DE10063462A1 - Filterkerze mit einem gesinterten Filterrohr - Google Patents

Filterkerze mit einem gesinterten Filterrohr

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Abstract

Zur Lösung der Aufgabe, Filterkerzen mit einem gesinterten Filterrohr und einem mit diesem verbundenen Flansch zur Verfügung zu stellen, welche eine erhöhte Lebensdauer und verbesserte Festigkeitswerte aufweisen, wird vorgeschlagen, daß der Flansch eine auf das Filterrohr hin ausgerichtete und von einem Ansatz ausgehende ringförmige Flanschwand aufweist, die mindestens eine senkrecht und winklig zu einer senkrecht zur Filterrohrachse liegenden Ebene angeordnete Ausnehmung aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filterkerze mit einem gesinterten Filterrohr und einem mit diesem verbundenen Flansch sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben und de­ ren Verwendung.
Zur Befestigung von gesinterten Filterrohren bzw. Einbau der­ selben ist bekannt, das gesinterte Filterrohr mit einem gesinterten oder aber massiven, d. h. aus Gußeisen o. ä. herge­ stellten Flansch zu versehen, welcher Befestigungsmittel zur Befestigung der aus dem gesinterten Filterrohr und dem Flansch gebildeten Filterkerze aufweist. Wird ein gesinterter Flansch verwendet, so ergeben sich insbesondere für Anwendun­ gen, bei welchen eine starke mechanische Beanspruchung der Filterkerze stattfindet, Probleme hinsichtlich der Festigkeit derselben.
Bei der Verwendung von Filterkerzen, welche einen massiven Flansch aufweisen, treten aufgrund der Verschiedenartigkeit des Flanschmaterials und des Filterrohrmaterials sowie auf­ grund der unterschiedlichen physikalischen Beschaffenheit derselben insbesondere im Verbindungsbereich von massivem Flansch- und gesintertem Filterrohr bei starker mechanischer oder thermischer Beanspruchung Risse auf, welche letztendlich zu einer Totalschädigung der Filterkerze führen und dadurch die Lebensdauer derartiger Filterkerzen stark verkürzen.
Insbesondere ist es bis heute nicht möglich, eine sichere und feste Verbindung zwischen einem Flansch und einem gesinterten Filterrohr herzustellen, wenn das Filterrohr aus sinterfähi­ gem Pulvermaterial hergestellt ist, welches mittlere Durch­ messer größer als 200 µm aufweist oder aber das Filterrohr aus faserförmigem, sinterförmigem Material hergestellt ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Filterkerze mit einem Flansch und einem gesinterten Filterrohr zur Verfügung zu stellen, welche den an sie gestellten Anforderungen hinsichtlich insbesondere der thermischen und/oder mechani­ schen Belastbarkeit standhält.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Filter­ kerze mit einem gesinterten Filterrohr und einem mit diesem verbundenen Flansch mit einer auf das Filterrohr hin ausge­ richteten und von einem Ansatz ausgehenden ringförmigen Flanschwand, die mindestens eine senkrecht und winklig zu ei­ ner senkrecht zu einer Filterrohrachse liegenden Ebene ange­ ordnete Ausnehmung aufweist. Durch die spezifische Anordnung der Ausnehmung in der erfindungsgemäßen Filterkerze ist ein mechanisches Lösen des Flansches vom gesinterten Filterrohr nicht mehr möglich. Zudem ist durch die Ausnehmung die Ober­ fläche des Flansches vergrößert, wodurch sinterfähigem Mate­ rial, sei es in Pulver- oder Faserform, eine erhöhte Anzahl von Kontaktstellen zur Verfügung gestellt wird. Hierdurch wird dann letztendlich die Verbindungskraft zwischen Flansch und gesintertem Filterrohr erhöht.
Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Filterkerze mindestens eine Ausnehmung auf, welche als Langbohrung und/oder Langloch und/oder Langnut ausgebildet ist. Hierdurch wird eine weitere Erhöhung der Oberfläche und damit letztend­ lich der Verbindungskraft zwischen Flansch und gesintertem Filterrohr erzielt.
