DE4433328A1 - Plattenkatalysator und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Plattenkatalysator für den Einsatz in Gasen mit einer oberflächlich aufgerauhten me­ tallischen Tragstruktur und einer auf der aufgerauhten metal­ lischen Tragstruktur aufgebrachten katalytisch aktiven Be­ schichtung und auf ein Verfahren zur Herstellung eines sol­ chen Plattenkatalysators.

Die Haftfestigkeit der katalytisch aktiven Beschichtung auf der metallischen Tragstruktur ist ein wesentliches Kriterium für die Standfestigkeit von Plattenkatalysatoren im Abgas­ strom. Denn beim Betrieb sind Plattenkatalysatoren nicht nur einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt, vielmehr werden sie auch mechanisch durch die vorbeiströmenden, Staubpartikel mit sich führenden Rauchgase einer Abrasion unterzogen. Dar­ über hinaus kann es bei solchen Plattenkatalysatoren durch die vorbeiströmenden Rauchgase zu strömungsbedingten Vibra­ tionen kommen. Aus diesen Gründen ist es für die Lebensdauer der Plattenkatalysatoren von entscheidender Bedeutung, wie gut die katalytisch aktive Beschichtung auf der aufgerauhten metallischen Tragstruktur haftet.

Durch die US-PS 3,271,326 ist es bei der Fertigung von Plat­ tenkatalysatoren bekannt, die metallische Tragstruktur vor dem Auftragen der katalytisch aktiven Beschichtung oberfläch­ lich durch Flammspritzen von Aluminium auf zurauhen. Die alu­ miniumflammgespritzte Oberfläche stellt eine sehr gute Haft­ grundlage für den späteren Auftrag der katalytisch aktiven Beschichtung dar. Das Verfahren ist jedoch sehr teuer. 70% des aufgewendeten Aluminiums gehen verloren und müssen ent­ sorgt werden. Dabei entstehen Aluminiumnitrite, die in Gegen­ wart von Wasser oder Feuchtigkeit Ammoniak bilden, wodurch eine gewisse Umweltbelastung unvermeidbar ist. Darüber hinaus besteht beim Aluminiumflammspritzen stets die Gefahr der Selbstentzündung.

Es ist bekannt, metallische Tragstrukturen durch Sandstrahlen auf zurauhen. Dabei entsteht eine nicht reproduzierbare Ober­ flächenrauhigkeit, die auch als Makrorauhigkeit bezeichnet wird. Eine so aufgerauhte Metallunterlage stellt eine wenig effektive Haftgrundlage für katalytisch aktives Material dar.

Durch die DE 41 32 534 A ist ein abrasives Verfahren bekannt geworden, durch das metallische Tragstrukturen ohne makrosko­ pische Unregelmäßigkeiten und ohne exzessive Rauhtiefen sehr fein und gleichmäßig aufgerauht werden können. Bei diesem Verfahren, auch Mikrostrahlen genannt, wird ein Gasstrahl, dem ein hartes, gebrochenes, spezielles Strahlmittel defi­ nierter Korngröße beigemischt ist, über die auf zurauhende Oberfläche geführt. Dieses Verfahren erlaubt es, die Rauhig­ keit in gewissen Grenzen durch Änderung der Durchlaufge­ schwindigkeit der Metalloberfläche und durch Änderung des Strahldrucks zu variieren. Dieses Verfahren ist wesentlich preiswerter und umweltschonender als Aluminiumflammspritzen. Es eignet sich, im Gegensatz zum Sandstrahlen, auch dazu, die metallischen Tragstrukturen von Plattenkatalysatoren aufzu­ rauhen. Das Schliffbild einer solchermaßen aufgerauhten me­ tallischen Tragstruktur zeigt ein sehr feines Gebirge mit schmalen spitzen Tälern und Erhebungen (vergleiche Fig. 1). Allerdings erreichen die nach diesem Verfahren aufgerauhten metallischen Tragstrukturen keine ganz so guten Haftungswerte wie solche, die aluminiumflammgespritzt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein preiswertes und umweltschonendes Verfahren zur Aufrauhung von metallischen Tragstrukturen zu entwickeln, welches mindestens jene Werte erreicht, die durch Aluminiumflammspritzen erreicht werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 und 5 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Ansprü­ chen 2 bis 4 und 6 bis 10 zu entnehmen.

