DE4106633A1

DE4106633A1 - Spinnrad zur herstellung von mineralfasern

Info

Publication number: DE4106633A1
Application number: DE4106633A
Authority: DE
Inventors: Baerbel Dr Rer Nat Rummert; Lothar Beyerlein; Heike Pankrath; Wilfried Raehse
Original assignee: Mineralwolle Flechtingen GmbH
Current assignee: Mineralwolle Flechtingen GmbH
Priority date: 1991-02-28
Filing date: 1991-02-28
Publication date: 1992-09-03

Description

Die Erfindung betrifft die Ausbildung von Spinnrädern zur Herstellung von Mineralfasern, vorzugsweise durch eine Zerfaserung silikatischer Schmelzen künstlich hergestellter Mineralfasern, welche eine durch Schmelzauftrag erzeugte, wirksame gegenüber hohen mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen wirkende hochfeste Verschleiß schutzschicht aufweisen, wobei die hochfeste Schutzschicht mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere Plasmaspritzen auf getragen wird und aus keramischen, spritzfähigen Werkstoffgemischen besteht.

Es ist bekannt, daß beim Zerfasern silikatischer Schmelzen zur Herstellung von künstlich erzeugten Mineralfasern und ähnlichen Fasergebilden mittels Spinnrädern oder rotierenden Scheiben unterschiedliche Verschleißbeanspruchungen wie Kavitationskorro sion und Heißerosion auftreten. Dem Widerstand der Beaufschlagungs fläche des Grundkörpers der Spinnräder sind dabei Grenzen gesetzt, welche von den Werkstoffeigenschaften bestimmt sind.

Die am stärksten wirkenden und die Standzeit bestimmenden Parameter sind bei dem Zerfaserungsprozeß u. a. die chemische Korrosion in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung der silikatischen Schmelze, die hohe Temperaturbeanspruchung von 1100 bis 1700°C innerhalb kurzer Zeitintervalle, die Wärmeleitfähigkeit und Zähig keit der Spinnräder.

Nach dem bekannten Stand der Technik werden in der Hauptsache definierte Chrom-Nickel-Kobalt-Legierungen mit unterschiedlichen Gehalten an Spurenmetallen zur Beschichtung von Spinnrädern für die Zerfaserung von mineralischen Schmelzen zur Anwendung ge bracht.

Die Schriften gemäß der DE-EB 29 11 510, US-EB 43 67 083, US-EB 46 68 266, US-EB 47 61 169, US-EB 47 65 817, US-EB 47 67 432, US-EB 48 20 324, US-EB 45 10 400, US-EB 20 96 256, US-EB 41 11 673, US-EB 32 05 055, US-EB 33 16 074, US-EB 33 12 537, US-EB 35 54 719, US-EB 46 62 920, offenbaren die technischen Sachverhalte des Standes der Technik.

Durchgängig weisen bekannte technische Lösungen die Nach teile auf, daß in der Praxis notwendige Standzeiten infolge Nicht erzielung der Korrosionsbeständigkeit gegenüber chemischer und thermischer Natur in Verbindung mit den Verschleißanforderungen nicht erreicht werden.

Besonders problematisch ist die ständig zu verzeichnende Kombination und Überlagerung von chemischer und thermischer Korrosion sowie der mechanischen Verschleißbelastungen.

Die EP-PS 2 35 897 beschreibt einen Rotor für die Herstellung von anorganischen Stapelfasern. Die Oberfläche des Rotors ist mit aus einer oder mehreren aus keramischen oder metallkeramischen Schutz schichten gebildet. Als Auftragsverfahren wird das Plasmasprühver fahren genannt.

Dabei werden eine Vielzahl von Metall-Keramik und Keramikver bindungen angegeben, die zwar für die Herstellung einer Boro silikatkurzglasfaser relevant sind, aber nicht den chemischen Verhältnissen der Schmelze einer künstlich erzeugten Mineral faser entsprechen.

Ergebnisse aus der Anwendung der dargelegten, gegenüber Hoch temperaturerosion resistenten Materialüberzüge in der Praxis sind nicht bekannt. Der Grund dafür ist offensichtlich darin zu suchen, daß diese Überzüge nicht den Erfordernissen in vollem Umfange ge nügen.

