EP0212250A2 - Korrosionsbeständige Drehschieberpumpe und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Korrosionsbeständige Drehschieberpumpe und Verfahren zu ihrer Herstellung Download PDF

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EP0212250A2
EP0212250A2 EP86109683A EP86109683A EP0212250A2 EP 0212250 A2 EP0212250 A2 EP 0212250A2 EP 86109683 A EP86109683 A EP 86109683A EP 86109683 A EP86109683 A EP 86109683A EP 0212250 A2 EP0212250 A2 EP 0212250A2
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EP
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pump
protective layer
rotary
magnetite
vane pump
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Walter Dr. Ulsamer
Karl-Heinz Boller
Hans-Heinrich Dr. Henning
Dieter Dipl.-Ing. Frohn
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Ringsdorff Werke GmbH
Gebr Becker GmbH
Gebr Becker GmbH and Co KG
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Ringsdorff Werke GmbH
Gebr Becker GmbH
Gebr Becker GmbH and Co KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C21/00—Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
    • F01C21/10—Outer members for co-operation with rotary pistons; Casings
    • F01C21/104—Stators; Members defining the outer boundaries of the working chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C21/00—Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
    • F01C21/08—Rotary pistons

Definitions

  • the invention relates to a rotary vane pump with an eccentrically mounted rotary piston, housing and side covers made of an iron material and a method for producing the pump.
  • Rotary vane pumps essentially contain a cylindrical work chamber, a rotary piston which is mounted eccentrically in the work chamber and at least two slide valves which are mounted in the slots of the rotary piston and are pressed by centrifugal force against the housing delimiting the work chamber during operation of the pump.
  • the slides slide in the slots of the rotary piston, on the housing wall and the side covers inserted into the housing and wear out during pump operation, the rate of wear of the slides being essentially determined by the nature of the sliding surfaces.
  • combinations of certain materials have been proposed for the parts of the pump which are in frictional engagement, for example a housing made of sintered metal, cover and slide made of the same graphite-containing material (DE-GM 82 02 785).
  • this solution is less suitable primarily because of the higher strength requirements and also for cost reasons. It is therefore preferable to use pumps whose housing and side cover are made of an iron material, eg gray cast iron.
  • a major disadvantage of these materials is their insufficient corrosion resistance.
  • pitting-like corrosion spots form on the rotary lobes, the housing wall and the side covers, the amount and intensity of which can be increased considerably by the action of corrosive substances such as sulfur dioxide.
  • the corrosion points roughen the sliding surfaces to a greater or lesser extent, which increases the wear rate of the slide considerably.
  • corrosion products can fill the narrow gap between the rotary lobe and side cover or between the slide and rotary lobe slots in such a way that the pump can no longer be started after long periods of inactivity. Measures to reduce the corrosive attack have so far not led to a generally satisfactory solution.
  • Spraying the sliding surfaces with PTFE aerosols results only in exceptional cases in a significant reduction in the corrosion rate, chrome-plated or nickel-plated running surfaces or the use of stainless steels reduce the corrosion rate, but the wear rate of the slide valves, which consist essentially of graphite, remains with these material combinations, especially at high peripheral speeds comparatively large.
  • the invention is therefore based on the object of providing a rotary vane pump which operates in a humid and corrosive atmosphere without corrosion-related damage and whose vanes have a low wear rate.
  • the object is achieved with a rotary vane pump of the type mentioned at the beginning, the rotary lobe, housing wall and side cover of which are provided with a protective layer of magnetite on the sides facing the working area.
  • Magnetite protective layers made of magnetite shield the coated pump parts against atmospheric substances and prevent damage to the sliding surfaces through the formation of corrosion products. At the same time, the magnetite layer has a favorable friction behavior, so that the wear on the slide is low even at high peripheral speeds.
  • the thickness of the magnetite protective layer should preferably be at least 0.005 and at most 0.05 mm, since with smaller thicknesses a closed layer is not always achieved and the impact resistance decreases with thicker layers.
  • Magnetite layers generally have residual porosity and are therefore not always impermeable to fluids. In these cases it is advantageous to use magnetite layers infiltrated with a synthetic resin. Suitable as infiltration agents are all synthetic resins that are resistant to the aggressive substances at the working temperature of the pump. Particularly suitable are acrylate resins that are easy to process with good chemical and thermal resistance.
  • the protective layer made of magnetite on the rotary lobe, housing wall and side covers of the rotary vane pump these pump parts are exposed to an atmosphere containing water vapor at a temperature between 500 and 650 ° C.
  • the atmospheric pressure is about 0.01 to 0.05 bar, the treatment time is about 2 hours.
  • the pump parts are then cooled to room temperature outside the vacuum furnace.
  • the bluish-black impact-resistant magnetite layer formed on the surface of the pump parts is essentially impermeable to fluids.
  • the pump parts provided with a magnetite layer are immersed in the melt or solution of a synthetic resin and the pores of the magnetite layer are filled with the impregnating agent.
  • the infiltration of the resin is advantageously carried out in a manner known per se at vermin dertem atmospheric pressure, if necessary the pressure is then increased.
  • the pump parts are heated to at least 80 ° C. to harden the synthetic resin, the temperature and also the hardening time being essentially determined by the type of resin.
  • Thermoplastic and thermosetting synthetic resins and resin solutions are used as infiltration agents, which are resistant to temperature and corrosion and whose viscosity should not exceed about 100 mPa ⁇ s during infiltration.
  • Acrylate resins such as polymethacrylate or triethylene glycol dimethyl acrylate, are preferred because of their resistance and short curing times.
  • the coating of the pump parts - rotary lobe, housing and side cover - with magnetite enables the use of ferrous materials, such as gray cast iron, nodular cast iron, cast steel, unalloyed and low-alloyed steels, which could not or only to a limited extent be used for this purpose due to the shortcomings described above.
  • the protective layer made of magnetite shields the pump parts made of these materials against corrosive fluids, prevents disturbing damage to the parts during pump operation and, due to its favorable friction behavior, enables the slide wear rate to be reduced.
  • Rotary piston, housing and side cover made of gray cast iron 6620, DIN 1691, were heated in an autoclave at a rate of about 500 K / h to 600 ° C, the pressure was reduced to 0.03 bar and the autoclave was rinsed with a total of about 24 kg of water vapor. After a residence time of 2 hours, the steam supply was interrupted, the autoclave was opened and cooled to room temperature under normal atmospheric conditions.
  • the pump parts were covered with a firmly adhering black glossy magnetite layer, the thickness of which was approximately 0.008 mm. Some of the pump parts coated with magnetite were infiltrated with a polymethacrylate resin, the viscosity of which at 20 ° C. was about 15 mPa ⁇ s.
  • the parts were stacked in an autoclave, the pressure was reduced to 8 mbar for 15 minutes, the parts were then covered with the resin and the pressure increased to 10 bar. To cure the resin, the parts were finally heated to 100 ° C. and held at this temperature for 15 minutes.
  • Oil-lubricated pumps made of the same material behave essentially like the pumps examined in dry running.

