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EP1252116A1 - Verfahren und vorrichtung zum schäumen von schmelzflüssigen materialien - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum schäumen von schmelzflüssigen materialien

Info

Publication number
EP1252116A1
EP1252116A1 EP01900033A EP01900033A EP1252116A1 EP 1252116 A1 EP1252116 A1 EP 1252116A1 EP 01900033 A EP01900033 A EP 01900033A EP 01900033 A EP01900033 A EP 01900033A EP 1252116 A1 EP1252116 A1 EP 1252116A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
foaming
foaming agent
atomizer
melt film
melt
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01900033A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tjin Swan Oei
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mineralpor AG
Original Assignee
Mineralpor AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mineralpor AG filed Critical Mineralpor AG
Publication of EP1252116A1 publication Critical patent/EP1252116A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09B—DISPOSAL OF SOLID WASTE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B09B3/00—Destroying solid waste or transforming solid waste into something useful or harmless
    • B09B3/20—Agglomeration, binding or encapsulation of solid waste
    • B09B3/25—Agglomeration, binding or encapsulation of solid waste using mineral binders or matrix
    • B09B3/29—Agglomeration, binding or encapsulation of solid waste using mineral binders or matrix involving a melting or softening step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C11/00—Multi-cellular glass ; Porous or hollow glass or glass particles
    • C03C11/007—Foam glass, e.g. obtained by incorporating a blowing agent and heating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/02—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by adding chemical blowing agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B5/00—Treatment of  metallurgical  slag ; Artificial stone from molten  metallurgical  slag 
    • C04B5/06—Ingredients, other than water, added to the molten slag or to the granulating medium or before remelting; Treatment with gases or gas generating compounds, e.g. to obtain porous slag
    • C04B5/065—Porous slag

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for foaming molten materials according to the definition of the claims.
  • a first, widely used process first produces a special glass mixture in a glass melting furnace. After cooling and solidification, this glass mixture is finely ground, mixed with foaming agent, filled into molds and, in a second thermal step, reheated to temperatures in the region of the melting temperature of the glass, where the glass begins to foam by decomposition of the foaming agent. After cooling, a product is available that can be used in the construction industry, for example, for insulation purposes. The disadvantage of this process lies in the high production costs which result from the two necessary thermal process steps.
  • Another process known from the iron industry is based on the direct foaming of iron and steel slag from the melt.
  • the liquid slag is conducted, for example, together with water as a foaming agent in channels in which the water evaporates due to the high slag temperature and causes this slag to foam on its way through solidifying slag.
  • the disadvantage of this process is that it does not produce a really high-quality product with a uniform pore structure that can be used today by civil engineering and civil engineering.
  • sulfur reacts with water to form H 2 S, which severely limits the production and recycling of pumice.
  • a powdered foaming agent is distributed in a melt and an attempt is made to keep the foaming gases resulting from the foaming agent in the solidified product beyond the cooling phase.
  • the melt must be thin to stir in the * foaming agent, which results in high melting temperatures.
  • the main problem that needs to be solved is the fact that the foaming agent, especially at high melting temperatures, begins to form gases immediately after contact with the melt and then it Foaming agent is very difficult to add to a foam that forms. Ie a satisfactory one To achieve pore homogeneity with low density at the same time, the mixing process must be very quick and practically complete before gas formation. Such a delayed foaming has not been achievable with known foaming agents. Finally, stirring powdered foaming agents into a melt above 1200 ° C is still an unsolved technical problem.
  • Patent specification DE 22 06 448 describes a method which is to be regarded as the closest prior art for the present invention.
  • a melt is atomized and a foaming agent is added to the melt drop mist thus produced.
  • a gaseous atomizing agent under pressure for example air or water vapor, is used for the atomization.
  • the atomized melt is sprayed onto a horizontal belt on which it foams upon contact with the foaming agent.
  • the object of the present invention is to develop a method in which a foam can be foamed directly from a melt, the product has good pore homogeneity and is produced with little effort.
  • the process should be able to be carried out with a device in which the aforementioned disadvantages such as: a plurality of thermal process steps, an uneven pore structure of the product, a process-related fluctuation in the product quality, handling (handling) of melted products under pressure and at high temperatures, stirring Powdery blowing agent at high temperature can be avoided.
  • This process should be able to be carried out using common working techniques and should be able to be integrated into known systems.
  • FIG. 1 shows schematically the exemplary process variant with a device for atomizing and mixing molten material with foaming agent and foaming the mixture.
  • FIG. 2 shows part of a first embodiment of a device according to FIG. 1.
  • FIG. 3 shows part of a further embodiment of a device according to FIG. 1.
  • two solutions can be used to atomize molten material at high temperatures, namely atomization by means of an atomizer using the centrifugal force or atomization with an atomizing agent such as compressed air, steam or liquids, for example using two-substance F nozzles.
  • the present invention is based on the first of these two solutions, ie on atomizing molten material using the centrifugal force.
  • molten material 1 is dosed from a storage container 10.
  • the storage container is, for example, a melting unit or a bricked-up material container with an opening 12 for the molten material to flow out.
  • Slag for example steelworks slag, blast furnace slag or slag from incineration plants, is advantageously used as the molten material.
  • Other molten or high-melting materials such as glass can of course also be used in the context of the present invention.
  • the molten material advantageously contains oxides that can be reduced by carbon and release gases such as CO 2 or CO.
  • a stream of material flowing out of the storage container is processed in a first step into a melt with a high surface area.
