DE69506279T2 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von keramischen gegenständen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung von keramischen gegenständen

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Formung keramischer Gegenstände und die zur Formung verwendete Vorrichtung. Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, betrifft die Erfindung die Formung von Röhren und Rohren aus keramischem Material.
  • Keramische Röhren und Rohre wurden bislang aus Ton zu der gewünschten "Grün"form geformt und dann in einem Ofen gebrannt. Sie werden im breiten Maße angewendet, sind jedoch hinsichtlich mechanischer Festigkeit und der Fähigkeit, hohen Temperaturen zu widerstehen, nicht von hoher Qualität, so daß sich ein hoher Anteil Schädigung durch Bruch zuzieht. Für keramische Röhren und Rohre, die den steigenden Anforderungen widerstehen können, insbesondere Hochleistungskeramiken, wie Siliziumcarbid, wurden die Herstellungsverfahren allerdings immer komplizierter. Die Japanische Offenlegungsschrift JP-A-03 218987 beschreibt die Herstellung einer Röhre aus Verbundmaterial aus Siliziumcarbid/Metall für Anwendungen, wie Verbrennungsröhren von Gasturbinenmotoren. Diese Herstellung bildet zuerst eine Schicht aus einem gleichförmigen Gemisch von Siliziumcarbidpulver und Kohlenstoffpulver auf der inneren Oberfläche einer Metallröhre. Überschüssiges Silizium wird dann zugegeben und eine Mischpulverschicht aus Aluminium und Fe&sub3;O&sub4; wird auf die erste Schicht zur Bildung eines röhrenförmigen Gegenstandes laminiert. Der röhrenförmige Gegenstand wird dann sehr schneller Drehung ausgesetzt, so daß eine Thermitreaktion stattfindet, die gesintertes Siliziumcarbid in der ersten Schicht erzeugt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung eines hochqualitativen keramischen Gegenstandes, wie Röhren und Rohre, wobei komplizierte Verfahren vermieden werden.
  • Insbesondere stammt die vorliegende Erfindung von Untersuchungen, inwiefern auf die Herstellung von keramischen Gegenständen eine Technik, ähnlich den keramischen Schweißverfahren, anzuwenden wäre.
  • Beim "keramischen Schweißen" wird ein Gemisch von festen, feuerfesten Teilchen und festen, brennbaren Brennstoffteilchen eines Metalls oder Halbmetalls, wie Aluminium und Silizium, gegen eine Zielfläche geschleudert, wobei die brennbaren Teilchen in stark exothermer Weise mit Sauerstoffgas reagieren, unter Erzeugung einer kohärenten, feuerfesten Masse mit den feuerfesten Teilchen, zusammen mit dem/den Oxid(en), das/die bei der Umsetzung erzeugt wird/werden.
  • Es gibt eine Vielzahl von Patenten hinsichtlich keramischen Schweißens, ausgehend von GB-A-1 330 894 (Glaverbel). Obwohl es bekannt ist, keramische Schweißverfahren zur Herstellung eines feuerfesten Gegenstandes, beispielsweise eines Blocks mit ähnlicher Form bei der Konstruktion oder Reparatur eines Industrieofens zu verwenden, wurde es in der Vergangenheit hauptsächlich bei der in-situ-Reparatur von Ofenschamotten verwendet, beispielsweise Schamotten, die in den Wänden von Glasherstellungsöfen oder Koksöfen verwendet werden. Das keramische Schweißgemisch wird gegen den erforderlichen, zu reparierenden Punkt geschleudert, wo es eine kohärente, feuerfeste Masse erzeugt, die an der Ofenwand haftet.
  • Die in Öfen verwendeten feuerfesten Materialien schließen solche Oxidmaterialien, wie Aluminiumoxid, Siliziumdioxid und Zirconiumoxid, ein. Schamotte, die eine Grundlage aus Siliziumcarbid aufweisen, werden in bestimmten metallurgischen Anlagen eingesetzt, insbesondere in Hochöfen oder in Zinkdestillationskolonnen. Die bei der Reparatur verwendeten, brennbaren Teilchen und feuerfesten Teilchen werden im allgemeinen so ausgewählt, daß die kohärente feuerfeste Masse von ähnlicher chemischer Zusammensetzung wie die Ofenschamotte ist.
