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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze nach Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze nach Patentanspruch 12.
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Zur Herstellung des so genannten Hüttensandes wird die Schlacke, die bei Hochofenprozessen beispielsweise beim Aufschmelzen von Eisen bei etwa 1500°C bis 1600°C flüssig anfällt, durch verschiedene Verfahren granuliert. Hierzu gehört einerseits das Abschrecken der Hochofenschlacke, was zu einem sehr hohen Wasserbedarf und insgesamt zu einem hohen Energiebedarf führt.
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Ein weiteres verbreitetes Verfahren zur Granulierung der Hochofenschlacke ist das so genannte 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 zerstäubt. Die abgekühlten Tröpfchen ergeben den gewünschten Hüttensand. Dieser Hüttensand kann beispielsweise in der Zementindustrie als Zusatzstoff verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Hüttensand einen glasartigen, also amorphen Charakter aufweist, weil so die hydraulischen Eigenschaften des Zementes, in dem er verwendet wird deutlich verbessert werden.
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Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise in der
EP 804 620 B1 beschrieben.
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Ziel der Trockengranulation von Schlacke ist es, wie beschrieben, einen Hüttensand herzustellen, der zur Zementproduktion dient. Dieser Hüttensand sollte möglichst aus kugelförmigen Partikeln mit einheitlichem Durchmesser von maximal 4,5 mm bestehen. Ein einheitlicher Partikeldurchmesser ist bei der anschließenden Aufmahlung im Zementwerk vorteilhaft, weil dadurch die Zementmühlen exakter gesteuert werden können und so Mahlenergie sowie Zeit eingespart werden kann. Dieser Mahlprozess ist im Zementwerk mit einem erheblichen Kostenfaktor verbunden, weshalb eine Vereinheitlichung der Partikel des Hüttensandes ein erhebliches Kosteneinsparpotential beinhaltet.
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Die in der zitierten Schrift beschriebene Vorrichtung und das darin beschriebene Verfahren führt zwar dazu, dass im Wesentlichen kugelförmige oder tropfenförmige Mikropartikel erzeugt werden, diese Partikel haben jedoch keine einheitliche Größe aufweisen. Dies ist aus den genannten Gründen nachteilig.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Granulation von mineralischen Schmelzen bereitzustellen, bei dem die Partikelgröße der Granulatpartikel einheitlicher eingestellt werden kann, als dies im Stand der Technik der Fall ist.
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Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Herstellung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie in einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
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Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 dient zur Erzeugung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze. Hierbei kann es sich einerseits wie einleitend erwähnt, um die Schlacke eines Hochofenprozesses handeln, die bei der Eisenverhüttung anfällt, es kann sich jedoch auch um eine anderweitig erzeugte mineralische Schmelze handeln, die rasch abgekühlt und granuliert werden soll. Im Weiteren wird auch für die geschmolzene Schlacke der Begriff „Schmelze” verwendet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine mineralische Schmelze auf einem Rotationskörper aufgebracht wird, wobei der Rotationskörper einer Drehbewegung unterzogen wird, bei der die Schmelze über einen Rand des Rotationskörpers hinausgeschleudert wird. Im Randbereich des Rotationskörpers entsteht eine so genannte Abrisszone der Schmelze, in der die Schmelze durch die Wirkung der Oberflächenspannung in Mikropartikel zerfällt. Die Abrisszone kann je nach Eigenschaft der Schmelze, Geometrie des Rotationskörpers und des Umdrehungsgeschwindigkeit bereits auf dem Rotationskörper (vor dessen Rand) oder erst jenseits des Randes des Rotationskörpers beginnen. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass im Bereich der Abrisszone durch einen Erreger eine Schwingung in der Schmelze erzeugt wird.
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Durch ein gezieltes Aufbringen von Schwingungen auf die Schmelze in der Abrisszone können stehende Wellen auf der flüssigen Schmelze erzeugt werden. Am Rande des Rotationskörpers wirken diese bei einem so genannten Ligamentenzerfall als kontrollierte Einschnürungen. Diese kontrollierten Einschnürungen führen zu einer geregelten Tropfenabspaltung aus den Ligamenten. Durch die Wahl der Wellenlänge kann im Weiteren innerhalb von bestimmten Grenzen der Partikeldurchmesser der entstehenden Mikropartikel aktiv beeinflusst werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Erreger in Form eines Schallerzeugers ausgestaltet. Schallwellen eignen sich besonders gut dazu, Schwingungen in der Schmelze zu erzeugen, die bevorzugt in Form einer stehenden Welle ausgebildet sind.
