CH635050A5

CH635050A5 - Verfahren zum rundschmelzen von magnetisch weichen ferriten.

Info

Publication number: CH635050A5
Application number: CH1504577A
Authority: CH
Inventors: Tibor Kugler; Werner Dr Sc Nat Borer; Thomas Dr Ing Zuzak
Original assignee: Alusuisse
Priority date: 1977-12-08
Filing date: 1977-12-08
Publication date: 1983-03-15
Also published as: NL7811268A; CA1117720A; NO784124L; FR2411050A1; GB2011375B; SE7812608L; BE872592A; IT1101297B; US4162283A; JPS5488899A; GB2011375A; DK523878A; IT7830393A0; DE2755657C3; DE2755657A1; DE2755657B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Rundschmelzen von magnetisch weichen Ferriten, insbesondere von Magnetit, in einem Strahl heisser Gase.

In verschiedenen Gebieten der Industrie werden runde Ferrit-Teilchen mit Durchmesser bis zu 200 (im angewendet. Ausschlaggebend für die Anwendbarkeit sind gewisse Materialeigenschaften dieser Teilchen, wie geringe magnetische Remanenz, mechanische Festigkeit, Oberflächenhärte, womöglich vollkommene Rundform und Homogenität. Eine bekannte und angewandte Methode zum Herstellen von runden Magnetit-Teilchen ist das Rundschmelzen in einem Strahl von heissem Gas, z.B. Plasma. Die bisherigen Methoden sind aber mit verschiedenen Nachteilen behaftet. Bei Anwendung eines Gasstromes mit niedrigem Enthalpieinhalt pro Masseneinheit oder niedriger Wärmeübergangszahl ist die notwendige Verweilzeit der Teilchen im Gasstrahl zu gross, es kommt zum Zusammenstossen der an der Oberfläche schmelzflüssigen Teilchen und zur Agglomeration. Als Folge ist das Ausbringen an runden Teilchen gering und man muss eine aufwendige Trennung von nicht agglomerierten und agglomerierten Teilchen nachschalten. Aus denselben Gründen (niedrige Wärmeleitfähigkeit des Gases) werden die Partikel verhältnismässig langsam abgekühlt, was zu magnetisch härteren Teilchen führt. Infolge der langsamen Aufheiz- und Abkühlvorgänge gelangt oxidierendes Gas aus der Umgebung des Gasstrahles in das Strahlinnere und wenigstens ein Teil eines Ferritteilchens wird zu nichtmagnetischem Eisenoxid oxidiert. Die Verhütung dieser Nachteile mit Vorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik verlangt die Anwendung einer dichten, mit kostspieligem Schutzgas gefüllten Apparatur.

Somit haben sich die Erfinder die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zu schaffen, das es gestattet, Ferrit bis 200 |xm und mehr Durchmesser gleichmässig rundzuschmelzen, und zwar unter Beibehaltung der magnetischen Eigenschaft und des Kornspektrums der Partikel im Ausgangszustand.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die zum Rundschmelzen bestimmten Teilchen mittels einem Trägergasstrom in einer Rohr- oder Schlauchleitung bis in die Nähe eines heissen, mittels eines Plasmagenerators in einem Reaktor erzeugten Gasstrahles mit mindestens 50 kW Leistung, welcher zum überwiegenden Teil aus Wasserdampf besteht, geführt werden, wobei unmittelbar vor dem Verlassen dieser Leitung der überwiegende Teil des Trägergasstromes nach dem Prinzip der Fliehkrafttrennung vom Pulver abgetrennt wird, und die Teilchen in den heissen Gasstrahl geschleudert und in den heissen Zonen des Strahles aufgeschmolzen werden, worauf die Teilchen in kälteren Strahlzonen wieder erstarren und anschliessend gesammelt und kontinuierlich aus dem Reaktor ausgetragen werden.

Zur Erzeugung des Strahles heisser Gase werden Plasmageneratoren, insbesondere Gleichstromplasmageneratoren verwendet. Als besonders geeignet zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens haben sich flüssigstabilisierte Plasmabrenner erwiesen. Derartige Brenner sind an sich bekannt und beispielsweise in der US-PS 3 712 996 und der US-PS 3 665 244 beschrieben. Die Leistung eines dermass erzeugten Plasmastrahls liegt vorzugsweise über 100 kW, insbesondere über 150 kW.