Besonders bevorzugt ist die Ausnehmung ausgehend von dem dem Ansatz entgegengesetzten Ende der Flanschwand angeordnet. Bei einer derartig ausgestalteten Ausnehmung ist die Oberfläche des Flansches, welcher mit dem sinterfähigen Material, wel­ ches zur Herstellung des gesinterten Filterrohres verwendet wird, maximal erhöht. Zudem ist die Ausnehmung vorteilhafter­ weise auf das Filterrohr hin ausgerichtet, so daß eine einfa­ che und vollständige Ausfüllung der Ausnehmung durch sinter­ fähiges Material ermöglicht ist. Selbstverständlich können zusätzlich Ausnehmungen, auch als Bohrungen ausgebildete, ausgehend von dem Ansatz des Flansches und auf das Filterrohr hin ausgerichtet, gegebenenfalls auch zusätzlich zu der vor­ genannt ausgerichteten Ausnehmung, vorgesehen sein.
Besonders bevorzugt weist der Flansch mindestens zwei gegen­ läufig angeordnete Ausnehmungen auf. Vorteilhafterweise sind jedoch mehr als zwei gegenläufig angeordnete Ausnehmungen vorgesehen. Durch die gegenläufige Anordnung der Ausnehmungen kann der Flansch weder von dem gesinterten Filterrohr heraus­ gedreht noch abgezogen werden. Die zwischen dem gesinterten Filterrohr und dem Flansch wirkenden Verbindungskräfte sind bei einer derartigen Anordnung der Ausnehmungen maximal. Zwi­ schen den gegenläufig angeordneten Ausnehmungen sind finger­ förmige Bereiche in der Flanschwand ausgebildet. In dieser besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein mechanisches Lösen des Flansches vom gesinterten Filterrohr unmöglich. Durch Anpassung der Geometrie der Ausnehmungen, insbesondere deren Länge, Breite und Anordnung, insbesondere winklige Anordnung, lassen sich im Hinblick auf die geplante Anwendung der erfindungsgemäßen Filterkerze und die hierbei auf diese wirkenden Kräfte die Filterkerze optimal ausbilden und einstellen.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform weist die Flanschwand an ihrer Außenseite und/oder Innenseite minde­ stens eine um ihren Umfang umlaufende Nut auf. In Kombination der Ausnehmungen mit der Nut wird eine weitere Verbesserung der Verbindung zwischen Flansch und gesintertem Filterrohr erzielt. Insbesondere ist hierdurch vorteilhafterweise auch ein Abgleiten des mit dem Flansch verbundenen gesinterten Filterrohres verhindert. Bevorzugt weist die Flanschwand wei­ terhin Bohrungen, insbesondere rund ausgebildete, auf.
Vorteilhafterweise ist der Ansatz mit mindestens einem Befe­ stigungsmittel zur Befestigung der erfindungsgemäßen Filter­ kerze versehen. Mit diesen kann die erfindungsgemäße Filter­ kerze in den entsprechenden Apparaturen eingesetzt werden.
Das gesinterte Filterrohr der erfindungsgemäßen Filterkerze ist bevorzugt aus pulverförmigem und/oder faserförmigem Mate­ rial hergestellt. Hierbei weist das pulverförmige Material vorteilhafterweise einen mittleren Partikeldurchmesser von mindestens 200 µm auf. Wird faserförmiges Material zur Her­ stellung des gesinterten Filterrohres verwendet, so weist dieses bevorzugt eine mittlere Länge von mindestens 1 mm und einen mittleren Durchmesser von mindestens 40 µm auf. Mit der vorliegenden erfindungsgemäßen Filterkerze ist es bei Verwen­ dung der vorgenannten Materialien erstmalig möglich, auch für hohe mechanische und/oder thermische Beanspruchungen Filter­ kerzen zur Verfügung zu stellen, welche eine ausreichend hohe Lebensdauer aufweisen. Im Unterschied zu konventionellen und im Stand der Technik bekannten Filterkerzen weist vorteilhaf­ terweise die erfindungsgemäße Filterkerze bei Verwendung von insbesondere grobpulvrigem und faserigem sinterfähigem Mate­ rial, welches je nach Verwendungszweck der Filterkerze zur Herstellung des gesinterten Filterrohres verwendet wird, aus­ reichende Festigkeitswerte im Hinblick auf die Verbindung zwischen Flansch und gesintertem Filterrohr auf.
