebracht wird. Die Precursorzuführung hat dabei die Form eines Rohres, welches in die rohrförmige Anode mündet. Die Metallverbindung kann über die Precursorzuführung in fester, flüssiger oder Gasform zugeführt werden. Zur Bearbeitung eines festen Metalloxids in Pulverform wird die Precursorzuführung mit einem Pulverförderer verbunden. Zum Einbringen einer flüssigen Metallverbindung ist an der Precursorzufürhung eine Dosierpumpe vorgesehen. Bei gasförmigen Metallverbindungen ist die Precursorzuführung mit einem Dosierventil ausgestattet. Pulverförderer, Dosierpumpe und Dosierventil ermöglichen das Einbringen einer kontrollierten Menge des zu bearbeitenden Metalloxids über einen durch den Benutzer vorgegebenen Zeitraum. Damit können durch den erfindungsgemäßen Plasmagenerator im kontinuierlichen Betrieb Metalloxide in ihre Bestandteile zerlegt werden.
Das zu ionisierende Gas wird über eine schlitzförmige Düse am Fuß der Anode zugeführt. Der Schlitz ist kreisrund und verläuft koaxial zu Anode und Kathode. Die Form des Schlitzes beeinflusst die Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Plasmastrahl.
Die Reduktion von sauerstoffhaltigen Metallverbindungen ist für die Erzeugung von Ausgangsstoffen wie Roheisen oder Rohsilizium entscheidend. Diese durch die Reduktion von Metallverbindungen gewonnenen Metalle werden der weiteren Verarbeitung zugeführt. Besondere Bedeutung kommt dabei der Behandlung von Sand zur Gewinnung von Silizium zu.
In dem Bereich vor der Spitze der Kathode werden Temperaturen von mehreren zehntausend Grad erreicht. Um die hohen Plasmatemperaturen über eine möglichst lange Strecke aufrecht zu halten, erstreckt sich nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Anode in Richtung des Plasmastrahls weiter als die Kathode. Auf diese Weise wird der Lichtbogen verlängert und damit auch die Aufenthaltsdauer der in der heißen Plasmazone verweilenden Teilchen des zu bearbeitenden Metalloxids. Die Reduktion des Metalloxids kann daher stattfinden, auch wenn die für die Reaktion benötigte Zeit etwas länger ist.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Position der Spitze der Kathode in oder entgegen der Richtung des Plasmastrahls veränderbar. Dadurch kann der Abstand zwischen der Precursozuführung und der Spitze der Kathode verändert werden, Dies fuhrt dazu, dass die Temperatur in der Anode unmittelbar an der Precurzuführung variiert werden kann. Eine Anpassung an die zu bearbeitende Metallverbindung ist dadurch möglich.
Um die Position der Spitze der Kathode zu verändern, können entweder verschiedene Kathoden mit unterschiedlicher Länge in den Plasmagenerator eingesetzt werden oder die Kathode kann in einer Kathodenhalterung des Plasmagenerators verschiebbar gelagert werden. Zur Änderung der Länge der Kathode können zusätzliche Abschnitte in die Kathode eingesetzt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Abschnitt der Anode, welcher sich in Richtung des Plasmastrahls an den die Kathode umgebenden Abschnitt anschließt, konusförmig ausgebildet. Der Querschnitt der Anode vergrößert sich damit in Richtung des Plasmastrahls nach der Zufuhr der Metallverbindung durch die Precursorzuführung. Diese Form der Anode führt zu einer weiteren Beschleunigung des Gases im Plasmastrahl. Lichtbogenansätze in diesem Bereich der Anode werden dadurch verhindert. Ein Magnetfeld in axialer Richtung des Plasmastrahls, welches durch eine Spule erzeugt wird, sorgt zusätzlich dafür, dass derartige Lichtbogenansätze in diesem Bereich der Anode vermieden werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Sekundäranode vorgesehen, welche sich in Richtung des Plasmastrahls an die Anode anschließt. Diese sorgt für eine zusätzliche Energiezufuhr. Dadurch wird die Temperatur des Plasmastrahls über eine zusätzliche Strecke auf einem für die Reduktion von Metalloxiden notwendigen Niveau gehalten. Die Verweildauer der Teilchen der zu bearbeitenden Metallverbindung in der besonders heißen Zone des Plasmastrahls wird weiter verlängert. Die Sekundäranode kann zylindrisch oder planar ausgebildet sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in Richtung des Plasmastrahls nach der Anode oder nach der Sekundäranode ein ungekühltes rohrförmiges Bauteil vorgesehen. Dieses verhindert das Eindringen kalten Gases aus der Umgebung in den Bereich des Plasmastrahls.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen zu entnehmen.
Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Plasmagenerators dargestellt. Es zeigen:
1 Plasmagenerator im Längsschnitt,
2 Plasmagenerator gemäß 1 in perspektivischer Ansicht,
3 Anode und Anodenhalterung des Plasmagenerators gemäß 1 im Längsschnitt,
4 Anodenhalterung gemäß 3 in perspektivischer Ansicht.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist ein Plasmagenerator mit einer Kathode 1 und einer Anode 2 dargestellt. Die Kathode besteht aus einer konisch ausgebildeten Spitze 3, einem zylindrischen Abschnitt 4 und einem Anschlussteil 5, welches mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Stromquelle verbunden ist. Die Anode 2 ist rohrförmig ausgebildet und umschließt einen Teil des zylindrischen Abschnitts der Kathode und die konusförmige Spitze 3 der Kathode. Die Anodenhalterung 6 umgibt die Anode 2 und besteht aus zwei scheibenförmigen Anschlussteilen 7 und 8 und einem rohrförmigen Teil 9. Die beiden Anschlussteile 7 und 8 enthalten elektrische Anschlüsse, welche die Anode mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Spannungsquelle verbinden. Darüber hinaus ist in den Anschlussteilen und dem rohrförmigen Teil eine Kühlvorrichtung vorgesehen. An das Anschlussteil 7 schließt sich auf der linken Seite eine als Scheibe ausgebildete Vorrichtung zur Gaszuführung 10 an. Das zu ionisierende Gas wird über die schlitzförmige Düse 11, welche zwischen der Anode und der Kathode vorgesehen ist, zugeführt. An die Vorrichtung zur Gaszuführung 10 schließt sich auf der linken Seite ein Isolator 12 an. Daneben ist die Kathodenhalterung 13 vorgesehen. Diese befestigt die Kathode derart, dass sie koaxial zur Anode 2 verläuft. In der Mitte der Anode ist eine Precursorzufürhung 14 vorgesehen. Über die Precursorzufürhung kann die zu reduzierende oder zu reinigende Metallverbindung in den Bereich unmittelbar vor der konusförmigen Spitze 3 eingeführt werden. In diesem Bereich ist das Plasma besonders heiß. Die Precursorzuführung besteht aus einer senkrecht zur Achse der Anode verlaufenden zylindrischen Ausnehmung 15 und einem Abschnitt 16 mit größerem Durchmesser. An den Abschnitt 16 kann ein Rohr mit einem Pulverförderer, einer Dosierpumpe oder einem Dosierventil angeschlossen werden. Dies ist in der Zeichnung jedoch nicht dargestellt. Die Precursorzuführung 14 ist Teil der Anode 2 und einstückig mit dieser ausgeführt.
2 zeigt den Plasmagenerator gemäß 1 in einer perspektivischen Ansicht. In dieser Darstellung sind lediglich die Anodenhalterung 6 mit den beiden scheibenförmigen Anschlussteilen 7 und 8 und dem rohrförmigen Teil 9, die Vorrichtung zur Gaszuführung 10, der Isolator 12, die Kathodenhalterung 13 und das Anschlussteil 5 der Kathode zu erkennen. Darüber hinaus ist der Abschnitt 16 der Precursorzuführung 14 erkennbar.
