DE4220063C1 - Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht auf mit heißen Gasen, insbesondere Rauchgasen beaufschlagten metallischen Wänden - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht auf mit heißen Gasen, insbesondere Rauchgasen beaufschlagten und in einem vorgegebenen Tempera­ turbereich beanspruchten, metallischen und aus einem vorge­ gebenen Grundwerkstoff bestehenden Wänden von Verbrennungs­ anlagen, Wärmetauschern oder ähnlichen Anlagen, bei dem mit Hilfe des Plasmaspritzverfahrens auf die zuvor gereinigten, metallischen Wände zur Bildung der Schutzschicht ein Pulver aus metallischen, karbidischen, oxidkeramischen oder silici­ dischen Werkstoffen oder Mischungen dieser Werkstoffe aufge­ tragen wird.

Derartige Schutzschichten sollen z. B. auf Kühlwände von Ab­ hitzekesseln an Stahlkonvertern aufgetragen werden. Diese Wände sind besonders hohen Belastungen ausgesetzt. Auf der einen Seite strömen ca. 1400°-1800°C heiße, mit Asche und Schlackepartikeln beladene Rauchgase entlang, während auf der anderen Seite Sattdampfdrücke von ca. 20-80 bar herr­ schen. Die sattdampfgekühlten Rohrwände haben dabei Innen­ druck-Gradienten von bis zu 2 bar/min.

Aus der DE 23 55 532 C2 ist ein Verfahren zum Pulverauf­ tragsschweißen von Metallen und Legierungen auf eine durch Sandstrahlen vorbereitete, vorgewärmte Metallunterlage be­ kannt, bei dem die Metallunterlage zuvor auf mindestens 100 bis etwa 650°C erhitzt wird. Sowohl beim Auftragsschweißen mittels Stabelektrode als auch beim Pulverauftragsschweißen oder Flammspritzen mit nachträglichem Einschmelzen wird beim Aufbringen der Schutzschicht der Grundwerkstoff sehr stark erhitzt, was zu einer unerwünschten Gefügeänderung führt. Insbesondere bei dem Flammspritzen liegt die Einschmelztem­ peratur in Abhängigkeit von dem verwendeten Spritzpulver zwischen 980 und 1060°C. Bedingt durch die hohe Wärmeein­ bringung kommt es außerdem zum Verzug der zu beschichtenden Wände. Beim Einbau dieser Wände kann es dann zu Problemen und zusätzlichen Kosten wegen der Maßungenauigkeiten kommen. Wenn die Schutzschichten mit diesen bekannten Verfahren nachträglich aufgebracht werden, können die temperaturbe­ dingten Spannungen nicht in Form von Verzug reagieren, sondern führen bei den eingebauten Wandelementen zu Rissen in der Oberfläche, insbesondere im Bereich der Schweißnähte. Beim Austragsschweißen hat die Schutzschicht eine Dicke von etwa 8 bis 10 mm und beim Flammspritzen von 1 bis 2 mm.

Aus der DE-AS 26 30 507 ist außerdem ein Verfahren zur Her­ stellung von Schutzschichten auf Werkstücken gegen Heißgas­ korrosion und/oder mechanischen Verschleiß bekannt, bei dem mittels Plasmaspritzen im Vakuum ein aus verschiedenen Le­ gierungen bestehendes Beschichtungspulver auf das Werkstück aufgetragen wird. Bei diesem Vakuumspritzverfahren muß mit erheblichem Aufwand in einer von außen nicht zugänglichen Bearbeitungskammer ein Vakuum erzeugt und die Beschichtung durchgeführt werden. Bei größeren, z. B. im Abhitzekessel eingebauten Wänden ist dies nicht möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren vorzuschlagen, bei dem diese Probleme nicht auftreten und insbesondere der Verzug der Werkstücke und rißbildende Spannungen im Grundwerkstoff vermieden werden.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist im Kennzeichen des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die Unteransprüche 2 bis 10 enthalten sinnvolle ergänzende Verfahrensschritte.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vor dem Auftragen des Pulvers mit dem atmosphärischen Plasmaspritzverfahren nicht nur die Oberfläche der Wände aufgerauht, sondern auch der Grundwerkstoff der Wände in der Weise aktiviert, daß Störungen im metallischen Gitter erzeugt werden, wodurch die Adhäsionskräfte erhöht werden. Unmittelbar anschließend, be­ vor diese Störungen im Gitter wieder aufgehoben sind, wird dann unter atmosphärischen Bedingungen nach dem Plasma­ spritzverfahren das Pulver auf die Wände aufgetragen, deren Oberfläche dabei etwa Raumtemperatur behält.