  • the molten material flows as continuously as possible onto an atomizer 13.
  • the atomizer is any body.
  • the atomizer in the form of a disk, a roller, etc.
  • the atomizer " * is a horizontally rotating disk, for example 1 m in diameter.
  • the outflowing stream of material can be easily directed onto a pane of this size. Due to the high centrifugal forces that prevail on the disk, the molten material located on the disk is processed into a thin melt film 6, for example 0.5-1 mm thick, with a large outer surface.
  • the atomizer can be heated or cooled so as to adjust the viscosity of the melt film by varying the temperature of the atomizer.
  • the setting and control of the temperature of this melt film within a material melting range takes place, for example, by supplying heat, for example by means of additives such as heating gas.
  • radiation insulation of the entire device can be provided in order to avoid cooling too quickly.
  • the atomizer can also be heated separately, for example by means of a burner directly onto the melt film. If cooling is required, for example because the molten material is too high a temperature, this can be done very simply by means of additives such as water or air. This is done by adding it to the molten material and / or by cooling the atomizer separately, for example by cooling the rear of the atomizer. All of these temperature controls are easy to perform and adaptable to different large melting ranges of different materials used. In principle, the larger the melting range of the material used, the easier it is to carry out the method according to the invention.
  • a foaming agent 3 is metered onto an atomizer.
  • a powdery, fine-grained foaming agent is metered onto the disk according to FIG. 1 via a metering device 24 and mixed into the melt film due to the prevailing centrifugal forces.
  • All those substances that generate gases by excitation can be used as foaming agents.
  • Such an excitation for the generation of gases can take place in a variety of ways. For example. it is carried out by heating the foaming agent in direct contact with the molten material or by thermal decomposition of the foaming agent (e.g. CaCOj) or by chemical reaction with the molten material (e.g. according to a reaction (C + ⁇ fyC -. ⁇ 2FeO + CO (g)).
  • foaming agent for steelworks slag with a melting temperature above 1200 ° C
  • conventional ground limestone comes into question, which breaks down into CaO and gaseous CO2 at approx. 850 ° C.
  • foaming agent is metered into the melt film in small concentrations. Such metering takes place, for example, at a concentration of approximately 1% (1-10 g of foaming agent per 1 kg of molten material) in the melt film.
  • the foaming agent advantageously contains carbon so that 0.2-2 g of carbon is metered into 1 kg of molten material.
  • the foaming agent can be introduced evenly into the surface of the melt film, so that an arbitrarily intimate mixture of the two media is achieved. There is no local overdosing of foaming agent with local formation of larger bubbles, as when mixing foaming agent into a melt drop mist. According to the present process variant, a very homogeneous foaming agent distribution in the molten material can be achieved in a simple manner.
  • this thin film of molten material and added / mixed in foaming agent is flung out over the edge of the pane and torn into fine drops.
  • the foaming agent can also be admixed only after the melt film has been removed from the atomizer, but under the condition that the film produced is still in the form of lamellae and has not yet dissolved in individual drops. Otherwise, similar problems arise as when atomizing with a melt droplet mist, in which a part of the foaming agent has to penetrate the mist, contacting melt drops and reacting and being deposited in the mist when in contact with heat.
  • the mixture of foaming agent on a melt film with a large surface is very effective, only a little foaming agent is lost, which leads to a substantial saving in foaming agent.
  • the person skilled in the art is free to choose from a wide variety of variations. For example. it is possible to apply the foaming agent separately to an atomizer. Using an atomizer according to FIG. 1, the centrifugal force exerted on the melt finely divides the melt and the foaming agent and hurls them outwards over the edge of the disk. The fine drops of melt and mixed in foaming agent are collected on a foaming surface 15 and processed into a mixture 4 of molten material and foaming agent.
  • the foaming surface is any curved or flat surface.
  • the foaming surface is the inner wall of a pipe.
  • the foaming surface is the vertical inner wall of a heat-resistant hollow cylinder.
  • This hollow cylinder forms a kind of reaction chamber. It can be funnel-shaped upwards or downwards. It can also be thermally insulated or heated in order to increase or decrease the flow rate of the mixture of molten material and foaming agent on the pipe wall. This also prevents heat losses to the outside with inhomogeneous pore formation.
  • FIG. 2 shows part of the embodiment of an atomizer of the device according to FIG. 1.
  • a support of the melt film formation (and to prevent such drop formation) is carried out by attaching at least one concentrically, raised steps 8 on the atomizer, respectively. the disc surface.
  • the molten material is applied, for example, to the atomizer at a central position I in FIGS. 2 and 3 and is delimited there by at least one step.
  • the foaming agent is metered in, for example, at an outer position II in FIGS. 2 and 3. Since the melt has to overcome at least one step, it can be processed on the vertical wall of the step by centrifugal force without the possibility of escape to form a thin film with a large surface.
  • Silicon carbide SiC can be used as the foaming agent for foaming glass or slags. This reacts with oxides of the melt and forms gaseous CO or CO2.
  • the melt contains the reactant (here F ⁇ 2 ⁇ 3 ) to the foaming agent, but in insufficient quantities.
  • the reactant here F ⁇ 2 ⁇ 3
  • the foaming agent contains blast furnace slag practically no F ⁇ 2 ⁇ 3 . This must then be added to the melt if the above reaction is to take place.
  • the disk can also be used as a mixer for not only mixing in the foaming agent but also for mixing in at least one further reaction agent.
