DE8213332U1 - Elektrischer rohrofen fuer feststoffreaktionen - Google Patents

Description

TEPMEER-MöLli^p ^TEIMMEISTER ·..*.:.. Dr. D. Dhingra

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Rohrofen für Feststoffreaktionen, vorzugsweise für chemische Umsetzungen von Feststoffen, wie für die Behandlung oder Herstellung von Oxiden, Carbiden, Nitriden oder Metallen, die bei den angewandten Arbeitstemperaturen in festem Zustand, d. h. in Pulverform oder körniger Form vorliegen.

Zur Herstellung oder Behandlung von körnigen oder pulverförmigen Feststoffen bei hoher Temperatur sind bereits Röhrenofen oder Drehrohrofen für hohe Temperaturen im Bereich von 800 bis 1500⁰C bekannt, bei denen das zu behandelnde Material entweder mit Hilfe von Schiffchen oder der Schwerkraft folgend durch den Ofen geführt wird. Diese herkömmlichen Öfen besitzen den erheblichen Nachteil, daß die zu behandelnden Materialien im ersteren Fall ständig in Kontakt mit dem Schiffchenmaterial auf die hohen Temperaturen erhitzt werden bzw. unter Einwirkung der Schwerkraft auf die Wandungen des Drehrohrofens fallen und damit in Kontakt kommen, wodurch sich Verunreinigungen der Materialien nicht vermeiden lassen, was bei der Herstellung hochreiner Materialien, wie von Oxiden oder Metallen, äußerst nachteilig ist.

Darüber hinaus ist es bei den herkömmlichen Öfen schwierig, in dem Ofen unterschiedliche Temperaturzonen und/ oder Zonen mit unterschiedlicher Gasatmosphäre auszubilden, um in dieser Weise die durchzuführenden Reaktionen zu begünstigen und in eine bestimmte Richtung zu führen.

TER meer - MOLL;EFJ - ^TEiriM|lSTER _: j _#. Dr. D. Dhingra

Aus der DH-Qs 23 12 538 und der DE-AS 23 33 519 sind bereits Schachtofen zur kontinuierlichen Direktreduktion von stückigem Eisenerz bekannt, die einen ringförmigen Schachtinnenraum aufweisen, durch den das zu behandelnde Metalloxid von oben nach unten geführt und reduziert wird. Dabei wird über Schlitze in der Außenwand bzw. der Schachtinnenwand ein Reduktionsgas in das zu reduzierende Metalloxid eingeführt, wodurch eine aufsteigende bzw. absteigende Gasbewegung innerhalb des ringförmigen Schachts bewirkt wird.

Diese für großtechnische Umsetzungen stückigen Erzes geeigneten Schachtofen bieten sich jedoch nicht für die Herstellung von reinen Metalloxiden oder Metallen bei hohen Umsetzungstemperaturen an und lassen sich ebenfalls nicht in der yewünschten Weise in unterschiedliche Temperaturzonen aufteilen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen elektrischen Rohrofen für Feststoff reaktionen bei hohen Temperaturen von bis zu etwa 1500⁰C und gegebenenfalls darüber anzugeben, mit dem es gelingt, Reaktionsprodukte mit wesentlich geringerer Verunreinigung durch die Ofenmaterialien herzustellen, beliebige Zonen unterschiedlicher Gasatmosphären und Temperaturbereiche auszubilden und gleichzeitig eine volle Ausnutzung der geheizten Reaktionszone und damit der zugeführten Wärmeenergie zu bewirken.

Diese Aufgabe wird nun gelöst durch den erfindungsgemäßen elektrischen Rohrofen für Feststoffreaktionen gemäß Hauptanspruch. Die Unteransprüche betreffen besonders bevorzugte Ausführungsformen dieses Erfindungsgegenstandes .

TER MEER · MDLtE.R .-STElNfdE^TeR ·..·.:.. Dr. D. Dhingra

Die Erfindung betrifft somit einen elektrischen Ofen für Feststoffreaktionen, namentlich für die Herstellung von Oxiden, Mischoxiden, Carbiden, Nitriden und von MPtallpulvern in reinster Form, letzteres insbesondere durch Reduktion der betreffenden Oxide mit Wasserstoff, der eine vertikal verlaufende gasdicht abgeschlossene Reaktionszone mit ringförmigem Querschnitt aufweist, die durch ein Innenrohr und ein Außenrohr aus hitzebeständigem, vorzugsweise porösem Material gebildet wird und außen von einem gasdichten Hüllrohr umgeben ist.

Bei dem erfindungsgemäßen elektrischen Rohrofen fließt das zu behandelnde Material unter Einwirkung der Schwerkraft durch die senkrecht stehendo ringförmige Reaktionszone, so daß kein zusätzlicher Aufwand für den Materialtransport wie beim Drehrohr- oder Schubofen erforderlich ist. Dabei wird das Material in der gasdicht abgeschlossenen Reaktionszone zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr geführt, durch die, wenn sie porös ausgelegt sind, von innen bzw. von außen Reaktionsgase und/oder inerte Gase zugeführt und abgeführt werden können, wodurch sich eine wesentlich geringere Verunreinigung des zu behandelnden Materials durch das Ofenmaterial ergibt, auch deswegen, weil die einzelnen Feststoffteilchen nur zeitweilig mit der inneren Oberfläche des Außenrohrs bzw. der äußeren Oberfläche des Innenrohrs in Kontakt kommen, wobei das durch die poröse Rohrwand eintretende Reaktionsgas und/oder Inertgas die unerwünschten Wandreaktionen vermindert. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Drehrohrofen ergibt sich auch kein hartes Auftreffen des zu behandelnden Feststoffmaterials auf die Ofenwandung, wodurch dessen Teilchen unverändert bleiben und die Aufnahme von Verunreinigungen aus dem Ofenmaterial vermieden wird. Bei der bevorzugten erfindungsgemäßen Auslegung des Rohrofens mit ei-

