DE2819378C2

DE2819378C2 -

Info

Publication number: DE2819378C2
Application number: DE2819378A
Authority: DE
Inventors: Rodney Irving Corning N.Y. Us Frost
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1977-06-20
Filing date: 1978-05-03
Publication date: 1988-11-17
Also published as: US4127691A; DE2819378A1; GB1565770A; FR2395240B1; FR2395240A1; JPS616034B2; JPS5416516A

Description

Die Erfindung betrifft einen Wabenkörper aus sprödem Material hoher mechanischer und Wärmeschockfestigkeit.

Wabenkörper oder dünnwandige Vielzellenkörper sind für verschie dene Anwendungszwecke von Bedeutung, in denen heiße, gasförmige oder flüssige Strömungen durch die Zellen oder von ihnen gebil dete Kanäle fließen. Besondere Bedeutung hat z. B. die Verwen dung als Träger für Katalysatoren oder als Wärmeaustauscher er langt. Sie bestehen meist aus Keramik, Glaskeramik, oder anderen spröden Stoffen (Glas, Metall, Metallkeramik) mit den für die ge dachte Verwendung passenden Eigenschaften, wie Feuerfestigkeit, chemische und mechanische Festigkeit, Abriebfestigkeit usw., wobei sie häufig durch Sintern des feinkörnigen Materials herge stellt werden. Die Wanddicke liegt meist bei 0,05-1,27 mm; das Porösitätsvolumen beträgt bis etwa 50%. Die Zellendichte liegt meist bei 20-900 Zellen pro 6,452 cm² (1 inch²) Querschnitts fläche. Zur Verminderung eines Strömungsrückstaus werden Wand dicken und Zelldichten zweckmäßig so gewählt, daß die offene Stirnfläche 75% oder größer ist.

Ein kritisches Problem ist häufiges Reißen und Brechen dieser Wabenkörper infolge hoher Wärmeschockbelastungen und starker Tem peraturunterschiede innerhalb der Wabenkörper über sehr kleine Entfernungen, ungleichmäßiges Erhitzen, Abkühlen und dergl. Es wird versucht, die thermische Festigkeit der Körper durch Ver wendung von Material sehr niedriger Wärmedehnung, poröser und Mikrorisse vermeidender Stoffe zu verbessern, was aber wegen der oft sehr hohen Wärmeschockbelastung nicht im erforderlichen Aus maß gelingt und weil andere Gesichtspunkte, wie erforderliche Feuerfestigkeit, der Verwendung anderer Stoffe entgegenstehen.

Es ist daher bereits versucht worden, durch besondere Form und geometrische Ausgestaltung der Zellenwände Abhilfe zu schaffen. So verwendet die US-PS 38 87 741 am Umfang gerillte Körper, wäh rend die US-PS 39 83 283 Diskontinuitäten aufweisende Zellwände vorsieht. Die DE-OS 27 08 908 schlägt konvex oder konkav ge krümmte Zellwände, die US-PS (Ser.-No. 7 11 987) Zellstrukturen mit T-L-Z-förmigen, kreuzförmiger und anderer komplexer Zellanordnung vor.

Die US-PS 38 99 326 beschreibt Wabenkörper mit einer Vielzahl längs durch den Körper führender Zellen gleicher Form und Größe. Die gleiche Form aller Zellen kann verschiedenen geometrischen Gestaltungen entsprechen, so können die Zellen quadratisch, sechs eckig, rhombusförmig usw. sein. Nach einer Ausbildung bestehen die Zellen aus Rechtecken, die nach Form eines Mauerwerks neben einander und übereinander zur darunterliegenden Reihe mittig ver setzt angeordnet sind (siehe die Fig. 4 der Patentschrift). Obwohl dies eine gegenseitige Abstützung der Zellen bietet, ist, wie auch in der Ausbildung der DE-OS 27 08 908, die gesamte Zell struktur starr und unnachgiebig, insbesondere an den kritischen Verbindungsstellen der Zellwände.

Es ist Aufgabe der Erfindung, Wabenkörper zu schaffen, welche eine hohe mechanische und Wärmeschockfestigkeit aufweisen, auch wenn sie aus vergleichsweise sprödem Material, Keramik, Metallkeramik oder spröden Metallen gefertigt sind.