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Grundsätzlich ist es auch zweckmäßig, die Schwingung durch einen mechanischen Erreger zu erzeugen, der direkt an ein Festkörperbauteil, wie in diesem Fall der Rotationskörper, angekoppelt ist.
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In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist es zweckmäßig, das Kühlmittel, das zur Kühlung des Rotationskörpers diesen durchfließt, zur Erzeugung der Schwingung heranzuziehen. Hierzu wird das Kühlmittel in eine Schwingung versetzt, die wiederum den Festkörperbestandteil des Rotationskörpers anregt, wodurch letztlich die Schwingung auf die Schmelze übertragen wird.
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In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Erregung des Kühlmittels durch einen Erreger zu erzeugen, der direkt im Kühlmittelkanal angeordnet ist. Hierbei kann es sich einerseits um einen Schallerzeuger handeln oder beispielsweise um einen piezoelektrischen Schwingungserzeuger. Weitere Erreger im Kühlmittelbereich sind ebenfalls zweckmäßig.
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Ebenfalls kann es zweckmäßig sein, dass die Schwingungen durch einen Schallerzeuger erzeugt werden, der außerhalb des Rotationskörpers angeordnet ist und die Schwingungen durch das gasförmige Medium, insbesondere Luft, die den Rotationskörper umgibt, übertragen werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung weist die Schwingung eine Wellenlänge auf, die zwischen dem 0,1fachen und dem 4fachen eines gewünschten Mikropartikeldurchmessers beträgt. Als besonders gut hat sich eine Wellenlänge bewährt, die in etwa dem Doppelten des Partikeldurchmessers abträgt.
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Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Granulats aus einer metallischen Schmelze nach Patentanspruch 12. Diese Vorrichtung umfasst eine Schmelzenzuführvorrichtung einer Drehzerstäubungsvorrichtung mit einem drehbar angeordneten Rotationskörper. An der Oberfläche des Rotationskörpers bewegt sich die Schmelze, die durch die Schmelzenzuführungsvorrichtung auf die Oberfläche des Rotationskörpers befördert ist, radial nach außen. In einem Randbereich des Rotationskörpers entsteht eine Abrisszone, in der eine Zerstäubung der Schmelze in Mikropartikel erfolgt. Die so entstandenen Mikropartikel nehmen eine von dem Rotationskörper wegführende Flugbahn ein. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Erreger vorgesehen ist, der in der Abrisszone eine Schwingung in der Schmelze erzeugt.
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Unter dem Begriff Mikropartikel werden hierbei die aus der zerstäubten und teilweise erstarrten Schmelze entstandenen Tröpfchen verstanden, die üblicherweise einen Durchmesser zwischen 500 μm und 5 mm aufweisen. Die Anhäufung der Mikropartikel, die in einem erstarrten Zustand in einem Fließbett liegen, wird als Granulat bezeichnet. Die Gesamtmenge an Granulat wiederum ergibt den so genannten Hüttensand, der wie beschrieben nach Möglichkeit eine möglichst geringe Gauß-Verteilung um einen mittleren Durchmesser der Mikropartikel aufweisen soll.