  • a powdery reactant such as F ⁇ 2 ⁇ 3, for example, is applied to the melt film produced (position H in FIGS. 2 and 3) 3), and then the foaming agent is metered into the melt / Fe2 ⁇ 3 mixture (position KI in FIGS. 2 and 3).
  • the further reactant is admixed to the melt at one stage of the disk, for example.
  • enough reactant is metered in so that the mixture to be foamed contains 2-20% F ⁇ 2 ⁇ 3.
  • the dosing points are arranged as follows from the inside of the pane: melt, F ⁇ 2 ⁇ 3, foaming agent.
  • FIG. 3 shows part of a second embodiment of an atomizer of the device according to FIG. 1.
  • at least one concentric groove 9, which is open towards the center of rotation is provided at a concentric step of the Rotation disc attached.
  • This groove will fill with melt and increase the dwell time of the melt on the disc. Due to the radial movement of the melt on an inlet part 20 to the groove, a turbulent flow with an intensive mixing effect is formed within the groove, whereby the F ⁇ 2 ⁇ 3 is ideally mixed with the melt and melted.
  • Such a device can save a previous, additional mixing unit for mixing the melt and F ⁇ 2 ⁇ 3 .
  • the material foam cools down, solidifies and is collected, for example, in a collecting container.
  • a continuously running belt can be used, which is cooled if necessary, or coated with a heat-resistant coating or covered with a constantly new protective material such as sand.
  • Such a conveyor belt enables the foamed melt to be transported away continuously.
  • a wide range of further processing options are open to the expert. This makes it possible to produce more or less large, irregularly shaped pieces of foam material.
  • it is also possible to regularize the material foam To grasp shapes and to process them into material foam sheets, for example.
  • the material foam can then be processed into insulating bricks, for example.
  • the pore structure of the material foam can be adjusted in a controlled manner by simply adjusting the ratios of material particles to the foaming agent and the prevailing temperatures and Temperaturgradie ⁇ ten are other parameters for the controlled production of foam material with a uniform pore structure.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schäumen von schmelzflüssigen Materialien (1), wobei schmelzflüssiges Material zu einem Schmelzenfilm (6) verarbeitet wird, Schäumungsmittel (3) in diesen Schmelzenfilm eingemischt wird, dieser Schmelzenfilm durch einen Zerstäuber (13) zerstäubt wird, als Gemisch (4) auf eine Schäumungsoberfläche (15) aufgebracht wird, wo das Gemisch zu Materialschaum (5) aufschäumt.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM SCHÄUMEN VON SCHMELZFLÜSSIGEN MATERIALIEN
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schäumen von schmelzflüssigen Materialien gemäss der Definition der Patentansprüche.
Um aus glasbildenden Materialien einen Glasschaum zu erzeugen, sind verschiedene Verfahren bekannt. So wird unterschieden zwischen Verfahren, bei denen ein pulveriges Ausgangsprodukt aufschäumende Gase freisetzt, bspw. durch Aufheizen in einem Durchlaufofen bei Schmelztemperatur, und zwischen Verfahren, bei denen eine Schmelze direkt während ihrer Abkühlung mittels eines beigemischten Schäumungsmittels Gase freisetzt und diese Schmelze aufschäumt.
Ein erstes, viel benutztes Verfahren stellt in einem Glasschmelzofen zuerst eine spezielle Glasmischung her. Diese Glasmischung wird nach Abkühlung und Erstarrung fein gemahlen, mit Schäumungsmittel vermischt, in Formen abgefüllt und in einem zweiten thermischen Schritt wieder auf Temperaturen im Bereich der Schmelztemperatur des Glases erhitzt, wo das Glas durch .Zersetzung des Schäumungsmittels zu Schäumen beginnt. Nach Abkühlung liegt ein Produkt vor, das in der Bauindustrie bspw. zu Isolierzwecken einsetzbar ist. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt in den hohen Herstellungskosten, welche aus den beiden notwendigen thermischen Verfahrensschritten herrühren. Ein anderes, aus der Eisenindustrie bekanntes Verfahren, beruht auf dem Direktverschäumen von Eisenhüttenschlacke aus der Schmelze. Die flüssige Schlacke wird dabei bspw. zusammen mit Wasser als Schäumungsmittel in Rinnen geleitet, in welchen das Wasser durch die hohe Schlackentemperatur verdampft und auf seinem Weg durch erstarrende Schlacke diese Schlacke zum Schäumen bringt Dabei entsteht ein geschlossenporiges, bimssteinartiges Produkt, der sogenannte Hüttenbims, der in der Bauindustrie zu Isolierzwecken oder auch als Kiesersatz im Tiefbau einsetzbar ist Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass kein wirklich hochwertiges Produkt mit gleichmässigem Porenaufbau erzeugt wird, das heutzutage vom Bauwesen und Tiefbau verwendet werden kann. So reagiert in einer Nebenreaktion Schwefel mit Wasser zu H2S, was die Herstellung und Verwertung des Hüttenbims stark einschränkt.
Bei einem weiteren Verfahren, das sich grosstechnisch jedoch nie hat durchsetzen können, wird ein Gas im schmelzflüssigen Material gelöst Dieses gelöste Gas wird später bei der Erstarrung des Materials gezielt, bspw. durch Druckentlastung, wieder freigesetzt Die Nachteile dieses Verfahrens beruhen darin, dass die Gaslöslichkeit sehr stark von der Zusammensetzung der Schmelze abhängt, dass also Schwankungen in der Schmelzenzusammensetzung die Produktqualität sehr stark beeinflussen, und dass die Handhabung (Handling) von Schmelzprodukten unter Druck und hohen Temperaturen sehr schwierig, aufwendig und gefährlich ist.
