AT224922B

AT224922B - Verfahren und Vorrichtung zur Pulverisierung und/oder Aufschließung fester Stoffe

Info

Publication number: AT224922B
Application number: AT21659A
Authority: AT
Original assignee: Kohlswa Jernverks Ab
Priority date: 1959-01-02
Filing date: 1959-01-12
Publication date: 1962-12-27

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Pulverisierung und/oder
Aufschliessung fester Stoffe
Metalle und andere feste Stoffe hat man bisher durch Zermahlung in Mühlenoder ähnlichen Anlagen pulverisiert. In einigen Fällen bediente man sich eines Verfahrens, bei dem das geschmolzene Metall in einem oder mehreren Strahlen auf eine sich mit hoher Geschwindigkeit drehende Scheibe gelenkt wurde, so dass das Metall zu feinen Drähten oder Strängen erstarrte, die dann zu Pulver zermahlen wurden. Ferner wurde vorgeschlagen, gegen einen Strahl geschmolzenen Metalls Luft oder Gas zu blasen und ihn dadurch zu pulverisieren.

Das nach den bisher bekannten Verfahren hergestellte Pulver enthält jedoch sehr unterschiedliche Korngrössen, und die Pulverisierung mittels Zermahlung oder in anderer bisher bekannter Weise war nicht nur kostspielig sondern ergab auch für viele Zwecke ungenügende Resultate.

Der wesentliche Zweck der Erfindung ist, diese Nachteile zu beseitigen und eine Pulverisierung und/ oder Zerbrechung zu erhalten, die besondere Wirksamkeit mit geringen Kosten verbindet, und bei der das
EMI1.1
mit grösseren Klumpen durchsetzt ist. Die Erfindung ermöglicht ferner die Herstellung von Pulvern mit andern Teilchengrössen.

Pulver mit sehr kleiner Teilchengrösse sind für viele Zwecke von besonderer Bedeutung, beispiels-
EMI1.2
chen in den Stoffen enthaltener Zellen, Verkrustungen od. dgl. Die Aufschliessung von Cellulosefasern aus Holz ist dabei besonders wertvoll.

Die Erfindung betrifft sowohl ein Verfahren als auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Das Verfahren der Erfindung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass der bei normaler Temperatur feste Stoff instationären Stosswellen mit beweglicher Wellenfront und mit Überschallgeschwindigkeit (suspersonischer Geschwindigkeit) und Ultraschallfrequenz (mehr als 20 000 Schwingungen pro Sekunde), ausgesetzt wird, wobei diese Stosswellen nach innen konzentriert und gegen einen Punkt oder eine kleine Stelle des Stoffes gerichtet werden.

Ultraschallwellen, die sich mit Schallgeschwindigkeit fortpflanzen, sind linearer Natur. Sie haben eine kleine Amplitude und geringe Energiedichte, und die Energieübertragung von solchen Ultraschallwellen auf feste Körper ist ausserdem sehr gering. Dies gilt auch für die Energieübertragung auf (einen Strahl) geschmolzenen Metalls. Diese geringe Übertragung beruht unter anderem darauf, dass die Ultraschallwelle in hohem Masse auf der Oberfläche des festen Körpers reflektiert wird.

Im Gegensatz hiezu haben die gemäss der Erfindung verwendeten Stosswellen einen nicht-linearen Charakter, sindinstationärmitbeweglicher Wellenfront und haben sehr grosse Amplituden und hohe Energiedichte. Bei dem Verfahren der Erfindung werden die Stosswellen nur in geringem Masse reflektiert und

dringen in das feste Material ein. Die Energieübertragung von den Stosswellen auf das feste Material ist sehr effektiv und wird noch verstärkt, wenn das bei normaler Temperatur feste Material geschmolzen (oder zu plastischer Konsistenz erhitzt) ist.

Dabei können die Stosswellen in Luft oder andern Gasen erzeugt werden. Bisweilen ist es vorteilhaft, das Medium vorzuwärmen, bevorman die Stosswellen in ihm erzeugt. In gewissen Fällen ist es zweckmä- ssig, ein inertes Gas oder ein reduzierendes oder neutrales Gas zu verwenden, um Oxydieren oder andere chemische Veränderungen in dem festen Stoff während des Pulverisierungsvorganges zu vermeiden. Die erforderliche Energiedichte kann je nach den Eigenschaften der zu pulverisierenden festen Stoffe variieren.

Je grösser die Energiedichte, umso besser der erhaltene Pulverisierungseffekt. Es muss jedoch erwähnt wer- den, dass die Teilchengrösse in dem hergestellten Pulver auch aufder Frequenz der Stosswellen beruht, u. zw. : je höher die Frequenz, umso kleiner werden die Teilchen. Je grösser die Amplitude der Stosswellen ist, umso kleiner werden die Teilchen.