Diese Aufgabe wird durch Wabenkörper mit einer Vielzahl längs durch den Körper führender Zellen, welche mit Ausnahme der Rand zellen die gleiche, im wesentlichen rechteckige Grundform und die gleiche Größe aufweisen, dadurch gelöst, daß die rechteckige Grundform aller Zellen im Verhältnis zur Breite die doppelte Sei tenlänge hat, jede der Zellen durch ein Paar gegenüberliegende lange Wandteile und ein Paar gegenüberliegende kurze Wandteile benachbarter Zellen begrenzt und von einer senkrecht zu ihr stehenden Zelle mit gemeinsamen kurzen Wandteilen und zwei weite ren Nachbarzellen mit je einer gemeinsamen Hälfte der langen Wand teile begrenzt ist, von denen die eine Nachbarzelle parallel, die andere senkrecht zu der umgebenen Zelle verläuft, die Verbindungs stellen der Zellwände beweglich sind und wärmebedingte Belastun gen und unterschiedliche Zusammenziehungen und Ausdehnungen kom pensieren.

Durch diese besondere Zellausgestaltung werden die Zellwände um die scharnierartig wirkenden Zellecken oder Wandstoßstellen "be weglich" und absorbieren oder kompensieren die durch Ausdehnung oder Zusammenziehung unterschiedlicher Stärke bei ungleichförmiger Wärmebelastung entstehenden Kräfte.

Anhand der Zeichnungen sei die Erfindung näher erläutert. Die

Fig. 1 zeigt schematisch einen Teil der senkrecht zur Körper längsachse liegenden Stirnfläche eines erfindungsgemäßen Waben körpers. Die

Fig. 2 zeigt schematisch die idealisierte Lageverschiebung der Zellwände, wenn einige Zellwände heißer und um etwa 10% stärker ausgedehnt sind als andere benachbarte Zellwände. Die

Fig. 3 zeigt den umgekehrten Fall, in dem einige Zellwände kälter und um 10% stärker kontraktiert als benachbarte Zellwände sind.

Der in der Fig. 1 gezeigte Wabenkörper 1 besteht aus einer Matrix miteinander verbundener Wandteile 2, welche eine Viel zahl rechteckiger Zellen 4 begrenzen. Die Zellen verlaufen längs durch den Wabenkörper, reichen in einer senkrecht zur Körperlängs achse verlaufenden Ebene durch den ganzen Körper, und haben mit Ausnahme nicht gezeigter Randzellen, die gleiche Form und Größe, so daß eine an der Stirnfläche des Wabenkörpers einleitende und durch die Zellen fließende Strömung in jeder Zelle den gleichen Strömungswiderstand erfährt. Die Länge dieser rechteckigen Zellen beträgt das Doppelte ihrer Breite. Die eine Zelle, z. B. die Zelle 4 a, begrenzenden Wände sind die miteinander verbundenen Wandteile 10, 11, 12, 13, 14, 15 gleicher Länge. Die Wandteile 10 und 13 bilden ein Paar gegenüberliegender kurzer Wände, die sich im Ausgangsfall im rechten Winkel mit dem Paar aus den normalerweise geraden Wand teilen 11, 12 und 14, 15 gebildeten langen Wänden der Zelle schneiden. Die Längsausdehnung der Zelle 4 a wird also bestimmt durch die Wandteile 11, 12, 14, 15, ihre Breite durch die Wand teile 10, 13.

Die nachgiebige Zellenform wird auch bei Berücksichtigung der Lage einer Zelle zu ihren anliegenden Nachbarzellen deutlich. Die Zelle 4 a wird z. B. von sechs Zellen 4 b-g umgeben. Sie teilt ihre kurzen Wandteile 10, 13 mit den Zellen 4 b, 4 e, welche senk recht zur Zelle 4 a stehen. Die Zellen 4 c, 4 d, 4 f, 4 g teilen die Hälfte eines langen Wandteils der Zelle 4 a (Wandteile 15, 14, 12, 11). Die Zellen 4 c, 4 f stehen senkrecht zur Zelle 4 a, während die Zellen 4 d, 4 g sich parallel zur Zelle erstrecken.

Trotz der Sprödigkeit des Zellenmaterials sind die Zellwände bis zu einem gewissen Grade biegungsfähig und beweglich, ohne zu brechen. Die Verformung nimmt die Belastung auf, die z. B. bei scharfen Temperaturunterschieden und Wärmeschocks mit entsprechen den Ausdehnungs- und Zusammenziehungsgefällen auftritt, und diese Belastungskompensation oder dieser Belastungsausgleich verhindert im Gegensatz zu Wabenkörpern starrerer Ausgestaltung, z. B. gleich mäßig ausgerichteten rechteckigen oder quadratischen Zellenformen nach US-PS 37 90 654 ein Reißen oder Brechen des Körpers.

