DE2946685C2

DE2946685C2 - Verfahren zur Herstellung eines mit katalyseförderndem Metaloxid beschichteten, in einem Metallmantel angeordneten Verbundkörpers

Info

Publication number: DE2946685C2
Application number: DE2946685A
Authority: DE
Inventors: Alfred 6451 Erlensee Bozon; Edgar Dr. 8755 Alzenau Koberstein; Hans-Dieter Dr. 6463 Freigericht Pletka; Herbert Ing.(grad.) 6450 Hanau Völker
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1979-11-20
Filing date: 1979-11-20
Publication date: 1985-06-20
Also published as: GB2063748A; IT8068770A0; IT1129877B; JPS571585A; US4316823A; SU1069610A3; BR8007509A; FR2470245A1; JPS6057426B2; GB2063748B; DE2946685A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mechanisch stabilen, mit katalyseförderndem Metalloxid beschichteten, in einem Metallmantel angeordneten Verbundkörpers, der aus abwechselnd aufeinander angeordneten glatten und gewellten bzw. gefalteten Blechen aus zunderbeständigem und hochtemperaturfestem Metall besteht, wobei die Bleche als Vorform des Verbundkörpers zu einem Paket geschichtet oder spiralig aufgewickelt sind, genannte Vorform an ihren Stirnflächen verschweißt ist und der Verbundkörper in den Metallmantel eingesetzt und mit diesem mittels eines über den Metallmantel entsprechend einem gewünschten Schweißnahtverlauf geführten Schweißwerkzeuges unter Einbeziehung mindestens seiner äußeren Blechlage verschweißt ist.

Ein derartiges Verfahren geht aus den beiden zusammengehörenden deutschen Offenlegungsschriften 27 20 32? und 27 27 967 hervor.

Dort ist beschrieben, bei einem in einem Gehäuse angeordneten Katalysatoreinsatz aus zwischen sich Gasdurchlässe bildenden, übereinandergeschichteten Metallfolien diese untereinander mittels Elektronenstrahl- oder Laserschweißens zu einem in sich festen Einsatz zu verbinden und die äußere Lage der Metallfolien in dem den Einsatz umgebenden Gehäuse durch Elektronenstrahlverschweißung zu befestigen bzw. den gegebenenfalls stirnseitig mittels Laserstrahl, z. B. stirnseitig mehrfach überkreuzend verschweißten Einsatz dadurch stirnseitig mit dem Gehäuse zu verschweißen, daß der Laserstrahl von innerhalb der Längsprojektion des Einsatzes nach außen gerichtet geführt wird.

Die Elektronenstrahl-Verschweißung erfordert neben einer aufwendigen Apparatur ein Arbeiten unter hohem Vakuum, das Laserstrahl-Schweißen setzt die Beschaffung eines kostspieligen Hochleistungs-Lasers voraus und birgt daneben die Gefahren des Arbeitens mit Laserstrahlen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem der Aufwand zur Verschweißung der Metallfolien untereinander zu einer mechanisch stabilen Einheit und eine Befestigung dieser Einheit in einem Metallgehäuse möglichst gering gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung mechanisch stabilen, mit katalyseförderndem Metalloxid beschichteten, in einem Metallmantel angeordneten Verbundkörpers, der aus abwechselnd aufeinander angeordneten glatten und gewellten bzw. gefalteten Blechen aus zunderbeständigem und hochtemperaturfestem Metall besteht, wobei die Bleche als Vorform des Verbundkörpers zu einem Paket geschichtet oder spiralig aufgewickelt sind, genannte Vorform an ihren Stirnflächen verschweißt ist und der Verbundkörper in den Metallmantel eingesetzt und mit diesem mittels eines über den Metallmantel entsprechend einem gewünschten Schweißnahtverlauf geführten Schweißwerkzeuges unter Einbeziehung mindestens seiner äußeren Blechlage verschweißt ist, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Vorform des Verbundkörpers mit einer ihrer Stirnseiten auf eine mit einem Pol einer Stromquelle verbundene Basis-Elek-

tronenplatte legt, die obere, gegenüberliegende Stirnseite mit einer zweiten, mit dem anderen Pol der Stromquelle verbundenen Deck-Elektronenplalte beschwert und Schweißstrom durch die Anordnung leitet, hierauf den Körper so wendet, daß die noch .!..!verschweißte obere Stirnfläche auf die Basis-Elektrodenplalte zu liegen kommt und den Schweißvorgang wiederholt, dann die Verschweißung mittels eines LichtbogenschweiG-werkzeugs vornimmt und schließlich das Innere des Verbundkörpers mit einem katalyseförderndem Metalloxid beschichtet

