DE1240838B

DE1240838B - Burner for the oxidation of metal powder

Info

Publication number: DE1240838B
Application number: DEU8710A
Authority: DE
Inventors: Joseph Charles Long; Charles Baynard Milton
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1961-02-17
Filing date: 1962-02-16
Publication date: 1967-05-24

Description

Brenner zur Oxydation von Metallpulver Für metallurgische Verfahren sind häufig Metalloxyde in Pulverform als Legierungszusatz erforderlich.Burner for the oxidation of metal powder For metallurgical processes Metal oxides in powder form are often required as an alloy additive.

Vom wirtschaftlichen und industriellen Standpunkt ist es wichtig, daß der Brenner zur Herstellung des Metalloxydpulvers kontinuierlich mit hoher Kapazität betrieben, jedoch in Fällen, in denen periodischer Betrieb erforderlich ist, schnell abgestellt und anschließend wieder in Betrieb genommen werden kann. Für die Instandhaltung und Wartung ist eine unkomplizierte und billige Konstruktion erwünscht.From an economic and industrial point of view, it is important that the burner for the production of the metal oxide powder continuously with high capacity operated, but quickly in cases where periodic operation is required can be turned off and then put back into operation. For maintenance and maintenance, an uncomplicated and inexpensive construction is desired.

Aus einer Durchsicht der vorhandenen Literatur und aus Versuchen mit handelsüblichen Brennern ergab sich, daß es noch keine Vorrichtung gibt, die die vorstehend genannten Forderungen erfüllt.From a review of the existing literature and from experiments with commercial burners showed that there is still no device that above requirements met.

Es wurde nun ein Brenner zur Herstellung von gleichmäßig oxydiertem Metallpulver mit hohem Gehalt an gebundenem Sauerstoff entwickelt, der kontinuierlich und auch periodisch betrieben werden kann, ohne daß eine Wartung oder Reinigung zwischen den Betriebsperioden erforderlich ist, und bei dem kein Erlöschen der Flamme und kein Flammenrückschlag auftreten.There was now a burner for the production of uniformly oxidized Metal powder with high content of bound oxygen develops continuously and can also be operated periodically without maintenance or cleaning is required between operating periods and during which the flame is not extinguished and no flashback occurs.

Der Brenner zur Oxydation von Metallpulver ist gekennzeichnet durch symmetrische, rings um eine zentrale Zuführung 15 für das in einem Trägergas suspendierte Metallpulver angeordnete Düsenkanäle 13 für die Zufuhr von Heizgas und Sauerstoff, deren Längsachsen mit der Längsachse der zentralen Zuführung für das Metallpulver einen Winkel von 15 bis 40° bilden.The burner for the oxidation of metal powder is characterized by symmetrical, around a central feed 15 for the suspended in a carrier gas Metal powder arranged nozzle channels 13 for the supply of heating gas and oxygen, their longitudinal axes with the longitudinal axis of the central feed for the metal powder form an angle of 15 to 40 °.

Vorzugsweise sind die Düsenkanäle 13 mit einer ringförmigen Verteilungskammer 17 verbunden, die konzentrisch zu der zentralen Zuführung 15 angeordnet ist und eine Verteilungsplatte 19 enthält, die in einer Ebene senkrecht zur Achse der zentralen Zuführung angeordnet ist. Die Verteilungsplatte ist mit einer Vielzahl von praktisch gleichen Öffnungen versehen, die in gleicher Zahl wie die Düsenkanäle, aber versetzt zu diesen angebracht sind.The nozzle channels 13 are preferably provided with an annular distribution chamber 17 connected, which is arranged concentrically to the central feed 15 and a distribution plate 19 includes, in a plane perpendicular to the axis of the central Feed is arranged. The distribution plate comes in handy with a variety of provided the same openings, the same number as the nozzle channels, but offset attached to these.

