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Verfahren und Vorrichtung zur Erhitzung hochschmelzender, zumindest bei der
Behandlungstemperatur elektrisch leitender Festkörperteilchen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhitzung hochschmelzender, zumindest bei der Behandlungstemperatur elektrisch leitender Festkörperteilchen, insbesondere hochschmelzender Metalle in feinverteilter Form, in einem durch einen Gasstrom erzeugten Wirbelbett und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Es ist bekannt, dass die Anwendung von Hitze bei hochschmelzenden Stoffen, insbesondere bei Metallen, wie beispielsweise Tantal, Niob, Wolfram, Molybdän, Vanadium und Rhenium im Hinblick auf die Wahl des zur Herstellung der Behälter oder Gefässe dienenden Materials Schwierigkeiten bereitet. Es ist bisher praktisch nicht möglich gewesen, ein Material zu finden, welches bei den hohen in Frage kommenden Temperaturen genügend resistent ist und welches ausserdem Sicherheit dagegen gibt, dass nicht aus dem Material des Behälters Stoffe in das zu behandelnde Material einwandern und so dessen Reinheit verringern.
Die Hitzebehandlung der Feststoffreilchen kann dabei verschiedenen Zwecken dienen, beispielsweise um die Korngrösse durch Zusammenwachsenlassen (Agglomeration) kleinster Teilchen zu steigern und so ein grobkörniges Material zu erhalten. Diese Agglomeration grösserer Teilchen kann aber einhergehen mit einem Reduktions- oder Dissoziationsprozess, wobei das in diesem Prozess gebildete reine Metall auf bereits vorhandenen Metallteilchen aufwächst.
Das erfindungsgemäss Verfahren zur Erhitzung hochschmelzender, zumindest bei der Behandlungstemperatur elektrisch leitender Festkörperteilchen, insbesondere hochschmelzender Metalle in feinverteilter Form, in einem durch einen Gasstrom erzeugten Wirbelbett, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Wirbelbett im räumlich abgeschlossenen HF-Wellenfeld eines Hohlraumresonators erhitzt wird, wobei das Wirbelbett auf jene Gebiete des HF-Wellenfeldes beschränkt wird, in denen die wirksame magnetische Komponente gross ist.
Durch die erfindungsgemässe Anwendung eines Hohlraumresonators können wesentlich kleinere Teilchen mit gutem Wirkungsgrad behandelt werden, wie beispielsweise im Innern einer Spule, die mit einem Kondensator auf Resonanz abgestimmt und an einen Generator angeschlossen ist.
Im Zusammenhang mit der Erfindung ist der Begriff Metall genügend weit aufzufassen, da auch Teilchen aus solchen Stoffen behandelt werden können, die bei höheren Temperaturen leitend werden, wie beispielsweise Halbleiter. Diese Teilchen müssen dann vor der Durchführung der erfindungsgemässen Hitzebehand- lung auf eine entsprechende Temperatur vorgeheizt werden, um ihnen die notwendige Leitfähigkeit zu geben. In diesem Sinne umfasst die Erfindung auch solche Stoffe, die bei den im Wirbelbett auftretenden Temperaturen leitend werden, auch wenn sie keine Metalle im eigentlichen Sinne sind.
Gemäss einer weiteren Ausbildung der Erfindung werden innerhalb des Wirbelbettes die Teilchen durch das HF-Wellenfeld auf eine oberhalb der Rekristallisationstemperatur des Metalles liegende Temperatur erhitzt um so aus kleineren Metallteilchen durch Aufwachsen grössere Metallteilchen herzustellen. Verwendet man das Verfahren dazu um durch Reduktion oder Dissoziation Metall herzustellen und dieses auf bereits im Wirbelbett vorhandene Metallteilchen aufwachsen zu lassen, so kann man nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung dem Wirbelbett Wasserstoff und ein durch diesen Wasserstoff zu reduzierendes flüchtiges oder ein bei der Wirbelbettemperatur dissoziierendes Chlorid des betreffenden Metalls zuführen.
Dabei kann man jetzt die im Wirbelbett herrschende Teilchentemperatur richtig dosieren, so dass das durch die Reaktion neugebildete reine Metall auf den Teilchen des Wirbelbettes aufwächst.
