DE102017131312A1

DE102017131312A1 - Verfahren zur verminderung der ausgasungs- und kavitationswirkung

Info

Publication number: DE102017131312A1
Application number: DE102017131312.5A
Authority: DE
Inventors: Christoph Koppe; Jürgen Koppe; Hartmut Lausch; Sebastian Pietzonka; Hans-Joachim Münch; Santer ZUR HORST-MEYER; Werner Krause; Andreas Bodi
Original assignee: SONOTEC Ultraschallsensorik Halle GmbH; Mol Katalysatortechnik GmbH
Current assignee: Sonotec Ultraschallsensorik Halle De GmbH; Mol Katalysatortechnik GmbH
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2019-06-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der Ausgasungs- und Kavitationswirkung bei Ultraschallmessungen in wässrigen Lösungen und in Ultraschallreinigungsbädern, indem auf einer metallischen Legierung aus 15 - 35 Gew.-% Cr und min. 60 Gew.-% Fe + Ni, bei welcher der Gewichtsanteil an Begleitelementen, insbesondere Mn, Mo, Cu und Si, 15 % nicht überschreitet durch eine 5 bis 60 Minuten währende thermische Behandlung unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre bei einer Temperatur von 500 bis 1000 °C eine mineralische Oberfläche erzeugt wird, wobei die Aufheizung der Legierung mit einer Geschwindigkeit von 300-500 K pro Minute und die Abkühlung schockartig mit mindestens 50 K pro Sekunde erfolgt und die so erzeugte halbleitende katalytisch aktive Oberfläche mit dem zu behandelnden Wasser in Kontakt gebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der Ausgasungs- und Kavitationswirkung bei Ultraschallmessungen in wässrigen Lösungen sowie in Ultraschallreinigungsbädern.
Nach dem Stand der Technik wird vor allem versucht, durch maßgeschneiderte Werkstoffe die durch Kavitation verursachten Korrosionsschäden zu mindern [vgl. K. IOAKIMIDIS u. M. MLIKOTA: Maßgeschneiderte Werkstoffe gegen Kavitationserosion, Zentrum für Energieforschung Stuttgart, 21.01.2014]. Eine zufriedenstellende Werkstoffkombination wurde jedoch nicht gefunden. Es wurden lediglich Modelle für die Erosionsvorgänge ermittelt.
Aus der DE 10 2008 036 369 A1 ist bekannt, dass ein Vollmetallkatalysator der chemischen Zusammensetzung (in Gew.-%) Chrom 15 - 35 % und Fe+ Ni min. 60 %, bei welchem der Gewichtsanteil an Begleitelementen, insbesondere Mn, Mo, Cu und Si, 15 % nicht überschreitet, der zuvor für eine Zeit von 5 bis 60 Minuten unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre bei einer Temperatur von 500 bis 1000°C thermisch behandelt wurde, in ein wasserführendes oder -enthaltendes System eingebracht und der so behandelte Katalysator einer Lichtquelle ausgesetzt wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, durch eine einfache technologische Komponente die Ausgasungs- und Kavitationswirkungen bei Ultraschallmessungen im Wasser und in Ultraschallbädern deutlich zu mindern.
Des Weiteren soll eine Legierung mit einer modifizierten Oberflächenschicht für bestimmte Anwendungsfälle bereitgestellt werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Verminderung der Ausgasungs- und Kavitationswirkung bei Ultraschallmessungen in wässrigen Lösungen und in Ultraschallreinigungsbädern, indem auf einer metallischen Legierung aus 15 - 35 Gew.-% Cr und min. 60 Gew.-% Fe + Ni, bei welcher der Gewichtsanteil an Begleitelementen, insbesondere Mn, Mo, Cu und Si, 15 % nicht überschreitet durch eine 5 bis 60 Minuten währende thermische Behandlung unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre bei einer Temperatur von 500 bis 1000 °C eine mineralische Oberfläche erzeugt wird, wobei die Aufheizung der Legierung mit einer Geschwindigkeit von 300-500 K pro Minute und die Abkühlung schockartig mit mindestens 50 K pro Sekunde erfolgt und die so erzeugte halbleitende katalytisch aktive Oberfläche mit dem zu behandelnden Wasser in Kontakt gebracht wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den verfahrensgemäßen Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Legierung in Form einer Metallfolie oder eines Metalldrahtes, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Legierung sind den gegenständlichen Unteransprüchen zu entnehmen.
Bevorzugt ist die als Folie oder Draht ausgebildete, mit einer halbleitenden katalytisch aktiven Oberflächenschicht versehene Legierung einsetzbar bei Ultraschallmessungen in wässrigen Lösungen sowie in Ultraschallreinigungsbädern.
