DE10059055B4

DE10059055B4 - Verfahren zur metallischen Verkleidung thermisch belasteter Flächen

Info

Publication number: DE10059055B4
Application number: DE2000159055
Authority: DE
Inventors: Frank Prof. Dr. Mirtsch; Olaf Büttner; Schokufeh Dr. Mirtsch; Martin Schade; Anton Dr. Winkelmann; Jörg Schollmayer; Wolfgang Münch; Franz-Peter Eckes
Original assignee: Schott AG; Mirtsch Dr GmbH
Current assignee: DR. MIRTSCH GMBH, 14513 TELTOW, DE; Schott AG
Priority date: 2000-11-28
Filing date: 2000-11-28
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2020-11-29
Also published as: DE10059055A1

Abstract

Verfahren zur metallischen Verkleidung (1) thermisch belasteter Flächen (2), insbesondere von thermisch belasteten Behältern oder Rohren, wobei die metallische Verkleidung (1) durch eine Verformung bei Raumtemperatur mit einer Beulstruktur aus Falten (3) und Mulden (4) versehen wird, die metallische Verkleidung (1) an der zu verkleidenden Fläche (2) zur Anlage gebracht wird oder in einem Abstand von der zu verkleidenden Fläche (2) angeordnet wird, der gleich oder kleiner als die thermische Ausdehnung der metallischen Verkleidung (1) ist, und wobei die zu verkleidende Fläche (2) mindestens teilweise der Form der metallischen Verkleidung (1) angepasst ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur metallischen Verkleidung thermisch belasteter Flächen, insbesondere von thermisch belasteten Behältern oder Rohren.

Es sind zahlreiche Verfahren bekannt, um dünnwandige Materialien zu strukturieren, um so ihre Farmsteifigkeit zu erhöhen. Zu diesen Verfahren gehören die Umformverfahren, wie das Einwalzen von Sicken, die der Materialbahn aber nur in einer Richtung eine hohe Formsteifigkeit verleihen, oder das Einprägen von Strukturen mit Hilfe komplizierter Formwerkzeuge, wenn Versteifungen in allen Richtungen erzeugt werden sollen ( EP 04 41 618 A1 ). Diese mechanischen Umformverfahren ergeben den Nachteil, daß das zu strukturiende Material stark plastifiziert wird, daß die Oberflächengüte des Ausgangsmaterials durch die mechanische Flächenpressung beeinträchtigt wird und daß man dazu teure Formwerkzeuge benötigt. Ferner ist ein Verfahren bekannt, nach dem dünnwandiges Material beulartig strukturiert wird ( DE 43 11 978 C1 ). Dabei wird das gekrümmte, dünne Material auf der Innenseite abgestützt und von außen mit Druck beaufschlagt. So entstehen mit Hilfe einfacher Stützelemente nach dem Prinzip der Selbstorganisation versetzte, rechteckige, hexagonale oder wappenförmige Beulstrukturen, die im Gegensatz zur Sicke, bei geringer Plastifizierung des Werkstoffs und ohne Beeinträchtigung der Oberfläche, dem strukturierten Material eine hohe Biegesteifigkeit in allen Richtungen verleihen.

Mit Hilfe einer versteifenden Strukturierung kann man den Stabilitätsverlust einer stark erwärmten, ebenen Materialbahn, deren mechanische Festigkeit bei hoher Temperatur deutlich abnimmt, dadurch vermeiden, daß die verminderte Werkstofffestigkeit durch eine erhöhte Formsteifigkeit kompensiert wird.

Dabei dürfen weder Verformungen des Materials infolge seiner thermischen Ausdehnung noch so hohe Materialspannungen bei der Behinderung der thermischen Ausdehnung auftreten, daß das Bauteil versagt.

