DE69217170T2

DE69217170T2 - Verfahren und benutzung einer vorrichtung zum backen von emaille auf metalloberflächen, insbesondere aluminiumteile

Info

Publication number: DE69217170T2
Application number: DE69217170T
Authority: DE
Inventors: Henri Piera
Original assignee: SEB SA
Current assignee: SEB SA
Priority date: 1991-06-05
Filing date: 1992-06-05
Publication date: 1997-06-12
Anticipated expiration: 2012-06-06
Also published as: EP0542968B1; US5391408A; DE69217170D1; FR2677374A1; WO1992021791A1; FR2677374B1; ES2041619T1; DE542968T1; EP0542968A1; ES2041619T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Brennen von Email auf einen Metallgegenstand, insbesondere aus Aluminium. Sie zielt zudem auf eine Vorrichtung für seine Durchführung.
Die gegenwärtigen Verfahren des Emailbrennens auf Aluminium, die abgeleitet sind von Verfahren des Emailbrennens auf Blech und früher auf Keramik, verwenden ein Brennmillieu mittels Konvektion. Die elektrisch oder mittels Gas heizenden Elemente erwärmen die Umluft eines Ofens, in welchem ein auf einer Unterlage plazierter, zu emaillierender Gegenstand angeordnet ist, auf eine eingestellte Temperatur. Diese Luft wird daraufhin bewegt, homogenisiert und dann durch Turbinen auf den Gegenstand gerichtet. Die heiße Luft gibt einen Teil ihrer Wärmeenergie an den Gegenstand ab, von welchem ein Teil der Oberfläche vorher mit Schlicker aus Emailfritte überdeckt wurde, der gemäß einer auf dem Gebiet des Emailbrennens allgemein bekannten Technik nach der Trocknung einen Biskuit bildet. Die heiße Luft wird dann unter die Unterlage zurückgeführt und wird erneut durch die in den Wänden des Ofens angeordneten Heizelemente wieder aufgeheizt.
In diesen Verfahren wird die Gesamtheit des zu emaillierenden Gegenstandes erhitzt, da der Gegenstand und die Emailauflage eine Gleichgewichtstemperatur mit der Temperatur der Umluft in dem Teil des Ofens erreicht, in dem der Gegenstand angeordnet ist. Folglich hängt die Leistung des Ofens und sein Reaktionsverhalten von der Masse und der Oberfläche des Gegenstandes ab.
Ferner ist die Bauweise eines Ofens in Konvektionstechnik anspruchsvoll und kostspielig aufgrund der Schwierigkeit, die heiße Luft bei Temperaturen von nahe 560 ºC zu bewegen, welche den gewöhnlichen Temperaturen zum Brennen von Email auf Gegenstände aus Aluminium entsprechen.
Andererseits ist die Erwärmungszeit eines solchen Ofens lang, praktisch 1 bis 2 Stunden, und somit energieschlukkend. Darüber hinaus ist es notwendig, wenn der Gegenstand die Einstelltemperatur erreicht, eine Dauer von wenigstens Minuten vorzusehen, damit das Email seine optimalen Qualitäten erlangt.
Auch wenn das Dokument JP-A-63 28 22 79 über Emailbrennen ein Verfahren des Emailbrennens unter Verwendung von Infrarotstrahlen beschreibt, werden in diesem Verfahren doch der Metallgegenstand und die Emailauflage beide gemeinsam erhitzt.
Die einheitliche Erwärmung des zu emaillierenden Gegenstandes führt dazu, daß die Wärmeausdehnung des Metalls zusammen mit dem Temperaturanstieg des Emails stattfindet, was zur Folge hat, daß auf den Oberflächen des Biskuits aus Email, der nicht den gleichen Ausdehungskoeffizienten hat wie das Metall, Beulen oder Bruchfalten erzeugt werden.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist, diese Nachteile zu beseitigen, indem ein Verfahren zum Brennen von Email auf einen Metallgegenstand, insbesondere Aluminium, vorgeschlagen wird, der einem vorhergehenden Schritt der Ablagerung von Schlicker aus Emailfritte auf einen Teil der Oberfläche des Gegenstandes, gefolgt von einem zur Erlangung eines Emailbiskuits auf dem Gegenstand führenden Trocknungsschritt, unterzogen wurde.
Gemäß der Erfindung ist das Brennverfahren dadurch gekennzeichnet, daß es nach dem Trocknungsschritt einen Schritt der Aussetzung des Gegenstands einer langwelligen Infrarotstrahlung mit einer solchen maximalen Emission umfaßt, daß die Strahlung den Emailbiskuit erwärmt, um das Brennen desselben zu erreichen, ohne dabei den Metallgegenstand wesentlich zu erwärmen.
