DE69200802T2 - Anlage zum Spritzbeschichten von einem Zusatzwerkstoff auf einem Substrat. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft den thermischen Auftrag eines Werkstoffs mittels Flamme auf ein Substrat, um auf diesem eine Beschichtung auszubilden, und insbesondere eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Beschichtung aus einem aufzutragenden Werkstoff auf einem Substrat, mit einer Spritzdüse, die eine Hauptachse hat und einen zentralen Zufuhrdurchlaß für den aufzutragenden Werkstoff umfaßt, der über eine zentrale Öffnung in ein Ende der Düse mündet, und mit einer Vielzahl von Leitungen für das Sauerstoff/Brennstoff-Gemisch, die über Öffnungen in das Düsenende münden, die um die zentrale Öffnung herum winkelmäßig versetzt verteilt sind, und mit einem ringförmigen Trägergasdurchlaß, der das Ende der Düse umschließt.
• Eine derartige Vorrichtung ist in dem Dokument EP-A-0 379 119 beschrieben.
• Das Flammwärmebeschichten umfaßt eine Gruppe von Verfahren, die die Modifikation von Oberflächeneigenschaften eines Substrats durch Ausbilden eines üblicherweise metallischen Werkstoffniederschlags auf dieser Oberfläche vorsehen. Unter der Einwirkung der Verbrennung des Brennstoff/Sauerstoff-Gemisches wird der Werkstoff allmählich auf seine Schmelztemperatur gebracht, und das Trägergas zerstäubt das geschmolzene Material in feine Partikel, die mit hoher kinetischer Energie angetrieben werden. Die im flüssigen oder pastösen Zustand vorliegenden Partikel schlagen auf dem zuvor hierfür vorbereiteten Substrat auf. Das derzeit eingesetzte Trägergas ist komprimierte Luft, und der typischerweise erhaltene Wirkungsgrad (Verhältnis zwischen dem Gewicht des tatsächlich auf dem Substrat niedergeschlagenen Werkstoffs und dem Gewicht des effektiv verbrauchten Werkstoffs) liegt für das Spritzbeschichten von Zink, das zur Herstellung von Antikorrosionsbeschichtungen, insbesondere auf Metallrohren, am häufigsten verwendete Metall, in der Größenordnung von 55 bis 57%.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art vorzuschlagen, die hinsichtlich verminderter Herstellungskosten und einer einfachen und anpassungsfähigen Anwendbarkeit verbessert ist und eine deutliche Erhöhung der Spritzbeschichtungsausbeute gewährleistet und mit verminderten Herstellungskosten anwendbar ist.
• Zu diesem Zweck ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen der Geinischleitungen sich aufzumindest zwei Serien verteilen, die, bezogen auf die Hauptachse, radial gegeneinander versetzt sind.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfaßt das Trägergas zwischen 1 und 10% Sauerstoff, typischerweise zwischen 2 und 8%, wobei der Rest Stickstoff ist, und es wird typischerweise durch eine Luftadsorptions- oder Permeationstrenneinheit geliefert. Das Trägergas kann dadurch mit geringen Kosten gewonnen werden, und obwohl eine geringe Sauerstoffmenge zurückbleibt, kann die Erhöhung der Ausbeute beim Spritzbeschichten von Zink 13% erreichen. Ein derartiges Trägergas mit hohem Inertgasgehalt erlaubt es, die Reaktivität des Milieus auf dem Weg der Partikel durch Verminderung des Auftragswerkstoffvolumens, das in die Verbrennung eingetreten ist, und die Menge der oxidierten Partikel, die für eine gute Haftung auf dein Substrat ungeeignet sind, zu vermindern. Außerdem erlaubt die Verminderung des Wärmevolumens durch Verminderung des Volumens der oxidierten Partikel eine Verminderung des Abstands zwischen der Spritzdüse und dem zu beschichtenden Gegenstand, ohne die Beschichtungsqualität zu ändern und außerdem eine bessere Konzentration des Strahls.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfaßt die Düse einen zentralen Bereich, der den zentralen Durchlaß festlegt und in einem rohrförmigen Umfangsbereich aufgenommen ist, wobei die Gemischleitungen an der Zwischenfläche zwischen dem zentralen Bereich und dein Umfangsbereich ausgebildet sind und in zumindest auf eine erste und eine zweite Serie verteilte Öffnungen münden, wobei der Abstand zwischen der Hauptachse und den Öffnungen der ersten Serie größer ist als der Abstand zwischen der Hauptachse und den Öffnungen der zweiten Serie.
