DE4429142B4

DE4429142B4 - Düsenspritzkopf zum Hochgeschwindigkeitsflammspritzen so wie Verfahren zur Verarbeitung von Beschichtungspulvern

Info

Publication number: DE4429142B4
Application number: DE4429142A
Authority: DE
Inventors: Matthäus Götz
Original assignee: Individual
Current assignee: Thermico & Co Kg De GmbH
Priority date: 1994-08-17
Filing date: 1994-08-17
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2014-08-18
Also published as: DE4429142A1

Abstract

Düsenspritzkopf zum Hochgeschwindigkeitsflammspritzen von pulverförmigen Materialien mit einer Hauptbrennkammer und einem daran anschließenden, gekühlten Düsenrohr, wobei neben einer Hauptbrennstoffzuführung wenigstens eine weitere Nebenbrennstoffzuführung vorgesehen ist, wobei die Nebenbrennstoffzuführungen konzentrisch zur Hauptbrennstoffzuführung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenbrennstoffzuführungen so positioniert sind, dass die Hauptflamme (9) in der Hauptbrennkammer (2) konzentrisch von einer von den Nebenbrennstoffzuführungen (6) gebildeten Verdampfungsflamme (7) umgeben ist, wobei die Hauptbrennstoffzuführung (4) zum Einsatz von Diesel oder Heizöl und die Nebenbrennstoffzuführungen (6) zur Verarbeitung eines Brenngases ausgebildet sind, und wobei neben der Hauptbrennkammer (2) eine dieser stromabwärts nachgeordnete, weitere Brennkammer (12) und dieser nachfolgend eine Expansionsdüse (3a) vorgesehen ist und außerdem wenigstens eine Injektionsöffnung (10) zur Pulverzuführung in der weiteren Brennkammer (12) vor der Expansionsdüse (3a) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung richtet sich auf einen Düsenspritzkopf zum Hochgeschwindigkeitsflammspritzen von pulverförmigen Materialien der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Gattung, ausgehend von dem DE-92 18 287-U1, sowie auf ein Verfahren zur Verarbeitung von Beschichtungspulvern beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen.

Deartige Spritzköpfe sind bekannt, wobei es unterschiedliche Hochgeschwindigkeitsflammspritzbrenner gibt, je nachdem, welche Materialien eingesetzt werden. Es können z.B. Metalldrähte aufgeschmolzen werden, Keramikmaterialien, pulverförmige Materialien u. dgl. mehr. Dies richtet sich insbesondere nach Art und Güte der zu erzeugenden Oberflächenschicht auf dem zu bespritzenden Objekt. Neben dem gattungsbildenden DE-92 18 287-U1, das einen entsprechenden Düsenspritzkopf zeigt, sind aus der Literatur auch noch andere Spritzkopfgestaltungen bekannt, wie etwa aus der DE-40 16 412-C2, der DE-39 30 726-A1, der EP-163 776-A2 oder der WO 92/12 804. Dabei ist es insbesondere auch bekannt, unterschiedliche Brennstoffe zum Betreiben zu benutzen, wobei die DE-40 16 412-C2 oder die DE-39 30 726-A1 in ihrer Wirkungsweise Haupt- und Nebenbrennkammern offenbaren.

Es gibt eine Entwicklung zu sogenannten Hochdruck-Hochgeschwindigkeitsflammspritzbrennern, die unter verschiedenen Bezeichnungen veröffentlicht worden sind. So ist ein HP HVOF- (high pressure high velocity oxyfuel flamespraying) Verfahren bekannt, welches Diesel oder Heizöl mit einem Verkokungsgehalt oberhalb 0,5 Gew.-% verwenden kann. Aus einer anderen Veröffentlichung Zeitschrift DVS 152, Seiten 52 bis 54, ist eine weitere Entwicklung eines HVIF-Verfahrens (Hypervelocity Impact Fusion) bekannt, die über Versuche von Hochgeschwindigkeitsflammspritzen berichtet.

