DE4225970C1 - Verfahren und Vorrichtung zur gleichmäßigen und reproduzierbaren Beschichtung von Wabenkörpern mit einem Beschichtungspulver - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Weiterbildung des in der Patentanmeldung P 41 35 055.3 offenbarten Verfahrens zur gleichmäßigen und reproduzierbaren Beladung von Wabenkörpern mit einer Imprägnierlösung.

Die Weiterbildung betrifft ein Verfahren zur gleichmäßigen und reproduzierbaren Beschichtung zylindrischer mit axialen Strömungskanälen versehener keramischer oder metallischer Wabenkörper, insbesondere für Katalysatoren, mit einem Beschichtungspulver, dessen Menge und Zusammensetzung auf eine gewünschte Beschichtungsdicke (in einem oder mehreren Schritten) des Wabenkörpers eingestellt ist. Die Beschichtung der Wabenkörper mit dem Beschichtungspulver erfolgt dabei durch Einbringen des Beschichtungspulvers in den Träger­ gasstrom, Durchströmen der Strömungskanäle der Wabenkörper mit dem so beladenen Trägergasstrom und Abscheiden des Beschichtungspulvers aus dem Trägergas­ strom auf die Wandungen der Strömungskanäle. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur automatischen Durchführung des Verfahrens in einer Serienproduktion.

Keramische oder metallische Wabenkörper werden auf dem Gebiet der katalytischen Autoabgasreinigung als Tragkörper für die katalytisch aktiven Komponenten eingesetzt.

Hierzu müssen sie zunächst mit einer hochoberflächigen Metalloxidbeschichtung aus zum Beispiel γ-Aluminiumoxid, Titanoxid, Siliziumoxid, Zeolithen oder deren Mischungen versehen werden. Diese Beschichtung dient ihrerseits als Träger für die katalytisch aktiven Edelmetallkomponenten, wobei die Edelmetallkomponenten bereits vorher auf das Pulver aufgebracht werden können. Die hierfür eingesetzten Metalloxidpulver haben mittlere Korngrößen zwischen 1 und 20 µm.

Zur Beschichtung der Wabenkörper mit den in Form eines Beschichtungspulvers vorliegenden hochoberflächigen Metalloxiden werden diese bisher in einem Überschuß einer wäßrigen Dispersion des Beschichtungspulvers getaucht oder mit einem Überschuß derselben durchspült. Dabei nehmen die Wabenkörper entsprechend ihrer individuellen maximalen Aufnahmekapazität immer unter­ schiedliche Stoffmengen auf, was für die Produktion einheitlicher Katalysatoren von Nachteil ist. Der Aufwand zur Herstellung und Einstellung der Dispersionen sowie die Entsorgung der Spülwässer ist beträchtlich und stellt einen wesentlichen Kostenfaktor dar.

Aus der US 4,746,537 Ist ein Verfahren zur Beschichtung eines Wabenkörpers mit ultrafeinen γ-Aluminiumoxid- Partikeln mit Korngrößen von etwa 0,05 µm bekannt, bei dem die ultrafeinen Partikel durch Verdampfen von Aluminiummetall mittels einer elektrischen Bogenentladung in einen oxidierenden Trägergasstrom hinein in situ erzeugt werden. Der zu beschichtende Wabenkörper wird von diesem Trägergasstrom durchströmt, wodurch die Partikel sich auf dem Wabenkörper abscheiden. Zur Fixierung der Partikel auf dem Wabenkörper muß dieser für die Dauer einer Stunde etwa auf 1200 bis 1300°C erhitzt werden.

Dieses Verfahren ist auf ultrafeine Partikel begrenzt, die aufgrund ihrer geringen Größe und der in situ Bildung eine hohe Reaktivität an der Oberfläche aufweisen und daher sehr gut auf der Oberfläche des Wabenkörpers und in seinen Poren haften. Diese Eigen­ schaften der Partikel führen aber vermutlich zu einem starken Gradienten der abgeschiedenen Schichtdicke in axialer Richtung und machen das Verfahren daher ungeeignet für eine gleichmäßige Beschichtung des Waben­ körpers. Darüber hinaus bietet dieses Verfahren keine Kontrolle über die tatsächlich abgeschiedene Aluminium­ oxidmenge. Partikel, die nicht auf dem Wabenkörper abgeschieden werden, gehen dem Beschichtungsprozeß verloren. Dies gilt insbesondere für vorgefertigte Standard-Beschichtungspulver mit Korndurchmessern größer als 1 µm, die eine geringere Haftungsneigung aufweisen als die in situ gebildeten ultrafeinen Aluminiumoxid- Partikel gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren. Standard- Beschichtungspulver lassen sich auf diese Weise nur mit einer geringen Ausbeute auf dem Wabenkörper fixieren. Die quantitative Abscheidung einer vorgegebenen Menge eines solchen Standardpulvers ist nach diesem Verfahren nicht möglich.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das es gestattet, eine vorgegebene Menge trockenen Beschichtungspulvers quantitativ in den Strömungskanälen eines Wabenkörpers mit guter Gleich­ mäßigkeit und Reproduzierbarkeit abzuscheiden. Eine zweite Aufgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit hoher Produktivität.