Dazu kann wie folgt vorgegangen werden: Ein Metallkörper aus spiralig aufgewickelten, abwechselnd aufeinander angeordneten glatten und gewellten Blechen, die sogenannte Vorform des Verbundkörpers, wird mit einer Stirnseite auf eine Elektrodenplatte, z. B. aus Kupfer, gelegt Die Platte wird mit einem Pol eines Lichtbogenschweißgerätes verbunden. Auf die nach oben zeigende zweite Stirnfläche des Metallkörpers legt man ebenfalls eine Elektrodenplatte und verbindet sie mit dem anderen Pol des Lichtbogenschweißgerätes. Durch Einschalten des Stromkreises für ca. 2 bis 3 Sekunden erfolgt mit Stromstärken von ca. 240 A die Verschweißung der Folienränder an der unteren Stirnseite. Dieser Schweißvorgang kann mehrmals wiederholt werden. Nach dem Verschweißen der unteren Stirnfläche wird der Metallkörper umgedreht und es erfolgt in der gleichen Art und Weise die Verschweißung der Folienränder an der zweiten Stirnfläche.

Nach dem Einsetzen des erhaltenen Verbundkörpers in eine metallene Umhüllung, z. B. ein Mantelrohr, kann eine feste Schweißverbindung zwischen dem Verbundkörper und seinem Mantel mit demselben Gerät durchgeführt werden. Dazu wird der den Verbundkörper enthaltende Metallmantel auf eine Kontaktplatte gelegt, welche mit einem Pol des Lichtbogenschweißgerätes verbunden ist und mit einer mit dem anderen Pol des Lichtbogenschweißgerätes verbundenen Elektrode eine Schweißnaht beliebigen Verlaufs gelegt, welche den Mantel mindestens unter Einbeziehung der äußersten Folienlage erfaßt und damit eine mechanisch stabile Schweißverbindung zwischen Verbundkörper und Mantel herstellt.

Der Verbundkörper wird dann mit einem üblichen Trägermaterial für Katalysatoren überzogen und kann hierauf mit Lösungen aktiver Katalysator-Metalle behandelt werden. Dabei werden die einzelnen Lagen an ihrer Oberfläche, z. B. durch Washcoaten, mit einem katalysefördernden Trägermaterial, wie aktives AI2O3, überzogen. Als Zusätze können in diesem Metalloxid noch die Elemente Cer, Zirkon, Eisen, Nickel, Seltene Erden oder eine Kombination aus diesen in Form ihrer Oxide eingebaut werden.

Nach einer bevorzugten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet man eine mit Rillen versehene Basis-Elektrodenplatte. Gegebenenfalls kann man auch eine mit Rilleii versehene Deck-Elektrodenplatte verwenden.

Die besten Verschweißergebnisse werden erhalten, wenn die Abstände zwischen den die Rillen trennenden Erhöhungen den Abständen zwischen den glatten Blechen des zu fertigenden Verbundkörpers entsprechen.

Die Gleichmäßigkeit der stirnseitigen Verschweißung kann erhöht werden, indem man dabei mehrmals Schweißstrom durch die Anordnung leitet und jeweils dazwischen den auf der Basis-Elektrodenplatte aufliegenden Verbundkörper um seine Vertikalachse etwas verdreht.

Sowohl bei der stirnseitigen Verschweißung wie bei der mantelseitigcn Verschweißung kann Schutzgas mitverwendet werden, sofern die verwendeten Materialien dies erfordern.

Auf den Stirn- und mantelseitig verschweißten und noch unbeschichteten Verbundkörper kann man eine Dispersion eines katalysefördernden Metalloxids aufbringen, das Dispersionsmittel durch Trocknen entfernen und den beschichteten Körper anschließend tempern.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenigstens für den Verbundkörper eine das Element Aluminium enthaltende zunderfeste und hochtemperaturbeständige Chronistahllegierung zu verwenden.

Dabei ist günstig, den Verbundkörper vor der Beschichtung mit dem Metalloxid in sauerstoffhaltiger Atmosphäre bei Temperaturen zwischen 600 und 1200⁰C vorzutempern.

