DE202021003270U1

DE202021003270U1 - Heat generation with silicon and nitrogen for technical processes

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Publication number: DE202021003270U1
Application number: DE202021003270.3U
Authority: DE
Original assignee: SCHUHMANN KARL JOSEF
Current assignee: SCHUHMANN KARL JOSEF
Priority date: 2021-10-20
Filing date: 2021-10-20
Publication date: 2021-12-01
Anticipated expiration: 2031-10-21

Abstract

Einrichtung zur Wärmeerzeuguung für technische Prozesse, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoff der Luft mit zugeführtem Silicium verbrennt.Device for generating heat for technical processes, characterized in that the nitrogen in the air combusts with the silicon supplied.

Description

In der Technik werden regelmäßig hohe Temperaturen benötigt. Ob für Verhüttungstechniken zum Schmelzen der Rohstoffe, zum Schmelzen der Werkstoffe für den Gießprozess, für das Schweißen oder Löten von Werkstoffen, sowie das Brennschneiden von Metallen und anderen Bauteilen wie zum Beispiel Beton. Auch zur Pyrolyse von Stoffgemischen ist eine hohe Temperatur notwendig.High temperatures are regularly required in technology. Whether for smelting techniques for melting raw materials, for melting materials for the casting process, for welding or soldering materials, as well as flame cutting of metals and other components such as concrete. A high temperature is also necessary for the pyrolysis of mixtures of substances.

Das Schweißen und Brennschneiden von Werkstoffen wie zum Beispiel von Stahl benötigt hohe Temperaturen.The welding and flame cutting of materials such as steel require high temperatures.

Zum Brennschneiden von Beton wird beispielsweise Eisenwerkstoff als Brenngut verwendet, um die Schmelztemperatur des Betons zu erreichen.For example, iron material is used as fuel for flame cutting concrete in order to reach the melting temperature of the concrete.

Bei vielen Werkstoffen wird der Werkstoff ebenfalls zur Erhöhung der Temperatur oxidiert und spart damit Heizgas ein. Die anwesende Luft wird in der Regel in den Brennbereich eingesaugt und kühlt den Brennvorgang. Der Luftsauerstoff wird dagegen zur temperaturerhöhenden Verbrennung genutzt. Meist entstehen an den Schnittflächen störende Oxide und Stickstoffverbindungen, die vor der nachfolgende Bearbeitung sehr aufwendig entfernt werden.With many materials, the material is also oxidized to increase the temperature and thus saves heating gas. The air present is usually sucked into the firing area and cools the firing process. The oxygen in the air, on the other hand, is used for temperature-increasing combustion. In most cases, disruptive oxides and nitrogen compounds are formed on the cut surfaces, which are very laboriously removed before the subsequent processing.

Eine besondere Herausforderung ist das Brennschneiden und Schweißen unter Wasser. Wegen der starken Abkühlung der Werkstücke durch das ungebende Wasser ist der Energieaufwand, der für die Erzeugung der notwendigen Schweitemperaturen erforderlich ist, sehr groß.Flame cutting and welding under water are a particular challenge. Because of the strong cooling of the workpieces by the natural water, the amount of energy required to generate the necessary swelling temperatures is very high.

Zweck der Erfindung ist es, diese Temperaturminderung zu vermeiden und gleichzeitig die oft auftretenden schädlichen Veränderung der Oberfläche zu verringern oder gar zu verhindern.The purpose of the invention is to avoid this reduction in temperature and at the same time to reduce or even prevent the harmful changes to the surface that often occur.

Aus diesem Grund wird regelmäßig die Zufuhr von Umgebungsluft verhindert, indem man Schutzgase einsetzt. Gerade für das Trennschneiden wird der Luftsauerstoff durch die Zufuhr von reinem Sauerstoff kostenaufwendig ersetzt. Die Brennfläche wird in der Regel dadurch stark oxidiert und muss meist aufwendig mit mechanischen Trennverfahren nachgearbeitet werden.For this reason, the supply of ambient air is regularly prevented by using protective gases. Especially for cutting, the oxygen in the air is replaced by the supply of pure oxygen, which is expensive. The burning surface is usually heavily oxidized as a result and usually has to be reworked in a costly manner using mechanical cutting processes.

