DE4015009C1 - Flame-spraying torch for powdered materials - has material supply channel contg. helically formed plates - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Flammspritzbrenner für pulverförmige Werkstoffe mit einer Luft- oder Sauerstoff/Brenngasdüse und einem Werkstoffzufuhrkanal mit Drallelementen.The invention relates to a flame spray burner for powder Materials with an air or oxygen / fuel gas nozzle and one Material feed channel with swirl elements.
In bekannten Anordnungen von Werkstoffzufuhrkanal und Luft- oder Sauerstoff/Brenngasdüsen für Flammspritzbrenner, wird mit einem Gas strom der pulverförmige Werkstoff und Werkstoffzufuhrkanal mitge rissen und zur Luft- oder Sauerstoff/Brenngasdüse geführt. Der artig aufgebaute Flammspritzbrenner erzeugen Spritzstrahlen mit glühenden angeschmolzenen und teilweise aufgeschmolzenen Werkstoff partikeln mit räumlich und zeitlich wechselnder Verteilung der Parti kel im Spritzstrahl. Die wechselnde Verteilung der Werkstoffpartikel im Spritzstrahl hat erhebliche Qualitätsschwankungen der aufge spritzten Schichten, wie Metall- Metall/Keramik-Dispersions-, Oxidationsschutz-, Korrosionsschutz- oder Verschleißschutzschichten in bezug auf Haftfestigkeit, Oberflächenhärte, Schichtzusammen setzung oder Thermoschwingfestigkeit zur Folge. Die Aufteilung des Werkstoffzufuhrkanals in Einzelkanäle die nach DE-OS 29 11 231 schraubenlinienförmig um einen Einsatz verlaufend ausgebildet sind, hat das Problem nicht gelöst, da der Pulverwerkstoff in den Einzel kanälen zur Pfropfenbildung neigt und eine räumlich gleichmäßige Verteilung des pulverförmigen Werkstoffs in der Spritzflamme nicht gewährleistet ist.In known arrangements of material supply duct and air or Oxygen / fuel gas nozzles for flame spray burners, comes with a gas stream the powdered material and material feed channel mitge ripped and led to the air or oxygen / fuel gas nozzle. The well-designed flame spray burners also generate spray jets glowing melted and partially melted material particles with spatially and temporally changing distribution of the particles spray jet. The changing distribution of the material particles in the spray jet has fluctuated significantly in quality sprayed layers, such as metal-metal / ceramic dispersion, Oxidation protection, corrosion protection or wear protection layers in terms of adhesive strength, surface hardness, layer together settlement or thermal vibration resistance. The division of the Material feed channel in individual channels according to DE-OS 29 11 231 are formed helically around an insert, did not solve the problem because the powder material in the individual channels tends to form clots and a spatially uniform Distribution of the powdery material in the spray flame is not is guaranteed.
Auch ein schraubenförmiger Gang in der Wand des Werkstoffzufuhrka nals, wie er aus DE-OS 37 31 181 bekannt ist, löst nicht das Problem. Dieser schraubenförmige Gang in der Wandung des Werkstoffzufuhr kanals induziert zwar einen Drall im äußeren Bereich des Pulver stromes, jedoch mit dem Nachteil, daß es im Zentrum des Pulver stromes zu Entmischungen kommt, die eine räumliche Gleichverteilung der Werkstoffpartikel im Spritzstrahl verhindern.Also a helical passage in the wall of the material feeder nals, as it is known from DE-OS 37 31 181, does not solve the problem. This helical passage in the wall of the material feed channel induces a swirl in the outer area of the powder stromes, but with the disadvantage that it is in the center of the powder current comes to segregation, the spatial uniform distribution prevent the material particles in the spray jet.
Aus DE-PS 32 08 583 C1 und DE-OS 21 63 111 sind Sprühvorrichtungen zum Beschichten von Gegenständen bekannt, bei denen im Zentrum des Sprühkanals ein Prallkörper angebracht ist. Diese Lösungen haben den Nachteil, daß eine Partikelanreicherung am Boden des Werkstoffzufuhrkanals nicht vermieden wird.DE-PS 32 08 583 C1 and DE-OS 21 63 111 are spray devices known for coating objects in the center an impact body is attached to the spray channel. These solutions have the disadvantage that particle enrichment at the bottom of the Material supply channel is not avoided.
Es konnte festgestellt werden, daß die Werkstoffpartikel in der oberen Hälfte des Spritzstrahls wesentlich intensiver erhitzt wurden als in der unteren Hälfte. Ferner wurden wechselnde Partikel dichten und Partikelgeschwindigkeiten im Spritzstrahl beobachtet.It was found that the material particles in the heated the upper half of the spray jet much more intensely were considered in the lower half. There were also changing particles density and particle velocities observed in the spray jet.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Werkstoffpartikelverteilung im Spritzstrahl zu verbessern und gleichmäßigere sowie gleichbleibendere Partikeldichten und Partikelgeschwindigkeiten zu ermöglichen.The object of the invention is to distribute the material particles in the Improve spray jet and more uniform as well as more consistent To enable particle densities and particle speeds.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der Werkstoffzufuhrkanal als Drallelement ein oder mehrere Wendelbleche aufweist, die den Werk stoffzufuhrkanalquerschnitt in Sektoren aufteilen und die um ihre Längsachse um mindestens 90° auf einer Länger von mehr als der einfa chen Kanalbreite verdreht sind.This problem is solved in that the material feed channel as Swirl element has one or more spiral plates that work Divide the cross-section of the material supply duct into sectors and those around them Longitudinal axis by at least 90 ° on a longer than the simple Chen channel width are twisted.