In gewissen Fällen scheint der Verlauf des Pulverisierungsverfahrens gemäss der Erfindung so zu sein, dass die grosse, von den Stosswellen auf das zu pulverisierende Material übertragene Energiemenge zumindest örtlich und zeitweise genanntes Material in einen mehr oder weniger flüssigen Zustand überführt, so dass es von den Expansionswellen (zwischen den Stosswellen, die ja Druck- oder Kompressionswellen sind) zerteilt oder zersprengt wird. Es scheint, als ob in den so erhaltenen Teilchen (Tropfen, Körnern) die Beschleunigungskraft (Sprengkraft) einerseits und die Teilchenfestigkeit (Oberflächenspannung) anderseits sich miteinander im Gleichgewicht befinden. Die Teilchen- (Tropfen-, Korn-) Grösse scheint durch diesen Gleichgewichtszustand sehr wesentlich bestimmt zu sein.

Wie bereits erwähnt wurde, ist die Frequenz der Stosswellen von entscheidender Bedeutung für die Teilchengrösse, was wahrscheinlich darauf zurückzuführen ist, dass die Energiedichte und damit die die Teilchen (Tropfen, Körner) beschleunigende Kraft mit (dem Quadrat) der Frequenz zunimmt.

Die Stosswellen können mechanisch, elektrisch oder magnetisch erzeugt sein.

In der Regel ist die Erzeugung der Stosswellen durch mechanische Stosserregung (oder Relaxation) vorzuziehen. Zu diesem Zweck kann man ein Gas unter hohem (überkritischem) Druck verwenden, das man
EMI2.1
höherer Geschwindigkeit als die des Schalls), entweichen (herausströmen) lässt. Zur Erzielung eines periodischen Verlaufes mit ausreichend hoher Frequenz kann man vorzugsweise den Gasstrahl Ultraschallwellen erzeugen lassen (d. h. Schallwellen mit jenseits des Vernehmbarkeitsbereiches liegender Frequenz, also mit mindestens 20000 Perioden pro Sekunde), um eine sekundäre Stosswelle auszulösen ; es werden also Kippschwingungen ausgelöst.

Die sekundären Stosswellen erhalten dann den Charakter einer Serie (eines Wellenzuges) transienter Schwingungen (Pulse) mit genügend hoher Energiedichte für eine wirkungsvolle Pulverisierung. Dies wird nachstehend im Zusammenhang mit der Beschreibung einer Vorrichtung gemäss der Erfindung näher ausgeführt werden.

Das zu pulverisierende Materialsollte in gewissen Fällen (örtlich) vorerwärmt oder geschmolzen werden, insbesondere dann wenn es sich um das Pulverisieren von Metallen handelt. Nicht-metallischeMa- terialien können oft nicht vorgewärmt werden. Wenn man, z. B. bei der Aufschliessung von Holz zwecks Gewinnung von Cellulosefasern, Verkrustungen aufbrechen will, muss man die Energiedichte dementsprechend anpassen. Die Sprödheit der Verkrustungen und die Biegsamkeit der Cellulosefasern erleichtern die Aufschliessung gemäss der Erfindung, indem man die Verkrustungen zersplittern kann, ohne die Fasern zu beschädigen.

Zwei Ausführungsbeispiele der Vorrichtung gemäss der Erfindung sind in den Zeichnungen verdeutlicht.

Fig. 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung der Erfindung. Fig. 2 zeigt ein Detail in Fig. l In vergrössertem Massstab. Fig. 3 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine weitere Ausführungsform.

In Fig. 1 der Zeichnungen ist ein Schmelztiegel 1 mit einer elektrischen Heizvorrichtung 2 zum Schmelzen des in ihn verbrachten Metalls 3 (z. B. Zink oder Blei) versehen. Durch ein Loch 4 im Boden des Tiegels 1 strömt ein. Strahl 5 geschmolzenen Metalls und fällt in den Mittelkanal 6 des Stosswellener- zeugers 7 hinab. Das pulverisierte Metall wird in einem Behälter 7a gesammelt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, besteht der Stosswellenerzeuger aus drei Hauptteilen 8, 9 und 10, die untereinander starr, beispielsweise mittels Schraubgewinden 11,12 verbunden sind. Die Teile 8, 9 und 10 sind im wesentlichen ringförmig. Der Teil 8 ist mit dem Mittelkanal 6 in Verbindung, die mit feuerfestem (z. B. keramischem) Material verkleidet sein kann. An dem Teil befinden sich ein oder mehrere Kränze kleiner, mit Boden versehener Aushöhlungen oder Löcher 13. Auf jeder Seite einer jeden solchen Aushöhlung oder konzentrisch darum sind Löcher oder Vertiefungen (Aushöhlungen) 14 und 15 vorgesehen.