Der erfindungsgemäße Brenner ist in der Zeichnung schematisch dargestellt. Hierbei ist F i g. 1 eine perspektivische Ansicht - teilweise im Schnitt - des in Verbindung mit einem Ofen verwendbaren Brenners gemäß der Erfindung; F i g. 2 ist ein Längsschnitt durch den Brenner gemäß F i g. 1 in Kombination mit einem Ofen, und F i g. 3 ist eine Draufsicht längs der Linie 2-2 von Fig.2.The burner according to the invention is shown schematically in the drawing. Here, F i g. 1 is a perspective view - partially in section - of the in Connection to a furnace usable burner according to the invention; F i g. 2 is a longitudinal section through the burner according to FIG. 1 in combination with an oven, and F i g. 3 is a top plan view taken along line 2-2 of FIG.

Für den Ofen wird im Rahmen dieser Erfindung kein Schutz beansprucht.No protection is claimed for the furnace in the context of this invention.

In F i g. 1 ist 1 ein Rohr, durch das ein Trägergas unter Druck geleitet wird, um ein Metallpulver, das in den Trichter 3 eingeführt wird, aufzuwirbeln bzw. mitzureißen. Das Trägergas, z. B. Sauerstoff, Luft od. dgl., wird in seiner Menge und Geschwindigkeit auf bekannte Weise so reguliert, daß die in den Trichter 3 eingeführten Metallteilchen getrennt voneinander in einem Strom gehalten werden und schließlich in den Ofen geführt werden, der in F i g. 2 bei 5 angedeutet ist. Der auf diese Weise gebildete Metallpulverstrom durchläuft den im Körper 7 eingeschlossenen Brenner, dem gleichzeitig durch die Leitungen 9 und 11 ein Gemisch von Brenngas und Sauerstoff oder Luft zugeführt wird.In Fig. 1, 1 is a pipe through which a carrier gas is passed under pressure to whirl up a metal powder that is introduced into the hopper 3. to be carried away. The carrier gas, e.g. B. oxygen, air or the like. Is in its amount and speed regulated in a known manner so that those introduced into the hopper 3 Metal particles are kept separate from each other in a stream and eventually are fed into the furnace shown in FIG. 2 is indicated at 5. The one on this Metal powder stream formed in this way passes through the burner enclosed in the body 7, at the same time through the lines 9 and 11 a mixture of fuel gas and oxygen or air is supplied.