Das Verfahren gemäß der Erfindung erlaubt es, überraschende Ergebnisse zu erhalten in bezug auffunktionelle Vielfalt, einfache Herstellbarkeit, Kosten und Qualität des erhaltenen Emails.
So ist ein das Verfahren gemäß der Erfindung verwendender Ofen in einigen Sekunden betriebsbereit anstatt in ein bis zwei Stunden, wie im Falle der früheren Verfahren, mit der Folge einer schnellen und ökonomischen Inbetriebsetzung. Deshalb könnte im Falle eines kurzzeitigen Produktionsstillstandes der Ofen, wenn er leer ist, ausgestellt werden.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung weist die Umgebungsluft eine Temperatur auf, die niedriger ist als die Schmelztemperatur, welche im Falle des Brennens von Email auf einen Gegenstand aus Aluminium 560 ºC beträgt, und viel niedriger ist als die des Infrarotemitters (von 1000 bis 2000 ºC). Darüber hinaus nimmt diese Luft nur in geringem Maße an dem Wärmeaustausch zwischen dem Infrarotemitter und dem zu emaillierenden Gegenstand teil, der fast uneingeschränkt durch die Strahlung ausgeführt wird, wobei die Luft in dem Brennraum praktisch still steht. Die Konstruktion eines Ofens zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist somit einfacher und weniger kostenintensiv als die früherer Öfen.
Andererseits gibt es schon am Anfang des Brennvorgangs einen sehr großen Temperaturgradienten zwischen dem Email und dem Gegenstand, denn dieser wird durch Wärmeleitung durch das Email hindurch gleichmäßig erwärmt. Auf diese Weise erwärmt sich der Metallgegenstand langsam, um so mehr als die Oberfläche des Metallgegenstands die Wärme reflektiert. Der Gradient hebt sich im Verlauf der Brenndauer auf. Das Vorhandensein des sehr großen Gradienten hat eine Verringerung des Bimetalleffektes zur Folge, der sich durch die Aneinanderfügung von zwei Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten bildet, und somit eine Minimierung und sogar Unterdrückung von Rissen, denen man in früheren Verfahren begegnet.
Ferner sind bei einer Erwärmung durch Infrarotstrahlung das Gewicht des Gegenstandes sowie seine Dicke an der entsprechenden Oberfläche nicht weiter Beschränkungsfaktoren, was die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs bei gegebener Heizleistung betrifft. Dagegen wird das Gespann Heizgeschwindigkeit/Heizleistung durch die zu erwärmende Oberfläche und deren Form noch konditioniert. Man erhält daher mit dem Verfahren gemäß der Erfindung an der entsprechenden Oberfläche praktisch eine Verdopplung der Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs des Emails gegenüber der, die mit den bisherigen Verfahren erreicht wird.
Schließlich erlaubt das Verfahren gemäß der Erfindung, mechanische und physikochemische Eigenschaften des Emails zu erhalten, entsprechend und sogar besser als diejenigen, die mit klassischen Brennverfahren durch Konvektion erhalten werden, aber mit einer auf zwei Minuten reduzierten Brenndauer anstelle von früher benötigten 5 Minuten.
Einem weiteren Aspekt der Erfindung folgend ist die Verwendung einer Vorrichtung zum Brennen von Email auf einen Metallgegenstand, insbesondere aus Aluminium, der vorher auf wenigstens einem Teil seiner Oberfläche mit einem aus einem Schlicker aus Emailfritte erhaltenen Biskuit bedeckt wurde, wobei die Vorrichtung einen Raum und eine Brennunterlage, auf welcher der Metallgegenstand angeordnet ist, und Infrarot-Emissionseinrichtungen, die in dem Raum angeordnet sind, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarot- Emissionseinrichtungen eine langwellige Infrarotstrahlung mit vorbestimmter maximaler Emission abgeben und in einem vorbestimmten Abstand vom zu emaillierenden Gegenstand angeordnet sind, derart, daß der durch den Biskuit bedeckte Teil des Gegenstandes der Infrarotstrahlung ausgesetzt ist und daß das Email erwärmt wird, ohne den Metallgegenstand direkt zu erwärmen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden zudem aus der Beschreibung deutlich, die anhand von Ausführungsformen nachstehend, in nicht beschränkender Weise, unter Bezugnahme auf die angehängten zeichnungen gegeben wird, in welchen:
