DE1220058B - Verfahren und Vorrichtung zur Waermebehandlung pulverfoermiger Stoffe, insbesondere zum Schmelzen der Koerner hochschmelzender Stoffe, mittels eines Hochtemperaturplasmas - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Waermebehandlung pulverfoermiger Stoffe, insbesondere zum Schmelzen der Koerner hochschmelzender Stoffe, mittels eines Hochtemperaturplasmas

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DE1220058B DEG44007A DEG0044007A DE1220058B DE 1220058 B DE1220058 B DE 1220058B DE G44007 A DEG44007 A DE G44007A DE G0044007 A DEG0044007 A DE G0044007A DE 1220058 B DE1220058 B DE 1220058B
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. α.:
H05h
Deutsche Kl.: 21h-16/60
Nummer: 1220 058
Aktenzeichen: G 44007 VIII d/21 h
Anmeldetag: 28. Juni 1965
Auslegetag: 30. Juni 1966
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung pulverförmiger Stoffe mittels eines Hochtemperaturplasmas, insbesondere zum Schmelzen der Körner pulverförmiger hochschmelzender Stoffe zum Zwecke der Umwandlung der eckigen Kornform in eine kugelförmige Kornform.
Bei der Herstellung von keramischen Kernreaktorbrennelementen ist man bestrebt, eine möglichst hohe Dichte des Brennstoffes zu erhalten. Nun hat es sich gezeigt, daß dieses dann erreicht werden kann, wenn der körnige Kernbrennstoff aus kugelförmigen Körnern besteht. Hierzu werden die kantigen Körner eines Pulvers durch ein Hochtemperaturplasma hindurchgeführt, so daß das Kornmaterial schmilzt und der Stoff aus dem Plasma in Kugelform austritt. Am geeignetsten hierfür haben sich sogenannte Gleichstromplasmabrenner erwiesen, bei denen zwischen einer stabförmigen Kathode und einer diese konzentrisch umgebenden Anode eine Gleichstrombogenentladung erzeugt wird. Durch diesen konzentrischen Entladungskanal wird das Gas, welches das Plasma bilden soll, hindurchgeleitet und das Pulver in das gebildete Plasma mit einem Trägergas eingeführt.
Es hat sich nun gezeigt, daß bei diesen bekannten Einrichtungen der Anteil der Energie des Plasmas, die auf das Pulver übertragen wird, relativ gering ist und daß daher eine größere Verweilzeit in dem Plasma bis zum Schmelzen notwendig ist. Das würde aber verhältnismäßig umfangreiche Aufbauten erfordern, um einen großen Plasmastrahl zu erzeugen, der diese Verweilzeit gewährleistet.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei welcher die Verweilzeit pulverförmiger Stoffe in einem Hochtemperaturplasma zum Zwecke des Schmelzens möglichst groß ist, und wobei die Plasmaapparatur verhältnismäßig klein gehalten werden kann, so daß sich eine entsprechend günstige Wärmeausnutzung und ein optimaler technischer Wirkungsgrad ergeben.
Es wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe mit dem Verfahren nach der Erfindung zur Wärmebehandlung pulverförmiger Stoffe, insbesondere zum Schmelzen der Körner hochschmelzender Stoffe mittels eines Hochtemperaturplasmas, wobei der pulverförmige Stoff in einem Trägergas fein verteilt und durch dieses in den Bereich des Plasmas transportiert wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst werden kann, daß der pulverförmige Stoff getrennt vom Trägergas und/oder gemeinsam mit diesem vor Eintritt in den Bereich des Plasmas auf erhöhte Tem-
Verfahren und Vorrichtung zur
Wärmebehandlung pulverförmiger Stoffe,
insbesondere zum Schmelzen der Körner
hochschmelzender Stoffe, mittels eines
Hochtemperaturplasmas
Anmelder:
Gesellschaft für Kernforschung m. b. H.,
Karlsruhe, Weberstr. 5
Als Erfinder benannt:
Dipl.-Ing. Peter Weimar, Karlsruhe;
Harry Liepelt, Staffort
peraturen, vorzugsweise über 1000° C, vorerhitzt wird. Zwar ist es bei Verfahren zum Erzeugen eines Lichtbogenplasmas, bei denen der Plasmaflamme von außen zusätzliches Gas zugeführt wird, schon seit Jahrzehnten bekannt, dieses Gas vorzuwärmen, um eine von außen erfolgende starke Abkühlung des Plasmas zu vermeiden. Die mit der Erfindung gegebene Lehre, mit der die Verweilzeit von mit der Plasmaflamme zu behandelnden körnigen Stoffen herabgesetzt werden soll, ist jedoch damit nicht bekannt oder nahegelegt, wie die bisherige technische Entwicklung gezeigt hat.