» t ti

TER meer - MöLiiEFi ·teTEKÖMtiSTER: '. .' Dr. D. Dhingra

- 10 -

nein porösen Innenrohr und einem porösen Außenrohr wird es durch eine alternierende Führung der Gasströmung von der Innenseite und der Außenseite der Reaktionszone her möglich, den Wandeffekt des Reaktionsguts noch weiter zu vermindern und eine wesentlich größere Standzeit der auf hohen Temperaturen befindlichen Ofenrohre zu erreichen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, das Innenrohr und/oder das Außenrohr aus Teilstücken oder Schüssen auszubilden, die unterschiedliche Porositäten aufweisen oder auch zum Teil gasdicht sein können, so daß einerseits eine gezielte Gasverteilung innerhalb der ringförmigen Reaktionszone erreicht wird und andererseits eine wesentliche Vereinfachung der Wartung und der Instandhaltung der Ofenrohre möglich wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Rohrofen ist das das Außenrohr umgebende gasdichte Hüllrohr von dem eigentlichen, regelbaren elektrischen Rohrofen umgeben, welcher gemäß einer bevorzugten Ausführungsform aus mehreren, getrennt voneinander regelbaren elektrischen Rohrofensegmenten besteht, so daß es ohne weiteres möglich wird, in der senkrecht verlaufenden ringförmigen Reaktionszone unterschiedliche Temperaturzonen auszubilden, die durch die Anordnung von gasdichten Zwischenschüssen des Innenrohrs und des Außenrohrs von gasdichten Platten im Innenrohr und von gasdichten Ringen zwischen dem Außenrohr und dam gasdichten Hüllrohr mit getrennten Zonen mit unterschiedlicher Gasatmosphäre korrespondieren, so daß es möglich wird, das von oben in die ringförmige Reaktionszone eingeführte Reaktionsgut nach unten durch unterschiedliche Temperaturzonen und Gaszonen zu führen und unten schließlich wieder aus der ring-

• > »III

A,

TERMEER ■ ^ l¹¹ !

_Dr. _D. Dhingra

- 11 -

förmigen Reaktionszone auszutragen. In dieser Weise ist es ohne weiteres möglich, mehrstufige Reaktionen unter Anwendung unterschiedlicher Reaktionsbedingungen auszuführen, ohne daß es notwendig wird, den Ofen zu spülen, erneut zu beschicken und/oder zu reinigen. In dieser % Weise wird es ohne weiteres möglich, kontinuierlich und " auf sehr einfache Weise bei hoher Temperatur schwer herzustellende Metalloxide und/oder Metalle in äußerst reiner Form zu gewinnen, wobei aufgrund der Tatsache, daß die beheizte ringförmige Reaktionszone praktisch vollständig mit dem zu behandelnden Reaktionsgut ausgefüllt ist, sich ein sehr hoher Wirkungsgrad des Ofens erzielen läßt. Namentlich lassen sich Eisen- oder Nickelverunreinigungen in den Produkten völlig vermeiden, was bei herkömmlichen Drehrohrofen nicht möglich ist.

In dieser Weise gelingt es beispielsweise aus Ammoniumwolframat Wolframoxid und aus Wolframoxid Wolframmetall oder ausgehend von Kobaltoxalat metallisches Kobalt herzustellen.

Die Erfindung sei im folgenden nüher unter Bezugnahme ^; auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Die Zeichnung

zeigt in der einzigen
25

Figur eine seitliche Schnittansicht des erfindungsgemäßen elektrischen Rohrofens.

Wie in der Figur dargestellt ist, umfaßt der erfindungs-

gemäße elektrische Rohrofen eine vertikal angeordnete \

gasdicht abgeschlossene Reaktionszone 1 mit ringförmi- t

gem Querschnitt, die durch ein Innenrohr 2 und ein Au- %

ßenrohr 3 gebildet wird. Das Außenrohr ist wiederum von 6

einem gasdichten Hüllrohr 4 umgeben. Die durch das In- f

nenrohr 2, das Außenrohr 3 und das gasdichte Hüllrohr 4 |

TERMEER · MüLilF₁R-isTEtÄwEi^jtR·...:. Dr. D. Dhingra

- 12 -

gebildeten Gasräume 45 bzw. 46 sind an ihren oberen Enden mit der Abschlußkappc M bzw. dem Abschlußring 44 und an ihren unteren Enden mit der Isolierscheibe 18 und den Dichtungen 34, 35, 36 und 37 gasdicht verschlossen. Das Innenrohr 2 und das Außenrohr· 3 bestehen vorzugsweise zumindest teilweise aus einem porösen, hitzebeständigen Material, so daß es möglich ist, über die Wandungen des Innenrohrs 2 bzw. des Außenrohrs 3 Reaktionsgase oder inerte Gase in die ringförmige Reaktionszone 1 einzuführen oder daraus abzuziehen. Mit Vorteil besteht das Innenrohr 2 und/oder das Außenrohr 3 aus ubereinandergesetzten einzelnen Schüssen aus porösem und/oder gasdichtem hitzebeständigem Material, was die Wartung dieser verschleißempfindlichen Ofenteile ganz wesentlich begünstigt. Natürlich ist es zur Vereinfachung der Wartung auch möglich, das gasdichte Hüllrohr 4 aus einzelnen Schüssen auszubilden.

