DE4429142A1 - Verfahren und Düsenspritzkopf zum Hochgeschwindigkeitsflammspritzen von pulverförmigen Materialien - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und einen Dü­ senspritzkopf zum Hochgeschwindigkeitsflammspritzen von pulverförmigen Materialien mit einer Brennkammer und einem daran anschließenden gekühlten Düsenrohr.

Derartige Spritzköpfe sind bekannt, wobei es unterschiedli­ che Hochgeschwindigkeitsflammspritzbrenner gibt, je nach dem, welche Materialien eingesetzt werden. Es können z. B. Metalldrähte aufgeschmolzen werden, Keramikmaterialien, pulverförmige Materialien u. dgl. mehr. Dies richtet sich insbesondere nach Art und Güte der zu erzeugenden Oberflä­ chenschicht auf dem zu bespritzenden Objekt.

Es gibt eine Entwicklung zu sogenannten Hochdruck-Hochge­ schwindigkeitsflammspritzbrennern, die unter verschiedenen Bezeichnungen veröffentlicht worden sind. So ist ein HP HVOF-(high pressure high velocity oxyfuel flamespraying) Verfahren bekannt, welches Diesel oder Heizöl mit einem Verkokungsgehalt oberhalb 0,5 Gew.-% verwenden kann.

Aus einer anderen Veröffentlichung Zeitschrift DVS 152, Seiten 52 bis 54, ist eine weitere Entwicklung eines HVIF-Verfah­ rens (Hypervelocity Impact Fusion) bekannt, die über Ver­ suche von Hochgeschwindigkeitsflammspritzen berichtet.

Aus der Veröffentlichung EP-0 570 084-A2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem als Brennstoff ein Brenngas des Typs Aze­ tylen, Propan usw. benutzt wird. Das Verfahren benutzt ei­ nen HVOF-Brenner mit einem Gasmischsystem, einer Brennkam­ mer, einer Expansionsdüse und einer axialen Pulvereindü­ sung. Mit diesem Verfahren ist es bekannt, daß die erwähn­ ten Werkstoffe in einer ausreichenden, aber nicht optimalen Weise verarbeitet werden können. Die Einschränkungen dieses Brenners liegen in der Verwendung von Brennkammerdrücken von 1 bis maximal 5 bar, typischerweise 2-3 bar, was be­ gründet ist durch die axiale Pulvereindüsung in Verbindung mit den zur Verfügung stehenden Pulverförderern, deren technische/wirtschaftliche Grenze der Druckbelastung bei typischerweise 7 bar erreicht ist. Die erreichbare Par­ tikelgeschwindigkeit liegt bei WC-Co 88 12, der Körnung 20-45 µm, typischerweise bei ca. 400 m/s. Ein gravieren­ der Nachteil dieses Verfahrens ist die Pulvereindüsung di­ rekt in die turbulente Flamme der Brennkammer, was zu Über­ hitzungen der Pulver über deren Schmelzpunkt und zu Par­ tikelkontaminationen der Brennerbauteile während des Sprit­ zens führt. Diesbezüglich müssen teure und aufwendige Bau­ teile, z. B. beschichtete Expansionsdüsen, wie in der Ver­ öffentlichung EP-0 412 355-B1 benannt, eingesetzt werden. Bekannt ist, daß es auch durch die Anwendung dieser in der Veröffentlichung genannten Lösung bedenklich ist, die prin­ zipiellen Nachteile zu verbessern.