Ganz allgemein lässt sich das Verfahren und die zugehörige Apparatur zur Durchführung beliebiger chemischer Reaktionen zwischen in Gasphase befindlichen Stoffen und den erhitzten Festkörperteilchen verwenden, wie beispielsweise zur Herstellung von Carbiden, Sulfiden, Nitriden, Phosphiden, Arseniden, Boriden, Seleniden, Telluriden, Cyaniden usw. aus einem Metall und der entsprechenden Verbindung, wie H2S, AsH3, PH3, BH3, zur Dehydrierung im Hochvakuum oder unter Schutzgas, oder zur Reduktion zu niedrigeren Wertigkeitsstufen, wie z. B. zur Reduktion von Tantalpentachlorid mit Tantal zum Trichlorid.
Das Verfahren zur Reduktion der flüchtigen Chloride mit Wasserstoff ist verwendbar für alle flüchtigen Metallchloride, bei denen die durchschnittliche Energie einer Metallchlorbindung bei einer Temperatur
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von 8000 C unterhalb des Wertes von 24 kg/Cal liegt. Das Verfahren eignet sich also insbesondere zur
Reduktion von Niob- und Tantalpentachlorid, fünf-und sechswertigem Wolframchlorid, Molybdänchlorid,
Vanadiumchlorid und drei- oder vierwertigem Rheniumchlorid.
Zur Erhitzung des Wirbelbettes werden Mikrowellen mit einer Frequenz von mehr als 1000 Megahertz verwendet. Mittels dieser Mikrowellen erzeugt man ein räumlich abgeschlossenes HF-Wellenfeld inner- halb dessen sich das Wirbelbett der zu behandelnden Teilchen befindet. Zu diesem Zweck kann man an
Stelle eines durch Mikrowellen angeregten Hohlraumresonators, in dem sich ein stehendes Feld mit einem bestimmten S : hwingungsmodus ausbildet, auch einen Hohlraumleiter verwenden, in dem sich einwandern- des Wellenfeld ausbildet.
Bei Verwendung eines Hohlraumresonators treten die Höchstwerte des stehenden magnetischen und des elektrischen Feldes, je nach dem Schwingungsmodus in bestimmten Teilen des Resonators auf. Da die magnetische Komponente des Wellenfeldes massgebend ist für die Erwärmung der innerhalb des Wellenfeldes befindlichen Teile des Wirbelbettes, wird das Wirbelbett auf jene Gebiete des HF-Wellenfeldes innerhalb des Hohlraumresonators beschränkt, in denen die wirksame magnetische Komponente gross ist.
Wird beispielsweise der Hohlraumresonator im sog. Bon-Modus erregt, so besitzt die magnetische Komponente des Feldes entlang der Achse des zylindrischen Hohlraumresonators ihren maximalen Wert, fällt gegen die Mantelflächen des Resonators ab, geht etwa bei einem Radius von 2/3 des Gesamtradius des Hohlraumleiters durch Null und steigt dann an den Mantelflächen wieder auf etwa 0, 4 des Maximalwertes an. Will man, wie bereits erwähnt, das Wirbelbett auf die Gebiete mit grosser wirksamer magnetischer Komponente beschränken, so verlegt man es vorteilhafterweise in eine zentrale, die Zylinderachse umfassende Zone des Resonators.
Die räumliche Beschränkung des Wirbelbettes kann entweder erfolgen durch eine geeignete Führung und Ausbildung des das Wirbelbett erzeugenden Gasstromes, oder unter Zuhilfenahme von Trennwänden aus elektrisch isolierendem Material. So können beispielsweise die Einblasdüsen so angebracht werden, dass das durch die Gasströmung bewirkte Aufwirbeln der kleinen Teilchen beschränkt ist auf eine zentrale Zone des Hohlraumresonators. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht ein zentrales Rohr aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus Aluminiumoxyd vor, das in den Resonator eingesetzt wird. Das Wirbelbett befindet sich innerhalb des eingesetzten Trennrohres, wogegen der Teil des Hohlraumresonators ausserhalb des Rohres vom Wirbelbett frei bleibt.