Dadurch, daß erfindungsgemäß die Symmetrieachsen der mehr oder weniger spitz zulaufenden Rauhigkeitsvertiefungen der aufgerauhten Oberfläche unter einem Winkel α schräg zur Normalen auf der Oberfläche der Tragstruktur ausgerichtet sind, wird eine Voraussetzung geschaffen, um ein Hintergrei­ fen der katalytisch aktiven Massen in den Tälern der Rauhig­ keitsvertiefung und damit nach dem Sintern ein besseres Ver­ zahnen der aufgebrachten katalytischen Beschichtung auf der aufgerauhten metallischen Tragstruktur zu erreichen.

Die Rauhigkeitsvertiefungen lassen sich sich erfindungsgemäß dadurch herstellen, daß ein ein Strahlmittel mitführendes Strahlmedium in einem Winkel α zur Flächennormalen auf die auf zurauhende Oberfläche geschleudert wird. Hierdurch wird erreicht, daß die Symmetrieachsen der Rauhigkeitsvertiefungen unter einem Winkel α schräg zur Flächennormalen auf die Oberfläche ausgerichtet sind. Dabei sind vorzugsweise jene beim Mikrostrahlen zur Anwendung kommende Strahlmittel einzu­ setzen.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn in Wei­ terbildung der Erfindung mindestens zwei Gruppen von Rauhig­ keitsvertiefungen vorhanden sind, bei denen die Projektion ihrer Symmetrieachsen auf die Oberfläche der Tragstruktur miteinander einen Winkel β bilden. Eine solche Aufteilung in zwei verschiedene Gruppen von Rauhigkeitsvertiefungen führt zu einem gegenseitigen Blockieren der in den schräg zur Flä­ chennormalen ausgerichteten Rauhigkeitsvertiefungen einge­ drungenen keramischen Massen nach deren Sinterung und damit zu einer allseitig formschlüssigen Verankerung.

Um dies zu erreichen, kann dieselbe Oberfläche in Ausgestal­ tung der Erfindung zweimal nacheinander gestrahlt werden, wo­ bei die Strahlrichtung zwischen dem ersten und zweiten Strah­ len derselben Oberfläche jeweils um einen Winkel β um die Flächennormale gedreht wird.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung können diese beiden Gruppen von Rauhigkeitsvertiefungen dadurch erreicht werden, daß die Strahlvorrichtung zwei miteinander starr ver­ bundene Strahldüsen besitzt, die in einem Winkel α1 und α2 zur auf zurauhenden Oberfläche geneigt und gegeneinander um einen Winkel β um die Flächennormale verschwenkt sind. Hier­ durch werden in einem Arbeitsgang beide Gruppen von Rauhig­ keitsvertiefungen erzeugt. Dabei kann auch α1 = α2 sein.

Weitere Einzelheiten werden anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein gemäß dem Stand der Tech­ nik aufgerauhtes dünnes Blech,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäß aufgerauhtes Blech mit Rauhigkeitsvertiefungen, deren Symmetrieachse schräg zur Normalen auf die Oberfläche ausgerichtet ist,

Fig. 3 einen Schnitt durch ein Blech mit zwei erfindungsge­ mäßen Gruppen von Rauhigkeitsvertiefungen,

Fig. 4 eine Aufsicht auf eine Strahlvorrichtung mit starr miteinander verbundenen Strahldüsen,

Fig. 5 eine Ansicht von der Stirnseite der Fig. 4, und

Fig. 6 eine Seitenansicht der Fig. 4.

Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein dünnes Ver­ suchsblech 1, wie es als Tragstruktur für Plattenkatalysato­ ren eingesetzt werden kann. Auf der Oberseite des dünnen Blechs 1 ist ein mittlerer Abschnitt mechanisch aufgerauht worden. Man erkennt hier die zerklüftete Oberflächenstruktur 2, die deutlich gegenüber den beidseitig zur Verdeutlichung nicht aufgerauhten Oberflächenabschnitten 4, 6 des Blechs ab­ getragen ist. Auf der linken Seite der zerklüfteten Oberflä­ chenstruktur ist ein Maßstab mit Angaben für die Rauhtiefe in µm eingetragen worden. Die Blechstärke ist hier aus zeichne­ rischen Gründen bezogen auf die Rauhtiefe geringer als maß­ stabgerecht gezeichnet. Zur Analyse des Rauhigkeitstiefenpro­ fils ist auf der Oberseite des Blechs 1 die Flächennormale 10 auf diese Oberfläche eingezeichnet und ist auf der aufgerauh­ ten Oberfläche die Symmetrieachse 12 zu einer der Rauhig­ keitsvertiefungen 14 eingetragen worden. Oberhalb der aufge­ rauhten Oberfläche 2, 8 ist eine aufgetragene katalytisch ak­ tive Beschichtung 16 eingezeichnet. Letztere wird als Paste aufgewalzt und anschließend durch Sintern verfestigt.

Das in der Fig. 1 gezeigte Rauhtiefenprofil 8 entspricht dem Stand der Technik, wie er durch die DE-A-41 32 534 begründet wird. Es wurde durch einen Gasstrahl erzeugt, dem ein Strahl­ mittel definierter Körnung beigemischt worden ist. Zur Erzie­ lung eines solchen Rauhtiefenprofils wird der erodierende Gasstrahl in Ebenen parallel zu dieser Symmetrieachse über die Blechoberfläche hinweggeführt. Bei Betrachtung des Schliffbildes ist leicht einzusehen, daß ein solches Rauhtie­ fenprofil eine vorzügliche Haftgrundlage darstellt, wenn Scherkräfte parallel zur Oberfläche abzufangen sind. Da sich jedoch alle Rauhigkeitsvertiefungen in Richtung der Flächen­ normale erweitern, ist die Haftfestigkeit der Beschichtung in dieser Richtung deutlich geringer als quer dazu.

Die Fig. 2 zeigt im Unterschied zur Fig. 1 einen Quer­ schnitt durch ein anderes, nach dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren aufgerauhtes dünnes Versuchsblech 18, bei dem die Symme­ trieachsen 20 der Rauhigkeitsvertiefungen 22 um den Winkel α gegenüber der Flächennormale 24 geneigt sind. Die zu veran­ kernde katalytisch aktive Substanz ist mit 26 angedeutet. Dieses Rauhtiefenprofil 28 wird erreicht, wenn der erodie­ rende Gasstrahl um einen Winkel α gegenüber der Flächennor­ male geneigt wird. Es ist ersichtlich, daß die Haftfestigkeit der Beschichtung gegenüber Scherkräften bei diesem Rauhtie­ fenprofil nicht mehr richtungsunabhängig, sondern in Richtung des Pfeils 30 besonders groß und in Richtung entgegengesetzt dazu kleiner ist als bei einem Rauhtiefenprofil gemäß der Fig. 1. Bei der Beschichtung mit einer katalytisch aktiven Substanz 26 wäre ein solches Blech daher vorzugsweise in der gezeigten Richtung zu dem mit einem Pfeil 30 angedeuteten Ab­ gasstrom einzubauen.