Die Erfindung erlaubt mit einfachen Mitteln das Verschweißen von zu einem Paket geschichteten oder spiralig aufgewickelten, abwechselnd gewellten bzw. gefalteten und glatten Metallfolien zu einem Verbundkörper und das Befestigen desselben in einem metallenen Gehäusemantel. Dabei werden wesentlich weniger Zeitaufwand und einfpchere Mittel als bei den bisher verwendeten Verfahren benötigt. Hinzu kommt, daß das erfindupgsgemäße Verfahren mit keinem Sicherheitsrisiko behaftet ist. Der erfindungsgemäß in einem Mantel angeordnete und mit katalyseförderndem Metalloxid beschichtete Verbundkörper weist gegenüber vergleichbaren bekannten Ausführungen eine unerwartet hohe mechanische Stabilität auf, die sich durch Messung der zum stirnseitigen Auspressen des Lagenverbundes benötigten Kraft nachweisen läßt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt

Fig. 1 eine Anordnung zum stirnseitigen Verschweißen abwechselnd glatter und verformter Metallfolien, in welcher die Ziff. 1 den Elektrodenhalter und die Ziff. 2 die Stromzuführung darstellen. Der Metallkörper 3, die sogenannte Vorform des Verbundkörpers, wird zwischen zwei Elektrodenplatten aus Kupfer angeordnet, die entweder glatt oder mit Rillen versehen sind. Der Metallkörper mit den beiden Kupferplatten liegt auf einer Grundplatte 5 auf. Der Elektrodenhalter 1 ist über ein Amperemeter 6, die Grundplatte direkt mit einer Stromquelle 7 verbunden;

Fig.2 eine Anordnung zum Herstellen einer festen Schweißverbindung zwischen Verbundkörper und Mantel, in welcher die Ziff.l den Elektrodenhalter mit Schutzgaszuführung 3 und die Ziff. 2 die Schweißelektrode darstellen. Der Mantel 4 mit dem darin enthaltenen Verbundkörper liegt auf der Kontaktplatte 5 auf. Der Elektrodenhalter ist über ein Amperemeter 6, die Kontaktplatte direkt mit einer Stromquelle 7 verbunden;

F i g. 3 einen Querschnitt durch eine gerillte, für stirnseitiges Verschweißen vorgesehene Elektodenplatte und

Fig.4 verschiedene mögliche Formen der Schweißverbindung zwischen Verbundkörper und Gehäuse in schematischer Darstellung.

Beispiel 1
(Vergleichsbeispiel)

Ein Metallkörper aus einer Legierung bestehend ?us 15% Chrom, 4% Aluminium, Rest Eisen, von 60 mm Durchmesser und 76,2 mm Länge mit 46 Zellen/cm², hergestellt durch spiralförmiges Aufwickeln einer glatten und einer gewellten Lage, wird nach dem Einsetzen in eine metallene Hülse stirnseitig mittels eines Elektronenstrahles verschweißt.

Die Verbindung zwischen Verbundkörper und Mantel erfolgt ebenfalls durch Elektronenstrahlverschweißen, und zwar in Form einer Spirale wie in Fig.4d abgebildet.

Zur Schaffung einer verankerungsgünstigen Oberfläche werden Verbundkörper und Gehäuse in einem sauerstoffhaltigen Gas 3 Stunden bei 95O⁰C erhitzt. Nach dem Abkühlen erfolgt die Belegung mit aktivem AI2O3 nach dem Washcoat-Verfahren. Anschließend wird das Dispersionsmittel durch Trocknen entfernt und der beschichtete Körper getempert.

Beispiele 2—6
(gemäß der Erfindung)

Jeweils ein Metallkörper, wie in Beispiel 1 beschrieben und hergestellt, wird nach dem Aufwickeln der abwechselnd gewellten und glatten Lagen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren mittels einer Vorrichtung, wie in F i g. 1 gezeigt, an den Stirnseiten verschweißt. Zu diesem Zweck wird durch den die Vorform des Verbundkörpers darstellenden Metallkörper für ca. 2—3 Sekunden ein Wechselstrom von ca. 240 Ampere, bei einer Spannung von 220 V, durchgeleitet- Dieser Vorgang wird gegebenenfalls unter Drehung des zu schweißenden Körpers um die Zylinderachse mehrmals wiederholt Dadurch erfolgt die Verschweißung der unteren Stirnfläche. Nach dem Wenden des erhaltenen partiell fixierten (halbfertigen) Verbundkörpers wird für die zweite Stirnfläche der Vorgang gleichermaßen durchgeführt

Sind die beiden Stirnflächen verschweißt, kann der fertige Verbundkörper in eine passende fvjetallhülse eingeführt werden. Die Verbindung mit der Hülse wird dann mit dem sogenannten WIG-Verfahren (Wolfram-Inertgas-Schweißen), wie in F i g. 2 gezeigt, nach einer der Nahtvarianten der F1 g. 4 hergestellt.

