DE2457903B2

DE2457903B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Zerstäuben einer Hochtemperaturschmelze, insbesondere Metallschmelze

Info

Publication number: DE2457903B2
Application number: DE2457903A
Authority: DE
Inventors: Seppo Ilmari Dipl.-Ing. Haukilahti Blomqvist; Matti Elias Dipl.-Ing. Honkaniemi; Launo Leo Lilja; Valto Johannes Mäkitalo; John Henrik Dipl.-Ing. Pori Relander; Frans Heikki Dipl.-Ing. Tornio Tuovinen
Original assignee: Outokumpu Oyj
Current assignee: Outokumpu Oyj
Priority date: 1973-12-19
Filing date: 1974-12-06
Publication date: 1981-05-27
Also published as: FR2255110A1; SE418806B; JPS5093203A; JPS5521820B2; SE7415941L; FI51602B; CA1032351A; DE2457903C3; US4011290A; FI392273A; FI51602C; DE2457903A1; FR2255110B1; ZA747676B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zerstäuben einer Hochtemperaturschmelze, insbesondere Metallschmelze, gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 5.

Aus der US-Patentschrift 36 72 870 ist ein Raffinationsverfahren für geschmolzenes kohlenstoffhaltiges Metall bekannt, bei welchem das Metall aus dem Reaktor-Oberteil aufgrund der Schwerkraft abfließt und der frei fallende Schmelzestrom im Reaktor durch schräg nach unten gerichtete, konvergierende Oxydationsgasstrahlen zerteilt wird, welche aus um den frei fließenden Schmelzstrom herum angeordnete Düsen austreten. Die Oxydationsgasstrahlen zerteilen den Metallstrom in Tropfen von relativ geringer Größe und großer Oberfläche. Im Hinblick auf die Selektivität der Oxydation ist es wichtig, daß die Schmelze in sehr kleine Tröpfchen zerlegt wird. Je kleiner die Schmelzetröpfchen sind, umso kleiner ist auch der Konzentrationsgradient des Kohlenstoffes. Bei zu großer Tröpfchengröße befindet sich, wenn bereits aller Kohlenstoff an der Tröpfchenoberfläche oxydiert ist, in Tröpfchenmitte noch Kohlenstoff, so daß an der Tröpfchenoberfläche vorzeitig Metall zu oxydieren beginnt, wodurch Materialverluste verursacht werden. Je kleinere Tröpfchen erzeugt werden, desto selektiver verläuft die Oxydation, d.h., die am leichtesten oxydierenden Bestandteile lassen sich praktisch vollkommen aus der Schmelze entfernen, ohne daß es zu einer wesentlichen Oxydation der schwerer oxydierenden Bestandteile kommt. Bei diesem bereits bekannten Verfahren bedient man sich einer Vorrichtung, bei welcher die Schmelze über einen langen, schmalen Spalt, neben welchem auf beiden Seiten schräg nach unten gerichtete Düsen angeordnet sind, in den Reaktor eingespeist wird. Im Hinblick auf die Tröpfchenbildung wäre es natürlich vorteilhaft, den durch den Spalt eingespeisten Schmelze-»Schleier« möglichst dünn zu halten. In diesem Falle wird die Dicke des Schmelze-wSchleiers« durch die Spaltbreite bestimmt. Letztere kann jedoch nicht beliebig verringert werden, denn bei zu schmalem Spalt kommt der Schmelzefluß völlig zum Stillstand und bei etwas breiterem, aber nicht genügend breitem Spalt führen bereits kleine erstarrte Schmelzeklumpen zum Reißen des Schleiers. Zur Bildung solcher erstarrter Schmelzeklümpchen kommt es besonders leicht in schmalen Spalten, in denen ein effektiver Wärmeübergang von der Schmelze zu den Spaltwänden erfolgt und die Temperatur der Schmelze nur knapp über dem Erstarrungspunkt liegt. Bei einem breiteren Spalt ist die Erstarrungstendenz der Schmelze geringer, und eventuelle Ungleichmäßigkeiten der Spaltwand haben keine wesentliche Beeinträchtigung der Schleierbildung zur Folge. Mit dieser bekannten Vorrichtung soll somit ein möglichst dünner und gleichmäßiger Schmelzeschleier erzeugt werden, der durch auf ihn gerichtete Gasstrah-

len in möglichst kleine Tröpfchen zerteilt wird, aber beim Versuch ungleichmäßig wird, die Dicke des Schmelzeschleiers unter eine bestimmte Grenze zu drücken. Bei der bekannten Vorrichtung sind wegen der verhältnismäßig großen Dicke des Schleiers für seine Zerteilung kräftige Gasstrahlen erforderlich, deren Erzeugung ein relativ teures und kompliziertes Düsensystem voraussetzt Die Düsen sind nahe beim Spalt anzuordnen, damit der Schleier in Tröpfchen zerteilt wird, bevor er sich zu strecken und ungleichmäßig zu werden beginnt Dadurch werden bezüglich der Widerstandsfähigkeit des Düsensystems hohe Anforderungen gestellt Die von beiden Seiten auf den Schmelzeschleier gerichteten Gasstrahlen müssen außerdem, um eine gleichmäßige Zerteilung zu bewirken, gleichstark sein. Das Kontrollieren der Zerteilung mit Hilfe der Gasstrahlen gestaltet sich somit sehr schwierig. Durchgeführte Modellversuche ergaben außerdem, daß die bei diesem bekannten Verfahren verwendeten starken Gasstrahlen kräftige Gegenströme erzeugen, durch welche Schmelzetröpfchen nach oben bis an die Düsen geschleudert werden und diese beschädigen. Diese Erscheinung kann zum Teil davon herrühren, daß die kräftigen Gasstrahlen in die Schmelze eindringen, wobei sich das Gas explosionsartig ausdehnt und Schmelze nach allen Richtungen schleudert Abschließend kann zu diesem bekannten Verfahren und der dafür verwendeten Vorrichtung noch festgestellt werden, daß dabei mit großen Oxydationsgas-Oberschüssen gearbeitet werden muß, die erforderlich sind, um den relativ dicken und damit schwer zu zerteilenden Schleier in Tröpfchen aufzulösen, und von denen lediglich ein Bruchteil mit dem in der Schmelze enthaltenen Kohlenstoff reagiert.