• Die Gemischleitungen sind vorteilhafterweise durch Längsnuten gebildet, die in den Umfang des Hauptbereichs eingefräst sind, was es erlaubt, die Tiefe, die Form und die Anzahl dieser Gemischleitungen problemlos zu gestalten, und die Herstellungskosten zu vermindern. Eine derartige Spritzbeschichtungsvorrichtung erweist sich außerdem als wirksamer und anpassungsfähiger im Einsatz als die bekannten Vorrichtungen mit den herkömmlichen Gasen, nämlich Luft als Trägergas und Acetylen oder Propan als brennbares Gas.
• Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen anhand der bei liegenden Zeichnungen hervor; es zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Längsschnittansicht der erfindungsgemäßen Spritzbeschichtungsvorrichtung;
• Fig. 2 eine Stirnansicht der Spritzdüse sowie verschiedener Varianten der Leitungen für das sauerstoffbrennbare Gemisch; und
• Fig. 3 eine schematische Ansicht des Endes der Düse unter Darstellung der stufenweisen Anordnung der Flammen zum Erwärmen des Werkstoffs.
• In Fig. 1 ist eine Spritzdüse gezeigt, die aus einer koaxialen Anordnung eines zentralen Rohrs 1 in einem Umfangsrohrteil 2 besteht, wobei diese Anordnung koaxial in einem Ende eines zylindrischen Trägers 3 angeordnet ist, der seinerseits in einem Spritzpistolenkörper 4 angebracht ist. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt der Umfangsteil 2 eine kegelstumpfartige zentrale Durchgangsausnehmung 5, die auf der Rückseite über eine radiale Schulter 6 mit einer Ringkammer 7 vergrößerten Durchmessers verbunden ist. Der zentrale Teil 1 umfaßt einen zentralen Durchlaß 8 und an seinem Umfang zwei Serien von Längsnuten 9a, 9b unterschiedlicher Tiefen, die winkelmäßig versetzt und aufeinanderfolgen. Das Außenprofil des mit Rippen versehenen Teilbereichs 1 entspricht im wesentlichen dem Innenprofil 5 des Umfangsteils 2. Die Rippen zwischen den Nuten 9a, 9b umfassen insbesondere einen rückwärtigen Teil 10 vergrößerten Durchmessers, der in einer ringförmigen Kammer 7 im Anschlag gegen die radiale Schulter 6 aufgenommen ist, jedoch nicht über die gesamte axiale Erstreckung der ringförmigen Kammer 7 verläuft. Der zentrale Teil 1 urnfaßt ein rückwärtiges Ende 11 verminderten Durchmessers, während der Umfangsteil 2 ein rückwärtiges Ende 12 vergrößerten Durchmessers umfaßt, wobei diese rückwärtigen Enden in einer vorderen gestuften Aufnahme 13 des Trägers 3 aufgenommen sind, der seinerseits von einem zentralen Durchlaß 14 durchsetzt ist, durch welchen der Werkstoff in Form eines homogenen oder verdichteten Faden 15, der mit (nicht gezeigten) Antriebseinrichtungen gekoppelt ist, sich in dem zentralen Durchlaß 8 des zentralen Teils 1 vorwärtsbewe,gt und am vorderen Ende der Düse durch eine zentrale Öffnung 15 austritt, um welche herum die Leitungen 9A, 9B (Fig. 2) münden. Der Durchlaß 8 umfaßt vorteilhafterweise benachbart zur zentralen Öffnung 16 eine ringförmige Umhüllung 17 aus einem verschleißfesten Material, z.B. aus rostfreiem Stahl.
