DE10233345A1 - Continuous chromate-free pipe coatings by fluidized bed sintering - Google Patents
Continuous chromate-free pipe coatings by fluidized bed sintering Download PDFInfo
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Abstract
Description
Beschichtete Rohre für die Automobilindustrie werden bisher mittels Verwendung von Chrom VI-Verbindungen (Chromate) hergestellt. Chromate werden gebraucht, um beim bisher angewendeten Extrusionsverfahren sehr gute Haftwerte zu erzielen. Dazu werden chromatierte Rohre eingesetzt, auch Aluminiumrohre werden chromatiert, Stahlrohre werden zunächst aluminiert, bevor diese dann chromatiert werden. Ab dem Jahre 2003 werden jedoch von der Automobilindustrie chromfreie Rohre gefordert.Coated pipes for the automotive industry have so far been achieved using chromium VI compounds (chromates) manufactured. Chromates are used in the previously used Extrusion process to achieve very good adhesion values. To do this chromated tubes are used, aluminum tubes are also chromated, Steel pipes are initially aluminized before they are chromated. From 2003 However, chrome-free pipes are required by the automotive industry.
Aufgabe der Erfindung war es, ein neues Verfahren bereitzustellen, welches die kontinuierliche chromfreie Rohrbeschichtung ermöglicht. Verfahren zur kontinuierlichen Beschichtung von Rohren sind bereits bekannt. So wird in der Zeitschrift „Kunststoffe", 57. Jahrgang, Heft 1, Seite 21–24 ein Verfahren beschrieben, mit dem Rohre mit PVC durch Wirbelsintern beschichtet werden, allerdings wird darin nicht auf gute Haftwerte und homogene Schichtdickenverteilungen eingegangen. Es lassen sich damit nicht die wesentlichen Anforderungen der Automobilindustrie erfüllen.The object of the invention was a to provide a new process which is the continuous chrome-free Pipe coating enables. Processes for the continuous coating of pipes are already in place known. In the magazine "Kunststoffe", 57th year, Issue 1, pages 21-24 described a process by which pipes with PVC by fluidized bed sintering be coated, however, it does not show good adhesion values and homogeneous layer thickness distributions. It can be not the essential requirements of the automotive industry fulfill.
Die Nachteile des Standes der Technik, insbesondere die Haftwerte und die Schichtdickenverteilung, auch bei dünnen Schichten (120–150 μm) konnten nun mit einem Verfahren gemäß den Patentansprüchen überwunden werden.The disadvantages of the prior art especially the adhesion values and the layer thickness distribution, too with thin Layers (120–150 μm) could now overcome with a method according to the claims become.
Die Anlage arbeitet bevorzugt automatisch und kontinuierlich und dient zur Außenbeschichtung von Rohren durch Wirbelsintern. Sie besteht aus den folgenden Teilen:
- 1) der Vorbehandlungsanlage zum Reinigen der im Anlieferungszustand meist fettigen Rohre;
- 2) dem Primer-Haftvermittler-Becken zum Auftragen des Haftvermittlers zwischen Stahloberfläche und Kunststoffschicht (Sprüh- oder Tauchanlage);
- 3) der Mittelfrequenz-Induktionsspule
1 zum Einbrennen des Primers und wenn ein lösemittelhaltiger Primer eingesetzt wird zum Verdampfen des Lösemittels; - 4) dem Radiallüfter zum schnelleren Abführen des verdampften Lösemittels;
- 5) der Mittelfrequenz-Induktionsspule
2 zur Vorwärmung des Rohres, - 6) dem Wirbelsinterbecken mit integrierter Mittelfrequenz-Induktionsspule
3 zum Aufbringen des Beschichtungsmittels. Da das Beschichtungsmittel einen zu geringen dielektrischen Verlustfaktor hat, erwärmt es sich nicht, während das vorgewärmte durchlaufende Stahlrohr sich sehr schnell auf die gewünschte Temperatur erwärmt. Die Schichtdicke wird beim Wirbelsintern maßgeblich durch Vorwärmtemperatur und Tauchzeit geregelt. Im Falle eines durchlaufenden Rohres bedeutet dies, dass die Schichtdicke durch die Generatorleistung und die Vorschubgeschwindigkeit des Rohres verändert werden kann. Beide können am Schaltpult unabhängig voneinander geregelt werden; - 7) den Einbauten im Wirbelsinterbecken, bestehend aus Luftdusche oberhalb des Rohres, um Pulveranhäufungen zu vermeiden und den Strömungsleitblechen unterhalb des Rohres, um Pulvermangel und dadurch resultierend Poren an der Unterseite des Rohres zu vermeiden. Nur durch die speziellen Einbauten kann eine gleichmäßige Schichtdicke sowohl radial, als auch axial gewährleistet werden;
