CH616348A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen kontinuierlich fahrbaren Hochtemperatur-Reaktor und auf ein Verfahren zum kontinuierlichen Aufschmelzen von hochschmelzenden anorganischen Verbindungen, insbesondere von Oxiden und Silikaten.

Es sind bereits eine Reihe von Vorrichtungen und Verfahren bekannt, mit denen vor allem Oxide und Gemische von Oxiden in Hochtemperatur-Reaktoren erschmolzen werden, um beispielsweise Gemische zu homogenisieren, Hochtemperaturreaktionen wie Zersetzungen durchzuführen oder pulverähnliche Substanzen mit gerichtet erstarrtem Korn (Whiskers) zu Schleifzwecken herzustellen. Dabei wird das zu erschmelzende Material mittels eines Plasmabrenners, der mit Gas oder Flüssigkeit stabilisiert sein kann, in einem geeigneten Reaktor aufgeschmolzen. Als Produkt wird eine Schmelze aus dem besagten Reaktor ausgeführt und ausserhalb des Reaktors auf geeignete Weise abgekühlt.

Zur Durchführung dieser Verfahrensschritte sind rotierende Reaktoren bekannt, in denen das erschmolzene Material durch die auftretenden Zentrifugalkräfte auf die Wandungen des Reaktors verteilt wird. Üblicherweise arbeiten solche Reaktoren im Batch-Verfahren, da ein kontinuierliches Fahren rotierender Reaktoren erhebliche technische Schwierigkeiten bereitet. Es liegt nun auf der Hand, dass eine grosstechnische Herstellung eines Produktes durch ein Verfahren, das ein Erschmelzen im plasmabeheizten Reaktor als Verfahrensschritt umfasst, entsprechend grosse Investitionen verlangt. Als weiteren Nachteil, der solche Reaktoren in der Praxis als nur bedingt geeignet erscheinen lässt, ist die hohe mechanische und thermische Beanspruchung der Lager zu nennen, deren Revisionsanfälligkeit die Produktionskosten erheblich belastet.

Demnach haben sich die Erfinder die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die es gestatten,

Materialien in einem plasmabeheizten Reaktor mit geringen Produktionskosten kontinuierlich zu erschmelzen, wobei im schmelzflüssigen Zustand gegebenenfalls endotherme Reak-40 tionen, wie Zersetzungen, durchführbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch einen im wesentlichen horizontal gelagerten Hochtemperatur-Reak-tor, bestehend aus einem an einen Anodenraum angeflanschten Plasmabrenner mit einer rotierenden Anode und einer 45 Graphitkathode, einem gekühlten und innen feuerfest ausgekleideten Reaktionsraum mit einer oben in einem Winkel von höchstens 90° zur Hauptachse des Reaktors, in Richtung des Plasmastrahls geneigt angebrachten Eintrittsöffnung zum Einbringen des aufzuschmelzenden Gutes und einer Ausfluss-50 Öffnung, die so in der Nähe des Plasmastrahleintritts angebracht ist, dass sie vom Plasmastrahl überdeckt wird.

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das zu erschmelzende Material in Pulverform als Rieselstrom von oben unter einem Winkel von höchstens 90° zur Hauptachse 55 in den im wesentlichen horizontal gelagerten Reaktionsraum eingespiesen wird, wo der Rieselstrom in einem Winkel von höchstens 90° zum Plasmastrahl in die gewünschte Temperaturzone des Plasmastrahls geführt und in diesem erschmolzen wird, worauf die geschmolzenen Partikeln gegen die Reaktor-60 wand geworfen werden, von wo die Schmelze als Rieselfilm zum Boden des Reaktors fliesst, wo sie gesammelt und kontinuierlich durch die Ausflussöffnung ausgeführt wird.

Völlig überraschend hat sich gezeigt, dass sich das optimale Reaktorvolumen und die ideale Form des Reaktionsraumes 65 durch Erstarren von Schmelze an der Reaktorwandung während der Anfahrphase selbsttätig ausbilden. Dadurch kann die erfindungsgemässe Vorrichtung in einem weiten Kapazitätsbereich ohne apparative Änderung eingesetzt werden. Die Steue-

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rang des optimalen Innenvolumens und der Form des Reaktionsraumes kann hauptsächlich durch die Parameter Brennerleistung, Pulverdosierung und Kühlintensität erfolgen.

Dies kann dahingehend ausgenutzt werden, dass beim Anfahren der Anlage während einer längeren Zeitdauer, beispielsweise einer Stunde, das austretende Produkt verworfen wird, da es ohnehin durch mitgelöste Ofenauskleidung verunreinigt ist.

