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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Zerstäuben von flüssigen Schmelzen, wie z. B. oxidischen Schmelzen, Metallschmelzen und Schlacken, mit einem Tundish und einer im Bereich des Tundishauslaufs angeordneten Ringdüse, deren Strahlen auf den auslaufenden Schmelzestrahl gerichtet sind.
Einrichtungen der eingangs genannten Art sind in unterschiedlichen Ausbildungen bekannt geworden. So ist beispielsweise in der WO 01/62987 A1 eine Einrichtung zum Zerstäuben flüssiger Schmelze bekannt geworden, welche sich insbesondere für die Zerstäubung und Zerkleinerung oxidischer Schlacken oder Gläser eignet. Bei dieser bekannten Einrichtung war ein Tundish mit einer Auslassöffnung vorgesehen, in welcher eine Lanze zum Einstossen von Gasen oder Dampf unter Ausbildung eines Ringspaltes eintaucht. Die Lanze selbst war hierbei von zwei koaxialen Rohren gebildet, welche gesondert voneinander in axialer Richtung verstellbar waren. Mit dem Äusseren dieser Rohre konnte hiebei ein freier Durchtrittsquerschnitt im Bereich des Schmelzen- austrittes eingestellt werden, wo hingegen die Axialverschiebung der Lanze selbst die gewünschte Strömungsgeometrie beeinflusste.
Wie bereits bei dieser bekannten Ausbildung wurde der Versuch unternommen ein Anwachsen eines Schlackenpelzes durch Erstarrung im Bereich der Auslassöff- nung hintanzuhalten, wobei gleichzeitig die gewünschten Strahlparameter den jeweiligen Verhält- nissen angepasst werden sollten. Um ein derartiges Anbacken bzw. Einfrieren im Bereich der Schlackenaustrittsöffnung zu verhindern, muss hier mit entsprechend überhöhter Temperatur, und damit naturgemäss mit entsprechend verschleissfesteren Materialien, gearbeitet werden.
Eine weitere Ausbildung der eingangs genannten Art ist der WO 01/90018 zu entnehmen, bei welcher gleichfalls zum Zerstäuben und Zerkleinern von flüssigen Schmelzen ein entsprechender Tundish zum Einsatz gelangt, in dessen Auslauf eine Treibgaslanze mündete. Das die Lanze umgebende Rohr wurde hier als Unterlaufwehr definiert und hatte im Wesentlichen die bereits zuvor beschriebene Wirkung, gemäss welcher der freie Durchtrittsquerschnitt im Ringspalt entspre- chend eingestellt werden konnte. Die Treibgaslanze war hier für den Einsatz von überkritischem Dampf zur Ausbildung eines unterexpandierten Freistrahles im Inneren des Schmelzestrahles ausgebildet, um eine besonders effiziente Zerstäubung zu gewährleisten.
Die vorliegende Erfindung zielt nun darauf ab, eine Einrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiter zu bilden, dass die Gefahr eines Zuwachsens bzw. Anbackens von schmelz- flüssigem Material durch Erstarrung im Bereich der Austrittsdüse für eine grosse Anzahl verschie- dener schmelzflüssiger Materialien mit unterschiedlichen Erstarrungspunkten mit Sicherheit ver- mieden werden kann, wobei gleichzeitig in unmittelbarer Umgebung des Austrittes der zerstäubten Schmelze auch bereits wiederum wesentlich kälterer Dampf oder sogar Kaltwasser eingedüst werden kann, ohne dass dies die Gefahr eines vorzeitigen Verschleisses der Austrittsdüse bzw. ein Einfrieren im Bereich des Schmelzeaulasses zur Folge hat.
Insgesamt soll mit möglichst einfachen Mitteln eine entsprechende Temperatur der Schmelze gewährleistet werden, um die für die Zer- stäubung günstigste Viskosität einstellen zu können.