- 8) der Mittelfrequenz-Induktionsspule
4 zur Glättung der nicht komplett aufgeschmolzenen Beschichtung; - 9) der Schmelzstrecke, die benötigt wird, um den nach dem
Austritt des Rohres aus der Mittelfrequenz-Induktionsspule
4 anhaftenden Beschichtungsbelag durchzuschmelzen und glattzuschmelzen. Die Schicht ist während des Durchlaufens noch heiß und weich und kann daher leicht verletzt werden. Das Rohr darf daher in dieser Phase nicht über Rollen geführt werden. - 10) der Luftdusche zum Vorabkühlen der Rohroberfläche. Die Rohroberflächentemperatur wird dadurch unter den Schmelzpunkt des Beschichtungsmittels geregelt;
- 11) der Wasserkühlung. Das Rohr läuft in eine Wasserrinne, in der die Schicht weiter abkühlt und erhärtet, so dass hier wieder eine Führung über Rollen möglich ist.
- 1) the pretreatment system for cleaning the pipes, which are mostly greasy when delivered;
- 2) the primer adhesion promoter basin for applying the adhesion promoter between the steel surface and the plastic layer (spray or immersion system);
- 3) the medium frequency induction coil
1 to burn in the primer and, if a solvent-based primer is used, to evaporate the solvent; - 4) the radial fan for faster evaporation of the evaporated solvent;
- 5) the medium frequency induction coil
2 for preheating the pipe, - 6) the vortex sintering basin with integrated medium-frequency induction coil
3 for applying the coating agent. Since the coating agent has too low a dielectric loss factor, it does not heat up, while the preheated, continuous steel tube heats up very quickly to the desired temperature. The layer thickness is mainly controlled by preheating temperature and dipping time during fluid sintering. In the case of a pipe running through, this means that the layer thickness can be changed by the generator power and the feed speed of the pipe. Both can be controlled independently of each other on the control panel; - 7) the internals in the whirl sintering basin, consisting of an air shower above the tube to avoid powder accumulation and the flow baffles below the tube to avoid powder deficiency and the resulting pores on the underside of the tube. A uniform layer thickness can only be guaranteed both radially and axially due to the special internals;
- 8) the medium frequency induction coil
4 for smoothing the not completely melted coating; - 9) the melting distance that is required to pass the pipe after it emerges from the medium frequency induction coil
4 melt the adhering coating and melt it smooth. The layer is still hot and soft during the run and can therefore be easily injured. The pipe must therefore not be guided over rollers in this phase. - 10) the air shower to pre-cool the pipe surface. The pipe surface temperature is thereby regulated below the melting point of the coating agent;
- 11) water cooling. The pipe runs into a water channel, in which the layer cools down further and hardens, so that it can again be guided via rollers.
Je nach gewünschter Schichtdicke lassen
sich die Induktionsspulen unter 5, 6 und 8 in unterschiedlicher
Kombination und Leistung betreiben. Folgende Möglichkeiten des Induktionsspulen-Einsatzes
sind dabei gegeben:
5 und 8,
5 und 6,
5, 6 und 8,
6,
6
und 8.Depending on the desired layer thickness, the induction coils under 5, 6 and 8 can be operated in different combinations and outputs. The following options are available for using induction coils:
5 and 8,
5 and 6,
5, 6 and 8,
6
6 and 8.