Die Einzelheiten des erfindungsgemäßen Brenners sind aus F i g. 2 und 3 ersichtlich. Eine Vielzahl von praktisch gleichen Düsenkanälen 13 ist symmetrisch rings um die Trägerzuführung 15 von rundem Querschnitt angeordnet, durch die der Metallpulverstrom, der nach Aufnahme von Metallpulver aus dem Trichter 3 durch das Trägergas gebildet wird, in den Ofen gelangt. Der Körper 7, in den die Kanäle eingearbeitet sind, wird durch den Halter 16 in seiner Lage gehalten. Der Ofen 5 ist in üblicher Weise ausgebildet und besteht aus einem Behälter, der sich zur Durchführung der Metallpulveroxydationsreaktion eignet. Das durch die Leitungen 9 und 11 eingeführte Gemisch von Brenngas und Sauerstoff strömt durch die Verteilungskammer 17, die die Verteilungsplatte 19 enthält, und tritt durch Düsenkanäle 13 in den Ofen, nachdem das Gasgemisch durch eine (nicht dargestellte) Vorrichtung gezündet worden ist. Es wurde festgestellt, daß durch eine bestimmte Anordnung der Düsenkanäle 13 das durch die Trägergaszuführung 15 in den Ofen gelangende Metallpulver gleichmäßig oxydiert wird und einen unerwartet hohen Anteil an gebundenem Sauerstoff enthält. Ferner wird eine ungewöhnlich hohe und konstante Geschwindigkeit der Bildung von oxydiertem Metallpulver erreicht. Die genannten Vorteile werden dadurch erzielt, daß die Düsenkanäle 13 so angeordnet sind, daß ihre Längsachsen die Längsachse der Trägergaszuführung 15 in einem gemeinsamen Winkel von 15 bis 40° schneiden. Dieser Winkel ist in F i g. 2 mit A bezeichnet. Bei dieser Anordnung der Düsenkanäle 13 bildet sich leicht eine kegelförmige Flamme, deren Spitze auf der Achse der Trägergaszuführung 15 am Schnittpunkt mit den Längsachsen der Düsenkanäle 13 liegt. Die gebildete kegelförmige Flamme ist ununterbrochen, in hohem Maß turbulent und erstreckt sich unmittelbar vom Austritt der Düsenkanäle in die gleiche Richtung wie die Längsachse der Trägergaszuführung 15. Während bei Anordnung der Düsenkanäle 13 im Winkel von 15 bis 40° oxydiertes Metallpulver von gleichmäßig hoher Qualität mit hoher Geschwindigkeit gebildet wird, treten verschiedene Betriebsstörungen auf, wenn Winkel außerhalb dieses Bereichs angewendet werden. Beispielsweise verstopft sich die Bohrung, oder die oxydierende Flamme ist weniger turbulent, unterbrochen und neigt zu Instabilität und Rückschlag. Neben diesen unerwünschten Erscheinungen tritt eine wesentlich schwächere und ungleichmäßige Oxydation sowie eine erheblich geringere und ungleichmäßige Produktionsgeschwindigkeit auf. Um insgesamt optimale Ergebnisse zu erzielen, erwies sich ein Winkel im Bereich von 25 bis 30° als am vorteilhaftesten.The details of the burner according to the invention are shown in FIG. 2 and 3 can be seen. A plurality of practically identical nozzle channels 13 are arranged symmetrically around the carrier feed 15 of round cross-section, through which the metal powder flow, which is formed by the carrier gas after the metal powder has been taken up from the funnel 3, passes into the furnace. The body 7, in which the channels are incorporated, is held in its position by the holder 16. The furnace 5 is designed in the usual way and consists of a container which is suitable for carrying out the metal powder oxidation reaction. The mixture of fuel gas and oxygen introduced through lines 9 and 11 flows through the distribution chamber 17 containing the distribution plate 19 and enters the furnace through nozzle channels 13 after the gas mixture has been ignited by a device (not shown). It was found that through a specific arrangement of the nozzle channels 13 , the metal powder entering the furnace through the carrier gas supply 15 is uniformly oxidized and contains an unexpectedly high proportion of bound oxygen. Furthermore, an unusually high and constant rate of formation of oxidized metal powder is achieved. The advantages mentioned are achieved in that the nozzle channels 13 are arranged such that their longitudinal axes intersect the longitudinal axis of the carrier gas feed 15 at a common angle of 15 to 40 °. This angle is shown in FIG. 2 denoted by A. With this arrangement of the nozzle channels 13 , a conical flame easily forms, the tip of which lies on the axis of the carrier gas feed 15 at the intersection with the longitudinal axes of the nozzle channels 13. The cone-shaped flame formed is continuously turbulent to a great extent and extends directly from the outlet of the nozzle channels in the same direction as the longitudinal axis of the carrier gas supply 15. While in arrangement of the nozzle channels 13 at an angle of 15 oxidized to 40 ° metal powder of uniform high quality with is formed at high speed, various malfunctions occur when angles outside this range are used. For example, the bore becomes clogged, or the oxidizing flame is less turbulent, discontinuous, and prone to instability and kickback. In addition to these undesirable phenomena, there is a much weaker and uneven oxidation and a considerably lower and uneven production rate. To achieve the best overall results, an angle in the range of 25 to 30 degrees was found to be most beneficial.

