VERFAHREN ZUR ERZEUGUNG EINES GRANULATS AUS EINER MINERALISCHEN SCHMELZE

Beschreibung

Verfahren zur Erzeugung eines Granulats aus einer minerali ^¬ schen Schmelze

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze nach dem Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Granulats einer mineralischen Schmelze nach Anspruch 15.

Zur Herstellung des so genannten Hüttensandes wird die Schla ^¬ cke, die bei Hochofenprozessen, beispielsweise beim Auf ^¬ schmelzen von Eisen, bei etwa 1500°C bis 1600°C flüssig an ^¬ fällt, durch verschiedene Verfahren granuliert. Dazu gehört einerseits das Abschrecken der Hochofenschlacke, was jedoch zu einem sehr hohen Wasserbedarf und insgesamt zu einem hohen Energiebedarf führt.

Ein weiteres geeignetes Verfahren zur Granulierung der Hoch- ofenschlacke ist das so genannte Rotating Cup-Verfahren.

Hierbei wird die flüssige Schlacke auf einen teller- oder scheibenförmigen Rotationskörper gegossen, durch die Zentrifugalkraft wird die flüssige Schlacke in kleinen Tröpfchen nach außen geschleudert und so zerstäubt. Die abgekühlten Tröpfchen ergeben den gewünschten Hüttensand. Dieser Hüttensand kann beispielsweise in der Zementindustrie als Zusatz ^¬ stoff verwendet werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Hüttensand einen glas- artigen, also amorphen Charakter aufweist, weil so die hyd ^¬ raulischen Eigenschaften des Zementes, in dem er verwendet wird, deutlich verbessert werden.

Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise in der

EP 804 620 Bl beschrieben. Um die Qualität des erzeugten Granulats (z. B. die Korngröße, die Form, den Glasgehalt) stabil zu halten, ist es notwendig, in die Prozessparameter, beispielsweise die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotationskör- pers, die Tellerkühlung oder die Schmelzenzuführung, genau einzustellen .

Bei dem im Stand der Technik beschriebenen Verfahren werden zwar Mikropartikel erzeugt, es besteht jedoch keinerlei Ein- flussnahme auf die Qualität des erzeugten Granulates. Der Hüttensand, der in der Zementindustrie verwendet wird, sollte jedoch möglichst von gleichmäßiger Kornstruktur und gleichmäßigem Partikeldurchmesser sein. Dies ist in der Zementindust- rie deshalb wichtig, da die Mahlprozesse empfindlich auf un ^¬ terschiedliche Partikeldurchmesser reagieren, bei einem gleichmäßigen Partikeldurchmesser kann das Aufmahlen des Hüttensandes energieeffizienter und kostengünstiger gestaltet werden .

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze bereitzustellen, durch die eine bessere Einstellung des gewünschten Partikeldurchmessers der Gra- nulatpartikel insbesondere eine amorphe Festkörperstrukturer- möglicht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze gemäß Anspruch 1 umfasst da- bei folgende Schritte. Zunächst wird eine mineralische

Schmelze auf einem Rotationskörper aufgebracht. Der Rotati ^¬ onskörper wird dabei einer Drehbewegung unterzogen, wobei die Schmelze vom Rotationskörper mit einer radialen Komponente nach außen geschleudert wird. Bei diesem radialen Schleuder- prozess werden aus der Schmelze Mikropartikel vereinzelt, die später in getrocknetem Zustand als Granulat bezeichnet wer ^¬ den. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass beispiels ^¬ weise direkt aus der Schmelze Analysepartikel vereinzelt wer ^¬ den, die einer berührungslosen Materialanalyse unterzogen werden.

Durch das beschriebene Verfahren ist es möglich, kontinuierlich die Eigenschaften der Schmelze zu bestimmen und die da- bei gewonnenen Analyseergebnisse direkt in die Steuerung des Verfahrensprozesses einzuspeisen. Gegenüber herkömmlichen Methoden, wobei aus der Schmelze Proben entnommen werden, die aufwändig in einem Labor geprüft werden müssen, ist es hier möglich, direkt in der Umgebung der Granulationsvorrichtung Online-Messungen durchzuführen, und direkt innerhalb weniger Sekunden bzw. weniger Minuten auf möglicherweise veränderte Zusammensetzung der Schmelze zu reagieren und dem Prozess entsprechend anzupassen.

Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 dient zur Erzeugung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze. Hierbei kann es sich einerseits wie einleitend erwähnt, um die Schlacke eines Hochofenprozesses handeln, die bei der Ei- senverhüttung anfällt, es kann sich jedoch auch um eine anderweitig erzeugte mineralische Schmelze handeln, die rasch abgekühlt und granuliert werden soll. Im Weiteren wird auch für die geschmolzene Schlacke der Begriff „Schmelze" verwen ^¬ det. Das Verfahren kann auch auf die Zerstäubung einer metal- lischen Schmelze, beispielsweise bei der Herstellung amorpher Metallpartikel angewandt werden.

Unter dem Begriff Mikropartikel werden hierbei die aus der zerstäubten und teilweise erstarrten Schmelze entstandenen Tröpfchen verstanden, die üblicherweise einen Durchmesser zwischen 500 ym und 5 mm aufweisen. Die Anhäufung der Mikropartikel, wenn sie weitgehend erstarrt in einem Fließbett liegen, wird als Granulat bezeichnet. Die Gesamtmenge an Gra ^¬ nulat wiederum ergibt den so genannten Hüttensand.

Bei den Analysepartikeln handelt es sich um Mikropartikel, die aus dem Prozess an unterschiedlichen Stellen gewonnen werden können, die im Wesentlichen dieselben Bestandteile und Eigenschaften aufweisen wie die beschriebenen Mikropartikel, die jedoch eigens zur Analyse und zur damit verbundenen Steu ^¬ erung des Prozesses aus der Schmelze vereinzelt werden. Die Vereinzelung bzw. das Separieren der Analysepartikel aus dem Schmelzenstrom kann grundsätzlich an verschiedenen Stellen des Verfahrens erfolgen. In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung werden die Analysepartikel aus ei- nem Hauptschmelzestrom vereinzelt, bevor der Hauptschmelzestrom auf den Rotationskörper gelangt. Dies ermöglicht es, bei einem schnellen Analyseverfahren, noch bevor die zu untersuchende Schmelze auf den Rotationskörper gerät, die rich ^¬ tigen Parameter für den entsprechenden Schmelzenstromab- schnitt im Verfahren einzustellen.

Hierzu kann aus dem Schmelzenhauptstrom ein Schmelzenneben- strom abgeleitet werden, aus dem die Analysepartikel verein ^¬ zelt werden. Dieses Vereinzeln aus dem Schmelzennebenstrom kann beispielsweise ebenfalls durch einen zweiten, in der Re ^¬ gel kleineren, laborförmigen Rotationskörper erfolgen.

In einer anderen Ausgestaltungsform können die Analysepartikel mittels eines Zerstäuberrades beispielsweise direkt aus dem Hauptschmelzenstrom vereinzelt werden. Weiter hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, das Vereinzeln durch einen Pressluftstrahl, einen Fluidstrahl oder durch eine Schalleinkopplung aus dem Schmelzenhauptstrom oder dem Schmelzennebenstrom vorzunehmen.

Bei der Analysemethode der Analysepartikel gibt es ebenfalls zwei zweckmäßige Alternativen, die grundsätzlich auch miteinander kombiniert werden können. Zum einen gibt es die Alternative, dass die Analytikpartikel entlang einer Flugbahn mit einer Analysevorrichtung analysiert werden. Als Analysevorrichtung dienen insbesondere Hochgeschwindigkeitskameras oder Ultraschalldetektoren. Diese Methode hat den Vorteil, dass sie besonders schnell ist und somit einen besonders schnellen Eingriff in die Prozessparameter erlaubt. Andererseits ist es hier mit dieser Methode schwerer, ein singuläres Analysepartikel für sich zu betrachten, es wird stets eine statistische Betrachtung von mehreren Partikeln unternommen. Deshalb wird zusätzlich oder alternativ eine etwas aufwändi ^¬ gere und mehr Zeit verbrauchende vereinzelnde Betrachtung ei ^¬ nes singulären Analysepartikels beschrieben. Hierbei wird ein singulärer Analysepartikel aufgefangen, in einer Vorrichtung bevorzugt durch Ultraschall in Schwebe gehalten und einem

Aufheiz- bzw. Abkühlprozess , der bevorzugt über die Schmelztemperatur des singulären Analysepartikels erfolgt, unterzo ^¬ gen. Der Aufheiz- und Abkühlprozess kann beispielsweise durch einen Laserstrahl sehr zielgerichtet erfolgen. Bei dem Auf- heiz- und Abkühlprozess kann bei dem einzelnen singulären