Die Rohre werden jeweils durch Mittelfrequenzinduktion
erwärmt.
Näherungsformeln
für den
Bedarf an elektrischer Energie, die Beschichtungsleistung einer
solchen Anlage sowie der Pulverbedarf werden angegeben. Mit dem
Verfahren können
Rohrstücke
in einer gewünschten
Länge zu
einem endlosen Strang zusammengekoppelt und im horizontalen Durchlaufverfahren
mit Kunststoffpulver außenbeschichtet
werden. Als Beschichtungsmittel eignen sich wirbelfähige, schmelzbare
Polymere oder Gemische daraus. Besonders geeignet sind Polyamid-Pulver, insbesondere
auf Basis von Polyamid
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Rohre eignen sich besonders als Hydraulik- und Bremsleitungen für z.B. die Automobilindustrie.The with the inventive method Pipes are particularly suitable as hydraulic and brake lines for e.g. the automotive industry.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll im Folgenden näher beschrieben werden.The method according to the invention is intended as follows described in more detail become.
Vorwärmen durch MittelfrequenzinduktionPreheat through Medium frequency induction
Die Mittelfrequenz-Induktionserwärmung wurde gewählt, weil es eine im Durchlaufverfahren bequem regulierbare und noch dazu sehr rasche Erwärmungsmethode ist, bei der man den weiteren Vorteil hat, dass die Induktionsspule, die das durchlaufende Rohr erwärmt, direkt im wirbelnden Pulver angeordnet werden kann und dadurch keine Wärmeverluste eintreten. Bei 10 000 Hz und einer Rohrwanddicke von 2 mm dauert das Erwärmen um 300 °C 1 s. Bei kleineren Frequenzen geht das Erwärmen wegen der größeren Eindringtiefe sogar noch schneller vor sich, bei 2 000 Hz würde die Zeit nur 0, 73 s für die gleichen Verhältnisse sein. Die Induktionsspule ist als Rohrwendel ausgeführt und wird von Kühlwasser durchströmt; sie bleibt ebenso wie das Pulver kalt. Die Generatoranlage besteht aus dem Maschinengenerator, der die hohe Frequenz erzeugt, dem Schaltschrank mit Schaltpult, der Kondensatorbatterie und der Induktionsspule. Vereinfacht kann man sich die Anlage als Transformator vorstellen, in dessen Primärseite elektrische Energie hoher Frequenz eingespeist wird und dessen Sekundärseite aus nur einer Windung, dem Werkstück, besteht. Die daraus resultierende sehr hohe Stromdichte im Sekundärkreis hat das rasche Erwärmen zur Folge. Bei durchlaufenden Werkstücken kommen nur solche mit gleichbleibendem Querschnitt und einheitlicher Wanddicke in Frage, z. B. rotationssymmetrische Gegenstände wie Drähte, Rohre, Stäbe u. dgl.The medium frequency induction heating was selected because it's a conveniently adjustable and still plus very quick heating method which has the further advantage that the induction coil, which heats up the pipe can be placed directly in the swirling powder and therefore none heat loss enter. At 10,000 Hz and a tube wall thickness of 2 mm, this takes a while Heat around 300 ° C 1 s. At lower frequencies, heating is even possible due to the greater depth of penetration even faster before itself, at 2,000 Hz the time would only be 0.73 s for the same conditions his. The induction coil is designed as a coiled tubing and is from cooling water flow through; like the powder, it remains cold. The generator system exists from the machine generator that generates the high frequency, the control cabinet with control panel, the capacitor bank and the induction coil. In simple terms, you can think of the system as a transformer, in its primary side electrical energy of high frequency is fed and its secondary side out just one turn, the workpiece, consists. The resulting very high current density in the secondary circuit has the rapid warming up result. With continuous workpieces, only those come with constant cross-section and uniform wall thickness in question, z. B. rotationally symmetrical objects such as wires, pipes, rods and the like. like.