  • Gemäß vorliegender Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Gegenstandes aus einem Pulvergemisch, umfassend feuerfeste Teilchen und brennbare Teilchen, bereitgestellt, wobei die brennbaren Teilchen exotherm in Anwesenheit eines sauerstoffreichen Gases umgesetzt werden, unter Erzeugung des Gegenstandes aus den feuerfesten Teilchen und dem Reaktionsprodukt der brennbaren Teilchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvergemisch gegen einen Metallformer geschleudert wird, der auf eine Temperatur von mindestens 850ºC erhitzt ist, unter Erzeugung eines kohärenten, feuerfesten Gegenstandes in der Gestalt des Formers und der Former anschließend von dem Gegenstand getrennt wird.
  • Eine Vorrichtung zur Herstellung einer feuerfesten Masse, umfassend eine Sprühvorrichtung zum Versprühen von Teilchen aus oxidierbarem Material und feuerfestem Material, zusammen mit Sauerstoff, ist bekannt, beispielsweise eine Vorrichtung gemäß WO-A-90/03848 (Willmet, Inc.). Die vorliegende Erfindung stellt außerdem eine Vorrichtung zur Herstellung eines keramischen Gegenstandes bereit, umfassend eine Aufschleudervorrichtung für ein Pulvergemisch, umfassend feuerfeste Teilchen und brennbare Teil chen, eine Zuführvorrichtung für ein sauerstoffreiches Gas, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Metallformer, hergestellt aus einem Material, das gegenüber hoher Temperatur und chemischem Angriff beständig ist, umfaßt, gegen den die aufgeschleuderten Teilchen mit dem sauerstoffreichen Gas reagieren können, um aus den feuerfesten Teilchen und dem Reaktionsprodukt der brennbaren Teilchen einen kohärenten, feuerfesten Gegenstand in der Gestalt des Formers herzustellen, wobei die Oberfläche des Metallformers frei von Kerben oder Vorsprüngen ist, die gegebenenfalls die Erzeugung einer Bindung zwischen dem geschweißten Material und dem Metall unterstützen könnten.
  • Die Erfindung ist zur Herstellung von allen Arten keramischer Gegenstände geeignet, beispielsweise für flache Platten, gekrümmte Platten, gewellte Platten, Scheiben und offene Leitungen. Sie ist jedoch besonders zur Herstellung von hohlen Gegenständen, wie Röhren, Rohren, röhrenförmigen Verbindern und Verbindungsstücken, sehr gut geeignet.
  • Die erfindungsgemäß hergestellten Gegenstände weisen einen hohen Grad an Feuerfestigkeitseigenschaften und gute mechanische Festigkeit auf und gestatten so ihre Verwendung in Hochleistungsanwendungen von keramischen Materialien. Sie sind besonders gut zur Verwendung in hocheffizienten Wärmetauschern, in Korrosion-beständigen Tauchheizern, Gasdüsen und Metalldurchführungen, beispielsweise Stahlgießdüsen, geeignet. Das Erfordernis der Korrosionsbeständigkeit ist besonders deutlich bei der Verwendung von geschmolzenen Metallen, wie Zink und Aluminium.
  • Die Erfindung weist außerdem den Vorteil auf, daß sie die Herstellung von Komponenten aus hochgradig feuerfestem Material gestattet. Die Anwesenheit von Phasen mit niedrigem Schmelzpunkt wird vermieden, was einen Vorteil gegenüber klassischen Techniken unter Verwendung von Schlickerguß, Brennen oder Calcinieren ergibt.
  • Die Erfindung stellt eine einfache Alternative zu gewöhnlichen Verfahren zur Herstellung von keramischen Gegenständen großer Abmessungen oder komplexer Form wieder dar. Darüber hinaus ist ihre Herstellung rasch und verläßlich, da sie nur aus dem gewünschten Ausgangsmaterial gefertigt werden, gibt es eine außergewöhnliche Flexibilität bei der Wahl der Endprodukteigenschaften durch die geeignete Wahl von Ausgangsmaterialien.
  • Bevorzugte Beispiele für feuerfeste Teilchen schließen Siliziumcarbid, Aluminiumoxid, Zirconiumoxid und Alumino-Zirconiumoxid ein. Siliziumcarbid ist besonders als Bestandteil von Gegenständen, von denen eine gute Beständigkeit gegen hohe Temperaturen gefordert wird, erwünscht.
  • Die brennbaren Teilchen werden vorzugsweise aus Silizium und Aluminium oder Gemischen davon ausgewählt.
