DE4311773A1 - Verfahren zum Beschichten von Flächen mit Ruß mittels einer Verbrennung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Flächen mit Ruß mittels einer die betreffende Fläche beaufschlagenden, unterstöchiometrischen Verbrennung von Brenngas, beispielsweise von Acetylen, Ethylen, Propan, und dergleichen, wobei das Brenngas mit einem Sauerstoff­ gas (z. B. mit Luft, reinem Sauerstoff oder auch Mischungen davon) der Verbrennung geeignet zugeführt wird.

Das Beschichten von Werkstückflächen mit Ruß dient dazu, daß die Anhaftung, Festsetzung oder - unter Druck - sogar Verschweißung eines Gegenstücks, das mit dieser Werkstück­ fläche in Berührung kommt, verhindert wird. Derartige Anforderungen treten beispielsweise beim Gießen von metallischen Werkstücken auf, wobei die Haftung des Formlings in der Form minimiert werden muß und daher die Formflächen vor dem Gießvorgang berußt werden. Auch ist das Rußbeschichten von Formen in der Glasindustrie bekannt, ebenso wie die stirnseitige Beschichtung von Preßrohlingen beim Strangpressen von Profilen, wobei die Preßrohlinge von einem Preßstempel mit einem stirnseitigen Krafteintrag beaufschlagt werden und wobei der Preßstempel nach dem Preßvorgang wieder problemlos entfernbar sein muß. In all diesen Fällen wird in gängigster Weise der Beschichtungsruß durch eine kontinuierlich brennende, auf die zu berußende Fläche gerichtete Flamme aufgetragen, wobei sich der Ruß - dieser technische Ruß besteht weit­ gehend aus reinem Kohlenstoff - mittels der Flamme und aufgrund stark unterstöchiometrischer Gasmischungsein­ stellung für die Flamme (Sauerstoffdefizit für die Verbrennung) bildet. Die Flamme soll dabei straff aber nicht turbulent brennen, da in turbulenten Flammen Umgebungsluft eingewirbelt wird und sich dann signifikant weniger Ruß bildet (siehe Prospekt von Linde - Technische Gase, "Vorteile von Acetylenruß als Trenn- und Isolier­ mittel", Erstausgabe - Mai 1986).

Ein Nachteil beim Berußen mit den beschriebenen, offenen Flammen besteht darin, daß neben der erwünschten und beabsichtigten Rußmenge für die jeweils relevante Fläche auch Ruß in die Umgebung abgegeben wird und darüber hinaus auch eine unerwünschte Rußerzeugung vor und nach dem eigentlichen Beschichtungsprozeß, nämlich ab Brenner­ zündung bis zum Beschichten und nach dem Beschichten bis zum Brennerstop stattfindet. Es ergibt sich also mit dem bekannten Verfahren eine nicht unerhebliche, unerwünschte Rußerzeugung und auch ein teilweise nicht notwendiger Brenngasverbrauch (zu dieser Problematik siehe beispiels­ weise auch EP-A 0295 558).

Daher kommend resultiert die Aufgabenstellung zu vorliegender Erfindung, nämlich, ein besonders gezielt und begrenzt Ruß erzeugendes und auch den Brenngasverbrauch minimierendes Berußungsverfahren zu gestalten, dessen Berußungsfunktion andererseits voll­ ständig zufriedenstellend erhalten bleibt.

Diese Aufgabenstellung wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen der zu berußenden Fläche und der Brenngas-Zuführung bzw. dem Brennerkopf mittels entsprechend angeordneter Abschirmflächen eine weitgehend abgeschlossene Kammer gebildet wird und für einen Berußungsvorgang in diese Kammer eine geeignete Menge einer geeigneten Mischung aus Brenngas und Sauer­ stoffgas (=Brenngasgemisch) eingeführt und gezündet wird.

Zunächst ist festzuhalten, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kein kontinuierlich sondern ein intermittierend arbeitendes Verfahren vorgeschlagen ist. Dies bedeutet,daß in Zeiten,in denen kein Ruß benötigt wird, auch kein Rußer­ zeugung stattfindet und auch keine Verbrennung erfolgt. Da­ mit einher gehen entsprechende Einsparungen an Brenngas so­ wie eine Reduzierung der erzeugten Rußmenge. Des weiteren bewerkstelligen die angesprochenen Abschirmflächen zum einen, daß kein Sauerstoff aus der Umgebung dem in der so gebildeten Kammer ablaufenden Verbrennungsvorgang zufließen kann. Dadurch kann der Verbrennungsablauf exakt im Hinblick auf die jeweilige Berußungsaufgabe eingestellt werden und zwar dadurch, daß die zuzuführende Brennstoffmenge, die Menge an zuzuführendem Sauerstoffgas (z. B. Luft oder auch reiner Sauerstoff) und die verbleibende Menge an Luft in der Kammer geeignet aufeinander abgestimmt werden. Zum anderen bewirkt die Abschirmung auch eine Eingrenzung und Ausrichtung der schließlich auszulösenden Verbrennung, wodurch insbesondere auch die entstehenden Rußpartikel gerade auf die betreffende Werkstückfläche gelenkt werden.

