DE102010021660A1

DE102010021660A1 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze

Info

Publication number: DE102010021660A1
Application number: DE201010021660
Authority: DE
Inventors: Dr. Danov Vladimir; Dr. Landes Harald; Dr. Most Dieter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2011-12-01
Also published as: WO2011147630A2; WO2011147630A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (2) zur Erzeugung eines Granulats (4) aus einer mineralischen Schmelze (6) mit einer Schmelzenzuführvorrichtung (8), und einer Drehzerstäubungsvorrichtung (10) mit einem drehbar angeordneten Rotationskörper (12), an dessen Oberfläche (14) ein Zerstäuben der Schmelze (6) in Mikropartikel erfolgt und die so entstandenen Mikropartikel eine vom Rotationskörper (12) wegführende Flugbahn (20) einnehmen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Rotationskörper (12) einen metallischen Tragkörper (16) und eine darauf angeordnete keramische Beschichtung (18) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zur Herstellung des sogenannten Hüttensandes wird die Schlacke, die bei Hochofenprozessen bei etwa 1500°C bis 1600°C flüssig anfällt, durch verschiedene Verfahren granuliert. Hierzu gehört einerseits das Abschrecken der Hochofenschlacke, was jedoch zu einem sehr hohen Wasserbedarf und insgesamt zu einem hohen Energiebedarf führt.
Ein weiteres verbreitetes Verfahren zur Granulierung der Hochofenschlacke ist das sogenannte Rotating Cup-Verfahren. Hierbei wird die flüssige Schlacke auf einen teller- oder scheibenförmigen Rotationskörper gegossen, durch die Zentrifugalkraft wird die flüssige Schlacke in kleinen Tröpfchen nach außen geschleudert und so zerstäubt. Die abgekühlten Tröpfchen ergeben den gewünschten Hüttensand. Dieser Hüttensand kann beispielsweise in der Zementindustrie als Zusatzstoff verwendet werden. Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise in der EP 0 804 620 B1 beschrieben.
Diese Schrift liefert jedoch keinen Beitrag zu einem in der Praxis auftretenden Problems nämlich der mangelnden Dauerfestigkeit des Rotationskörpers gegenüber der aggressiven heißen mineralischen Schmelze.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zu Grunde, eine oben beschriebene Vorrichtung bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Langzeitbeständigkeit aufweist.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Granulates aus einer mineralischen Schmelze nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze nach Patentanspruch 1 umfasst eine Schmelzzuführvorrichtung, durch die die Schmelze einer Drehzerstäubungsvorrichtung zugefügt wird. Die Drehzerstäubungsvorrichtung weist einen drehbar angeordneten Rotationskörper auf, an dessen Oberfläche ein Zerstäuben der Schmelze in Mikropartikel, beispielsweise in Form von kleinen Tröpfchen erfolgt. Die Mikropartikel weißen üblicherweise einen Durchmesser im Bereich zwischen 500 μm und 5 mm auf. Die so entstandenen Mikropartikel nehmen eine Flugbahn ein, die vom Rotationskörper wegführt. Diese Flugbahn hat eine hohe radiale Komponente bzgl. der Drehachse des Rotationskörpers, sie ist jedoch nicht streng radial nach außen gerichtet. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Rotationskörper einen metallischen Tragkörper und eine darauf angeordnete keramische Beschichtung aufweist.
Die beschriebene Erfindung weist insbesondere den Vorteil auf, dass der Rotationskörper gegenüber der aggressiven mineralischen Schmelze durch eine keramische Beschichtung thermisch und chemisch geschützt ist. Der Rotationskörper kann insbesondere im Bereich des Tragkörpers zusätzlich zu der keramischen Beschichtung noch eine Kühlung aufweisen. Dies ist insbesondere deshalb zweckkmäßig, da die Schmelze eine Erstarrungstemperatur aufweist, die bei 1200°C liegt. Die thermische Belastung des Rotationskörpers kann durch diese Maßnahme weiter gesenkt werden. Bei der Kühlung kann es sich einerseits um eine Wasserkühlung handeln, die grundsätzlich effektiver ist als eine Luftkühlung.
Je nach Art der mineralischen Schmelze und deren Energieinhalt kann durch den beschriebenen erfindungsgemäßen Rotationskörper jedoch auch eine Luftkühlung ausreichend sein. Bei einer Luftkühlung kann zusätzlich die erhitzte Luft in Form von Abwärme in anderen Prozessen genutzt werden, wodurch eine Energieeinsparung des Gesamtprozesses entsteht. Im Fall der Wasserkühlung sinkt Kühlwasserstrohmund es entsteht mehr Wärmeenergie in der Schlacke für die Nutzung durch die Luftkühlung.