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Abstract

Drehschieberpumpe, vor allem aus Grauguß, deren dem Arbeitsraum zugekehrte Flächen mit einer korrosionsbeständigen Schutzschicht aus Magnetit versehen sind. Die durch Reaktion mit Wasserdampf gebildete Magnetitschicht ist vorzugsweise mit einem Kunstharz infiltriert.

Description

  • Gegenstand der Erfindung ist eine Drehschieberpumpe mit einem exzentrisch in einem Arbeitsraum gelagerten Drehkolben, Gehäuse und Seitendeckeln aus einem Eisen­werkstoff und ein Verfahren zur Herstellung der Pumpe.
  • Drehschieberpumpen enthalten im wesentlichen einen zylin­drischen Arbeitsraum, einen im Arbeitsraum exzentrisch gelagerten Drehkolben und wenigstens zwei Schieber, die in Schlitzen des Drehkolbens gelagert sind und beim Betrieb der Pumpe durch Fliehkraft gegen das den Arbeitsraum be­grenzende Gehäuse gedrückt werden. Die Schieber gleiten in den Schlitzen des Drehkolbens,an der Gehäusewand und den in das Gehäuse eingesetzten Seitendeckeln und nutzen sich beim Pumpenbetrieb ab, wobei die Verschleißrate der Schieber im wesentlichen durch die Beschaffenheit der Gleitflächen bestimmt wird. Zur Verringerung der Verschleißrate sind für die im Reibungseingriff stehenden Teile der Pumpe Kombina­tionen aus bestimmten Werkstoffen vorgeschlagen worden, z.B. einem Gehäuse aus Sintermetall, Deckel und Schieber aus dem gleichen graphithaltigen Werkstoff (DE-GM 82 02 785). Für Pumpen größerer Abmessungen und Leistungen ist diese Lösung vor allem wegen der höheren Festigkeitsanforderungen und auch aus Kostengründen weniger geeignet. Man verwendet daher vorzugsweise Pumpen, deren Gehäuse und Seitendeckel aus einem Eisenwerkstoff, z.B. Grauguß bestehen.
  • Ein wesentlicher Nachteil dieser Werkstoffe ist ihre ungenügende Korrosionsbeständigkeit. In feuchter Atmo­sphäre bilden sich auf Drehkolben, Gehäusewand und den Seitendeckeln lochfraßnähnliche Korrosionsstellen aus, deren Menge und Intensität durch die Einwirkung korrosiver Stoffe, wie Schwefeldioxid, beträchtlich gesteigert werden kann. Die Korrosionsstellen rauhen die Gleitflächen mehr oder weniger stark auf, wodurch die Verschleißrate der Schieber wesentlich zunimmt. Schließlich können Korrosionsprodukte den schmalen Spalt zwischen Drehkolben und Seitendeckel oder zwischen Schieber und Drehkolbenschlitzen derart ausfüllen, daß nach längeren Stillstandzeiten ein Anfahren der Pumpe nicht mehr möglich ist. Maßnahmen zur Verminderung des korrosiven Angriffs führten bisher nicht zu einer allge­mein befriedigenden Lösung. Das Besprühen der Gleitflächen mit PTFE-Aerosolen ergibt nur ausnahmsweise eine beacht­liche Senkung der Korrosionsrate, verchromte oder ver­nickelte Laufflächen oder der Einsatz von Edelstählen ver­mindern zwar die Korrosionsrate, die Verschleißrate der im wesentlichen aus Graphit bestehenden Schieber bleibt aber bei diesen Werkstoffkombinationen vor allem bei hohen Umfanggeschwindigkeiten vergleichsweise groß.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Dreh­schieberpumpe zu schaffen, die in feuchter und korrodieren­der Atmosphäre ohne korrosionsbedingte Schäden arbeitet und deren Schieber eine kleine Verschleißrate haben.