Aus der Veröffentlichung EP-0 570 084-A2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem als Brennstoff ein Brenngas des Typs Azetylen, Propan usw. benutzt wird. Das Verfahren benutzt einen HVOF-Brenner mit einem Gasmischsystem, einer Brennkammer, einer Expansionsdüse und einer axialen Pulvereindü sang. Mit diesem Verfahren ist es bekannt, dass die erwähnten Werkstoffe in einer ausreichenden, aber nicht optimalen Weise verarbeitet werden können. Die Einschränkungen dieses Brenners liegen in der Verwendung von Brennkammerdrücken von 1 bis maximal 5 bar, typischerweise 2-3 bar, was begründet ist durch die axiale Pulvereindüsung in Verbindung mit den zur Verfügung stehenden Pulverförderern, deren technische/wirtschaftliche Grenze der Druckbelastung bei typischerweise 7 bar erreicht ist. Die erreichbare Partikelgeschwindigkeit liegt bei WC-Co 88 12, der Körnung 20 – 45 μm, typischerweise bei ca. 400 m/s. Ein gravierender Nachteil dieses Verfahrens ist die Pulvereindüsung direkt in die turbulente Flamme der Brennkammer, was zu Überhitzungen der Pulver über deren Schmelzpunkt und zu Partikelkontaminationen der Brennerbauteile während des Spritzens führt. Diesbezüglich müssen teure und aufwendige Bauteile, z.B. beschichtete Expansionsdüsen, wie in der Veröffentlichung EP-0 412 355-B1 benannt, eingesetzt werden. Bekannt ist, dass es auch durch die Anwendung dieser in der Veröffentlichung genannten Lösung bedenklich ist die prinzipiellen Nachteile zu verbessern.

Aus der Veröffentlichung WO 92/12804 ist ein HVOF-Verfahren bekannt, das einen Brenner beschreibt, der eine Brennkammer, eine Expansionsdüse und eine radiale Pulvereindüsung benutzt. Dieses Verfahren verwendet eine Kerosin-, Sauerstoff- oder Luftflamme, die in einer Brennkammer mit hohem Druck größer 5 bar bis 35 bar brennt. Die Flammströmung wird in eine Expansionsdüse geführt. Das Pulver wird stromabwärts der Brennkammer radial in die Flammströmung eingedüst. Grundidee dieses Verfahrens ist die Eindüsung der Pulver an einem Ort, wo die Temperatur der Flammströmung niedriger ist als der Schmelzpunkt des Pulverwerkstoffs. Der Pulverwerkstoff kann erfindungsgemäß nicht über den Schmelzpunkt erhitzt werden. Damit wird eine Partikelkontamination der Expansionsdüse durch überhitzte Partikel vermieden. Durch die Verwendung der hohen Brennkammerdrücke werden hohe Partikelgeschwindigkeiten erreicht. Die Geschwindigkeit der Pulverpartikel erreicht typischerweise bei WC-Co 88 12, Körnung 20 – 45 μm, ca. 600 m/s. Es ist bekannt, dass diese Verfahrensweise gegenüber der vorher erwähnten Veröffentlichung zu einer qualitativ verbesserten Beschichtung führt und die Standzeiten der Brennerbauteile gegenüber der Verfahrensweise verbessert sind. Nachteil dieses als HP HVOF (high pressure HVOF) bekannten Verfah rens ist die Bildung von Verbrennungsrückständen wie Ölkohle in der Brennkammer, wenn Brennstoffe, wie Diesel oder Heizöl, mit einem Verkokungsgehalt oberhalb 0,5 Gew.-%, typischerweise 1,5 Gew.-%, eingesetzt werden. Es ist bekannt, dass sich von der Brennkammerwand lösende Verbrennungsrückstände unter Umständen in die Beschichtung einspritzen und die Qualität der Beschichtung mindert. Diesen Nachteil vermeidet man durch die Benutzung von Kerosin mit einem niedrigerem Verkokungsgehalt als Diesel oder Heizöl. Dieses beschränkt aber die Anwendung des HP HVOF-Verfahrens aufgrund der hohen Kosten des eingesetzten Brennstoffs.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, mit der es möglich ist, als Hauptbrennstoff Diesel oder Heizöl mit einem Verkokungsgehalt oberhalb 0,5 Gew.-% zu verwenden unter Ausnutzung der Vorteile der oben beschriebenen Verfahren, d.h. hohe Partikelgeschwindigkeit und hohe Standzeit der Brennerbauteile ohne Inkaufnahme von Nachteilen durch Ölkohlebildung.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches gelöst.