Darüber hinaus ist es möglich,durch die Anordnung gasdichter Schüsse 11 und 12 an entsprechender Stelle des Innenrohrs 2 bzw. des Außenrohrs 3 und eines gasdichten Rings 13 zwischen dem Außenrohr 3 und dem gasdichten Hüllrohr 4 und einer gasdichten Platte 14 im Inneren des Innenrohrs 2, den Innenraum des Innenrohrs 2 und den ringförmigen Zwischenraum zwischen dem Außenrohr 3 und dem gasdichten Hüllrohr in verschiedene übereinanderliegende Zonen aufzuteilen. Vorzugsweise stellen der gasdichte Schuß 11 des Außenrohrs 3 und der gasdichte Ring 13 bzw. der gasdichte Schuß 12 des Innenrohrs 2 und die gasdichte Platte 14 jeweils ein gasdichtes Bauteil in Form eines Rings bzw. einer Platte dar.

Durch das Einführen von Gasleitungen 15 und 16 durch den gasdichten Ring 13 bzw. die gasdichte Platte 14 bzw. die

TER MEER · MOLLE¹Fj!,-'SJrEiNMiElSTER ί "· .* Dr. D. Dhingra

- 13 -

betreffenden zusammenfassenden Bauteile ist es möglich, diese Zonen mit unterschiedlichen Gasatmosphären zu versehen. Diese Gasleitungen sind insbesondere mit den Gasleitungen 7 bzw. 10 verbunden, die an der Materialzuführungseinrichtung 5 bzw. dom oberen Ende des gasdichten Hüllrohrs angeordnet sind, dazu sind die durch das Innenrohr 2 und das Außenrohr 3 bzw. das Außenrohr 3 und das gasdichte Hüllrohr 4 gebildeten Gasräume 45 bzw. 46 an ihren oberen und unteren Enden vorzugsweise gasdicht verschlossen und mit Gaszuleitungen bzw. Gasauslaßleitungen 7, 8, 9 und 10 versehen. Über diese Zuleitungen und Abführungen 7, 8, 9 und 10 und die bereits angesprochenen Gasleitungen 15 und 16 ist es möglich, inerte Gase, wie Stickstoff, Argon, Helium oder dergleichen, oder Reaktionsgase, wie Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und dergleichen, zuzuführen bzw. abzuführen. Diese Gase dringen dann in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung durch das poröse Innenrohr bzw. das poröse Außenrohr von innen nach außen oder von außen nach innen durch die ringförmige Reaktionszone 1 und das darin vorhandene Reaktionsgut. Insbesondere durch eine alternierende Veränderung der Strömungsrichtung vom Innenrohr 2 zum Außenrohr 3 bzw. umgekehrt, wird es möglich, die unerwünschten Wandeffekte des mit der Außenseite des Innenrohrs 2 bzw. der Innenseite des Außenrohrs 3 in Kontakt stehenden Reaktionsguts zu vermindern bzw. zu verhindern, wodurch es gelingt, die Reinheit der gebildeten Produkte im Vergleich zu den bisher üblichen Methoden ganz erheblich zu erhöhen.

Be-i einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wie sie auch in der Zeichnung dargestellt ist, sind an dem oberen Ende der ringförmigen Reaktionszone 1 eine Materialzuführungseinrichtung 5 und an ihrem unteren Ende

'35 ein Materialaustrag 6 angeordnet. Die Materialzufüh-

t I I

TERMEER · MuLLiER · jSTEit^E^jHR *,.·.:.. Dr. D. Dhingra

- 14 -

rungseinrichtung 5 besitzt die Form eines geschlossenen Vorratssilos, in dem das über die gasdicht verschließbare Füllöffnung 41 eingebrachte Ausgangsmaterial gelagert wird. Die Materialzuführungseinrichtung 5 läuft an ihrem unteren Ende 19 konisch zusammen und ist an dieser Stelle gasdicht über den Abschlußring 44 mit dem Außenrohr 3 und an der Oberseite gasdicht mit der Abschlußkappe 47 des Innenrohrs 2 verbunden. Über das konisch zusammenlaufende Ende 19 der Materialzuführungseinrichtung 5 wird das in dem Vorratssilo vorhandene Ausgangsprodukt selbsttätig unter Einwirkung der Schwerkraft nach unten in die ringförmige Reaktionszone 1 eingeführt und sinkt dort in dem Maße nach unten, wie am unteren Ende der ringförmigen Reaktionszone das Reaktionsprodukt ausgetragen wird. Vorzugsweise ist die Materialzuführungseinrichtung 5 mit Spülgaszuleitungen 21 und 22 ausgerüstet, über die Spülgase, z. B. Inertgase, wie Stickstoff oder dergleichen, eingeführt werden können, um unerwünschte, an dem pulverförmigen Ausgangsmaterial anhaftende Gase zu entfernen und unerwünschte Reaktionen zu verhindern.

Der an der Unterseite des erfindungsgemäßen Rohrofens angeordnete Materialaustrag 6 umfaßt einen gasdichten Sammelbehälter 24, der nach unten zu einer gasdicht verschiebbaren Austragsöffnung 23 zusammeläuft und in dem am unteren Ende der ringförmigen Reaktionszone 1 ein um die Achse der Reaktionszone 1 drehbarer Drehteller 25 angeordnet ist. Mit Hilfe dieses Drehtellers 25 kann das in der ringförmigen Reaktionszone vorliegende Reaktionsgut mit gezielter Geschwindigkeit ausgetragen werden, wozu der Drehteller vorzugsweise auf der der ringförmigen Reaktionszone 1 zugewandten Oberfläche 26 mit radial verlaufenden Einkerbungen versehen ist, die den Abtrag des in der ringförmigen Reaktionszone 1 Vorhände-