Die Fig. 3 zeigt eine Weiterentwicklung gegenüber dem Aus­ führungsbeispiel der Fig. 2. Man erkennt einen Querschnitt durch ein dünnes Versuchsblech 32, dessen aufgerauhte Ober­ fläche zwei verschiedene Gruppen von Rauhigkeitsvertiefungen 34, 36 besitzt. Deren Symmetrieachsen 38, 40 sind im Ausfüh­ rungsbeispiel unterschiedlich stark gegenüber der Flächennor­ male 42 geneigt. Sie bilden mit ihr einen Winkel α1 bzw. ei­ nen Winkel α2. Aus der Fig. 3 wird deutlich, daß ein Rauh­ tiefenprofil entstanden ist, bei dem die aufgebrachte kataly­ tisch aktive Substanz 43 diverse Zacken hintergreifen kann, so daß eine nach allen Richtungen formschlüssige Verankerung - auch senkrecht zur Flächennormale 42 - erreicht wird. Die Winkel α1 und α2 sollten < 10° und < 80°, vorzugsweise 50° ± 15°, betragen. Es ist nicht erforderlich, daß die Winkel α1 und α2 verschieden sind.

Die Fig. 4 zeigt eine Strahlvorrichtung 44, mit der ein Rauhtiefenprofil wie in Fig. 3 dargestellt werden kann. Diese besitzt zwei verschiedene, miteinander gekoppelte Strahldüsen 46, 48, die an einem Stativ 54 gehaltert und ge­ meinsam so ausgerichtet sind, daß ihr Gasstrahl 50, 52 auf annähernd der gleichen Stelle der auf zurauhenden Oberfläche 58 einer metallischen Tragstruktur 64 auftrifft. Beide Strahldüsen 46, 48 bilden gegeneinander einen Winkel β, der im Ausführungsbeispiel 120° beträgt. Auch größere Abweichun­ gen von diesem Wert sollten brauchbare Resultate liefern. Der Winkel β sollte jedoch möglichst nicht kleiner als 25° wer­ den. Beide Strahldüsen sind darüber hinaus, wie die Seitenan­ sicht der Fig. 6 zeigt, um einen Winkel α1 bzw. α2 zur Flä­ chennormale geneigt. Die Winkel α1, α2 und α3 in Fig. 6 stimmen nur dann mit den Winkeln α1 und α2 der Fig. 3 über­ ein, wenn die Projektionsrichtung in Fig. 6 rechtwinklig zur jeweiligen Strahlrichtung ausgerichtet ist. Wie die Fig. 5 zeigt, sind die beiden Strahldüsen 46, 48 darüber hinaus auch noch in der Ebene der Vorschubrichtung um einen Winkel γ1 bzw. γ2 zur Flächennormalen geneigt. Die Winkel γ1 und γ2 sollten möglichst nicht kleiner als 25° sein. Dabei ist es wegen des Rauhtiefenprofils vorteilhaft, wenn sie in der Ebene der Vorschubrichtung gegeneinander geneigt sind.

Wenn das Stativ 54 mit den beiden Strahldüsen 46, 48, wie in Fig. 4 angedeutet, längs einer mäanderförmigen Bahn 56 über die auf zurauhende Oberfläche 58 geführt wird, entsteht insbe­ sondere, wenn die Auftreffpunkte der beiden Strahlen der Dü­ sen zwei unmittelbar nebeneinanderliegende Spuren erzeugen, ein Rauhtiefenprofil, wie es in der Fig. 3 angedeutet worden ist. Bei diesen sind die beiden Gruppen von Rauhigkeitsver­ tiefungen auf dicht nebeneinanderliegenden, senkrecht zur Pa­ pierebene verlaufenden Spuren angeordnet. Im Ausführungsbei­ spiel der Fig. 4 liegen die Auftreffpunkte der Strahlen der beiden Düsen 46 und 48 ca. 10 mm nebeneinander. Ein solches Rauhtiefenprofil läßt sich auch erreichen, wenn ein und die­ selbe Strahldüse nacheinander in der entsprechenden Einstel­ lung über die auf zurauhende Blechoberfläche 58 geführt wird.