In der DD-Patentschrift 91 902 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Frischen von Kupferstein mit Hilfe von Luft beschrieben, bei welchen der geschmolzene Kupferstein als dünne, breite Schicht über eine geneigte Schmelzrinne in den Ofen geleitet wird, so daß die unterhalb der Schmelzrinne angebrachten Luftdüsen die in Form einer Membran über die Rinnenkante strömende Schmelze zu Tröpfchen zerteilen können. Auch in diesem Fall wird eine möglichst dünne Schmelze-Membran angestrebt, um deren Zerteilen durch unterhalb der Schmelzrinne ihren Ausgang nehmende, auf die Schmelze-Membran gerichtete Luftstrahlen zu erleichtern. Zusammenhängende Modellversuche ergaben jedoch, daß, soll eine gleichmäßige Membran erzeugt werden, auch bei diesem Verfahren der Mindestdicke der Schmelze-Membran Grenzen gesetzt sind. Es zeigte sich nämlich, daß der Schmelzestrom, nachdem er über die Rinnenkante getreten ist, im wesentlichen die gleiche Dicke wie in der Rinne hat. Wird nun die Scnmelze in zu dünner Schicht in die Rinne eingespeist, so kommt es zu Einschnürungserscheinungen u. dgl.; außerdem kann die Schmelze wie im vorangehenden Fall u. U. wegen Wärmeverlustes teilweise erstarren. Zwar könnte die Gefahr des Einschnürens durch höhere Fließgeschwindigkeit der Schmelze verringert werden, aber auch dieser Möglichkeit sind Grenzen gesetzt, da ja die Fließgeschwindigkeit lediglich durch Erhöhen des Rinnen-Neigungswinkels gesteigert werden kann. Außerdem sinkt die Fließgeschwindigkeit mit abnehmender Schichtdicke. Zur Verringerung der Einschnürungsgefahr muß ja die Schmelzerinne so kurz wie möglich gehalten werden, so daß schon allein aus Konstruktionsgründen keine allzu großen Neigungswinkel der Rinne möglich sind.

Ein Verfahren und eine Einrichtung gemäß den genannten Oberbegriffen sind aus der GB-PS 8 86 031 bekannt, die sich auf die Erzeugung sehr kleiner Wasserteilchen für die Luftbefeuchtung und dgL richtet wobei ein aus einer Düse austretender Flüssigkeitsstrahl auf e^:ne schräge Fläche aufgebracht wird, so daß sich darauf ein Film bildet Andererseits wird einer schrägen Ebene gleicher Schräge wie der genannten schrägen Fläche aus einem Rohr ein Luftstrahl zugeführt.

Infolgedessen haben an der ausgangsscitigen Kante dieser Ablenkfläche die Flüssigkeit und die Luft eine im wesentlichen gleiche Richtung. Hierdurch wird durch den Luftstrahl die Flüssigkeitsfläche an der Kante der Ablenkfläche zerstäubt Es findet somit eine pneumatisehe Zerstäubung statt, wobei die Ablenkfläche lediglich dazu dient, die Flüssigkeit gleichmäßig auf einen sich ebenfalls flächenartig verbreiternden Luftstrahl zu verteilen. Dieses bekannte Verfahren sowie die Einrichtung zur Durchführung sind jedoch für das Zerstäuben von Hochtemperaturschmelzen, insbesondere Metallschmelzen, kaum geeignet.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Zerstäuben einer Hochtemperaturschmelze, insbesondere Metallschmelze, anzugeben, wobei aus dem zu zerstäubenden Stoff eine möglichst dünne, aber trotzdem gleichmäßige Schicht gebildet wird, die sich dann mit Hilfe eines Gas- und/oder Flüssigkeitsstrahles leicht zu sehr kleinen Tröpfchen oder Teilchen zerteilen läßt

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale im Kennzeichendes Patentanspruchs 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst aus der zu zerstäubenden Schmelze ein Strahl gebildet,

J5 der zum Aufprall auf die schräge Ablenkfläche gebracht wird. Obwohl auch bei der GB-PS eine schräge Ablenkfläche vergesehen ist, unterscheiden sich deren Wirkungsweisen jedoch wesentlich, da gemäß der Erfindung die Bewegungsenergie des aufgeprallten Schmelzestrahls dazu verwendet wird, daß aus diesem ein genau gerichteter, sich außerhalb der Ablenkfläche als heile oder zusammenhängende Fläche verbreiternder Film gebildet wird, der an der Stelle, an der er durch seine Verbreiterung ausreichend dünn wird, mittels der zerstäubenden Gas- und/oder Flüssigkeitsstrahlen in Tröpfchen aufgebrochen oder zerstäubt wird. Der Gas- und/oder Flüssigkeitsstrahl besitzt gegenüber der Fließrichtung des Schmelzenfilms oder der Schmelzenhaut eine wesentlich abweichende Richtung, so daß er

so gegen die Schmelzenhaut geführt ist Da der Schmelzefilm im freien Gasraum sich verbreitert, kann eine den Schmelzestrom bremsende Wirkung der Ablenkfläche dessen Verdünnung nicht verhindern, wodurch u. a. auch eine explosionsartige Reaktion zwischen aem Zerstäubungsgas bzw. der -flüssigkeit und der Schmelze vermieden wird, was bei der hohen Temperatur der flüssigen Schmelze sehr wesentlich ist

Zwar wird auch bei dem Verfahren gemäß der GB-PS, um eine Zerstäubung zu erreichen, ein Gasstrahl verwendet, jedoch unterscheiden sich deren Wirkungsweisen und deren Verwendung. Bei der GB-PS wird die Luft durch einen großen Spalt im wesentlichen gleichgerichtet zum über die Fläche fließenden Flüssigkeitsstrom geführt, weshalb in dem zwischen dem Luftstrahl und der schrägen Ablenkfläche befindlichen Raum Vibrationen und Luftpulsationen erzeugt werden, welche die zu zerstäubende Flüssigkeit in Bänder aufreißen, die erst dann in einzelne Tröpfchen zerfallen.