TERMEER-MÖLLER¹'-STEirtMElSTER *..'.I.. Dr. D. Dhingra

- 15 -

nen, eventuell zusammen backenden Reaktionsguts erleichtern. Zum Au3enrand hin ist der Drehteller 25 nach unten geneigt, wodurch der Austrag des Reaktionsprodukts begünstigt wird. Der Drehteller 25 ist zur Durchfluß- ; steuerung bzw. zur Steuerung der Austragsmenge mit ei- % nem stufenlos regelbaren Motor 27 antreibbar und mit "

einer Höhenverstellungseinrichtung 28 versehen, über die der Drehteller vertikal verstellt und damit die Austragsmenge reguliert werden kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Drehteller 25 zusätzlich mit einer Vibrationseinrichtugn 29 versehen, um den Austrag schwerfließender Materialien zu begünstigen. Mit Vorteil sind der Drehteller 25 und die Vibrationseinrichtung 29 gemeinsam an dem unten verschlossenen In- nenrohr 2, vorzugsweise an dem Justierformkörper 33 gelagert und fest über die Halterung 48 mit der Bodenplatte 42 verbunden und können in dieser Weise zusammen mit dem Innenrohr 2 in vertikaler und horizontaler Richtung justiert werden, um in dieser Weise einen gleichmäßigen Verlauf der ringförmigen Reaktionszone durch den gesamten Rohrofen sicherzustellen. Dabei sind der Antrieb des Drehtellers und der Vibrationseinrichtung sowie die Justiereinrichtungen vorzugsweise staubgeschützt angeordnet, um eine Beeinträchtigung der mechanischen und elektrischen Funktionen dieser Einrichtungen durch ; das auf der ringförmigen Reaktionszone austretende pulverförmige Reaktionsgut zu vermeiden.

Vorteilhafterweise ist der gasdichte Sammelbehälter 24, in den das Reaktionsgut aus der ringförmigen Reaktionszone 1 nach unten ausgetragen wird, mit einem Schauglas 32 versehen, über das der Materialfluß, die Funktion des Drehtellers und der Vibrationseinrichtung sowie die Justierung dieser Einrichtungen einschließlich des Innenrohrs 2 beobachtet und überwacht werden können.

I lit · · · ·

• 1 I Ii · · * ·

■ r

TERMEER- MOLUe??- 3TEINIy\ei«yfER *.,*,:.. Dr. D. Dhxngra

- 16 -

Am unteren Ende des Ofens sind das Innenrohr 2 mit dem Justierformkörper 33 und der Zwischenraum zwischen dem Außenrohr 3 und dem gasdichten Hüllrohr 4 mit der Isolierscheibe 18 über die Dichtungen 34 aus einem hitzebeständigen Material gasdicht verschlossen, um in dieser Weise den gewünschten Gasdurchgang durch die ringförmige Reaktionszone 1 vom Innenrohr 2 zum Außenrohr bzw. umgekehrt sicherzustellen.

An ihren oberen Enden sind das Innenrohr 2, das Außenrohr 3 und das gasdichte Hüllrohr 4 mit verschiebbaren Ringdichtungen 35, 36 und 37 aus hitzebeständigem Material gasdicht abgeschlossen, so daß die im Inneren dieser Rohre vorliegenden Gase nur über die Gasleitungen 7, 8, 9, 10 und gegebenenfalls 21 und 22 eingeführt bzw. abgezogen werden können. An den Oberseiten des Innenrohrs 2, des Außenrohrs 3 und des gasdichten Hüllrohrs 4 sind Rückstel!druckfedern 38 vorgesehen, welche die bei der bestimmungsgemäßen Verwendung des elektrisehen Rohrofens auftretenden Dimensionsänderungen des Innenrohrs 2, des Außenrohrs 3 und des gasdichten Hüllrohrs 4 aufgrund der thermischen Ausdehnung auffangen und stets den gewünschten gasdichten Abschluß sicherstellen, namentlich bei Aufteilung der Rohre 2, 3 und 4 in einzelne Schüsse.

Ebenso wie das untere Ende des Innenrohrs 2 sind auch die Materialzuführungseinrichtung 5 mit dem daran über die Ringdichtung 36 fixierten Außenrohr 3 und das gasdichte Hüllrohr 4 an horizontal und vertikal justierbaren Halterungen 39 bzw. 40 befestigt, so daß es in dieser Weise ohne weiteres möglich ist, die genau senkrechte Anordnung der ringförmigen Reaktionszone 1 sicherzustellen und etwaige Verschiebungen durch unterschiedliehe Ausdehnungen der Materialien des Innenrohrs 2, des

TER MEER - möller· - ^TEirvHyiBi^TER ·..·.;.. Dr. D. Dhingra

- 17 -

Außenrohrs 3 und des gasdichten Hüllrohrs 4 auszugleichen.

Vorzugsweise ist der gesamte Ofen an seinem unteren Ende fest auf der Bodenplatte 42 gelagert, auf dem sich auch die Rohrofensegmente 17 abstützen, welche vorzugsweise durch die Isolierscheibe 18 nach unten thermisch isoliert sind. Auch der Sammelbehälter 24 des Materialaustrags 6 ist vorzugsweise an dieser Bodenplatte 42 gasdicht befestigt, wozu die Ringdichtung 43 dient.