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die erfindungsgemässe Vorrichtung im Wesentlichen darin, dass der Tundish von einer Brennkammer umgeben ist und der Tundishauslauf in eine Boden- durchbrechung der Brennkammer mündet oder eintaucht. Dadurch, dass nun zusätzlich zu dem bekannten Tundisch eine den Tundish umgebende Brennkammer oder Muffel vorgesehen ist, lässt sich der Tundish von aussen beheizen, sodass auf besonders schonende Weise die erforderliche Schmelzentemperatur über die Höhe des Schmelzebades im Tundish homogen sichergestellt werden kann. Dadurch, dass nun im Bereich des Tundishauslaufes selbst wiederum in der Brenn- kammer entsprechende Durchbrechungen, und insbesondere beispielsweise ein Ringspalt ausge- bildet ist, kann an dieser Stelle heisses Gas, und insbesondere Brenngas, ausgestossen werden, wodurch ein Zufrieren bzw.
Erstarren von Schmelze im Bereich des Schmelzenauslaufes mit Sicherheit vermieden wird. Gleichzeitig kann mit einer derartigen Konstruktion die entsprechende mechanische Voraussetzung für die Anordnung weiterer Düsen, und insbesondere von konzentri- schen Dampf- oder Wasserdüsen, geschaffen werden, ohne dass dies einen Einfluss auf die Tem- peratur der Schmelze im Bereich des Schlacken- bzw. Schmelzeauslaufes hat, und ohne dass dies daher dort zu einer Erhöhung der Gefahr eines Anbackens führt.
Insgesamt werden die zum Ein- satz gelangenden Materialien bei einer derartigen Ausbildung auf Grund der Vergleichmässigung der Temperatur wesentlich geringer beansprucht und es wird auch die Gefahr von vorzeitigen Korrosionserscheinungen, wie sie insbesondere bei flüssigen Schmelzen und gleichzeitig hohen
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mechanischen Spannungen im Bereich des Schmelzeauslaufes auftreten können, weitestgehend vermieden.
Die erfindungsgemässe Einrichtung eignet sich für oxidische Schlacken, Gläser und insbeson- dere Borate für Keramikschmelzen, Metallschmelzen, aber ebenso auch für thermoplastische Materialien, da die Temperaturen in besonders gleichmässiger Weise über einen grossen Tempera- turbereich einstellbar sind. Durch die Ausbildung mehrerer Abrisskannten im Bereich des Schmel- zeauslaufes lässt sich auch die gewünschte Strömungsgeometrie, und damit das gewünschte Zerkleinerungs- bzw. Zerteilungsverhalten, bei gleichzeitiger Einstellung einer optimalen Schmel- zeviskosität den jeweiligen Bedürfnissen besser anpassen.
In besonders vorteilhafter Weise ist die erfindungsgemässe Ausbildung so getroffen, dass der Tundishauslauf im Querschnitt trichterförmig ausgebildet ist und unter Ausbildung eines Ringspal- tes über im Wesentlichen radialen Streben im Brennkammerboden festgelegt ist. Eine derartige Ausbildung minimiert die Ausbildung von Wärmebrücken zwischen den Brennkammerwänden und dem Tundish, da dieser auf die radialen Streben beschränkt bleibt, sodass es gleichzeitig gelingt die Brennkammerwände selbst von übermässiger thermischer Belastung freizuhalten und im Tun- dish die gewünschte höhere Temperatur aufrechtzuerhalten.
Die radialen Streben selbst können nun wiederum zur Erzielung besserer Strömungsgeometrien entsprechend adaptiert werden, wobei es einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemässen Einrichtung entspricht, wenn die Ausbildung so getroffen ist, dass die radialen Streben als Strömungsleitkörper für heisse Gase ausgebildet sind. Auf diese Weise wird im Bereich des Schmelzeaustrittes eine entsprechende Verwirbelung erzielt, wobei zusätzlich radial ausserhalb weitere Heissgase oder Dampf zugeführt werden können.