2η

Der Luftspalt entspricht dort somit einer Düse, die einen großen hydraulischen Durchmesser besitzt. Dabei können Gegenströme erzeugt werden, durch die Flüssigkeitströpfchen in das Zerstäubungssystem zurückgeschleudert werden, was bei Schmelzen sehr -, nachteilig ist, weil dadurch das Zerstäubungssystem beschädigt oder zerstört werden kann; was durch Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens vermieden wird.

Bei der Erfindung werden nämlich in einem möglichst m fein verdünnten, sich frei ausbreitenden oder verbreiternden Schmelzenfilm hochenergetische Gas- und/oder Flüssigkeitsstrahlen an eine Stelle gerichtet, die sich nur wenig oberhalb der Stelle befindet, an der der sich verbreiternde Schmelzefilm von selbst aufrei-Ben würde. Dadurch werden gegenüber dc- GB-PS folgende Vorteile erhalten:

a) in dem ausreichend fein verdünnten, sich frei verbreiternden Schmelzenfilm entsteht eine große, für eine spezielle Reaktion erforderliche Fläche;

b) es können Stoffe, insbesondere Metallschmelzen, zerstäubt werden, deren Oberflächenspannung im Vergleich zu der des Wassers ein Mehrfaches, insbesondere Zehnfaches, beträgt, wie dies insbesondere bei Metallschmelzen der Fall ist; ^2l

c) der zum Zerstäuben des ausreichend verdünnten Schmelzenfilms bestimmte Gas- und/oder Flüssigkeitsstrom enthält den für eine bestimmte Reaktion, z. B. Frischen von Stahl, erforderlichen Anteil an Sauerstoff.

Darüber hinaus ist es bei dem Verfahren gemäß der GB-PS wesentlich, daß ein niedriger Druck sowie ein Düsenspalt angewendet werden, während bei der Erfindung vorteilhaft zahlreiche Düsen kleinen Durch- π messers, insbesondere Lavaldüsen, verwendbar sind.

Da es bei der Erfindung wesentlich ist, daß eine ausreichende Verdünnung des Schmelzefilms erreicht wird und daß eine Zerstörung aufgrund von Gegenströmungen verhindert wird, wird vorteilhaft ein Gasstrahl verwendet der eine aufreißende oder zerreißende Wirkung besitzt und nicht eine luftkissenartig fördernde Wirkung ausübt Da andererseits die Geschwindigkeit der Gas- und/oder Flüssigkeitsstrahlen nach dem Auftreten der Zerstäubung möglichst schnell herabzu- αϊ setzen ist ist es zweckmäßig, zahlreiche kleine, jeweils eine große Anfangsgeschwindigkeit besitzende Strahlen zu verwenden.

Bei der GB-PS sollen sich zur Aerosoibildung die" Tröpfchen sofort hinter der Kante der Ablenkfläche bilden, während beim erfindungsgemäßen Verfahren im freien Raum weit hinter der abgangsseitigen Kante nach ausreichender Verdünnung des Films die Tröpfchenbildung erfolgt Das Verfahren gemäß der GB-PS basiert auf der von G. B. Wallis im Buch »One-dimensional Two-phase Flow« (McCraw-Hil! Book Co, S. 376—378) dargestellten Theorie über die Tröpfchenbildung mit Luftzerstäubung unter Wirkung von Weberzahlen We > 12, wobei dieses ergibt daß man bei Bildung von Wasser- und Ferrochromtröpfchen gleicher Größe eine ω mehr als vierfache Geschwindigkeit des Gasstrahls zur Bildung von Ferrochromtröpfchen im Vergleich zu Wassertröpfchen gleicher Größe benötigt

Das Verfahren gemäß der GB-PS eignet sich auch wegen Materialschwierigkeiten nicht zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe. Das Zerstäuben von Ferrochrom muß durch das Verfahren beherrscht werden und einwandfrei möglich sein, weil anderenfalls wegen des Spritzens Materialschäden entstehen können. Die beim Zerstäuben entstehenden Reaktionen ergeben eine Temperaturerhöhung von mehr als 2000⁰C in der Zerstäubungskammer, so daß das Zerstäuben im freien Gasraum erfolgen muß, weil kein Material erhältlich ist, das diesen Betriebsverhältnissen standhalten würde.

Gemäß der US-PS 34 21 692 wird eine zu zerstäubende Flüssigkeit mit Hilfe der Schwerkraft längs einer schrägen Fläche über eine lange Strecke gefördert, damit sich ein dünner Film bildet.

Dieses Verfahren ist bei großen Flüssigkeitsmengen praktisch nicht durchführbar. Zwar wird auch bei der Erfindung eine Bewegungsenergie verwendet, jedoch ist diese besonders hoch vor dem Aufprallen auf die den

chmeizeiüir. bildende Ablenkflächc.
Aufprall diese Bewegungsenergie zu erreichen, kann zwar auch die Schwerkraft, jedoch auch jede andere Kraft ausgenutzt werden. Beispielsweise kann der Gas- und/oder Flüssigkeitsstrahl der zu zerstäubenden Schmelze auch von unten nach oben gegen die Ablenkfläche gerichtet werden, was bei der US-PS nicht möglich ist da ein Lösen der Filmfläche von der Ablenkfläche nicht erreicht werden soll, weil sich dann die weiteren Verfahrensstufen gemäß der US-PS nicht mehr durchführen ließen. Außerdem ist das Verfahren gemäß der US-PS offenbar lediglich bei Luftbefeuchtung oder dgl. verwendbar, jedoch nicht für das Frischen von Hochtemperaturschmelzen, insbesondere Metallschmelzen, wofür das erfindungsgemäße Verfahren vorgesehen ist, da bei der US-PS mindestens ein Teil der Schmelze zwangsweise nicht reagieren könnte und es nicht möglich ist, einen Kreislaufbetrieb für die Schmelze durchzuführen. Bei Verwendung von äquivalenten Flüssigkeits-Zerstäubungsgasmengen beim Verfahren gemäß der US-PS entstehen Unregelmäßigkeiten im Flüssigkeitsfilm, wodurch dieser sogar aufreißen kann. Diesen dann mittels kräftigen Gasstrahlen zu Tröpfchen zu zerteilen, ergibt kein befriedigendes Ergebnis in bezug auf die durchzuführenden Reaktionen. Außerdem unterscheidet sich auch die Bildung von Tröpfchen gemäß der US-PS von der gemäß der Erfindung, aus der sich erklärt, weshalb der über öffnungen der Ablenkfläche fließende Film im wesentlichen heil oder zusammenhängend bleibt

Eine vorteilhafte Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie zweckmäßige Weiterbildung derselben ergeben sich aus den Patentansprüchen 3 bis 9.

