DE10039481A1 - Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren - Google Patents

Abstract

Mit einem Verfahren und einer Anlage zur Aufbringung von Oberflächenbeschichtungen im Wege des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens unter Einsatz eines Sauerstoff, Wasserstoff o. dgl. und Kerosin benutzenden Brenners sowie einer Zuführung des zu verspritzenden Materials in die erzeugte Spritzflamme soll die Verbesserung bekannter Spritzverfahren, insbesondere die deutliche Herabsetzung der aufzuwendenden Leistung sowie die Absenkung der Werkstücktemperatur bei gleichzeitiger Verhinderung von Ablagerungen innerhalb des Brenners erreicht werden. DOLLAR A Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß vor Einbringung des Kerosins in die Brennkammer das Kerosin mit Hilfe eines Brenngases, wie Wasserstoff, Ethylen, Methan o. dgl., zerstäubt und dann gezündet wird.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine An­ lage zur Aufbringung von Oberflächenbeschichtungen im Wege des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens (HVOF = High Velocity Oxigen Fuel) unter Einsatz eines Sauerstoff, Was­ serstoff od. dgl. und Kerosin benutzenden Brenners sowie einer Zuführung des zu verspritzenden Materiales in die er­ zeugte Spritzflamme.

Es sind bereits sogenannte CJS-Brenner bekannt (Carbide- Jet-System), die eine hohe Leistungsfähigkeit aufweisen, sie werden in der Regel mit 4 bis 12 bar in der Druckbrenn­ kammer, z. B. einer Düsenlänge von 100 mm und einem Spritz­ abstand von 450 mm zum Werkstück, eingesetzt, wobei die Leistung bei 200 kW liegt. Diese Art der Behandlung bedingt eine Bauteiletemperatur von ca. 350°C gemessen mit 50 mm Durchmesser × 300 mm Stahl/CrCNiCr 200 µm.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung des bekannten CJS-Prinzips, insbesondere die deutliche Herab­ setzung der aufzuwendenden Leistung sowie die Absenkung der Werkstücktemperatur bei gleichzeitiger Verhinderung von Ab­ lagerungen innerhalb des Brenners aufgrund von Anbacken von Spritzpartikeln.

Mit einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird die­ se Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß vor Ein­ bringung des Kerosins in die Brennkammer das Kerosin mit Hilfe eines Brenngases, wie Wasserstoff, Ethylen, Methan od. dgl., zerstäubt und dann gezündet wird.

Die Verbrennung des z. B. Wasserstoff-Kerosin-Sauerstoffge­ misches erfolgt in der Brennkammer im weiteren Verlauf der Laval-Düse und im Jet außerhalb des Brenners. Die erfin­ dungsgemäße Wasserstoff gestützte Kerosinzerstäubung er­ setzt erfindungsgemäß die Direkteinspritzung des Kerosins nach dem vorbekannten Stand der Technik. Die dadurch fei­ nere Tröpfchenbildung führt zu einer turbulenzärmeren und intensiveren Verbrennung. Diese Kerosinzerstäubung mittels Wasserstoff ergibt eine pulsationsarme Überschall-Prozeß­ gasströmung. Gleichzeitig ergibt sich in der Brennkammer die Fokussierung der Prozeßgasströmung durch eine stabile Wandströmung aus Sauerstoff, die Turbulenzfelder der Ströme können durch die Gestaltung der Brennkammer und diese Wand­ strömung vermieden werden, woraus sich ein geringerer Be­ darf an Kühlung für die thermisch belasteten Bauteile er­ gibt.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen, wobei eine Besonderheit in der Optimierung der Pulvereindüsung liegt, die nicht mehr im heißesten Bereich der Prozeßgasströmung erfolgt, sondern in einem Bereich der Flammströmung, in der die Prozeßgastemperatur schon abge­ senkt ist, wodurch sich die Möglichkeit ergibt, längere Be­ schleunigungsdüsen einzusetzen, was zu deutlich verbesser­ ten Schichtresultaten auf den Werkstücken führt, wobei gleichzeitig die oben schon angesprochenen Anbackphänomene vermieden werden können.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Effizienz des Gesamtprozesses gesteigert werden kann, die Auftragseffizienzen liegen bei 60 bis 70% und beispiels­ weise bei einer Pulverförderrate von 90 kg/hWC-Co12, gleichzeitig konnte der Kerosinfluß um ca. 50% gesenkt werden, womit auch die Temperaturbeanspruchung der zu be­ schichtenden Bauteile deutlich gemindert werden kann.

Das anwendbare Parameterfeld des erfindungsgemäßen Brenners beginnt mit der kältesten Prozeßgasströmung von ca. 200°C bei 2 m³/h Wasserstoff und 60 m³/h Sauerstoff mit 18 bar Brennkammerdruck und erreicht bei Zuführung von 16 l/h Ke­ rosin und 12 m³/h Wasserstoff mit 50 m³/h Sauerstoff die heißeste Temperatur der Prozeßgasströmung von ca. 2500°C bei 25 bar Brennkammerdruck. Die Prozeßgaszusammensetzung ist je nach Parametereinstellung gekennzeichnet durch einen deutlichen Sauerstoffüberschuß, wobei ein erheblicher An­ teil des Sauerstoffs als Kühlgas eingesetzt wird.