Der bekannte Stand der Technik weist keine Lösung aus, die den An forderungen genügt, welche an die Schmelzauflauffläche von Spinn rädern für den Zerfaserungsprozeß von mineralischen Schmelzen ge stellten Verschleißanforderungen, die z. B. die Einführung eines Elektroofenschmelzbetriebes in der Mineralfaserindustrie zu stellen sind.

Die Belastungen sind dabei äußerst komplex. Sie tragen weitest gehend die charakteristischen Merkmale der Kavitationskorrosion und einer Heißerosion, wobei durch Überlagerung des mechanischen Ver schleißes sowie durch chemisch aggressive Medien und kurzfristige Temperaturschocks im Hochtemperaturbereich von 1800°C eine ständig wechselnde Beanspruchung zu verzeichnen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ausbildung von Spinnrädern zur Herstellung von Mineralfasern, vorzugsweise durch eine Zerfaserung silikatischer Schmelzen künstlich her gestellter Mineralfasern, welche eine durch Schmelzauftrag erzeugte, wirksame gegenüber hohen mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen wirkende hochfeste Verschleißschutzschicht auf weisen, wobei die hochfeste Schutzschicht mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere Plasmaspritzen aufgetragen wird und aus keramischen, spritzfähigen Werkstoffgemischen zu schaffen, die es gestattet, komplex auftretenden Korrosions- und Erosions belastungen der Spinnräder, welche mit bedeutenden mechanischen Bean spruchungen einhergehen, entgegenzuwirken, wobei die Ausbildung eine Verschleißschutzschicht aufweist, die mittels thermischen Spritzver fahren aufgetragen und im Verbund systematisiert ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Verschleiß schutzschicht mittels eines thermischen Spritzverfahrens insbesondere eines Plasmaspritzverfahrens aufgetragen wird und aus keramischen, spritzfähigen Werkstoffgemischen besteht, die aus

a) Aluminiumoxid (Al₂O₃), im Bereich von 90 bis 97 Masseprozent, Titandioxid (TiO₂) im Bereich von 1,8 bis 6 Masseprozent, Titannitrid (TiN) im Bereich von 1,2 bis 4 Masseprozent,
b) Aluminiumoxid (Al₂O₃) 60 Masseprozent und Titandioxid (TiO₂) 40 Masseprozent als Tialit,
c) Zirkonoxid (ZrO₂) im Bereich von 50 bis 60 Masseprozent, Chromoxid (Cr₂O₃) im Bereich von 22 bis 28 Masseprozent und Titannitrid im Bereich von 18 bis 22 Masseprozent,
d) Zirkonoxid (ZrO₂) im Bereich von 50 bis 70 Masseprozent, Chromoxid (Cr₂O₃) im Bereich von 24 bis 40 Masseprozent und Yttriumoxid (Y₂O₃) im Bereich von 6 bis 10 Masseprozent,
e) Chromoxid (Cr₂O₃) im Bereich von 80 bis 90 Masseprozent und Aluminiumoxid (Al₂O₃) im Bereich von 10 bis 20 Masse prozent zusammensetzt,

gebildet werden und miteinander in einer hochfesten Verschleiß schutzschicht den Anforderungen entsprechend zu kombinieren sind.

Die Erfindung ist vorteilhaft ausgestaltet, wenn die Elemente der Werkstoffgruppen a und b dem Aluminiumoxid (Al₂O₃) zugegeben sind und durch die Einwirkung der gewählten Plasmaatmosphäre im Plasmastahl in Oxide umgewandelt sind, wobei in einer Variante der erfindungsgemäßen Lösung wie ausgeführt, die gleichen Elemente durch Einwirkung der gewählten Plasmaatmosphähre in Nitride umgewandelt werden.