Erfindungsmäßige LösungenInventive solutions

Die Erfindung hat den Zweck, die Umgebungsluft vollständig für den Erwärmungsprozess zu nutzen, um kostenaufwendige Schutzgase einzusparen und die Oberflächenqualität bei Schweißoberfläche oder Brennflächen zu erhöhen. Dies steht im großen Widerspruch mit den derzeitigen Verfahren und Erfahrungen, da Stickstoff in sofern störend in den Schweiß- und Brennschneidprozessen ist, dass er den technischen Prozess kühlt und damit einen hohen Bedarf an Brenngut, wie zum Beispiel Brenngas oder sonstigen Brennstoff verursacht.The invention has the purpose of using the ambient air completely for the heating process in order to save costly protective gases and to increase the surface quality of the welding surface or burn surfaces. This is in great contradiction with current methods and experience, since nitrogen is a disruptive factor in the welding and flame cutting processes in that it cools the technical process and thus causes a high demand for fuel, such as fuel gas or other fuel.

Störend ist derzeit der Luftstickstoff, der sowohl zusammen mit dem Luftsauerstoff in den Brennschnitt eingeblasen werden wird und somit die Temperatur des Brennvorgangs reduziert und auch die Werkstoffoberfläche durch Stickstoffverbindungen negativ beeinflusst.The nitrogen in the air is currently a nuisance, as it will be blown into the flame cut together with the oxygen in the air, thus reducing the temperature of the firing process and negatively affecting the material surface through nitrogen compounds.

Um diesen Widerspruch aufzulösen, wird das Verfahren so verändert, dass der Stickstoff durch den Verbrennungsprozess in Verbindung mit zugeführtem Silicium die Temperatur an den Brenn- oder Schweißstellen und in den Verhüttungseinrichtungen erhöht.In order to resolve this contradiction, the process is changed in such a way that the combustion process in conjunction with the added silicon increases the temperature of the nitrogen at the burning or welding points and in the smelting facilities.

Folgende Erfindungen benutzen bereits Silicium als Zuschlagsstoffe beim Schweißen

DE112013007705T5
DE102013225146A1
DE102013225146A1
DE000000691057A

The following inventions already use silicon as an additive in welding

DE112013007705T5
DE102013225146A1
DE102013225146A1
DE000000691057A

Hierbei wird eine geringe Menge des Siliciums als Legierungsbestandteil zur Veränderung der Legierung des Schweißwerkstoffes zur Anpassung an den Werkstoff und zur Verbesserung der physikalischen und chemischen Eigenschaften des Werkstücks.Here, a small amount of silicon is used as an alloy component to change the alloy of the welding material to adapt to the material and to improve the physical and chemical properties of the workpiece.

In DE102005039118A1 ist ein Verfahren beschrieben, welches das Silicium als Schweißzusatzwerkstoff zur Herstellung größerer Siliciumplatten zum Beispiel zur Nutzung als Solarzellen oder Wafern für die Elektronikindustrie anwendet.In DE102005039118A1 describes a process that uses silicon as a welding filler material for the production of larger silicon plates, for example for use as solar cells or wafers for the electronics industry.

In - EP1452578A1 wird die Verbrennung des Silcium mit Stickstoff beschrieben, um besonders bei der Vergasung von Biomasse den Gehalt an störendem Stickstoff zu verringern.In - EP1452578A1 the combustion of silicon with nitrogen is described in order to reduce the content of disruptive nitrogen, especially in the gasification of biomass.

Die Trennung mineralischer Werkstoffe wie zum Beispiel Beton ist mit der Zugabe von Silicium, in der weiter unten beschriebenen Form zu vereinfachen.The separation of mineral materials such as concrete can be simplified by adding silicon in the form described below.

Diese Erfindung nutzt das Silicium durch gezielte Verbrennung mit Stickstoff zur Erhöhung der Temperatur beim Trennschneiden und beim Schweißen, um die Mengen an Brennstoffen oder elektrischer Energie zu verringern.This invention uses silicon by means of targeted combustion with nitrogen to increase the temperature during cutting and welding in order to reduce the amount of fuel or electrical energy.