Das elektrisch isolierende Material des Trennrohres hat auf die Verteilung der elektrischen und magnetischen Felder innerhalb des Hohlraumresonators wenig Einfluss, so dass sich der gewünschte Schwingungs- modus fast unbeeinuut durch das eingesetzte i rennrohr ausbilden kann. Vorteilhafterweise wird auch bei
Verwendung eines Trennrohres das Wirbelbett durch entsprechende Richtung und Bemessung des erzeu- genden Gasstromes räumlich so verteilt, dass die Dichte des Wirbelbettes in den Gebieten klein ist, in denen bei dem gewählten Schwingungsmodus des Resonators die magnetische Komponente gross ist.
Dies soll die Rückwirkung der Teilchen auf die magnetische Komponente soweit als möglich verringern, da von der Grösse dieser Komponente die den einzelnen Teilchen einprägbare Heizleistung abhängig ist.
Diese Heizleistung ist einerseits proportional dem Quadrat der an einer bestimmten Feldstelle herrschenden magnetischen Komponente. Sie ist aber ausserdem abhängig von der Dichte (Schüttgewicht) des Wirbelfeldes an der betreffenden Stelle. Es ergibt sich daraus, dass die einem Teilchen einprägbare Heizleistung abhängig ist einerseits von der Verweilzeit des Teilchens im HF-Wellenfeld, anderseits von der Dichte des Wirbelfeldes, wobei die zur Erzeugung einer bestimmten Temperatur erforderliche Verweilzeit umso grösser ist, je grösser die Dichte des Wirbelbettes ist. Das Wirbelbett wird deshalb vorteilhafterweise so bestimmt, dass die zur Erhitzung auf eine bestimmte Temperatur erforderliche Verweilzeit der einzelnen Teilchen innerhalb des Wirbelbettes ein Minimum wird. Die erreichbare Heizleistung ist ferner abhängig vom Teilchenradius der aus Wirbelbett bildenden Teilchen.
Vorteilhafterweise ist der Teilchenradius etwa gleich dem 1-5-fachen der Eindringstiefe der in dem Teilchen durch das HF-Feld erzeugten Wirbelströme.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird erreicht, dass sich die auf hoher Temperatur erhitzten Metallteilchen im Inneren des Behälters befinden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass wie bereits erwähnt, eine maximale Erhitzung durch das HF-Wellenfeld etwa in der zentralen Zone des Hohlraumresonators auftritt. Da die magnetische Feldstärke gegen den Rand des Hohlraumresonators abfällt, nimmt die Temperatur im Wirbelbett gegen die Aussenwände des Hohlraumresonators erheblich ab. Dadurch ergibt sich als Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens, dass die Temperatur der im Innern des Wirbelfeldes befindlichen Teilchen erheblich höher ist als die der mit den Wandungen in Berührung kommenden Teilchen. Die Beanspruchungen der Wandungen sind infolge der verringerten Temperatur ebenfalls erheblich herabgesetzt.
Die Reaktionstemperatur die zur Durchführung der Verfahren notwendig ist, wird auf das Innere des Reaktionsgefässes beschränkt und wird von dessen Wänden ferngehalten. Es ist also möglich, die Wandungen durch Aussenkühlung auf Temperaturen zu halten, bei denen keine störende Korrosion und noch keine Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften des Materials auftritt. Trotzdem treten keine unzulässig grossen Wärmeverluste auf und es ist nöglich, die Temperaturen innerhalb des Wirbelbettes oberhalb der Rekristallisationstemperatur der behandelnden Metalle zu halten, so dass eine Agglomeration bzw. ein Aufwachsen der Metallteilchen erfolgt.