Zwar sind aus der EP-163 776 oder der oben schon erwähnten WO 92/12 804 Pulverzuführungen stromabwärts der Hauptbrenner zu entnehmen, allerdings ergeben sich keine Anregungen daraus, Injektionsöffnungen zur Pulverzuführung, wie hier beansprucht, in einer der Hauptbrennkammer nachgeordneten zweiten Brennkammer vorzusehen.

Mit der Erfindung ist es möglich, z.B. ein Heizöl-Sauerstoff- oder ein Heizöl-Sauerstoff-Luftgemisch bei hohem Druck, z.B. bei 3 – 35 bar zu verbrennen, wobei eine praktisch verkokungsfreie Verbrennung des Heizöles durch die zusätzliche autogene Flamme erreichbar ist. Durch die Vorverdampfung des Heizöles ist dessen rückstandsfreie Verbrennung möglich. Das Vorsehen einer weiteren Brennkammer hat eine Reihe zusätzlicher Vorteile. So ist es möglich, in der weiteren Brennkammer den Druck zu erniedrigen, so dass ein unmittelbares Eindüsen von Pulver in die Nebenbrennkammer möglich ist, die Eindüsungen des Pulvers können aber auch weiter stromabwärts im Bereich der Expansionsdüse vorgenommen werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Wie an sich bekannt, können insbesondere die Außenwandflächen sowohl der Brennkammer wie auch der Expansionsdüse gekühlt sein, z.B. mittels Druckluft oder mittels Kühlwasser. Die Erfindung sieht aber auch vor, dass in der Hauptbrennkammer und/oder der zweiten Brennkammer Zuführungen für Mantelkühlgas vorgesehen sind.

Besonders zweckmäßige geometrische Verhältnisse bestehen darin, daß das Flächenverhältnis des Düsendurchmessers der Hauptbrennkammer zum Düsendurchmesser der weiteren Brennkammer 1 : 10 bis 1 : 2 beträgt, um entsprechende Druckerniedrigungen zu erreichen. Das Verhältnis des Düsendurchmessers der Hauptbrennkammer zum maximalen Brennkammerdurchmesser der weiteren Brennkammer kann demgegenüber 1 : 16 bis 1 : 2,5 betragen.

Eine verfahrensmäßige Lösung der weiter oben formulierten Aufgabe besteht bei einem Verfahren zur Verarbeitung von Beschichtungspulvern beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, wobei in einem Spritzkopf mit einer Hochgeschwindigkeitsdüse das aufzubringende Pulver erhitzt und hoch beschleunigt ausgetragen wird, darin, da als Hauptenergieträger zur Erzeugung einer Hauptflamme ein Heizöl-/Sauerstoffgemisch eingesetzt und im Düsenspritzkopf das Heizöl mittels einer Verdampfungsflamme aus einem Brenngas-/Sauerstoffgemisch vorverdampft wird, wobei die Pulverzuführung in einer der Hauptbrennkammer nachgeordneten weiteren Brennkammer vorgenommen wird.

Oben wurde schon der Vorteil der Vorverdampfung des Heizöles angegeben, wobei weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen möglich sind. So kann die autogene Verdampferflamme aus einem vorgemischten Sauerstoff-Brenngasgemisch bestehen. Diese Verdampferflamme umgibt das den Tröpfchen/Sauerstoffstrom des Hauptbrennstoffes und verdampft das Heizöl. Die Verdampferflamme kann auch ein unter hohem Druck verwendetes Brenngas einsetzen, wie Wasserstoff, Methan, Ethylen oder Erdgas.