Analysepartikel sehr genau festgestellt werden, welche Mate ^¬ rialeigenschaften gerade in der Schmelze vorliegen und die Prozessparameter entsprechend eingestellt werden. Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze. Die Vorrichtung umfasst eine Schmelzenzuführvorrichtung über die die Schmelze auf eine Drehzerstäubungsvorrichtung bzw. einen hiervon umfassten Rotationskörper gebracht wird. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Vereinzelungsvorrichtung von Analysepartikeln aus einem Schmelzenstrom in der Schmelzenzuführungsvorrichtung. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Analysevorrichtung zur berührungslosen Analyse der separierten Analysepartikel.

Weitere Ausgestaltungsformen, Ausführungsbeispiele und vor ^¬ teilhafte Merkmale ergeben sich aus den Zeichnungen. Dabei wird für unterschiedliche Ausgestaltungsformen von Merkmalen, die jedoch dieselbe Bezeichnung tragen, dasselbe Bezugszei- chen verwendet.

Es zeigen:

Figur 1 eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Granulats aus einer Schmelze mit einer Analysevorrichtung,

Figur 2 eine Vorrichtung zur Herstellung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze und

Figur 3 eine Analysevorrichtung. In Figur 1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze dargestellt, wobei die Vorrichtung eine Schmelzenzuführvorrichtung 26 sowie eine Drehzerstäubungsvorrichtung 28 mit einem Rotationskörper 4 aufweist. Die Schmelzenzuführungsvorrichtung 26 umfasst eine Schmelzenzuführung 8, die über die Schmelze 2 auf den Rotati ^¬ onskörper 4 gelangt. Die Schmelzenzuführungsvorrichtung 26 umfasst dabei einen Hauptschmelzenstrom 10, durch den die Schmelze 2 auf den Rotationskörper 4 gelangt. Von dem Haupt ^¬ schmelzenstrom 10 wird ein Schmelzennebenstrom 12 abgeleitet, der zu Analysezwecke eine Vereinzelung der Mikropartikel er ^¬ laubt. Die Mikropartikel an sich sind aufgrund ihrer geringen Größe in der Dimension der Figur 1 nicht erkennbar und daher mit keinem Bezugszeichen versehen. Sie sind jedoch durch ihre Flugbahn 16 gekennzeichnet.

Exemplarisch für eine Vereinzelungsmethode von Mikropartikeln aus einem Schmelzennebenstrom 12 ist ein weiterer, kleiner Rotationskörper 13 vorgesehen, auf dem Schmelze 2 gelangt und zu Mikropartikel zerstäubt wird, die die Flugbahn 16 einneh ^¬ men. Die Mikropartikel gelangen in eine Analysevorrichtung 18, die Hochgeschwindigkeitskameras 20 zur 3D-Aufnahme von Partikeleigenschaften umfasst. Ferner umfasst die Analysevor- richtung 18 Ultraschallemitter und Empfänger-Arrays , die zur Messung der Ultraschallimpedanz der Analysepartikel 6 dienen.

In Figur 2 ist eine ähnliche Vorrichtung 1 zur Erzeugung eines Granulats aus einer mineralischen Schmelze dargestellt, die ebenfalls eine Schmelzenzuführvorrichtung 26, eine Drehzerstäubungsvorrichtung 28 mit einem Rotationskörper 4 umfasst, auf den über eine Schmelzenzuführung 8 Schmelze 2 gegossen wird, die wiederum zu Mikropartikel zerstäubt wird. Eine Separation von Analysepartikeln wird hierbei direkt am Hauptschmelzenstrom 10 vorgenommen, wobei hier exemplarisch ein Zerstäuberrad 14 dargestellt ist, das sich in der Schmel ^¬ ze 8 dreht und dabei Schmelzenpartikel herausschlägt, die die Flugbahn 16 einnehmen und in eine Analysevorrichtung 18 ge- lenkt wird, die der Analysevorrichtung 18 in Figur 1 entspricht .