Die thermisch belasteten Materialien des erfindungsgemäßen elektrischen Rohrofens, namentlich das Innenrohr 2, das Außenrohr 3, das gasdichte Hüllrohr 4, die gasdichten Schüsse, Ringe und Platten 11, 12, 13 und 14, die Isolierscheiben 18, der Justierformkörper 33 und die Ringdichten 34, 35, 36 und 37 bestehen vorzugsweise aus einem hitzebeständigen Material, vorzugsweise aus einem Keramikmaterial, Asbest, Graphit oder hochtemperatur esten Metallen oder Metallegierungen, vorzugsweise aus einem hitzebeständigen Sinterkeramikmaterial auf der Grundlage der Oxide, Carbide oder Nitride von Aluminium, Silicium, Chrom, Magnesium, Calcium, Zirkonium, Thorium, Yttrium oder Tantal. Dabei ist es zur Vermeidung von Spannungen durch ungleichmäßige thermische Dimensionsänderungen bevorzugt, die hohen Temperaturen ausgesetzten Bauteile, namentlich die Rohre 2, 3 und 4, die Schüsse 11 und 12, die Ringe 13, die Platten 14 und den Justierformkörper 3 3 aus dem gleichen hitzebeständigen Material zu fertigen, welches ohne weiteres gasdicht bzw. mit der gemischten Porosität erhältlich ist. Vorzugsweise bestehen diese Bauteile aus gesintertem Aluminiumoxid, welches im Fall des Innenrohrs 2 bzw. des Außenrohrs 3 die notwendige Porosität aufweist, während

TER MEER · MÖLLER'

Dr. D. Dhingra

- 18 -

die übrigen Bauteile vorzugsweise aus einem gasdichter. Material dieser Art bestehen. Bei den Rohrofensegmenten 17 handelt es sich um handelsübliche Elemente, die die angestrebten Temperaturen in der ringförmigen Reaktionszone 1 von bis zu 1500⁰C und vorzugsweise von 1000 bis 1250⁰C zu erreichen ermöglichen.

Der erfindungsgemäße elektrische Rohrofen ermöglicht gegenüber den herkömmlichen Öfen für die Behandlung von pulverförmigem oder körnigem Feststoffmaterial erhebliche Vorteile. So wird das Material lediglich durch die Schwerkraft bedingt senkrecht durch die ringförmige Reaktionszone 1 geführt, so daß kein zusätzlicher Aufwand für den Materialtransport notwendig ist, wie bei dem Drehrohrofen oder dem Schubofen. Dabei wird das Material zwischen zwei gasdurchlässigen bzw. gasundurchlässigen Rohren 2 und 3 geführt, welche die ringförmige Reaktionszone 1 definieren und die Materialbegrenzung darstellen. Bei Anwendung eines gasdurchlässigen Materials für das Innenrohr 2 bzw. für das Außenrohr 3 ist es möglich, in der ringförmigen Reaktionszone 1 eine gezielte Atmosphäre auszubilden, beispielsweise aus Luft, Inertgas, reduzierenden oder oxidierenden Gasen, Vakuum und dergleichen. Da das Reaktionsgut nicht auf dem Tiegelmaterial bzw. dem Ofenmaterial aufliegt oder auftrifft, wi bei den herkömmlichen Rohröfen, bzw. dem Drehrohrofen, sondern nur senkrecht an der Außenwand des Innenrohrs bzw. der Innenwand des Außenrohrs 3 vorbeigeführt wird, ergeben sich wesentlich geringere Verunreinigungen durch das Ofenmaterial, namentlich dann, wenn aufgrund der Gasführung durch das gasdurchlässige Innenrohr 2 bzw. das gasdurchlässige Außenrohr 3 der Materialkontakt noch weiter herabgesetzt wird, was insbesondere durch eine alternierende Gasströmung erreicht werden kann, indem die Gaszufuhr wechselweise vom Innenrohr 2

TERMEER- MüLLler* ■ JSTElrtUEISTER *..*.:.. Dr. D. Dhingra

zum Außenrohr J bzw. umgekehrt umgeschaltet wird. In dieser Weise ergibt sich ein wesentlich geringerer Wandeffekt für das Reaktionsgut und eine größere Standzeit für das Innenrohr 2 bzw. das Außenrohr 3, die ja bei hohen Temperaturen betrieben werden. Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau des elektrischen Rohrofens wird somit das Volumen zwischen dem Innenrohr 2 und dem Außenrohr 3 und damit der ringförmigen Reaktionszone 1 voll genutzt, was einen wesentlich größeren Durchsatz als bei Drehrohrofen bzw. Trommelofen, und damit wesentliche Energieeinsparungen gestattet. Darüber hinaus ist ohne weiteres eine kontinuierliche Verfahrenstechnik möglich, bei der die Durchflußgeschwindigkeit des Materials durch den Drehteller 25 geregelt werden kann, dessen Drehzahl stufenlos verstellbar ist, und der in vertikaler Richtung verschoben werden kann, so daß die Verweil zeit des Reaktionsguts in der ringförmigen Reaktionszone 1 gezielt eingestellt werden kann. Durch die Anwendung des Drehtellers 25, der an seiner oberen Oberfläche 26 vorzugsweise mit radial verlaufenden Einkerbungen versehen ist, läßt sich auch das Reaktionsgut, welches sich im Verlaufe der Reaktion verfestigt oder zusammengeballt hat, ohne weiteres aus der ringförmigen Reaktionszone 1 austragen. Da es bei dem erfindungsgemäßen Rohrofen nicht notwendig ist, Tiegelmaterialien vor und während der Reaktion aufzuwärmen, ist ein wesentlich geringerer Energieaufwand erforderlich. Gegenüber den Drehrohrofen ergeben sich erhebliche Vorteile dadurch, daß eine Rotation der Ofenrohre vermieden wird, was einen wesentlich einfacheren Aufbau des Ofens und einen niedrigeren Verschleiß und damit geringere Investitions- und Betriebskosten möglich werden läßt.