Diese Problematik wird anhand eines Beispiels aus der Glasindustrie erläutert:
Für die Glasschmelze verwendet man Tiegel und für den Transport von flüssigem Glas dünnwandige Rohre aus Edelmetallen (beispielsweise Platin-Rhodium-Legierungen), weil diese Werkstoffe bei den hohen Temperaturen geschmolzener Gläser noch eine genügende Festigkeit aufweisen. Allerdings wird der Werkstoff des Edelmetalls hierbei schon sehr weich, d.h. seine Festigkeit nimmt stark ab. Deshalb werden Tiegel und Rohre vorzugsweise von einer keramischen Masse umgeben, um die Tiegel- und Rohrwände einerseits von außen abzustützen und andererseits Wärmeverluste zu begrenzen. Ein gravierendes Problem besteht darin, daß sich die Tiegel- und Rohrwände während des Aufheizens von Raumtemperatur auf die Temperatur des flüssigen Glases (Größenordnung 1500 °C) erheblich ausdehnen und dabei durch die äußere Keramik und sonstige apparative Begrenzungen, wie Flansche und Rohranschlüsse, sowohl in axialer als auch in radialer Richtung behindert werden, den dabei auftretenden Spannungen nachzugeben.

In der EP 07 59 524 A1 ist ein Rohr für den Transport von flüssigem Glas beschrieben, auf dessen Außenseite mehrere Flansche angebracht sind. In kaltem Zustand besteht ein definierter, freier Abstand zwischen dem Rohr und den Flanschen einerseits und der festen Wärmedämmschicht (Ausmauerung) andererseits. Nach dem Aufheizen haben sich das Rohr und die Flansche radial so weit thermisch gedehnt, daß sie sich an die Wärmedämmschicht anlegen. Gleichzeitig wird die axiale thermische Dehnung des Rohres durch die in axialer Richtung fixierten Flansche so behindert, daß die Wände der geraden Rohrabschnitte zwischen den Flanschen nach innen einbeulen. Unbefriedigend ist hierbei, daß beim Einbeulen der Rohrabschnitte in der Rohrwand durch mechanische Instabilitäten große Materialspannungen auftreten können und daß das Rohr ferner gemeinsam mit den Flanschen auf dem Umfang während der Aufheizphase nicht gleichmäßig abgestützt wird und sich deshalb verkanten kann, so daß eine gleichmäßige thermische Dehnung erheblich behindert wird. Weiterhin sind Rohre bekannt, deren Wände Wellungen oder Sicken aufweisen, damit sie sich während ihres Aufheizens in axialer Richtung flexibel verhalten und zugleich Materialspannungen durch Behinderung ihrer thermischen, axialen Ausdehnung vermieden werden. Dies gelingt allerdings nur dann, wenn die radiale thermische Dehnung der Rohrwand nicht gleichzeitig durch eine feste Ausmauerung behindert wird. Da man jedoch häufig nicht auf eine keramische Ummantelung verzichten kann, werden die gewellten oder gesickten Rohrwände infolge der Behinderung ihrer thermischen Dehnung durch die keramische Masse radial nach innen gedrückt. Da sich jedoch Wellungen oder Sicken gegenüber radialen Belastungen starr verhalten, treten große Kräfte mit hohen Materialspannungen bei der Überwindung von Instabilitäten auf, die zum Knicken oder zum Kollabieren der Rohrwand führen, wobei Risse entstehen, die zum Versagen des Bauteils führen. Die Wirkung von Versteifungen, wie Wellungen oder Sicken, ist deshalb für derartige Anwendungen unbefriedigend, weil diese nur in einer Richtung flexibel sind, sich senkrecht dazu jedoch starr verhalten.