Insbesondere ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft, das Trägergas vor dem Mischen mit dem pulverförmigen Stoff vorzuwärmen. Es hat sich gezeigt, daß es zweckmäßig ist, wenn der pulverförmige Stoff und das Trägergas voneinander getrennt vorgewärmt und anschließend miteinander vermischt werden. Auf diese Weise wird nämlich gleichzeitig eine Trocknung des pulverförmigen Stoffes erreicht und erst der getrocknete und von adsorbierten Gasen befreite Stoff in das Trägergas eingeführt. Hierzu ist es zweckmäßig, wenn der pulverförmige Stoff und das Trägergas in einer gemeinsamen Erhitzungseinrichtung vorgewärmt werden. Weiterhin hat es sich gezeigt, daß es sehr vorteilhaft ist, wenn das Plasma aus dem den pulverförmigen Stoff beigemischt enthaltenden Trägergas mittels einer Lichtbogenentladung, Hochfrequenzentladung od. dgl. erzeugt wird.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Einrichtung zum
609 587/353
Erzeugen eines Hochtemperaturplasmas (Plasmabrenner) umfaßt erfindungsgemäß eine Vorwärmeinrichtung zur Vorwärmung des pulverförmigen Stoffes, die dem Plasmabrenner vorgeschaltet ist, und weiterhin eine dem Plasmabrenner vorgeschaltete Vorwärmeinrichtung für das Trägergas. Zweckmäßig sind hierbei die Vorwärmeinrichtung für den pulverförmigen Stoff und diejenige für das Trägergas zu einer gemeinsamen Vorwärmeinrichtung zusammengefaßt. Am Ausgang der Vorwärmeinrichtung ist erfindungsgemäß eine Mischdüse zum Einleiten des pulverförmigen Stoffes in das Trägergas vorgesehen, wobei zur Steuerung des Durchtritts des pulverförmigen Stoffes durch die Öffnung der Mischdüse eine den Öffnungswiderstand periodisch verändernde Vibriereinrichtung vorgesehen sein kann. Die Dosierungsmenge des pulverförmigen Stoffes läßt sich mit einer Vibriereinrichtung mit veränderbarer Vibrationsfrequenz und Amplitude in sehr einfacher Weise regeln. ao
Wird ein, Lichtbogenplasmabrenner, bestehend aus einer stiftförmigen Kathode und einer hphlzylinderförmigen Anode, verwendet, so ist es besonders vorteilhaft, wenn die Kathode erfindungsgemäß gleichzeitig mindestens teilweise als Zuführungsleitung für das den pulverförmigen Stoff mitführende Trägergas ausgebildet ist. Damit nun das Gas nicht wieder abkühlt, wenn es aus der Vorwärmeinriehtung austritt und in die als Zuführungsleitung ausgebildete Kathode eintritt, ist die Kathode als durch den zum Lichtbogen fließenden Strom zu erhitzendes Widerstandsheizelement ausgebildet. Die Halterung der Kathode kann flüssigkeitsgekühlt ausgeführt sein. Außerdem ist es zweckmäßig, wenn die Kathode in dem Bereich, in dem sie vom den pulverförmigen Stoff mit sich führenden Trägergas umgeben ist, insbesondere im B.ejeeich der Aqode* voja einem den Sträpaungskanal für das Trägejga.s bildenden wärmeisolierenden Mantel, z, B. aus hochfeuerfes.ter Keramik, umgeben ist.
Eine spezielle Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung ist W der Abbildung dargestellt:
Der pulyerförmige Stoff-1 befindet sich in einem rohrförmigen Behälter-2 und ist von einer spiralförmig ausgeführten Rohrleitung 3 umgeben,, durch welche das Trägergas, fließt. Sowohl der roirrförmige Behälter? als auch die ihn umgebende Leitung3., sind in einem Ofen 4, der als Vorwärmemrichtung dient, untergebracht. Am Ende, des rohrförmigen Behälters, 2. befindet sich eine Düse 5 (Mise.fodüse)., durch welche der puiverföjmige Stoff \ in dem Trägergas verteilt wird und, von der aus beide über eine gerneinsame Leitung 6 zur Kathode 7 strömen. Die Mischdüse. 5 besteht aus einer trichterförmigen DüsenöjSnung, in der sieh eine Düsennadel & be^ flndetj die. durch eine Vibrationseinrichtung ft in ihrer Längsrichtung in, Vibration versetzt wird;. Dje Katho.d.e 7 ist in" ihrem. Unterteil als. Zuführungsleitung fütr das, de.n, pplyerfonnigen Stoff en^ajtende'TrägerT gas ausgebildet und Wer' das, Kpritaktstyck 10 mit dem negativen Pol einer QleichstromqueUe verbunden. Der obere. Teil 11 der Kathode ist als Stift ausgeführt und wird vondemTrägergäS; mit dem pulverföxmigen Stoff umströmt. Dieser Katnpd,enstift 11 bildet ZMarnmen mit der konzentrischen Anode 12 einen Strömungskanal für das Trägergas. Damit das Trägergai un.d, die. darin enthaltenen pulverförmigen Stoffe nicht ihre Wanne, an die Wände der wasser?