  • Die feuerfesten Teilchen weisen vorzugsweise eine maximale Abmessung von 2 mm auf. Dies gewährleistet einen minimalen Verlust an feuerfestem Material durch Wiederablösen von der Zieloberfläche. Die brennbaren Teilchen weisen vorzugsweise einen mittleren Durchmesser von nicht mehr als 50 um auf. [Der Begriff "mittlerer Teilchendurchmesser", der hier verwendet wird, bedeutet eine Abmessung, so daß 50 Gewichtsprozent der Teilchen eine geringere Abmessung haben als dieser Durchschnitt.]
  • Erhitzen des Formers auf eine Temperatur von mindestens 850ºC gestattet die Entzündung der brennbaren Teilchen. Nach der Entzündung brennen die brennbaren Teilchen unter beträchtlicher Wärmefreisetzung. Der Former kann auf eine Temperatur von mindestens 850ºC vorerhitzt werden, wodurch gewährleistet wird, daß die Entzündung der brennbaren Teilchen vonstatten geht, wenn sie den Former erreichen. Das Aufschleudern kann alternativ auf einen Former gerichtet werden, der sich auf einer geringeren Temperatur als 850ºC befindet, beispielsweise Umgebungstemperatur, und dann die Temperatur des Formers anheben, um die Reaktion auszulösen.
  • Das Pulvergemisch wird vorzugsweise aus einer einzigen Blaslanze geschleudert, obwohl eine Mehrfach-Blaslanzen-Konfiguration ebenfalls, falls erwünscht, verwendet werden kann.
  • Zweckmäßigerweise ist das für das Pulver verwendete Trägergas ein Sauerstoffreiches Gas, das für die Verbrennung verwendet wird. Im allgemeinen ist es bevorzugt, Sauerstoff mit Handelsqualität zu verwenden, da dies beim Erreichen einer hohen Reaktionstemperatur unterstützend wirkt.
  • Im allgemeinen wird das Pulver fortschreitend auf den Former aufgetragen, ausgehend von einem Punkt und arbeitend über die gesamte Oberfläche des Metallformers. Das Auftragungsmuster kann manuell aufgetragen werden, aber zweckmäßigerweise werden die Lanze und der Former so zueinander bezogen befestigt, daß eine Voreinstellung und eine wiederholbare mechanische Bewegung der Lanze und des Metallformers im Verhältnis zueinander erreicht wird.
  • Der Metallformer sollte aus einem Material gefertigt sein, das gegen hohe Temperatur und chemischen Angriff beständig ist. Edelstahl ist im allgemeinen bevorzugt. Die Form des Metallformers wird durch die erforderliche Form des Gegenstandes bestimmt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß bei geeigneter Auswahl der Form des Metallformers sie zur Herstellung von Gegenständen einer komplizierten Konfiguration verwendet wer den kann, beispielsweise für wärmebeständige T-Stück- und L-Stück-Komponenten; die in Abgasleitungssystemen verwendet werden. Die Oberfläche des, das Schweißmaterial empfangenden Formers, ist glatt und frei von jeglichen Einkerbungen oder Vorsprüngen, so daß er ihrer Tendenz der Bildung einer Bindung zwischen dem Schweißmaterial und dem Metall widersteht.
  • Da die Oberfläche des auf dem Former erzeugten, kohärenten keramischen Materials genau zu der Oberflächenform des Metallformers paßt, wird somit die Herstellung von hohlen Gegenständen mit sehr genauen und wiederholbaren Innenabmessungen ermöglicht.
  • Die Vorrichtung umfaßt Mittel zur Bewegung des Formers im Verhältnis zur Aufschleuder-Blaslanze. Dies kann durch einfache Bewegung der Aufschleudervorrichtung erreicht werden; es kann jedoch auch zweckmäßig sein, daß der Former selbst beweglich ist.
  • Zur Röhren- und Rohrherstellung sollte der Metallformer die Form eines länglichen Zylinders aufweisen. Durch Drehen des Zylinders um seine Achse kann die keramische Abscheidung aus einer einzigen Blaslanze auf einen einzigen Punkt aufgetragen werden. Für Röhren und Rohre mit einer Länge von nicht mehr als jener des Zylinders kann die Blaslanze parallel zu der Zylinderachse bewegt werden, so daß die gesamte Oberfläche des Zylinders mit einer keramischen Beschichtung versehen werden kann.
  • Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß es zur Herstellung von röhrenförmigen Gegenständen mit Abmessungen verwendet werden kann, die nicht durch die Größe des Formers begrenzt sind. Dies kann durch Bewegen des röhrenförmigen Gegenstands aus dem Zylinder so, wie er geformt wird, erreicht werden: Wenn das erste kreisförmige Band des röhrenförmigen Gegenstandes verfestigt, kann es mit einem Handhabungswerkzeug gegriffen werden und von dem Zylinder in axiale Richtung fortbewegt werden, während das nächste kreisförmige Band des Gegenstandes gerade entsteht. Bei einer solchen Anordnung ist die mögliche Gesamtlänge der Röhrenherstellung in keiner Weise durch das Formungsverfahren begrenzt und hängt von dem benachbarten Handhabungsraum und der Ausrüstung ab.
  • Für viele Anwendungen kann die Trennung des Gegenstandes von dem Former sehr einfach durch einfaches Wegziehen des Formers erreicht werden. Die Entfernung des geformten Gegenstandes aus dem Former kann, falls erwünscht, durch Vorbeschichten des Formers mit einem feuerfesten Zement erleichtert werden, der im Ergebnis der auf ihn während des Formverfahrens angewendeten Wärme brüchig wird und dann leicht von der Oberflä che des Formers oder Gegenstands bricht. Alternativ kann der Former beispielsweise auf Umgebungstemperatur gekühlt werden, so daß er relativ zu dem Formgegenstand schrumpft und kann dadurch leichter entfernt werden.
  • Die Erfindung wird außerdem nachstehend mit Hinweis auf die Beispiele erläutert. Es sollte jedoch hervorgehoben werden, daß die Erfindung in keiner Weise auf spezielle Mengen und Verfahren, die in diesen Beispielen beschrieben werden, begrenzt ist.
    • BEISPIEL 1
  • Ein zylindrisches Rohr, hergestellt aus Edelstahl und drehbar um seine Achse, wurde in einen Ofen bei 1000ºC zum Vorheizen angeordnet. Der Zylinder hatte einen Außendurchmesser von 40 mm und eine Länge von 150 mm und seine äußere Oberfläche war glatt, ohne deutliche Kerbungen oder Vorsprünge. Mit Hilfe einer Blaslanze wurde auf den vorgeheizten Zylinder, während er sich drehte, ein Pulvergemisch mit nachstehender Zusammensetzung (auf das Gewicht) geschleudert:
  • Siliziumcarbid 79%
  • Silizium 8%
  • Aluminium 5%
  • Magnesiumoxid 8%
  • Die Siliziumteilchen hatten eine Abmessung unterhalb 45 um und eine spezifische Oberfläche zwischen 2 500 und 8 000 cm²/g. Die Aluminiumteilchen hatten eine Abmessung unterhalb 45 mm und eine spezifische Oberfläche zwischen 3 500 und 6 000 cm²/g. Die Abmessungen der Siliziumcarbidteilchen waren weniger als 1,47 mm, wobei 60 Gewichtsprozent von 1 bis 1,47 mm, 20% von 0,5 bis 1 mm und 20% unterhalb 0,125 mm waren. Die Magnesiumoxidteilchen hatten eine mittlere Abmessung von etwa 300 um.
  • Das Pulvergemisch wurde in einen Strom von technisch reinem Sauerstoff transportiert. Nach einigen Minuten war eine feuerfeste Schicht mit etwa 10 mm Dicke auf die Zylinderoberfläche aufgetragen. Der Zylinder wurde dann auf Umgebungstemperatur gekühlt und wurde einfach zurückgezogen, unter Hinterlassen eines geformten Rohres aus dem feuerfesten Material, mit einem Innendurchmesser von 40 mm und einer Länge von 150 mm. Die Innenoberfläche des geformten Rohres war vollständig glatt.