Neben der Anordnung der Kanäle auf die beschriebene Weise ist der erfindungsgemäße Brenner zur Sicherstellung einer stetigen symmetrischen oxydierenden Flamme zweckmäßig mit einer Verteilungskammer 17 zu versehen, die bewirkt, daß die Geschwindigkeit des Brenngas-Sauerstoff-Gemisches in den einzelnen Kanälen im wesentlichen gleich ist. Die ringförmige Verteilungskammer 17 (dargestellt in F i g. 2) ist an einer Seite unmittelbar mit den Leitungen 9 und 11 und auf der gegenüberliegenden Seite mit den Eintrittsöffnungen 18 der Düsenkanäle 13 verbunden. Ungefähr in der Mitte zwischen den Kanälen und den Mündungen der Leitungen 9 und 11 ist eine Verteilungsplatte 19 quer zur Achse der Trägergaszuführung 15 angeordnet. Diese Platte enthält eine Vielzahl von praktisch gleichen runden öffnungen 21 in gleicher Zahl wie die Kanäle. Wie in der Zeichnung dargestellt, ist die Verteilungsplatte 19 so angeordnet, daß die Öffnungen 21 zu den Eintrittsöffnungen der Düsenkanäle 13 versetzt sind. Hierdurch wird der Druck des eintretenden Brenngas-Sauerstoff-Gemisches am Eintritt zu den Kanälen im wesentlichen ausgeglichen, so daß die Geschwindigkeit am Austritt jedes Kanals gleich ist. Es wurde festgestellt, daß in dieser Hinsicht die besten Ergebnisse erhalten werden, wenn die Querschnittsfiäche der Öffnungen der Verteilungsplatte das 1,7- bis 2,4-fache der Querschnittsfiäche der Kanäle beträgt. Zur Sicherstellung einer gleichen und verhältnismäßig konstanten Gasgeschwindigkeit in allen Kanälen wird ferner darauf geachtet, daß die Kanäle mit ihren Eintrittsöffnungen im rechten Winkel zu der Längsachse der Düsenkanäle angeordnet sind und an einer Stelle, die von der Seitenwand der Verteilungskammer entfernt ist, in die Verteilungskammer übergehen.In addition to the arrangement of the channels in the manner described, the burner according to the invention should be provided with a distribution chamber 17 to ensure a steady symmetrical oxidizing flame, which ensures that the speed of the fuel gas-oxygen mixture in the individual channels is essentially the same. The annular distribution chamber 17 (shown in FIG. 2) is connected directly to the lines 9 and 11 on one side and to the inlet openings 18 of the nozzle channels 13 on the opposite side. Approximately in the middle between the channels and the mouths of the lines 9 and 11 , a distribution plate 19 is arranged transversely to the axis of the carrier gas supply 15 . This plate contains a large number of practically identical round openings 21 in the same number as the channels. As shown in the drawing, the distribution plate 19 is arranged in such a way that the openings 21 are offset from the inlet openings of the nozzle channels 13. As a result, the pressure of the incoming fuel gas-oxygen mixture at the inlet to the channels is essentially equalized, so that the speed at the outlet of each channel is the same. It has been found that the best results in this regard are obtained when the cross-sectional area of the openings of the distribution plate is 1.7 to 2.4 times the cross-sectional area of the channels. To ensure the same and relatively constant gas velocity in all channels, care is taken that the channels with their inlet openings are arranged at right angles to the longitudinal axis of the nozzle channels and that they merge into the distribution chamber at a point away from the side wall of the distribution chamber .

Die Düsenkanäle 13 sind so ausgebildet, daB das Verhältnis von Länge zu Durchmesser zwischen 9:1 und 12:1 liegt. Es zeigte sich, daß bei dieser Bemessung der Kanäle ein Brenner erhalten wird, dessen Flamme praktisch keinerlei Neigung hat, unstetig zu brennen oder abzureißen.The nozzle channels 13 are designed so that the ratio of length to diameter is between 9: 1 and 12: 1. It was found that with this dimensioning the channels a burner is obtained, the flame of which has practically no inclination has to burn intermittently or tear off.