Die erste Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Wabenkörper zunächst mit einer Bindeflüssigkeit belegt und dann mit seiner effektiven Querschnittsfläche in einem geschlossenen Kreislauf von dem Trägergas durchströmt wird, in das die für die Beschichtung des Wabenkörpers notwendige Menge Beschichtungspulver auf der Anströmseite des Wabenkörpers in den Trägergasstrom eingeblasen und durch mehrfaches Umwälzen des Trägergases quantitativ in den Kanälen des Wabenkörpers mit guter radialer und axialer Gleichmäßigkeit abgeschieden wird.

Die gleichmäßige Beladung des Wabenkörpers wird hierbei durch eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Trägergas­ stromes in den Kanälen des Wabenkörpers und ein mehrfaches Umwälzen des Trägergases erzielt. Für die quantitative Abscheidung auf dem Wabenkörper sind die Verwendung einer Bindeflüssigkeit und die mehrfachen Gasumwälzungen in einem geschlossenen Kreislauf wesentlich.

Zur Erzielung einer quantitativen Abscheidung bei optimaler Gleichmäßigkeit muß die Strömungs­ geschwindigkeit in den Kanälen im Bereich zwischen 5 und 50 m/s liegen, und das während der Beschichtungszeit umgewälzte Gasvolumen das 500 bis 30.000-fache des Wabenkörpervolumens betragen. Durch die mehrfache Umwälzung wird das Pulver gleichmäßig über den Querschnitt des Trägergasstromes verteilt und führt somit zu einer sehr homogenen radialen Beschichtung des Wabenkörpers.

Die axial gleichmäßige Beschichtung des Wabenkörpers mit Pulver wird durch die Bindeflüssigkeit unterstützt. Durch Abdeckung der Oberfläche durch das abgeschiedene Pulver verlangsamt sich die weitere Pulveraufnahme an diesen Stellen deutlich. Das heißt, eine Abscheidung erfolgt erst dann wieder, wenn die Bindeflüssigkeit durch das abgeschiedene Pulver durchdiffundiert ist. Dieser sich selbst regulierende Prozeß führt zu einer sehr guten axialen Gleichmäßigkeit der Beschichtungsdicke.

Als Bindeflüssigkeit eignen sich Ceracetat-, Zirkon­ acetat- oder Wasserglaslösungen oder Mischungen davon. Die optimale Konzentration dieser Lösungen kann der Fachmann durch wenige orientierende Versuche bestimmen. Der Wabenkörper wird vor Durchführung der Pulver­ beschichtung in die Bindeflüssigkeit getaucht und überschüssige Flüssigkeit aus den Kanälen ausgesaugt oder ausgeblasen.

Als Trägergas zur Durchführung des Verfahrens eignen sich Luft, Stickstoff, Argon oder Mischungen dieser Gase.

Wird die Beschichtung in mehreren Schritten vorgenommen, so kann dies direkt hintereinander geschehen, oder es kann nach jeder Beschichtung eine Zwischentrocknung durchgeführt werden. Dadurch wird es möglich, einen geschichteten Katalysator herzustellen, bei dem die für die Katalyse wirksamen Edelmetalle nur in die oberste Lage eingebracht werden und damit optimal für die Abgasreinigung zur Verfügung stehen.

Dem Ziel einer möglichst gleichmäßigen Beschichtung dient auch die Aufheizung des Wabenkörpers vor der Beschichtung auf eine Temperatur von 50 bis 90°C, vorzugsweise 60 bis 80°C. Der Wabenkörper kühlt dann während der Beschichtung von der Anströmseite her durch die Beaufschlagung mit Pulver zuerst ab. Dadurch sinkt die Diffusionsgeschwindigkeit für die Bindeflüssigkeit in das Pulver zugunsten der Abströmseite des Wabenkörpers.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die reproduzierbare Beschichtung von Wabenkörpern einer groben Serie mit immer derselben Menge vorgewogenen Beschichtungspulvers.

Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens ist die Tatsache, daß die Beschichtung der Wabenkörper als reine Pulverbeschichtung erfolgt. Es entfällt die aufwendige Herstellung der wäßrigen Beschichtungsdispersion sowie die Entsorgung der Spülwässer.

Die zweite Aufgabe der Erfindung wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 7 gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie zwei in zwei separate Rohrleitungsabschnitte integrierte Arbeitsstationen zur Aufnahme der zu beschichtenden Wabenkörper enthält, daß die Enden der beiden Rohrleitungsabschnitte jeweils vor und hinter den Arbeitsstationen mittels Rohrverzweigungen zusammengeführt und mit der Druckseite und Saugseite eines Gasumwälzventilators zur Schaffung eines geschlossenen Gaskreislaufs verbunden sind, daß das so gebildete, geschlossene Rohrleitungssystem vor und hinter den Arbeitsstationen Umschaltelemente enthält, mit denen der Gaskreislauf wechselweise über jeweils nur eine Arbeitsstation freigegeben werden kann und daß auf der Anströmseite vor den Arbeitsstationen jeweils eine Einblasdüse in die separaten Rohrleitungs­ abschnitte zum Einblasen des Beschichtungspulvers eingeführt ist.

Zum Einblasen der Beschichtungspulver eignen sich Tribo-Sprühpistolen ohne Influenzionisator. Sie müssen gewährleisten, daß das gegebenenfalls fluidisierte Pulver gleichmäßig über den Querschnitt der Rohrleitungen verteilt wird.

Zur Halterung der Wabenkörper sind die Arbeitsstationen mit einer oberen und einer unteren Einspannvorrichtung ausgerüstet, deren Querschnittsform der Querschnittsform der zu beschichtenden Wabenkörper angepaßt ist.

Die Einspannvorrichtungen können als aufblasbare Gummi­ manschetten ausgebildet werden und liefern dann neben einer sicheren Halterung der Wabenkörper gleichzeitig eine Abdichtung gegen Austritt von Trägergas.

Zum Be- und Entladen der Wabenkörper sind Verstell­ einrichtungen vorzugsweise in Form von Pneumatikzylindern vorgesehen, die die obere oder untere Einspannvorrichtung einer Arbeitsstation in axialer Richtung verfahren können. Der dabei notwendige Längenausgleich in den angrenzenden Rohrleitungsstücken kann durch Faltenbälge oder ineinander gleitende Rohre gewährleistet werden.

Der Durchmesser der Rohrleitungen der Gesamtapparatur sollte größer sein als der größte Durchmesser der zu belegenden Wabenkörper. Zur Verbesserung der Anström­ bedingungen kann die Querschnittsform der Rohrleitungsabschnitte auf der Anströmseite vor den Arbeitsstationen in einem Übergangsbereich an die Querschnittsform der Wabenkörper angepaßt werden. Dieser Obergangsbereich sollte eine Länge haben, die dem 4- bis 10-fachen des Rohrleitungsdurchmessers entspricht. Hinter den Arbeitsstationen im Abströmbereich ist eine solche Anpassung nicht erforderlich.

Auf der Anströmseite der Wabenkörper können die Einspannvorrichtungen mit Ringblenden versehen werden, die die bei der Abgasreinigung nicht zur Wirkung kommenden Randbereiche der Wabenkörper abdecken und eine Beschichtung dieser Bereiche mit Pulver verhindern. Dadurch wird nur der effektive Querschnitt der Wabenkörper beschichtet, und Rohstoffverluste werden vermieden.

Die wechselweise Freigabe des Gaskreislaufes über eine der beiden Arbeitsstationen erfolgt durch geeignete Umschaltelemente in den Rohrleitungsabschnitten. Besonders geeignet hierfür sind Rohrweichen, die in den beiden Rohrverzweigungen vor und hinter den Arbeits­ stationen angeordnet werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Beschichtung der Wabenkörper nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit hoher Produktivität. Zur Vermeidung von Totzeiten besitzt sie zwei Arbeitsstationen. Während ein schon beschichteter Wabenkörper aus der ersten Station entnommen und ein noch unbeschichteter Wabenkörper eingesetzt wird, erfolgt die Beschichtung des Wabenkörpers in der zweiten Station. Der Gasumwälz­ ventilator kann somit kontinuierlich betrieben werden. Andernfalls müßte nach der Beschichtung die Gasumwälzung unterbrochen bzw. kurzgeschlossen werden, bevor der beschichtete Wabenkörper gegen einen frischen ausgetauscht werden könnte.