Eine vorteilhafte Detail-Ausgestaltung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens besteht darin, daß eine, dem Volumen der weitgehend abgeschlossenen Kammer angepaßte, 5 bis 80% (vorzugsweise 5 bis 40%) dieses Volumens umfassende, Brenngasgemisch-Menge dieser Kammer in einem Zeitintervall festgelegter Länge impulsartig zugeführt wird, wobei diesem Brenngasgemisch zwischen 1 und 40 Vol-% (vorzugs­ weise zwischen 1 und 10 Vol-%) Sauerstoff beizufügen ist und wobei die Zündung der Verbrennung des einströmenden bzw. bereits in der Kammer befindlichen Gasgemisches mit Vorteil im Anfangsbereich des Zeitintervalls der Brenn­ gaszufuhr, vorzugsweise unmittelbar zu Beginn des Zufuhr- Intervalls, bewirkt wird.

Mit Vorteil und an gängige Verhältnisse in der Praxis angepaßt ward ein Zufuhrzeitintervall für das Brenngas­ gemisch zwischen 0.05 bis 2.0 sec., vorzugsweise zwi­ schen 0.1 bis 0.5 sec. eingestellt. Hinsichtlich der sich ergebenden Berußungsqualität sind diese Zufuhrzeiten günstig, wobei sich darüber hinaus mit diesen kurzen Zufuhrzeiten die Eignung des Verfahrens auch für relativ kurzgetaktete Fertigungsabläufe ergibt.

Eine erfindungsgemäße und zur Durchführung des beschriebe­ nen Verfahrens geeignete Vorrichtung weist einen Brenner 2 mit Brennerkopf 3, zugehörige Gaszuleitungen 4, 5, in diesen Gaszuleitungen angeordnete Gasregler und Schaltventile, sowie eine benachbart zum Brennerkopf angeordnete Zünd­ einrichtung 10 auf und ist insbesondere dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine den Brennerkopf 3 umgebende, offene, vorzugsweise gegenüberliegend dem Brennerkopf offene, Kammer 14 vorhanden ist, die durch eine oder auch mehrere, um den Brennerkopf herum entsprechend angeordnete Abschirm­ flächen 15 gebildet ist, wobei die Berandung 16 der Kammer 14 geeignet zum Anlegen bzw. nahezu Anlegen an eine Fläche ausgebildet ist.

Mit Vorteil ist darüber hinaus die Form der Öffnung der Berußungskammer 14 auch an das Profil der zu berußenden Fläche angepaßt. Andernfalls tritt entweder unerwünscht Ruß aus dem abgeschirmten Bereich aus oder es sind zur vollständigen Berußung einer Fläche mehrere Berußungs­ vorgänge nebeneinander auszuführen, was bei großen Flächen ohnehin notwendig sein kann. Bei großen, zu berußenden Flächen kann ferner auch eine mehrere Brennerköpfe aufwei­ sende und ansonsten entsprechend aufgebaute Vorrichtung von Vorteil sein.

Mit Vorteil werden die Abschirmflächen bzw. die Ab­ schirmfläche 15 jedoch in jedem Fall zur Öffnung hin sich weitend und also etwa trichterförmig ausgebildet, wobei der Brennerkopf 3 zentral auf der engeren, geschlossenen Seite der Trichterform angeordnet wird. Bei mehreren Brennerköpfen werden diese - jeweils den Verhältnissen entsprechend - günstig verteilt.

Zu Automatisierungszwecken ist die Vorrichtung günstiger­ weise mit einer Steuereinheit 20 ausgerüstet, die mit den Schaltventilen 7, 8 sowie der Zündeinrichtung 10 verbunden ist und diese geeignet steuert.