Die Trägergaszuführung 15 erweitert sich in dem neben den Austrittsöffnungen der Düsenkanäle 13 liegenden Teil konisch nach außen, wie in F i g. 2 dargestellt. Hierdurch ergibt sich eine wesentlich gesteigerte Turbulenz in der Flammenzone, wodurch in hohem Maß Gleichmäßigkeit der Oxydation des Metallpulvers gewährleistet wird. Um ferner beim erfindungsgemäßen Brenner die Sicherheit gegen Flammenrückschlag weiter zu erhöhen, sind die Austrittsöffnungen der Düsenkanäle 13 aufgebohrt. Die Aufbohrung hat vorzugsweise etwa den doppelten Durchmesser wie der Kanal, und die Tiefe der Aufbohrung liegt vorzugsweise zwischen dem 1- und 2fachen Durchmesser der Kanäle.The carrier gas supply 15 widens conically outward in the part lying next to the outlet openings of the nozzle channels 13, as in FIG. 2 shown. This results in a significantly increased turbulence in the flame zone, which ensures a high degree of uniformity of the oxidation of the metal powder. In order to further increase the security against flashback in the burner according to the invention, the outlet openings of the nozzle channels 13 are drilled. The counter bore is preferably about twice the diameter of the channel, and the depth of the counter bore is preferably between 1 and 2 times the diameter of the channels.