Wie der zu zerstäubende muß auch der zerstäubend wirkende Stoff in fließfähiger Form vorliegen; in Frage kommen hierbei vor allem Gase wie Sauerstoff, Luft oder Wasserdampf, Flüssigkeiten, wie Wasser sowie Gas-Flüssigkeits-Gemische, wie z. B. ein Luft-Wasser-Gemisch. Natürlich wäre auch ein staubförmiger Stoff als zerstäubend wirkender Stoff denkbar.

Der Schmelzestrom muß ferner in der Nähe der abgangsseitigen Kante der ablenkenden Räche auf diese auftreffen, um Ungleichmäßigkeiten (Einschnürungen α dgL) an der sich bildenden Haut dem Film oder der Schicht zu vermeiden. Je kürzer die Berührungsstrecke der Schmelze mit der ablenkenden Fläche ist desto kleiner sind die Wärmeverluste und der Fließwiderstand. Bei der erfindungsgemäßen Methode stehen diese Faktoren jedoch nicht in Beziehung zur Länge der ablenkenden Fläche, wie dies bei der Schmelzerinne der Fall ist sondern vielmehr zum Abstand der Schmelzerinnen-Abflußkante vom Auf-

treffpunkt, und dieser Abstand kann unabhängig von der Länge der ablenkenden Fläche gewählt werden. Desgleichen ist die Breite der ablenkenden Fläche beliebig wählbar, wenngleich diese vorzugsweise der Breite des zu zerstäubenden Stoffstromes entspricht bzw. im Hinblick auf die Treffsicherheit etwas größer als diese ist.

Die ablenkende Fläche kann ebene oder gekrümmte Form, vorzugsweise z. B. Parabolform haben.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen schematisierten Vertikalschnitt einer Vorrichtung zum Arbeiten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und

Fig.2 das Detail A aus Fig. 1 in vergrößertem Maßstab.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Zerstäubungskammer 1, deren Deckel 2 und eine Sammelwanne 3. Am Vorderteil des Reaktors 1 ist auf dem Deckel 2 ein Einfüllbecken 4 angeordnet, in dessen Boden eine Austrittsöffnung 5 eingebaut ist, welche das Einfüllbekken 4 mit dem Inneren der Zerstäubungskammer 1 verbindet. Durch die Austrittsöffnung 5 fließt ein zu zerstäubender Hochtemperaturschmelzestrom 6, der von der schrägen Ablenkfläche des innenseitig an der Reaktorvorderwand angebrachten Zerteilungsziegel 7 abgelenkt wird und einen fächerförmigen Schmelzefilm

8 erzeugt. Unterhalb des Zerteilungsziegels 7 sind Düsen 9 für zerstäubend (zerteilend) wirkende Gas- und/oder Flüssigkeitsstrahlen angeordnet, durch die aus j<> dem Schmelzefilm 8 ein Sprühnebel 10 gebildet wird. Zum Ablenken und Führen dieses Sprühnebels 10 sind im Deckel 2 der Zerstäubungskammer 1 Leitgasdüsen 11 angeordnet, welche die Tröpfchen nach unten in die Sammelwanne 3 lenken, in welcher sich die Schmelze r> und eventuelle Schlacke 12 sammeln. Weiter ist am hinteren Ende des Deckels 2 eine Abzugsöffnung 13 für Abgase vorhanden.

Die oben umrissene Vorrichtung kann auf erfindungsgemäße Weise zum Beispiel zum Frischen von Ferrochrom verwendet werden. Das Frischen gliedert sich hierbei in folgende Phasen:

Nach dem Abstechen und Abschlacken wird das zu raffinierende Ferrochrom in einer Pfanne zur Zerstäubungskammer 1 gebracht und mit passender Geschwindigkeit in das Einfüllbecken 4 geschüttet, von wo es durch den Lochziegel 5 hindurch in die Zerstäubungskammer 1 fließt.

Der Schmelzestrom wird auf den schrägen Zerteilungsziegel 7 geleitet und dort von diesem zu einem Film -,0 ausgebreitet.

Durch horizontales Einblasen von Sauerstoffstrahlen

9 wird der Ferrochrom-Film zu einem Sprühnebel zerteilt.

In die Reaktionszone können Entschwefeiungs- und Flußmittel, beispielsweise gebranntes Kalkmehr, eingespeist werden.

Die weitere Steuerung des Tröpfchenstrahles und der Frischungsreaktionen erfolgt durch Einblasen von Luft bzw. Sauerstoff in die Reaktionszone; hierzu dienen die bo in den Deckel 2 eingebauten Düsen 11.

Das Ferrochrom und die Schlacke 12 werden in der Sammelwanne 3 gesammelt, in der dann ein Nachfrischen sowie eventuell das Reduzieren der Schlacke beispielsweise mittels Siliciumchrom erfolgt. Weiter können in die Sammelwanne auch Chemikalien mittels Lanzen injiziert werden. Während des Frischens kann die Temperatur des Produktes zum Beispiel durch Zugabe von Ferrochrom-Schrott gesenkt werden.

Die Abgase werden über die Abzugöffnung 13 und über einen Venturiwäscher aus der Zerstäubungskammer abgesaugt. Im Wascher wird der Flugstaub aufgefangen. Im Waschteil der Zerstäubungskammer kann ein Nachverbrennen (Nachoxydation) des entstandenen CO-Gases erfolgen.

