DE3445483C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsmaterial auf der Basis Al₂O₃- und SiO₂-haltiger körniger keramischer Rohstoffe und einem Bindemittel für thermisch beanspruchte Metallteile bei Temperaturen bis 600°C des zu beschichtenden Metallteils.

Keramische Massen dieser Art mit Al₂O₃ und SiO₃ 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 Al₂O₃ und SiO₂ enthaltender Schamotte haben geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten, die unterhalb von 7 · 10^-6K^-1 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 Al₂O₃- und SiO₂-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 nicht nur 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 Temperaturen 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 Al₂O₃- und SiO₂-haltiger körniger keramischer Rohstoffe und einem Bindemittel vorgeschlagen, bei dem die keramischen Rohstoffe aus Schamotte und 20 bis 80 Gew.-% Kieselsäurerohstoff (SiO₂-Rohstoff) mit Cristobalit- und Tridymit-Anteilen bestehen, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 15 bis 25 · 10^-6K^-1 aufweist.

In weiterer vorteilhafter Ausbildung weisen die keramischen Rohstoffe 40 bis 60 Gew.-% Kieselsäurerohstoff auf, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 18 bis 20 · 10^-6K^-1 besitzt.

Durch die keramischen Rohstoffe wird ein Beschichtungsmaterial erhalten, dessen thermische Ausdehnung der des zu beschichtenden Metallteils angepaßt ist. Der mittlere thermische Ausdehnungskoeffizient des Beschichtungsmaterials bis 600°C kann 11 bis 14 · 10^-6K^-1 betragen.

Die Erfindung beschreitet 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 im Temperaturbereich bis 600°C von über 18 · 10^-6K^-1 auf.

Der Kieselsäurerohstoff des Beschichtungsmaterials besteht vorteilhaft aus durch Brennen umgewandelten Quarzit mit Cristobalit- und/oder Tridymit-Anteil. Das Beschichtungsmaterial nach der Erfindung kann zur Herstellung eines Mörtels oder einer Spritzmasse mit einer maximalen Körnung von 0,5 mm und zur Herstellung einer Stampfmasse mit einer maximalen Körnung von 6 mm verwendet werden.

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 Beschichtungsmaterial dienen sollen, und insbesondere der Anteil an Kieselsäurerohstoff mit Cristobalit und/oder Tridymit so abzustimmen, damit 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 Metallbehälter dann bei der Betriebstemperatur von 500°C, daß es aufgrund gleicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten zu keiner Differenzwärmeausdehnung an der Kontaktfläche zwischen Metall und keramischen 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 erfindungsgemäße Beschichtungsmaterial kann als Dispersion oder grobkörnige 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 (Al₂O₃) und Wasser angemacht und in bekannter Weise verarbeitet.

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 CrMO₄ (Werkstoff-Nr. 17 218), und ein Metallbehälter aus der Stahllegierung X215Cr12 (Werkstoff-Nr. 14 721) 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 säurebeständig, mit Ausnahme gegenüber Flußsäure, und sie ist insbesondere bei der hier beispielhaft angegebenen Betriebstemperatur des beschichteten Behälters von 500°C an der Kontaktfläche zum Metallmantel aufgrund gleicher Wärmeausdehnung 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, in 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 (5)

1. Beschichtungsmaterial auf der Basis Al₂O₃- und SiO₂-haltiger körniger keramischer Rohstoffe und einem Bindemittel für thermisch beanspruchte Metallteile bei Temperaturen bis 600°C des zu beschichteten Metallteils, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Rohstoffe aus Schamotte und 20 bis 80 Gew.-% Kieselsäurerohstoff mit Cristobalit- und Tridymitanteilen bestehen, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 15 bis 25 · 10^-6K^-1 aufweist.

2. Beschichtungsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Rohstoffe 40 bis 60 Gew.-% Kieselsäurerohstoff aufweisen, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 18 bis 20 · 10^-6K^-1 aufweist.

3. Beschichtungsmaterial nach Anspruch 1 mit einem Kieselsäurerohstoff aus durch Brennen umgewandelten Quarzit mit Cristobalit- und/oder Tridymitanteil.

4. Verwendung eines Beschichtungsmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 3, zur Herstellung eines Mörtels oder einer Spritzmasse.

5. Verwendung eines Beschichtungsmaterials nach einem der Ansprüche 1 bis 3, zur Herstellung einer Stampfmasse.