Der Rotationskörper kann je nach der zu erzielenden Flugbahn unterschiedliche Oberflächengeometrien aufweisen. Eine zweckmäßige Oberflächengeometrie ist eine planare Oberfläche. Die Schmelze trifft auf die Oberfläche des Rotationskörpers auf und wird rein radial nach außen weggeschleudert. Um eine entsprechende andere Flugbahn zu erzeugen, kann es jedoch auch zweckmäßig sein, dass die Oberfläche entsprechend eines Tellers oder einer Tasse gewölbt ist.
Als zweckmäßige keramische Beschichtungen haben sich Bornitrid, Borcarbid, Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid bzw. Mischungen daraus, so genannte Composits, als zweckmäßig ergeben. Insbesondere das Bornitrid führt zu einer ausgesprochenen glatten und temperaturbeständigen Oberfläche. Das gleiche gilt auch für das Borcarbid. Bei der Auswahl des Beschichtungswerkstoffes ist darauf zu achten, dass der Ausdehnungskoeffizient zwischen dem Tragkörper und der keramischen Beschichtung möglichst gering sein sollte. Ist dies nicht ohne weiteres zu erzielen, da Metalle und Keramiken häufig unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten aufweist (Metalle haben meist einen höheren Ausdehnungskoeffizienten als Keramiken), kann es auch zweckmäßig sein, zwischen dem Tragkörper und der keramischen Beschichtung eine Zwischenschicht anzuordnen, die den Unterschied im Ausdehnungskoeffizienten kompensieren kann. Hierbei kann auch für den Werkstoff des Tragkörpers eine Metalllegierung gewählt werden, die dem Ausdehnungskoeffizienten der Keramik nahe kommt, beispielsweise CrFe5.
Ferner kann es zweckmäßig sein, dass die Oberfläche des metallischen Tragkörpers aufgeraut ist, damit die keramische Beschichtung bzw. die Zwischenschicht auf der Oberfläche des metallischen Körpers besser anhaftet.
Grundsätzlich kann die keramische Beschichtung auch als selbsttragender Körper ausgestaltet sein und auf den Tragkörper aufgesetzt sein.
Weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung sowie weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei sind Merkmale mit derselben Benennung, jedoch in unterschiedlicher Ausgestaltungsform jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine Vorrichtung zur Trockengranulation eine mineralischen Schmelze,
2 einen Querschnitt durch einen Rotationskörper mit planarer Oberfläche und
3 einen Querschnitt durch einen Rotationskörper mit einer tellerförmigen Oberfläche.
Anhand der 1 wird zunächst die Vorrichtung 2 zur Trockengranulation einer mineralischen Schmelze 6 in der Gesamtheit erläutert. Bei der Vorrichtung 2 handelt es sich um eine Vorrichtung, die zur Durchführung des so genannten Rotating Cupverfahrens dient. Hierbei wird grundsätzlich eine Schmelze auf einen Rotationskörper aufgegossen, wobei der Rotationskörper, in diesem Fall der Rotationskörper 12, als Rotating Cup bezeichnet wird.
In der beispielhaften Ausgestaltungsform gemäß 1 ist ein Schlackebecken 28 vorgesehen, in der flüssige Schlacke in Form von Schmelze 6 beinhaltet ist, die über eine Schmelzenzuführungsvorrichtung 8 auf den Rotationskörper 12 gegossen wird. Der Rotationskörper 12 wiederum ist Bestandteil der Drehzerstäubungsvorrichtung 10, die insbesondere dazu dient, den Rotationskörper 12 anzutreiben und im Weiteren nicht näher erläutert wird. Die flüssige Schmelze 6 auf dem Rotationskörper 12 wird auf einer Flugbahn 20 nach außen getrieben, wobei sich Mikropartikel bilden, die in der Regel die Form von Tröpfchen zwischen 0,5 mm und 5 mm Durchmesser aufweisen. Die Mikropartikel prallen in dieser Ausgestaltungsform an einer Prallwand 22 ab, wobei die Prallwand hierbei gekühlt sein kann. Gleichzeitig wird über eine Kaltluftzufuhr 30 kalte Luft in einen Prozessraum 31 geblasen, die dazu dient, die Mikropartikel auf ihrer Flugbahn 20 und nach dem Abprall an der Prallwand 22 zu kühlen und deren Erstarrung zu fördern. Die während des Prozesses erhitzte Kaltluft 30 tritt an einem Warmluftauslass 32 im oberen Bereich der Vorrichtung 2 als Warmluft aus. Die Warmluft kann als thermische Energiespender für andere Prozesse energieeffizient genutzt werden.
Die erstarrten Mikropartikel prallen nun in ein Fließbett 24, indem sie nun als Granulat 4 in ein Reservoir 26 geleitet werden. Das Granulat ist ein körniges Produkt, das auch als Hüttensand bezeichnet wird und das in der Zementherstellung gewinnbringend Anwendung findet.
Bei der Verwendung eines metallischen Rotationskörpers, der eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, ist es in der Regel notwendig, eine sehr gute Kühlung des Rotationskörpers 12 zu gewährleisten, damit dieser nicht beschädigt wird. Dennoch kommt es aufgrund der hohen Temperatur der Schmelze, die erst bei wenigstens 1200°C erstarrt, häufig zum Ankleben von Schmelzepartikeln auf der Oberfläche des Rotationskörpers, was zu dessen Beschädigung führt. Es ist dann notwendig, den Rotationskörper auszutauschen und durch einen neuen zu ersetzen, was sehr hohe Kosten verursacht.