Aus der Veröffentlichung WO 92/12804 ist ein HVOF-Verfahren bekannt, das einen Brenner beschreibt, der eine Brennkam­ mer, eine Expansionsdüse und eine radiale Pulvereindüsung benutzt. Dieses Verfahren verwendet eine Kerosin-, Sauer­ stoff- oder Luftflamme, die in einer Brennkammer mit hohem Druck größer 5 bar bis 35 bar brennt. Die Flammströmung wird in eine Expansionsdüse geführt. Das Pulver wird strom­ abwärts der Brennkammer radial in die Flammströmung einge­ düst. Grundidee dieses Verfahrens ist die Eindüsung der Pulver an einem Ort, wo die Temperatur der Flammströmung niedriger ist als der Schmelzpunkt des Pulverwerkstoffs. Der Pulverwerkstoff kann erfindungsgemäß nicht über den Schmelzpunkt erhitzt werden. Damit wird eine Partikelkonta­ mination der Expansionsdüse durch überhitzte Partikel ver­ mieden. Durch die Verwendung der hohen Brennkammerdrücke werden hohe Partikelgeschwindigkeiten erreicht. Die Ge­ schwindigkeit der Pulverpartikel erreicht typischerweise bei WC-Co 88 12, Körnung 20-45 µm, ca. 600 m/s. Es ist bekannt, daß diese Verfahrensweise gegenüber der vorher er­ wähnten Veröffentlichung zu einer qualitativ verbesserten Beschichtung führt und die Standzeiten der Brennerbauteile gegenüber der Verfahrensweise verbessert sind. Nachteil dieses als HP HVOF (high pressure HVOF) bekannten Verfah­ rens ist die Bildung von Verbrennungsrückständen wie Ölkoh­ le in der Brennkammer, wenn Brennstoffe, wie Diesel oder Heizöl, mit einem Verkokungsgehalt oberhalb 0,5 Gew.-%, ty­ pischerweise 1,5 Gew.-%, eingesetzt werden. Es ist bekannt, daß sich von der Brennkammerwand lösende Verbrennungsrück­ stände unter Umständen in die Beschichtung einspritzen und die Qualität der Beschichtung mindert. Diesen Nachteil ver­ meidet man durch die Benutzung von Kerosin mit einem nie­ drigerem Verkokungsgehalt als Diesel oder Heizöl. Dieses beschränkt aber die Anwendung des HP HVOF-Verfahrens auf­ grund der hohen Kosten des eingesetzten Brennstoffs.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, mit der es möglich ist, als Hauptbrennstoff Diesel oder Heizöl mit einem Verkokungsgehalt oberhalb 0,5 Gew.-% zu verwenden unter Ausnutzung der Vorteile der oben beschriebenen Ver­ fahren, d. h. hohe Partikelgeschwindigkeit und hohe Stand­ zeit der Brennerbauteile ohne Inkaufnahme von Nachteilen durch Ölkohlebildung.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Düsen­ spritzkopf der angegeben Art dadurch gelöst, daß neben ei­ ner Hauptbrennstoffzuführung wenigstens eine weitere Neben­ brennstoffzuführung zur Bildung einer Verdampfungsflamme für Bestandteile des Hauptbrennstoffes vorgesehen ist.

Mit der Erfindung ist es möglich, z. B. eine Heizöl-Sauer­ stoff- oder ein Heizöl-Sauerstoff-Luftgemisch bei hohem Druck, z. B. bei 3-35 bar zu verbrennen, wobei eine prak­ tisch verkokungsfreie Verbrennung des Heizöles durch die zusätzliche autogene Flamme erreichbar ist. Durch die Vor­ verdampfung des Heizöles ist dessen rückstandsfreie Ver­ brennung möglich.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

So kann vorgesehen sein, eine Mehrzahl von konzentrisch zur Hauptbrennstoffzuführung angeordneten Nebenbrennstoffzufüh­ rungen vorzusehen, insbesondere kann vorgesehen sein, neben der Hauptbrennkammer eine neben dieser stromabwärts nachge­ ordnete weitere Brennkammer und dieser nachfolgend eine Ex­ pansionsdüse vorzusehen.

Das Vorsehen einer weiteren Brennkammer hat eine Reihe zu­ sätzlicher Vorteile. So ist es möglich, in der weiteren Brennkammer den Druck zu erniedrigen, so daß ein unmittel­ bares Eindüsen von Pulver in die Nebenbrennkammer möglich ist, die Eindüsungen des Pulvers können aber auch weiter stromabwärts im Bereich der Expansionsdüse vorgenommen wer­ den.