Energiebedarf und Beschichtungsleistungenergy needs and coating performance
Die Durchlaufgeschwindigkeit (Vorschub)
der Rohre hängt
von Rohrdurchmesser und Wanddicke, also vom Gewicht des Rohres pro
Längeneinheit,
sowie von der Generatorleistung ab. Natürlich spielen auch der Generatorwirkungsgrad
und die erforderliche Erwärmung
des Rohres eine wesentliche Rolle. Da diese letztgenannten Einflussgrößen jedoch
in einer ersten Betrachtung als konstant oder mindestens nicht sehr
veränderlich
angesehen werden können,
können
entsprechende mittlere Zahlenwerte angenommen werden. Die erforderliche
Generatorleistung ist:
Mit einem 36-kW-Mittelfrequenz-Generator würde man also rd. 720 kg/h Stahlrohr um 240 °C erwärmen können. Dieser Rechenwert wurde im Beispiel bestätigt.With a 36 kW medium frequency generator you would have approx. 720 kg / h steel pipe heated by 240 ° C can. This calculated value was confirmed in the example.
Für Überschlagsrechnungen
gilt als ungefährer
Anhaltswert für
den Leistungsbedarf (bei den vorliegenden und ähnlichen Verhältnissen):
Diese Faustformeln sind natürlich nicht dimensionsrichtig, weil dimensionsbehaftete Größen (z.B. die spezifische Wärme cp mit ihrem Zahlenwert eingesetzt wurden. Trotzdem haben sich solche dimensionsfalschen Gleichungen für Betriebsbelange als recht nützlich erwiesen. Kombiniert man die Formeln für das durchlaufende Rohrgewicht mit der Formel für die erforderliche Generatorleistung, so erhält man für Stahlrohre mit einem spezifischen Gewicht y = 7 ,85 kg/dm3 eine einfache Beziehung für die größte Durchlaufgeschwindigkeit (Vorschub) eines Rohres, die bei gegebener Generatorleistung möglich ist. Muss man z. B. auf einer Rohrbeschichtungsanlage häufig Rohre verschiedener Durchmesser und Wanddicken beschichten, so gibt die folgende Formel schnell einen Anhaltswert für die größte Durchlaufgeschwindigkeit. Für andere Verhältnisse muss der Zahlenfaktor etwas verändert werden: Of course, these rule of thumbs are not dimensionally correct, because dimension-dependent quantities (e.g. the specific heat c p with their numerical value were used. Nevertheless, such dimensionally incorrect equations have proven to be quite useful for operational purposes. Combine the formulas for the continuous pipe weight with the formula for the required one Generator power, this gives a simple relationship for steel pipes with a specific weight y = 7, 85 kg / dm3 for the greatest throughput speed (feed) of a pipe, which is possible with a given generator power Coating different diameters and wall thicknesses, the following formula quickly gives a reference value for the greatest throughput speed.
Hierin ist die Durchlaufgeschwindigkeit vmax in m/min, die Generatorleistung N in kW, der Rohraußendurchmesser da in mm und die Rohrwanddicke s ebenfalls in mm einzusetzen.The throughput speed v max in m / min, the generator power N in kW, the tube outer diameter d a in mm and the tube wall thickness s are also to be used in mm.