- Figur 1 eine schematische Darstellung ist, die das Verfahren gemäß der Erfindung wiedergibt;
- Figur 2 eine schematische Ansicht einer Versuchsanlage eines Ofens zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung wiedergibt;
- Figur 3 eine Schnittansicht dieser Anlage ist;
- Figur 1 einen Brennraum 1 schematisch wiedergibt, in welchem ein Gegenstand 2, z. B. eine zu emaillierende Scheibe aus Aluminium, angeordnet ist. Die Scheibe 2 ist selbst auf einer Unterlage 3 angeordnet.
Die Scheibe 2 ist durch eine Auflage 4 aus einem vorher getrockneten Schlicker aus Emailfritte abgedeckt. Diese Auflage 4 liegt somit in Form eines im wesentlichen trockenen und porösen Biskuits vor.
Die Auflage 4 ist der Infrarotstrahlung ausgesetzt, die von einem Infrarot-Heizelement 5 emittiert wird, das in einem Abstand D von der Auflage 4 angeordnet ist.
Die Zusammensetzung des Emailbiskuits 4 ist derart, daß sie bei einer bestimmten Temperatur zu einer Emailauflage verschmilzt, die, wenn es sich um eine Emailzusammensetzung für Aluminium handelt, in der Größenordnung von 560 ºC liegt.
In Übereinstimmung mit der Erfindung ist die Wellenlänge der von dem Element 5 emittierten Strahlung und der Abstand D derart, daß der Emailbiskuit 4 sich schnell bis auf die obige Schrnelztemperatur erwärmt, wobei der Metallgegenstand 2 als Wärmestrahler dient.
Daraus ergeben sich insbesondere die folgenden Vorteile:
- Energieausbeute, insbesondere aufgrund dessen, daß der Energieverbrauch zum Erwärmen der Emailauflage praktisch auf das Notwendigste reduziert ist, und wegen der Einsparungen durch die Wärmestrahlerwirkung,
- Verbesserung der Qualität des Emails, die sich aus dem Ausbleiben von Rissen ergibt, welche in einem herkömmlichen Ofen durch eine schnelle Erwärmung der Metallunterlage der Metallscheibe erzeugt werden,
- Zeitgewinn.
Es wird nun ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der Erfindung mit Bezug auf die Figuren 2 und 3 beschrieben.
Der in Figur 2 schematisch dargestellte Versuchsofen bildet eine Brennvorrichtung gemäß der Erfindung, die einen Brennraum 40 aus Isoliermaterial mit einer Stärke von 20 mm umfaßt, der in 3 Zonen Z1, Z2 und Z3 (siehe Figur 3) unterteilt ist, wobei die erste Zone Z1 der Ausführungform mit gasbetriebenem Infrarotemitter 10 entspricht, während die beiden anderen Zonen Z2 und Z3 der Ausführungsform mit elektrischen Emittern 20 und 30 entsprechen. Jedem der Infrarotemitter 10, 20, 30 ist jeweils ein Abschnitt einer Brennunterlage 12, 22 und 23 zugeordnet, auf welcher ein oder mehrere zu emaillierende Gegenstände 13, 23 und 33 angeordnet sind. Der gasbetriebene Infrarotemitter 10 ist in den Brennraum 40 eingefügt und durch herkömmliche Leitungs einrichtungen 11 mit einer Gasversorgungseinrichtung 14 verbunden. Die Verbrennung des Gases in dem Emitter 10 wird von einer Emission einer Infrarotstrahlung begleitet, welcher die vorher mit Schlicker in vorbestimmter Zusammensetzung überzogene und nach Erhalt eines getrockneten Biskuits gemäß den auf diesem Gebiet geläufigen Techniken vorliegende Oberseite des Gegenstandes 13 ausgesetzt wird.
Die Unterlagen 12, 23, 33 sind im Inneren des Raumes beweglich angebracht.
Die Gegenstände 13, 23, 33 können zum Beispiel Kochgefäße sein.
Die kennzeichnenden Abmessungen des Versuchsofens sind die folgenden:
- Abstand LO zwischen dem Gasemitter 10 und einem ersten Ende des Raumes: 160 mm,
- Länge L&sub1; des Gasemitters 10: 650 mm,
- Abstand LA zwischen den Zonen 1 und 2: 200 mm,
- Länge L&sub2; des elektrischen Emitters 20: 610 mm,
- Abstand LB zwischen den Zonen 2 und 3: 100 mm,
- Länge des elektrischen Emitters 30: 600 mm,
- Abstand LF zwischen dem elektrischen Emitter 30 und dem anderen Ende des Raumes: 660 mm,
- Gesamtlänge des Versuchsofens 1: 2980 mm.
Bei einem solchen Versuchsofen beträgt der optimale Abstand D der Infrarotemitter 10, 20 und 30 von den zu emaillierenden Stücken 13, 23 und 33 etwa 160 mm. Nach allgemeinem Grundsatz hängt dieser optimale Abstand D von der Emissionsleistung, der Form und der Oberfläche der Stücke sowie den geometrischen Eigentümlichkeiten des Brennraumes ab.