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Weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung und weitere Merkmale werden in den folgenden Figuren näher erläutert. Gleiche Merkmale in unterschiedlichen Ausgestaltungsformen werden dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Granulationsvorrichtung nach dem so genannten Rotating Cup-Verfahren, auf der die vorliegende Erfindung basiert,
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2 bis 4 eine Draufsicht auf einen Rotationskörper mit einer Schmelzenabrisszone, wie sie erfindungsgemäß vorteilhaft ist,
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5 eine Draufsicht auf einen Rotationskörper mit einer Schmelzenabrisszone, wie sie nach dem Stand der Technik vorliegt,
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6 einen Querschnitt durch einen Rotationskörper mit einer Kühlung und der Schmelzenabrisszone, wie sie nach dem Stand der Technik vorliegt,
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7 einen Querschnitt durch einen Rotationskörper mit Kühlung, wobei die Schwingung durch Druckunterschiede im Kühlmittel erzeugt wird,
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8 einen Querschnitt gemäß 7, wobei die Schwingung durch einen Schallerzeuger im Kühlmittelbereich erzeugt wird,
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9 einen Querschnitt gemäß 8, in dem die Schwingung durch einen piezoelektrischen Schwingungserzeuger am Festkörper des Rotationskörpers erzeugt wird,
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10 einen Querschnitt durch einen Rotationskörper gemäß der 7 bis 9, wobei die Schwingung durch einen außerhalb des Rotationskörpers angebrachten Schallerzeugers erzeugt wird und
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11 einen Querschnitt durch einen Rotationskörper gemäß der 7 bis 10, indem die Schwingung durch Druckunterschiede des Mediums außerhalb des Rotationskörpers erzeugt wird.
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In 1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze nach dem so genannten Rotating Cup-Verfahren dargestellt, wie sie im Stand der Technik beschrieben ist und wie sie vom Zerstäubungsverfahren als Grundlage für die vorliegende Erfindung dient. Hierzu wird über eine Schmelzenhinzuführvorrichtung 26 mineralische Schmelze 4 zu einer Drehzerstäubungsvorrichtung 28 geführt, wobei die Schmelze 4 auf den zur Drehzerstäubungsvorrichtung 28 gehörenden Rotationskörper 6 aufgegossen wird. Der Rotationskörper 6 schleudert die Schmelze 4 nach außen, wobei sich zwischen dem äußeren Ende des Randes 8 und außerhalb des Randes 8 eine so genannte Abrisszone bildet (vgl. 3 oder 5), indem im Stand der Technik ein so genannter Fluidfilm vorliegt, aus dem sich im weiter außen liegenden Bereich der Abrisszone Tröpfchen in unregelmäßiger Größe und Form ausbilden und über eine Flugbahn 23 nach den äußeren Kräften entsprechend, radial nach außen fliegen. Der Fluidfilm zerfällt zuerst in Ligamenten 14 (vgl. 2 bis 4), die sie dann in weiteren sich zu kugelförmigen Tröpfchen vereinzeln. Diese kugelförmigen Tröpfchen bleiben durch die in eigener Oberflächenspannung als geschlossener Körper erhalten und kühlen anschließend ab. Dabei tritt auf der Oberfläche eine zunehmende Erstarrung ein, bis das kugelförmige Tröpfchen, das im Weiteren als Mikropartikel gemäß der Definitionen aus der Einleitung bezeichnet wird, vollständig erstarrt ist.
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Die Mikropartikel fallen anschließend in ein so genanntes Fließbett, wo sie als Anhäufung als Granulat bezeichnet werden. Dieses Granulat wird über das Fließbett in ein hier nicht dargestelltes Reservoir abgeführt, indem das Granulat als Hüttensand aufgegangen wird.
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In den 2 bis 4 wird eine Draufsicht auf einen Rotationskörper 6 gezeigt, indem (beispielhaft in 3) eine so genannte Abrisszone bzw. Schmelzenabrisszone 10 eingezeichnet ist. Die Abrisszone 10 erstreckt sich in einem Bereich innerhalb eines Randes 8 des Rotationskörpers 6 bis zu einem Bereich, in dem die Bildung der Tröpfchen 12 abgeschlossen ist. In einer idealen Modellierung gemäß den 2 bis 4 bilden sich zunächst Ligamente 14, die durch gezielte Einschnürung sich vereinzeln und dabei die Mikropartikel 12 entstehen.
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In 5 hingegen ist eine Abrisszone 10 dargestellt, wie sich der Rotationskörper nach dem Stand der Technik ergibt, wobei ein unkontrollierter Fluidfilm 15 im Bereich der Abrisszone 10 entsteht, aus dem sich zwar auch Mikropartikel 12 vereinzeln, die jedoch einen sehr unregelmäßigen Durchmesser und eine unregelmäßige Form ausbilden.