Eine hinsichtlich der Funktionssicherheit zu bevorzugende Zündeinrichtung ist eine mit einer Zündflammeneinrichtung kombinierte Zündkerze, bei der mittels der Zündkerze zu­ nächst die Zündflamme der Zündflammeinrichtung gezündet wird und diese ihrerseits dann die Verbrennung des Brenn­ gasgemisches auslöst,wobei, vom Ablauf her gesehen,mit Vor­ teil die Abschaltung der Zündflamme etwa zeitgleich mit dem Beginn der Gasgemisch-Zufuhr erfolgt. Durch letzteres wird eine Beeinflussung der Berußung durch die Zündflamme vermieden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten, einzigen Zeichnung beispielhaft näher erläutert:

Die Zeichnung zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Berußungseinrichtung, wie sie insbesondere zum Beschichten einer im wesentlichen ebenen Stirnfläche 1 eines länglichen Werkstücks W, beispielsweise eines Strangpreß-Rohlings, eingesetzt werden kann. Ein Brenner 2 mit seinem Brenner­ kopf 3 ist für diese Zwecke der berußenden Stirnfläche 1 gegenüberliegend angeordnet und auf diese gerichtet. Entsprechend dem Kerngedanken der Erfindung ist um den Brennerkopf 3 kragenartig eine etwa Trichterform auf­ weisende Metallhülle 15 angeordnet, welche eine Abschir­ mung des Brennerkopfes gegen die Umgebung bildet und welche in Verbindung mit der zu berußenden Fläche 1 eine nahezu geschlossene Kammer 14 um den Brennerkopf 3 herum ergibt. Die Abschirmhülle 15 wird zur Berußung der Fläche 1 nicht unmittelbar auf diese Fläche 1 aufgesetzt, sondern so plaziert, daß ein Durchtrittsspalt zwischen Abschirm­ hülle 15 und Fläche 1 von ca. 1 bis 5 cm Breite verbleibt. Durch diesen Durchtrittsspalt kann Überdruck aus der Kammer 14 austreten. An der Abschirmhülle 15 ist ferner, benachbart zum Brennerkopf 3, eine Zündeinrichtung 10 in Form einer Zündkerze montiert. Außerdem ist der Brenner 2 an Zuleitungen für Acetylen 4 und Luft 5 angeschlossen, wobei in den Zuleitungen 4, 5 jeweils ein Regelventil 6 bzw. 7 sowie ein Schaltventil 8 bzw. 9 angeordnet ist. Die Schaltventile 8, 9 sowie die Zündkerze 10 sind ferner andererseits mit einer Steuereinheit 20 über elektrische Leitungen verbunden, womit ein ferngesteuerter Betrieb des jeweiligen Elements in einer voreingestellten oder pro­ grammierten Weise ermöglicht wird. Ein erfindungsgemäßer Berußungsablauf ergibt sich nun wie folgt:

Die Regelventile 6, 7 für Acetylen und Luft werden so voreingestellt, daß bei Betätigung der Schaltventile 8, 9 für ein ebenfalls voraus zu bestimmendes Zeitintervall eine geeignet zusammengesetzte Brenngasmischung in die Kammer 14 einfließt. Dabei kann eine Vormischung der beteiligten Gase vorgesehen werden, diese können jedoch ebenso getrennt der Kammer 14 zugeführt werden. Weiters ist der Zeitpunkt für die Zündung bzw. der Zeitpunkt für den Beginn der Zündaktionen mittels der Zündkerze 10 vor­ zugeben. Geeignete Einstellwerte für eine Beispielvor­ richtung sind der folgenden Tabelle zu entnehmen:

Kammervolumen: 2,5 dm³
Acetylenmenge [Druck 0.45 bar (statisch)]: 0,25 dm³
Luftmenge [Druck 1.5 bar (statisch)]: 0,10 dm³
Zeitintervall für die Gaszufuhr: 0,25 sec
Zündbeginn: 0. sec.