Das raffinierte Ferrochrom wird nach dem Abscheiden der Schlacke gegossen.

Das Gelingen des Ferrochrom-Frischens hängt in erster Linie von der Zerstäubungs- oder Tröpfchenbildungsphase ab, das heißt davon, wie intensiv die Tröpfchenbildung im Zerteilungsmoment erfolgt und wie kleine Tröpfchen dabei gebildet werden. Zur Begründung dieser Feststellung kurz das Folgende: Beim Frischen von Ferrochrom mittels Sauerstoffes kann es zu folgenden dominierenden Reaktionen kommen:

1) 1/3 Cr₇C₃ + 1/2 O₂ = 7/3 Cr + CO

2) 2/27 Cr₇C₃ + 1/2 O₂ = 7/27 Cr₂O₃ + 6/27 CO

3) 2/3Cr + 1/2O₂= 1/3Cr₂O₃

4) 1/3 Cr₂O₃ + 1/3 Cr₇C₃ = 3 Cr + CO

5) Fe+ 1/2O₂ = FeO

6) Si + O₂ = SiO₂

Bei niedrigeren, der Ferrochrom-Abstichtemperatur entsprechenden Temperaturen (1500 bis 1600⁰C), d.h. bei Anfangstemperatur des Frischens, herrschen nach erfolgter Reaktion (6) die Reaktionen (2) und (3) vor, wobei die Reaktion (2) stets vor der Reaktion (5) stattfindet, während bei Temperaturen über 1700⁰C die Reaktionen (1) und (4) stattfinden. Damit möglichst wenig Chrom oxydiert, muß die Schmelze möglichst schnell auf eine Temperatur von über 1700⁰C gebracht werden. Im Moment der Tröpfchenbildung erfolgt als erstes sofort die Oxydation (6) des Siliziums des Ferrochroms, und dabei wird die Tröpfchentemperatur umso schneller erhöht, je kleiner die Tröpfchen sind.

Das zu raffinierende Ferrochrom muß eine normale Menge Silizium enthalten, beispielsweise 2,0% Si erhöhen beim Verbrennen die Temperatur der Schmelze um 420⁰C. Die Schmelze wird in sehr kleine Tröpfchen zerstäubt, um für die Raffination eine günstige, große Reaktionsfläche zu schaffen, da ja die Reaktionsgeschwindigkeit beim Frischen von der Diffusion des Sauerstoffes in das Ferrochrom bestimmt wird. Verglichen zum Beispiel am Frischen von Schmelzeisen ist beim Dekarbonisieren von Ferrochrom die Tröpfchengröße auch deshalb von Bedeutung, weil nach Absinken des Kohlenstoffgehaltes der Tröpfchen-Oberfläche unter einen kritischen Wert an der Tröpfchen-Oberfläche bereits Chrom zu oxydieren beginnt, während der Tröpfchen-Kern noch einen hohen Kohlenstoffgehalt aufweist Zum Beispiel bei einer Temperatur von 1800° C, einem Chromgehalt von 50% und einem Druck von 1 atm beträgt dieser Kohlenstoffgehalt 0,9%.

Zur Durchführung einer den vorangehend aufgeführten Anforderungen entsprechenden Zerstäubung (Tröpfchenbildung) seien im folgenden die mit dem Verfahren verbundenen physikalischen Phasen beschrieben:

Der maximale Abstand der zur Bildung des Films 8 erforderlichen schrägen Ablenkfläche des Zerteilungsziegels 7 wird in erster Linie vom Einschnürungspunkt des durch Regulierung der Weite der Austrittsöffnung S des Einfüllbeckens 4 und des Füllstandes im Einfüllbek-

ken gesteuerten zusammenhängenden Schmelzestroms bestimmt.

Durch entsprechende Formgebung der schrägen Ablenkfläche 7 läßt sich die Form der entsprechenden Schmelzehaut (ebenflächig, paraboloidisch usw.) beeinflussen. Als einfachste Lösung für die schräge Fläche hat sich in der Praxis der Zerteilungsziegel 7 erwiesen; das Ausmaß des sich von ihm ebenflächig verbreiternden, sich nach unten zu parabolisch krümmenden Schmelzefilms 8 kann dabei nicht nur z. B. durch den Abstand des Zerteilungsziegels 7, sondern auch durch dessen Neigungswinkel und B reite beeinflußt werden.

Nach ausreichender Verdünnung an ihren Randpartien zerreißt der Schmelzefilm 8 zunächst in bandförmige Teile, um sich schließlich hauptsächlich durch die Wirkung von Oberflächenspannungen weiter in Tröpfchen aufzulösen. Die Größe der entstehenden Tröpfchen 10 wird dabei natürlich vom Dünnheitsgrad des Schmelzefilms 8 beeinflußt, welcher beträchtlich von der Auftreffstelle des Schmelzestroms 6 am schrägen Zerteilungsziegel 7 mitbestimmt wird. Unterstützt wird das Zerteilen des Films 8 noch durch die etwa waagrecht verlaufenden Gasstrahlen 9, die aus den Zerteilungsdüsen austreten und gewährleisten, daß die sehr kleinen, großflächigen Schmelzetröpfchen 10 entstehen. Die Geschwindigkeit des so entstehenden Gas-Tröpfchen-Gemisches bestimmt die Verweilzeit, und seine Turbulenz wirkt sich auf den Gasaustausch in der Nähe der Tröpfchenoberfläche aus.

Damit die Energie der Zerteilungsstrahlen 9 in möglichst hohem Grade zum Zerstäuben der Schmelze in Tröpfchen ausgenutzt werden kann, muß der Abstand der Düsen 9 von dem Film 8 kurz genug sein.