• Der ringförmige Träger 3 umfaßt eine Mehrzahl von gestuften Längsdurchlässen 18, die stromabwärts in ein stromabwärtiges Ende der gestuften Aufnahme 13 vergrößerten Durchmessers und stromaufwärts in eine ringförmige Kammer 19 münden, die über Durchlässe in dem Körper 4 mit einer Quelle 20 für brennbares Gas in Verbindung stehen, das typischerweise aus einem Gemisch aus Propylen und Methylacetylen, handelsübliche Bezeichnung "TETREN", oder einem Gemisch aus Ethylen mit Acetylen, handelsübliche Bezeichnung "CRYLEN", besteht. Der mittlere Bereich mittleren Durchmessers jedes Durchlasses 8 kommuniziert über einen radialen Durchlaß 21 mit einer ringförmigen Kammer 22, die ihrerseits über die Innendurchlässe in dem Körper 4 mit einer Sauerstoffquelle 23 kommuniziert. Das Sauerstoff/Brennstoff-Gemisch bildet sich in den Durchlässen 18 und verteilt sich gleichmäßig in den ringförmigen Kammern 13 und 17, um die Leitungen 9a, 9b gleichmäßig zu versorgen.
• Die Anordnung aus dem zentralen Teil der Düse 1 und dem Umfangsteil der Düse 2 wird gegen eine Innenschulter der Aufnahme 13 durch eine Mutter 24 gehalten, die auf das Außenende des Trägers 3 aufgeschraubt ist. Im vorderen Teil der Mutter 24 ist eine Abschlußmuffe 25 eingesetzt, die den Umfangsbereich 2 umgibt und eine Innenaufnahme festlegt, die am Vorderende in einem konvergierenden konischen Teil 26 ausläuft, der das Vorderende des Umfangs 2 umgibt, indem er um diesen herum einen ringförmigen Durchlaß 27 bildet. Die Muffe 25 wird in der Mutter 24 durch eine Umfangshülse 28 in Position gehalten und verriegelt, die auf das Vorderende des Körpers 4 geschraubt ist und dadurch eine ringförmige Kammer 29 um die Mutter 24 und den hinteren Teil der Muffe 25 herum bildet. Das Vorderende des Körpers 4 umfaßt eine ringförmige Kammer 30, die über eine Innenleitung 31 mit einer Trägergasquelle 32 kommuniziert. Die Muffe 25 umfaßt radiale Durchlässe 33, welche die Kommunikation zwischen der Kammer 29 in der Hülse 28 und dem Ringraum zwischen der Muffe 25 und dem Umfangsteil der Düse 2 bilden. Das Trägergas von der Quelle 32 verteilt sich gleichmäßig in der ringförmigen Kammer 30, tritt dann in die ringförmige Kammer 29 unter Kühlung der Mutter 24 und des rückwärtigen Teils der Muffe 25 ein, von dort über die Durchlässe 33 in die ringförmige Kammer zwischen der Muffe 25 und dem Umfangsteil 2 zum Auslaßdurchlaß 26 unter Kühlung des Düsenumfangsteils 2.
• Wie am besten aus Fig. 3 hervorgeht, ermöglicht die erfindungsgemäße Konstruktion der Düse die Erzeugung einer gestuften Erwärmung, wobei die Aufeinanderfolge der Gemischleitungen 9a, 9b ein unterschiedliches Verteilen der Verbrennungsflammenkegel 34a, 34b um das zu schmelzende Material 15 herum erlaubt. Die Leitungen 9b geringeren Abstands zur Achse der Düse ergeben eine starke Erwärmung 34b des zu schmelzenden Materials in kurzem Abstand zur Vorderseite der Düse und bewirken einen schnellen Temperaturanstieg des Materials 15. Die anderen Leitungen 9a stellen eine von dem Ende der Düse entfernte Erwärmung 34a sicher und tragen zu einer allmählichen Temperaturerhöhung des zu schmelzenden Materials 15 bei.
• Die zweiteilige Konzeption der Düse erlaubt eine Ausführung der Leitungen mit sehr unterschiedlichen Formen, beispielsweise, wie in Fig. 2 von links nach rechts gezeigt, als Nuten mit rechteckigem, dreieckigem oder trapezförmigem Querschnitt. Die Einfachheit der Bearbeitung erlaubt außerdem eine Erhöhung der Anzahl der Leitungen und ihrer winkelmäßigen Verteilung und dadurch eine Verbesserung der Übertragung der Wärme auf das zu schmelzende Material. Es ist auch möglich, wie rechts in Fig. 2 gezeigt, die Leitungen als Kombination von Bohrlöchern 9b und mehr oder weniger tiefen Nuten 9a, 9a' auszubilden.