In dem Teil 9 sind Vertiefungen (Aushöhlungen) oder Löcher 16, 17 direkt vor den Löchern 14 bzw. 15 derart angebracht, dass die Vertiefungen 14 und 16 gemeinsam einen, und die Vertiefungen 15 und 17 ge- meinsam einen weiteren Raum (Kammer) bilden. Diese Räume kann man als Reflektoren und Resonanz- räume bezeichnen. Ein Schlitz oder Spalt 18 erstreckt sich von den Vertiefungen 15, 17 an den Löchern 13 vorüber in den Mittelkanal 6 hinaus. Konzentrisch mit jedem Loch 13 ist ein Ausblas- oder Strahlloch 19 angeordnet, und diese Löcher stehen ihrerseits in Verbindung mit einer in den Teilen 9 und 10 angeord- neten kreisförmigen Druckkammer 20.

In diese Kammer wird unter hohem (überkritischem) Druck (min- destens 0, 9 atü, jedoch vorzugsweise 20-40 atü) durch eine Leitung 21 ein Gas hineingeleitet.

Die beschriebene Vorrichtung arbeitet wie folgt :
Wenn Druckluft oder ein anderes Gas (z. B. Wasserstoff) durch die Leitung 21 zugeführt wird und durch die Löcher 19 ausströmt werden Stosswellen erzeugt, die Ultraschallfrequenz haben und über den Schlitz oder Spalt 18 auf die Mittellinie des Kanals 6 konzentrisch gerichtet werden und dort auf das zu pulverisierende Material 5 treffen. Die ausserordentlich hohe, sich auf eine kleine Stelle konzentrierende Energie der Stosswellen bewirkt einen starken Pulverisierungseffekt, der in der Regel auch eine rasche Erhitzung mit sich bringt. Das pulverisierte Material fällt in den Behälter 7a hinunter.

Es hat sich erwiesen, dass, selbst wenn der feste Stoff, z. B. ein Metall, sich während der Pulverisierung bis zum Glühen erhitzt, nur ein kleiner Prozentsatz Oxyd (etwa 2-3%) in dem pulverisierten Material im Behälter 7a erhalten wird, obwohl sich der Vorgang in Luft (also nicht in einer Schutzatmosphäre) abspielt.

Bei der Erzeugung der Stosswellen in der dargestellten Vorrichtung handelt es sich um einen komplizierten Vorgang. Soweit bisher feststellbar ist, geht er etwa folgendermassen von statten :
Die Erzeugung geht in drei Etappen vor sich :
1. Primäre Stosswellen werden erzeugt, wenn die Luft (das Gas) mit supersonischer oder Überschallgeschwindigkeit (höher als Schallgeschwindigkeit) durch die Löcher (Düsen) 19 entweicht.

2. In den Vertiefungen 13 werden Ultraschallwellen mit Schallgeschwindigkeit erzeugt. Die Ultraschallwellen können auch separat erzeugt und dann eingeführt werden.

3. Die primäre Stosswelle, die eine gewölbte Wellenfront hat und im Spalt 18 instabil ist, erzeugt unter Einwirkung der Ultraschallwelle eine sekundäre instationäre Stosswelle mit beweglicher Wellenfront und hohem Energiegehalt. Diese sekundären Stosswellen haben den Charakter von Relaxations- oder Kippschwingungen, die infolge der Instabilitätsverhältnisse durch die Ultraschallwellen ausgelöst werden. Es handelt sich also bei den sekundären Stosswellen um eine Reihe transienter (übergehender) Schwingungen
EMI3.1
front und mit einer Zurückholungs- oder Relaxationsperiode zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenfronten oder Pulsen.

Das durch ein Loch 19 mit Überschallgeschwindigkeit hinausjagende Gas schafft somit eine Stosswellenfront, die in Beziehung zur Mündung der Vertiefung 13 vor- und zurückpendelt (wogt). Die Stosswellenfront ist instabil und wirkt also wie ein hin- und zurückgehender Kolben, der die sekundären instationären Stosswellen. (Relaxationswellen) erzeugt. Die Breite des Spaltes 18 muss sehr sorgfältig gewählt werden, damit tatsächlich Kippschwingungen erzeugt werden ; die Abmessung dieser Spaltbreite muss unter anderem im Hinblick auf die Machsche Zahl des ausströmenden Gases bestimmt werden und wird vor allem empirisch bestimmt, weil eine genaue Regel für deren Berechnung nicht gegeben werden kann.
EMI3.2

des zu pulverisierenden Metalls pendeln (sich auf und ab bewegen).