Zur Erzielung der gewünschten homogenen Temperatur ist die Ausbildung mit Vorteil so getrof- fen, dass in die Brennkammer radial und/oder tangential zum trichterförmigen Tundish Brenner münden. Die von derartigen Brenner erzeugten Verbrennungsabgase können bei entsprechender vollständiger Verbrennung als Inertgase angesprochen werden, da sie weitestgehend nurmehr CO2 enthalten. Prinzipiell kann aber mit derartigen Brennern und entsprechender Regelung des Verbrennungsvorganges auch eine reduzierende Atmosphäre geschaffen werden, wenn eine nichtvollständige Verbrennung gewählt wird, wobei hier auch inerte oder reaktive Gase eingetragen werden können. Heisse Inertgase, wie z.B. N2 oder Ar, können für die Zerstäubung von Thermo- plasten oder Edelstahl, und reaktive Gase für die zerstäubende Oxidation von Schwarzkupfer oder Kupferstein eingesetzt werden.
Mittels derartiger Brenner bzw. Brennerlanzen können auch weitere Gase, Schutzgase oder reaktive Gase in den Verbrennungsraum eingestossen werden, welche dann über den durch die radialen Streben ausgebildeten Ringspalt, und insbesondere nach ent- sprechender Verwirbelung durch die Strömungsleitkörper, den Schmelzestrahl ummantelt und mit diesem kollidieren.
Prinzipiell läuft die heisse Schmelze bei der erfindungsgemässen Vorrichtung als Kemstrahl ummantelt von heissen Verbrennungsabgasen ab. Die heissen Verbrennungsabgase können hiebei vom Schmelzestrahl angesaugt werden und mit im Wesentlichen gleicher Geschwindigkeit wie der Schmelzestrahl ausströmen, wobei die Stärke des auf diese Weise ausgebildeten gasförmigen Mantels von der jeweiligen Breite des Ringspaltes zwischen Tundishauslauf und dem Rand der Durchbrechung im Brennkammerboden bestimmt ist.
Nachfolgend gegen diesen Strahl gerichtete Düsen, über welche beispielsweise Heissdampf oder Heissgas ausgestossen werden kann, dienen der Zerkleinerung des Strahles, wobei auch hier, mit Rücksicht auf die hohen Gastemperaturen des Mantelgases des Strahles, ein vorzeitiges Erstarren hintangehalten wird, was die Ausbildung kleiner Tröpfchen bzw. kugelförmiger Strukturen begünstigt. Zur Einstellung der entsprechenden Heissgasmantelschicht, welche aus der Brennkammer angesaugt wird, ist die Ausbildung mit Vorteil so getroffen, dass der Tundish unter Veränderung des lichten Querschnittes der Bodenöffnung der Brennkammer höhenverstellbar in der Brennkammer gelagert ist.
Prinzipiell kann bei Verwendung einer Lanze zum Ausstoss der Schmelze aus dem Tundish auch über den Druck und die Tempera- tur des über die Lanze ausgestossenen Gases eine entsprechende Anpassung an die gewünschten Parameter erfolgen. Eine derartig vorteilhafte Ausbildung sieht hiebei vor, dass der Tundish ein den Tundishauslauf unter Ausbildung eines Ringspaltes umgebendes Wehrrohr und eine im Inne- ren des Wehrrohres angeordnete Lanze für Druckfluid aufweist, wodurch zum Einen die Lanze optimal geschützt werden kann und zum Anderen auch das Ausmass der jeweils angesaugten
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Schmelze durch Variation der Breite des durch das Wehrrohr definierten Ringspaltes eingestellt werden kann.
Die geforderte thermische und mechanische Festigkeit des Tundish, insbesondere im Bereich des Tundishauslauf, kann dadurch sichergestellt werden, dass der Tundishauslauf als Auslaufdüse aus gesintertem SiC ausgebildet ist. Derartiges gesinterte Siliciumcarbid zeichnet sich auch durch eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit aus, sodass die heissen Verbrennungsabgase der Brennkammer ein Zubacken dieser Auslassöffnung mit Sicherheit hintanhalten können. Auf Grund der guten mechanischen und auch chemischen Beständigkeit erfolgt kein schlackenchemischer Angriff und das Material weist eine ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit auf.