Ausgebildet ist die Erfindung dadurch, daß die Verschleißschutz schicht aus bis zu 97 Masse-% Aluminiumoxid (Al₂O₃), bis zu 6 Masse-% Titandioxid (TiO₂) und bis zu 4 Masse-% Titanhydrid TiH₄) gebildet ist, wobei in einer weiteren Form die Oberflächen schutzschicht aus bis zu 60 Masse-% Zirkonoxid (ZrO₂) bis zu 28 Masse-% Chromoxid (Cr₂O₃) und bis zu 22 Masse-% Titanhydrid (TiH₄) ausgebildet ist und eine mögliche Anwendungsform darin besteht, daß die Oberflächenschutzschicht aus bis zu 90 Masse-% Chromoxid (Cr₂O₃) und bis zu 20 Masse-% Aluminiumoxid (Al₂O₃) ausgebildet ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Oberflächenschutz schicht durch den Einsatz von Werkstoffgruppen gebildet, deren Verwendung durch den Gesamteisenoxidgehalt der mineralischen Schmelzen bestimmt ist. Mit zunehmendem Eisenoxidgehalt wird der Anteil zu Gunsten von Titannitrid (TiN) verschoben.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die aufgetragene Verschleißschutzschicht in ihren Parametern genau bestimmt und die Plasmaparameter, die Kühlung des Grundkörpers und Schichtdicke der Verschleißschutzschicht genau definiert sind, um eventuell existierende Phasenumwandlungen der Einzelkomponenten der keramischen Werkstoff gemische generell auszuschließen und einen guten Wärmeübergang von der keramischen Verschleißschutzschicht zum Spinnradgrundkörper zu ge währleisten. Dadurch besitzen die erfindungsgemäßen Spinnräder den Vorteil, einen gegenüber Kavitationskorrosion und Heißerosion hoch feste Verschleißschicht im Bereich der Beanspruchung auszubilden.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden:

Beispiel 1

Für mineralische Schmelzen mit einem Gesamteisenoxidgehalt von 5 Masse-% Spinnrad mit einer hochfesten Oberflächenschutzschicht aus einem keramischen Werkstoffgemisch von 95 Masse-% Aluminiumoxid (Al₂O₃), 3% Titandioxid (TiO₂) und 2% Titanhydrid (TiH₂) gebildet ist.

Haftgrundvorbereitung:
Bestrahlen der Oberfläche des Grundkörpers des Spinnrades mit Siliciumcarbid (SiC).

Bedingungen für die Plasmaspritzung:
Plasmagas bestehend aus einer Mischung von 90% Stickstoff (N₂) und 10% Wasserstoff (H₂).
Strom: 400 A.
Schichtdicke: 0,2 bis 0,4 mm.
Besonderheit: Kühlung des Grundkörpers mit N₂-Strahl.

Beispiel 2

Spinnrad mit einer hochfesten Oberflächenschutzschicht aus einem keramischen Werkstoffgemisch von 60 Masse-% Al₂O₃ und 40 Masse-% Titandioxid (TiO₂).

Haftgrundvorbereitung:
Strahlen der Oberfläche des Grundkörpers des Spinnrades mit Silicium carbid (SiC).
Strom: 400 bis 500 A.
Schichtdicke: 0,3 mm.

Beispiel 3

Wie Beispiel 2 mit folgender Modifizierung:

Für mineralische Schmelzen mit einem Gesamteisenoxidgehalt von 20 Masse-% erhält das Spinnrad eine hochfeste Oberflächenschicht aus einem keramischen Werkstoffgemisch von 50 Masse-% Zirkonoxid (ZrO₂) 25 Masse-% Chromoxid (Cr₂O₃) und 20 Masse-% Titanhydrit (TiH₂). Das Einbringen des Spritzpulvergemisches von Zirkonoxid (ZrO₂) und Titanhydrid (TiH₄) erfolgt an der heißesten Stelle des Plasmastrahles (Einblasstelle: 5 mm nach dem Düsenende). Einbringen des Chromoxides (Cr₂O₃) an einer Stelle des Plasma strahles, die mindestens 100°C niedriger liegt als die Einblas stelle des o. g. Gemisches, Einblasstelle: 8 mm nach dem Düsen ende.
Strom: 300 A.
Schichtdicke: 0,25 mm.

Beispiel 4

Spinnrad mit einer hochfesten Oberflächenschutzschicht aus einem keramischen Werkstoffgemisch von 60 Masse-% Zirkonoxid (ZrO₂), 32 Masse-% Chromoxid (Cr₂O₃) und 8 Masse-% Yttriumoxid (Y₂O₃).

Haftgrundvorbereitung:
Strahlen der Oberfläche des Grundkörpers mit Siliciumcarbid (SiC).