Die Fig. 2 und 3 zeigen diesen Belastungsausgleich durch Zell verformung. Die gestrichelten Linien zeigen den belastungsfreien Zellenumriß der von den Wandteilen 10, 16, 17, 18, 19, 20 umgrenzten Zelle 4 b und der oben erläuterten Zelle 4 a. Die durchgehenden Linien ziegen eine idealisierte, durch Belastung verursachte Ver formung der Zellen 4 a und 4 b, beispielsweise bei ungleichmäßiger Erhitzung derart, daß diese Zellen heißer als die Nachbarzellen sind und infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnung die heißeren Wandteile um etwa 10% länger als die kälteren Wandteile der Nach barzellen sind. Die Wandteile 10-20 verbiegen sich daher, und verändern ihre Ausgangslage in die mit 10′-20′ bezeich nete Lage; entsprechend bewegen sich die Ecken aus der Lage 21-30 in die Lagen 21′-30′. Das diese verformten Zellen unmittelbar umgebende Zellenmaterial bildet eine kurze Übergangszone zu den kälteren Nachbarzellen.

Die Fig. 3 zeigt eine Zellverformung bei umgekehrter Belastung, wie sie beispielsweise eintritt, wenn die Zellen 4 a, 4 b kälter als die Nachbarzellen sind, so daß sich die kälteren Wandteile um etwa 10% verkürzen, und die Wandteile und Ecken aus der Normal lage 10-20, 21-30 in die verformte Lage 10′′-20′′, 21′′-30′′ bewegen. Auch hier besteht ein kurzer Übergangsbereich in un mittelbarer Nähe der Zellen 4 a, 4 b.

Die Ecken oder Wandstoßstellen sind also scharnierartig beweglich und gestatten eine belastungsausgleichende Bewegung der Zellen wände bei ungleichmäßiger Dehnung oder Zusammenziehung des Waben körpers, oder auch bei radialem Temperaturgefälle mit entsprechend unterschiedlicher Ausdehnung oder Zusammenziehung, z. B. bei starker Erhitzung oder Abkühlung der Körperoberfläche oder des Kerns des Wabenkörpers. Eine gewisse Aufnahme oder Kompensation dieser Ge fälle wird auch durch Zusammendrücken oder Strecken der Zellen in verschiedenen Richtungen, ohne eigentliche Lageveränderung der Zellenwände bewirkt; die Körper besitzen also eine erhebliche Belastungstoleranz.

Die hohe Wärmeschockfestigkeit wird aus einer Reihe von Versuchs beispielen deutlich. Mehrere Wabenkörper wurden mit einer Wand dicke von 0,25-0,3 mm (10-15 mils) nach dem Verfahren der US-PS 37 90 654 extrudiert. Zur Herstellung "biegsamer" Zellen wurden für 200 quadratische Zellen pro 6,452 cm² (1 inch²) ge eignete Stellen der Austrittsschlitze so blockiert, daß die er forderliche Zellform für "biegsame" Zellen mit insgesamt etwa 100 Zellen auf je 6,452 cm² entstand.

Zur Prüfung der Wärmeschockfestigkeit wurden die 7,6 cm langen und 9,42 cm im Durchmesser betragenden Wabenkörper im Ofen auf eine vorgewählte Temperatur erhitzt, rasch herausgenommen und wenn noch kein Riß festzustellen war, erneut auf eine um 100°C höhere Temperatur erhitzt, herausgenommen, und diese Behandlung wiederholt, bis ein Riß entstand. In einer Versuchsreihe bestanden die Wabenkörper aus 60 Gew.-% Zirkoniumoxid, 40 Gew.-% Magnesium- Aluminat-Spinell mit einer Wandporösität von 13-16 Volumen-%. Zwei dieser Körper mit einer Zelldichte von 200 quadratischen Zellen pro 6,452 cm² rissen noch nicht bei 700°C, jedoch bei 800°C, während zwei Körper mit 100 "biegsamen" Zellen pro 6,452 cm² bei 1000°C noch nicht gerissen waren. In einer zweiten Versuchsreihe bestanden die Wabenkörper aus dem gleichen Material wie zuvor, hatten aber eine Wandporösität von 26-31 Volumen-%. Hier waren zwei Körper mit 200 quadratischen Zellen pro 6,452 cm² bei 600°C noch heil, aber bei 700°C gerissen, während die Körper mit 100 "biegsamen" Zellen pro 6,452 cm² 1000°C heil überstan den. In einer dritten Versuchsreihe bestanden die Körper aus 50 Gew.-% Zirkoniumoxid, 50 Gew.-% Magnesium-Aluminat-Spinell keramik mit einer Wandporösität von 15 Volumen-%. Einer der 200 quadratische Zellen pro 6,452 cm² aufweisenden Körper über stand 700°C, riß aber bei 800°C, während der zweite schon bei 600°C riß. Die beiden Körper mit 100 "biegsamen" Zellen pro 6,452 cm² überstanden beide schadensfrei bei 1000°C.

