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Verfahren und Einrichtung zum Herstellen von etwa kugelförmigen Teilchen
aus schmelzbrem Haterial.
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Für manche Zwecke, beispielsweise als Wärmeträger für Wärmeaustauscheinrichtungen,
chemische Anlagen und dgl., werden bisweilen kuglförmdge Maseteilenen aus hochtemperaturfextem
Meterial 1 benötigt. Die @@findung geht davon aus, daß die herstellung derartiger
Teilchen, dit angenähert Kngeflorm sufwelsen sollen, besonders dann große Schwierigkeiten
bereitet, wenn kesondere Forderungen an die Abessungen der Teilhcen gestellt sind,
beispielsweise wenn in einem Bereich zweichen 3 und 8 mm Masseteilchen mit enger
Toleranz, d.h. mit nur ganz geringen Durchmesserabweichungen untereinander hergestellt
werden sollen.
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Gegenstand der Erfindng ist ein Verfahren zwm herstellen von deran@igen,
etwa kugelförmigen i' Masseteilchen aus hochtemperaturfestem Material, daß sie dadurch
auszeichnet, daß ein Strom des Msterials
in geschmolzenem Zustand
zunächst in Tröpfchen aufgespalten und anschließend vor der Abkühlung und dem Aurfangen
der einzelnen Teilchen durch einen beheizten Fallraum mit vorzugsweise erhöhter
Temperatur hindurchgeführt wird. Hierdurch wird erreicht, daß die durch Aufspalten
der Strömung gewonnenen Tröpfchen infolge Erwärmung und Verringerung der Viskosität
des aufgeschmolzenen Materials unter dem einfluß der Oberflächenspannung Kugelform
annehmen.
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Gegenstand der Erfindung ist weiter eine Vorrichtung zum Aufspalten
des Schmelzflußstromes in Tropfen, die mit einem beheiztan Schacht verbunden ist,
der ermöglicht, Infolge der in ihm erzielten Beheizung die Ablösung der Tropfen
sowie deren selbsttätige überführung in Kugelform zu ermöglichen.
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Gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht diese Vorrichtung
aus einer Düsenplatte mit einem daran angesetzten beheizten Schachtkörper. Die Ausbildung
der Tropfendüsen ist vorzugsweise derart getroffen, daß die in ihrem unteren Teil.
mit Abströmschlitzen versehenen Düsen unterhalb der Schlitze liegende Tropfeabletter
mit einem sich verjUngenden Querschnitt aufweisen. Diese anordnung macht es bei
entsprechender Bemessung der Ablaufquerschnitte-und der Tropfenableiter mögliche
die geforderten kleinen Tropfendurchmesser, d.h. geringe Tropfengräße, zu erzielen.
Jedoch ist auch eine abweichende Düsensauführung ohne Tropfanableiter möglich.
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Vopn wesentlicher Eedutung ist für die erfindungsgemäße Einrichtung
bzw. das vorgeschlagene Verfahren, daß in dem sich an die Düsen platte anschließenden
Schacht eine hinreichend hohe Temperatur vorhanden ist, um die Viskosität der geschmolzenen
Nasse so weit herabgesetzt zu halten, daß sich die Tropfen besonders leicht ablösen
und daß beim Durchfallen der einzelnen Tropfen durch den Schachtraurn diese praktisch
Kugelform annehmen.
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Die Beheizung des an die Düsenplatte anschließenden Schachtraumes
kann durch eine besondere heizeinrichtung mittels Gases oderelektrischen stromes,
gegebenzefells induktiv, erfolgen.
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Eine besonders günstige Anordnung läßt sich gemäß der weiteren Ausgestaltung
der Erfindung dadurch erzielen, daß die Düsenplatte und der sich anschließende Tropfenbildungsschacht
innerhalb einer wanne, die mit dem geschmolzenen Werkstoff gefüllt ist, aneordnet
erden. Infolge der Lage der Düsenplatte unterhalb dj.% Flüssigkeitsspiegels d:.'r
Wanne stellt die Hbhe der geschmolzenen Schmelzmasse oberhalb des Düsenbodens ein
Maß für den Durck dar, der die Schmeliflüssigkeit durch die einzelnen Tropfendildungsdüsen
der Düsenplatte hindurchtreibt. Vorzugsweise kann die Wane fr die Schmelzflüssigkeit
nit einem nach unten erweiterlen topfförmigen Teil versehen sein.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung kann zur Herstellung von Masseteilchen
aus keramisiertem Glas - (wie es unter dem Namen Synopai bekannt ist aus Korund
(A12 03) und ähnlichen Materialien hergestellt sein. Da beim Schmelzen derartiger
Materialien -verhältnismäßig hohe Temperaturen von etwa 1500 .- 20000C auftreten,
ist aie Verwendung hochtemperaturfester Materialien sowohl für die Zuleitung für
den geschmolzenen Werkstoff, die ggf. diesen aufnehmede Wanne als auch die Düsenplatte
und den Tropfenbildungsschacht erforderlich. Die letztgenannten Teile werden deher
gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung aus hochtemperaturbeständigen Materialien
wie Molybdän, Tantsl oder hochtemperaturbeständigen keramischen Werkstoffen hergestellt.