Bei dem erfindungsgemäßen Rohrofen können das Innenrohr

TER MEER ■ MÜLLER ■ ^TEINMEISTER '· _m' _ej|_g Dr. D. Dhingra

I I *

- 20 -

2 und das Außenrohr 3, aber auch das gasdichte Hüllrohr 4 sowohl aus einem Stück als auch aus Teilstücken bzw. Schüssen 11 und 12 bestehen, was die Instandhaltung und Wartung des Ofens ganz erheblich vereinfacht und verbilligt. Dabei kann der erfindungsgemäße Rohrofen durch Einfügen von gasdichten Zwischenstücken bzw. Schüssen, wie sie in der Zeichnung mit der Bezugsziffer 11 und 12 dargestellt sind und mit Hilfe eines gasdichten Rings 13 und einer gasdichten Platte 14 unterteilt werden, was es ermöglicht, im oberen Teil bzw. im unteren Teil der ringförmigen Reaktionszone 1 unterschiedliche Gasatmosphären auszubilden. Es versteht sich, daß durch die Anwendung mehrerer gasundurchlässiger Schüsse bzw. Dichtungen die Aufteilung der vertikal verlaufenden ringförmigen Reaktionszone 1 in mehrere Bereiche unterschiedlicher Gasatmosphäre erzielt werden kann. Dabei werden die gewünschten Gase (Inertgas bzw. Reaktionsgase) mit Hilfe der Leitungen 7 und 10 bzw. erforderlichenfalls weiterer Gaszuleitungen, die durch die Platte 14 bzw. den Ring 13 geführt sind, in die betreffenden Abschnitte des Innenrohrs 2 bzw. zwischen dem Außenrohr

3 und dem gasdichten Hüllrohr 4 eingeführt und dringen dann über die porösen Wandungen des Innenrohrs 2 bzw. des Außenrohrs 3 in die entsprechenden Bereiche der ringförmigen Reaktionszone 1. In dieser Weise ist es möglich, beispielsweise im oberen Abschnitt des erfindungsgemäßen elektrischen Rohrofens oxidierende Bedingungen aufrechtzuerhalten, wodurch das von oben eingeführte Reaktionsgut auf den gewünschten Oxidationszustand aufoxidiert wird, während im unteren Bereich der inneren Reaktionszone 1 eine reduzierende Gasatmosphäre aufrechterhalten wird, in der das gezielt voroxidierte Reaktionsgut dann der gewünschten Reduktion unterworfen wird. Dabei ist es ohne weiteres möglich, bei Aufbau des eigentlichen Ofens aus einzelnen Rohrofenseg-

ti · · * « » ft 4

TERMEER. MüLLER'· pTEiNftvieiaTER *..'.:.. Dr. D. Dhingra

- 21 -

menten 17 in diesen Bereichen auch unterschiedliche Temperaturbedingungen auszubilden, wodurch optimale Reaktionen möglich werden.

Durch die erfindungsgemäß bevorzugte Ausbildung des Innenrohrs 2 bzw. des Außenrohrs 3 aus Teilstücken oder Schüssen, der Heizung mit Hilfe einzelner Rohrofensegmente 17 und der Unterteilung der ringförmigen Reaktionszone 1 in Abschnitte unterschiedlicher Gas- und Temperaturbedingungen gelingt eine optimale Anpassung an den spezifischen jeweiligen Produktionsvorgang, insbesondere bei eventuell auftretenden Änderungen und es wird eine optimale Ofennutzung bei minimalem Energieaufwand erreicht. Dabei wird durch die vertikale Anordnung der inneren Reaktionszone und deren vollständige Nutzung der Platzbedarf im Vergleich zu herkömmlichen Öfen dieser Art erheblich vermindert.

Der Ofen ist in Abhängigkeit von den angewandten Konstruktionsmaterxalxen und der einzelnen Rohrofensegmente (aus beispielsweise Kanthai oder Kanthai Super 33) für Temperaturen bis etwa 1750⁰C, vorzugsweise etwa 1500°C und noch bevorzugter 1000 bis 1250⁰C, einsetzbar und ermöglicht bei geringen Wartungskosten und geringen Betriebskosten eine sehr wirtschaftliche Durchführung der verschiedenartigsten Reaktionen, wie Oxidationen, Reduktionen, Glühvorgänge, Feststoffumsetzungen und dergleichen, wobei, wie bereits angesprochen, Kombinationen der unterschiedlichsten Reaktionen möglich sind wegen der erfindungsgemäßen Einstellbarkeit unterschiedlicher Gasatmosphären und Temperaturbedingungen innerhalb der ringförmigen Reaktionszone 1.

Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

TERMEER- MÖLLER¹· ßTEINM,£lg.T,ER ·..·.:.. Dr. D. Dhingra

- 22 -

Beispiel 1

Man verwendet einen Ofen der oben beschriebenen Art, wie er in der Zeichnung dargestellt ist, bei dem das Innenrohr einen Außendurchmesser von 80 nun und das Außenrohr einen Innendurchmesser von 100 mm aufweisen,und diese Rohre aus porösem, gesintertem Aluminiumoxid bestehen. Dabei wird die ringförmige Reaktionszone 1 mit einer beheizbaren Länge von 1 m durch die Anwendung von Schüssen für das Innenrohr 2 bzw. das Außenrohr 3 in zwei Abschnitte mit einer Länge von jeweils 50 cm unterteilt. Der Gasdurchfluß durch das poröse Innenrohr 2 bzw. das poröse Außenrohr 3 ist in Abhängigkeit des angewandten Drucks frei regelbar bis etwa 20 m³/h. Mit diesem Ofen läßt sich ein Durchsatz des Reaktionsguts erreichen, der etwa dem 5-fachen eines Drehrohrofens gleichen Durchmessers entspricht.