Die Erfindung wird nun anhand eines Beispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 Beschichtungsvorrichtung gemäß der Erfindung.

Beispiel 1 Beschichtungsverfahren in der Vorrichtung nach Fig. 1

Die Vorrichtung von Fig. 1 ist für Wabenkörper mit einem Durchmesser von 118,3 mm ausgelegt. Die effektive Anströmfläche der Körper hat einen Durchmesser von 112 mm. Die Rohrdurchmesser der Apparatur betragen 150 mm. Die Rohrleitung ist anströmseitig konisch auf die entsprechende Querschnittsfläche verengt.

Der Gasumwälzventilator fördert eine Gasmenge von 432 m³/h. Die Strömungsgeschwindigkeit in den Strömungs­ rohren beträgt dabei 6,78 m/s und in den Kanälen der Wabenkörper 15,2 m/s.

Bei einer Taktzeit pro Teil von 40 s hat die Vorrichtung eine Beschichtungskapazität von 180 Wabenkörpern pro Stunde. Während der Beschichtungszeit wird das 2155-fache des Wabenkörpervolumens an Gas vom Ventilator umgewälzt. Dadurch ist eine sehr gute Gleichmäßigkeit der Beschichtung in radialer und axialer Richtung gewährleistet. Die maximal von beiden Einblasdüsen einzublasende Pulvermenge beträgt 36 kg/h, auf reine Einblaszeit umgerechnet 24 kg/h.

Im einzelnen besteht die Vorrichtung aus den beiden vertikal angeordneten Rohrleitungsabschnitten (1, 1′) mit den integrierten Arbeitsstationen (2, 2′). Oberhalb und unterhalb der Arbeitsstationen sind die Rohrleitungsabschnitte (1, 1′) jeweils mit Hilfe der Rohrverzweigungen (3) und (4) zusammengeführt und mit der Saugseite (5) bzw. Druckseite (6) des Gasumwälz­ ventilators (7) verbunden.

Zur wechselweisen Freigabe der Gasumwälzung über eine der beiden Arbeitsstationen (2, 2′) sind in den Rohrverzweigungen (3) und (4) Rohrweichen (8) und (9) als Umschaltelemente für die Gasströmung angeordnet.

Die Arbeitsstationen (2, 2′) besitzen zur Aufnahme der Wabenkörper (10, 10′) jeweils eine obere (11, 11′) und eine untere (12, 12′) Einspannvorrichtung, die aus aufblasbaren Gummimanschetten bestehen. Zum Be- und Entladen der Arbeitsstationen kann die jeweils obere Einspannvorrichtung (11, 11′) mittels Pneumatikzylinder (13, 13′) nach oben bzw. unten bewegt werden.

Unterhalb der Arbeitsstationen (2, 2′), d. h. auf der Anströmseite der Wabenkörper (10, 10′) sind Einblasdüsen (14, 14′) für das Einblasen des Beschichtungspulvers in die Rohrleitungsabschnitte eingeführt. Die für die Beschichtung der Wabenkörper vorgewogene Menge Pulver wird mittels Druckluft aus einem Vorlagegefäß über die Zuführungsrohre (15, 15′) und die Düsen (Injektoren; 14, 14′) angesaugt und in das System eingeblasen.

Der erfindungsgemäße Beschichtungsablauf gestaltet sich in der Vorrichtung nach Fig. 1 wie folgt:

• - Der mit der Bindeflüssigkeit beschichtete Wabenkörper (10) wird in die untere Manschette (12) der Arbeitsstation (2) eingesetzt.
• - Die Pneumatikzylinder (13) fahren die obere Manschette (11) nach unten.
• - Der Wabenkörper sitzt jetzt oben und unten in den Manschetten (11) und (12).
• - Obere und untere Manschette (11, 12) werden aufgeblasen.
• - Die Rohrweichen (8) und (9) werden so gestellt, daß der Gaskreislauf über Arbeitsstation (2) offen ist.
• - Die vorgewogene Pulvermenge wird durch das Zuführungsrohr (15) mittels Druckluft von der Düse (Injektor) (14) angesaugt und in die laufende Gasumwälzung eingeblasen.
• - Nach 30 Sekunden ist die Einblasung beendet.
• -Nach weiteren 5 Sekunden Nachsaugzeit werden die Rohrweichen (8) und (9) auf die Arbeitsstation (2′) umgestellt.
• -Während der Wabenkörper (10′) in der Arbeitsstation (2′) beschichtet wird, wird der soeben in Arbeitsstation (2) beschichtete Wabenkörper (10) aus der Arbeitsstation nach Entspannen der Manschetten (11) und (12) und nach Hochfahren der oberen Manschette entnommen. Der Gasumwälzventilator ist während der Beischichtung der Wabenkörper kontinuierlich in Betrieb.