Beispiel:Example:
Die Rohrbeschichtungsanlage (Bild 01) besteht aus:
- 1) der Vorbehandlungsanlage zum Reinigen der im Anlieferungszustand meist fettigen Rohre;
- 2) dem Primer (Haftvermittler)-Becken zum Auftragen des Haftvermittlers zwischen Stahloberfläche und Kunststoffschicht (Sprüh- oder Tauchanlage);
- 3) der Mittelfrequenz-Induktionsspule
1 zum Einbrennen des Primers und Verdampfen des Lösemittels; - 4) dem Radiallüfter zum schnelleren Abführen des verdampften Lösemittels;
- 5) der Mittelfrequenz-Induktionsspule
2 zur Vorwärmung des Rohres - 6) dem Wirbelsinterbecken mit integrierter Mittelfrequenz-Induktionsspule
3 zum Aufbringen der Polyamid12 Schicht. Da das PA-Pulver einen zu geringen dielektrischen Verlustfaktor hat, erwärmt es sich nicht, während das vorgewärmte durchlaufende Stahlrohr sich sehr schnell auf die gewünschte Temperatur erwärmt. Die Schichtdicke wird beim Wirbelsintern maßgeblich durch Vorwärmtemperatur und Tauchzeit geregelt. Im Falle eines durchlaufenden Rohres bedeutet dies, dass die Schichtdicke durch die Generatorleistung und die Vorschubgeschwindigkeit des Rohres verändert werden kann. Beide können am Schaltpult unabhängig voneinander geregelt werden; - 7) den Einbauten im Wirbelsinterbecken, bestehend aus Luftdusche oberhalb des Rohres, um Pulveranhäufungen zu vermeiden und den Strömungsleitblechen unterhalb des Rohres, um Pulvermangel und dadurch resultierend Poren an der Unterseite des Rohres zu vermeiden.
- Nur durch die speziellen Einbauten kann eine gleichmäßige Schichtdicke sowohl radial, als auch axial gewährleistet werden;
- 8) der Mittelfrequenz-Induktionsspule
4 zur Glättung der nicht komplett aufgeschmolzenen Polyamid-Schicht; - 9) der Schmelzstrecke, die benötigt wird, um den nach dem
Austritt des Rohres aus der Mittelfrequenz-Induktionsspule
4 anhaftenden Polyamidbelag durchzuschmelzen und glattzuschmelzen. Die Schicht ist während des Durchlaufens noch heiß und weich und kann daher leicht verletzt werden. Das Rohr darf daher in dieser Phase nicht über Rollen geführt werden. - 10) der Luftdusche zum Vorabkühlen der Rohroberfläche. Die Rohroberflächentemperatur wird dadurch unter den Schmelzpunkt des Polyamids geregelt;
- 11) der Wasserkühlung. Das Rohr läuft in eine Wasserrinne, in der die Schicht weiter abkühlt und erhärtet, so dass hier wieder eine Führung über Rollen möglich ist.
- 1) the pretreatment system for cleaning the pipes, which are mostly greasy when delivered;
- 2) the primer (adhesion promoter) basin for applying the adhesion promoter between the steel surface and the plastic layer (spray or immersion system);
- 3) the medium frequency induction coil
1 for baking the primer and evaporating the solvent; - 4) the radial fan for faster evaporation of the evaporated solvent;
- 5) the medium frequency induction coil
2 for preheating the pipe - 6) the vortex sintering basin with integrated medium-frequency induction coil
3 to apply the polyamide12 Layer. Since the PA powder has a dielectric loss factor which is too low, it does not heat up, while the preheated, continuous steel tube heats up very quickly to the desired temperature. The layer thickness is mainly controlled by preheating temperature and dipping time during fluid sintering. In the case of a pipe running through, this means that the layer thickness can be changed by the generator power and the feed speed of the pipe. Both can be controlled independently of each other on the control panel; - 7) the internals in the whirl sintering basin, consisting of an air shower above the tube to avoid powder accumulation and the flow baffles below the tube to avoid powder deficiency and the resulting pores on the underside of the tube.
- A uniform layer thickness can only be guaranteed both radially and axially due to the special internals;
- 8) the medium frequency induction coil
4 for smoothing the not completely melted polyamide layer; - 9) the melting distance that is required to pass the pipe after it emerges from the medium frequency induction coil
4 melt the adhering polyamide covering and melt it smooth. The layer is still hot and soft during the run and can therefore be easily injured. The pipe must therefore not be guided over rollers in this phase. - 10) the air shower to pre-cool the pipe surface. The pipe surface temperature is thereby regulated below the melting point of the polyamide;
- 11) water cooling. The pipe runs into a water channel, in which the layer cools down further and hardens, so that it can again be guided via rollers.
