-
Verfahren zur Herstellung von Metallverbindungen, insbesondere Metalloxyden,
in fein verteiltem Zustand In großem Umfang werden fein verteilte Metallverbindungen,
insbesondere Oxyde, benötigt. Die einfachste Herstellung derselben wäre, die Metalle
zu verbrennen, wobei das Oxyd in Form- eines Aerosols entsteht, welches nach der
Kondensation ein außerordentlich gleichmäßiges und feines Pulver ergibt. Dieser
Weg ist im Falle des Zinks bereits beschritten worden, wobei über in Muffeln geschmolzenes
Zink Luft geleitet wurde, so daß der entstehende Zinkdampf verbrannte. Im Vergleich
zur Ausbeute müß man hierbei aber große Apparaturen anwenden. Es ist daher schon
vorgeschlagen worden, durch elektrische Heizung das Metall zu verdampfen und den
durch eine Düse austretender. Metalldampfstrahl zu zünden (deutsche Patentschriften
499 572, 545 2-1.2). Im Falle des Zinks unter Herstellung von Zinkoxyd aus Zinkmetallpulver
ist man auch schon vorgegangen, daß ein mit fein gepulvertem Zink beladener Luftstrom
entzündet wurde und die Verbrennung in Form einer reinen Zinkflamme unter Verzicht
auf eine ständige Hilfsheizung vorgenommen wurde (deutsche Patentschrift 467 588).
Dies war nur dadurch möglich, daß das Zinkmetall eine hohe Verbrennungswärme und
gleichzeitig einen außerordentlich niedrigen Siedepunkt und sein Oxyd eine große
Flüchtigkeit besitzt, so daß im Falle des Zinks eine in etwa einer Kohlenstaubfeuerung
entsprechende Flamme verbrannt werden kann.
-
Für Zink hat sich dieses Verfahren bewährt, während für andere Metalle
mit höherem Schmelz-und Siedepunkt die äpparativen Aufwendungen zu umständlich werden.
-
Schon seit langem (britische Patentschrift 25 477
aus dem Jahre
1898) ist es bekannt, daß man fein verteilte Oxyde von Blei, Zink, Kupfer und anderen
Metallen
sowie von leicht schmelzbaren Metalllegierungen auch dadurch herstellen kann, daß
man ein inniges Gemisch des gepulverten Metalls oder der Legierung mit der zur vollständigen
Oxydation genügenden Luftmenge mischt und dieses Gemisch auf oder in eine Zündflamme
bläst oder gegen eine hocherhitzte Oberfläche. Die Oxydation wird hierdurch eingeleitet
und soll in dem durch größere Wärmezufuhr stark erhitzten Raum vervollständigt werden.
Fremdheizung wurde nach der deutschen Patentschrift 431 469 auch schon so angewandt,
daß das Metallpulver-Luft-Gemisch in einen Verbrennungsraum eingeführt wird, der
möglichst vollständig von einer Flamme eines Ölbrenners ausgefüllt ist.
-
Diesem Verfahren haftete der Nachteil an, daß bei dem Einblasen des
aus Luft und Pulver bestehenden Gemischstrahles in eine gewöhnliche Flamme nur eine
schlechte Ausnutzung der Flaminenhitze und eine unsichere Zündung eintrat, so daß
sich dieses Verfahren als unpraktisch erwiesen hat. Es wurde verbessert durch ein
Verfahren, bei dem an Stelle einer gewöhnlichen Zündflamme eine ring- oder mantelförmig
gestaltete Gasmasse verwendet wurde, die den Gemischstrahl aus Pulver und Luft vollständig
umhüllt und dabei an der Berührungsstelle mit demselben brennt. Von diesem brennenden
Gasmantel entzündeten sich zunächst die äußeren Teilchen des Gemisches, dessen Verbrennung
sich bis zur Mittellinie des Strahles fortpflanzt. Der Gasmantel wurde dadurch gebildet,
daß man das Zuleitungsrohr des mit Metallstaub beladenen Strahles mit einem Zuleitungsrohr
umgibt, durch das ein, geeignetes Brenngas zugeführt wird, das auf diese Weise den
Gemischstrahl mantelförmig umhüllt. Hierdurch entsteht eine Art Strahlgebläse. Der
Gasmantel gerät in Brand und entzündet die mit ihm in Berührung kommenden, mit Luft
umhüllten Metallteilchen. Vorzugsweise werden hierbei anstatt nur eines Gemischstrahles
mehrere Gemischstrahlen, und zwar gegeneinandergeneigt, in die Retorte eintreten
gelassen, so daß durch das Zusammentreffen der Strahlen ein kräftiges Durcheinanderrühren
derselben bewirkt wurde. Auch hier ist es also das Ziel des Verfahrens, eine Durchwirbelung
des Brenngases mit dem zu verbrennenden Metallpulver-Luft-Gemisch herbeizuführen.