Die elektronische Steuerung mit der entsprechenden Anwen­ dersoftware ermöglicht den vollautomatischen, computerge­ steuerten Betrieb einer erfindungsgemäß ausgestalteten An­ lage, wobei es beispielsweise möglich ist, die Anwender­ software unter dem Betriebssystem "LINUX" zu betreiben, wo­ durch die entsprechenden Anlagen auf einem im Quellcode er­ hältlichen Betriebssystem laufen können.

Durch diese integrierte Steuerung ist es möglich, im ent­ sprechenden Zueinander zwischen Hard- und Software eine einfache Bedienung und eine Vollautomatisierung zu errei­ chen, die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit (Klasse A nach DIN 32521), die Überwachung zu ermöglichen, für eine Doku­ mentationsfähigkeit zu sorgen bei Steigerung der Flexibili­ tät und Sicherheit einer so betriebenen Anlage.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in

Fig. 1 den Querschnitt durch einen vereinfacht dargestell­ ten Brenner nach der Erfindung sowie in

Fig. 2 den Kerosineindüsungsbereich in vergrößerter Dar­ stellung.

Der allgemein mit 1 bezeichnete Brenner besteht im darge­ stellten Beispiel aus der Brennkammer 2, die von einem Was­ serkühlmantel 3 umgeben ist mit einer Zündquelle 4 und au­ ßenrandseitigen Zuführungen 5 von Sauerstoff. Das mit 6 be­ zeichnete Kerosin wird in der Mitte der Brennkammer 2 ein­ gedüst, wobei es über einen Düsenkopf 7, wie er in Fig. 2 vergrößert dargestellt ist, durch außenrandseitiges Zufüh­ ren von Wasserstoff, mit 8 bezeichnet, zerstäubt und dieser zerstäubte Kerosin-Wasserstoffstrom 9 wird dann in die Dü­ senkammer eingedüst, gezündet und in den nachgeführten Teil der Düsenkammer, mit 2a bezeichnet, eingebracht.

Nach einer gewissen Strecke wird dann das zu verspritzende Pulver, mit 10 bezeichnet, dual radial eingeführt, wobei die Kammer 2a als Laval-Düsel ausgebildet ist. Der weitere Verlauf des Düsenrohres ist mit 2b bezeichnet und weist ebenfalls z. B. eine Außenwandwasserkühlung auf.

In Fig. 1 ist auch die zu beschichtende Fläche eines Werk­ stückes wiedergegeben und mit 11 bezeichnet, der sich bil­ dende Oberflächenbelag trägt das Bezugszeichen 12.

Claims (5)

1. Verfahren zur Aufbringung von Oberflächenbeschichtungen im Wege des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens unter Einsatz eines Sauerstoff, Wasserstoff od. dgl. und Kerosin be­ nutzenden Brenners sowie einer Zuführung des zu ver­ spritzenden Materiales in die erzeugte Spritzflamme, dadurch gekennzeichnet, daß vor Einbringung des Kerosins in die Brennkammer das Ke­ rosin mit Hilfe eines Brenngases, wie Wasserstoff, Ethylen, Methan od. dgl., zerstäubt und dann gezündet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kerosin in einer der Brennkammer unmittelbar vorge­ schalteten Verwirbelungskammer mittels des Brenngases zer­ stäubt und dann in die Brennkammer eingebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zu verspritzende Material in Pulverform in einen Bereich pulsationsarmer Überschall-Prozeßgasströmung in die Brennkammer eingebracht wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer mit einem Brennkammerdruck von 14 bis 25 bar und einer Leistung von ca. 80 kW betrieben wird mit einer Düsenlänge von ca. 200 mm und einem Spritzabstand von 250 mm, derart, daß eine Bauteiletemperatur von unter 250°C erreichbar ist.

5. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Hochgeschwindigkeits-Flammbrenner (1) mit einer der Brennkammer (2) vorgeschalteten Zerstäuberkammer (7) zur Zerstäubung von Kerosin mittels Wasserstoff, einer der un­ mittelbaren Brennkammer nachgeordneten Beruhigungsstrecke zur Erzeugung einer turbulenzarmen und pulsationsarmen Überschall-Prozeßgasströmung in Temperaturbereichen von 200°C bis 2500°C und Brennkammerdrücken von 14 bis 25 bar und einer Eindüsung des zu verspritzenden Pulvers im Be­ reich dieser pulsationsarmen Überschall-Prozeßgasströmung mit einem folgenden verlängerten Brennerrohr (2b), wobei zur Steuerung aller Stoff- und Behandlungsparameter, insbe­ sondere des Massenflusses der einzelnen Ströme, des Druckes, der Temperatur und ggf. der Bewegungsführung des Brenners und/oder des zu behandelnden Werkstückes, eine gemeinsame Elektronik vorgesehen ist.