Diese Pendlungen machen sich in dem zu pulverisierenden Metall (Material/Pulse) oder Stösse abwechselnd mit Relaxationsperioden geltend, so- mit ändert die Kraftwirkung an (in) dem Material stets ihre Richtung. Diese sekundären, instationären
Stosswellen mit grosser Energiedichte werden nur wenig von dem festen Material (z. B. Metall) reflektiert, sondern werden darin absorbiert, so dass sehr starke Kompressions- und Expansionskräfte darin entstehen und somit eine extrem hohe Pulverisierungswirkung erzielt wird. Dieser Effekt lässt sich durch Vorwärmung oder
Schmelzen des Materials noch erhöhen, da dann ja die Energieübertragung von der Stosswelle auf das Material noch verstärkt wird. Das durch die Leitung 21 zugeführte Gas kann gegebenenfalls vorerwärmt werden.

Die Energiedichte in Stosswellen steigert sich mit dem Quadrat der Amplitude und dem Quadrat der Frequenz. Dies ist bei Dimensionierung der erfindungsgemässen Vorrichtung zu beachten. Es ist ferner zu beachten, dass der Gasdruck und die Beschaffenheit des Gases die Wellenamplitude beeinflusst, die Grösse und die Gestaltung und die relative Lage der Vertiefungen, die Breite des Spaltes usw. auf die Fre- quenz Einfluss hat. Je höher der Gasdruck (und somit die Amplituden der Stosswellen) und die Frequenz ist, desto kleiner wird die Korngrösse des gebildeten Pulvers.

Bei der Wahl des Gases ist zu beachten, dass a) es nicht mit dem zu pulverisierenden Material reagiert, unter Bildung von unerwünschten Produkten oder unter starker Wärmeentwicklung b) es ohne Nachteile auf den erforderlichen Druck komprimiert werden kann.

Vor allem kommen Luft, Stickstoff, Kohlendioxyd, Argon und Wasserstoff in Frage.

Die Anzahl der Löcher oder Vertiefungen sollte möglichst gross sein, und der Radius des Teilungskreises, worauf sie sich befinden, soll klein sein.

Alles in allem ist zu sagen, dass theoretische Berechnungen auf diesem Gebiet so unsicher sind, dass man in der Regel darauf angewiesen ist, die optimalen Verhältnisse experimentell festzustellen.

In dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel hat ein ringförmiger Teil 22 eine ringförmige Kammer 23, in die Druckgas durch eine oder mehrere Leitungen 24 zugeführt wird. Das Druckgas strömt durch Löcher oder Düsen 25 in Richtung auf einen rotierenden, mit Löchern 27 versehenen Körper 26 hinaus. Ein Stab 28 aus Metall oder anderem festen Stoff wird in einen Mittelkanal 29 im Körper 26 eingeführt.

Auch in diesem Fall werden instationäre, supersonische Stosswellen hoher Energiedichte erzeugt, die sich auf den Stab 28 konzentrieren und ihn pulverisieren. Die Stosswellen werden gegen denselben Punkt (dieselbe kleine Stelle) des Materials konzentriert, aber werden mit Ultraschallfrequenz abgebrochen, so dass die erforderliche Diskontinuität erzielt wird und Kompressions- und Expansionskräfte in schnellster Folge und mit extremer Energiedichte erzeugt werden. In diesem Falle erhalten die Stosswellen den Charakter einer Serie getrennter Schläge, die äusserst schnell aufeinanderfolgend gegen einen Punkt des Materials gerichtet werden.

Bei Dimensionierung der Vorrichtung gemäss der Erfindung sind alle wesentlichen Faktoren sorgfältig zu beachten, so dass wirklich eine supersonische Stosswelle erhalten wird, die sich in einem Zentrum konzentriert (konvergiert) und Ultraschallfrequenz hat, z. B. 40 000-100 000 Schwingungen pro Sekunde. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde ein Gasdruck von 30 atü und 80000 Schwingungen pro Sekunde angewendet. Die Erfindung ist jedoch natürlich nicht nur auf diese Werte beschränkt. Hohe Frequenz und hoher Gasdruck machen die Korngrösse klein.