Auch dieses Verfahren benötigt sehr viel Brenngas und erlaubt z. B. keineswegs die
Ausnutzung der Verbrennungswärme des verbrennenden Metalls, wie dies z. B. zum Verdampfen
nicht selbst brennbarer Beiinengungen sehr vorteilhaft wäre.
-
Auch ein in der deutschen Patentschrift 171716 vorgeschlagenes Verfahren
führt die Verbrennung so durch, daß eine Durchwirbelun.g des Metallstaub-Trägergas-Gemisches
eintritt, weil metallbeladenes Trägergas und Verbrennungsgas senkrecht zueinander
eingeleitet werden. Die Metalldämpfe gehen hierbei durch eine Stichflamme bzw. Stichflammen
hindurch.
-
Es wurde nun gefunden, daß man mit geringstem Zündaufwand absolut
sicher brennende Metallstaubflam.men erzielen kann, bei dienen es sogar möglich
ist, die Verbrennungswärme des reagierenden Metallpulvers zur Verdampfung beigemischter,
nicht brennbarer Stoffe zu benutzen und dabei hochdisperse Pulver zu erhalten.
-
Es wurde nun gefunden, daß man absolut sicher brennende Metallstaubflammen
erzielen kann, wenn man einen Strahl aus Metallpulver und einem mit diesem reaktionsfähigen
Gas, z. B. Luft, mit einer die Zündgeschwindigkeit überschreitenden Geschwindigkeit
in einen, Verbrennungsraum eintreten läßt und an der Eintrittsstelle mehrere punktförmige
Initialzündquellen hoher Temperatur vorsieht, die als Kranz an der Strahlperipherie
am Düsenaustritt angeordnet sind. Dies kann z. B. dadurch geschehen, daß man konzentrisch
um den Metallstaub-Luft-Strahlaustritt mehrere Knallgas-, Leuchtgas-Sauerstoff-
oder auch Leuchtgas-Luft-Stichflämmchen von einigen Millimetern Ausdehnung brennen
läßt oder kleine elektrische Bogen-oder Funkenentladungen an der Strahlperipherie
am Düsenaustritt erfolgen läßt. Diese Initialzündungen gewährleisten eine absolut
sichere und stationär brennende Metallflamme, wenn der austretende Metallstaub-Luft-Strahl
die erforderliche Austrittsgeschwindigkeit aus der Düse besitzt.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von den bekannten
Verfahren vor allem dadurch, daß mit einer laminaren Flamme gearbeitet wird, bei
der keine unverbrannten Metallteilchen in äußere Flammenzonen herausgewirbelt werden
können, so daß eine vollständige Verbrennung gewährleistet ist. Die laminare Flamme
wird besonders heiß, so daß mit dem Metall zusätzlich eingeführte, nicht brennbare
Stoffe mit verdampft werden können.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber der bekannten Metallstaubverbrennung
in einem Flammenmantel den Vorteil, daß man mit viel weniger oder gar keinem Heizgas
auskommt und daß man das Reaktionsgas praktisch ohne Verunreinigungen anwenden kann.
Dadurch ist es beispielsweise bei der Verbrennung mit Sauerstoff möglich, den Luftstrom
mit mehr Metallstaub zu beladen, da jetzt kein Sauerstoff mehr für die Verbrennung
des Heizgases abgegeben werden muß und aller Sauerstoff voll und ganz der Metalloxydation
zugute kommt. Man erhält daher auch viel höhere Flammentemperaturen und dadurch
eine vollständigere Verbrennung des Metallstaubes, so daß es möglich ist, zu praktisch
vollkommen metallfreiem Verbrennungsprodukt zu gelangen.