Bei noch einem weiteren Verfahren wird ein pulverförmiges Schäumungsmittel in einer Schmelze verteilt und es wird versucht, die aus dem Schäumungsmittel entstehenden schäumenden Gase, über die Abkühlungsphase hinaus, im erstarrten Produkt zu behalten. Dabei muss die Schmelze für ein Einrühren des* Schäumungsmittels dünnflüssig sein, was hohe Schmelztemperaturen bedingt Das Hauptproblem, das zu lösen ist, ist die Tatsache, dass das Schäumungsmittel, gerade bei hohen Schmelztemperaturen unmittelbar nach Kontakt mit der Schmelze anfängt Gase zu bilden und es anschliessend sehr schwierig wird einem sich bildenden Schaum noch weiter Schäumungsmittel beizumischen. D.h. um eine befriedigende Porenhomogenität bei gleichzeitig niederer Dichte zu erreichen, muss der Mischungsvorgang sehr schnell vor sich gehen und praktisch vor der Gasbildung schon abgeschlossen sein. Ein solches verzögertes Schäumen ist mit bekannten Schaumungsmitteln bisher nicht erreichbar. Schliesslich stellt das Einrühren pulverförmiger Schäumungsmittel in eine Schmelze von über 1200°C ein noch immer ungelöstes technisches Problem dar.
Die Patentschrift DE 22 06 448 beschreibt ein Verfahren, welches für die vorliegende Erfindung als nächstliegender Stand der Technik anzusehen ist. Dabei wird eine Schmelze zerstäubt und dem so erzeugten Schmelzentropfennebel ein Schäumungsmittel beigemischt. Für die Zerstäubung wird ein gasförmiges Zerstäubungsmittel unter Druck eingesetzt, bspw. Luft oder Wasserdampf. Die zerstäubte Schmelze wird auf ein horizontales Band gesprüht, auf dem sie durch Kontakt mit dem Schäumungsmittel aufschäumt.
Dies ist mit Nachteilen verbunden. Ein Nachteil resultiert daraus, dass das Förderband aus Festigkeitsgründen gekühlt werden muss. Es wird dabei auch die Unterseite des erzeugten Schaumes gekühlt, auf der Unterseite des Schaumes bilden sich weniger Gasblasen, was zu einer ungleichmässigen Porenverteilung des Produktes fuhrt. Ein weiterer Nachteil beruht darin, dass die Gasblasen durch ihre niedere Dichte die Tendenz haben, in der Schmelze nach oben zu steigen, was zum einen zu einer grösseren Blasenanzahl im oberen Teil der Schaumschicht fuhrt, und wobei sich kleinere Blasen zu grösseren verbinden, was zum anderen eine Blaseninhomogenität zur Folge hat. Ein weiterer Nachteil liegt in der Tatsache, dass
_•• eine homogene Mischung eines Schmelzentropfennebels mit einer Schäumungsmittelwolke nur bei überstöchiometrischer Schäumungsmittel- Dosiermenge möglich ist. Ein Teil des zudosierten Schäumungsmittels wird sich praktisch unkontrolliert in der Schäumungsapparatur niederschlagen und, sofern sich dort heisses Glas befindet, dieses zusätzlich aufschäumen lassen, wodurch die Porenhomogenität zusätzlich verschlechtert wird. Hier setzt das nachfolgend dargestellte Verfahren an. Durch eine von den bisher angewandten Techniken verschiedene Prozessfuhrung sollen die Nachteile des Schäumens aus dem Schmelzfluss behoben werden. Daraus resultiert ein kostengünstiges, qualitativ gute Schäume erzeugendes Verfahren.
Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem ein Schaum direkt aus einer Schmelze geschäumt werden kann, das Produkt eine gute Porenhomogenität aufweist und mit geringem Aufwand erzeugt wird. Das Verfahren soll mit einer Vorrichtung durchführbar sein, bei der die vorgenannten Nachteile wie: eine Mehrzahl thermischer Verfahrensschritte, ein ungleichmässiger Porenaufbau des Produkts, eine verfahrensbedingte Schwankung in der Produktqualität, eine Handhabung (Handling) von Schmelzprodukten unter Druck und bei hohen Temperaturen, ein Einrühren pulverföπniger Treibmittel bei hoher Temperatur, vermieden werden. Dieses Verfahren soll mit gängigen Arbeitstechniken ausführbar und in bekannte Anlagen integrierbar sein.
Anhand der nachfolgend aufgeführten Figuren wird eine beispielhafte Verfahrensvariante der Erfindung im Detail diskutiert:
Fig. 1 zeigt schematisch die beispielhafte Verfahrensvariante mit einer Vorrichtung zum Zerstäuben und Vermischen von schmelzflüssigem Material mit Schäumungsmittel und Aufschäumen des Gemisches.
Fig. 2 zeigt einen Teil einer ersten Ausfuhrungsform einer Vorrichtung gemäss Fιg. 1.
Fig.3 zeigt einen Teil einer weiteren Ausfuhrungsform einer Vorrichtung gemäss Fig. 1. Zum Zerstäuben von schmelzflüssigem Material bei hohen Temperaturen kommen prinzipiell zwei Lösungen in Frage, nämlich Zerstäuben durch einen Zerstäuber unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft oder Verdüsen mit einem Zerstäubungsmittel wie bspw. Pressluft, Dampf oder Flüssigkeiten, also bspw. mittels ZweistofF-Düsen. Die vorliegende Erfindung basiert auf der ersten dieser beiden Lösungen, also auf einem Zerstäuben schmelzflüssigen Materials unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft.