In der Brennkammer wird im Wesentlich drucklos Brennerabgas erzeugt, wobei die Ansaugung über die Ringdüse erfolgt. Insgesamt ergibt sich auf diese Weise der Vorteil, dass auf eine indukti- ve Beheizung der Auslaufdüse verzichtet werden kann und ein besonders ruhiges Zerstäubungs- bild erzielt wird, da sich zwischen Ringdüse und Schlackenauslauf kein Unterdruck ausbilden kann.
Gleichzeitig führt dies zur Absenkung der nötigen Zerstäubergastemperatur, da derartiges Zer- stäubungsgas durch Mischen mit dem Brennkammerabgas vor dem Zerstäubungspunkt entspre- chend aufgeheizt wird. Mit Vorteil wird hierbei so vorgegangen, dass die Brennkammer- bzw.
Heissgastemperatur in der Brennkammer wenigstens 50 C, vorzugsweise 50 C bis 100 C, über der Liquidus-Temperatur der Schmelze eingestellt ist, wobei vorzugsweise die Ringdüse mit Dampf bei einem Druck zwischen 8 bis 25 bar und einer Temperatur zwischen 300 C und 800 C gespeist ist.
Insgesamt kann auf Grund der Durchmischung des Zerstäubergases mit den angesaugten Abga- sen der Brennkammer der Dampfverbrauch auf 0,5 bis 1,2 kg Dampf pro kg Schmelze herabge- setzt werden, wobei der Teilchendurchmesser der entsprechend zerkleinerten Teilchen in der Grössenordnung von 90 bis 50 m (d, max) unproblematisch erzielt werden können.
Wie bereits erwähnt, erlaubt die Brennkammer als Tragkonstruktion die Anordnung weiterer Einrichtungen und es ist entsprechend einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass in oder an der Brennkammer konzentrisch zum Tundishauslauf, in welchem eine Primärdüse an der Lan- zenmündung ausgebildet ist, Sekundärdüsen angeordnet sind. Über derartige Sekundärdüsen kann in der Folge beispielsweise Heissdampf ausgestossen werden.
Die den Tundish umgebende Brennkammer kann prinzipiell nach oben offen oder geschlossen ausgebildet sein. Je nach Ausbildung werden unterschiedliche Drucke in der Brennkammer erzielt und es kann daher besonders vorteilhaft sein, die vom Schmelzestrahl angesaugte oder über den freien Durchtrittsquerschnitt im Brennkammerboden ausgepresste Gasmenge jeweils zu beeinflus- sen. Zu diesem Zweck ist die Ausbildung mit Vorteil so getroffen, dass der freie Durchtrittsquer- schnitt des den Tundishauslauf umgebenden Ringspaltes der Brennkammer über einer drehbaren Blende verstellbar ist.
Die Brennkammer selbst kann in besonders einfacher Weise isoliert ausgebildet werden, wofür mit Vorteil die Ausbildung so getroffen ist, dass die Brennkammer an ihren Aussenwänden mit Isolationsmaterial ummantelt ist. Das Schmelzgut selbst kann unmittelbar in den Tundish aufgege- ben werden, wofür die Ausbildung mit Vorteil so getroffen ist, dass in den Tundish eine Schmelze- Rinne für die Aufgabe von Schmelzgut mündet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Aus- führungsbeispieles näher erläutert. In dieser zeigen Fig.1 die erfindungsgemässe Einrichtung in einem Querschnitt, Fig. 2 eine Draufsicht auf die Einrichtung nach Fig. 1 und Fig. 3 eine besonders einfache weitere Ausbildung schematisch im Schnitt.