Erfindungsgemäß wird zur Vermeidung von Überhitzungen der Brennkammerwand ein Kühlgas parallel zur Brennkammerwand als stabile Grenzschichtströmung bzw. als kühlendes Mantelgas eingedüst. Als Kühlgas kann erfindungsgemäß Sauerstoff, bevorzugt Druckluft oder bei entsprechender Anwendung ein inert wirkendes Gas, wie Stickstoff od. dgl., eingesetzt werden.

Für die Verdampfung des Heizöles reicht eine relativ geringe Menge an Nebenbrennstoff. So benötigt man zur Vorverdampfung eines Heizölstromes von z.B. 15 l/h Heizöl ca. 3 Nm³/h Methan.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, daß zur Erzeugung der Hauptflamme ein Öl mit einem Verkokungsgehalt größer 0,5 Gew.-% mit Sauerstoff oder Luft eingesetzt wird, wobei es zweckmäßig ist, wenn zur Erzeugung der Verdampfungsflamme ein reaktives Brenngas-/Sauerstoffgemisch eingesetzt wird, wie dies die Erfindung ebenfalls vorsieht.

Es hat sich als zweckmäßig gezeigt, wenn als Brenngas ein unter Druck von 7 bis 25 bar stehendes Brenngas eingesetzt wird, wobei als Brenngas erfindungsgemäß Wasserstoff, Ethylen, Methan oder Erdgas oder deren Gemische eingesetzt wird.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in

1 eine prinzipielle Gestaltung eines Düsenspritzkopfes nach der Erfindung,

2 in gleicher Darstellungsart ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines Düsenspritzkopfes sowie in

3 einen Schnitt durch einen Düsenspritzkopf nach dem Prinzipbild gemäß 2.

Der in 1 allgemein mit 1 bezeichnete Spritzkopf wird im wesentlichen von einer Brennkammer 2 gebildet und einer sich anschließenden Expansionsdüse 3. Im Brennkammergrund sind unterschiedliche Zuführungen als Pfeile in 1 angedeutet, so die Hauptbrennstoffzuführung 4 für ein Öl-/ Sauerstoffgemisch, eine zusätzliche Sauerstoffzuführung 5, eine Zuführung 6 für Brenngas zur Erzeugung einer Verdampfungsflamme 7 und eine Kühlgaszuführung 8.
In der Brennkammer 2 ist noch die Ausbildung einer Hauptflamme dargestellt, diese trägt das Bezugszeichen 9. Angedeutet in 1 ist auch noch die Pulverzuführung etwa zu Beginn der Expansionsdüse 3, was mit einem Pfeil 10 dargestellt ist. Auch ist in 1 angedeutet, daß alle Wandbereiche eine Wasserkühlung 11 aufweisen können oder ein anderes Kühlmittel, was durch die stärkere Wanddarstellung angedeutet sein soll.
In 2 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines Düsenspritzkopfes 1a als Prinzipskizze wiedergegeben, wobei die funktional gleichen Elemente wie in der 1 auch dort die gleichen Bezugszeichen tragen. Der Unterschied besteht hier darin, daß eine der Hauptbrennkammer 2 nachgeordnete weitere Brennkammer 12 vorgesehen ist, in die eine Pulvereinbringung 10a mündet. Weitere Pulverzuführungen sind in 2 mit 10' angedeutet.
In die weitere Brennkammer 12 kann auch noch eine Sauerstoffeindüsung 13 vorgenommen werden, was in 2 wiederum nur angedeutet ist. Sie kann der Nachverbrennung dienen oder aber auch der Kammerwandkühlung.
In 2 sind noch Durchmesser angegeben, und zwar bezeichnet D₁ den Düsendurchmesser der Hauptbrennkammer, D₂ den Düsendurchmesser der weiteren Brennkammer 12 und D₃ den größten Durchmesser dieser weiteren Brennkammer 12.
Schließlich zeigt 3 ein konstruktives Ausgestaltungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Düsenspritzkopfes 1a nach 2. In 3 sind nur die der 2 entsprechenden Bezugszeichen angegeben.
Natürlich sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So ist die Erfindung insbesondere nicht auf Art und Position der Pulvereinbringung in der dargestellten Weise beschränkt u. dgl. mehr.