Gemäss Fig. 1 wird schmelzflüssiges Material 1 aus einem Vorlagebehälter 10 dosiert. Der Vorlagebehälter ist bspw. ein Schmelzaggregat bzw. ein ausgemauerter Materialbehälter mit einer Öffnung 12 zum Ausfliessen des schmelzflüssigen Materials. Als schmelzflüssiges Material wird vorteilhafterweise Schlacke, bspw. Stahlwerkschlacke, Hochofenschlacke oder Schlacke aus Verbrennungsanlagen verwendet. Andere schmelzflüssige bzw. hochschmelzenden Materialien wie Glas sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung natürlich ebenfalls verwendbar. Vorteilhafterweise enthält das schmelzflüssige Material Oxyde, die sich durch Kohlenstoff reduzieren lassen und Gase wie CO2 bzw. CO freisetzen.
In der Verfahrensvariante der Erfindung gemäss der Fig. 1-3 wird ein aus dem Vorlagebehälter ausfliessender Materialstrahl in einem ersten Schritt zu einer Schmelze mit hoher Oberfläche verarbeitet. Das schmelzflüssige Material fliesst möglichst kontinuierlich auf einen Zerstäuber 13. Der Zerstäuber ist ein beliebiger Körper. Bspw. ist der Zerstäuber von der Form einer Scheibe, einer Walze, usw.. Gemäss Fig. 1 ist der Zerstäub«* eine horizontal rotierende Scheibe von bspw. 1 m Durchmesser. Der ausfliessende Materialstrahl ist problemlos auf eine Scheibe von solcher Dimension zu fuhren. Aufgrund der hohen Zentrifugalkräfte, die auf der Scheibe herrschen, wird auf der Scheibe befindendes schmelzflüssiges Material zu einem dünnen Schmelzenfilm 6 von bspw. 0.5-1 mm Dicke mit grosser äusserer Oberfläche verarbeitet. Der Zerstäuber kann geheizt bzw. gekühlt werden, um so die Viskosität des Schmelzenfilms durch Variation der Temperatur des Zerstäubers einzustellen. Die Einstellung und Kontrolle der Temperatur dieses Schmelzenfilms innerhalb eines Materialschmelzbereichs erfolgt bspw. durch Wärmezufuhr, bspw. durch Zusatzstoffe wie Heizgas. Vorteilhafterweise kann zur Vermeidung einer zu schnellen Abkühlung eine Strahlungsisolation der gesamten Vorrichtung vorgesehen werden Auch kann der Zerstäuber separat geheizt werden, bspw. mittels eines Brenners direkt auf den Schmelzenfilm. Ist Kühlung -erforderlich, beispielsweise weil das schmelzflüssige Material eine zu hohe Temperatur aufweist, so kann dies sehr einfach durch Zusatzstoffe wie Wasser- oder Luft geschehen. Dies erfolgt durch Beimischung in das schmelzflüssige Material und/oder durch separate Kühlung des Zerstäubers, bspw. durch Kühlung der Rückseite des Zerstäubers. All diese Temperaturkontrollen sind einfach durchzufuhren und an unterschiedliche grosse Materialschmelzbereiche von verschiedenen verwendeten Materialien anpassbar. Prinzipiell gilt, je grosser der Materialschmelzbereich des verwendeten Materials ist, desto einfacher ist die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.
Ein Schäumungsmittel 3 wird auf einen Zerstäuber dosiert. Bspw. wird ein pulverförmiges, feinkörniges Schäumungsmittel über eine Dosiereinrichtung 24 auf die Scheibe gemäss Fig. 1 dosiert und aufgrund der herrschenden Zentrifugalkräfte in den Schmelzenfilm eingemischt. Als Schäumungsmittel lassen sich alle solchen Stoffe verwenden, die durch Anregung Gase erzeugen. Eine solche Anregung zur Erzeugung von Gasen kann auf vielfältige Art und Weise erfolgen. Bspw. erfolgt sie durch Aufheizen des Schäumungsmittels im direkten Kontakt mit dem schmelzflüssigem Material bzw. erfolgt sie durch thermische Zersetzung des Schäumungsmittels (bspw. CaCOj) oder durch chemische Reaktion mit dem schmelzflüssigem Material (bspw. gemäss einer Reaktion (C + ΕfyC -.► 2FeO + CO(g)). Bspw. kommt als Schäumungsmittel für Stahlwerkschlacke mit einer Schmelztemperatur oberhalb 1200°C gewöhnlicher gemahlener Kalkstein in Frage, der bei ca. 850°C in CaO und gasförmiges CO2 zerfällt Vorteilhafterweise wird Schäumungsmittel in geringen Konzentrationen in den Schmelzenfilm dosiert. Eine solche Dosierung findet bspw. mit einer Konzentration von ungefähr 1% (1-10 g Schäumungsmittel pro 1 kg schmelzflüssigem Material) in den Schmelzenfilm statt. Vorteilhafterweise enthält das Schäumungsmittel Kohlenstoff so dass 0.2 - 2 g Kohlenstoff in 1 kg schmelzflüssiges Material dosiert wird.