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Für die Bildung der Mikropartikel 12 ist zum einen als Parameter die Rotationsgeschwindigkeit des Rotationskörpers 6 von Bedeutung. Wie bei der Rotationsgeschwindigkeit gibt es ein sehr enges Geschwindigkeitsfenster, wird dieses überschritten, so bilden sich fadenförmige Partikel, die auch als Steinwolle bezeichnet werden. Ist die Rotationsgeschwindigkeit zu niedrig, bilden sich Agglomerate und größere Brocken, die ebenfalls als Hüttensand ungeeignet sind. Weitere Parameter, die die Mikropartikelbildung beeinflussen, sind die Masse, die Oberflächenspannung der Schmelze, die Viskosität der Schmelze sowie des umgebenden Mediums und ein Temperaturgradient innerhalb des umgebenden Mediums.
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In 6 ist eine Querschnittszeichnung durch einen Rotationskörper 6 mit einer Kühlung 22 dargestellt, die eine Seitenansicht der 5 entspricht und eine unregelmäßige Fluidbildung gemäß des Standes der Technik darstellt. Hierbei ist es so, dass in dem Fluidfilm 15 lokale Einschnürungen entstehen, die durch Störungen in der Strömung des Fluids, beispielsweise Turbulenzen, erfolgen. Diese lokalen Einschnürungen führen ebenfalls zur Separation von tröpfchenförmigen Mikropartikeln. Der Abriss der Lamellenfäden erfolgt beim unbeeinflussten Lamellenaufbruch jedoch mehr oder weniger statistisch an diesen Einschnürungen. Es entstehen Tröpfchen mit einem Vorzugsdurchmesser, aber einer breiten Verteilung des Partikeldurchmessers, also einer breiten statistischen Gaußkurve entsprechend.
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Durch das gezielte Aufbringen von Wellen können Schwingungen 18 in Form von stehenden Wellen in der flüssigen Schlacke auf dem Rotationskörper und in der Abrisszone 10 erzeugt werden (7 bis 11). Am Rande des Rotationskörpers 6 wirken diese Schwingungen 18 als kontrolliert erzeugte Einschnürungen. Diese Einschnürungen der Ligamente 14 führen zu einer kontrollierten Bildung von Mikropartikeln mit einem Vorzugsdurchmesser, der eine sehr enge statistische Verteilung aufweist. Die erzeugte Schwingung 18 in Form einer stehenden Welle hat vorzugsweise eine Wellenlänge λ, die in der Dimension der Partikeldurchmesser der Mikropartikel liegt. Die Mikropartikel haben bevorzugt einen Durchmesser zwischen 0,5 mm und 5 mm. Es hat sich herausgestellt, dass eine Wellenlänge der Schwingung 18 vorteilhaft ist, die in etwa dem doppelten Partikeldurchmesser entspricht.
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Die dabei durch einen Erreger 16 einzubringende Frequenz ergibt sich nach folgender Formel: ν = c / λ, wobei
- ν
- = Frequenz
- c
- = Schallgeschwindigkeit im betreffenden Medium und
- λ
- = Wellenlänge.
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Je nach Medium, in dem die Anregung zur Schwingung 18 erfolgt, und je nach der in diesem Medium vorherrschenden Konstante der Schallgeschwindigkeit muss die anregende Frequenz ν unterschiedlich gewählt werden. Handelt es sich um eine Festkörperanregung, wie sie beispielsweise in den Ausführungsbeispielen nach den 7 bis 9 erfolgt (hierauf wird noch eingegangen werden), so handelt es sich um eine Frequenz, die in der Regel höher als 1 MHz liegt, bei einer Anregung über ein gasförmiges Medium wie Luft, gemäß der 10 und 11 ist eine Anregung im Bereich von > 10 kHz (Ultraschallbereich) bevorzugt zwischen 200 und 400 kHz zweckmäßig. Hieraus ergeben sich bei einem Zusammenhang Φ = λ / 2 (Φ = Partikeldurchmesser) Mikropartikel, die im Bereich von 1 mm liegen.
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Die deutlich unterschiedliche Schallgeschwindigkeit in Luft und im Festkörper erfordert somit vollkommen unterschiedliche Anregungsfrequenzen ν.