In diesem Zusammenhang ist festzustellen, daß der Großteil der Energie des Gasstrahles durch unelastischen Zusammenprall zwischen Gas und Schmelze, zur Beschleunigung der Schmelzetröpfchen und des von außerhalb des Strahles angesaugten Gases sowie für die Ausdehnung des letzteren aufgebraucht wird und somit nur ein kleiner Teil dieser Energie für die Bildung neuer Oberfläche zur Verfügung steht. Neben diesen energiewirtschaftlichen Betrachtungen ist außerdem zu berücksichtigen, daß, wird eine bestimmte Tröpfchengröße angestrebt, hierfür auch eine bestimmte Mindestgasgeschwindigkeit erforderlich ist. Als dritter begrenzender Faktor bezüglich des Abstandes der Düsen 9 von dem Schmelzefilm 8 ist die ständige Verdünnung der Gasstrahlen durch Aufnahme von Gasen aus der Umgebung zu nennen, deren Anteil am Gasstrom mit zunehmendem Abstand wächst.

Das Verhalten des hinter dem Zerteilungspunkt (Zerstäubungspunkt) als Gas-Tröpfchen-Suspension vorliegende Gemisches wird von den Massen und den Geschwindigkeiten der Schmelze und der Gasstrahlen mitbestimmt Unter Berücksichtigung der vorgenannten Umstände sind in dieser Beziehung in der Praxis die Gasstrahlen ausschlaggebend. Aus diesem Grunde kommt es leicht dazu, daß die Tröpfchen in der Nähe der Abzugsöffnung 13 gegen die Reaktorrückwand prallen und in Gefahr sind, unter den Flugstaub zu geraten. Um dies zu verhindern, sind in der Reaktordecke Gasdüsen angeordnet, deren Gasströme das Gemisch 10 nach unten drücken.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen eingehender beschrieben; dabei ist jedoch zu bemerken, daß es für den Fachmann ein leichtes ist, im Einzelfalle durch Variieren der Zufuhrgeschwindigkeit und -menge des zu zerstäubenden Stoffes, des Abstandes der Zufuhrstelle von der ablenkenden Fläche, des Abstandes des Auftreffpunktes von der Abfiußkante der ablenkenden Fläche, des Neigungswinkels und der Breite der ablenkenden Fläche, des Zufuhrdruckes, der Zufuhrmenge und der Zufuhrrichtung des zerstäubend wirkenden Stoffes sowie durch Kontrollieren der Gleichmäßigkeit und Breite des entstehenden Films, des Schleiers oder der Schicht und der Gleichmäßigkeit und der Tröpfchen- bzw. Korngröße der entstehenden

ίο Tröpfchen-, Korn- oder Teilchenschar die passenden Parameter zu ermitteln. Es ist unmöglich, Beispiele über all diese Veränderlichen zu bringen oder auch nur deren Grenzen festzusetzen, da diese von den Arbeitsverhältnissen, dem zu zerstäubenden Stoff und dem zerstäubend wirkenden Stoff abhängig sind, und diese drei letztgenannten Faktoren in sehr weiten Grenzen variieren können.

Man hat feststellt, daß sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Zerstäuben (Zerteilen) von Schmelze in kleine Tröpfchen und zum Zerstäuben pulverartiger Konzentrate mit Hilfe von Sauerstoff, Luft und/oder Dampf eignet. Es spricht auch nichts gegen die Annahme, daß sich das erfindungsgemäße Verfahren ebenso gut zum Zerstäuben flüssiger Dispersionen oder zum Arbeiten mit Flüssigkeiten als zerstäubend wirkenden Stoff eignet.

In diesem Zusammenhang ist der Begriff »Zerstäubungskammer« sehr weit gefaßt zu verstehen. Die Zerstäubungskammer kann zum Beispiel auch eine Granulierkammer oder eine ähnliche Verarbeitungseinrichtung sein.

Beispiel 1

Man ließ im Mittel 17,4 t/h flüssiges Ferrochrom durch eine Öffnung von 15 mm Durchmesser aus einer Höhe von 0,5 m mit einer Geschwindigkeit von 2,2 m/s auf die obere ebene Fläche eines um 45° geneigten Ziegels in einer Entfernung von 50 mm von der oberen Ziegelaußenkante aufströmen. Der dadurch erzeugte Schmelze-Film hatte in einem Abstand von 0,5 m von der ablenkenden Fläche eine Breite von 0,35 m. Die Gesamtlänge des zusammenhängenden Filmes betrug 1 m. Berechnungen anhand der angeführten Werte ergeben, daß es sich dabei um einen außerordentlich dünnen Film handelte.

Versuche ergaben, daß das Verhältnis aus Filmlänge und -breite mit zunehmendem Neigungswinkel der ablenkenden Fläche abnahm. Mit wachsender Fallhöhe nahm die Größe des Filmes zu. Für die Fallhöhe ergab

so sich jedoch ein durch Einschnürung des Schmelzestrahles bedingter Maximalwert, dessen Überschreiten zu momentanem Reißen des Filmes führte.

Die optimale Auftreffstelle des zu zerstäubenden Stoffes auf der ablenkenden Fläche war eine Stelle möglichst nahe bei der Außenkante der Fläche. Mit zunehmendem Kantenabstand des Auftreffpunktes wurde der Schmelzefilm kürzer, und nach Überschreiten eines bestimmten Abstandswertes wurde überhaupt kein Film mehr gebildet

Durch Reduzieren der Breite der ablenkenden Fläche wurde die Filmbildung verbessert Die Flächenbreite mußte jedoch wenigstens der Breite des Schmelzestrahles entsprechen. In der Praxis wurde sie jedoch im Hinblick auf die Treffsicherheit etwas größer gehalten.

Vor allem beim Anlaufen des Systems kam es wegen ungenügender Teffgenauigkeit mitunter dazu, daß ein Teil der Schmelze — ohne einen Film zu bilden — seitlich am die ablenkende Fläche bildenden Ziegel

herablief. Um dies zu verhindern, wurde die ablenkende Fläche mit Seitenwänden versehen, wobei jedoch dann die auf die Seitenwände treffende Schmelze randseitig am Film »schnurartige« Striemen bildete und es zum Reißen des Filmes kam. Auf die Verwendung einer ■-, solchen rinnenartigen Ablenkungsfläche mußte deshalb verzichtet werden. Dagegen konnte das Problem durch seitlich auf den Ziegel blasende, passend gerichtete Gasstrahlen zufriedenstellend gelöst werden.