Das Schäumungsmittel lässt sich gleichmässig in die Oberfläche des Schmelzenfilms einbringen, so dass eine beliebig innige Mischung der beiden Medien erreicht wird. Es erfolgt kein örtliches Überdosieren von Schäumungsmittel mit örtlicher Bildung von grösseren Blasen, wie beim Einmischen von Schäumungsmittel in einen Schmelzentropfennebel. Gemäss der vorliegenden Verfahrensvariante lässt sich auf einfache Art und Weise eine sehr homogene Schäumungsmittelverteilung im schmelzflüssigen Material erreichen.
Immer noch unter der Wirkung der Zentrifiigalkraft wird dieser dünne Film von schmelzflüssigem Material und aufdosiertem/eingemischtem Schäumungsmittel über den Scheibenrand hinausgeschleudert und dabei zu feinen Tropfen zerrissen. Die Zumischung des Schäumungsmittels kann auch erst nach Ablösen des Schmelzenfilms vom Zerstäuber erfolgen, jedoch unter der Bedingung dass der erzeugte Film noch lamellenartig erhalten ist und sich noch nicht in Einzeltropfen aufgelöst hat. Andernfalls entstehen ähnliche Probleme wie beim Zerstäuben mit einem Schmelzentropfennebels, wobei ein Teil des Schäumungsmittels den Nebel durchdringen muss und dabei Schmelzentropfen kontaktiert und im Wärmekontakt im Nebel reagiert und sich niederschlägt. Die Mischungsart von Schäumungsmittel auf einen Schmelzenfilm mit grosser Oberfläche ist sehr effektiv, es geht nur wenig Schäumungsmittel verloren, was zu einer wesentlichen Einsparung an Schäumungsmittel führt. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung stehen dem Fachmann hierzu vielfältige Variationsmöglichkeiten frei. Bspw. ist es möglich, das Schäumungsmittel separat auf einen Zerstäuber aufzubringen. Unter Verwendung eines Zerstäubers gemäss Fig. 1 zerteilt die auf die Schmelze ausgeübte Zentrifugalkraft die Schmelze und das Schäumungsmittel fein und schleudert sie über den Scheibenrand nach aussen. Die feinen Tropfen aus Schmelze und eingemischtem Schäumungsmittel werden auf einer Schäumungsoberfiäche 15 aufgefangen und zu einem Gemisch 4 aus schmelzflüssigem Material und Schäumungsmittel verarbeitet. Es erfolgt eine weitere, zusätzliche, innige Vermischung von Schmelze und eingemischtem Schäumungsmittel. Dieses Gemisch bspw. fliesst unter der Wirkung der Schwerkraft an der Schäumungsoberfiäche herunter. Die Schäumungsoberfiäche ist eine beliebige gekrümmte bzw. ebene Oberfläche. Bspw. ist die Schäumungsoberfiäche die Innenwand eines Rohres. In der Ausführungsform gemäss Fig. 1 ist die Schäumungsoberfiäche die senkrecht stehende, innere Wand eines hitzebeständigen Hohlzylinders. Dieser Hohlzylinder bildet eine Art Reaktionskammer. Er kann nach oben bzw. unten trichterförmig erweitert sein. Auch kann er wärmeisoliert sein bzw. beheizt gekühlt werden, um so die Fliessgeschwindigkeit des Gemisches aus schmelzflüssigem Material und Schäumungsmittel auf der Rohrwand zu erhöhen bzw. zu erniedrigen. Auch werden auf diese Art und Weise Wärmeverluste nach Aussen mit inhomogener Porenbildung verhindert. Bei Kenntnis der vorliegenden Erfindung stehen dem Fachmann hierzu vielfältige Variationsmöglichkeiten frei. Bspw. ist es möglich ein Entfernen des verdichteten Gemisches durch andere Kräfte als die Schwerkraft zu realisieren. Mögliche Kräfte sind die Zentrifigalkraft, d.h. die Schäumungsoberfiäche kann als waagrecht oder schräg ausgerichtete, rotierende Scheibe ausgeformt sein.
Nach Kontakt der Medien Schmelze und Schäumungsmittel auf der Schäumungsoberfiäche fängt die Gasbildung und die Reaktion zu einem Materialschaum 5 statt. Für ein solches Schäumen ist die Verweilzeit auf dem Zerstäuber vom im Schmelzenfilm eingemischten Schäumungsmittel zu kurz. Das Schäumen erfolgt erst auf der Schäumungsoberfiäche. Entstandene Blasen fliessen zusammen mit dem schmelzflüssigem Material gemäss der Schwerkraft nach unten, resp. werden ggf. in Folge der Auftriebskraft in Gegenrichtung der Fliessrichtung des Materialschaums nach oben bewegt. Die sich aufgrund des Schäumvorgangs bildenden Blasen können den entstehenden Materialschaum nicht verlassen, da ständig neues Gemisch von oben nachfliesst. Nach Abschluss der Reaktion im Inneren der Reaktionskammer verlässt der homogene Materialschaum den Hohlzylinder bspw. infolge seiner Schwerkraft.