Die Zusammensetzung des Pulvers wird in Abhängigkeit von dem vorhandenen Grundwerkstoff und den späteren Betriebsbedingungen, insbesondere den vorgegebenen Tempera­ turbereichen, bestimmt. Erfindungsgemäß sollen für den Übergangsbereich zwischen Grundwerkstoff und aufgetragener Schicht im nichtbeanspruchten Zustand, d. h. bei Raumtempera­ tur, Zugspannungen zwischen 50 und 800 N/mm², vorzugsweise zwischen 500 und 800 N/mm² vorliegen, die in dem vorgegebe­ nen beanspruchten Temperaturbereich im wesentlichen auf 0 abgebaut sind oder geringe Druckspannungen aufweisen. Diese Spannungszustände (vgl. beigefügte Figur) werden rechnerisch mit Hilfe der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Grundwerk­ stoff einerseits und von aus verschiedenen Pulvern herge­ stellten Probewerkstücken andererseits ermittelt. Eine Überprüfung der rechnerischen Bestimmung kann dann nach DIN 50 121 durchgeführt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann z. B. auf ebenen oder gebogenen Wänden von Verbrennungsanlagen, Wärmetau­ schern, insbesondere von Abhitzekesseln an Stahlkonvertern eine wärmeschockunempfindliche und reparaturfreundliche Schutzschicht gegen Heißgaskorrosion und/oder mechanischen Verschleiß erzeugt werden.

Es hat sich gezeigt, daß eine Endschichtdicke von 0,1 bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,15 bis 0,25 mm bereits ausreicht, um auch über einen wesentlich längeren Zeitraum als bisher mög­ lich einen nennenswerten Verschleiß zu verhindern. Zur Auf­ bringung einer derartigen Schutzschicht hat sich vor allem eine 80 KW-Plasmaspritzanlage mit Innenpulverzuführung als besonders geeignet erwiesen. Es wird dabei Pulver mit einer Korngröße von weniger als 75 µm, vorzugsweise 20 bis 40 µm verwendet. Mit diesem Pulver kann insbesondere eine sehr dünne Schicht aufgebracht werden, die die Bedingung der Wär­ meschockunempfindlichkeit und der Beständigkeit gegen Heiß­ gaskorrosion erfüllt, und hohe Eigenspannung, bedingt durch den prozeßbedingten laminaren Schichtaufbau, vermeidet. Die Gesamtschicht wird günstigerweise in mindestens zwei Über­ gängen hergestellt.

Vor dem Plasmaspritzen kann die zu behandelnde Oberfläche der Wände mit Edelkorund, vorzugsweise mit hochreinem weißen Edelkorund aufgerauht und aktiviert werden.

Weiterhin hat es sich als günstig erwiesen, daß beim erfin­ dungsgemäßen Verfahren die Oberfläche durch den Plasmastrahl und die darin aufgeschmolzenen Pulverpartikel nur auf ca. 40°C maximal 60°C erwärmt wird. Hierdurch kann insbeson­ dere ein Verzug der Wandflächen ausgeschlossen werden.

Zweckmäßig wird ein eine Ni-Legierung enthaltendes Pulver verwendet.

Es hat sich gezeigt, daß die atmosphärische Plasmabeschich­ tung spätestens 45 Min., vorzugsweise spätestens 30 Min. nach der Aktivierung der Oberfläche der Wände durchgeführt werden sollte.

Schließlich kann die Beanspruchungstemperatur der mit einer Schutzschicht behandelten Wände im Bereich zwischen 300 und 1800°C, vorzugsweise 600 und 1000°C liegen.

In der beigefügten Figur wird in einem Spannungs-Temperatur­ diagramm beispielhaft das Spannungsverhalten in der Über­ gangszone des Grundwerkstoffes und der aufgebrachten Schutz­ schicht im Temperaturbereich zwischen 0 und etwa 1200°C dargestellt. Grundlage sind dabei die gemessenen, mittleren linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Werkstoff­ partner.