Die genaue Zahl und die genaue Querschnittsfläche der Kanäle sind für die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht entscheidend. Wichtig ist jedoch, daß die Kanäle 13 im gleichen Abstand um die Längsachse der Bohrung 15 angeordnet sind. Ferner müssen Zahl und Größe der Kanäle derart sein, daß sich eine stetige Flamme ausbilden kann, die sich unmittelbar von den Austrittsöffnungen der Düsenkanäle bis zum Schnittpunkt der Achsen der Düsenkanäle mit der Achse der Bohrung erstreckt. Ein gemäß der Erfindung ausgebildeter Brenner hatte beispielsweise folgende Abmessungen und Kennzahlen: Zahl der Düsenkanäle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 (Austrittsöffnungen in einem Kreis von 50,8 mm Durchmesser angeordnet) Durchmesser der Düsenkanäle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2,25 mm Länge jedes Düsenkanals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25,4 mm Durchmesser der Aufbohrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3,45 mm Tiefe der Aufbohrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2,4 mm Winkel zwischen den Achsen der Düsenkanäle und der Achse der Trägergaszuführung . . . . . . . . . . . . . . . 30° Mittlerer Durchmesser der Verteilungskammer ...... 63,5 mm Querschnitt der Verteilungskammer .... . . . . . . . . . . . . 19 - 9,5 mm Zahl der Öffnungen in der Verteilungsplatte . . . . . . . . 16 Durchmesser der Öffnungen in der Verteilungsplatte . . 3,2 mm Zahl der Brenngas- und Sauerstoffeintritte . . . . . . . . . . 2 (diametral gegenüberliegend an der Oberseite der Verteilungskammer, den Eintrittsöffnungen der Düsenkanäle gegenüberliegend) Trägergaszuführung für den Eintritt des Metallpulvers 19,05 mm Durchmesser, neben den Austrittsöffnungen der Düsenkanäle und senkrecht zu deren Achsen ausgeweitet Beispiel Ein Strom von feinteiligem kohlenstoffreichem Ferrochrom, dessen Teilchen zu etwa 90 0/a durch ein Sieb einer Maschenweite von 0,043 mm gingen, wurde in einem stehenden Ofen bei der Oxydationstemperatur mit Sauerstoff in Mischung mit gasförmigen Kohlenwasserstoffen umgesetzt. Das Ferrochrom hatte folgende durchschnittliche Zusammensetzung: 67% Chrom, 23% Eisen, 5% Kohlenstoff, unter 2% Silicium, 0,2 bis 0,8°/o Sauerstoff, Rest zufällige Verunreinigungen. Der Ofen war mit einem erfindungsgemäßen Brenner der in der Zeichnung dargestellten Konstruktion mit den obengenannten Abmessungen und Kennzahlen ausgestattet. Es wurde ohne Schwierigkeiten eine Produktion von durchschnittlich 10,18 kg/Min. erreicht. Das Endprodukt enthielt durchschnittlich 26,38% Sauerstoff. Diese Zahlen gelten für einen Zeitraum von 7 aufeinanderfolgenden Tagen.The exact number and the exact cross-sectional area of the channels are not critical for the device according to the invention. It is important, however, that the channels 13 are arranged at the same distance around the longitudinal axis of the bore 15. Furthermore, the number and size of the channels must be such that a steady flame can develop which extends directly from the outlet openings of the nozzle channels to the intersection of the axes of the nozzle channels with the axis of the bore. A burner designed according to the invention had, for example, the following dimensions and characteristics: Number of nozzle channels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 (outlet openings arranged in a circle of 50.8 mm diameter) diameter of the nozzle channels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.25 mm length of each nozzle channel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.4 mm diameter of the bore. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.45 mm depth of the drilling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 mm angle between the axes of the nozzle channels and the axis of the carrier gas supply. . . . . . . . . . . . . . . 30 ° mean diameter of the distribution chamber ...... 63.5 mm cross section of the distribution chamber ..... . . . . . . . . . . . 19 - 9.5 mm number of openings in the distribution plate. . . . . . . . 16 Diameter of the openings in the distribution plate. . 3.2 mm number of fuel gas and oxygen inlets. . . . . . . . . . 2 (diametrically opposite on the upper side of the distribution chamber, opposite the inlet openings of the nozzle channels) Carrier gas feed for the inlet of the metal powder 19.05 mm in diameter, next to the outlet openings of the nozzle channels and perpendicular to their axes About 90 0 / a passed through a sieve with a mesh size of 0.043 mm, was reacted in a standing furnace at the oxidation temperature with oxygen mixed with gaseous hydrocarbons. The ferrochrome had the following average composition: 67% chromium, 23% iron, 5% carbon, less than 2% silicon, 0.2 to 0.8% oxygen, the remainder being incidental impurities. The furnace was equipped with a burner according to the invention of the construction shown in the drawing with the dimensions and characteristics mentioned above. An average production of 10.18 kg / min was achieved without difficulty. achieved. The end product contained an average of 26.38% oxygen. These numbers are valid for a period of 7 consecutive days.

Mit dem erfindungsgemäßen Brenner konnten ohne weiteres Mengen bis zu 13,6 kg/Min. aufgegeben werden.With the burner according to the invention, amounts of up to at 13.6 kg / min. to be abandoned.

Claims

Claims: 1. Burner for the oxidation of metal powder, characterized by symmetrical nozzle channels (13) arranged around a central feed (15) for the metal powder suspended in a carrier gas for the feed of heating gas and oxygen, the longitudinal axes of which coincide with the longitudinal axis of the central feed Form an angle of 15 to 40 ° for the metal powder. z. Burner according to Claim 1, characterized by an annular distribution chamber (17) with a distribution plate (19) and the openings (21) therein offset from the nozzle channels (13), the number of which is equal to the number of nozzle channels. 3. Burner according to claim 1 and 2, characterized in that in the nozzle channels (13) the ratio of length to diameter is 9: 1 to 12: 1. 4. Burner according to claim 1 and 2, characterized in that the cross-sectional area of the openings (21) of the distribution plate (19) is 1.7 to 2.4 times the cross-sectional area of the nozzle channels (13). 5. Burner according to claims 1 to 4, characterized in that the outlet openings (23) of the nozzle channels (13) are drilled and the bores are twice the diameter of the nozzle channels (13) and one to 1 to 2 times the diameter of the nozzle channels (13) have the appropriate depth.