Unter bevorzugter Anwendung eines Luftinjektions­ brenners wird tabellengemäß also eine Acetylen-Luft- Mischung mit ca. 40 Vol-% Luftanteil (= ca. 8% O₂-An­ teil) in die Kammer 14 eingeleitet, also eine etwa 15% des Kammervolumens einnehmende Brenngasgemischmenge zuge­ führt, wobei demzufolge in der Kammer ca. 2,15 dm³ Luft verbleiben. Gleichzeitig mit dem Beginn der Gaszufuhr wird außerdem auch die Zündtätigkeit der Zündkerze 10 eingeleitet (0. sec!). Demzufolge beginnt im vorliegen­ den Beispiel mit dem Start der Gaszufuhr auch die Ver­ brennung bzw. Umsetzung des zufließenden Acetylens zu einem weitgehend aus reinem Kohlenstoff bestehenden Ruß­ material, wobei sich aufgrund der entstehenden Wärme diese Umsetzungsreaktion verpuffungsartig über die gesamte Kammer 14 ausbreitet. Aufgrund des eingetragenen Gasimpul­ ses und der Trichterform der Abschirmhülle 15 wirkt dabei die freiwerdende Energie überwiegend in Richtung der zu beschichtenden Fläche 1. Auf diese Weise wird ein Großteil der entstehenden Rußpartikel auf eben diese Fläche befördert und dort als die gewünschte Antihaft­ schicht abgelagert. Lediglich ein geringer Teil der gebildeten Rußpartikel wird durch den, zwischen Abschir­ mung 14 und Werkstück W liegenden, offenen Spalt in die Umgebung geschleudert. Die so erhaltene Rußschicht auf dem Werkstück erfüllt im übrigen alle Anforderungen, die auch eine konventionell aufgetragene Rußbeschichtung erfüllt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich also eine qualitativ alle Wünsche erfüllende Beschichtung von Flächen mit Ruß, die mit einer erheblich reduzierten Rußbelastung der Umgebung und auch Brenngaseinsparungen einhergeht.

Claims (9)

1. Verfahren zum Beschichten von Flächen mit Ruß mittels einer die betreffende Fläche beaufschlagenden, unter­ stöchiometrischen Verbrennung von Brenngas, insbesondere von Acetylen, wobei das Brenngas und ein Sauerstoffgas geeignet dem Verbrennungsort über einen Brenner mit zugehörigem Brennerkopf zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der zu berußenden Fläche und der Brenngas-Zuführung bzw. dem Brennerkopf mittels entsprechend angeordneter Abschirmflächen eine weitgehend abgeschlossene Kammer gebildet wird und für einen Berußungsvorgang in diese Kammer eine geeignete Menge einer geeigneten Mischung aus Brenngas und Sauerstoffgas (=Brenngasgemisch) eingeführt und gezündet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine, dem Volumen der weitgehend abgeschlossenen Kammer angepaßte, 5 bis 80% dieses Volumens umfassende, Brenn­ gasgemisch-Menge dieser Kammer in einem Zeitintervall festgelegter Länge impulsartig zugeführt wird, wobei diesem Brenngasgemisch zwischen 1 und 40 Vol-%, vorzugs­ weise zwischen 1 und 10 Vol-%, Sauerstoff beizufügen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündung der Verbrennung des einströmenden bzw. bereits in der Kammer befindlichen Gasgemisches im Anfangsbereich des Zeitintervalls der Brenngaszufuhr, vorzugsweise unmittelbar zu Beginn des Zufuhr-Zeitinter­ valls, bewirkt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Zufuhr-Zeitintervalls für das Brenngasgemisch 0.05 bis 2 sec., vorzugsweise 0.1 bis 0.5 sec., beträgt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Berußungsverfahrens nach einem oder mehreren der obigen Ansprüche mit einem Brenner mit einem Brennerkopf (3) (oder auch mehreren Brennerköpfen), zugehörigen Gaszuleitungen (4, 5) in diesen Gaszuleitungen angeordneten Gasreglern (6, 7) und Schaltventilen (8, 9), sowie einer benachbart zum Brennerkopf angeordneten Zündeinrichtung (10), dadurch gekennzeichnet, daß eine den Brennerkopf (3) (oder die Brennerköpfe) umgebende, offene, vorzugsweise gegenüberliegend dem Brennerkopf offene, Kammer (14) vorhanden ist, die durch eine oder auch mehrere, um den Brennerkopf herum ent­ sprechend angeordnete Abschirmflächen (15) gebildet ist, wobei die Berandung (16) der Kammer (14) geeignet zum Anle­ gen bzw. nahezu Anlegen an eine Fläche ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmflächen bzw. Abschirmfläche (15) zur Öffnung hin sich weitend, also etwa trichterförmig ausgebildet ist bzw. sind und der Brennerkopf (3) zentral bzw. die Brennerköpfe geeignet verteilt auf der engeren, geschlossenen Seite der trichterförmigen Abschirmung angeordnet ist bzw. sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinheit (20) vorhanden ist, die mit den Schaltventilen (7, 8) sowie der Zündein­ richtung (10) verbunden ist und diese geeignet steuert.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Zündeinrichtung eine Zündkerze (10) kombiniert mit einer Zündflammeneinrichtung vorge­ sehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Zündeinrichtung eine permanent brennende Zündflamme vorgesehen und diese so angeordnet ist, daß sie den Berußungsvorgang nicht stört.