  • Die Aufgabe wird mit einer Drehschieberpumpe der eingangs genannten Art gelöst, deren Drehkolben, Gehäusewand und Seitendeckel auf den dem Arbeitsraum zugekehrten Seiten mit einer Schutzschicht aus Magnetit versehen sind.
  • Schutzschichten aus Magnetit schirmen die beschichteten Pumpenteile gegen atmosphärische Stoffe ab und verhindern eine Schädigung der Gleitflächen durch die Bildung von Korrosionsprodukten. Zugleich weist die Magnetitschicht ein günstiges Reibungsverhalten auf, so daß der Ver­schleiß der Schieber auch bei großer Umfangsgeschwindig­keit gering ist. Die Dicke der Magnetit-Schutzschicht sollte bevorzugt wenigstens 0,005 und höchstens 0,05 mm betragen, da bei kleineren Dicken eine geschlossene Schicht nicht immer erreicht wird und bei dickeren Schich­ten die Schlagfestigkeit abnimmt. Magnetitschichten weisen in der Regel eine Restporosität auf und sind aus diesem Grund gegen Fluide nicht immer impermeabel. In diesen Fällen ist es von Vorteil, mit einem Kunstharz infiltrierte Magnetitschichten zu verwenden. Geeignet als Infiltrations­mittel sind alle Kunstharze, die bei der Arbeitstemperatur der Pumpe gegen die aggresiven Stoffe beständig sind. Be­sonders geeignet sind Acrylat-Harze, die bei guter chemi­scher und thermischer Beständigkeit sich einfach verarbeiten lassen.
  • Zur Herstellung der Schutzschicht aus Magnetit auf Dreh­kolben, Gehäusewand und Seitendeckeln der Drehschieberpumpe werden diese Pumpenteile bei einer Temperatur zwischen 500 bis 650 °C einer wasserdampfhaltigen Atmosphäre ausgesetzt. Dabei beträgt der atmosphärische Druck etwa 0,01 bis 0,05 bar, die Behandlungsdauer ist etwa 2 h. Die Pumpenteile werden dann außerhalb des Vakuumofens auf Raumtemperatur abgekühlt. Die auf der Oberfläche der Pumpenteile gebildete bläulich­schwarze schlagzähe Magnetitschicht ist im wesentlichen gegen Fluide undurchlässig. Nach einer bevorzugten Aus­führung des Verfahrens werden die mit einer Magnetitschicht versehenen Pumpenteile in die Schmelze oder Lösung eines Kunstharzes getaucht und die Poren der Magnetitschicht mit dem Imprägniermittel gefüllt. Der Infiltration des Harzes erfolgt in an sich bekannter Weise zweckmäßig bei vermin­ dertem atmosphärischem Druck, gegebenenfalls wird dann der Druck erhöht. Nach beendeter Infiltration werden die Pumpenteile zum Härten des Kunstharzes auf wenigstens 80 °C erhitzt, wobei die Temperatur und auch die Härtungs­zeit im wesentlichen durch die Harzart bestimmt wird. Als Infiltrationsmittel werden thermoplastische und duro­plastische Kunstharze und Harzlösungen verwendet, die temperatur- und korrosionsbeständig sind und deren Vis­kosität bei der Infiltrierung etwa 100 mPa · s nicht über­schreiten sollte. Bevorzugt werden wegen ihrer Beständig­keit und kurzen Härtungszeiten Acrylatharze, wie Polymeth­acrylat oder Triethylenglykol-Dimethyl-Acrylat.
  • Die Beschichtung der Pumpenteile - Drehkolben, Gehäuse und Seitendeckel - mit Magnetit ermöglicht die Verwendung von Eisenwerkstoffen, wie Grauguß, Sphäroguß, Stahlguß, unlegierten und niedriglegierten Stählen, die wegen der oben beschriebenen Mängel nicht oder nur eingeschränkt für diesen Zweck eingesetzt werden konnten. Die Schutz­schicht aus Magnetit schirmt die Pumpenteile aus diesen Werkstoffen gegen korrosiv wirkende Fluide ab, verhindert bei dem Pumpenbetrieb störende Schäden an den Teilen und ermög­licht wegen seines günstigen Reibverhaltens die Reduzierung der Verschleißrate der Schieber.
  • Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft beschrieben:
  • Drehkolben, Gehäuse und Seitendeckel aus Grauguß 6620, DIN 1691, wurden in einem Autoklaven mit einer Rate von etwa 500 K/h auf 600 °C erhitzt, der Druck auf 0,03 bar abgesenkt und der Autoklav mit insgesamt etwa 24 kg Wasser­dampf gespült. Nach einer Verweilzeit von 2 h wurde die Wasserdampf-Zufuhr unterbrochen, der Autoklav geöffnet und unter normalen atmosphärischen Bedingungen auf Raum­temperatur abgekühlt. Die Pumpenteile waren mit einer festhaftenden schwarz-glänzenden Magnetitschicht überzogen, deren Dicke etwa 0,008 mm betrug. Ein Teil der mit Magnetit beschichteten Pumpenteile wurde mit einem Polymethacrylat-Harz infiltriert, dessen Viskosität bei 20 °C etwa 15 mPa · s betrug. Die Teile waren in einem Autoklaven aufgeschichtet, der Druck wurde für 15 min auf 8 mbar gesenkt, die Teile dann mit dem Harz überschichtet und der Druck auf 10 bar erhöht. Zur Härtung des Harzes wurden die Teile schließlich auf 100 °C erhitzt und für 15 min auf dieser Temperatur gehalten.
  • Drehschieberpumpen mit beschichtetem Drehkolben, Gehäuse und beschichteten Seitenteilen und zum Vergleich eine Pumpe mit plasmanitrierten Gleitflächen, eine unbehandelte in den Stillstandsperioden mit einem PTFE-Spray beauf­schlagte Pumpe und eine Pumpe, deren Gleitflächen mit einer Nickelschicht versehen war, wurden einem Korrosions­test unterworfen. Die Oberflächenhärte der mit Magnetit beschichteten Pumpe war ca. 210 (HB 2,5/62,5), die Rauh­tiefe Rt der Gleitfläche etwa 5 µm. Die Schieber be­standen aus einem graphitischen Werkstoff (Rohdichte 1,75 g/cm³, Shore-Härte ca. 60, Biegefestigkeit - 75 MPa, E-Modul - 20 GPa). Die Pumpen liefen zunächst fünf Tage mit einem maximalen Unterdruck von 0,08 bar, wurden an­schließend etwa 15 min bei freier Ansaugung mit 0,4 m³ Wasserdampf beaufschlagt und dann abgeschaltet. Nach drei Tagen wurden die Pumpen geöffnet und visuell auf Korro­sionsstellen untersucht. Der Zyklus wiederholte sich bis zu einer kumulierten Laufzeit von 2000 h. Die Ergebnisse waren wie folgt:
    • 1. Pumpe ohne Schutzschicht, die während der Stillstands­zeiten mit PTFE besprüht wurde. Die Pumpe war bereits nach dem ersten Testzyklus stark verrostet und konnte nicht mehr angefahren werden.
    • 2. Pumpe mit plasmanitrierter Gleitschicht. Am Versuchs­ende waren der Drehkolben, die Stirnflächen des Gehäuses und die Seitendeckel stark korrodiert. Es wurde nur noch ein Unterdruck von 0,7 bar erreicht. Die Gleit­fläche selbst war überwiegend frei von Korrosionsstellen, der Schieberverschleiß betrug 0,029 mm/100 h.
    • 3. Pumpe mit vernickelter Gleitfläche. Am Versuchsende gab es flächige Korrosionsstellen auf dem Drehkolben, den Stirnflächen des Gehäuses und an den Seitendeckeln. Der Schieberverschleiß war 0,032 mm/100 h.
    • 4. Pumpe mit Magnetit-Schutzschicht. Es gab keine Anzeichen für eine Korrosion, der Schieberverschleiß war 0,019 mm/100 h.
    • 5. Pumpe mit Magnetit-Schutzschicht und Polymethacrylat-­Harz-Infiltrierung. Ergebnisse wie unter 4.
  • Mit Öl geschmierte Pumpen aus dem gleichen Werkstoff ver­halten sich im wesentlichen wie die im Trockenlauf unter­suchten Pumpen.