Um innerhalb des Tropfenbildungsschachtes eine Oxydation des Schachtmsterials bei
Verwindung von Metallen auszuschließen, kann es Vorteie bieten, dem Schacht ein
Schutzgas, beispielsweise ein Gemisch von 80% Stickstoff und 20% Wasserstoff, zuzuführen,
das zweckmäßigerweise direkt oder indirekt durch die Beheizung des Tropfenbildungsschachtes
auf die erforderliche Temperatur gebracht wird.
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Die Erfindung umfaßt weiter noch die Ausbildung und Anordnung von
Fangyorrichtungen für die aus dem Tropfenbildungsschacht durch einen die Abkühlung
ermöglichenden Luftraum -hindurchfallenden kugeförmigen Teilchenkörper. Hierbei
kann gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung diese Auffangvorrichtung durch
eine auf einer schiefen Ebehe gleitende Bettung aus feinkörnigen Teilchen, wie Sand,
gebildet
.werden, in welcher die nur unvolkommen erstarrten kugelformigen
Tropfen itn freien Fall ohne Deformation aufgefangen und abgeleitet werden, bis
sie durch eine rostartige Ableitvorrichtung unter weiterer Abkühlung in einen Sammelbehälter
abgeführt werden.
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Eine andare vorteilhafte Auffangvorrichtung für die gebildeten kugelförmigen
Masseteilchen kann gemäß der weitern Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzielt
werden, daß zunächst unterhalb der Kühlzone rUr die Masseteilchen eine Luftdruchströmte
aufpralleinrichtung mit geneigter Aufp'rallfläche vorgesehen ist, von der unter
Umlenkung die Ma-sseteilcher. in ein luftdurchströmtes LJirbelbett überströmen.
Aus letzterem werden die hochgewirbelten Masseteilchen nach weiterer Albkühlung
durch die Luftströmung über die Ränder des trichterförmigen Wirbelbttes hochgetragen,
daß sie in einen Sammelbehälter gelangen können.
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Im folgenden soll die Erfindung näher anhand der Zeichnungen erläutert
werden.-Figur 1 gibt beispielsweise eine Anlage wieder, bei der die Abtropfeinrichtung
mit Düsenplatte und Tropfenbildungsschacht innerhalb einer mit dem geschmolzenen
Werkstoff gerfüllten Wanne angeordnet ist und in einem durch einen Kühlraum getrennten,
unterhalb der Abtropfeinrichtung angerodneten Raum eine Auffangeinrichtung für die
gebeildeten kugelförmigen Masetelichen in Form eines auf einer schiefen @@@ bens
geneigten Bettes mit nachgeschaltetem Sammelbehälter angeordnet
Figur
2 stellt im einzelnen die Ausbildung einer Tropfendüse dar, wie sie in der die Tropfenbildung
ermöglichenden Düsenplatte angeordnet ist.
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Figur gibt eine abgeänderte Anlage wieder, in welcher der geschmolzene
Werkstoff durch eine einfache Zuleitung der Abtropfelnrichtung zuströmt.
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Figur 4 zeigt eine vereinfachte Tropfdüse ohne TropRenableiter.
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In Figur 5 ist eine weitere Abwandlung einer Abtropf,vorrichtung wiedergegeben,
die sich dadurch auszeichnet, daß mechanisch angetriebene Tropfenableiter vorgesehen
sind.
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Figur 6 schließlich zeigt schema-tisch eine geänderte Auffangeinrichtung.