Analoge Probleme treten beispielsweise dann auf, wenn dünnwandige, zylindrische Behälter, Rohre oder Schalen durch eine äußere Druckbeaufschlagung infolge einer schrumpfenden Ummantelung oder eines äußeren elastischen Wirkmediums oder eines hydraulischen Druckes belastet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, durch das die metallische Verkleidung eine mehrdimensionale Struktur mit einer in alle Richtungen erhöhten Biegesteifigkeit erhält und sich gleichzeitig bei der Behinderung einer allseitig thermischen Ausdehnung oder bei äußerer Belastung so flexibel verhält, daß globale Instabilitäten, große Verformungen und hohe Materialspannungen vermieden werden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Es wurde überraschenderweise gefunden, daß sich polyedrisch strukturierte, vorzugsweise beulstrukturierte, gekrümmte metallische Verkleidungen, die auf ihrer Außenseite in kaltem Zustand durch eine feste, keramische Masse begrenzt werden, bei Erwärmung so frei verformen können, daß trotz allseitiger, thermischer Ausdehnung keine Instabilitäten und keine hohen Materialspannungen auftreten, die die Wanddicke reduzieren und die Festigkeit vermindern. Dabei stützen sich die Falten auf ihrer Außenseite an der keramischen Masse ab, und so wird der Werkstoff im Bereich aller Falten vorzugsweise auf Schub und Biegung beansprucht. Dadurch wird Material in die Falte „hineingeschoben" und die Falte so stabilisiert. Die thermische Ausdehnung der Wand wird trotz der Fixierung der Falten durch die keramische Masse nicht oder nur geringfügig behindert, weil sich das Material im Bereich der Mulden nach innen frei ausformen kann. Dies wurde durch Messungen nachgewiesen, wobei einer größere Tiefe der Mulde mit steigender Temperatur und eine geringere Tiefe der Mulde bei wieder abnehmender Temperatur des Werkstoffs auftrat. Simulationsrechnungen nach der Finite-Elemente-Methode haben ergeben, daß sich der Werkstoff dabei vorzugsweise plastisch verformt und hierbei im Bereich der Falten überwiegend auf Druck und Biegung und im Bereich der Mulden überwiegend auf Zug und Biegung beansprucht wird. Auf diese Weise ergeben sich durch die freie Ausgestaltung der Strukturen (Beulstrukturen) geringe Werkstoffbeanspruchungen, da sich sowohl einseitige Druckbelastungen (Instabilität und Knickgefahr) als auch einseitige Zugbelastungen (reduzierte Wanddicke und Rissgefahr) vermeiden lassen.

Ein besonderes Merkmal des Verfahrens besteht darin, daß sich die Beulstruktur nicht nur nach dem Prinzip der Selbstorganisation entstehen kann, sondern auch durch rein mechanische Formwerkzeuge in das Material hinein gedrückt werden kann. Allerdings wird der Werkstoff beim rein mechanischen Strukturieren erheblich stärker plastifiziert als beim Beulstrukturieren, so daß für die weitere Verformung weniger Plastifizierungsreserven zur Verfügung stehen.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, daß die Falten weitestgehend so angeordnet werden, daß sie jeweils eine gekrümmte Gestalt aufweisen. So können sie äußere Belastungen besser aufnehmen, da dünnes Material in der gekrümmten Farm stabiler ist als in der geraden Gestalt. Die Falten können sowohl in Richtung der Materialwand eine geschwungene Form aufweisen als auch senkrecht zur Materialwand eine gebogene Form besitzen.