Wie an sich bekannt, können insbesondere die Außenwandflä­ chen sowohl der Brennkammern wie auch der Expansionsdüse gekühlt sein, z. B. mittels Druckluft oder mittels Kühlwas­ ser. Die Erfindung sieht aber auch vor, daß in der Haupt­ brennkammer und/oder der zweiten Brennkammer Zuführungen für Mantelkühlgas vorgesehen sind.

Besonders zweckmäßig geometrische Verhältnisse bestehen darin, daß das Flächenverhältnis des Düsendurchmessers der Hauptbrennkammer zum Düsendurchmesser der weiteren Brenn­ kammer 1 : 10 bis 1 : 2 beträgt, um entsprechende Drucker­ niedrigungen zu erreichen. Das Verhältnis des Düsendurch­ messers der Hauptbrennkammer zum maximalen Brennkammer­ durchmesser der weiteren Brennkammer kann demgegenüber 1 : 16 bis 1 : 2,5 betragen.

Eine verfahrensmäßige Lösung der weiter oben formulierten Aufgabe besteht bei einem Verfahren zur Verarbeitung von Beschichtungspulvern beim Hochgeschwindigkeitsflammsprit­ zen, wobei in einem Spritzkopf mit einer Hochgeschwindig­ keitsdüse das aufzubringende Pulver erhitzt und druckbe­ schleunigt ausgetragen wird, darin, daß als Hauptenergie­ träger zur Erzeugung einer Hauptflamme ein Heizöl-/Sauer­ stoffgemisch eingesetzt und im Düsenkopf das Heizöl mittels einer Verdampferflamme aus einem Brenngas-/Sauerstoffge­ misch vorverdampft wird.

Oben wurde schon der Vorteil der Vorverdampfung des Heiz­ öl es angegeben, wobei weitere erfindungsgemäße Ausgestal­ tungen möglich sind. So kann die autogene Verdampferflamme aus einem Vorgemischten Sauerstoff-Brenngasgemisch beste­ hen. Diese Verdampferflamme umgibt das den Tröpfchen/Sauer­ stoffstrom des Hauptbrennstoffes und verdampft das Heizöl. Die Verdampferflamme kann auch ein unter hohem Druck ver­ wendetes Brenngas einsetzen, wie Wasserstoff, Methan, Ethy­ len oder Erdgas.

Erfindungsgemäß wird zur Vermeidung von Überhitzungen der Brennkammerwand ein Kühlgas parallel zur Brennkammerwand als stabile Grenzschichtströmung bzw. als kühlendes Mantel­ gas eingedüst. Als Kühlgas kann erfindungsgemäß Sauerstoff, bevorzugt Druckluft oder bei entsprechender Anwendung ein inert wirkendes Gas, wie Stickstoff od. dgl., eingesetzt werden.

Für die Verdampfung des Heizöles reicht eine relativ gerin­ ge Menge an Nebenbrennstoff. So benötigt man zur Vorver­ dampfung eines Heizölstromes von z. B. 15 l/h Heizöl ca. 3 Nm³/h Methan.

Zweckmäßig ist es, wie oben schon angegeben, wenn die Pul­ verzuführung in einer der Hauptbrennkammer nachgeordneten, weiteren Brennkammer vorgenommen wird. Diese Gestaltung ist besonders vorteilhaft, da bei der Verbrennung von Heizöl Verbrennungsrückstände am Düsenaustritt der Hauptbrennkam­ mer und im Eingangsbereich der Expansionsdüse sich bilden können. Dieses Problem tritt insbesondere dann auf, wenn die Pulvereindüsung im Eingangsbereich der Expansionsdüse angeordnet ist und die Gasströmung am Eindüsungsbereich Turbulenzen ausbildet.