Als Anode werden in derartigen Plasmageneratoren üblicherweise rotierende Kupferscheiben eingesetzt. Obwohl diese auch zur Durchführimg des erfindungsgemässen Verfahrens geeignet sind, hat sich herausgestellt, dass der Einsatz von rotierenden Eisenanoden besonders günstig ist. Aberodierte Eisenpartikel werden mit dem Plasmastrahl mitgerissen und gelangen so in das aufzuschmelzende Gut, doch wird das magnetische Verhalten des Gutes dadurch nicht oder nur unwesentlich verändert. Bei Einsatz der Kupferanoden kann unter Umständen eine Beeinträchtigung der magnetischen Eigenschaften des Gutes erfolgen.

Der an den Plasmageneratoren angrenzende Reaktor zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, muss infolge der in seinem Innenraum herrschenden hohen Temperaturen feuerfest ausgekleidet sein. Er weist Öffnungen auf, welche einerseits zum Einführen der Pulvertransportleitungen und anderseits zum Austragen des rundgeschmolzenen Gutes dienen.

Überraschend hat sich gezeigt, dass durch die Verwendung von Wasserdampf als Hauptbestandteil des Plasmagases die gewünschten magnetischen Eigenschaften des rundgeschmolzenen Ferrites, das sind magnetische Weichheit und hohe Sättigungsmagnetisierung, wesentlich besser sind als bei anderen, aus thermodynamischen Gründen wenigstens ebenso geeigneten Gasen, wie z.B. CO. Obwohl die mechanistischen Ursachen dieses Verhaltens der Ferrite zur Zeit noch nicht abgeklärt sind, nimmt Wasserdampf in der Palette der aus thermodynamischen Gründen geeigneten Gase eine einzigartige, bevorzugte Stellung ein. In einigen Fällen

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35

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65

3

635 050

zeigte der rundgeschmolzene Ferrit ein noch besseres magnetisches Verhalten als das Ausgangsprodukt. Ein derartiges Verhalten trat bei Parallel-Versuchen mit CO-Plas-magasen bestehend aus CO mit weiteren Zusätzen in keinem Fall auf.

Die erfindungsgemäss erforderte minimale Leistung des Plasmastrahls garantiert eine minimale Verweilzeit der Partikeln in einer genügend heissen Zone des Strahles, d.h. die geforderte Minimalleistung bewirkt primär eine genügende Erhöhung der pro Zeiteinheit ausgestossenen Plasmagasmenge und damit deren Geschwindigkeit. Durch diese erhöhte Geschwindigkeit des Plasmagases wird die zum Aufschmelzen notwendige Verweilzeit der Partikeln in den heissen Zonen des Strahls vermindert - erhöhter Wärmeübergang Gas - Partikeln durch Invektion aufgrund der höheren Geschwindigkeitsdifferenz. Somit wird ein gleichmässiges Durchschmelzen der Partikeln gewährleistet. Dieses gleich-mässige Durchschmelzen ist auch auf eine Verlängerung und eine Verbreitung des Plasmastrahles als Folge der verhältnismässig hohen Leistung und daraus auf eine Vergrösserung des, die zum Schmelzen notwendige Temperatur von etwa 2000° aufweisenden Strahlvolumens zurückzuführen.

Durch den hohen Geschwindigkeitsgradienten des Gases in axialer Richtung innerhalb des Strahles liegt anderseits die mittlere Verweilzeit eines Partikels unterhalb der Zeitlimite oberhalb der ein Zusammenstossen der Partikeln im schmelzflüssigen Zustand wahrscheinlich wird. Dadurch wird erreicht, dass durch ein Rundschmelzen nach dem erfindungsgemässen Verfahren kein feststellbarer Anteil an vergröbertem, das heisst agglomeriertem Korn entsteht. Es wird somit erreicht, dass die Korngrössenverteilung des rundgeschmolzenen Gutes nur unwesentlich von derjenigen des Eduktes abweicht.