gekühlten Anode 12 oder die sonstige umgebende Wandung abgeben, ist ein aus keramischem Material bestehender wärmeisolierender Zylinder 13 vorgesehen. Sowohl die Anode 12 als auch die Kathodenh.a];iefung }4 sin# flüssigkeitsgek-yhlt. D^ie Anode 12 ist über- das, l^ontaktstück. IS mit dem positiven Pol der Gleichstromquelle verbunden. Durch den von der Qleichstromquelle aufrechterhaltenen, an der Stelle 1$ zwischen Kathode 7 und Anode 12 entstehenden Hochstrombogen wird das Plasma mittels des Trägergases und der in ihm enthaltenen pulverförmigen Stoffe gebildet. Die Kathode 7 ist in ihrem elektrischen Widerstand so bemessen, daß sie durch den hindurchffieß.enden Strojm gleichzeitig als Widerstandsheizelement zum Vorwärmen des Trägergases dient.

Claims (14)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Wärmebehandlung pulverförmiger Stoffe, insbesondere zum Schmelzen der Körner hochschmelzender Stoffe, mittels eines Hochtemperaturplasmas (Plasmas), wobei der pillverfqrmige Stoff in einem Trägergas, fein verteilt und. durch dieses in den Bereich des Plasmas transportiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der pu}verförmige Stoff getrennt vorn. Trägergas, und/oder gemeinsam mit diesem auf erhöhte Temperaturen, vorzugsweise über I0.Q0° C, vorerhitzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß. auch das Trägergas vor dem Misch.en mit dem pulverförmigen Stoff vorger wärmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß pulverförmiger Sto,ff und Trägergas in einer gemeinsamen Erhitzungseinrichtung vorgewärmt werden.
4. Verfahren nach, Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das, Plasjma a.us dem den pulverförmigen Stoff beigemischt enthaltenden Trägergas mittels einer Lichtbogenentladung, Hoehfrequenzentladung od. dgl. erzeugt wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des, Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4 mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Hochtemperaturplasmas (Plasmabrenner), dadurch gekennzeichnet, daß ?lem Plasmabrenner eine Vorwärmeinrichtung zur Vorwärmung des pulverförmigen Stoffes vorgeschaltet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeicivnet, daß dem Plasmabrenner eine Vorwärmeinrichtung für das Trägergas vorgeschaltet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch. 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dajß die Vorwärmeinrichtung für den pulverförrnigen Stoff und diejenige für das Trägergas zx\ einer gemeins,amen "Vorwärmeinriehtung zusammengefaßt sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ger kennzeichnet, daß am Ausgang dejf Vorwärmeinriehtung eine Mischdiise zum Einleiten des pulverförmiger! Stoffes in das Trägergas vorge^ se.hen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch §, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Durelitritts des pulverförmigen Stoffes durch die öffnung der Mischdüse eine den Qffnungswiderstand
periodisch verändernde Vibriereinrichtung vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vibriereinrichtung mit veränderbarer Vibrationsfrequenz und Amplitude vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8 bis 10 mit einem Lichtbogenplasmabrenner aus stiftförmiger Kathode und diese konzentrisch umgebender hohlzylinderförmiger Anode, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode gleichzeitig mindestens teilweise als Zuführungsleitung für das den pulverförmigen Stoff mitführende Trägergas ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode als durch den zum Lichtbogen fließenden Strom zu erhitzendes Widerstandsheizelement ausgebildet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung der Kathode flüssigkeitsgekühlt ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode in dem Bereich, in dem sie vom den pulverförmigen Stoff mit sich führenden Trägergas umgeben ist, insbesondere im Bereich der Anode, von einem den Strömungskanal für das Trägergas bildenden wärmeisolierenden Mantel, beispielsweise aus Keramik, umgeben ist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1907488;
USA.-Patentschrift Nr. 2 011 872;
Zeitschrift »Powder Metallurgie«, 1964, H. 14,
S. 216 bis 288.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
609 587/353 6.66 © Bundesdruckerei Berlin
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