Unter sinterfähigen Pulvern im Sinne der Erfindung werden Pulver verstanden, hergestellt aus Metall, Metalloxiden, Ke­ ramiken und/oder Kunststoffen. Verwendbare metallische Pulver im Sinne der Erfindung sind nicht nur Pulver aus Reinmetal­ len, sondern auch Pulver aus Metallegierungen und/oder Pul­ vermischungen aus unterschiedlichen Metallen und Metallegie­ rungen zu verstehen. Dazu gehören insbesondere Stähle, vor­ zugsweise Chrom-Nickel-Stähle, Bronzen, Nickelbasislegierun­ gen wie Hastalloy, Inconel oder dergleichen, wobei Pulvermi­ schungen auch hochschmelzende Bestandteile enthalten können, wie beispielsweise Platin oder dergleichen. Das verwendete Metallpulver und seine Teilchengröße ist vom jeweiligen Ein­ satzzweck abhängig. Bevorzugte Pulver sind die Legierungen 316 L, 304 L, Inconel 600, Inconel 625 und Hastalloy B, X und C.
Das sinterfähige Pulver kann dabei aus pulverförmigen und/oder spratzigen Partikeln bestehen. Spratzige sinterfähi­ ge Pulver ermöglichen insbesondere, Filterrohre und/oder Flansche geringer Dichte bei gleichzeitig hoher Festigkeit zu erhalten.
Faserförmige sinterfähige Materialien zur Herstellung des Filterrohres und/oder Flansches der erfindungsgemäßen Filter­ kerze sind insbesondere durch Schmelzextraktion gewonnene Me­ tallfasern. Besonders bevorzugt sind hierbei Metallfasern aus einer Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung oder einer Nickel- Aluminium-Legierung. Bevorzugt werden schmelzextrahierte Me­ tallfasern auf der Basis einer Eisen-Chrom-Aluminium-Legie­ rung verwendet mit Gehalten an Chrom in einem Bereich von et­ wa 10-25 Gew% und Aluminium in einem Bereich von etwa 5-20 Gew%, jeweils bezogen auf die Gesamtmenge der eingesetz­ ten Metallfasern. Fasern mit einem derart hohen Aluminiuman­ teil weisen eine sehr gute Temperaturbeständigkeit insbeson­ dere bei der Heißgasfiltration auf. Die Eisen-Chrom- Aluminium-Legierung kann hierbei Zusätze von Titan und/oder Zirkon und/oder Hafnium und/oder selten Erdmetalle enthalten. Weiterhin können schmelzextrahierte Metallfasern auf der Ba­ sis einer Nickel-Aluminium-Legierung verwendet werden mit ei­ nem Aluminiumgehalt in einem Bereich von etwa 10-40 Gew%, wo­ bei Zusätze von Tantal und/oder Zirkon und/oder Hafnium und/oder Bor und/oder Seltenerdmetallen vorgesehen sein kön­ nen.
Besonders bevorzugt ist der Flansch massiv ausgebildet, d. h. er ist nicht in einem Sinterprozeß hergestellt worden. Insbe­ sondere Gußeisen und Stahl finden bevorzugt Verwendung. Je­ doch kann auch vorgesehen sein, daß der Flansch aus sinterfä­ higem Material hergestellt ist, wobei dann vorzugsweise Me­ tallpulver mit kleinen Partikelgrößen in einem Bereich von etwa 0,05 µm bis 100 µm eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin einen Flansch, wie er in der erfindungsgemäßen Filterkerze verwendet wird.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Filterkerze, wobei
  • - in einem ersten Schritt ein Flansch in eine Preßform gelegt wird;
  • - in einem zweiten Schritt die Preßform mit sinterfähigem Ma­ terial gefüllt wird, bis die Flanschwand vom Material um­ hüllt ist;
  • - in einem dritten Schritt das Material mit dem Flansch ge­ preßt und anschließend
  • - in einem vierten Schritt der so erhaltene Filterkerzen- Rohling gesintert wird.
Bevorzugt erfolgt hierbei der Preßvorgang isostatisch. Werden als sinterfähiges Material sinterfähige Fasern verwendet, so werden diese bevorzugt unter Einwirkung von gerichteten me­ chanischen Schwingungen beim Einfüllen in die Preßform ver­ einzelt. Die Agitation des Haufwerks durch Einwirkung von ge­ richteten mechanischen Schwingungen kann beispielsweise da­ durch bewirkt werden, daß die Faserzufuhr aus dem Faserhauf­ werk zur Preßform über einen Schwingförderer erfolgt. Ist der Flansch aus sinterfähigem Material hergestellt, so wird be­ vorzugt der diesem entsprechende vorgepreßte pulvermetallur­ gische Grünpreßling in die Preßform eingelegt. Bei Verwendung eines derartigen Flansches ist vorteilhaft, daß dieser keiner weiteren Nachbearbeitung bedarf, da alle notwendigen Ausfor­ mungen, beispielsweise Bohrungen als Befestigungsmittel, Nu­ ten, gegenläufig angeordnete Ausnehmungen und/oder Bohrungen in den Flanschwänden bereits bei der Herstellung des Form­ teils geformt werden können. Insbesondere entfällt hierbei jegliche mechanische Nachbearbeitung.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung von Filterkerzen in der Heißgasfiltration, in Membranreakto­ ren, als Katalysator, als Luft- und/oder Gasfilter, als Fil­ ter zum Filtern von Flüssigkeiten und/oder zur Separierung und Konzentration von Materialien.