Beispiel 2

Mittelstark kohlenstoffhaltige Ferrochromsorten wurden in einem Reaktor hergestellt, dessen Einfüll- und Zerstäubungseinrichtungen folgende Dimensionen hauen:

Durchmesser des

Einfüllbecken-Ausflusses: 32 mm

Fallhöhe

Ausflußöffnung — Ablenkziegel: 700 mm

Neigungswinkel des Ziegels: 45°

Ziegelbreite: 125 mm

Ausgangs-Ferrochrom

Auftreffpunkt des Strahles:

50 mm
von der
Ziegelspitze

Die 15 Hauptdüsen waren um 5° nach unten geneigt, hatten vom Ferrochrom-Film einen Abstand von 273 mm und belanden sich in einer Höhe, daß sich eine Filmlänge von 196 mm ergab.
Die 15 deckelseitigen Düsen waren um 5° zum Zerstäubungspunkt hin geneigt und hatten von der Tröpfchenstrahl-Mittellinie einen Abstand von 781 mm. Die Auftreffstellen hatten einen gegenseitigen Abstand von 736 mm.

Mit Hilfe des Füllstandes im Einfüllbecken wurde der Ferrochromzufluß auf 30 t/h geregelt In die Reaktionszone wurden über eine im Deckel angebrachte Düse Flußmittel injiziert. Der Tröpfchenstrahl wurde in die Sammelwanne geleitet, von wo dann nach Abscheiden der Schlacke das Gießen des Ferrochroms erfolgte. Die Abgase wurden über einen Venturiwäscher nach außen gesaugt.

Analyse / %
Cr

Fe

Si Menge
t

Temperatur
Grad C

a)
b)

53,5
53,8

36,2
36,4

7,3
7,5

2,5 1,9

Es wurde gebrannter Kalk injiziert:

a) 2700 kg

b) 1275 kg

Im Fall a) wurden insgesamt 2550 Nm³ Sauerstoff zugeführt; die Düsendrücke betrugen 4 atü (4 At Oberdruck).

Im Fall b) wurde über acht Hauptdüsen und acht im Deckel angebrachte Düsen Sauerstoff eingeblasen. Weiter wurde über sieben Hauptdüsen und sieben Deckeldüsen überhitzter Wasserdampf von 220° C eingeblasen. Die eingeblasene Dampfmenge betrug insgesamt 1,2 t Der Überdruck in den Sauerstoffdüsen betrug 10 at, die Gesamtsauerstoffmenge 1800 Nm³.

Im Anschluß an das Frischen wurde die Schlacke mit Siliziumchrom reduziert, welches folgende Analysenwerte hatte: Cr 38%, Fe 18% und Si 44%. Im Fall a) wurden 2340 kg Siliziumchrom, im Fall b) 1210 kg Siliziumchrom zugegeben.

Endschlacke	Analyse	Analyse	FeO	C	CaO	SiO₂	Menge
	Cr₂O₁	Cr	2,5	1,2	41,3	38,5	t
	7,7	53,2	3,4	2,6	34,7	40,4	6,3
a)	11,5	56,0					3,7
b)	Ferrochrom
		Si	S	Menge
		1,3	0,02	t
a)		0,8	0,02	15,4
b)	(Endprod.)			13,8

Fe
44,2
40,3

0,035
0,040

18,0
15,0

1580
1590

Roheisen wurde in eine Zerstäubungskammer raffiniert, deren Einfüll- und Zerstäubungseinrichtungen folgende Dimensionen hatten:

Durchmesser des

Einfüllbecken-Ausflusses: 25 mm

Fallhöhe

Ausflußöffnung—Ablenkziegel: 500 mm

Neigungswinkel des Ziegels: 55°

Ziegelbreite: 125 mm

Auftreffpunkt des Schmelzestrahles:

30 mm
von der
Ziegelspitze

Die 15 Hauptdüsen waren horizontal gerichtet, hatten einen Abstand von 180 mm vom Roheisen-Film und waren in einer Höhe angeordnet, daß sich eine Filmlänge von 160 mm ergab.
Die zwei im Deckel angeordneten Düsen waren auf die Mittellinie des Tröpfchenstrahls gerichtet und hatten von dieser einen Abstand von 500 mm. Die Auftreffstellen befanden sich in einem gegenseitigen Abstand von 1100 mm.

Das Roheisen floß mit einer Geschwindigkeit von 11,1 t/h in die Zerstäubungskammer. Während der Raffination wurden in die Reaktionszone insgesamt 14% gebranntes Kalkpulver und von den Abgasen abgeschiedener Flugstaub, bezogen auf das Einfüllgut, injiziert Ober die Hauptdüsen wurde Sauerstoff mit einem Überdruck von 3,2 at eingeblasen. Über die im Deckel befindlichen Düsen wurde Luft mit einem Überdruck von 1 at eingeblasen.

Bei einer Sauerstoffzufuhr von 652 Nm³/h und einer Luftzufuhr von 14iO NmVh wurde folgendes Resultat erzielt:

	13	C	24	57 903	Mn	14	P	S/%
		4,2 0,12		Si	0,8 0,02	0,09 0,025	0,035 0,020
Roheisen Erhaltenes	Produkt		0,9 0,01

In den folgenden Versuchen wurde auf den Ablenkziegel verzichtet, und die Hauptdüsen wurden gegen drei Düsen ausgewechselt, die in einem Abstand von 100 mm in waagrechter Stellung standen und auf den Schmelze-Strom gerichtet waren. Ein entsprechendes Raffinationsergebnis wurde erst erzielt, als die Sauerstoffzufuhr auf 869 Nm³/h und der Düsen-Oberdruck auf 5,7 at erhöht worden waren. Durch die deckelseitigen Düsen wurde die gleiche Luftmenge wie zuvor, 1410 Nm³Zh, eingeblasen.

Beispiel 4

a) Ferrochrom wurde in einer Zerstäubungskammer raffiniert, deren Einfüll- und Zerstäubungseinrichtungen folgende Dimensionen hatten:

Durchmesser des

Einfüllbecken-Ausflusses:

Fallhöhe

Ausflußöffnung — Ablenkziegel:

Neigungswinkel des Ziegels:

Ziegelbreite:

Auftreffpunkt der Schmelze:

22 mm

Durchmesser des

Einfüllbecken-Ausflusses: 22 mm

Die zwölf Düsen waren in einem Winkel von 30° auf den Schmelzstrahl gerichtet Der Abstand Düsen-Auftreffstelle betrug 250 mm.