Im nichtbeanspruchten Zustand der beschichteten Wandfläche eines Konverter-Abhitzekessels sind in der Übergangszone zwischen dem Grundwerkstoff und dem Beschichtungswerkstoff Zugspannungen oberhalb 600 N/mm² vorhanden.

Im Betriebszustand der beschichteten Abhitzekessel-Wandflä­ che wird die Spritzschicht plötzlich durch hohe Temperaturen der aus dem Konverter hochspritzenden Stahlschmelze und der heißen Schlacke beaufschlagt.

In dem Diagramm ist der Vorgang durch den Spannungsverlauf dargestellt, indem bei ca. 700°C der neutrale Spannungsbe­ reich durchlaufen wird und sich oberhalb 700°C in der Über­ gangszone Druckspannungen aufbauen, die ein Abplatzen der Schicht oder die Rißbildung in der Schicht verhindern. Durch die üblicherweise wassergekühlten Rohre der Abhitzekessel­ wände baut sich nach der Beanspruchung langsam der Zugspan­ nungszustand wieder auf, d. h. in dem Diagramm wird die ein­ gezeichnete Linie des Spannungsverlaufes in umgekehrter Richtung durchfahren. In der Figur ist lediglich ein bei­ spielhafter Spannungsverlauf abhängig von der Temperatur dargestellt. Für andere Beanspruchungsbereiche kann natur­ gemäß auch der sogenannte 0-Zustand statt bei 700°C auch bei 400° oder bei 800°C liegen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht auf mit heißen Gasen, insbesondere Rauchgasen beaufschlagten und in einem vorgegebenen Temperaturbereich beanspruchten, metallischen und aus einem vorgegebenen Grundwerkstoff bestehenden Wänden von Verbrennungsanlagen, Wärmetauschern oder ähnlichen Anla­ gen, bei dem mit Hilfe des Plasmaspritzverfahrens auf die zuvor gereinigten, metallischen Wände zur Bildung der Schutzschicht ein Pulver aus metallischen, karbidischen, oxidkeramischen oder silicidischen Werkstoffen oder Mischun­ gen dieser Werkstoffe aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Oberfläche der Wände aufgerauht wird,
• b) der Grundwerkstoff der Wände aktiviert wird und
• c) unmittelbar anschließend bei Raumtemperatur und unter atmospährischen Bedingungen nach dem Plasmaspritzver­ fahren das Pulver aufgetragen wird, wobei
• d) die Zusammensetzung des Pulvers zuvor so gewählt wird, daß die mit Hilfe der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Grundwerkstoff und von aus verschiedenen Pulvern herge­ stellten Probewerkstücken für den Übergangsbereich zwi­ schen Grundwerkstoff und aufgetragener Schicht ermit­ telte Spannung als Funktion der Temperatur im nichtbe­ anspruchten Zustand (bei Raumtemperatur) Zugspannungen zwischen 50 und 800 N/mm², vorzugsweise zwischen 500 und 800 N/mm², ergibt, die in dem vorgesehenen bean­ spruchten Temperaturbereich im wesentlichen auf 0 abge­ baut ist oder geringe Druckspannungen aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgetragene Schutzschicht eine Enddicke von 0,1 bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,15 bis 0,25 mm besitzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schutzschicht mit einer 80 KW-Plasma­ spritzanlage mit Innenpulverzuführung aufgetragen wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Pulver mit einer Korngröße von weniger als 75 µm, vorzugsweise 20 bis 40 µm zum Auftragen der Schutzschicht verwendet wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht in minde­ stens zwei Übergängen hergestellt wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Wände vor dem Plasmaspritzen mit Edelkorund, vorzugs­ weise hochreinem Edelkorund aufgerauht und aktiviert wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Wände durch den Plasmastrahl mit den darin aufgeschmolzenen Pulverpartikeln nur bis auf ca. 45°C, maximal 60°C erwärmt wird.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein eine Ni-Legie­ rung enthaltendes Pulver verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die atmosphärische Plasmabeschichtung spätestens 45 Min., vorzugsweise spätestens 30 Min. nach der Akti­ vierung der Oberfläche der Wände durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beanspruchungstemperaturen der Wände im Bereich von 300 bis 1800°C, vorzugsweise 600 bis 1000°C liegen.