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Die Zerteilung bzw. die Vereinzelung zu Mikropartikeln kann einerseits auf Grund einer Ultraschallschwingung hervorgerufen werden. Andererseits können Kapillarschwingungen mit einer deutlich niedrigeren Frequenz die Zerteilung hervorrufen. Die Kapillarschwingungen werden durch die Dichte der Schmelze und deren Oberflächenspannungen beeinflusst.
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Anhand der 7 bis 11 wird im Weiteren exemplarisch darauf eingegangen, wie die Schwingung 18 erzeugt werden kann. Am Beispiel der 7 wird der Querschnitt durch den Rotationskörper 6 mit der darauf liegenden Schmelze 4 näher erläutert. Auf dem Rotationskörper 6, der einen Rand 8 aufweist, wird die Schmelze 4, wie in 1 dargestellt, aufgegossen und insbesondere durch die Zentrifugalkraft – veranschaulicht durch den Pfeil in der Schmelze 4 – wird die Schmelze mit einer radialen Kraftkomponente nach außen getragen. In einer Abrisszone 10, die kurz vor dem Rand 8 des Rotationskörpers 6 beginnt und bis zu dem Bereich verläuft, in dem sich die Mikropartikel 12 von den Ligamenten 14 vereinzelt haben, ist die Schwingung 18 (graphisch als Wellenliniedargestellt) in Form einer stehenden Welle angelegt. Die 7 bis 11 zeigen Beispiele, wie die stehende Welle 18, deren Wirkung bereits beschrieben wurde, erzeugt wird. Es ist dabei nicht unbedingt notwendig, dass es sich um eine absolut stehende Welle handelt, es kann sich auch um eine quasi stehende Welle handeln, die bezüglich eines festen Schmelzenabschnittes stehend ist, sich aber mit diesem Schmelzenabschnitt radial nach außen bewegt.
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Gemäß 7 wird ein Kühlmittel 22, das durch den Rotationskörper 6 geleitet wird, mit schwingenden Impulsen versehen. Diese Schwingungsimpulse können durch einen Erreger im Kühlmittelstrom, beispielsweise durch die Kühlmittelpumpe (nicht dargestellt) oder durch eine andere geeignete Einheit aufgebracht werden. Die Schwingungsimpulse des Kühlmittels 22 werden auf den Festkörper des Rotationskörpers 6 übertragen, der wiederum im äußeren Bereich dieser Schwingung auf die Schmelze 4 überträgt, wodurch die Schwingung 18 in der Schmelze entsteht. Die Erregung der Schwingung im Kühlmittel wird, wie bereits erwähnt, durch eine Pumpe erzeugt, die hier nicht dargestellt ist. Die Pumpe kann somit als Erreger angesehen werden. In 8 ist der Erreger 16, der das Kühlmittel 22 zur Schwingung anregt, in Form eines Schallerzeugers 20 im Kühlmittelbereich ausgestaltet. Die Schwingungsübertragung erfolgt analog dem, wie sie in 7 beschrieben ist.
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In 9 ist der Erreger 16 in Form eines piezoelektrischen Schwingungserzeugers 24 dargestellt, der direkt am Rotationskörper angeordnet ist und seine Schwingungen auf den Festkörper des Rotationskörpers 6 überträgt. Die Erzeugung der Schwingung 18 erfolgt analog in der 8 und 7, sie wird durch den Festkörper des Rotationskörpers 6 auf die Schmelze 4 und somit. in die Abrisszone 10 hinein übertragen.
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In 10 ist ein Erreger 16 dargestellt, der wiederum in Form eines Schallerzeugers 20 ausgestaltet ist, im Gegensatz zur 4 ist dieser Schallerzeuger 20 nun außerhalb des Rotationskörpers 6 angeordnet, wie in diesem Beispiel dargestellt, erzeugt der Schallerzeuger 20 eine Schallwelle, die von oben auf die Abrisszone 10 der Schmelze wirkt und die Schwingung 18 in Form einer stehenden Welle erzeugt.
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In 11 ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dargestellt, indem die Schallwelle durch gezielte Druckunterschiede des dem Rotationskörper 6 umgebenden Mediums, in der Regel Luft, dargestellt. Die Druckunterschiede in der umgebenden Luft bzw. in dem umgebenden Gas werden dazu genutzt, um die Schwingung 18 zu erzeugen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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