CH399141A - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung kugelförmiger Teilchen - Google Patents

Description

  
 



  Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung kugelförmiger Teilchen
In der   Reaktortechnik,    aber auch auf anderen Gebieten, wie z. B. der Pulvermetallurgie, ergibt sich oft das Erfordernis, gewisse Stoffe von z. T. hohem, bisweilen weit oberhalb 20000 C liegendem Schmelzpunkt in Form kugeliger Teilchen anzuwenden. Die Herstellung solcher kugelförmiger Teilchen stösst naturgemäss auf Schwierigkeiten, welche dann noch beträchtlich anwachsen, wenn die Stoffe radioaktiv bzw. gegenüber Luft oder Feuchtigkeit ausserordentlich empfindlich sind. Die Erfindung hat sich   nun die Aufgabe gestellt, ein n Verfahren und eine Vor-    richtung zu seiner Durchführung zu schaffen, um die Herstellung solcher kugelförmiger Teilchen in besonders einfacher Weise und mit einem verhältnismässig geringen Aufwand zu ermöglichen.



   Die Erfindung betrifft demnach in erster Linie ein Verfahren zur Herstellung kugelförmiger Teilchen, insbesondere für Brennstoffelemente von Kernreaktoren, und ist dadurch gekennzeichnet, dass Pulver bzw. Granulat durch einen Lichtbogen   hindurch    geführt, darin zum Schmelzen gebracht und die geschmolzenen Teilchen dann wieder auf unterhalb der Schmelztemperatur liegende Temperaturen abgekühlt werden. Als Pulver bzw.

   Granulate können vorzugsweise solche von Metallen oder von Verbindungen, insbesondere von Karbiden und Oxyden des Molybdäns, Wolframs, Urans, Thoriums,   Titans,    Zirkoniums, Hafniums, Tantals und des Bors Verwendung finden, und zwar zweckmässig mit Korngrössen, die im wesentlichen im Bereich von 40 bis 260   u    liegen   und    die vorzugsweise in Fraktionen von 50 bis 75   u    bzw. 150 bis 200   u    aufgeteilt sind.



  Mit Vorteil kann insbesondere Pulver bzw. Granulat von hochschmelzenden Stoffen verwendet werden.



  Vorteilhaft kann ferner der Schmelzvorgang zur Vermeidung unerwünschter Reaktionen der zu schmelzenden Stoffe in einer Schutzgasatmosphäre, wie z. B. einer Argonatmosphäre, durchgeführt werden.



  Die Vorrichtung zur Durchführung des oben   genann-    ten Verfahrens ist erfindungsgemäss durch ein Gefäss gekennzeichnet, in dessen Innerem Elektroden zur Bildung bzw. Aufrechterhaltung eines Hochstromlichtbogens vorgesehen   sind,    wobei das Gefäss   Eintritts- und    Austrittsöffnungen für die zu behandelnden Stoffe aufweist. Vorteilhaft kann das Gefäss ferner ein Schauglas aufweisen.



   In der Zeichnung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung in einer Ausführungsform beispielsweise   dargestellt.   



     Fig. 1    zeigt die Vorrichtung in einem axialen Mittelschnitt.



   Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Vorrichtung nach Fig. 1 bei abgehobenem Oberteil.



   Die Vorrichtung, wie sie in den Fig. 1 und 2 veranschaulicht ist und die eine kontinuierliche Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ermöglicht, besteht im wesentlichen aus einem doppelwandig ausgeführten und mit konischem Boden versehenen Metallgefäss, beispielsweise einem vernickelten Stahlgefäss 1. Im oberen Teil ist dieses Gefäss zylindrisch ausgebildet und trägt ein Schauglas 7.



  Im Inneren des Gefässes 1 befinden sich an für Vorschub eingerichteten   Eiektrodenhaltern    in symmetrischer Anordnung drei Elektroden 2, welche von den drei Phasen eines Drehstromnetzes gespeist sind.



  Als Elektrodenmaterial wird vorzugsweise Reinstgraphit verwendet, und zwar insbesondere dann, wenn es sich um die Herstellung von kugeligen Teilchen aus Karbiden handelt. Es können aber auch Elektroden aus hochschmelzenden Metallen, wie z. B.



  Wolfram, vorgesehen sein. Oberhalb der Elektroden ist eine Zuführung (Schleuse) 3 für die zu schmel  zenden Stoffe vorgesehen, welche mit einer bis nahe zur Lichtbogenzone vorragenden, vorzugsweise aus Graphit bestehenden Einbringdüse 4 zusammenwirkt.



  Etwa im Bereich der Einströmdüse sind auch die hier radial angeordneten Gaszutrittsstellen 6 für das Schutzgas angeordnet. Im Boden befindet sich ein Austrag 5, an den nötigenfalls über eine Schliffverbindung 9 ein Kühler für die gebildeten kugelförmigen Teilchen angeschlossen werden kann. Zur Kühlung des Gefässes 1 ist als Kühlmedium Wasser im Doppelmantel desselben vorgesehen, dessen Zubzw. Ablauf mittels mehrerer Rohrstutzen 8 bewerkstelligt wird.



   Das erfindungsgemässe Verfahren soll im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben werden, nach welchem kugelförmige Teilchen aus   Molybdänkarbid    wie folgt hergestellt werden:
Zum Betriebe des Lichtbogens wird 3 X 380 V Drehstrom über zwei paralleI geschaltete Dreiphasen-Vorschaltwiderstände von je 10 Ohm (davon einer regelbar zwischen 10 und 20   Ohm) l    verwendet.