Durch das Anbringen der Austrittsöffnung im Bereich des Plasmastrahls wird das austretende erschmolzene Gut auf Temperatur gehalten, wodurch ein Erstarren und ein dadurch bedingtes Verstopfen dieser Austrittsöffnung verhindert werden kann.

Es hat sich dabei vor allem bei der Verarbeitung von temperaturempfindlichen Substanzen als vorteilhaft erwiesen, den Reaktorboden gegen die Austrittsöffnung hin geneigt auszubilden, um das Ausfliessen der Schmelze zu erleichtern.

Einem Verstopfen der Ausflussöffnung durch erstarrende Schmelze kann zusätzlich dadurch begegnet werden, dass die Eintrittsöffnung des Plasmastrahls unterhalb der Hauptachse des Reaktors angebracht wird. Dadurch liegt die Austrittsöffnung im unmittelbaren Strahlungsbereich der Plasmaflamme und wird demzufolge durch Strahlungsbeheizung von Verstopfungen durch erstarrende Schmelze freigehalten. Die Eintrittsöffnung wird dabei vorzugsweise ungefähr in der Mitte der Strecke Hauptachse—Reaktorboden und die Austrittsöffnung unterhalb des ersten Viertels des Plasmastrahls — der heisse-sten Flammzone — angebracht.

Im allgemeinen wird angestrebt, die Verweilzeit des Gutes im Reaktor kurz zu halten, um hohe Durchsatzmengen zu erreichen, und wie oben erwähnt, temperaturempfindliche Materialien möglichst schonend verarbeiten zu können. Für gewisse Anwendungszwecke, z. B. bei der thermischen Zersetzung von Silikaten, kann es jedoch wünschenswert sein, eine minimale Reaktionszeit einzuhalten. Dies kann dadurch erreicht werden, das im Reaktorboden eine Vertiefung angebracht wird, in der das geschmolzene Gut gesammelt wird und erst nach Auffüllen dieser Vertiefung den Reaktor durch die Austrittsöffiiung verlässt. Die Grösse dieser Vertiefung kann als Parameter zur Steuerung der Verweilzeit dienen. Um der Gefahr einer teilweisen Erstarrung der Schmelze in dieser Vertiefung zu begegnen, kann der Plasmabrenner um einige Grad gegen die Hauptachse kippbar und gegen die als Schmelze-Reservoir dienende Vertiefung richtbar angeordnet werden.

Der gleiche Effekt kann auch dadurch erzielt werden, dass der Reaktorboden gegen die Ausgussöffnung hin steigend ausgebildet ist. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausbildungsform des erfindungsgemässen Hochtemperatur-Reaktors ist vorgesehen, diesen durch Heben des Brenners kippbar auszubilden und während des Betriebes in gekippter Form zu fixieren, wobei die Reaktor-Hauptachse mit der Horizontalen vorzugsweise einen Winkel bis zu 30° bilden kann.

Als feuerfeste Auskleidung des Reaktors hat sich ein poröses Hochtemperatur-Material aus Hohlkugeln mit einem geeigneten Binder, z. B. Hohlkugeln aus Korund mit einem Binder auf Phosphatbasis, bewährt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemässen Hochtemperatur-Reaktors ist vorgesehen, Kühlrohre zur Führung von Kühlwasser, beispielsweise aus Kupfer, in die Reaktorisolation einzubetten.

Zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens können übliche Plasmabrenner eingesetzt werden. Die Art der Stabilisierung — Flüssigkeit oder Gas — hängt dabei einzig von der gewünschten Brennerleistung ab. So hat sich gezeigt, dass für Brennerleistungen beispielsweise bis 50 kW gasstabilisierte und für Leistungen von 50 kW und mehr flüssigkeitsstabili-sierte Brenner vorteilhaft sind. Wasserstabilisierte Plasmabrenner werden vorzugsweise bei der Verarbeitung von solchen Materialien eingesetzt, die mit dem bei derartigen Brennern entstehenden, leicht oxidierend wirkenden Plasmagas nicht reagieren. Solche Materialien sind vor allem Oxide und Produkte die thermisch in die Oxide gespalten werden, wie z. B. Silikate.

Nach Ablauf dieser Anfahrzeit hat sich zwischen Plasmaflamme und Oberfläche der Reaktorwandung ein Temperaturgleichgewicht eingestellt, d. h. Form und Volumen des Reaktionsraumes haben ihre optimale Ausbildung durch Auskleidung des Reaktionsraumes mit erstarrtem Schmelzgut erreicht und bleiben während des Betriebes im wesentlichen konstant. In einer vorzugsweisen Reaktorraum-Form erreicht die Flamme mit ihrer äussersten Spitze die der Eintrittsöffnung gegenüberliegende Reaktorwand und das Verhältnis Reaktorraumlänge zu -höhe oder Durchmesser liegt zwischen 1:1 bis 5:1.