Die Strahlungsleistung pro Oberflächeneinheit des Gasemitters 10 ist im wesentlichen gleich 130 kW/m². Seine Temperatur beträgt etwa 1000 ºC und sein Emissionsspektrum erstreckt sich im mittleren Infrarotbereich etwa von 1 µm bis 8 µm, die Wellenlänge der maximalen Emission ist im wesentlichen gleich 2 µm. Die von dem Gasemitter 10 abgegebene Leistung ist veränderbar von 50 bis 100 %.
Die elektrischen Infrarotemitter 20, 30 werden aus Strahlungselementen gebildet, die über Verbindungsmittel 21, 31 mit Elektrizität versorgt werden. Die beiden elektrischen Emitter 20 und 30 emittieren ebenfalls im mittleren Infrarotbereich und ihre Temperatur beträgt etwa 1200 ºC, wobei die Emissionsleistung pro Oberflächeneinheit dieses Emitters etwa 60 kW/m² beträgt.
Mit diesen drei im mittleren Infrarotbereich emittierenden Emittern 10, 20, 30 liegt die Temperatur der Umgebungsluft, gemessen beispielsweise mit einem im Inneren des Raumes 40 angeordneten optischen Pyrometer 41, zwischen 100 und 450 ºC, also viel niedriger als die Temperatur der Ermitter.
Eine weitere Variante könnte durch zwei Emitter 20 und 30 gebildet sein, die im kurzen Infrarotbereich emittieren.
Die elektrischen Emitter sind Emitter aus Röhren für kurzes Infrarot mit einer Emittertemperatur von etwa 2200 ºC, einer Emissionsleistung pro Oberflächeneinheit zwischen 100 und 300 kW/m² und einem Emissionsspektrum, das sich zwischen 0,6 µm und 4,8 µm erstreckt, wobei die Wellenlänge der maximalen Emission im wesentlichen gleich 1,2 µm ist. Dieser Emittertyp hat eine sehr gesteigerte Ernissionsleistung und eine sehr viel höhere Emittertemperatur als die der anderen getesteten Emitter. Er ist jedoch sehr empfindlich gegenüber Variationen in der Farbe des Schlickers und läßt eine Temperatur der Umgebungsluft von über 100 ºC nicht zu.
Die beiden elektrischen Emitter 20, 30 können gemeinsam auf eine Leistung von 0 bis 100 % ihrer installierten Leistung verändert werden.
Die Zeitspannen, in denen die Stücke der von den Emittern 10, 20 und 30 emittierten Infrarotstrahlung ausgesetzt sind, variieren in Abhängigkeit von der Form und der Oberfläche der zu emaillierenden Gegenstände von 3 Minuten und Sekunden bis 7 Minuten. Am Ende der Bestrahlung erreicht das Aluminium des Gegenstandes durch Wärmeleitung die der Schrnelztemperatur des Emails entsprechende Gleichgewichtstemperatur, nämlich 560 ºC.
Das Verfahren gemäß der Erfindung kann in einfacher Weise auf eine Fertigungsstraße angewendet werden, wobei dann ein bewegliches Band zum Tragen der Stücke vorgesehen ist, um die zu emaillierenden Stücke in dem Brennraurn weiterzubefördern und nacheinander, während einer in Abhängigkeit von der Form und der Oberfläche des Gegenstandes vorbestimmten Bestrahlungsdauer, der von dem Infrarotemitter emittierten Strahlung auszusetzen.
Ein weiteres wichtiges Kennzeichen des Verfahrens gemäß der Erfindung beruht in der Möglichkeit, die unmittelbare Temperatur des emaillierten Stückes zu messen, zum Beispiel mittels einem Infrarot-Pyrometer, wobei es diese Temperatur gestattet, die Heizleistung der Infrarotemitter zu regeln.
Denn bei den herkömmlichen Verfahren wird die Umgebungstemperatur gemessen, um die Heizleistung zu regeln, da sich die zu emaillierenden Stücke auf der gleichen Temperatur wie die Umgebungstemperatur befinden.
Wohlverstanden ist die Erfindung nicht allein auf die beschriebenen Beispiele beschränkt, und es können zahlreiche Ausgestaltungen an diesen Beispielen vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
So können weitere Arten und Konfigurationen von Infrarotemittern in Betracht gezogen werden. Darüber hinaus kann die Geometrie des Brennraumes nach gegenwärtigen oder zukünftigen technologischen Ausführungskriterien definiert sein. Es können zudem weitere Beförderungseinrichtungen für die zu emaillierenden Stücke in dem Brennraum vorgesehen sein. Im übrigen akzeptiert das Brennverfahren gemäß der Erfindung vor dem Brennvorgang die vorherige Durchführung eines Siebdruckverfahrens auf dem Biskuit.