Durch die Beigabe von Silicium in reiner Form oder als Silan sowie anderer reaktionsfreudiger Siliciumverbindungen kann der Brennvorgang dagegen derart geändert werden, dass der Luftstickstoff das Silicium verbrennt. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass der Luftstickstoff nicht die Oberfläche kühlt, sondern zusätzlich erhitzt und durch die Verbindung mit dem Silicium in die Werkstückoberfläche nicht mehr kühlen würde und das Silicium infolge der Verbindung mit dem Luftstickstoff nicht mehr in die Werkstoffoberfläche eindringen kann. Zudem wird der Bedarf an reinem Sauerstoff verringert. Dieser wird lediglich zur Zündung des Brennvorganges beim Beginn der Brennarbeiten gebraucht. Die dazu erforderlichen Gase Sauerstoff und Stickstoff können als Druckluft zur Verfügung gestellt werdenBy adding silicon in pure form or as a silane as well as other more reactive ones Silicon compounds, on the other hand, the burning process can be changed in such a way that the nitrogen in the air burns the silicon. The advantage of this process is that the nitrogen in the air does not cool the surface, but is additionally heated and would no longer cool due to the connection with the silicon in the workpiece surface and the silicon can no longer penetrate the material surface due to the connection with the nitrogen in the air. In addition, the need for pure oxygen is reduced. This is only used to ignite the burning process at the beginning of the burning work. The gases oxygen and nitrogen required for this can be made available as compressed air

Statt Reinsilicium ist die Verwendung von Siliciumverbindungen anwendbar, die eine Verbrennung mit dem Stickstoff oder reaktionsfähigen Stickstoffverbindungen möglich machen. Dazu sind besonders die Siliciumwasserstoffe geeignet. Hierzu zählen besonders die Silane. Es wird empfohlen, auf Halogensilane, wegen der Gefahr durchdie Bildung giftiger Restgase, zu verzichten. Die Verwendung von Siliciumwasserstoffen hat den Vorteil, dass kein Sauerstoff als Brenngas zugeführt werden muss. Instead of pure silicon, it is possible to use silicon compounds which make combustion with the nitrogen or reactive nitrogen compounds possible. The silicon hydrides are particularly suitable for this purpose. These include in particular the silanes. We recommend avoiding the use of halosilanes due to the risk of the formation of toxic residual gases. The use of silicon hydrides has the advantage that no oxygen has to be supplied as a fuel gas.

Da der Luftsauerstoff mit dem anwesenden Wasserstoff reagiert, ist eine ungewollte Oxidation der Werkstoffe vermeidbar. Langkettige Siliciumwasserstoffe haben den Vorteil, dass sie die Sicherheit im Umgang mit Siliciumwasserstoffen erhöhen. Bei den herrschenden Temperaturen werden sie vergast und stehen zur Verbrennung mit Stickstoff zur Verfügung.Since the oxygen in the air reacts with the hydrogen present, unwanted oxidation of the materials can be avoided. Long-chain silicon hydrides have the advantage that they increase the safety when handling silicon hydrides. At the prevailing temperatures, they are gasified and are available for combustion with nitrogen.

Als Brennstoff sind andere Werkstoffe wie zum Beispiel als Tonerde bekannte Aluminumsiliciumverbindungen nutzbar. Wegen der hohen Zündtemperatur ist dies jedoch nur eingeschränkt nutzbar. Aus derTonerde wird dabei der Aluminumanteil mit Sauerstoff und der Siliciumanteil mit Stickstoff verbrannt. Diese können als Ummantelung ,als Füllstoff für Fülldrähte oder als Pulverwerkstoff beim Unterpulververfahren dem-Prozess zugeführt werden.Other materials such as aluminum-silicon compounds known as alumina can be used as fuel. Due to the high ignition temperature, however, this can only be used to a limited extent. The aluminum part is burned with oxygen and the silicon part with nitrogen from the clay. These can be fed into the process as a coating, as a filler for filler wires or as powder material in the submerged powder process.

Die Nutzung von Ammoniak, ist wegen seiner Stickstoff-Wasserstoffverbindung sehr gut als Brenngas zur Zündung und Aufrechterhaltung des Brennvorgangs geeignet. Hierzu sind die Arbeitsschutzvorrichtungen zur Vermeidung von Vergiftungen durch Ammoniak und Vorbeugung von Geruchsbelästigung zu nutzen. Dies ist besonders in geschlossenen Schweißkabinen mit anschließender Rauchgasbehandlung nutzbar.The use of ammonia, because of its nitrogen-hydrogen connection, is very well suited as a fuel gas for ignition and maintaining the burning process. For this purpose, the occupational safety devices are to be used to avoid poisoning by ammonia and to prevent unpleasant odors. This is particularly useful in closed welding booths with subsequent smoke gas treatment.

Der Bedarf an Silicium, ob als Reinsilicium oder Siliciumverbindung, wird einerseits zu höheren Kosten des Brennvorganges führen. Da anderseits der Bedarf an Schutzgas reduziert oder gar entfallen kann, ist auch der Widerspruch, dass sich die Kosten erhöhen, gelöst. Die üblichen Brenngase können durch Silane und der reine Sauerstoff durch Druckluft ersetzt werden. Hierdurch ist ebenfalls eine Kostensenkung zu erzielen.The need for silicon, whether as pure silicon or a silicon compound, will, on the one hand, lead to higher costs for the firing process. Since, on the other hand, the need for protective gas can be reduced or even omitted, the contradiction that costs increase has also been resolved. The usual fuel gases can be replaced by silanes and the pure oxygen by compressed air. This also enables a cost reduction to be achieved.