Die Vorteile beim Verwenden eines Rohres bzw. einer vertikalen Wand als Schäumungsoberfiäche werden ersichtlich, wenn man sich die Bewegung einer Blase im Vergleich zur Lage des Schaums betrachtet: Wird auf eine horizontale Fläche gesprüht, so können die aufgrund von chemischen Reaktionen entstandenen Blasen im Schaum hochsteigen und diesen, falls die Aussenhaut in Folge Abkühlung noch nicht zu zäh ist, verlassen. Sie sind dann für den Schäumungsprozess unwirksam und tragen so zu einer Erhöhung der Schaumdichte bei. Ist demgegenüber die Aussenhaut schon so stark abgekühlt, dass die Blasen diese nicht mehr durchstossen können, so reichern sie unterhalb der Aussenhaut an und fuhren zu grossporigen, mechanisch instabilen Bereichen und verschlechtern die Schaumqualität, bzw. fuhren zu beträchtlichem Ausschuss. Wird demgegenüber auf eine vertikale Wand gesprüht, wird eine entstandene Blase aufgrund der wirkenden Kräfte nicht zur Aussenhaut des Schaums (wie dies beim Sprühen auf eine horizontale Fläche der Fall ist) gedrängt, sondern steigt vielmehr im Schaum selbst hoch und kann diesen nicht verlassen. Dadurch wird die Schaumdichte gesenkt und der Schaum hat überall eine homogene Porenstruktur. Zudem sind alle Blasen an der Schaumbildung beteiligt, so dass die Schäumungsmittelmenge reduziert werden kann. Wird diese Wand zusätzlich noch von hinten beheizt kann die Schäumtemperatur ähnlich wie bei den Verfahren, welche zuerst aufmahlen und aus dem Kalten kommend schäumen, genau kontrolliert und optimiert werden. Wird sie hingegen gekühlt so entstehen von der tiefen Wandtemperatur abgeschreckte, im Durchmesser gezielt variierbare torusföπnige Stränge von 1-10 cm Durchmesser, die nach dem Erreichen einer gewissen Dicke durch die Schwerkraft nach unten fallen
Fig. 2 zeigt einen Teil der Ausführungsform eines Zerstäubers der Vorrichtung gemäss Fig. 1. Bei hochviskosen Schmelzen, bspw. Schmelzen mit einer Temperatur nahe dem Schmelzpunkt, können die inneren Kräfte der Schmelze so gross sein, dass sie ohne Filmbildung in grossen Tropfen von der Zentrifugalkraft nach aussen geschleudert wird. Eine Unterstützung der Schmelzenfilmbildung (und um eine solche Tropfenbildung zu verhindern), erfolgt durch das Anbringen von mindestens einer konzentrisch, erhöhten Stufen 8 auf dem Zerstäuber resp. der Scheibenoberfläche. Das schmelzflüssige Material wird bspw. an einer zentralen Position I in Fig. 2 und 3 auf den Zerstäuber aufgebracht und dort von mindestens einer Stufe begrenzt. Das Schäumungsmittel wird bspw. an einer äusseren Position II in Fig. 2 und 3 zudosiert. Da die Schmelze mindestens eine Stufe überwinden muss, kann sie an der vertikalen Wand der Stufe durch die Zentrifugalkraft ohne Entweichmöglichkeit zu einem dünnen Film mit grosser Oberfläche verarbeitet werden.
Zum Schäumen von Glas oder Schlacken kann als Schäumungsmittel Siliziumcarbit SiC eingesetzt werden. Dieses reagiert mit Oxyden der Schmelze und bildet dabei gasförmiges CO oder CO2.
Eine mögliche Reaktion kann dabei mit Fβ2θ3 stattfinden:
SiC + 3Fβ2θ3 -» SiO2 + 6FeO + CO, (g)
Unter Umständen enthält die Schmelze den Reaktionspartner (hier Fβ2θ3) zum Schäumungsmittel aber in nicht ausreichender Menge. Bspw. enthält Hochofenschlacke praktisch kein Fβ2θ3. Dieses muss der Schmelze dann zusätzlich beigemischt werden, wenn die obige Reaktion ablaufen soll.
Bei Verwendung einer rotierenden Scheibe als Zerstäuber kann die Scheibe auch als Mischer zum Einmischen nicht nur des Schäumungsmittels sondern auch zum Einmischen mindestens eines weiteren Reaktionsmittels eingesetzt werden. Bspw. wird dabei von innen nach aussen zuerst das schmelzflüssige Material auf die Scheibe dosiert (Position I in Fig. 2 und 3), dann wird auf den erzeugten Schmelzenfilm ein bspw. pulverförmiges Reaktionsmittel wie Fβ2θ3, aufgebracht (Position H in Fig. 2 und 3), und daraufhin wird das Schäumungsmittel dem Schmelze/Fe2θ3-Gemisch zudosiert (Position KI in Fig. 2 und 3),. Das weitere Reaktionsmittel wird bspw. an einer Stufe der Scheibe der Schmelze zugemischt. Bspw. wird soviel weiteres Reaktionsmittel zudosiert, dass das zu schäumende Gemisch 2-20% Fβ2θ3 enthält. Vom Scheibeninnern nach aussen sind die Dosierstellen somit wie folgt angeordnet: Schmelze, Fβ2θ3, Schäumungsmittel.
Fig. 3 zeigt einen Teil einer zweiten Ausfuhrungsform eines Zerstäubers der Vorrichtung gemäss Fig. 1. Zur Unterstützung der Schmelzenfilmbildung und um die Verweilzeit der Schmelze auf der Scheibe zu erhöhen, wird mindestens einer konzentrischen, zum Rotationszentrum hin geöffneten Nut 9 an einer konzentrischen Stufe der Rotationsscheibe angebracht. Diese Nut wird sich mit Schmelze füllen und die Verweilzeit der Schmelze auf der Scheibe erhöhen. Durch die Radialbewegung der Schmelze auf einem Einlaufteil 20 zur Nut wird innerhalb der Nut eine turbulente Strömung mit intensiver Mischwirkung ausgebildet, wodurch das Fβ2θ3 ideal mit der Schmelze vermischt und aufgeschmolzen wird. Durch eine solche Einrichtung kann ein vorgängiges, zusätzliches Mischaggregat zur Mischung von Schmelze und Fβ2θ3 eingespart werden.