Diese und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Figuren erläutert:
Fig. 1 Perspektivische Ansicht einer erfindungsge­ mäßen Filterkerze;
Fig. 2 Perspektivische Draufsicht auf einen erfin­ dungsgemäßen Flansch; und
Fig. 3 Schematische Draufsicht auf den erfindungs­ gemäßen Flansch.
Fig. 1 zeigt eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 bezeich­ nete erfindungsgemäße Filterkerze, welche aus einem gesinter­ ten Filterrohr 2 und einem massiven Flansch 3, hergestellt aus Grauguß, besteht. Der Flansch 3 weist einen Ansatz 5 mit Bohrungen 12 zur Befestigung der Filterkerze 1 in einer Appa­ ratur o. ä. auf. Weiterhin weist der Flansch 3 eine Flansch­ wand 4 mit Ausnehmung 8 auf. Diese Ausnehmungen 8 sind gegen­ läufig zueinander und ausgehend von dem dem Ansatz 5 des Flansches 3 entgegengesetzten Ende der Flanschwand 4 angeord­ net. Sie sind als Langbohrungen ausgebildet.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flan­ sches, wie er auch in der Filterkerze 1 gemäß Fig. 1 verwen­ det ist. Der insgesamt mit dem Bezugszeichen 3 versehene Flansch weist mehrere Ausnehmungen 8 auf, welche zueinander gegenläufig angeordnet sind, und zwischen diesen Ausnehmun­ gen 8 fingerförmig ausgebildete Bereiche der Flanschwand 4 aufweist. Weiterhin weist die Flanschwand 4 an ihrer Außenseite um den Umfang der Flanschwand 4 umlaufende Nuten 10 auf. Zusätzlich zu den Ausnehmungen 8 können in der Flansch­ wand 4 auch Bohrungen 11 vorgesehen sein. Die Ausnehmungen 8 sind senkrecht und winklig zu einer senkrecht zur Filter­ rohrachse 6 liegenden Ebene 7 angeordnet. Der Winkel zwischen der Ebene 7 und den Ausnehmungen 8 kann hierbei in einem Be­ reich von etwa 0° bis 90° liegen. Bevorzugt ist jedoch ein Bereich von etwa 10° bis 80°, weiter bevorzugt von etwa 30° bis 60°.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsge­ mäßen Flansches 3, wodurch die in Fig. 2 gezeigten Merkmale nochmals verdeutlicht dargestellt sind. Insbesondere sind in Fig. 3 die um den Umfang der Flanschwand 4 umlaufenden Nuten 10 deutlich zu entnehmen. Der Ansatz 5 des Flansches 3 ist dabei ohne Befestigungsmittel zum Befestigen des Flan­ sches 3 in einer Apparatur gezeigt.
Filterkerzen, bei welchen das gesinterte Filterrohr herge­ stellt wurde aus metallischen Kurzfasern aus einer Nickel- Aluminium-Legierung (Ni3Al; Hersteller: beispielsweise Hoega­ naes Corp., USA) mit einer mittleren Länge in einem Bereich von etwa 4 bis 8 mm und einem Durchmesser von etwa 80 µm, und einem Flansch 3, hergestellt aus korrosionsbeständigem Stahl gemäß DIN-Norm St 1.4571 durch das erfindungsgemäße Verfahren mit isostatischem Pressen bei etwa 2.500 bar und anschließen­ dem Sintern im Vakuum bei etwa 1.220°C, wurden auf einer Ver­ suchsanlage für eine Heißgasfiltration getestet (semi­ industrieller Versuchsstand). Auf diesem Versuchsstand konn­ ten Temperaturen bis 800°C simuliert werden. Die eingesetzten Filterkerzen wurden bei 300°C, 500°C und 800°C getestet. Als zu filterndes Medium wurde das Abgas eines Ölbrenners einge­ setzt, zu welchem diverse Stäube und Schadgase zudosiert wer­ den konnten. In kurzen zeitlichen Intervallen wurde während des Versuchs die Filterkerze über einen Druckluftstoß von in­ nen nach außen abgereinigt. Der Luftimpuls hatte hierbei ei­ nen Überdruck von 6 bar. Die Kerzen wurden in die Versuchsanlage hängend eingebaut, wobei deren Gewicht 4,5 kg ohne Flansch betrug.
