DE3445483A1

DE3445483A1 - Keramisches beschichtungsmaterial

Info

Publication number: DE3445483A1
Application number: DE19843445483
Authority: DE
Inventors: Axel Dr. 6719 Göllheim Eschner; Günter Dr. 6200 Wiesbaden Gelsdorf; Urban 5433 Siershahn Pfeil
Original assignee: Didier Werke AG
Current assignee: Didier Werke AG
Priority date: 1984-12-13
Filing date: 1984-12-13
Publication date: 1986-06-26
Also published as: DE3445483C2

Description

Keramisches Beschichtungsmaterial
Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsmaterial auf der Basis Al203 und Si02-haltiger körniger keramischer Rohstoffe und einem Bindemittel für thermisch beanspruchte Metallteile.
Keramische Massen dieser Art mit Al203 und Si02 enthaltender Schamotte werden insbesondere zum Beschichten von thermisch beanspruchten Metallteilen verwendet, die hohen chemischen und/oder physikalischen Angriffen ausgesetzt sind, wie Säurebehälter, kamine oder Druckreaktoren. Diese Metallteile müssen unter anderem gegen Korrosion geschützt werden, um ihre Standfestigkeiten und damit die Sicherheit der daraus hergestellten Behälter zu gewährleisten. Keramische Beschichtungsmaterialien weisen dabei eine Reihe von Vorteilen auf, da sie weitestgehend säurebeständig sind und hohen Temperaturbelastungen, auch Temperaturwechselbelastungen, standhalten.
Diesen Vorteilen steht insbesondere ein Problem anwendungshindernd entgegen. Keramische Materialien mit Al203 und Si02 enthaltender Schamotte haben geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten, die unterhalb von 7 10-6K-und insbesondere bei etwa 5 10-6K-1 liegen.
Demgegenüber liegen die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der meisten Metalle weit darüber.
Thermische Belastungen beispielsweise eines mit einem Al203- und Si02-haltigen keramischen Material beschichteten Metallbehälters führen dann dazu, daß sich die metallische Wandung stärker ausdehnt, als das keramische Beschichtungsmaterial. Die Folge sind Risse bzw. ein Abscheren des keramischen Beschichtungsmaterials. Zur Abhilfe wird versucht, die thermische Ausdehnung der Metallteile durch entsprechende Kühlung zu steuern und so der des keramischen Beschichtungsmaterials anzupassen. Ein solches Vorgehen ist jedoch nichtnur sehr umständlich, sondern auch sehr ungenau und löst die beschriebenen Probleme nicht.
Der Erfindung liegt insoweit die Aufgabe zugrunde, eine Lösungsmöglichkeit aufzuzeigen, thermisch beanspruchte Metallteile mit einer keramischen Beschichtung zu versehen, die einerseits die beschriebenen Vorteile einer keramischen Beschichtung weiterhin gewährleistet, und andererseits auch bei Temperaturbeanspruchungen bis 600 C einen sicheren Schutz für die darunterliegenden Metallteile gewährleistet. Insbesondere sollen mechanische Spannungen zwischen keramischem Beschichtungsmaterial und beschichtetem Metallteil verhindert werden, die zu Rißbildungen bzw. zu einem Abplatzen der Beschichtung führen.
Erfindungsgemäß wird hierzu ein Beschichtungsmaterial auf der Basis Al203-und Si02-haltiger körniger keramischer Rohstoffe und einem Bindemittel vorgeschlagen, bei dem die keramischen Rohstoffe Schamotte und einen solchen Anteil Kieselsäurerohstoff (Si02-Rohstoff) mit den Modifikationen Cristobalit und Tridymit aufweisen, daß die thermische Ausdehnung des Beschichtungsmaterials in Temperaturbereichen bis 600 C der des zu beschichtenden Metallteils angepaßt ist.
Die Erfindung beschreitet damit einen völlig anderen Weg als die bisherigen Lösungsversuche für das geschilderte Problem, indem sie vorschlägt, die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Beschichtungsmaterials zu beeinflussen.
Diese Beeinflussung erfolgt dabei erfindungsgemäß über einen auf die jeweiligen Anwendungsbedingungen einzustellenden Anteil an Kieselsäurerohstoff mit Cristobalit und/oder Tridymit. Cristobalit und Tridymit weisen Wärmeausdehnungskoeffizienten von über 18 10-6K-1 auf im Temperaturbereich bis 600 C.
Die Auswahl des geeigneten keramischen Rohstoffes bzw. der notwendigen Mengenanteile an Cristobalit und/oder Tridymit erfolgt dabei nach folgenden Kriterien: Zuerst muß der Temperaturbereich festgelegt werden, bzw. die Temperatur, bis zu der die beschichteten Metallteile im Kontaktbereich zwischen Beschichtung und Metall im Betrieb erhitzt werden, beispielsweise 500 C.
Im Anschluß daran ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des zu beschichtenden Metallteils, das als solches ja unverändert bleiben soll, zu ermitteln, beispielsweise 14 10-6K-1. Schließlich sind dann die keramischen Rohstoffe, die als Beschcihtungsmaterial dienen sollen, und insbesondere der Anteil an Kieselsäurerohstoff mit Cristobalit und/oder Tridymit so abzustimmen, daß sich für den beispielhaft genannten Temperaturbereich von 20 bis 500 C ebenfalls ein thermischer Ausdehnungskoeffizient von 14 10-6K-1 ergibt, beispielsweise durch Zumischen von 60 Gew.-Teilen Kieselsäurerohstoff zu 40 Gew.-Teilen einer sauren Schamottequalität.
Bei der Anwendung ergibt sich für einen mit einer derartigen Beschichtung versehenen Metallbehalter dann bei der Betriebstemperatur von 500 .C, daß es aufgrund gleicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten zu keiner Differenzwärmedehnung an der Kontaktfläche zwischen Metall und keramischem Beschichtungsmaterial mehr kommt. Die Kontaktfläche ist vielmehr spannungsfrei.
Bei einer solchen Abstimmung der thermischen Eigenschaften des Metalls bzw.
keramischen Beschichtungsmaterials ergibt sich aber noch ein weiterer Vorteil. Das Beschichtungsmaterial weist, abhängig von seiner Schichtdicke, wärmedämmende Eigenschaften auf, so daß Schichten des Beschichtungsmaterials mit zunehmendem Abstand zur Kontaktfläche Metall/Keramik höhere Temperaturen aufweisen, und damit in diesen Bereichen auch eine größere thermische Ausdehnung.
Die Folge ist, daß das Beschichtungsmaterial oberhalb seiner Kontaktfläche mit dem Metall unter leichter Druckspannung steht, was sich als besonders vorteilhaft für die Standfestigkeit der Beschichtung erwiesen hat.
Das erfindungsgemaße Beschichtungsmaterial kann als Dispersion oder grobkörniges Gemenge zur Verfügung gestellt werden. Es ist als Mörtel, Spritz- oder Stampfmasse, je nach Auswahl der keramischen Rohstoffe und deren Kornaufbau, verwendbar. Hierzu wird das Beschichtungsmaterial mit einem Bindemittel, wie z.B. Natriumsilikat, Alkaliphosphat, evtl. feinteiligem Ton oder Tonerde (Al203) und Wasser angemacht und in bekannter Weise verarbeitet.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche sowie den übrigen Anmeldungsunterlagen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen näher erläutert.
Als Rohstoffe für das keramische Beschichtungsmaterial werden verwendet: keramischer Rohstoff thermischer Ausdehnungskoeffizient 20 bis 500 C (K-1) SiO2-Rohstoff mit Tridymit und Cristobalit 19*10-6 saure Schamotte 6.10-6 Beschichtet werden soll ein Metallbehälter aus der Stahllegierung 25 CrM04 (Werkstoff-Nr. 1.7218), und ein Metallbehälter aus der Stahllegierung X215Cr12 (Werkstoff-Nr. 14721) mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient des Stahls im Temperaturbereich von 20 bis 500 C von 13,8'10-6K-1 bzw.
11 ,2*10-6K-1.
Diese Werte werden für das Beschichtungsmaterial durch Mischen von 60 Gew.-Teilen SiO2-Rohstoff mit Tridymit und Cristobalit mit 40 Gew.-Teilen saurer Schamotte bzw. 40 Gew.-Teilen SiO2-Rohstoff und 60 Gew.-Teilen saurer Schamotte, wobei der Mischung jeweils ein für die Verarbeitung notwendiger Anteil eines Binders auf der Basis von Natriumsilikat zugemischt ist, erreicht.
Die unter Zusatz von Wasser durch Spritzen auf die innere Wand des Metallbehälters aufgebrachte und getrocknete Beschichtung ist säurebestandig, mit Ausnahme gegenüber Flußsäure, und sie ist insbesondere bei der hier beispielhaft angegebenen Betriebstemperatur des beschichteten Behälters von 500 ec an der Kontaktfläche zum Metallmantel aufgrund gleich Wärmedehnung mit diesem spannungsfrei, so daß eine absolut sichere Maßhaltigkeit und Standfestigkeit gewährleistet ist.
Als besonders geeignete Anwendungsbereiche für das erfindungsgemäße Beschichtungsmaterial werden beispielhaft genannt: Säurebau, Aggregate, ir denen es zu Taupunkt-Unterschreitungen von Rauchgas kommt, Metallkamine, petrochemische Anlagen und Druckreaktoren.
Unter dem Begriff Metallteile werden erfindungsgemäß auch solche aus Metall-Legierungen verstanden.