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In dem Aosführungsbeispiel der Figur 1 bedeutet 1 eine Wanne zur Aufnahme
des geschmlzenen Werkstoffes, aus dem die kugelförmigen Masseteilchen hergestellt
werden können. Die Wanne 1 kann aus hoch- # temperaturfestem Blech bestehen, das
im Innern m=it einem mehrschichtigen hochtemperaturfesten Futter 2 ausgekleidet
ist. 3a und 3b sind Kanäle, durch welche die geschmolzene Masse dem Innenraum 4
der Wanne zuströmen kanne Innerhalb der Wanne ist die Einrichtung. ur Tropfenbildung
6 vorhanden, die aus einer Platte 7 mit einer größeren
Zahl Abtropfdüsen
15 sowie einem unterhalb angeordneten Tropfen--bildungsschacht 8 besteht, der durch
Wände 9 aus temperaturfestem Material, beispielsweise Molybdän, von dem in die Wanne
1 eingeführten geschmol'zenen Werkstoff 10 getrennt ist. Um die Blechwände 9 des
Tropfenbildungsschachtes gegen Oxydation zu schützen, kann dem Tropfenbildungss.chacht
8 über eine Leitung 11 ein Schutzgas zugeführt werden, das sauerstofffrei ist, so
daß Oxydationen der hohen Temperaturen ausgesetzen Wandbleche 9 nicht möglich sind.
Als Schutzgas kann beispielsweise sog. Formiergas aus 80 N und 20% H2 Anwendung
finden.
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Vorzugsweise ist die Wanne in. Ihrem unteren Teil verJüngt und so
tief, ausgebildet, daß der Wandkörper des Tropfenbildungsscha chtes - abgesehen
von seinem unteren die Bodenwand le der Wanne 1 durchdringenden Ende - über seine
ganze Länge innerhalb der geschmolzenen Werkstoffmasse liegt. In der Wanne ist eine
Heizungsvorrichtung , z.B. in Form von Elektroden 12a, 12b, vorgesehen, die elektrischen
Heizt strom in die Wanne einleiten, wobei das Schmelzgut selbst als elektriseher
Widerstand dient. Selbstverständlich könnte auch eine elektrische Heizung die mit
einem Lichtbogen arbeitet, oder eine induktive Beheizung vorgesehen sein. Dle Düsenplatte
7 der Abtröpfeinrichtung liegt unterhalb des Spiegels 5 der geschmolzenen Masse,
so daß für die Strömung der Nasse durch die die Tropfenbildung ermöglichenden Düsen
15 der Druck der geschmolzenen Werkstoffmasse verfügbar ist.
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Durch Änderung der Spiegelhöhe dz. Schmelzmasse oberhalb desDüsenbodens
ist die Möglichkeit gegeben, den Mass@@durchfluß und die Tropfenbildung in der Düsenplatte
zu reglen.
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Figur 2 der Zeichnung gibt im einzelnen-- die Ausbildung einer Düse
zur Tropfenbildung wieder. Die einzelnen gegebenenfalls auswechselbaren Düsen, die
in die Düsenplatte 7 eingelassen sind, bestehcn aus einem Düsenkörper 15 aus hochtemperaturbreständigen
Material, dessen und terer Teil 15a im wesentlichen zylindrisch und dessen oberer
Teil 15b schwach konisch ausgebildet ist. An seinem unteren Ende weist der Düsenkörper
15 schmale,. sich ggr. nach unten verjüngende Schlitze 15c auf. Der mittlere Teil
15d des Düsenbodens ist mit einem Tropfenableiter 16 versehen, der sich nach seinem
Ende zu verjüngt und an dessen unterem zugespitztem Ende sich die. durch die Schlitze
15c in kleiner Menge durchgeflossene Schmelzmesse als Tropfen ablöst. De Troipfenableiter
16 kann beispielsweise als Nadel mit sich nach unten. verjüngendem, ggf. mchrfach
abgesetztem Querschnitt ausgebldet, sine.
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In einfachster Weise läßt sich der Tropfehableiter 16 durch mehrere
re, ^ebenenfalls-verdrillte parallel nebeneinander liegends Drahtenden oder Nadelkörper
verschiedener Länge bilden, die in einer gemeinsamen Bohrung des Düsenbodens 15d
so aufgehängt sind, daß der für die. Ableitung der Schmelz- -. masse dienende Gesamtquerschnitt
sich allmählich entsprechend der abgestuften länge der einzelnen, den Ableitkörper
bildenden Drahtstücke verjüngt. Die Tropfenableiter können vorzugsweise aus, wechselbar
angeordnet werden.