-
Beim Zündvorgang einer Metallstaubflamme spielt die Temperaturstrahlung
eine wesentliche Rolle. Bei Freistrahlflammen muß man deshalb eine viel intensivere
Initialzündung anwenden, als wenn man die Flamme in einer Zündkammer zur Ausbildung
bringt. Bei dem Verfahren nach der deutschen Patentschrift 189 475 verwendet man
eine luftgekühlte Metallzündkammer. Es ist demgegenüber vorteilhaft, die Zündkammer
in an sich bekannter Weise aus einem schlecht wärmeleitenden Material zu bauen,
so daß sie sich während des
Betriebes auf hohe Temperaturen erhitzt.
Die hierbei auftretende Wärmestrahlung unterstützt in hohem Maße die Initialzündung,
so daß die erfindungsgemäß durchgeführte Zusatzzündung am Düsenaustritt auf ein
aus Sicherheitsgründen erforderliches Minimum reduziert werden kann.
-
Es ist auch vorteilhaft, das Metallpulver selbst für die Strahlung
empfänglicher zu machen. Dies kann dadurch geschehen, daß man nicht oder nicht nur
kugelförmige Partikeln, sondern in an sich bekannter Weise kleine Metallflitterchen
anwendet oder dem kugelförmigen Pulver beimischt. Vorzugsweise Aluminiumflitter
zeigen eine überraschend hohe Zündwilligkeit, und es ist möglich, derartige Metallflammen
nach Zündung mittels der als Kranz an der Strahlperipherie am Düsenausgang angeordneten
punktförmigen Heizquellen lediglich durch die Zündkammer bei abgestellter Initialzündung
weiterbrenuen zu lassen, wobei absolute Betriebssicherheit und restlose Verbrennung
gewährleistet sind.
-
Die Teilchengröße des Metallpulvers richtet sich nach der Natur des
betreffenden Metalls. Es hat sich z. B. beim Aluminium ein Teilchengrößenspektrum,
welches in folgender Tabelle niedergelegt ist, bewährt.
| Teilchengrößenintervall Prozentsatz |
| der Teilchenzahlen |
| bis 4 Mikron 37 0/0 |
| 4 bis 8 26% |
| 8 bis 12 15 0/0 |
| 12 bis 14 " 1I 0/0 |
| 14 bis 26 " 11 0/0 |
gegebenenfalls in den Vorratsbunker ein. Im Falle des Aluminiums ist eine Strömungsgeschwindigkeit
je nach der Korngröße von 5o bis 15o m/sec erforderlich. Bei dem oben beispielsweise
angegebenen Pulver wählt man vorzugsweise eine Strömungsgeschwindigkeit von ioo
m/sec.
-
Um eine vollständige Reaktion zu sichern, ist es vorteilhaft, an die
möglichst eng gewählte Zündkammer einen etwas weiteren Verbrennungsraum anzuschließen,
in welchem sich die heißen Gase vorteilhaft etwa 5 Sekunden aufhalten können. Man
erhält ein Aerosol als Reaktionsprodukt, aus dem man nach bekannten Verfahren fein
verteilte Festkörper kondensieren kann. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen,
daß man den heißen Rauch gegen sich drehende gekühlte Walzen leitet, an denen sich
der Festkörper abscheidet, der gegebenenfalls durch ein feststehendes Messer abgeschabt
wird. Die letzten Reste von Staub können in Zyklonen oder in Elektro- oder Sackfiltern
oder auch durch Ultraschallbehandlung abgeschieden werden.
-
Das erfindungsgemäßeVerfahren sei an verschiedenen Ausführungsformen
von Vorrichtungen für Aluininiumoxydverbrennung beschrieben, wie sie in der Zeichnung
dargestellt sind.
-
In Abb. i ist eine Düse dargestellt, bei der die Zündung durch kleine
Stichflammen erfolgt, welche aus konzentrisch um die Metallstaub-Luft-Gemischdüse
i angebrachten ringförmigen Düsenkränzen austreten. Aus dem Düsenkranz 2 tritt das
Zündgas aus, während der Ringkranz 3 Sauerstoff oder Luft führt. Das Metallpulver
wird aus einem nicht eingezeichneten Vorratsbunker mittels einer Schnecke 4 einem
Injektor 5 zugeführt. Die zum Betrieb erforderliche Preßluft wird bei 6 zugeführt.