1Bedingungen für die Plasmaspritzung:
Plasmagas: Stickstoff (N₂).
Einbringen des Spritzpulvergemisches von Zirkonoxid (ZrO₂) und Yttriumoxid 3 bis 5 mm nach dem Düsenende.
Einbringen des Chromoxides (Cr₂O₃) an einer Stelle des Plasma strahles, die mindestens 100°C niedriger liegt als die Einblas stelle des o. g. Gemisches, Einblasstelle: 8 mm nach dem Düsen ende.
Strom: 450 A.
Schichtdicke: 0,3 mm.

Beispiel 5

Spinnrad mit einer hochfesten Verschleißschutzschicht aus einem keramischen Werkstoffgemisch von 90 Masse-% Chromoxid (Cr₂O₃) und 10 Masse-% Aluminiumoxid (Al₂O₃).

Bedingungen für die Plasmaspritzung:
Plasmagas: Stickstoff (N₂) oder Argon.
Einbringen des Spritzpulvergemisches von Chromoxid (Cr₂O₃) und Aluminiumoxid (Al₂O₃) 5 mm hinter der Düse.
Strom: 400 A.
Schichtdicke: 0,3 mm.

Claims

1. Spinnrad zur Herstellung von Mineralfasern, vorzugsweise durch eine Zerfaserung silikatischer Schmelzen künstlich hergestellter Mineralfasern, das eine durch Schmelzauftrag erzeugte, wirksame gegenüber hohen mechanischen, thermischen und chemischen Be lastungen wirkende hochfeste Verschleißschutzschicht auf weist, wobei die hochfeste Schutzschicht mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere Plasmaspritzen aufgetragen wird und aus keramischen, spritzfähigen Werkstoffgemischen besteht, die aus

a) Aluminiumoxid (Al₂O₃), im Bereich von 90 bis 97 Masse-%, Titandioxid (TiO₂) im Bereich von 1,8 bis 6 Masse-%, Titan nitrid (TiN) im Bereich von 1,2 bis 4 Masse-%.
b) Aluminiumoxid (Al₂O₃) 60 Masse-% und Titandioxid (TiO₂) 40 Masse-% als Tialit,
c) Zirkonoxid (ZrO₂) im Bereich von 50 bis 60 Masse-% Chromoxid (Cr₂O₃) im Bereich von 22 bis 28 Masse-% und Titannitrid im Bereich von 18 bis 22 Masse-%,
d) Zirkonoxid (ZrO₂) im Bereich von 50 bis 70 Masse-%, Chromoxid (Cr₂O₃) im Bereich von 24 bis 40 Masse-% und Yttriumoxid (Y₂O₃) im Bereich von 6 bis 10 Masse-%,
e) Chromoxid (Cr₂O₃) im Bereich von 80 bis 90 Masse-% und Aluminiumoxid (Al₂O₃) im Bereich von 10 bis 20 Masse-% zusammensetzt,

gebildet werden und miteinander in einer Anforderung entsprechende Verschleißschutzschicht zu kombinieren sind.

2. Spinnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente der Werkstoffgruppen a und b dem Aluminiumoxid (Al₂O₃) zugegeben sind, und durch die Einwirkung der Plasmaatmosphäre im Plasmastrahl in Oxide umgewandelt werden.

3. Spinnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente der Werkstoffgruppen a und b dem Aluminiumoxid (Al₂O₃) zugegeben und durch die Einwirkung der Plasmaatmosphäre im Plasmastrahl in Nitride umgewandelt sind.

4. Spinnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzschicht aus bis zu 97 Masse-% Aluminiumoxid (Al₂O₃), bis zu 6 Masse-% Titandioxid (TiO₂) und bis zu 4 Masse-% Titanhydrid (TiH₄) gebildet ist.

5. Spinnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzschicht aus bis zu 60 Masse-% Zirkonoxid (ZrO₂), bis zu 28 Masse-% Chromoxid (Cr₂O₃) und bis zu 22 Masse-% Titanhydrid (TiH₄) gebildet ist.

6. Spinnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzschicht aus bis zu 90 Masse-% Chromoxid (Cr₂O₃) und bis zu 20 Masse-% Aluminiumoxid (Al₂O₃) besteht.

7. Spinnrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschutzschicht durch den Einsatz von Werkstoff gruppen gebildet ist, deren Verwendung durch den Gesamteisen oxidgehalt der mineralischen Schmelzen bestimmt ist und mit zunehmendem Eisenoxidgehalt dessen Anteil zu Gunsten von Titannitrid (TiN) verschoben wird.