Claims

Keramisches Beschichtungsmaterial Patentansprüche: 1. Beschichtungsmaterial auf der Basis Al203 und SiO2-haltiger körniger keramischer Rohstoffe und einem Bindemittel für thermisch beanspruchte Metallteile, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Rohstoffe Schamotte und einen solchen Anteil Kieselsäurerohstoff (Si02-Rohstoff) mit den Modifikationen Cristobalit und Tridymit aufweisen, daß die thermische Ausdehnung des Beschichtungsmaterials in Temperaturbereichen bis 600 C der des zu beschichtenden Metallteils angepaßt ist.
2. Beschichtungsmaterial nach Anspruch 1, mit einem Kieselsäurerohstoff aus umgewandeltem Quarzit mit Cristobalit- und/oder Tridymitanteil.
3. Beschichtungsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kieselsäurerohstoff mit Cristobalit und/oder Tridymit im Temperaturbereich bis 600 C einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 15 bis 25.10-6K-1 aufweist und in einer Menge von 20 bis 80 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge des Beschichtungsmaterials, vorliegt.
4. Beschichtungsmaterial nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kieselsäurerohstoff mit Cristobalit und/oder Tridymit im Temperaturbereich bis 600 C einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 18 bis 20 10-6K-1 aufweist und in einer Menge von 40 bis 60 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmenge des Beschichtungsmaterials, vorliegt.
5. Beschichtungsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem im Temperaturbereich bis 600 C mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 11 bis 14.10-6K-1.
6. Beschichtungsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer maximalen Körnung von 0,5 mm.
7. Beschichtungsmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer maximalen Körnung von 6 mm.
8. Verwendung eines Beschichtungsmaterials nach einem der AnsprUche 1 bis 6 zur Herstellung eines Mörtels oder einer Spritzmasse.
9. Verwendung eines Beschichtungsmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 7, zur Herstellung einer Stampfmasse.