Die 3 und 4 zeigen die Anodenhalterung 6 mit den beiden scheibenförmigen Anschlussteilen 7 und 8 und dem rohrförmigen Teil 9 des Plasmagenerators gemäß 1. In dem Längsschnitt der 3 sind außerdem die Anode 2 und die Precursorzuführung 14 zu erkennen.
Sämtliche Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Kathode
2: Anode
3: konusförmige Spitze der Kathode
4: zylindrischer Abschnitt der Kathode
5: Anschlussteil der Kathode
8: Anodenhalterung
7: Anschlussteil der Anodenhalterung
8: Anschlussteil der Anodenhalterung
9: rohrförmiges Teil der Anodenhalterung
10: Vorrichtung zur Gasführung
11: schlitzförmige Düse
12: Isolator
13: Kathodenhalterung
14: Precursorzuführung
15: zylindrische Ausnehmung
16: Abschnitt der Precursorzuführung

Claims

Plasmagenerator zur Reduktion und Reinigung von oxidhaltigen Metallverbindungen, mit einer Kathode (1) und einer koaxial zur Kathode angeordneten rohrförmigen Anode (2) zur Ausbildung eines Lichtbogens, wobei an der Anode (2) in Richtung des Plasmastrahls unmittelbar nach der Spitze (3) der Kathode (1) an der Plasmazone mit der höchsten Temperatur eine Precursorzuführung (14) zum Zuführen der zu reduzierenden oder zu reinigenden Metallverbindung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (1) zumindest an der Spitze (3) eine konische Form aufweist, dass der Plasmagenerator mit einer schlitzförmigen Düse (11) an der Anode (2) oder zwischen Anode (2) und Kathode (1) zum Zuführen eines in dem Lichtbogen zu ionisierenden Gases ausgestattet ist, wobei die schlitzförmige Düse am Fuß der Anode ist, dass eine Anodenhalterung (6) für die Anode vorgesehen ist, und dass die Anodenhalterung zwei scheibenförmige Anschlußteile (7, 8) mit elektrischen Anschlüssen und einer Kühlvorrichtung aufweist, wobei in Richtung des Plasmastrahls vor dem ersten scheibenförmigen Anschlussteil (7) der Anodenhalterung (6) eine als Scheibe ausgebildete Vorrichtung zur Gaszuführung (10) vorgesehen ist, welche das zu ionisierende Gas der schlitzförmigen Düse (11) zuführt.
Plasmagenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Spitze (3) der Kathode in oder entgegen der Richtung des Plasmastrahls veränderbar ist.
Plasmagenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode austauschbar ist.
Plasmagenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode verschiebbar in einer Kathodenhalterung gelagert ist.
Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der die Kathode (1) umgebende Abschnitt der Anode (2) eine zylindrische Form aufweist, und dass sich die Anode (2) in Richtung des Plasmastrahls weiter erstreckt als die Kathode.
Plasmagenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt der Anode (2), welcher sich in Richtung des Plasmastrahls an den die Kathode (1) umgebenden Abschnitt anschließt, konusförmig ausgebildet ist.
Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sekundäranode vorgesehen ist, welche sich in Richtung des Plasmastrahls an die Anode (2) anschließt.
Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Anode (2) um ein Vielfaches größer ist als der Durchmesser der Anode.
Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Precursorzuführung (14) die Form eines Rohrs aufweist.
Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Precursorzuführung ein Pulverförderer vorgesehen ist.
Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Precursorzuführung eine Dosierpumpe vorgesehen ist.
Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Precursorzuführung ein Dosierventil vorgesehen ist.
Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spule zur Erzeugung eines Magnetfeldes in axialer Richtung der Plasmastrahls vorgesehen ist.
Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung des Plasmastrahls nach der Anode (2) oder nach der Sekundäranode ein ungekühltes rohrförmiges Bauteil vorgesehen ist.
Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (1) aus Wolfram besteht.
Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (2) aus Kupfer besteht und wassergekühlt ist.
Plasmagenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Vorrichtung zur Gaszuführung (10) ein als Scheibe ausgebildeter Isolator (12) und vor dem Isolator eine als Scheibe ausgebildete Kathodenhalterung (13) zur Anordnung der Kathode vorgesehen ist.