• Wie vorstehend erwähnt, kann die Trägergasguelle 32 ein Behälter für Stickstoff oder Argon oder ein Gemisch aus diesen beiden sein. Diese Trägergasguelle 32 ist vorteilhafterweise gemäß der Erfindung eine Adsorptions- oder Permeationsgas/Lufttrenneinheit, die mit atmosphärischer Luft über einen Verdichter 35 versorgt wird, wobei das aus mit Sauerstoff angereichterter Luft bestehende Permeat bei 36 abgezogen wird.
• Beispielsweise zur Bildung einer Antikorrosionsschicht durch Spritzauftrag von Zink mittels eines Trägergases, das zu 97% aus Stickstoff und zu 3% aus Sauerstoff besteht, und mit einem Massendurchfluß von ungefähr 20 kg/h Metall sind die Parameter wie folgt:
• - Trägergas: .Druck: 4,5-5 x 10&sup5; Pa
• .Spritzdurchfluß: 20-30 m³/h
• - Sauerstoff: Druck: 2-3 x 10&sup5; Pa
• - brennbares Gas: .Durchfluß: 1000-1200 11h
• .Druck: bei "CRYLEN": 2 x 10&sup5; Pa
• bei "TETREN": 2,5 x 10&sup5; Pa
• Unter diesen Bedingungen wird die Zinkspritzbeschichtungsausbeute, bezogen auf die Verwendung von Propan und komprimierter Luft, um etwa 9% verbessert.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Erzeugen einer Beschichtung aus einem aufzutragenden Werkstoff auf einem Substrat, mit einer Spritzdüse (1, 2), die eine Hauptachse hat und einen zentralen Zufuhrdurchlaß (8) für den aufzutragenden Werkstoff (15) umfaßt, der über eine zentrale Öffnung (16) in ein Ende der Düse mündet, und mit einer Vielzahl von Sauerstoff/Brennstoff-Gemischleitungen (9a, 9b), der über Öffnungen in das Düsenende mündet, die um die zentrale Öffnung herum winkelmäßig verteilt sind, und mit einem ringförmigen Trägergasdurchlaß (27), der das Ende der Düse (1, 2) umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen der Gemischleitungen (9a, 9b) sich aufzumindest zwei Serien verteilen, die, bezogen auf die Hauptachse, radial gegeneinander versetzt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen der Gemischleitungen (9a) einer Serie winkelmäßig gegenüber denjenigen (9b) der anderen Serie versetzt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse einen zentralen Bereich (1) umfaßt, der den zentralen Durchlaß (8) festlegt und in einem rohrförmigen Umfangsbereich (2) der Düse aufgenommen ist, wobei die Gemischleitungen (9a, 9b) an der Zwischenfläche zwischen dem zentralen Bereich (1) und dem Umfangsbereich (2) ausgebildet sind und in zumindest eine erste und eine zweite Reihe von Öffnungen münden, wobei der Abstand zwischen der Hauptachse und den Öffnungen der ersten Serie größer ist als der Abstand zwischen der Hauptachse und den Öffnungen der zweiten Serie.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gemischleitungen (9a, 9b) von zumindest einer der Öffnungsserien durch Längsnuten gebildet sind, die in den Umfang des Hauptbereichs (1) eingefräst sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsbereich (2) eine kegelstumpfförmige Ausnehmung (5) umfaßt, deren Innenprofil im wesentlichen dem Außenprofil des Hauptbereichs (1) entspricht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (9a, 9b) ein von außen nach innen abnehmendes Querschnittsprofil haben.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (1, 2) in einem gestuften Sitz (13) eines zylindrischen Trägers (3) angeordnet und durch eine Untereinheit (24, 25) gehalten ist, die eine Abschlußbuchse (25) umfaßt und den Trägergasdurchlaß (27) bildet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Träger (3) und die Untereinheit (24, 25) durch einen Körper (4) getragen sind, der eine Zufuhrleitung (31, 30) für das Trägergas umfaßt, die mit einer Trägergasquelle (32) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägergasquelle (32) eine Einheit zum Abtrennen von Gas und Luft ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtrenneinheit eine Adsorptions- oder Permeationszerlegungseinheit ist.