Claims

1. Verfahren zum Brennen von Email auf einen Metallgegenstand (2, 13, 23, 33), insbesondere aus Aluminium, der einem vorhergehenden Schritt der Ablagerung von Schlicker aus Emailfritte (4) auf wenigstens einem Teil seiner Oberfläche, gefolgt von einem Trocknungsschritt, unterzogen wurde, dadurch gekennzeichnet, daß es nach dem Trockungsschritt einen Schritt der Aussetzung des Gegenstands (2, 13, 23, 33) einer langwelligen Infrarotstrahlung mit einer solchen vorbestimmten maximalen Emission umfaßt, daß diese das Email (4) erwärmt, ohne den Metallgegenstand direkt zu erwärmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarotstrahlung von Infrarot-Emissionseinrichtungen (5, 10, 20, 30) abgegeben wird, die in einem Brennraum (1, 40) in einem vorbestimmten Abstand (D) vom zu emaillierenden Gegenstand (2, 13, 23, 33) angeordnet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieses ferner einen Schritt der Modulation der Emissionsleistung der Infrarot-Emissionseinrichtungen (5, 10, 20, 30) in Abhängigkeit vom zu emaillierenden Gegenstand (2, 13, 23, 33) umfaßt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, angewendet auf eine Gruppe von Metallgegenständen (13, 23, 33), die auf einem beweglichen Transportband (12, 22, 32) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Gegenstand nacheinander der Infrarotstrahlung über eine vorbestimmte Bestrahlungsdauer ausgesetzt wird, wobei sich das Transportband in bezug zu den Infrarot-Emissionseinrichtungen (10, 20, 30) verschiebt.