Der Erfindungsgedanke wird anschließend beispielhaft erläutert:
Die 1 zeigt den axialen und radialen Querschnitt einer metallischen Verkleidung 1 (beulstrukturiertes, dünnes Rohr), die im kalten Zustand von der Fläche 2 einer keramischen Masse bündig umgeben ist. Bei Behinderung der thermischen Ausdehnung stützen sich die Falten 3 des Rohres auf der keramischen Masse ab, und die Mulden 4 formen sich frei nach innen aus.
In 2 und 3 sind in einer Aufsicht zwei unterschiedliche Beulstrukturen dargestellt. In 2 besitzen die radialen Falten 5 eine zick- zackförmige Gestalt in Umfangsrichtung des zylindrischen Behälters oder Rohres und sind senkrecht zur Aufsicht etwas gekrümmt. Die axialen Falten 6 besitzen dabei eine gerade Form.
In 3 weisen die radialen Falten 7 eine geschwungene zick- zackförmige Gestalt in Umfangsrichtung auf und sind analog zu 2 senkrecht zur Aufsicht ebenfalls etwas gekrümmt. Die axialen Falten 8 besitzen analog zu 2 ebenfalls eine gerade Farm.
In 4 und 5 sind in einer Aufsicht zwei unterschiedliche Beulstrukturen dargestellt, die im Gegensatz zu 2 und 3 längere zick -zackförmige radiale Falten 9 in Umfangsrichtung und verkürzte axiale Falten 10 aufweisen. Da die zick- zackförmigen Falten 9 senkrecht zur Aufsicht gebogen und stabiler sind und die axialen Falten 10 gerade und deshalb instabiler sind, ergibt sich insgesamt eine höhere Stabilität gegenüber Einknicken der Falten und eine bessere Flexibilität für die Verformung des Materials bei der Behinderung der thermischen Ausdehnung.
In 6 und 7 sind in einer Aufsicht zwei weitere Beulstrukturen dargestellt, bei denen gerade, axiale Falten nicht mehr auftreten. In 6 verlaufen die Falten 11 in radialer Richtung zick-zackförmig und besitzen deshalb senkrecht zur Aufsicht eine etwas gekrümmte Form. Die Falten 12 in Umfangsrichtung weisen ebenfalls eine etwas gekrümmte Gestalt auf. In 7 besitzen die zick-zackförmigen Falten 13 in radialer Richtung zusätzlich eine geschwungene Form, und die Falten 14 in Umfangsrichtung sind ebenfalls gebogen. So lässt sich die Flexibilität für die Verformung des Materials bei der Behinderung der thermischen Ausdehnung noch weiter verbessern.
In 8 ist in einer Aufsicht eine Beulstruktur dargestellt, bei der auf axiale Falten ganz verzichtet wird. Dabei ergeben sich rautenförmig angeordnete Falten 15, die senkrecht zur Aufsicht eine gebogene Form besitzen.
In 9 ist in einer Aufsicht eine Beulstruktur dargestellt, die sich aus spiralförmig umlaufenden Falten 16 und etwa senkrecht dazu versetzt angeordneten Falten 17 zusammensetzen. Die Falten 16 und 17 besitzen senkrecht zur Aufsicht eine gebogene Gestalt und schließen Mulden ein, die sich bei Behinderung der thermischen Ausdehnung frei ausgestalten.

Claims

Verfahren zur metallischen Verkleidung (1) thermisch belasteter Flächen (2), insbesondere von thermisch belasteten Behältern oder Rohren, wobei die metallische Verkleidung (1) durch eine Verformung bei Raumtemperatur mit einer Beulstruktur aus Falten (3) und Mulden (4) versehen wird, die metallische Verkleidung (1) an der zu verkleidenden Fläche (2) zur Anlage gebracht wird oder in einem Abstand von der zu verkleidenden Fläche (2) angeordnet wird, der gleich oder kleiner als die thermische Ausdehnung der metallischen Verkleidung (1) ist, und wobei die zu verkleidende Fläche (2) mindestens teilweise der Form der metallischen Verkleidung (1) angepasst ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anpassung in die zu verkleidende Fläche (2) Vertiefungen oder Erhebungen für den Bereich der Beulstruktur eingeformt oder eingearbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich bei thermischer Ausdehnung die Falten (3) der metallischen Verkleidung (1) in den Vertiefungen der zu verkleidenden Fläche (2) abstützen und sich die Mulden (4) frei nach innen ausformen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beulstruktur durch Selbstorganisation oder durch mechanische Formwerkzeuge hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Verkleidung (1) mit einer polygonalen Beulstruktur versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulden (4) gerade, runde oder spitz auslaufende Ecken aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Falten (3) gleiche oder unterschiedliche Längen aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Falten (6, 8, 10) kürzer als die radialen Falten (5, 7, 9) sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Falten (6, 8, 10) höchstens halb so lang wie die radialen Falten (5, 7, 9) sind.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Verkleidung (1) mit wabenförmigen Mulden und parallelen, in Umfangsrichtung des Behälters oder Rohres verlaufenden Falten (12, 14) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Verkleidung (1) mit quadratischen oder rechteckigen Mulden und parallelen, schräg zur Längsachse des Behälters oder Rohres verlaufenden Falten (15, 16, 17) versehen wird.