Wird nun, wie dies die Erfindung vorsieht, das Spritzpulver stromaufwärts vor der Expansionsdüse in die zweite Brenn­ kammer eingegeben, treten diese Probleme nicht auf, da die Gasströmung in der zweiten Brennkammer in ihrer Viskosität, Temperatur und ihrem Druck erniedrigt, allerdings in ihrer Gasgeschwindigkeit erhöht wird. Mit der Erfindung ist es möglich, bei der Pulvereindüsung den Gasstrahl weniger zu stören und auftretende Turbulenzen zu verringern. Damit werden Ablagerungen von Verbrennungsrückständen vermieden.

Ein weiterer Vorteil liegt in der Verbesserung der Verbren­ nungsreaktion des aus der Hauptbrennkammer austretenden Gasstrahls, wenn, wie dies die Erfindung ebenfalls vor­ sieht, in die zweite Brennkammer zusätzlich Sauerstoff ein­ gedüst wird, wobei dieser strömungsgünstig als Wandströmung in die zweite Brennkammer einbringbar ist.

Durch die Erfindung ergibt sich ein weiterer Vorteil, der darin besteht, daß die Verteilung der Spritzpartikel im Gasstrom der Expansionsdüse vergleichmäßigt wird. Dies er­ leichtert die Verarbeitung von Pulvergemischen bestehend aus einem schweren Anteil, wie z. B. WC-Co, und einem leich­ ten Anteil, wie z. B. NiCrBSi, da sich Endmischungstendenzen nicht mehr auswirken.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 eine prinzipielle Gestaltung eines Düsenspritzkopfes nach der Erfindung,

Fig. 2 in gleicher Darstellungsart ein abgewandeltes Aus­ führungsbeispiel eines Düsenspritzkopfes sowie in

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Düsenspritzkopf nach dem Prinzipbild gemäß Fig. 2.

Der in Fig. 1 allgemein mit 1 bezeichnete Spritzkopf wird im wesentlichen von einer Brennkammer 2 gebildet und einer sich anschließenden Expansionsdüse 3. Im Brennkammergrund sind unterschiedliche Zuführungen als Pfeile in Fig. 1 an­ gedeutet, so die Hauptbrennstoffzuführung 4 für ein Öl-/ Sauerstoffgemisch, eine zusätzliche Sauerstoffzuführung 5, eine Zuführung 6 für Brenngas zur Erzeugung einer Verdamp­ fungsflamme 7 und eine Kühlgaszuführung 8.

In der Brennkammer 2 ist noch die Ausbildung einer Haupt­ flamme dargestellt, diese trägt das Bezugszeichen 9. Ange­ deutet in Fig. 1 ist auch noch die Pulverzuführung etwa zu Beginn der Expansionsdüse 3, was mit einem Pfeil 10 darge­ stellt ist. Auch ist in Fig. 1 angedeutet, daß alle Wandbe­ reiche eine Wasserkühlung 11 aufweisen können oder ein an­ deres Kühlmittel, was durch die stärkere Wanddarstellung angedeutet sein soll.

In Fig. 2 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines Düsenspritzkopfes 1a als Prinzipskizze wiedergegeben, wobei die funktional gleichen Elemente wie in der Fig. 1 auch dort die gleichen Bezugszeichen tragen. Der Unterschied be­ steht hier darin, daß eine der Hauptbrennkammer 2 nachge­ ordnete weitere Brennkammer 12 vorgesehen ist, in die eine Pulvereinbringung 10a mündet. Weitere Pulverzuführungen sind in Fig. 2 mit 10′ angedeutet.

In die weitere Brennkammer 12 kann auch noch eine Sauer­ stoffeindüsung 13 vorgenommen werden, was in Fig. 2 wie­ derum nur angedeutet ist. Sie kann der Nachverbrennung die­ nen oder aber auch der Kammerwandkühlung.

In Fig. 2 sind noch Durchmesser angegeben, und zwar be­ zeichnet D₁ den Düsendurchmesser der Hauptbrennkammer, D₂ den Düsendurchmesser der weiteren Brennkammer 12 und D₃ den größten Durchmesser dieser weiteren Brennkammer 12.