Zur Herstellung von feinem Kobaltmetallpulver beschickt man den Vorratssilo der Materialzuführungseinrichtung 5 mit Kcbaltoxalat (Co(C O 1.-2H O), spült den Vorratssilo durch Einführen von Stickstoff über die Gaszuleitung 21 und durch Abführen des Stickstoffs über die Leitung 22. Das Material wird dann senkrecht nach unten durch die ringförmige Reaktionszone 1 geführt, in deren oberem Abschnitt eine Temperatur von 600⁰C und eine Kohlendioxidatmosphäre aufrechterhalten werden, indem man die oberen Rohrofensegmente 17 auf die entsprechende Temperatur erhitzt und über die Leitung 9 Kohlendioxid einführt, welches über die Leitung 8 wieder abgezogen wird. In dieser Weise wird in dem oberen Abschnitt der ringförmigen Reaktionszone 1 eine Umwandlung des Kobaltoxalats in metallisches Kobalt und Kobaltoxid bewirkt.

In dem unteren Abschnitt der ringförmigen Reaktionszone

···■ ι

lllCItirftf···'

TER meer · mcjlUer --STEirtMHiSTfeR : : .* Dr . D. Dhingra

- 23 -

1 arbeitet man bei einer Temperatur von 700 bis 750⁰C und in einer Wasserstoffatmosphäre. Dabei wird der Wasserstoff über die Leitung 10 zugeführt und über die Leitung 7 abgeführt bzw. umgekehrt. In dieser Weise erfolgt im unteren Abschnitt der ringförmigen Reaktionszone eine Umwandlung des Gemisches aus metallischem Kobalt und Kobaltoxid in Kobaltmeta11pulver, welches mit einer Teilchengröße von etwa 1 μπι und hoher Reinheit anfällt.

Beispiel 2

Man verwendet einen elektrischen Rohrofen der in Beispiel 1 beschriebenen Art, der sich lediglich dadurch unterscheidet, daß die heizbare Zone eine Länge von 2,0 m besitzt.

In dem oberen Abschnitt der ringförmigen Reaktionszone 1, der eine Länge von etwa 50 cm aufweist, erfolgt die thermische Zersetzung von Ammoniumwolframat in Eigenatmosphäre zu Wolframoxid (WO ), wozu man bei 900⁰C arbeitet. Es ist jedoch auch möglich, in diesem Abschnitt die Umsetzung in einer Stickstoff/Wasserstoff-Gasatmosphäre bei 500 bis 600⁰C durchzuführen.

Im unteren Abschnitt der ringförmigen Reaktionszone, der eine Länge von etwa 150 cm aufweist, erfolgt eins Reduktion des Wolframoxids in einer Wasserstoffatmosphäre bei einer Temperatur von etwa 95O⁰C. In dieser Weise erhält man hochreines, metallisches Wolframpulver.

Claims (26)

*..* : '··'-PÄTkiNl-T-ANWÄLTE TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER Beim Europäischen Patentamt zugelassene Vertreter — Professional Representatives befor· the European Patent Office Mandataltes agreis prfes !'Office europeen des brevets Dipl.-Chem. Dr. N. tar Meer Dipl -Ing. H. Steinmeister Dipl.-lng. F. E. Müller . . . . , , „ _. Trittstrasse A. Artur-Ladebeck-Strasse 51 D-8OOO MÜNCHEN 22 D-48OO BiELEFELD 1 tM/cb 7. Mai 1982 Dr. Devender Dhingra Fasanenweg 5 D - 5166 Kreuzau Elektrischer Rohrofen für !feststoffreaktionen SCHUTZANSPRÜCHE

1. Elektrischer Rohrofen für Feststoffreaktionen, gekennzeichnet durch eine durch ein Innenrohr (2) und ein Außenrohr (3) aus hitzebeständigem Material definierte, von einem gasdichten Hüllrohr (4) umgebene, vertikal angeordnete, gasdicht abgeschlossene Reaktionszone (1) mit ringförmigem Querschnitt.

2. Rohrofen nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine am oberen Ende der ringförmigen Reaktionszone (1) angeordnete Materialzuführungseinrichtung (5) und einen am unteren Ende der ringförmigen Reaktionszone (1) angeordneten Materialaustrag (6).

TERMEER- MOLtE/* ·^TEiNJ^E^JCR·..·.:.. Dr. D. Dhingra

3. Rohrofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Innenrohr (2) und/ oder das Außenrohr (3) zumindest teilweise aus einem porösen, hitzebeständigen Material bestehen.

4. Rohrofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Innenrohr (2) und/ oder das Außenrohr (3) aus ubereinandergesetzten, einzelnen Schüssen (11/ 12) porösem und/oder gasdichtem, hitzebeständigem Material bestehen.

5. Rohrofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das Innenrohr (2) bzw. das Außenrohr (3) und das gasdichte Hüllrohr (4) gebildeten Gasräume (45, 46) an ihren oberen Enden reit der Abschlußkappe (47) bzw. dem Abschlußring (44) und an ihren unteren Enden mit der Isolierscheibe (18) und den Dichtungen (34, 35, 36, 37) gasdicht verschlossen und mit Gaszuleitungen bzw. Gasauslaßleitungen (7, 8, 9, 10) versehen sind.

6. Rohrofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (2) und das Außenrohr (3) jeweils einen oder mehrere gasdichte Schüsse (11, 12) aufweisen und an dieser Stelle durch einen gasdichten Ring (13) bzw. eine gasdichte Platte (14) verschlossen sind.