5. Verwendung einer Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1-4 zum Brennen von Email auf einen Metallgegenstand (13, 23, 33), der vorher auf einem Teil seiner Oberfläche mit einem aus einem Schlicker aus Emailfritte erhaltenen Biskuit bedeckt wurde, wobei die Vorrichtung einen Raum (40), eine Brennunterlage (12, 22, 32), auf welcher der Metallgegenstand angeordnet ist, und Infrarot-Emissionseinrichtungen (10, 20, 30), die in dem Raum (40) angeordnet sind, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarot-Emissionseinrichtungen (10, 20, 30) eine langwellige Infrarotstrahlung mit vorbestimmter maximaler Emission abgeben und in einem vorbestimmten Abstand (D) vom zu emaillierenden Gegenstand (13, 23, 33) angeordnet sind, derart, daß der durch den Biskuit bedeckte Teil des Gegenstandes der Infrarotstrahlung ausgesetzt ist, und daß das Email (4) erwärmt wird, ohne den Metallgegenstand direkt zu erwärmen.

6. Verwendung einer Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1-4 zum Brennen von Email auf eine Gruppe von Gegenständen (13, 23, 33), insbesondere aus Aluminium, die vorher mit einem aus einem Schlicker aus Emaifritte erhaltenen Biskuit auf einem Teil ihrer Oberfläche bedeckt wurden, wobei die Vorrichtung einen Raum (40), ein Transportband (12, 22, 32), auf welchem die Gegenstände angeordnet sind, und Infrarot- Emissionseinrichtungen (10, 20, 30), die in dem Raum angeordnet sind, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarot-Emissionseinrichtungen (10, 20, 30) eine langwellige Infrarotstrahlung mit einer vorbestimmten maximalen Emission abgeben und in einem vorbestimmten Abstand (D) von den zu emaillierenden Gegenständen (13, 23, 33) angeordnet sind, und daß das Transportband (12, 22, 32) in dem Brennraum (40) beweglich ist, derart, daß die zu emaillierenden Gegenstände der Infrarotstrahlung der Infrarot- Emissionseinrichtungen (10, 20, 30) über eine vorbestimmte Dauer nacheinander ausgesetzt sind.

7. Verwendung gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarot-Emissionseinrichtungen Strahlungselemente (20, 30) umfassen, die mit elektrischer Energie betrieben werden.

8. Verwendung gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarot- Emissionseinrichtungen Strahlungselemente (10) umfassen, die mit Energie aus der Gasverbrennung betrieben werden.

9. Verwendung nach einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Emissionsspektrum der von den Infrarot-Emissionseinrichtungen (10, 20, 30) abgegebenen Strahlung im wesentlichen von 1 µm bis 8 µm erstreckt, wobei die Wellenlänge der vorbestimmten maximalen Emission etwa 2 µm beträgt.

10. Verwendung nach einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Ernissionsspektrum der von den Infrarot-Emissionseinrichtungen (10, 20, 30) abgegebenen Strahlung im wesentlichen von 0,6 µm bis 4,8 µm erstreckt, wobei die Wellenlänge der vorbestimmten maximalen Emission etwa 1,2 µm beträgt.