Schließlich zeigt Fig. 3 ein konstruktives Ausgestaltungs­ beispiel eines erfindungsgemäßen Düsenspritzkopfes 1a nach Fig. 2. In Fig. 3 sind nur die der Fig. 2 entsprechenden Bezugszeichen angegeben.

Natürlich sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken zu verlassen. So ist die Erfindung insbeson­ dere nicht auf Art und Position der Pulvereinbringung in der dargestellten Weise beschränkt u. dgl. mehr.

Claims (15)

1. Düsenspritzkopf (1) zum Hochgeschwindigkeitsflammspritzen von pulverförmigen Materialien mit einer Brennkammer und einem daran anschließenden gekühlten Düsenrohr, dadurch gekennzeichnet, daß neben einer Hauptbrennstoffzuführung (4, 5) wenigstens eine weitere Nebenbrennstoffzuführung (6) zur Bildung einer Verdampfungsflamme (7) für Bestandteile des Hauptbrennstof­ fes vorgesehen ist.

2. Düsenspritzkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von konzentrisch zur Hauptbrennstoffzu­ führung (4) angeordneten Nebenbrennstoffzuführungen (6) vorgesehen sind.

3. Düsenspritzkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Hauptbrennkammer (2) eine dieser stromabwärts nachgeordnete, weitere Brennkammer (12) und dieser nachfol­ gend eine Expansionsdüse (3a) vorgesehen ist.

4. Düsenspritzkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptbrennkammerwand und/oder die Wand der weiteren Brennkammer sowie der Expansionsdüse mit einer Kühlung (11) ausgerüstet sind.

5. Düsenspritzkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Injektionsöffnungen (10) zur Pulverzuführung stromab­ wärts der Hauptbrennkammer vorgesehen sind.

6. Düsenspritzkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionsöffnungen (10) in der zweiten Brennkammer (12) vor der Expansionsdüse (3a) vorgesehen sind.

7. Düsenspritzkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hauptbrennkammer (2) und/oder der zweiten Brenn­ kammer (12) Zuführungen (8, 13) für Mantelkühlgas vorgesehen sind.

8. Düsenspritzkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flächenverhältnis des Düsendurchmessers (D₁) der Hauptbrennkammer zum Düsendurchmesser (D₂) der weiteren Brennkammer 1 : 10 bis 1 : 2 beträgt.

9. Düsenspritzkopf nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Düsendurchmessers (D₁) der Haupt­ brennkammer und maximale Brennkammerdurchmesser (D₃) der weiteren Brennkammer 1 : 16 bis 1 : 2,5 beträgt.

10. Verfahren zur Verarbeitung von Beschichtungspulvern beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, wobei in einem Spritz­ kopf mit einer Hochgeschwindigkeitsdüse das aufzubringende Pulver erhitzt und hoch beschleunigt ausgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Hauptenergieträger zur Erzeugung einer Hauptflamme ein Heizöl-/Sauerstoffgemisch eingesetzt und im Düsenkopf das Heizöl mittels einer Verdampferflamme aus einem Brenn­ gas-/Sauerstoffgemisch vorverdampft wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverzuführung in einer der Hauptbrennkammer nach­ geordneten weiteren Brennkammer vorgenommen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptbrennkammer und/oder die weitere Brennkammer zur Kühlung mit einem Mantelgas beaufschlagt werden.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Hauptflamme ein Öl mit einem Verko­ kungsgehalt größer 0,5 Gew.-% mit Sauerstoff oder Luft ein­ gesetzt wird.

14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Verdampferflamme ein reaktives Brenn­ gas-/Sauerstoffgemisch eingesetzt wird.

15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Brenngas ein unter Druck von 7 bis 25 bar stehendes Brenngas, wie Wasserstoff, Ethylen, Methan oder Erdgas oder deren Gemische eingesetzt wird.