Dieses Aufwachsen kann wie bereits erwähnt, dazu verwendet werden, um entweder grobkörniges Material durch Agglomeration von feinkörnigem Material zu gewinnen, oder es kann gleichzeitig, beispielsweise eine Reduktion von Metallchloriden
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mit Wasserstoff im Wirbelbett erfolgen, wobei das reduzierte Metall sofort auf die im Wirbelbett vorgelegten grösseren Metallteilchen aufwächst. So kann man die Teilchen in einem Verfahrensschritt in einer für die metallurgische Weiterverarbeitung optimalen Korngrösse erhalten. Das erfindungsgemässe Verfahren kann ferner kontinuierlich durchgeführt werden, indem durch den Gasstrom laufend neues Material oder neue zu reduzierende Grundstoffe vorgelegt werden, während die gebildeten aufgewachsenen grösseren Metallteilchen laufend abgezogen werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, von der zwei Ausführungsformen in der Zeichnung dargestellt sind. Fig. 1 zeigt einen Resonator mit Trennrohr und Fig. 2 einen solchen ohne Trennrohr.
Vorteilhafterweise verwendet man einen zylindrischen Hohlraumresonator, welcher durch einen HFGenerator im Eou-Modus erregt wird. Bei der bereits weiter oben erwähnten Ausführungsform eines zylindrischen Hohlraumresonators mit koaxialer rohrförmiger Trennwand aus elektrisch isolierendem Material innerhalb des Resonators, welcher das eigentliche Reaktionsgefäss bildet und innerhalb dessen das Wirbelfeld erzeugt wird, wird man die Trennwand vorteilhafterweise an den Ort verlegen, an dem die magnetische Komponente des HF-Wellenfeldes gleich Null ist.
Wie bereits oben angedeutet, ist bei einem im Eon-Modus erregten Hohlraumresonator die magnetische Feldstärke in der Achse des zylindrischen Hohlraumresonators ein Maximum, fällt zunächst gegen Null ab und steigt nach dem Nulldurchgang wieder gegen die Mantelfläche auf einen Weit von etwa 0, 4 der maximalen Komponente an. Vorteilhafterweise ist die elektrisch isolierende Trennwand in jener Zylinderfläche angeordnet, in welcher die magnetische Komponente gleich Null ist.
Die Fig. 1 zeigt den zylindrischen Hohlraumresonator 10 im Schnitt längs der Zylinderachse. Die Koppelschleife 12 dient zur Zuführung der vom Generator 11 gelieferten elektrischen Leistung zur Aufrechterhaltung des HF-Feldes. Hiebei ist die Schleife 12 vorzugsweise so an der Bodenfläche des Resonators angeordnet, dass ihre Ebene senkrecht zu einem Radius der Bodenfläche steht. Es ist auch möglich, die Koppelschleife an die Seitenwand des Resonators zu verlegen, wobei die Ebene der Schleife senkrecht zur Resonatorachse liegt. In beiden Fällen wird eine Erregung des Resonators im En-Modus erreicht.
Innerhalb des Resonators 10 ist das aus elektrisch isolierendem Material, z. B. Aluminiumoxyd bestehende Rohr 14 als Trennwand eingesetzt. Erregt man den Resonator im Eon-Modus und will man die Trennwand an die Stelle verlegen, an der die magnetische Feldstärke gleich Null ist, so beträgt der Rohrdurchmesser etwa 2/3 des Resonatordurchmessers. Am unteren Ende befindet sich zentral eine Düse 16 für den das Wirbelbett aufrechterhaltenden Gasstrom. Dieser tritt am oberen Rohrende 18 aus und bewirkt ein Aufwirbeln der innerhalb des Rohres befindlichen Teilchen 20. Durch den Schieber 22 können die fertig behandelten Teilchen abgezogen werden.
Innerhalb der rohrförmigen Trennwand wird ein Wirbelbett aus Metallteilchen erzeugt.
Wie bereits erwähnt, kann man die isolierende Trennwand von aussen auf eine Temperatur kühlen, um so die mechanischen Eigenschaften und das Korrosionsverhalten der Trennwand zu verbessern. Zu diesem Zweck kann man dem zwischen der Aussenwand des Hohlraumresonators und der Trennwand gebildeten Raum ein Kühlmittel zuführen, beispielsweise Kühlluft oder ein zur Kühlung dienendes inertes Gas. In diesem Fall weist der zwischen Resonatorwand und Trennwand gebildete Ringraum mindestens eine Einström- und eine Ausströmöffnung für das Kühlmittel auf (in der Zeichnung nicht dargestellt).