Claims (7)

1. Korrosionsbeständige Drehschieberpumpe mit einem exzentrisch in einem Arbeitsraum gelagerten Dreh­kolben, Gehäuse und Seitendeckeln aus einem Eisen­werkstoff,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dem Arbeitsraum zugekehrten Flächen von Dreh­kolben, Gehäuse und Seitendeckeln mit einer Schutz­schicht aus Magnetit versehen sind.
2. Drehschieberpumpe nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke der Schutzschicht 0,005 bis 0,05 mm beträgt.
3. Drehschieberpumpe nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schutzschicht mit einem Kunstharz infiltriert ist.
4. Drehschieberpumpe nach den Patentansprüchen 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schutzschicht mit einem Acrylatharz imprägniert ist.
5. Verfahren zum Herstellen einer Drehschieberpumpe nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß Drehkolben, Gehäuse und Seitendeckel der Pumpe bei einer Temperatur von 500 bis 650 °C einer wasserdampfhaltigen Atmosphäre ausgesetzt werden und auf der Oberfläche der Pumpenteile eine Schutzschicht aus Magnetit gebildet wird.
6. Verfahren nach Patentanspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die mit Schutzschichten versehenen Teile der Pumpe bei einer Temperatur von 500 bis 650 °C und einem Druck von 0,01 bis 0,05 bar getempert werden.
7. Verfahren nach den Patentansprüchen 5 und 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die mit den Schutzschichten versehenen Teile der Pumpe in die Schmelze oder Lösung eines Kunst­harzes getaucht, die Poren der Schutzschicht mit dem Kunstharz gefüllt und die Pumpenteile zum Härten des Harzes auf wenigstens 80 °C erhitzt werden.
EP86109683A 1985-08-14 1986-07-15 Korrosionsbeständige Drehschieberpumpe und Verfahren zu ihrer Herstellung Withdrawn EP0212250A3 (de)

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