Die Ergebnisse einer Versuchsreihe
auf der beschriebenen Anlage sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Für die
Beispiele
Prüfungen an geprimerten Rohren
- a) TL 222 Korrosionsschutzüberzüge auf Bremsrohren (Oberflächenschutzanforderungen)
Ausf. D-Zn/PA
Korrosionsbeständigkeit: Prüfdauer 500
h mit Ritzspur gemäß DIN 53
167; Unterwanderung Wb ≤ 2mm
Korrosionsbeständigkeit:
Prüfdauer
500 h im Anschluss an Steinschlagtest gemäß PV 1213; keine Grundmetallkorrosion
Korrosionsbeständigkeit:
Prüfdauer
1000 h; keine Zinkkorrosion, keine Grundmetallkorrosion sowie kein Ablösen der
PA-Schicht
Chemikalienbeständigkeit:
nach TL 222 Punkt
5 ; keine Blasenbildung oder Erweichen der Kunststoffschicht aufgetreten Nach 24-stündigem Ablüften und anschließendem Wickeln um einen Dorn (360°) von 16 mm keine sichtbaren Risse oder folienartige Ablösungen des PA-Überzuges aufgetreten - b) Haftungsprüfungen
an geprimerten Rohren nach Wasserlagerung, Prüfung mittels Messerspitze:
Rohre
ohne Ritzspur
Trockenprüfung,
einen Tag nach der Beschichtung: sehr gute Haftung Trockenprüfung, einen
Tag nach der Beschichtung an einem gewickelten Rohr (um 16mm Dorn);
sehr gute Haftung
3 Tage Wasserlagerung, direkt nach Herausnahme sehr gute Haftung Rohre mit Ritzspur Trockenprüfung, einen Tag nach der Beschichtung: sehr gute Haftung3 Tage Wasserlagerung, direkt nach Herausnahme sehr gute Haftung
- a) TL 222 corrosion protection coatings on brake pipes (surface protection requirements) version D-Zn / PA corrosion resistance: test duration 500 h with scratch mark according to DIN 53 167; Infiltration Wb ≤ 2mm Corrosion resistance: test duration 500 h after stone chip test according to PV 1213; no base metal corrosion corrosion resistance: test duration 1000 h; No zinc corrosion, no base metal corrosion and no peeling off of the PA layer Chemical resistance: according to TL 222 point
5 ; No blistering or softening of the plastic layer occurred. After flashing off for 24 hours and then wrapping it around a mandrel (360 °) of 16 mm, no visible cracks or film-like detachments of the PA coating occurred - b) Adhesion tests on primed pipes after water storage, testing with a knife tip: pipes without scratch marks. Dry test, one day after coating: very good adhesion dry test, one day after coating on a wound pipe (around 16mm mandrel); very good liability
3 Days of water storage, immediately after removal, very good adhesion. Pipes with scratch marks. Dry test, one day after coating: very good adhesion3 Days of water storage, very good adhesion immediately after removal
- 11
- Reinigungsanlagepurifier
- 22
- Antrieb 1drive 1
- 33
- Primerstationprimer station
- 44
- Induktion 1 (Spule I – Primertrocknung)induction 1 (coil I - primer drying)
- 55
- Induktion 2 (Spule V – Primertrocknung)induction 2 (coil V - primer drying)
- 66
- Radiallüfter 1Radial fan 1
- 77
- Radiallüfter 2Radial fan 2
- 88th
- Antrieb 2drive 2
- 99
- Induktion 3 (Vorwärmung)induction 3 (preheating)
- 1010
- Auflagerolle 1supporting role 1
- 1111
- Wirbelsinterbecken inkl. Induktion 4Fluidized bed pool including induction 4
- 1212
- Antrieb 3drive 3
- 1313
- ROHRPIPE
- 1414
- AbblasdüseBlow Off
- 1515
- Auflagerolle 2supporting role 2
- 1616
- Wasserbeckenwater basin
- 1717
- Auflagerolle 3supporting role 3
- 1818
- Auflagerolle 4supporting role 4
- 1919
- Antrieb 4drive 4
- 2020
- Antrieb 5 (Raupenabzug)drive 5 (caterpillar haul-off)
- 2121
- Hackerhacker
Claims (10)
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