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Um eine Regelung der die einzelnen Düsen 15 durchströmenden Schmelzmasse
zu ermöglichen, kann innerhalb des kegel'förmig erweiterten oberen Düsenendes 15b
noch als Regelgleid ein verstellbarer kegelkörper 17 vorgesehen werden, durch dessen
Höhenverstelung ent -sprechend den Pfeilen 17a der Durchtrittsquerschnitt zwischen
den
Teilen 15b und 17 und damit die Menge der Schmelzmasse, die
die Düse durchstrdmt, geändert werden kann. Wie Figur 1 erkennen läßt, können die
zur .Regelung vorgesehenen Kegelkörper 17 der Düsenplatte 7 an einem gemeinsamen
Regelglied 18 angebracht werden, das durch einen Veratellantrieb, 18a eingestellt
werden kann.
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Der Tropfenbildungsschacht 8, dessen Wände 9 durch den tief liegenden
Bodentell 1c der Wanne 1 hindurchgeführt ist, mündet zunächst in einen Luftraum
19, der einerseits durch den Boden der Wanne 1, andererseits einen Zwischenwandteil
20 abgegrenzt sein kann, auf dem die Wanne 1, z.B. durch Säulen 20a, abgestützt
ist. In dem Luftraum 19 unterhalb des Tropranbildungssahe chtes 8 bzw. der Wanne
1 kühlen sich die in dem Tropfenbildungsschacht 8 einer verhältnismäßig hohen Temperatur
ausgesetzten Teilchen entsprechend der niedrigeren Temperatur in den tiefer liegenden
Luftschichten erheblich ab, wodurch die Tropfenmasse der inzwishen in kugelförmige
Gestalt überführten Tropfen wesentlich zähflüssiger wird. Unter Umständen kann as
zweckmäßig sein, die umgewälzte, durch den Raum 19 unterhalb des Tropfonbildungsschschtes
8 geführte Luft durch geeignete Mittel, beispielsweise im Gegenstrom bewegte kalte
Luft, zu kühlen, fal@ die n@@@@ @@ Rück@@lung durch Konvektion infolge der Fallbewenung
nicht sichergestelt ist. Durch den schlitz 20b in der @henwand 20. .flt nnaen die;
etwas abgekühlten Masseteilchen in die KJammer 21 miteines Auffangeinrichtung. Die
Auffangeirichtung wird bei das @@@apiel der Figur 1 durch ein auf einer schiefen
Ebene 23 bewegtes Bestt 24 aus feinkörnigen Teilchen, z.B. Quarzsand, gebildet.
Die
unter dem Einfluß ihrer Schwere auf das Bett 24 von rieselndem Sand auftreffenden
kugelförmigen Körper werden in dem eine nachgiebige Oberfläche aufweisenden Sandbett
aufgefangen und entsprechend der Neigung der schiefen-Ebene seitlich nach unten
weggeführt, bis die einzelnen kugelförmigen Krper auf der rostartigen Ableitvorrichtung
25 von dem Sandbett abgehoben und in den Auffangbehälter 26 abgefährt werden. Zur
Aufrechterhaltung der Sandströmung des bewegten Bettes 24 ist ein Umwälzsystem 27
vorgesehen, das aus dem an das bewegte Teilehenbett angeschlossenen Ableitrohr 27a
dem vertikalen Rückführungsrohr 27b und dem Überleitbogen 27c gebildet wird.
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-Um die Teilchen (auarssand oder dgl.) aus dem am unteren Ende der
Rohre 27a und 27b befindlichen Sammelbenhälter 27d durch das Rohr 27b nach dem oberen
Ende des bewegten Teilchenbettes 24 zu befördern, kann in dem Rohr 27 eine mechanisch
wirkende oder - wie bei 28 sehematisch angedeutet - eine pneumatisch wirkende drdereinrichtung
PUr die Teilchen des bewegten Bettes vorgesehen werden.
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In Einzelheiten kann die beschriebene Anlage selbstverständlich abgeändert
werden. So ist es möglich,'daß sowohl die Ausbildung der Düsen der Abtropfeinrichtung
als auch der Zufühung der flüssigen Schmelzmasse geändert werden kann. Wie schematisch
in Figur 3 angedeutet ist, kann die geschmolzene Masse der Abtropfeinrichtung unmittelear
durch eine Leitung zugeführt werden, die beispielsweims ven einem im der Figur nicht
wiedergegeienen Schmelzofen kommt. Bei diesser Abwandlung
bedeutet
wieder 7 den Düssenboden, 8 den Tropfenbildungsschacht, der von den Wandteilen 9
eingeschlossen ist. Dem Düsenboden wird die geschmolzene Masse durch ein Zuleitungsrohr
31 zugeführt.