Claims (12)

1. Verfahren zur gleichmäßigen Beschichtung eines zylindrischen mit axialen Strömungskanälen versehenen Wabenkörpers mit einem Beschichtungs­ pulver durch Einbringen des Beschichtungspulvers in einen Trägergasstrom, Durchströmen der Strömungs­ kanäle des Wabenkörpers mit dem so beladenen Trägergasstrom und Abscheiden des Beschichtungs­ pulvers aus dem Trägergasstrom auf die Wandungen der Strömungskanäle, dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenkörper zunächst mit einer Bindeflüssigkeit belegt und dann mit seiner effektiven Querschnittsfläche in einem geschlossenen Kreislauf von dem Trägergas durchströmt wird, in das die für die Beschichtung des Wabenkörpers notwendige Menge Beschichtungspulver auf der Anströmseite des Wabenkörpers in den Trägergasstrom eingeblasen und durch mehrfaches Umwälzen des Trägergases quantitativ in den Kanälen des Wabenkörpers mit guter radialer und axialer Gleichmäßigkeit abgeschieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkelt des Trägergases in den Kanälen der Wabenkörper zwischen 5 und 50 m/s liegt und daß das während der Beschichtung des Wabenkörpers umgewälzte Gasvolumen dem 500 bis 30.000-fachen des Volumens eines Wabenkörpers entspricht.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägergas Luft, Stickstoff, Argon oder Mischungen dieser Gase verwendet werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Bindeflüssigkeit eine Ceracetat-, Zirkon­ acetat- oder Wasserglaslösung oder deren Mischungen verwendet wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Beschichtung des Wabenkörpers in mehreren Schritten hintereinander jeweils nach jeder Beschichtung eine Zwischentrocknung bei Temperaturen von 50 bis 120°C erfolgt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenkörper vor der Beschichtung auf eine Temperatur von 50 bis 90, vorzugsweise 60 bis 80°C, aufgeheizt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zwei in zwei separate Rohrleitungsabschnitte (1, 1′) integrierte Arbeitsstationen (2, 2′) zur Aufnahme der zu beschichtenden Wabenkörper (10, 10′) enthält, daß die Enden der beiden Rohrleitungsabschnitte jeweils vor und hinter den Arbeitsstationen mittels Rohrverzweigungen (3, 4) zusammengeführt und mit der Druckseite (6) und Saugseite (5) eines Gasumwälz­ ventilators (7) zur Schaffung eines geschlossenen Gaskreislaufs verbunden sind, daß das so gebildete, geschlossene Rohrleitungssystem vor und hinter den Arbeitsstationen Umschaltelemente (8, 9) enthält, mit denen der Gaskreislauf wechselweise über jeweils nur eine Arbeitsstation freigegeben werden kann und daß auf der Anströmseite vor den Arbeitsstationen jeweils eine Einblasdüse (14, 14′) in die separaten Rohrleitungsabschnitte zum Einblasen des Beschichtungspulvers eingeführt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsstationen eine obere und eine untere Einspannvorrichtung für die Aufnahme des oberen bzw. unteren Endes eines Wabenkörpers aufweisen, daß diese Einspannvorrichtungen der Querschnittsform der zu beschichtenden Wabenkörper angepaßt und zur gasdichten Halterung der Wabenkörper als aufblasbare Gummimanschetten ausgebildet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die obere oder untere Einspannvorrichtung einer Arbeitsstation mittels Verstelleinrichtungen, vorzugsweise Pneumatikzylindern, zum Be- und Entladen der Wabenkörper in axialer Richtung verfahren werden kann und daß der dafür notwendige Längenausgleich in den angrenzenden Rohrleitungs­ abschnitten durch Faltenbälge oder ineinander gleitende Rohrstücke erfolgt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Rohrleitungen der Gesamtapparatur größer ist als der größte Durchmesser der zu beschichtende Wabenkörper.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsform der Rohrleitungsabschnitte auf der Anströmseite der Arbeitsstationen über eine Länge vom 4- bis 10-fachen des Rohrleitungsdurchmessers an die Querschnittsform der Wabenkörper angepaßt ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Umschaltelementen zur wechselweisen Freigabe des Gaskreislaufes über eine der beiden Arbeitsstationen um Rohrweichen handelt, die in den Rohrverzweigungen vor und hinter den Arbeitsstationen angeordnet sind.