Überraschend wurden nun gefunden, dass man bei der thermischen Behandlung einer Metallfolie gemäß DE 10 2008 036 369 A1 eine spezielle halbleitende, katalytisch aktive Spinellstruktur an der Folienoberfläche erhält, wenn man eine Aufheizgeschwindigkeit von 300 bis 500 K pro Minute und insbesondere eine schockartige Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 50 K pro Sekunde einhält, zu deren Aktivierung keine Beleuchtung mit einer Lichtquelle notwendig ist.
Die Bildung von Kavitationsblasen bei der Behandlung von Wasser mit einer Ultraschallquelle kann somit wirksam reduziert werden.
Durch diese Vorgehensweise wird erreicht, dass die reaktiven Eisen(II)-lonen sich innerhalb des sich ausprägenden Spinellgitters in den kleinen Tetraederlücken des dichtest gepackten Sauerstoffteilgitters befinden, während die strukturstabilisierenden Chrom(III)-Ionen in die großen Oktaederlücken eingebaut werden (vgl. 1).
Überraschenderweise zeigt es sich, dass relativ geringe Mengen dieser erfindungsgemäßen Struktur ausreichen, um größere Wasservolumina über sehr lange Zeiträume zu beeinflussen.
Die Erfindung wird durch nachfolgende Beispiele näher beschrieben:
Beispiel 1: Ultraschallreinigungsbad
In ein Ultraschallreinigungsbad aus Edelstahl vom Typ „Ultra-Klar“ mit einer Leistungsaufnahme von 50 Watt und einer Arbeitsfrequenz von 42 KHz mit folgenden Abmessungen: Länge 18 cm, Breite: 14 cm, Wassertiefe: 3 cm wurden eine erfindungsgemäße Struktur, bestehend aus einer metallischen Legierung mit gleichen Teilen Eisen, Chrom und Nickel in Form von zwei Folien mit der Stärke von 20 Mikrometern und einer Größe von jeweils 6 cm x 30 cm mit einer Oberfläche aus einer halbleitenden mineralischen Schicht, bestehend aus einem Eisen-Chrom-Nickel-Spinell, eingebracht. Die üblichen Ablagerungen gingen deutlich zurück und auch nach längerer Betriebsdauer wurden keinerlei Korrosionsschäden an der Edelstahlwanne bzw. an der Mineral-Metall-Folie festgestellt. Der Reinigungseffekt wurde nicht nachteilig beeinträchtigt.
Beispiel 2: Ultraschallprüfbecken
Ein Ultraschallprüfbecken mit einem Fassungsvermögen von ca. 70 I Wasser wird mit einer Umlaufspülung ausgestattet. Die Durchflussmenge beträgt ca. 4 l/min. In ein Durchlauffiltergehäuse wird eine erfindungsgemäße Struktur, bestehend aus einer metallischen Legierung mit gleichen Teilen Eisen, Chrom und Nickel in Form einer Folie mit der Stärke von 20 Mikrometern und einer Größe von 20 cm x 10 cm mit einer Oberfläche aus einer halbleitenden mineralischen Schicht, bestehend aus einem Eisen-Chrom-Nickel-Spinell, eingebracht. Die üblichen organischen Ablagerungen im Prüfbecken gehen dadurch stark zurück. Außerdem wird die Bildung von Gasblasen in der Flüssigkeit unterdrückt. Dadurch verringerte sich die Wartezeit nach einer Neu- bzw. Nachfüllung des Wasservolumens von zwei Tagen bis auf weniger als sechs Stunden bis eine erneute Messung gestartet werden konnte.
Beispiel 3: Ultraschallprüfverfahren mit Wasserstrahl - Ankopplung (Squirtertechnik)
Ein Wasserbecken mit einem Fassungsvermögen von ca. 70 I Wasser wird mit einer Umlaufspülung ausgestattet. Die Durchflussmenge beträgt ca. 4 l/min. In ein Durchlauffiltergehäuse wurde zur Reduzierung der organischen Ablagerungen und der Ausgasung eine erfindungsgemäße Struktur, bestehend aus einer metallischen Legierung mit gleichen Teilen Eisen, Chrom und Nickel in Form einer Folie mit der Stärke von 20 Mikrometern und einer Größe von 20 cm x 10 cm mit einer Oberfläche aus einer halbleitenden mineralischen Schicht, bestehend aus einem Eisen-Chrom-Nickel-Spinell, eingebracht. Die Blasenbildung wurde deutlich reduziert und die Menge der abgelagerten organischen Stoffe verringert sich um ca. 75 %.
Die einzige Figur zeigt typische Strukturmerkmale eines Spinellgitters.
Insgesamt befinden sich in dem oben gezeigten Strukturelement acht Tetraederlücken (in jedem Teilachtelwürfel) und vier Oktaederlücken (im Zentrum und zu je ¼ entlang der zwölf Kanten). In der Spinellstruktur sind aber nur 1/8 der Tetraederlücken und die Hälfte der Oktaederlücken durch Metallatome besetzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008036369 A1 [0003, 0011]