Das erfindungsgemässe Verfahren und die erfindungsge-mässe Vorrichtung haben sich insbesondere zum Aufschmelzen von Oxiden und Oxidgemischen mit einem Schmelzpunkt von mehr als 1700° C als günstig erwiesen. Ebenfalls hat sich gezeigt, dass die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens und der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Aufschmelzen und thermischen Spalten von Silikaten der beispielhaften Form MeSi04 nach der Reaktionsgleichung

MeSi04 -^Me02 + Si02

vorteilhaft ist.

Für bestimmte Anwendungszwecke, insbesondere für Hochtemperatur-Reaktionen, hat es sich als nötig erwiesen, die Reaktionen in einer bestimmten definierten Atmosphäre durchzuführen. Diesem Erfordernis wird in einer vorteilhaften Ausbildungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung dadurch Rechnung getragen, dass der Plasmabrenner gasdicht an den Brennerraum angeflanscht wird, wobei, beispielsweise über ein oder mehrere Ventile, die gewünschte Gasatmosphäre in den Anodenraum eingebracht und von dort mit dem Plasmastrahl in den Reaktionsraum überführt wird.

In Kombination mit geeigneten Abkühlungsbedingungen lassen sich die Eigenschaften der erfindungsgemäss behandelten Materialien in weiten Bereichen verändern. Als Beispiel sei hier die Kristallitgrösse genannt, die durch geeignete Abkühlung in weitem Bereich gewählt werden kann. In Anpassung an den kontinuierlichen Ausfluss der Schmelze können auch voll kontinuierliche Abkühlverfahren in Betracht gezogen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von drei Verfahrensbeispielen und einer Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt schematisch einen Schnitt durch eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemässen Hochtemperatur-Reaktors, bestehend aus Plasmabrenner und Reaktorraum.

Der Plasmabrenner 1 besteht aus einer rotierenden Anode 4, z. B. aus Kupfer, und einer Graphitkathode 5. Durch einen Wasserwirbel wird die Flamme in Kanal 6 stabilisiert. Der Reaktionsraum 7 besteht aus einem Stahlblechmantel 8 der innen mit einer Hochtemperatur-Stampfmasse 9 ausgekleidet ist. Zur Kühlung der Auskleidung 9 sind in dieser wassergekühlte Rohre 10 eingebettet, die bei der Flammeneintrittsöff-nung 11 und bei der Austrittsöffnung 3 verstärkt und doppelt geführt sind. Durch ein gasdichtes Anflanschen des Plasmabrenners 1 an der Stirnseite des Anodenraumes 13 kann durch Zugabe von Gasen durch ein Ventil 12 eine gezielte Gasatmosphäre im Anodenraum 13 und im Reaktionsraum 7 erzielt werden. Die Zugabe des aufzuschmelzenden Pulvers erfolgt durch die Pulverzufuhröffnung 2. Die Strömungswege der Schmelze sind durch Pfeile schematisch angedeutet.

Mit 17 ist die während des Anfahrens des Reaktors entstandene Schicht wiedererstarrten Materials bezeichnet. Über

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die Zuleitung 16 kann eine definierte Gasatmosphäre in den Reaktionsraum 7 geleitet werden.

Mit A ist eine schematische Darstellung einer Variante des Reaktors mit kippbarem Plasmabrenner 1 und mit B eine Variante des Reaktors mit einer Vertiefung 14 im Reaktorbo- 5 den 15 dargestellt.

Beispiel 1

In einem mittels Kupferrohren wassergekühlten Reaktor mit ungefähr 6000 cm3 Innenvolumen wurde mittels eines mit Wasser stabilisierten Plasmastrahls Aluminiumoxyd kontinuierlich erschmolzen. Der Reaktorboden war um 6° gegen die Ausflussöffnung hin geneigt ausgebildet. Die Brennerleistung wurde im Bereich von 130 bis 150 kW durch Nachschieben der Graphitkathode konstantgehalten. Bei einer Durchsatzmenge von 40 bis 50 kg Al203/h wurde die Verweilzeit des Aluminiumoxids im Reaktor auf 10 bis 14 Sekunden bestimmt. Die austretende Schmelze wurde in Kokillen mit einem Innenraum von etwa 6 x 12 x 5 cm vergossen.