-
Abb.2 zeigt eine Anordnung von vier um die Peripherie der Metallstaub-Luft-Gemischdüse
i verteilten Zündelektrodenpaaren 7. Diese können beispielsweise durch einen vom
Kraftfahrzeugmotor her bekannten Zündgenerator betrieben werden.
-
Die Abb. 3 zeigt eine Ausführungsform der gesamten Apparatur. Aus
dem Bunker 8 wird das Metallpulver durch die schon erwähnte Schnecke 4 in die Düse
9 gefördert. Die aus der Düse austretende Flamme wird mittels der Initialzündung
unter Strahlung der Zündkammer io gezündet und tritt in den Verbrennungsraum i x.
Der heiße Rauch wird an den gekühlten rotierenden Walzen 12 abgeschieden und von
den Messern 13 abgeschabt. Das bei 14 austretende Restgas kann dann der bereits
erwähnten Feinreinigung durch Elektrofilter oder Sackfilter oder Zyklon oder durch
Ultraschall ausgesetzt werden.
-
Man erhält außerordentlich hochdisperse Oxyde von einem Rüttelgewicht
von o,o6 bis o, i kg/1 und einer (röntgenographisch gemessenen) Teilchengröße von
o,o2 bis 0,03 Mikron. Der Gehalt an ?Metall liegt unter 1/l0°/0.
-
IN ach der Erfindung können nicht nur reine Metalle, sondern auch
Metallgemische oder Legierun-Fügt man diesem Aluminiummetallstaub 5 bis io% Aluminiumbronze
(Aluminiumflitterchen, beispielsweise von ioo Mikron Durchmesser bei i bis 5 Mikron
Dicke) zu, so läßt sich mit diesem Gemisch, sobald es einmal gezündet ist, eine
ohne Initialzündung weiterbrennende Flamme erreichen.
-
Als Träger für das Metall kann z. B. Luft, der Sauerstoff nach Belieben
zugesetzt werden kann, dienen. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, möglichst hohe
Metallpulverkonzentrationen, z. B. o,2 bis i kg Metallpulver auf ein '1\Tcbm Luft,
anzuwenden, wobei unter Umständen die Sauerstoffmenge nicht zur vollständigen Verbrennung
auszureichen braucht. Im Falle des Aluminiums erhält man bei starkem Sauerstoffunterschuß
Aluminium -nitrid bzw. Aluminiumnitrid-Aluminiumoxyd-Gemische. Es kann auch vorteilhaft
sein, weiteres Reaktionsgas, z. B. Sauerstoff, erst nach der Zündung zuzusetzen.
-
Es ist besonders wichtig, daß das Metallpulver-Trägergas-Gemisch finit
einer genügend hohen Geschwindigkeit die Düse durchströmt und aus ihr austritt.
Die Geschwindigkeit ist nach oben dadurch begrenzt, daß sie nicht so groß sein darf,
daß die Flamme ausgeblasen wird. Sinkt die Geschwindigkeit unter die Zündgeschwindigkeit
des Gemisches, so tritt Rückzündung in die Düse und
gen zur Verbrennung
gelangen. Bei gewissen Metallen, vorzugsweise beim Aluminium und/oder Silizium,
ist es auch möglich, nicht brennbare Stoffe, z. B. Aluminiumoxyd, dem Metallpulver
zuzumischen und diese durch die entstehende Reaktionswärme (Verbrennungswärme) der
Metallverbrennung zu verdampfen und ebenso als fein verteiltes Aerosol zu gewinnen
und mitzukondensieren. Benutzt man sauerstoffangereicherte Luft, so gelingt es beispielsweise,
Gemische aus einem Teil Aluminiumpulver und einem Teil Aluminiumoxyd zu verarbeiten.
Auf diese Weise kann man die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens noch bedeutend erhöhen.
Es ist auch möglich, dem Metallpulver Reaktionsteilnehmer in fester Form beizumengen,
die in der Hitze mit dem Metall oder Metalloxyd reagieren und über dieDampfphase
in das fein verteilte Produkt eingehen.
-
Die erfindungsgemäß hergestellten Oxyde von Aluminium und/oder Silizium
lassen sich hervorragend als Weißgummifüllstoff verwenden. Ebenso ergeben sich hervorragende
Isolationsmittel für Apparate der Kälteindustrie. Auf diese Weise erhaltenes Titanoxyd
ergibt ein weißes Pigment von außerordentlicher Gleichmäßigkeit und absoluter Reinheit.