Claims

Verfahren zur Verminderung der Ausgasungs- und Kavitationswirkung bei Ultraschallmessungen in wässrigen Lösungen und in Ultraschallreinigungsbädern, indem auf einer metallischen Legierung aus 15 - 35 Gew.-% Cr und min. 60 Gew.-% Fe + Ni, bei welcher der Gewichtsanteil an Begleitelementen, insbesondere Mn, Mo, Cu und Si, 15 % nicht überschreitet durch eine 5 bis 60 Minuten währende thermische Behandlung unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre bei einer Temperatur von 500 bis 1000 °C eine mineralische Oberfläche erzeugt wird, wobei die Aufheizung der Legierung mit einer Geschwindigkeit von 300-500 K pro Minute und die Abkühlung schockartig mit mindestens 50 K pro Sekunde erfolgt und die so erzeugte halbleitende katalytisch aktive Oberfläche mit dem zu behandelnden Wasser in Kontakt gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die halbleitende katalytisch aktive Oberflächenschicht durch ein Eisen-Chrom-Nickel-Spinell gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die halbleitende katalytisch aktive Oberflächenschicht in Kontakt mit einer metallischen Schicht gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung in Form einer Metallfolie oder eines Metalldrahtes mit einer Dicke bzw. einem Durchmesser von 5 bis 100 Mikrometern erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die halbleitende katalytisch aktive Oberflächenschicht mit einer Dicke von 1 bis 10 Mikrometer ausgebildet wird.
Legierung in Form einer Metallfolie oder eines Metalldrahtes, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.
Legierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolie, respektive der Metalldraht, eine Dicke bzw. einen Durchmesser von 5 bis 100 Mikrometer aufweist.
Legierung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der katalytisch aktiven Oberflächenschicht 1 bis 10 Mikrometer beträgt.
Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 6 bis 8 bei der Ultraschallmessung in einer wässringen Lösung.
Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 6 bis 8 in einem Ultraschallreinigungsbad.