  Der Lichtbogen bildet sich zufolge der Elektrodenanordnung in der Gefässmitte flächig aus. Die Phasenspannung bei Betrieb des Lichtbogens, der durch Berühren der Elektroden gezündet wird, beträgt 20 bis 25 V. Die im Lichtbogen abgegebene Leistung lässt sich etwa in den Grenzen zwischen 2 und 0,5 kW regeln. Das Einbringen des Pulvers, aus dem die kugelförmigen Teilchen gefertigt werden, in das Metallgefäss 1 erfolgt aus einem mit Argon zu spülenden Vorratsgefäss mit Hilfe eines elektromagnetischen Rüttlers (welche beide in der Zeichnung nicht dargestellt sind) über die Zuführung 3, wobei als maximaler Durchsatz etwa 60 g/h erreicht wird.



  Infolge der Schwerkraft fällt das Pulver durch die Lichtbogenzone, wobei   die    Teilchen kurzzeitig über die Schmelztemperatur erhitzt werden, im   geschmol    zenen Zustand eine Kugel bilden und in dieser Form beim weiteren Fall unmittelbar abgekühlt werden und erstarren. Die Anlage wird mit einem Überdruck an Argon betrieben, um ein Eindiffundieren von Luft durch allfällige Leckstellen, z. B. bei den Elektrodendurchführungen, auszuschalten.



   Nach Versuchen wurden im Durchschnitt folgende Materialverluste und Kugelausbeuten bei ein maligem Durchsatz ermittelt:
Pulver der Korngrösse zwischen 60 und 200   ij.:    Bei einer Einsatzmenge von 10 g betragen die Verluste etwa 5-10 %; dieses Material liegt im wesentlichen in geschmolzener Form auf den Elektroden. Die Kugelausbeute beträgt 70-75 %.



      Pulver der Korngrösse über 20 u zur    Die Verluste betragen 5 %, die Kugelausbeute sinkt auf etwa 30 %.



   Das Verfahren ist also beim vorliegenden Ausführungsbeispiel nur bis etwa 200   u    voll geeignet.



   Die Erfindung ist auf das dargestellte Ausführungsbeispiel nicht beschränkt. Bei anderen Ausgangssubstanzen können auch für kugelförmige Teilchen, die grösser sind als 260   u,    befriedigende Resultate erzielt werden, gegebenenfalls sind mit dem erfindungsgemässen Verfahren auch Kugeln mit einem Durchmesser in einer Grössenordnung von etwa 1000   u    erhältlich, insbesondere, wenn es sich um ein Material handelt, das einen etwas niedrigeren Schmelzpunkt besitzt.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH 1 Verfahren zur Herstellung kugelförmiger Teilchen, insbesondere für Brennstoffeiemente von Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, dass Pulver bzw.

   Granulat durch einen Lichtbogen hindurchgeführt, darin zum Schmelzen gebracht und die geschmolzenen Teilchen dann wieder auf unterhalb der Schmelztemperatur liegende Temperaturen abgekühlt werden.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzvorgang zur Vermeidung unerwünschter Reaktionen der zu schmelzenden Stoffe in einer Schutzgasatmosphäre, wie z. B. einer Argonatmosphäre, durchgeführt wird.

   2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass Pulver bzw. Granulate im wesentlichen in einer Korngrösse von 40 bis 260 zur zugeführt werden.

   3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gegekennzeichnet, dass als schmelzende Stoffe Pulver bzw. Granulate von Metallen oder von Verbindungen, insbesondere Karbiden und Oxyden, des Molybdäns, Wolframs, Urans, Thoriums, Titans, Zirkoniums, Hafniums, Tantals und des Bors Verwendung finden.

   4. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass Pulver bzw. Granulat von hochschmelzenden Stoffen verwendet wird.

   PATENTANSPRUCH II Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, gekennzeichnet durch ein Gefäss, in dessen Innerem Elektroden zur Bildung bzw. Aufrechterhaltung eines Hochstromlichtbogens vorgesehen sind, wobei das Gefäss Eintritts- und Austrittsöffnungen für die zu behandelnden Stoffe aufweist.

   UNTERANSPRÜCHE 5. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäss ein Schauglas aufweist.

   6. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäss als vorzugsweise zylindrisches, für Zwecke der Kühlung doppelwandig ausgeführtes und mit konischem Boden versehenes Metallgefäss (1) ausgebildet ist, in welchem oberhalb der Elektroden (2) eine als Schleuse ausgebildete Zuführung (3) für die schmelzenden Stoffe und im Boden ein Austrag (5) vorgesehen ist, wobei die Zuführung mit einer bis nahe zur Lichtbogenzone vorragenden, vorzugsweise aus Graphit bestehenden Einbringdüse (4) zusammenwirkt.

   7. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des Lichtbogens in der Gefässmitte drei symmetrisch angeordnete, von den drei Phasen eines Drehstromnetzes gespeiste Elektroden (2) vorgesehen sind.

   8. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufrechterhaltung einer Schutzgasatmosphäre, vorzugsweise einer tÇberdruck- Schutzgasatmosphäre, im Gefässinneren und wenn nötig auch im Bereiche der Ein- und Ausspeisung der schmelzenden Stoffe eine oder mehrere Gaszutrittsstellen (6) für das Schutzgas vorgesehen sind.

   9. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektroden, insbesondere zur Schmelzung von Karbiden, solche aus Reinstgraphit oder auch solche aus hochschmelzenden Metallen, wie Wolfram, vorgesehen sind.

   10. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass für das Zuführen der schmelzenden Stoffe ein elektromagnetischer Rüts ler vorgesehen ist.