In Fig. 1 ist ein Tundish 1 dargestellt, in welchen eine Schmelze-Rinne 2 mündet. Über die Schmelze-Rinne 2 wird Schmelze aufgegeben. In das Innere des Tundish 1 ragt ein Wehrrohr 3, welches in Richtung des Doppelpfeiles 4 höhenverstellbar gelagert ist und an seiner Unterkante relativ zum Boden des Tundish 1 einen Ringspalt definiert, über welchen Schmelze in die Austrag- öffnung 5 des Tundish gelangt. Im Inneren des Wehrrohres 3 ist eine Lanze 6 gleichfalls in Rich- tung des Doppelpfeiles 4 höhenverstellbar gelagert, über welche Druckfluid ausgestossen wird, sodass die über den Ringspalt 7 in die Austrittsöffnung 5 austretende Schmelze mittels des Druckfluids zerstäubt wird. Der Tundish 1 ist nun in eine Brennkammer 8 gelagert, wobei der Tundish in den Boden 9 der Brennkammer unter Ausbildung eines weiteren Ringspaltes 10 ein- taucht.
Dieser Ringspalt 10 wird durch radiale Stützwände in Umfangsrichtung unterteilt, wobei über diesen Ringspalt 10 Medium aus dem Raum 11 ausserhalb des Tundish angesaugt wird.
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Dieser Raum 11 ist nun als Brennkammer ausgebildet und es mündet in diese vom Raum 11 ausgebildete Brennkammer ein Brenner 12. Die heissen Abgase dienen dabei der Aufrechterhal- tung der erforderlichen Temperatur der Schmelze im Tundish 1 und können weiter über den Ring- spalt 10 als Mantelströmung des austretenden, zerstäubten Strahles, welcher über die Austrittsöff- nung 5 austritt, ausgepresst oder angesaugt werden.
Die Brennkammer ist an einem Gestell 13 abgestützt und weist im Anschluss an seinen Boden 9 eine konzentrisch zur Austrittsöffnung 5 angeordnete Ringkammer 14 auf, welche in konzentrisch zur Achse 15 der Lanze 6 bzw. des Wehrrohres 3 angeordneten Düsen mündet. Die Düsen sind mit 16 bezeichnet, wobei über den Ringkanal 14 weiteres Fluid, und insbesondere Sekundärdampf, über die Rohrleitung 17 zugeführt werden kann.
Bei der Darstellung nach Fig. 2 wurden die Bezugszeichen der Fig. 1 beibehalten, wobei zusätz- lich noch die die Brennkammer 8 aussen umgebende Isolation mit 30 angedeutet ist, welche von einem Gehäusewandteil 18 umgriffen wird. In der Draufsicht ist auch noch die Ausbildung seitlicher Wangen 19 zur Erhöhung der Stabilität des Trägers schematisch angedeutet.
Durch Wahl geeigneter Brennstoffe im Brenner 12 kann die entsprechende Brennkammerat- mosphäre eingestellt werden und die erforderliche Temperatur der Schmelze im Tundish 1 gewähr- leistet werden. Die Brenner 12 können hiebei tangential zur Achse 15 gerichtet angeordnet sein, sodass eine gute Durchwirbelung und eine homogene Erwärmung gewährleistet ist. Über die Anschlussleitung 17 kann Dampf oder anderes Medium gegebenenfalls unter entsprechendem Druck zugeführt werden, um die Zerstäubungsgeometrie und damit die Teilchengrösse ebenso wie gegebenenfalls das Erstarrungsverhalten der ausgestossenen Tröpfchen entsprechend zu beein- flussen.
Insgesamt eignet sich eine derartige Einrichtung für Schmelzen mit unterschiedlichsten Schmelzpunkten, da den jeweiligen rheologischen und zerstäubungskritischen Parametern in höchstem Masse Rechnung getragen werden kann. Insbesondere kann sowohl über die zentrale Lanze 6, als auch über die Leitung 17 Primärdampf bzw. Sekundärdampf mit unterschiedlichen Temperaturen in unterschiedlichen Druckbereichen zugeführt werden. Der Brennerabgasstrom kann sowohl über die ringspaltartige Durchbrechung 10, als auch über oberhalb des Brenners angeordnete radiale Durchbrechung 20 des Wehrrohres 3, wie sie in Fig.1 dargestellt sind, ange- saugt oder ausgestossen werden, wobei die entsprechenden Ansaugöffnungen, ebenso wie die Ausbildung des Ringspalt 10, durch einfache Blenden in ihrem Querschnitt verstellbar sein können.