Die Verschweißung erfolgt mit Wechsel- oder Gleichstrom von 220 V bei einer Stromstärke von 40 A. Die Beschichtung mit Al₂Ch wird hierauf wie in Beispiel 1 vorgenommen.

Beispiel 3

Von den nach den Beispielen 1 und 2 — 6 gefertigten Katalysatorträgern wurde auf einer Prüfmaschine (Instron) mit Hilfe eines Stempels die zum Verschieben der verfestigten Lagen benötigte Auspreßkraft vermessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 enthalten.

Tabelle 1

Auspreßkräfte verschiedener Ausführungsformen

Beispiel

Fig. Nr.

Auspreßkraft (N)

1 (Vergleichsbeispiel)
2
3
4
5
6

4d

4b
4d
4e
4a
4c

9 123

8 927
16 284
14 322

19 620

20 110

Wie aus den Beispielen ersichtlich, können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bei geringerem Aufwand Washcoat-beschichtete Verbundkörper hergestellt werden, welche mindestens die gleichen Auspreßkräfte aufweisen wie herkömmliche Verbundkörper. Bei gleicher Ausführungsform wie im Vergleichsbeispiel bzw. anderen Varianten werden um bis zu über 100% höhere Auspreßkräfte erzielt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines mechanisch stabilen, mit katalyseförderndem Metalloxid beschichteten, in einem Metallmantel angeordneten Verbundkörper, der aus abwechselnd aufeinander angeordneten glatten und gewellten bzw. gefalteten Blechen aus zunderbeständigem hochtemperaturfestem Metall besteht, wobei die Bleche als Vorform des Verbundkörpers zu einem Paket geschichtet oder spiralig aufgewickelt sind, genannte Vorform an ihren Stirnflächen verschweißt ist und der Verbundkörper in den Metallmantel eingesetzt und mit diesem mittels eines über den Metallmantel entsprechend einem gewünschten Schweißnahtverlauf geführten Schweißwerkzeuges unter Einbeziehung mindestens seiner äußeren Blechlage verschweißt ist, dadurch gekennzeichnet, daß man die Vorform des Verbundkörpers mit einer ihrer Stirnseiten auf eine mit einem Pol einer Stromquelle verbundene Basis-Elektrodenplatte legt, die obere, gegenüberliegende Stirnseite mit einer zweiten, mit dem anderen Pol der Stromquelle verbundenen Deck-Elektrodenplatte beschwert und Schweißstrom durch die Anordnung leitet, hierauf den Körper so wendet, daß die noch unverschweißte obere Stirnfläche auf die Basis-Elektrodenplatte zu liegen kommt und den Schweißvorgang wiederholt, dann die Verschweißung von Verbundkörper und Metallmantel mittels eines Lichibogenschweißwerkzeugs vornimmt und schließlich das Innere des Verbundkörpers mit einem katalysefördernden Metalloxid beschichtet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine mit Rillen versehene Basis-Elektrodenplatte verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine mit Rillen versehene Deck-Elektrodenplatte verwendet.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen den die Rillen trennenden Erhöhungen den Abständen zwischen den glatten Blechen der Vorform des Verbundkörpers entsprechen.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der stirnseitigen Verschweißung mehrmals Schweißstrom durch die Anordnung leitet und jeweils dazwischen den auf der Basis-Elektrodenplatte aufliegenden Verbundkörper um seine Vertikalachse etwas verdreht.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Schweißvorgängen Schutzgas mitverwendet wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man auf den stirn- und mantelseitig verschweißten und noch unbeschichteten Verbundkörper eine Dispersion eines katalysefördernden Metalloxids aufbringt, das Dispersionsmittel durch Trocknen entfernt und den beschichteten Körper anschließend tempert.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man wenigstens für den Verbundkörper eine das Element Aluminium enthaltende zunderfeste und hochtemperaturbeständige Chromstahllegierung verwendet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man den Verbundkörper vor der Beschichtung mit dem Metalloxid in sauerstoffhaltiger Atmosphäre bei Temperaturen zwischen 600 und 1200° C vortempert.