Das Ferrochrom strömte mit einer Geschwindigkeit von 13 t/h in die Zerstäubungskammer. In die Reaktionszone wurden seitlich 7,5% gebranntes Kalkpulver, bezogen auf die Einfüllmenge, injiziert Der Sauerstoff-Überdruck mußte auf 25 at erhöht werden.

Ausgangs-Ferrochrom

500 mm;
45°

125 mm
30 mm
von der
Ziegelspitze

Die sieben Hauptdüsen befanden sich in einem Abstand von 270 mm vom Ferrochromfilm und in einer Höhe, daß eine Filmlänge von 160 mm erzielt wurde.

Die zwei deckelseitigen Düsen waren auf die Mittellinie des Tröpfchenstrahls gerichtet und 500 mm von dieser entfernt. Die Auftreffstellen hatten einen gegenseitigen Abstand von 1100 mm.

Das Ferrochrom floß mit einer Geschwindigkeit von 13 t/h in den Reaktor. Über eine neben den Hauptdüsen angeordnete Düse wurden 7,5% gebranntes Kalkpulver, bezogen auf das Einfüllgut, in die Reaktionszone injiziert. Der Sauerstoff-Überdruck in den Düsen betrug 4,5 at.

b) Zum Vergleich wurde ein zweiter Versuch mit einer andersartigen Zerstäubungskammer durchgeführt, bei der die Düsen ringförmig um den Lochziegel herrm angeordnet waren.

Analyse	Fe	C	Si	Menge	Temperatur
Cr	27,2	8,1	1,6	kg	GradC
a) 62,2	27,5	8,0	1,7	1100	1610
b) 61,6	Sauerstoffmenge			1500	1580

a) Hauptdüsen 70 NmVt; deckelseit. Düsen 29,5 NmVl

b) 98,5 NmVt

Schlacke

	Analyse	FeO	CaO	SiO₂	Menge
	Cr₃Oi	4.5	33,3	14,4	kg
u)	34,8	4,4	32,0	12,9	250
b)	39,7	Ferrochrom			350
Raffiniertes			Menge
				Chrom-
	Fe C	Si	kg	ausbeutc
			%
Analyse

Cr

a)	63,4	30,2	4,3	0,1	960	89,2
b)	62,9	30,3	4,7	0,1	1280	87,2

Hierzu 2 Blatt Zcichium.acn

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Zerstäuben einer Hochtemperaturschmelze, insbesondere Metallschmelze, bei dem die Hochtemperaturschmelze auf eine Ablenkfläche gelangt, die schräg nach unten geneigt ist, und bei dem die so gebildete Schicht durch Gas- und/oder Flüssigkeitsstrahlen zerstäubt wird, die in Fließrichtung der Hochtemperaturschmelze nach der Ab- ι ο lenkfläche auf die zu zerstäubende Hochtemperaturschmelze treffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochtemperaturschmelze bei Eintritt in eine Zerstäubungskammer zum Aufprall auf die schräge Ablenkfläche so nahe an die Abflußkante der letzteren herangeführt wird, daß die Hochtemperaturschmelze die Ablenkfläche als zusammenhängende dünne, sich verbreiternde Schmelzehaut verläßt, und daß die Gas- und/oder Flüssigkeitsstrahlen gegen die so gebildete zusammenhängende dünne, sich verbreiternde Schmelzenhaut erst unmittelbar vor deren Selbstauftrennung gerichtet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zu zerstäubende Schmelzestrom an einer Stelle auf die Ablenkfläche auftrifft, die sich in unmittelbarer Nähe der Abflußkante dieser Fläche befindet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas- und/oder Flüssigkeitsstrahlen im wesentlichen waagrecht zur Schicht hin verlaufen, um aus dem zerstäubend wirkenden Stoff und dem Schmelzestrom ein Gemisch zu erzeugen, welches sodann durch einen abwärts gerichteten Gas- und/oder Flüssigkeitsstrahl nach unten abgelenkt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung der Filmbildung des Schmelzestroms gegen beide Flanken der Ablenkfläche Gas und/oder Flüssigkeit geblasen bzw. gesprüht wird.

5. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer schrägen Ablenkfläche, einer oberhalb der Ablenkfläche angeordneten Austrittsöffnung für das zu zerstäubende Medium, sowie mit einer unterhalb der Ablenkfläche angeordneten Düse für Gas- und/oder Flüssigkeitsstrahlen, gekennzeichnet durch einen an einer Wand der Zerstäubungskammer (1) angebrachten Zerteilungsziegel (7), welcher die dieser Wand abgekehrte schräge Ablenkfläche aufweist, daß der Abstand der Austrittsöffnung (5) für die Hochtemperaturschmelze von der schrägen Ablenkfläche des Zerteilungsziegels (7) etwa 500 bis 1000 mm beträgt und daß die Austrittsöffnung (5) so zur schrägen Ablenkfläche des Zerteilungsziegels (7) angeordnet ist, daß der zu zerstäubende Schmelzestrom (6) in einem Abstand von 0 bis 200 mm von der Unterkante der schrägen Ablenkfläche des Zerteilungsziegels (7) auf diese auftrifft.

6. Vorrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung des Zerteilungsziegels (7) etwa 5 bis 60° beträgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des Auftreffpunktes des Schmelzestroms von der Unterkante der schrägen Ablenkfäche des Zerteilungsziegels (7) 30 bis 50 mm beträgt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch gegen die Flanken des Zerteilungsziegels (7) gerichtete zusätzliche Düsen.

9. Vorrichtung nach einem dar Ansprücne 5 bis 8, gekennzeichnet durch im Deckel (2) der Zerstäubungskammer (1) angeordnete, auf das Gemisch (19) gerichtete Leitdüsen (11) für Gasstrahlen, welche das Gemisch (10) in der Zerstäubungskammer (1) nach unten ablenken.