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Der Rohrmantel 9 der Tropfenbildungskammer 8 ist von dem Heizmantel
36 umgeben. Auch bei der Anordnung nach Figur 3 kann durch Verstellung von Regelkörperen
in den einzelnen Düsen 15 die zugeführute Schmelzmasse und damit die Tropfenbildung
geregelt werden. Jedoch ist es auch ohne weiteres mögich, die Regelung der zugerührten
Masse durch Regelorgane in dem Zuleitungskanal der~Schmelzmasse, die in der Figur
nicht dargestellt ist; zu erzielen.
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Die Düsen können abweichend vene der beschriebenen Ausführungsform
unter Umständen auch mit einem einfach-en Tropfenableiter in Form einer Nadel oder
eines Drahtes oder ganz ohne Tropfenableiter vorgesehen sein. Figur 4 zeigt den
unteren Teil einer entsprechend ausge bildeten Düsem, die vorzugsweise für die Bildung
etwas größerer Tropfen geeignet ist. In figur 4 bedeutet 50 den unteren Teil einer
auswechselbaren Düse, 51 sind in dem nach unten gezogenen Wandteil 50 vorhandene
parallele Schlitze. Diese Querschnitte sind so bemessen, daß durch die Zuführung
von mehreren Teilströmen des geschmolzenen Materials durch die enlitze 51 die Bildung
größerer Tropfen 53 möglich gemacht wird. Auch Jst es möglich, die Düse anstelle
der Schlitze mit einem norenförmig tgestalteten Teil zu versehen.
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Eine weitere Abwandlung der Abtropfvorrichtung zeigt Figur 5. 8 bedeutot
in dieser Figur wieder den Tropfendildungsschacht, 7'die Düsenplatte,
die
mit den Düsenöffnungen 60 versehen ist oder entspre- -chende Düseneinsätze 60 aufweist,
wie auf der rechten Seite der Figur veranschaulicht ist. 16 beduten wider Tropfenableiter,
an de nen die durch die Düsen hindurchgeflossens Schmelzmasse entlangströmt, bis
am Ende der Tropfenableiter durch die sammelnde Masse ein Tropfen entsteht. Brfindungsgemäß
sind nun die Tropfenableiter 16 an einer schwingungsfähig angeordnet Traverse 63
befestigt, die über einen Nockenantrieb 64 gegen die Kraft einer Rückstellfeder
angetrieben werden kann. Die Nockenscheibe 64 wird so profiliert, daß die angetriebenen
Tropfenableiter eine schwingende Bewegung ausführen, wobei im Bereiche des Umkehrpunktes
der Enden der Tropfenableiter eine erhöhte Beschleunigung erzielt werden kann. Hierdurch
wird das Abfallen der Tropfen erzwungen.
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Ferner ist in der Figur 6 noch eine abweichende Ausführung für die
in dem Auffengraum 21 angeordnete Auffangvorrichtung wiedergegeben. Bei dieser bge(?;nderten
Vorrichtung ist zum- Auffangen der bereits teilweise abgekühlten kugelförmigen Teilchen
zunächst ein gas oder luftdurchströmter Fangschlrm 40 vorgesehen, dem Uber ein Kanslystem
41 einj kühlender Gas- odr Luftstromz ugeführt wird, der durch die finmaschige Schirmfläche
hindurchströmt. Dt.o Schirm # flache 4O, z.B. aus Absestgewebe, Glasseide oder dgl.,
ist geneigt, daß die auftreffenden Teilchen, deren Aufprall durch die Lufströmung
stark herabgesetzt ist, seitlich nach recht abströmen können. Sie fellen hierbei
in ein innerhalb eines trichterförmingen Körpers angeordnetes Wirbelbett 42, dem
ebenfalls über
eine Leitung 43 Luft oder Gas in solcher Menge zugeführt
wird, daß, die von dem Fangsohi,rm 40 heruntergleitenden Masseteilchen von der Gasströmung
unter weiterer Abkühlung durcheinander gewirbelt und hochgetrange werden derart,
daß sie über die Ränder des trichterförmigen Körpers 42 hinausgetragen werden und
in den Sammelbehälter 46 fallen.
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6 Figuren 21 Ansprüche