Claims

Düsenspritzkopf zum Hochgeschwindigkeitsflammspritzen von pulverförmigen Materialien mit einer Hauptbrennkammer und einem daran anschließenden, gekühlten Düsenrohr, wobei neben einer Hauptbrennstoffzuführung wenigstens eine weitere Nebenbrennstoffzuführung vorgesehen ist, wobei die Nebenbrennstoffzuführungen konzentrisch zur Hauptbrennstoffzuführung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenbrennstoffzuführungen so positioniert sind, dass die Hauptflamme (9) in der Hauptbrennkammer (2) konzentrisch von einer von den Nebenbrennstoffzuführungen (6) gebildeten Verdampfungsflamme (7) umgeben ist, wobei die Hauptbrennstoffzuführung (4) zum Einsatz von Diesel oder Heizöl und die Nebenbrennstoffzuführungen (6) zur Verarbeitung eines Brenngases ausgebildet sind, und wobei neben der Hauptbrennkammer (2) eine dieser stromabwärts nachgeordnete, weitere Brennkammer (12) und dieser nachfolgend eine Expansionsdüse (3a) vorgesehen ist und außerdem wenigstens eine Injektionsöffnung (10) zur Pulverzuführung in der weiteren Brennkammer (12) vor der Expansionsdüse (3a) vorgesehen ist.
Düsenspritzkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptbrennkammerwand und/oder die Wand der weiteren Brennkammer (12) sowie der Expansionsdüse (3a) mit einer Kühlung (11) ausgerüstet sind.
Düsenspritzkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hauptbrennkammer (2) und/oder der weiteren Brennkammer (12) Zuführungen (8,13) für Mantelkühlgas vorgesehen sind.
Düsenspritzkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenverhältnis des Düsendurchmessers (D₁) der Hauptbrennkammer (2) zum Düsendurchmesser (D₂) der weiteren Brennkammer (12) 1 : 10 bis 1 : 2 beträgt.
Düsenspritzkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Düsendurchmessers (D₁) der Hauptbrennkammer (2) und maximale Brennkammerdurchmesser (D₃) der weiteren Brennkammer (12) 1 : 16 bis 1 : 2,5 beträgt.
Verfahren zur Verarbeitung von Beschichtungspulvern beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, wobei in einem Düsen-Spritzkopf mit einer Hochgeschwindigkeitsdüse das aufzubringende Pulver erhitzt und hoch beschleunigt ausgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Hauptenergieträger zur Erzeugung einer Hauptflamme (9) ein Heizöl-/Sauerstoffgemisch eingesetzt und im Düsenspritzkopf (1) das Heizöl mittels einer Verdampfungsflamme aus einem Brenngas-/Sauerstoffgemisch vorverdampft wird, wobei die Pulverzuführung in einer der Hauptbrennkammer (2) nachgeordneten weiteren Brennkammer (12) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptbrennkammer (2) und/oder die weitere Brennkammer (12) zur Kühlung mit einem Mantelgas beaufschlagt werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Hauptflamme (9) ein Öl mit einem Verkokungsgehalt größer 0,5 Gew.-% mit Sauerstoff oder Luft eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Verdampfungsflamme (7) ein reaktives Brenngas-/Sauerstoffgemisch eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Brenngas ein unter Druck von 7 bis 25 bar stehendes Brenngas eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Brenngas Wasserstoff, Ethylen, Methan oder Erdgas oder deren Gemische eingesetzt wird.