In gewissen Fällen können parallele konzentrische, ringsumgehende Schlitze die Löcher ersetzen. Die Druckluft wird somit durch einen ringförmigen Schlitz gegen eine Kante geblasen, die ebenfalls ringförmig ist und einen Rand einer toroidförmige Resonatorkammer bildet. Direkt gegenüber dieser Resonatorkammer liegt eine weitere, ebenfalls toroidförmige Resonatorkammer. Diese beiden Kammern wirken auch als Reflektoren (Ablenker), und in dem Schlitz oder Spalt zwischen ihnen werden die Stosswellen erzeugt, die auf eine kleine Stelle konzentriert werden.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Pulverisierung und/oder Aufschliessung bei normaler Temperatur fester Stoffe, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff instationären Stosswellen mit beweglicher Wellenfront und Überschallgeschwindigkeit (supersonischer Geschwindigkeit) und Ultraschallfrequenz (mehr als 20 000 Schwingungen pro Sekunde), ausgesetzt wird, wobei diese Stosswellen nach innen konzentriert und gegen einen Punkt oder eine kleine Stelle des Stoffes gerichtet werden.

Claims

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der feste Stoff vorgewärmt oder ge- <Desc/Clms Page number 5> schmolzen wird, ehe er den Stosswellen ausgesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff Stosswellen mit Frequenz zwischen 40000 und 100000 Schwingungen pro Sekunde ausgesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff Stosswellen ausgesetzt wird, die als Kipp- oder Relaxationsschwingungen (instabile Schwingungen) von Ultraschallfrequenz erzeugt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff Stosswellen ausgesetzt wird, die in einem beweglichen Punkt oder einem schmalen Streifen (Fläche) des Stoffes konvergieren.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stosswellen in einem inerten oder reduzierenden Gas, beispielsweise Wasserstoff, erzeugt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stosswellen in einem vorerwärmten Gas, beispielsweise Luft, erzeugt werden.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem oder mehreren Generatoren für die Erzeugung von instationären Stosswellen mit beweglicher Wellenfrontund Überschallgeschwindigkeit und mit Ultraschallfrequenz (mehr als 20 000 Schwingungen pro Sekunde) versehen ist, die nach innen gegen einen Punkt oder ein kleines Gebiet gerichtet sind, wobei Einrichtungen zur Einführung und Haltung des festen Stoffes in den erzeugten Stosswellen an diesem Punkt oder Gebiet angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Stosswellenerzeuger so konstruiert sind, dass sie Stosswellen mit 40000 - 100000 Schwingungen pro Sekunde erzeugen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Stosswellenerzeuger so eingestellt und solch eine Richtungswirkung haben, dass die Stosswellen in einem beweglichen Punkt oder einem kleinen Streifen (Fläche) des Stoffes konvergieren.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit Vor warmungsanordnungen für das dem Generator oder den Generatoren zur Erzeugung von Stosswellen zugeführte Druckgas versehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Generatoren eine Reihe von Vertiefungen oder Relaxationslöchem (13, 27) aufweisen, die mit Entweich- oder Blaslöchern oder Düsen (19, 25) von einer Kammer (20, 23) für Gas von überkritischem Druck zusammenwirken. EMI5.1 Stosswellen nach innen im wesentlichen in einem Punkt konzentriert werden.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Relaxationslöcher (27) und die Blaslöcher (25) drehbar in Beziehung zueinander sind (Fig. 3), wobei die Blaslöcher und die Relaxationslöcher konzentrisch nach innen auf den Punkt gerichtet sind, wo der feste Stoff angebracht ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass auf beiden Seiten der Relaxationsvertiefungen (13, Fig. 2) Ablenkungs-und/oder Resonanzvertiefungen (14-17) angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12,13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Spalt oder Schlitz zwischen den Mündungen der Relaxationslöcher (13, 27) und der Blaslöcher (19, 25) die einander gegenüberliegen, so dimensioniert ist, dass eine instabile primäre Stosswelle erzeugt wird.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Spalt oder Schlitz (18) die Form eines kreisrunden Konus ohne Spitze hat, dessen (angenommener) Scheitelpunkt in einem Punkt liegt, in dem der feste Stoff angebracht ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichungs- (Reflektor) Vertiefungen (14, 16 bzw. 15, 17) auf beiden Seiten des Schlitzes oder Spaltes (18) angeordnet sind.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Mittelkanal zur Einführung des genannten festen Stoffes in den Punkt oder die Stelle hat, in dem bzw. der die Stosswellen konvergieren.

20. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Relaxationsvertiefung oder -ver- tiefungen toroidförmig sind und mit einem oder mehreren kreisförmigen Schlitzen für aus der, Gas überkritischen Druckes enthaltenden, Kammer ausströmendes Gas zusammenwirken.