Beispiel 2

Im selben Reaktor und mit demselben Plasmabrenner wie in Beispiel 1 verwendet, wurde Aluminiumoxid mit einem Zuschlag von 21% Zirkonoxid erschmolzen. Die Brenner-Pa-rameter wurden im Rahmen von Beispiel 1 gewählt, der Reaktor selbst jedoch durch Hochkippen des Brenners so geneigt, dass es mit der Horizontalen einen Winkel von 10° bildete. Ebenfalls wurde er mit einem geraden Boden ausgerüstet. Durch diese Massnahme wurde eine geschätzte Verweilzeit des Schmelzgutes im Reaktor von 45 bis 55 Sekunden erreicht. Die Durchsatzmenge des eingesetzten Al203/Zr02-Gemisches betrug 45 bis 50 kg/h. Vom ausgetragenen Produkt wurden Proben abgezweigt und keramographisch und auf ihr Mahlverhalten hin untersucht. Die Eigenschaften der derartig hergestellten Al203/Zr02-«Legierung» konnten während einer Produktionsdauer von 5 Stunden konstantgehalten werden.

Beispiel 3

Derselbe Reaktor wie in Beispiel 2 wurde bei gleichen Betriebsparametern mit 50 bis 55 kg/h Zirkonsand (ZrSi04) beschichtet. Die im Reaktor durchgeführte thermische Spaltung dieses Silikats verläuft nach der Reaktionsgleichung

ZrSi04 Zr02 + Si02

Die Verweilzeit des Schmelzgutes im Reaktor wurde auf 40 bis 45 Sekunden geschätzt. Durch diese verhältnismässig lange Verweilzeit wurde eine 100%ige Umsetzung erreicht. Nach dem Abkühlen wurde ein leicht mahlbares Produkt aus mono-klinem Zr02 eingebettet in amorphes Si02 erhalten.

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1 Blatt Zeichnungen

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Verfahren zum kontinuierlichen Aufschmelzen von hochschmelzenden anorganischen Verbindungen, insbesondere von Oxiden und Silikaten, in einem plasmabeheizten Hochtempe-ratur-Reaktor, dadurch gekennzeichnet, dass das zu erschmelzende Gut in Pulverform als Rieselstrom von oben unter einem Winkel von höchstens 90° zur Hauptachse in den im wesentlichen horizontal gelagerten Reaktionsraum eingespie-sen wird, wo der Rieselstrom in einem Winkel von höchstens 90° zum Plasmastrahl in die gewünschte Temperaturzone des Plasmastrahls geführt und in diesem erschmolzen wird, worauf die geschmolzenen Partikeln gegen die Reaktorwand geworfen werden, von wo die Schmelze als Rieselfilm zum Boden des Reaktors fliesst, wo sie gesammelt und kontinuierlich durch die Ausflussöffnung ausgeführt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Reaktionsraum während des Betriebes durch Einleiten mindestens eines Gases über eine entsprechende Anzahl Zuleitungen zum Anodenraum eine definierte Atmosphäre aufrechterhalten wird.
3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufschmelzen von Oxiden oder Silikaten ein wasserstabilisierter Plasmabrenner verwendet wird.
4. 4. Kontinuierlich fahrbarer, im wesentlichen horizontal gelagerter Hochtemperatur-Reaktor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem an einen Anodenraum (13) angeflanschten Plasmabrenner (1) mit einer rotierenden Anode (4) und einer Graphitkathode (5), einem gekühlten und innen feuerfest ausgekleideten Reaktionsraum (7) mit einer oben in einem Winkel (a) von höchstens 90° zur Hauptachse des Reaktors, in Richtung des Plasmastrahls geneigt angebrachten Eintrittsöffnung (2) zum Einbringen des zu erschmelzenden Gutes und unten einer Ausflussöffnung (3) zum Austragen der Schmelze, welche Ausflussöffnung (3) so in der Nähe des Plasmastrahleintritts (11) angeordnet ist, dass s sie vom Plasmastrahl überdeckt wird.
5. 5. Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktorboden (15) gegen die Austrittsöffnung (3) geneigt ausgebildet ist.
6. 6. Reaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass io der Reaktorboden (15) mit der Hauptachse des Reaktors einen Winkel (y) von 1 bis 15° bildet.
7. 7. Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktorboden (15) eine die Schmelze sammelnde Vertiefung (14) aufweist.

   15 8. Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (7) in Richtung des Plasmastrahls gegenüber der Hauptachse um einen Winkel von 0 bis 45 ° geneigt ausgebildet ist.
8. 9. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch 20 gekennzeichnet, dass der Plasmabrenner (1) gegen die Hauptachse kippbar angeordnet ist.
9. 10. Reaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmabrenner (1) so kippbar ist, dass der Plasmastrahl gegen die als Schmelze-Reservoir dienende Vertiefung

   25 (14) gerichtet werden kann.
10. 11. Reaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsraum (7) durch Heben des Brenners (1) derart kippbar ist, dass seine Hauptachse mit der Horizontalen einen Winkel bis zu 30° bildet.

    30 12. Reaktor nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsöffnung (11) unterhalb der Hauptachse des Reaktionsraums (7) angebracht ist.