    • BEISPIEL 2
  • Ein zylindrisches Rohr der in Beispiel 1 beschriebenen Art, jedoch von größeren Abmessungen und mit einer integralen Heizvorrichtung, wurde mit einer Schicht aus feuerfestem Zement beschichtet und dann auf 1100ºC erhitzt. Ein Pulvergemisch der in Beispiel 1 definierten Zusammensetzung wurde in einem Strom aus technisch reinem Sauerstoff aus einer Blaslanze auf die beschichtete Oberfläche geschleudert, während der Zylinder gedreht wurde. Das Schleudern wurde für einige Minuten fortgesetzt, unter Bildung einer feuerfesten Schicht auf dem Zement. Nach der Bildung der feuerfesten Schicht wurde das Erhitzen des Zylinders gestoppt, der Zylinder wurde auf Umgebungstemperatur abkühlen lassen und wurde wiederum leicht zurückgezogen. In diesem Fall hatte das gebildete Rohr aus feuerfestem Material einen Innendurchmesser von 200 mm und eine Länge von 1 m.

Claims (18)

1. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Gegenstandes aus einem Pulvergemisch, umfassend feuerfeste Teilchen und brennbare Teilchen, wobei die brennbaren Teilchen exotherm in Anwesenheit eines sauerstoffreichen Gases, unter Erzeugung des Gegenstandes aus den feuerfesten Teilchen und dem Reaktionsprodukt der brennbaren Teilchen umgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvergemisch gegen einen Metallformer geschleudert wird, der auf eine Temperatur von mindestens 850ºC erhitzt ist, unter Erzeugung eines kohärenten, feuerfesten Gegenstandes in der Gestalt des Formers und der Former anschließend von dem Gegenstand getrennt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der keramische Gegenstand ein hohler Gegenstand ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die feuerfesten Teilchen eines oder mehrere von Siliciumcarbid, Aluminiumoxid, Zirconiumoxid und Alumino-Zirconiumoxid umfassen.
4. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, wobei die brennbaren Teilchen ausgewählt sind aus Silicium und Aluminium oder Gemischen davon.
5. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, wobei die feuerfesten Teilchen eine maximale Abmessung von 2 mm aufweisen.
6. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, wobei die brennbaren Teilchen einen mittleren Teilchendurchmesser von nicht größer als 50 um aufweisen.
7. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, wobei der Former auf eine Temperatur von mindestens 850ºC vorerhitzt wird.
8. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, wobei das Pulvergemisch aus einer einzigen Lanze geschleudert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Pulvergemisch aus mehreren Lanzen geschleudert wird.
10. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, wobei das Trägergas für das Pulver das für die Verbrennung verwendete sauerstoffreiche Gas darstellt.
11. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, wobei der Metallformer mit einem feuerfesten Zement vorbeschichtet ist, der im Ergebnis der während des Schweißverfahrens angewendeten Wärme brüchig wird, um die Entnahme des Formgegenstandes aus dem Former zu erleichtern.
12. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, wobei der Metallformer nach der Bildung des Gegenstandes abgekühlt wird, um die Entnahme des Formgegenstandes aus dem Former zu erleichtern.
13. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, wobei das Pulver, ausgehend von einem Punkt und arbeitend über die gesamte Oberfläche des Metallformers, fortschreitend auf den Former aufgetragen wird.
14. Verfahren nach einem vorangehenden Anspruch, wobei der Gegenstand ein röhrenförmiger Gegenstand ist, der aus dem Metallformer, wie er geformt ist, entnommen wird.
15. Vorrichtung zur Herstellung eines keramischen Gegenstandes, umfassend eine Aufschleudervorrichtung für ein Pulvergemisch, umfassend feuerfeste Teilchen und brennbare Teilchen, eine Zuführvorrichtung für ein sauerstoffreiches Gas, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Metallformer, hergestellt aus einem Material, das gegenüber hoher Temperatur und chemischem Angriff beständig ist, umfaßt, gegen den die aufgeschleuderten Teilchen mit dem sauerstoffreichen Gas reagieren können, um aus den feuerfesten Teilchen und dem Reaktionsprodukt der brennbaren Teilchen einen kohärenten, feuerfesten Gegenstand in der Gestalt des Formers herzustellen, wobei die Oberfläche des Metallformers frei von Vertiefungen oder Vorsprüngen ist, die gegebenenfalls die Erzeugung einer Bindung zwischen dem geschweißten Material und dem Metall unterstützen könnten.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, in welcher das Pulver durch eine Lanze aufgetragen wird und die Lanze und der Metallformer so zueinander befestigt sind, daß eine Voreinstellung und wiederholbare mechanische Bewegung der Lanze und des Metallformers zueinander erreichbar ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 16, in welcher der Metallformer in der Gestalt eines länglichen Zylinders vorliegt.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei der Zylinder um seine Achse drehbar ist.
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