Abweichend vom Ausführungsbeispiel der Fig. 4 und 6 könnten auch die Strahldüsen 46 und 48 in der in der Fig. 6 gezeig­ ten Projektion einander entgegengerichtet sein. Dieser Fall wird in der Fig. 4 und 6 durch die die Strahldüse 48 erset­ zende Strahldüse 60 mit dem Winkel α3 zur Flächennormale an­ gedeutet.

In den vorgenannten Ausführungsbeispielen wurden jeweils glatte Versuchsblechoberflächen aufgerauht. Die geschilderten Verfahren lassen sich aber ebenso bei Lochblechen, metalli­ schem Flechtwerk und Streckmetall einsetzen. Dabei dürfte nach dem obigen Verfahren aufgerauhtes Streckmetall die gün­ stigsten Voraussetzungen für die Haftung der aufgetragenen katalytisch aktiven Oberflächen mit sich bringen. Es emp­ fiehlt sich, als Strahlmittel gebrochene Silicide oder Alumi­ nide mit einer Körnung von 4 bis 10 µm einzusetzen. Der Strahlvorschub kann dann etwa um 1 m pro Minute eingestellt werden. Im Normalfall wird man, wie in Fig. 4 angedeutet, die gesamte metallische Tragstruktur ohne jeden Randbereich auf rauhen.

Keines der bekannten Verfahren zur Aufrauhung von metalli­ schen Oberflächen, außer dem mit anderen Nachteilen behafte­ ten Flammspritzen von Metallen, ist wie dieses imstande, Rauhtiefenprofile zu erzeugen, die eine nach allen Richtungen formschlüssige Verankerung einer Beschichtung ermöglichen.

Claims (10)

1. Plattenkatalysator für den Einsatz in Gasen mit einer oberflächlich aufgerauhten metallischen Tragstruktur (1, 18, 32) und einer auf der aufgerauhten metallischen Tragstruktur aufgebrachten katalytisch aktiven Beschichtung (16, 26, 43), dadurch gekennzeichnet, daß die Sym­ metrieachse (12, 20, 38, 40) der mehr oder weniger spitz zu­ laufenden Rauhigkeitsvertiefungen (14, 22, 34, 36) der aufge­ rauhten Oberfläche unter einem Winkel α schräg zur Normalen (24, 42) auf die Oberfläche der Tragstruktur ausgerichtet sind.

2. Plattenkatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel α 10° und 80° ist.

3. Plattenkatalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Gruppen von Rauhigkeitsvertiefungen (34, 36) vorhanden sind, bei de­ nen die Projektion ihrer Symmetrieachsen auf die Oberfläche (58) der Tragstruktur miteinander einen Winkel β bilden.

4. Plattenkatalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel β < 25 ist.

5. Verfahren zur Herstellung einer Aufrauhung der metalli­ schen Tragstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß ein ein Strahlmittel mitführendes Strahlenmedium in einem Winkel α zur Flächennormalen (24, 42, 62) auf die auf zurauhende Ober­ fläche geschleudert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dieselbe Oberfläche (58) zweimal nacheinander gestrahlt wird, wobei die Strahlrichtung zwischen den ersten und zweiten Strahlen derselben Oberfläche jeweils um den Winkel β um die Flächennormale (42, 62) ge­ dreht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strahlvorrichtung (44) zwei miteinander starr verbundene Strahldüsen (46, 48) be­ sitzt, die im Winkel α zur auf zurauhenden Oberfläche geneigt und gegeneinander um den Winkel β um die Flächennormale (42, 62) verschwenkt sind.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Strahldüsen (46, 48) auf den gleichen Oberflächenbereich der zu bestrahlenden Oberflä­ che ausgerichtet sind.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Strahldüsen (46, 48) in Vorschubrichtung zugleich zwei aneinandergrenzende, paralle­ le, schmale Streifen der Oberfläche bestrahlen und der Zei­ lenvorschub auf der Blechoberfläche der Summe beider Strei­ fenbreite entspricht.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gas­ strahl, dem ein hartes, gebrochenes Strahlmittel von 4 bis 10 µm beigemischt ist, verwendet wird.