Die Nacharbeit der Brennfläche zur Vorbereitung von Schweißnähten wird durch die Reduzierung oder gar Vermeidung von Metalloxiden an der Brennfläche reduziert, wodurch (ein) insgesamt ein Kostenvorteil zu erwarten ist.The reworking of the burning surface to prepare weld seams is reduced by reducing or even avoiding metal oxides on the burning surface, which means that an overall cost advantage can be expected.

Dieses Verfahren kann auch zum Schmelzweißen unter Zugabe von Zusatzwerkstoff und zur thermischen Behandlung von Werkstoffen und Werkstücken genutzt werden. Auch zum Oberflächenhärten durch Nitrieren durch die mengenmäßige Anpassung der Zuschlagstoffe kann das Verfahren angewendet werden.This process can also be used for fusion welding with the addition of filler material and for the thermal treatment of materials and workpieces. The process can also be used for surface hardening by nitriding by adjusting the quantity of the aggregates.

Der Einsatz von Reinsilicium oder reaktionsfähigen Siliciumverbindungen im Verhüttungsprozess wie zum Beispiel in der Roheiseneisengewinnung kann ebenfalls den Aufwand an Energieträgern wie die Sauerstoffbinder verringern. Als Sauerstoffbinder dienen Kohlenstoff wie beispielweise den Koks oder Wasserstoff oder deren Verbindungen. Die bisherigen und künftigen reduzierenden Brennstoffe werden dabei nur zur Entfernung des Sauerstoffs aus den Erzen benötigt und führen zur Kostensenkung durch den reduzierten Brennstoffbedarf.The use of pure silicon or reactive silicon compounds in the smelting process, for example in pig iron production, can also reduce the consumption of energy sources such as oxygen binders. Carbon such as coke or hydrogen or their compounds serve as oxygen binders. The previous and future reducing fuels are only required to remove the oxygen from the ores and lead to cost reductions due to the reduced fuel requirement.

Die Verfahren zur Erzbehandlung anderer Erze wie zum Beispiel zur Erzeugung von Aluminium aus Bauxit sind ebenfalls durch den Einsatz von reaktionsfähigen Siliciumverbindungen wie Silane oder Reinsilicium anwendbar.The processes for ore treatment of other ores such as for example the production of aluminum from bauxite can also be used through the use of reactive silicon compounds such as silanes or pure silicon.

Zur Reduktion von Metalloxiden ist besonders der Einsatz von Wasserstoffsilanen zu bevorzugen, weil der Wasserstoff mit dem Sauerstoff der metalloxiden zu Wasserdampf verbrennt und durch die hohen Temperatur aus der sich bildenden Schmelze entweicht.The use of hydrogen silanes is particularly preferred for reducing metal oxides, because the hydrogen burns with the oxygen in the metal oxides to form water vapor and escapes from the melt that is formed due to the high temperature.

Schweißstäbe werden nachdieser Erfindung mit Silicium oder reaktionsfreudigen Siliciumverbindung beschichtet oder in Fülldrähten eingebracht. Für das Unterpulverschweißen werden dem Pulver reaktionsfähigen Siliciumverbindungen oder Reinsilicium beigemischt.According to this invention, welding rods are coated with silicon or reactive silicon compounds or inserted into cored wires. For submerged arc welding, reactive silicon compounds or pure silicon are added to the powder.

Das enstehende Siliciumnitrit ist als Düngemittel geeignet und kann so kostengünstig entsorgt werden. Dies erhöht zusätzlich den Nutzen der beschreienen Verfahren.The resulting silicon nitrite is suitable as a fertilizer and can thus be disposed of at low cost. This additionally increases the usefulness of the described method.

Für das Schmelzen von Werkstoffen z.B. in der Gießerei werden neben den herkömmlichen Brennstoffen, die mit Sauerstoff verbrannt werden Siliciumverbindungen wie Silane oder Reinsilicium mit Stickstoff verbrannt. Dadurch werden sowohl herkömmliche Brennstoff als auch den Sauerstoff eingespart.For the melting of materials, e.g. in the foundry, besides the conventional Fuels that are burned with oxygen Silicon compounds such as silanes or pure silicon are burned with nitrogen. This saves both conventional fuel and oxygen.