Hierzu genügt es im Bereich der Durchbrechungen 10 jeweils zwei Scheiben übereinander mit entsprechenden ringspaltartigen Durchbrechungen anzuordnen.
Im Bereich des Ringspaltes 10 können die für Stützzwecke erforderlichen radialen Trennwände durch entsprechende Schrägstellung als Drallkörper bzw. Leitapparate ausgebildet sein.
Sowohl die mit der Lanze 6 verbundene Düse, als auch die Düse 16 des Ringkanals 14 kann in ihrer Geometrie variiert werden. Besonders vorteilhaft ist es beide Düsen, die Primärdüse der Lanze 6 und die Sekundärdüsen 16 des Ringkanals 14 als Lavaldüsen auszubilden, sodass Medi- um mit Überschallgeschwindigkeit gerichtet austreten kann. Die Sekundärdüsen 16 sind hiebei in vorteilhafter Weise unter Einschluss eines Winkels von 10 -25 zur Primärstrahlachse geneigt angeordnet.
Bei der Ausbildung nach Fig.3 ist ein Tundish 21 in einer Brennkammer 22 angeordnet, wel- cher über einen düsenförmigen Tundishauslauf 23 verfügt. Dieser Tundishauslauf 23 taucht in den Boden 24 der Brennkammer ein und definiert zwischen dem Rand 25 der Durchbrechung des Bodens 24 der Brennkammer und den konischen Wänden des Tundishauslaufs 23 einen Ring- spalt. Bedingt durch die konische Ausbildung der Auslauföffnung bzw.-düse kann durch Anheben und Absenken des Tundish 21 in Richtung des Doppelpfeiles 26 der lichte Querschnitt des Ring- schlitzes im Boden 24 der Brennkammer entsprechend variiert werden. Der austretende Schmel- zestrahl saugt hiebei Verbrennungsabgas aus der Brennkammer 22 an. Die Brennkammer selbst wird hierbei widerum drucklos betrieben und es sind tangentiale Brenner 27 schematisch angedeu- tet.
An der Brennkammer und im Wesentlichen konzentrisch zum austretenden Strahl 26 sind Ringdüsen 28 angeordnet, deren Düsenachsen 29 auf den Mantel des Schmelzestrahles 26 auf- treffen. Dieser Mantel besteht nun im Wesentlichen aus den heissen Verbrennungsgasen, welche aus der Brennkammer 22 angesaugt werden, sodass hier aufgesprühter Heissdampf oder andere
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unter Druck befindliche Fluids zunächst im Bereich dieses Mantels auf eine wesentlich höhere Temperatur aufgeheizt werden, bevor sie auf den Schmelzestrahl auftreffen und dort eine mecha- nische Zerkleinerung bewirken. Dies hat eine besonders feine Zerteilung und die Ausbildung kugelförmiger Strukturen mit besonders geringen maximalen Durchmessern zur Folge, wobei das Zerstäubungs- bzw.
Zerkleinerungsgas auf wesentlich geringere Temperaturen als bei bekannten Ausbildungen aufgeheizt werden muss.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zum Zerstäuben von flüssigen Schmelzen, wie z. B. oxidischen Schmelzen,
Metallschmelzen und Schlacken, mit einem Tundish und einer im Bereich des Tundishaus- laufs angeordneten Ringdüse, deren Strahlen auf den auslaufenden Schmelzestrahl ge- richtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Tundish (21) von einer Brennkammer (22) umgeben ist und der Tundishauslauf (23) in eine Bodendurchbrechung (25) der
Brennkammer (22) mündet oder eintaucht.