7. Rohrofen nach Anspruch 6, dadurch g e kennzeichnet, daß der gasdichte Schuß (11) und der gasdichte Ring (13) bzw. der gasdichte Schuß (12) und die yasdichte Platte (14) jeweils ein gasdichtes Bauteil darstellen.

8. Rohrofen nach den Ansprüchen 6 und 7, da-

TER MEER · MÜLLJEFi ■ feTEltfMälSTER I I >' Dr. D. Dhingra

durch gekennzeichnet, daß durch den gasdichten Ring (13) bzw. die gasdichte Platte (14) Gas leitungen (15, 16) geführt sind, die mit den Gaszuleitungen (7) bzw. (10) verbunden sind.

'

9. Rohrofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das gasdichte Hüllrohr (4) von einem oder mehreren elektrisch regelbaren Rohrofensegmenten (17) umgeben ist, die an ihren Oberseiten bzw. Unterseiten mit Isolierscheiben (18) aus hitzebeständigem, thermisch isolierendem Material versehen sind.

10. Rohrofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Material zuf ührungseinrichtung (5) die Form eines geschlossenen Vorratssilos besitzt, der an seinem unteren konisch zusammenlaufenden Ende (19) gasdicht mit dem Außenrohr (3) und an seiner Oberseite gasdicht mit dem Innenrohr (2) verbunden ist.

11. Rohrofen nach Anspruch IG, dadurch ge kennzeichnet, daß die Material Zuführungseinrichtung (5) mit Spülgasleitungen (21, 22) ausgerü- stet ist.

12. Rohrofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Materialaustrag (6) einen zu einer gasdicht verschließbaren Austragsöffnung <23) nach unten zusammenlaufenden gasdichten Sammelbehälter (24) und einen am unteren Ende der ringförmigen Reaktionszone (1) angeordneten, um die Achse der Reaktionszone (1) drehbaren Drehteller (25) aufweist.

TERMEER · MüLLTspf. BTEIhJMEIaTER *..· .:i, Dr. D. Dhingra

13. Rohrofen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die der ringförmigen Reaktionszone (1) zugewandte Oberfläche (26) des Drehtellers (25) mit radialen Einkerbungen versehen und zum Auflenrand hin nach unten geneigt ist.

14. Rohrofen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der Drehteller (25) zur Durchflußsteuerung mit einem stufenlos regelbaren Motor (27) antreibbar und mit Hilfe einer Höhenverstellungseinrichtung (28) vertikal verschiebbar angeordnet ist.

15. Rohrofen nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehteller (25) zusätzlich mit einer Vibrationseinrichtung (29) versehen ist.

16. Kohrofen nach Anspruch 12, dadurch g e kennzeichnet, daß der gasdichte Sammelbehälter (24) mit Spülgasleitungen (30, 31) ausgerüstet ist.

17. Rohrofen nach Anspruch 12, dadurch g e kennzeichnet, daß der gasdichte Sammelbehälter (24) ein Schauglas (32) aufweist.

18. Rohrofen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der Drehteller (25) und die Vibrationseinrichtung (29) gemeinsam an dem unten verschlossenen Innenrohr (2) gelagert und mit diesem in vertikaler und horizontaler Richtung justierbar sind.

19. Rohrofen nach Anspruch 18, dadurch ge-

TERMEER. MÜULEJS -isTEII^ks^ER'..'..*.'. ^Dr " ^D' ^Dnin9^ra

kennzeichnet, daß der Drehteller (25) und die Vibrationseinrichtung (29) gemeinsam an dem das Innenrohr (2) verschließenden Justierformkörper (33) gelagert und mit diesem vibrierbar sind. 5

20. Rohrofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den unteren Enden des Innenrohrs (2), des Außenrohrs (3) und des gasdichten Hüllrohrs (4) Ringdichtungen (34) aus einem hitzebeständigen Material vorgesehen sind.

21. Rohrofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Enden dps Innenrohrs (2), des Außenrohrs (3) und des gasdichten Hüllrohrs (4) mit verschiebbaren Kingdichtungen (35, 36, 37) aus hitzebeständigem Material gasdicht abgeschlossen sind.

22. Rohrofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Oberseiten des Innenrohrs (2), des Außenrohrs (3) und des gasdichten Hüllrohrs (4) Rückstelldruckfedern (38) vorgesehen sind.

23. Rohrofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Material Zuführungseinrichtung (5) und das gasdichte Hüllrohr (4) an horizontal und vertikal justierbaren Halterungen (39, 40) befestigt sind.

24. Rohrofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (2), das Außenrohr (3), das gasdichte Hüllrohr (4), die gasdichten Schüsse (11, 12), die

TERMEER · MÜLliEF? ■ JSTEINMEISTER ^ '· _<:^ Dr. D. Dhingra

Isolierscheiben (18), der Justierformkörper (33) und die Ringdichtungen (34, 35, 36, 37) aus einem hitzebeständigen Material, vorzugsweise einem Keramikmaterial, Asbest, Graphit oder hochtemperaturfestern Metall oder Metallegierungen bestehen.

25. Rohrofen nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet , daß das hitzebeständige Keramikmaterial für die Rohre (2, 3, 4), die Schüsse (11, 12), die Ringe (13), die Platten (14) und den Isolierformkörper (33) ein Sinterkeramikmaterial auf der Grundlage der Oxide, Carbide oder Nitride von Aluminium, Silicium, Chrom, Magnesium, Calcium, Zirkonium, Thorium, Yttrium oder Tantal ist.

26. Rohrofen nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet , daß Rohre (2, 3, 4) , Schüsse (11, 12), Ringe (13), Platten (14) und Justierformkörper (33) aus demselben porösen bzw. gasdichten Material bestehen.