Durch die Nutzung der Verbrennung mit Hilfe von Siliciumwerkstoffen und der Stickstoffanteile der Luft kann in der Regel auf teuren Reinsauerstoff verzichtet werden und die Verbrennung mit preiswerter Druckluft betrieben werden. Auch das Verbrennen mit reinem Stickstoff kann mit Silicium oder Siliciumverbindungen erfolgen.By using the combustion with the help of silicon materials and the nitrogen content of the air, expensive pure oxygen can usually be dispensed with and the combustion can be operated with inexpensive compressed air. Burning with pure nitrogen can also be done with silicon or silicon compounds.

Das Verbrennen von Silicium oder Siliciumverbindungen mit Luft kann zur Erzeugung von Wärme für andere technische Aufgaben wie das Glühen von Metallen und deren Legierungen oder das Aufheizen von Warmlufmotoren mit äußerer Verbrennung, oft als Stirlingmotoren bezeichnet, genutzt werden.The combustion of silicon or silicon compounds with air can be used to generate heat for other technical tasks such as the annealing of metals and their alloys or the heating of warm air engines with external combustion, often referred to as Stirling engines.

Als Zündhilfe ist statt einer großen elektrischen Spannung die Verwendung von Magnesium oder Magnesiumverbindungen insbesondere bei Unterwasserarbeiten nutzbar.Instead of a high electrical voltage, the use of magnesium or magnesium compounds can be used as an ignition aid, especially for underwater work.

In 1 a burner for the above-mentioned processes is shown as an example.

For welding:

1.

Torch handle

2.

Wire feed

3.

welding wire

4th

Weld

5.

Power supply

6th

Wire feed with power feed

7th

Hose feed for air, nitrogen or fuel gases according to the application
For flame cutting:

1.

Torch handle

2.

Wire feed for silicon wire

3.

Silicon wire

4th

Kerf

5.

Power supply

6th

Wire feed with power feed

7th

Hose feed for air, nitrogen or fuel gases according to the application
For warming:

1.

Torch handle

2.

Wire feed for silicon wire

3.

Silicon wire

4th

Heat area

5.

Power supply

6th

Wire feed with power feed

7th

Hose feed for air, nitrogen or fuel gases according to the application

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 112013007705 T5 [0011]
DE 102013225146 A1 [0011]
DE 000000691057 A [0011]
DE 102005039118 A1 [0013]
EP 1452578 A1 [0014]

Claims

Device for generating heat for technical processes, characterized in that the nitrogen in the air burns with the supplied silicon.

Device for separating workpieces with flame cutting, characterized in that the nitrogen in the air burns with the silicon supplied.

Device for melting workpieces for welding the material, characterized in that the nitrogen in the air burns with the silicon supplied

Establishment according to Claim 1 until 3 in which a silicon hydrogen compound is used as fuel gas to ignite and support the combustion process.

Establishment according to Claim 1 until 4th in which ammonia is used as a fuel gas to ignite and support the combustion process.

Establishment according to Claim 1 until 5 for the reduction of ores for the production of metallic materials.

Establishment according to Claim 1 until 5 for the melting of metals for the production of alloys of metallic materials.

Establishment according to Claim 1 until 5 for reducing the strength of materials and components for simplified shaping.

Establishment according to Claim 1 until 5 for melting metals for casting metallic materials.

Establishment according to Claim 1 until 5 for the pyrolysis of materials for the production of pyrolysis materials, such as pyrolysis gases, pyrolysis liquids or pyrolysis solids

Device for heating raw materials and ores, characterized in that the nitrogen in the air burns with the supplied silicon and the oxygen binders reduce the oxygen from the ores

Establishment according to Claim 1 until 5 for annealing materials

Establishment according to Claim 1 until 5 for providing light, such as for signaling

Establishment according to Claim 1 until 5 for operating hot air engines with external combustion

Establishment according to Claim 1 until 5 for igniting flame-retardant materials

Establishment according to Claim 1 until 5 for heating materials for pyrolysis

Welding wires as additional materials for connecting workpiece parts, characterized in that they are filled or coated with reactive silicon compounds or pure silicon.

Powder for submerged-arc welding for joining workpiece parts, characterized in that reactive silicon compounds are added to the powder.

Welding rods as additional materials for connecting workpiece parts, characterized in that they are coated with reactive silicon compounds or pure silicon.

Device for ignition with particles of megnsium and magnesium compounds to start the device according to Claim 1 until 15th .