Feuerfeste Materialien, insbesondere keramische Materialien, weisen eine geringere Wärmeleitfähigkeit bei einer höheren chemischen Resistenz und bei einer höheren Temperaturbeständigkeit auf. Deshalb ist der Rotationskörper 12 gemäß der 2 und 3 mit einer keramischen Beschichtung versehen. In 2 weist die Oberfläche 34 des Tragkörpers 12 eine planare Geometrie auf, die Schmelze 6 gelangt auf die Oberfläche 34 und wird praktisch in einer Ebene entlang der Flugbahn 20 nach außen geschleudert, in 3 weist die Oberfläche 34 des Tragkörpers 12 eine tellerförmige Einbuchtung auf, wodurch die Flugbahn 20 der Mikropartikel bezüglich einer Drehachse des Rotationskörpers einen steileren Winkel erhält.
Die Form der Oberfläche 34 des Rotationskörpers 12 kann je nach Anforderungen des Prozesses, insbesondere der Schlackeeigenschaften der Granulationsgröße und der verwendeten Abkühlverfahren der Schlacke variieren.
Grundsätzlich kann sowohl eine Luftkühlung 38 als auch eine Wasserkühlung 36 vorgesehen sein. Exemplarisch wird der Rotationskörper 12 mit einer Luftkühlung 38 gekühlt, die durch eine lange hohlraumförmige Ausnehmung im Innenraum des Rotationskörpers 12 dargestellt ist. Die hierbei entstandene Warmluft kann als positive Prozesswärme in anderen Prozessen genutzt werden.
Wiederum rein exemplarisch ist eine Wasserkühlung in Form von Kühlkanälen in 3 dargestellt. Die Wasserkühlung ist jedoch unabhängig von der Geometrie des Rotationskörpers 12.
Die Wärmeübertragungsmechanismen zwischen Schmelze und Rotationskörper gestalten sich wie folgt: An einer Schmelzoberfläche zum Prozessraum 31 erfolgt eine Wärmeübertragung durch Konvektion. Zwischen der Schmelze 6 und der keramischen Beschichtung 18 erfolgt eine Wärmeübertragung über eine Wärmeleitung, dieselbe Wärmeübertragung erfolgt auch zwischen der keramischen Beschichtung 18 und dem Tragkörper 16, wobei hier noch ein Kontaktwiderstand besteht. Grundsätzlich ist es möglich, dass zwischen der keramischen Beschichtung 18 und dem Tragkörper 16 eine hier nicht dargestellte Zwischenschicht vorliegt. Auch hier wiederum würde eine Wärmeleitung als Wärmeübertragungsmechanismus vorliegen. Zwischen Tragkörper 16 und der darin angeordneten Kühlung 36 bzw. 38 erfolgt wiederum eine konvektive Wärmeübertragung an das Wasser bzw. an die Luft.
Ein weiterer Vorteil der Ausgestaltung des Rotationskörpers 12 durch die keramische Beschichtung 18 besteht darin, dass an der keramischen Beschichtung ein Anbacken bzw. ein Anhaften der Schlacke verhindert wird. Die Form der Oberfläche 14 bleibt auch nach längerer Prozessdauer erhalten. Zumindest ist es möglich, eine reproduzierbare Korngrößenverteilung des Produktes Hüttensand einzustellen. Die Produktqualität kann somit ebenfalls erhöht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0804620 B1 [0003]

Claims

Vorrichtung (2) zur Erzeugung eines Granulats (4) aus einer mineralischen Schmelze (6) mit einer Schmelzenzuführvorrichtung (8), und einer Drehzerstäubungsvorrichtung (10) mit einem drehbar angeordneten Rotationskörper (12) an dessen Oberfläche (14) ein Zerstäuben der Schmelze (6) in Mikropartikel erfolgt und die so entstandenen Mikropartikel eine vom Rotationskörper (12) wegführende Flugbahn (20) einnehmen, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper (12) einen metallischen Tragkörper (16) und eine darauf angeordnete keramische Beschichtung (18) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (16) gekühlt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Kühlung um eine Wasserkühlung handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Kühlung um eine Luftkühlung handelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskörper (12) eine planare Oberfläche (14) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (14) des Rotationskörpers tellerförmig gewölbt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Beschichtung (18) auf der Basis von Bornitrid, Borkarbid, Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem metallischen Tragkörper (16) und der keramischen Beschichtung (18) eine Zwischenschicht angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche des metallischen Tragkörpers (16) aufgeraut ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Beschichtung in Form eines selbsttragenden keramischen Körpers ausgestaltet ist.