Der Materialschaum kühlt ab, erstarrt und wird bspw. in einem Sammelbehälter gesammelt. Hierfür kann bspw. ein kontinuierlich laufendes Band verwendet werden, das falls nötig gekühlt wird, bzw. hitzebeständig beschichtet oder mit einem ständig neu aufzubringenden Schutzmaterial wie Sand bedeckt ist Ein solches Förderband ermöglicht einen kontinuierlichen Abtransport der aufgeschäumten Schmelze. Dem Fachmann stehen vielfältige Möglichkeiten der Weiterverarbeitung frei. So ist es möglich, mehr oder weniger grosse, unregelmässig geformte Materialschaumbrocken herzustellen. Es ist jedoch ebenfalls möglich, den Materialschaum in regelmässige Formen zu fassen und bspw. zu Materialschaumplatten zu verarbeiten. Der Materialschaum lässt sich dann bspw. zu Isolierbacksteinen weiterverarbeiten.
Der Porenaufbau des Materialschaums, sein Aufschäumungsgrad, lässt sich durch einfache Einstellung der Verhältnisse von Materialpartikel zu Schäumungsmittel kontrolliert einstellen Die Art des schmelzflüssigen Materials, die Art des verwendeten Schäumungsmittels, die Grössenordnung der Durchsätze (bspw. 2-10 Tonnen/h) durch die Vorrichtung sowie die herrschenden Temperaturen und Temperaturgradieπten sind weitere Parameter für die kontrollierte Herstellung von Materialschaum mit gleichmässigem Porenaufbau.

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Verfahren zum Schäumen von schmelzflüssigen Materialien (1), dadurch gekennzeichnet, dass schmelzflüssiges Material auf einem Zerstäuber (13) zu einem Schmelzenfilm verarbeitet wird, Schäumungsmittel (3) in diesen Schmelzenfilm eingemischt wird, dieser Schmelzenfilm (6) durch den Zerstäuber zerstäubt wird, als Gemisch (4) auf eine Schäumungsoberfiäche (15) aufgebracht wird, wo das Gemisch zu Materialschaum (5) aufschäumt.
2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schäumungsmittel dosiert in einen Schmelzenfilm mit grosser Oberfläche eingemischt wird.
3. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schäumungsmittel verwendet wird, das beim Erhitzen Gase freisetzt.
4. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schäumungsmittel verwendet wird, das Kohlenstoff enthält (zum Beispiel SiC).
5. Verfahren gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass pro 1 kg schmelzflüssiges Material ein Schäumungsmittel, das 0.2 - 2 g Kohlenstoff enthält, verwendet wird.
6. Verfahren gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das schmelzflüssige Material Oxyde enthält welche Oxyde durch den Kohlenstoff des Säuserungsmittels reduziert werden und die Gase CO2 bzw. CO freisetzen.
7. Verfahren gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ausser dem Schäumungsmittel mindestens ein weiteres Reaktionsmittel in den Schmelzenfilm dosiert wird.
8. Verfahren gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als weiteres Reaktionsmittel Fe∑Oa verwendet wird.
9. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zerstäuber geheizt bzw. gekühlt wird und dass die Viskosität des Schmelzenfilms durch
Variation der Temperatur des Zerstäubers eingestellt wird.
10. Verfahren gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zerstäuber durch Zusatzstoffe geheizt bzw. gekühlt wird.
11. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schäumungsoberfiäche die senkrecht stehende innere Wand eines Hohlzylinders verwendet wird.
12. Verfahren gemäss Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schäumungsoberfiäche geheizt bzw. gekühlt wird und dass die Fliessgeschwindigkeit des Gemisches bzw. des Materialschaumes durch Variation der Temperatur des Hohlzylinders eingestellt wird.
13. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als schmelzflüssiges Material Schlacke, Glas, Hochofenschlacke oder Müllverbrennungsschlacke verwendet wird.
14. Vorrichtung zur Schäumen von schmelzflüssigen Materialien (1) mit einem Zerstäuber (13) zum kontinuierlichen Verarbeiten von schmelzflüssigem
Materialien zu einem Schmelzenfilm (6), mit einer Dosiereinrichtung (24) zum Dosieren von Schäumungsmittel (3) in diesen Schmelzenfilm, mit einem Zerstäuber zum Zerstäuben des mit Schäumungsmittel vermischten Schmelzenfilms und mit einer Schäumungsoberfiäche (15) zur Aufnahme und Aufschäumen des Gemisches zu Materialschaum (5).
15. Vorrichtung gemäss Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Zerstäuber eine horizontale, rotierende Scheibe ist, die schmelzflüssiges Material aufgrund der Zentrifugalkräfte auf der Scheibe zu einem Schmelzenfilm verarbeitet und zerstäubt.
16. Vorrichtung gemäss Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe mindestens eine konzentrische Stufe (8) bzw. mindestens eine konzentrische, zum Rotationszentrum hin geöffnete Nut (9) aufweist.
17. Vorrichtung gemäss Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schäumungsoberfiäche ein senkrecht stehender Hohlzylinder ist auf dem das Gemisch bzw. der Materialschaum durch die Schwerkraft abfliesst.
18. Vorrichtung gemäss Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzylinder nach oben bzw. unten trichterförmig erweitert ist.
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