Bei der Analysevorrichtung 18 handelt es sich um einen konti- nuierlichen Prozess, bei dem Analysepartikel 6, die in größe ^¬ rer Menge vorliegen, in ihrer Flugbahn durch die Analysevorrichtung 18 hindurch von den Messgeräten erfasst werden und hierbei während deren Fluges die Materialeigenschaften durch optische und/oder akustische Messmethoden bestimmt werden. Bei den relevanten, zu bestimmenden Materialeigenschaften handelt es sich insbesondere um die Temperatur, die Dichte, die Wärmekapazität, die Wärmeleitfähigkeit, die Zähigkeit, die Oberflächenspannung und die Emissivität. Diese Eigen ^¬ schaften beeinflussen nachhaltig den Erstarrungsvorgang und den Partikelbildungsprozess der Mikropartikel . Die Emissivi ^¬ tät z. B. beeinflusst die Wärme, die aus dem Mikropartikel durch Strahlung verloren geht, was wiederum dessen Abkühlgeschwindigkeit beeinflusst. Die Kenntnis der Abkühlgeschwin ^¬ digkeit und deren Beeinflussung ist insbesondere dafür wich- tig, dass ein Anhaften von vollständig erstarrten Mikroparti- keln an Wänden der Vorrichtung 1 vermieden wird.

Die Vereinzelung der Analysepartikel 6 kann auch aus den Mik- ropartikeln erfolgen, die von der Drehzerstäubungsvorrichtung an sich produziert werden. Beispielsweise kann eine Blende vorgesehen sein, die die gezielt Partikel als Analysepartikel 6 von den anderen Mikropartikeln trennt.

Mit Kenntnis dieser Materialeigenschaften der Schmelze können die Prozessparameter der Vorrichtung 1, beispielsweise die

Schmelzenzuflussgeschwindigkeit , die Rotationsgeschwindigkeit des Rotationskörpers oder die Kühlrate des Rotationskörpers verändert werden, wodurch es möglich ist, stets eine optimale Struktur der erzeugten Mikropartikel zu gewährleisten. Bei der optimalen Struktur handelt es sich insbesondere um den Partikeldurchmesser der möglichst eng um einen vorgegebenen Mittelwert schwanken sollte. Ferner ist eine möglichst glas- förmige, amorphe Festkörperstruktur gewünscht. Ferner ist auch die Geometrie der Partikel von Bedeutung für den eingangs erwähnten Mahlprozess des Granulates.

Bei den in Figur 1 und 2 gezeigten Analysevorrichtungen 18 handelt es sich um ein extrem schnelles Analyseverfahren, wobei direkt innerhalb von kürzester Zeit, möglichst noch bevor die untersuchte Schmelze 2 den Rotationskörper 4 erreicht, auf die Prozessparameter eingewirkt wird. Durch die beschrie ^¬ bene Analysevorrichtung 18 kann jedoch kein singuläres Analy- separtikel betrachtet werden. Es wird stets ein mittlerer

Wert mehrerer, statistisch verteilter Analysepartikel aufgenommen, was nicht zur größtmöglich genauen Kenntnis der

Schmelzenparameter führt. In Figur 3 ist eine weitere Analysevorrichtung 18' darge ^¬ stellt, die im Wesentlichen dieselben Messmethoden anwendet wie die Analysevorrichtung 18, sie unterscheidet sich von der Analysevorrichtung 18 jedoch darin, dass ein singulärer Analysepartikel 6' betrachtet wird, der in einer Schwebe gehal- ten wird. Hierzu wird ein Ultraschallfeld 22 aus allen Raum ^¬ richtungen erzeugt, das auf den separierten Mikropartikel 6' wirkt und ihn somit in Schwebe hält. Hierbei ist es möglich, dass beispielsweise durch einen Laserstrahl 24 der separierte Analysepartikel 6' einem Aufheiz- und Abkühlprozess unterzo- gen wird. Hierbei können dieselben, bereits genannten Materialeigenschaften des Analysepartikels 6' ermittelt werden, die Analyse ist jedoch genauer, als dies mit der Vorrichtung 18 möglich ist. Die Analyse in der Analysevorrichtung 18' dauert jedoch geringfügig länger als in der Analysevorrichtung 18. Sie kann aber trotzdem noch so schnell erfolgen, dass rechtzeitig auf die Veränderung von Materialschwankungen eingegangen werden kann und die Prozessparameter verändert werden können. Die Analysevorrichtung 18' ist bevorzugt wie die Ana ^¬ lysevorrichtung 18 in unmittelbarer Nähe der Vorrichtung 1 angeordnet. Grundsätzlich ist es möglich, bei den Analysevorrichtungen 18 und 18' in einem Prozess parallel Unterstützung zueinander zu betreiben.