Obwohl die Materialien des Filterrohres 2 und des Flansches 3 unterschiedliche und geringe Wärmeausdehnungskoeffizienten aufwiesen, wurden über einen Zeitraum von 4 Wochen unter den vorstehend beschriebenen Belastungen keinerlei Veränderungen in dem Verbindungsbereich zwischen Filterrohr und Flansch festgestellt.
Der vorstehend beschriebene Versuch wurde wiederholt mit Fil­ terkerzen, bei welchen das Filterrohr 2 statt aus Metallfa­ sern aus grobem Edelstahlpulver mit einem mittleren Durchmes­ ser in einem Bereich von etwa 500 bis 700 µm hergestellt war. Auch hier konnten keinerlei Veränderungen in dem Verbindungs­ bereich zwischen Filterrohr 2 und Flansch 3 festgestellt wer­ den.
Die erfindungsgemäße Filterkerze sowie der erfindungsgemäße Flansch sind insbesondere dann vorteilhaft einsetzbar, wenn grobe sinterfähige Materialien oder aber faserförmige sinter­ fähige Materialien verwendet werden. Darüber hinaus wurden auch deutlich verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der Haltbarkeit und Belastbarkeit erzielt bei Verwendung schwer sinterbarer Werkstoffe, insbesondere auch Keramiken. Die er­ findungsgemäßen Filterkerzen hielten extrem hohen mechani­ schen und thermischen Belastungen stand, und dies obwohl das Material des Flansches und des Filterrohres unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufwies.

Claims (16)

1. Filterkerze (1) mit einem gesinterten Filterrohr (2) und einem mit diesem verbundenen Flansch (3) mit einer auf das Filterrohr (2) hin ausgerichteten und von einem Ansatz (5) ausgehenden ringförmigen Flanschwand (4), die mindestens eine senkrecht und winklig zu einer senkrecht zur Filterrohrachse (6) liegenden Ebene (7) angeordnete Ausnehmung (8) aufweist.
2. Filterkerze gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (8) als Langbohrung und/oder Langloch und/oder Langnut ausgebildet ist.
3. Filterkerze gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (8) ausgehend von dem dem Ansatz (5) entgegengesetzten Ende der Flanschwand (4) ange­ ordnet ist.
4. Filterkerze gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Filterkerze mindestens zwei ge­ genläufig angeordnete Ausnehmungen (8) aufweist.
5. Filterkerze gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Flansch (3) massiv ausgebildet ist.
6. Filterkerze gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Flanschwand (4) an ihrer Außen- und/oder Innenseite (9) mindestens eine um ihren Umfang um­ laufende Nut (10) aufweist.
7. Filterkerze gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Flanschwand (4) Bohrungen (11) aufweist.
8. Filterkerze gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ansatz (5) mit mindestens einem Befestigungsmittel zur Befestigung der Filterkerze (1) verse­ hen ist.
9. Filterkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das gesinterte Filterrohr (2) aus pulverförmigem und/oder faserförmigem Material hergestellt ist.
10. Filterkerze gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das pulverförmige Material einen mittleren Partikeldurchmesser von mindestens 200 µm aufweist.
11. Filterkerze gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das faserförmige Material eine mittlere Länge von mindestens 1 mm aufweist.
12. Filterkerze gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das faserförmige Material einen mittleren Durchmesser von mindestens 40 µm aufweist.
13. Flansch gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12.
14. Verfahren zur Herstellung einer Filterkerze 1 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei
in einem ersten Schritt ein Flansch (3) in eine Preßform gelegt wird;
in einem zweiten Schritt die Preßform mit sinterfähigem Ma­ terial gefüllt wird, bis die Flanschwand (4) vom Material um­ hüllt ist;
in einem dritten Schritt das Material mit dem Flansch (3) gepreßt und anschließend
in einem vierten Schritt der so erhaltene Filterkerzen- Rohling gesintert wird.
15. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Pressen isostatisch erfolgt.
16. Verwendung einer Filterkerze gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 in der Heißgasfiltration, in Membranreaktoren, als Ka­ talysator, als Luft- und/oder Gasfilter, als Filter zum Fil­ tern von Flüssigkeiten und/oder zur Separierung und Konzen­ tration von Materialien.
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