In einem weiteren Verfahren zur Prüfung der Wärmeschockfestig keit wurden heiße Verbrennungsgase einer vorgewählten Eintritts temperatur und etwa 200°C warme Luft durch die Zellen von vier gleichen Wabenkörpern mit einem Durchmesser von 11,83 cm und einer Länge von 7,62 cm geleitet, und zwar jeweils 4 Minuten heiße Verbrennungsgase, 8 Minuten Warmluft. Nach 150 Behandlungs zyklen wurden die Körper auf Risse untersucht, und die Behand lung mit heißen Gasen einer anderen Eintrittstemperatur wieder holt, bis die Schwellentemperatur ermittelt war, bei welcher die Hälfte der Wabenkörper gerissen war. Bei Versuchen mit Waben körpern aus 45 Gew.-% Cordierit, 55 Gew.-% Mullit, 42 Volumen-% Wandporösität hatten die Versuchskörper mit 300 quadratischen Zellen pro 6,452 cm² eine Schwellentemperatur von 650°C, die Körper mit 100 "biegsamen" rechteckigen Zellen pro 6,452 cm² eine Schwellentemperatur zwischen 850-900°C. Aus anderen Ver suchen kann für Körper mit 200 quadratischen Zellen auf 6,452 cm² auf eine etwas, aber nicht mehr als um etwa 50°C höhere Schwellen temperatur geschlossen werden.

Wandstärke, Wandporösität und Zellendichte können in weiten, die in der Einleitung Erwähnten sogar überschreitenden Grenzen schwanken. Geeignet sind beispielsweise Wabenkörper mit 1,27 mm dicken Wänden, einer Zellendichte von 10 Zellen/6,452 cm², und 70% offener Stirnfläche. Die geometrische Form des Umfangs ist beliebig, z. B. kreisförmig, oval, polygonal usw.

Jedes für Wabenkörper der beabsichtigten Verwendung geeignete, spröde Material kann verwendet werden. Beispiele für entsprechende Stoffe aus Glas, Glaskeramik, Keramik, Metallkeramik (Cermet), oder spröden Metallen für dünnwandige Wabenkörper enthalten die US-PS 31 12 184 und 34 44 925. Möglich ist auch Herstellung von Wabenkörpern mit "biegsamen" Wänden aus sprödem Kohlenstoff, Graphit oder organischen Kunstharzen (Polymeren), deren Wärme schockfestigkeit erhöht werden soll.

Claims

Wabenkörper hoher mechanischer und Wärmeschockfestigkeit aus sprödem Materil, Keramik, Metallkeramik oder dergleichen, mit einer Vielzahl längs durch den Körper führender Zellen, welche mit Ausnahme der Randzellen die gleiche, im wesentlichen recht eckige Grundform und die gleiche Größe aufweisen, dadurch ge kennzeichnet, daß die rechteckige Grundform aller Zellen im Verhältnis zur Breite die doppelte Seitenlänge hat, jede der Zellen durch ein Paar gegenüberliegende lange Wandteile und ein Paar gegenüberliegende kurze Wandteile benachbarter Zellen be grenzt und von einer senkrecht zu ihr stehenden Zelle mit gemein samen kurzen Wandteilen und zwei weiteren Nachbarzellen mit je einer gemeinsamen Hälfte der langen Wandteile begrenzt ist, von denen die eine Nachbarzelle parallel, die andere senkrecht zu der umgebenen Zelle verläuft, die Verbindungsstellen der Zell wände beweglich sind und wärmebedingte Belastungen und unter schiedliche Zusammenziehungen und Ausdehnungen kompensieren.