Damit die Ferritpartikeln eine zur Durchführung des Verfahrens genügend grosse Austrittsgeschwindigkeit aus der Transportleitung erreichen, ist einerseits eine verhältnismässig grosse Menge an Transportgas notwendig, wobei aber anderseits nach Möglichkeit kein Transportgas in den Plasmastrahl gelangen soll, wo es kühlend auf den Plasmastrahl und oxidierend auf die Ferritpartikeln wirken könnte. Eine hohe Geschwindigkeit des Transportstromes ist ferner notwendig, um ein präzises «Einschiessen» des Partikelstromes in Form eines kollimierten Strahles sicherzustellen. Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Partikelstrom vor Eintritt in den Gasstrahl mittels dem an sich bekannten Prinzip der Fliehkrafttrennung vom Trägergasstrom abgetrennt wird. Der gebündelte Pulverstrahl tritt mit einer Geschwindigkeit aus der Zuleitung, deren Komponente in Strahlrichtung des Plasmagases grösser als Null ist.

Als Transportgas kann ein beliebiges Gas eingesetzt werden, wobei als einzige Bedingung gilt, dass das Gas aus verständlichen Gründen bei Raumtemperatur nicht korrosiv auf die verwendeten Apparaturen und den Ferrit wirken darf. Vorzugsweise wird Luft eingesetzt.

Gemäss einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemässen Verfahrens ist vorgesehen, dass zu erschmelzende Ferritpulver mittels zwei, vorzugsweise drei Transportströmen, welche radial und axial symmetrisch oder unsymmetrisch gegen den Gasstrahl geführt werden in diesen einzubringen.

Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich in besonderem Masse zum Rundschmelzen von natürlich vorkommendem hochgradigem Magnetit unter Beibehalt insbesondere seiner magnetischen Eigenschaften. Somit wird es nicht notwendig zur Herstellung runder Magnetite bis 200 |im und mehr auf synthetische Magnetite zuzugreifen.

Das erfindungsgemässe Verfahren wird nachfolgend anhand zweier Beispiele näher erläutert:

Beispiel 1

Ein wasserstabilisierter Plasmagenerator von der Art wie in den amerikanischen Patentschriften Nr. 3 712 996 und 3 665 244 beschrieben, wird mit einer elektrischen Leistung 5 von 125 kW betrieben. Die Stromstärke des Lichtbogens beträgt 430 Ampère, die Bogenspannung 290 Volt. Mit diesen Betriebsparameter liegt der thermische Wirkungsgrad des Generators bei 58%, das heisst die aus dem Generator austretende «Plasmaflamme» repräsentiert eine Leistung von 73 io kW. Die Plasmamenge beträgt 7 kg H20/h. Als Anode wird eine rotierende Kupferscheibe verwendet.

In diese Plasmaflamme wird aus zwei Rohren je 20 kg/h Magnetitpulver eingespiesen. Als Trägergas wird Luft verwendet, und zwar 0,28 Nm3/min (Normalkubikmeter pro 15 Minute). Die Zuleitungsrohre sind an ihren Enden derart gekrümmt, dass der Vektor des daraus austretenden Pulverstrahls mit dem Vektor der Plasmaflamme einen Winkel von 40° bildet. Zudem sind die Rohrenden über eine Länge von 2 cm aufgeschlitzt, so dass die Transportluft bereits vor dem 20 eigentlichen Rohrende entweichen kann.

Die Eigenschaften des Pulvers vor und nach dem Rundschmelzen sind in der folgenden Tabelle I wiedergegeben.

25

Tabelle 1

Eigenschaft

Ausgangsmaterial

Produkt

Körnung

30

>85% 40-132 um

< 10% unter 40 (im

< 5% über 132 jxm

>70% 40-132 um >15% unter 40 [am > 15% über 132 Jim

Zusammensetzung

Magnetisierung 40 bei 7000 Oe bei 1000 Oe Remanenz Koerzitivfeld

45 % runde Partikel Schüttdichte Spez. Oberfläche Fliessverhalten gemäss ASTM so B-212 bzw. B-213

Fe

>70%

Fe30.

t 95+1%

95 + 1%

Fe20;

3 2,5 + 0,5%

2,5 + 0,5%

Si02

<0,5%

AI20;

, <0,3%

<0,3%

90 emu/g

88 emu/g

58 emu/g

56 emu/g

< 2 emu/g

18 Oe

O

90

2,0

2,6

-

450 cm2/g

1,6 g/s

Wie Tabelle I zeigt, werden die Eigenschaften des Mag-55 netits durch den Rundschmelzprozess nur unwesentlich be-einflusst. So erfahren vor allem die wichtigen magnetischen Eigenschaften und die chemische Zusammensetzung keine signifikante Änderung.