Vorteilhafterweise kann die durch diese Kühlung abgeführte Wärme ausgenützt werden, indem man das gasförmige, beim Durchlaufen des Kühlraumes erhitzte Kühlmittel zur Erzeugung des Wirbelbettes verwendet. Dadurch ist es möglich, innerhalb des Wirbelbettes noch erheblich höhere Temperaturen zu erzeugen. Hiezu ist eine Verbindungsleitung zwischen der Ausströmöffnung des Ringraumes und dem Inneren des Trennrohres bzw. der in das Trennrohr mündenden Düse vorgesehen (in der Zeichnung nicht dargestellt).
Die Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Resonators, bei dem im Gegensatz zum vorhergehenden Beispiel keine Trennwand verwendet wird. Innerhalb des Resonators 40 wird wieder mittels des Generators 42 ein HF-Wellenfeld erzeugt. Durch die Düse 44 wird das durch die Strömungspfeile 46 angedeutete Wirbelbett aus Metallteilchen aufrecht erhalten. Die fertig behandelten Teilchen können durch den Schieber 48 abgezogen werden. Durch geeignete Formgebung und Anordnung der Düse 44 wird eine Beschränkung des Wirbelfeldes auf die zentrale Zylinderzone des Hohlraumresonators erreicht.
Die durch das erfindungsgemässe Verfahren gegebene Möglichkeit, feinkörnige Metalle in grobkörnigere Form überzuführen, ist von grosser Wichtigkeit. Im allgemeinen fällt bei den verschiedenen bekanntgewordenen Verfahren zur Erzeugung hochschmelzender Metalle das Metall in sehr feinkörniger Form an, wobei die Korngrösse etwa in der Grössenordnung von einigen liegen. Die weitere Verwendung und Verarbeitung solcher feiner Pulver bereitet grosse Schwierigkeiten, da einerseits die Metalle wegen ihrer durch die feinkörnige Form bedingten grossen Oberfläche sehr zur Aufnahme von Gasen neigen, und in vielen Fällen pyrophor sind. Die vorliegende Erfindung gibt nun eine Möglichkeit, feinkörnige Pulver zu grobkörnigeren Pulvern zu agglomerieren, was ihrer Verarbeitung und die Qualität des Materials erheblich verbessert.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die angegebenen Verfahrens- und Apparatebeispiele beschränkt. Wie bereits erwähnt, kann gegebenenfalls statt eines Hohlraumresonators auch ein Hohlraumleiter verwendet werden, in dem sich dann statt eines stehenden, ein wanderndes HF-Wellenfeld ausbildet.
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Ebenso können bei den Reduktions- und Dissoziationsverfahren neben den als Beispiel genannten Chloriden auch andere Metallverbindungen verwendet werden. Weiterhin ist es möglich, das Reaktionsgefäss so aufzubauen, dass es aus mehreren hintereinanderliegenden Hohlraumresonatoren besteht. Es ergeben sich dann mehrere räumlich getrennte Zonen mit maximaler magnetischer Feldstärke.
Weiterhin kann man durch geeignete Bemessung der Dichte des Wirbelfeldes erreichen, dass ein zusätzliches Verschweissen der Teilchen, durch elektrische Überschläge zwischen den Teilchen auftritt. Dies ist in den Gebieten der Wirbelfelder der Fall, in denen die magnetische Feldstärke den Wert von zirka 400 A/cm überschreitet.
Weiterhin kann die Erzeugung des HF-Wellenfeldes nicht kontinuierlich, sondern impulsweise erfolgen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Erhitzung hochschmelzender, zumindest bei der Behandlungstemperatur elektrisch leitender Festkörperteilchen, insbesonders hochschmelzender Metalle in feinverteilter Form, in einem durch einen Gasstrom erzeugten Wirbelbett, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirbelbett im räumlich abgeschlossenen HF-Wellenfeld eines Hohlraumresonators erhitzt wird, wobei das Wirbelbett auf jene Gebiete des HF-Wellenfeldes beschränkt wird, in denen die wirksame magnetische Komponente gross ist.