60

Beispiel 2

Mit demselben Plasmageneratorsystem wurde mit den nachfolgend aufgeführten Versuchsparameter ein weiterer Versuch gefahren:

Elektrische Leistung des Generators 250 kW

65 Stromstärke des Lichtbogens 605 Ampère

Bogenspannung 410 Volt

Thermischer Wirkungsgrad des

Generators 66%

635 050

Leistung des Plasmastrahls 165 kW

Plasmamenge 11 kg H20/h

Anode Eisen

Magnetitpulver-Zufuhr 88 kg/h

Trägergas (Luft) 0,4 Nm3/min

Winkel zwischen Vektor Pulverstrahl/

Vektor Plasmastrahl 50°

Länge des aufgeschlitzten Rohrendes 2,5 cm

Die Eigenschaften des mit diesen Verfahrensparametern s rundgeschmolzenen Materials sind in Tabelle II aufgelistet.

Tabelle 2

Eigenschaft Ausgangsmaterial Produkt

Körnung > 85% 60-160 (im > 75% 60-160 um

<10% unter 60 |im < 20% unter 60 (im < 5% über 160 um < 5% über 160 (im

Zusammen

Fe

>70%

setzung

Fe304

95+1%

95 + 1%

Fe203

2,5 + 0,5%

Si02

<0,5%

AI2O3

<0,3%

Magnetisierung bei 7000 Oe bei 1000 Oe Remanenz Koerzitivfeld

85 emu/g 54 emu/g <2,5 emu/g 24 Oe

88 emu/g 56 emu/g < 2,5 emu/g 24 Oe

% runde Partikel Schüttdichte Spez. Oberfläche Fliessverhalten gemäss ASTM B-212 bzw. B-213

O

<2,1

85% 2,7 350 cm2/g

2,2 g/s

Gegenüber Beispiel 1 zeigt dieser Versuch deutlich die Die weiter bestimmten Eigenschaften des rundgeschmol-

auf die höhere Leistung des Plasmastrahls zurückzuführende zenen Magnetitpulvers weisen trotz höherer Generatorlei-

geringere Tendenz zur Bildung von Agglomeraten während stung keine grösseren Änderungen auf, als dies in Beispiel 1

des Rundschmelzens. 40 mit geringerer Brennerleistung der Fall war.

s

Claims

635 050

1. Verfahren zum Rundschmelzen magnetisch weicher Ferrite, insbesondere Magnetit, in einem Strahl heisser Gase, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Rundschmelzen bestimmten Teilchen mittels einem Trägergasstrom in einer Rohr- oder Schlauchleitung bis in die Nähe eines heissen, mittels eines Plasmagenerators in einem Reaktor erzeugten Gasstrahles mit mindestens 50 kW Leistung, welcher zum überwiegenden Teil aus Wasserdampf besteht, geführt werden, wobei unmittelbar vor dem Verlassen dieser Leitung der überwiegende Teil des Trägergasstromes nach dem Prinzip der Fliehkrafttrennung vom Pulver abgetrennt wird und die Teilchen in den heissen Gasstrahl geschleudert und in den heissen Zonen des Strahls aufgeschmolzen werden, worauf die Teilchen in kälteren Strahlzonen wieder erstarren und anschliessend gesammelt und kontinuierlich aus dem Reaktor ausgetragen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Plasmagenerator ein Gleichstromgenerator verwendet wird.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des Strahles heisser Gase ein flüssigstabilisierter Plasmabrenner verwendet wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des erzeugten Plasmastrahls mindestens 100 kW beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Plasmastrahls mindestens 150 kW beträgt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Transportgas Luft eingesetzt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die heissen Gase in einem Plasmagenerator mit einer Eisenanode erzeugt werden.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zu erschmelzende Pulver mittels zwei, vorzugsweise drei radial und/oder axial symmetrisch oder asymmetrisch angeordneten Transportleitungen gegen den Gasstrahl geführt und in diesen eingebracht werden.