Mit derartig angeordneten und gestalteten Wendelblechen wird eine höhere Partikeldichte am Werkstoffzufuhrkanalboden verhindert und der pulverförmige Werkstoff intensiv mit dem Gasstrom vermischt. Die von den Wendelblechen ausgehende Verwirbelung der Werkstoff partikel sorgt für eine gleichmäßige Dichteverteilung im Spritzstrahl und verhindert ein Überhitzen in der oberen und ein Unterkühlen in der unteren Hälfte des Spritzstrahls.With such arranged and designed spiral plates is one Prevents and higher particle density on the material feed channel floor the powdery material is intensively mixed with the gas flow. The swirling of the material emanating from the spiral sheets Particle ensures an even density distribution in the spray jet and prevents overheating in the top and hypothermia in the lower half of the spray jet.
Darüber hinaus verhindern die Wendelbleche eine aperiodisch wechseln de Anhäufung von Werkstoffpartikel im Bodenbereich des Werkstoffzu fuhrkanals und damit eine zeitweilige Verengung des Kanalquer schnittes mit erhöhter Partikelgeschwindigkeit im verengten Kanal querschnitt. Ebenso wird ein plötzliches Absinken der Partikelge schwindigkeit nach Auflösung des Partikelstaus nicht mehr beobachtet.In addition, the spiral plates prevent aperiodic change de Accumulation of material particles in the bottom area of the material channel and thus a temporary narrowing of the channel cross cut with increased particle speed in the narrowed channel cross-section. There is also a sudden drop in particle size speed no longer observed after the particle congestion had been resolved.
Eine Agglomeration von Partikeln, die zur Agglomeration wie bei spielsweise Kunststoffpartikel neigen, wird vorteilhaft bei der Ver wirbelung durch Wendelbleche vermieden.An agglomeration of particles that contribute to agglomeration as in for example, plastic particles tend to be advantageous in Ver Whirling through spiral plates avoided.
Mit der erfindugnsgemäßen Ausbildung eines Flammspritzbrenners wird die Partikeldichte und die Partikelgeschwindigkeit sowie die Aufhei zung der Partikel im Spritzstrahl vergleichmäßigt, so daß eine er hebliche Verbesserung der Qualität der Flammspritzschichten erreicht wird. With the inventive design of a flame spray burner the particle density and the particle speed as well as the heat equalization of the particles in the spray jet, so that he achieved a substantial improvement in the quality of the flame spray layers becomes.
Die Werkstoffpartikel können im Werkstoffzufuhrkanal durch den Luft den Sauerstoff- oder den Brenngasstrom oder durch einen separaten Trägergasstrom zur Spritzstrahldüse transportiert werden. In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung durchströmt Stickstoff den Werk stoffzufuhrkanal. Die Werkstoffpartikel werden im Bereich des Wen delbleches mit dem Trägergasstrom intensiv vermischt. Der Werkstoff zufuhrkanal weist stromabwärts nach dem Wendelblech einen freien Raum auf, der dem Querschnitt des Werkstoffzufuhrkanals angepaßt ist und sich über eine Länge von mindestens der Hälfte des Querschnitt durchmessers erstreckt. Dieser wendelblechfreie Raum hat den Vorteil, daß Inhomogenitäten und Störungen der Dichteverteilung der Werkstoff partikel, die von der Austrittskante des Wendelbleches verursacht werden, ausgeglichen werden. Der wendelblechfreie Raum wird von einer zentralen Gasdüsenanordnung abgeschlossen, aus der die pulverförmigen Werkstoffpartikel dem Spritzstrahl zentral zugeführt werden.The material particles can pass through the air in the material feed channel the oxygen or fuel gas stream or through a separate one Carrier gas stream are transported to the spray jet nozzle. In a preferred embodiment of the invention, nitrogen flows through the plant fabric feed channel. The material particles are in the area of Wen delbleches mixed intensively with the carrier gas stream. The material feed channel has a free downstream downstream of the spiral plate Space that is adapted to the cross section of the material feed channel and extend over a length of at least half of the cross-section diameter extends. This spiral-free space has the advantage that inhomogeneities and disturbances in the density distribution of the material particles caused by the trailing edge of the spiral plate will be balanced. The spiral-free space is provided by one Central gas nozzle assembly completed from which the powder Material particles are fed centrally to the spray jet.
Eine bevorzugte Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß die Wendel bleche als Werkstoffzufuhrkanaleinsatz ausgebildet sind. Derartige Einsätze haben den Vorteil, daß sie den Anforderungen und Eigen schaften des Partikelmaterials in Wendellänge und -verdrehung angepaßt werden können. Bestehen die Wendelbleche aus dem gleichen Werkstoff wie das zu verspritzende Pulvermaterial, so wird vorteil haft eine Kontamination vermieden und eine höhere Reinheit der flammgespritzten Schichten erreicht. Wendelbleche in Form von Werk stoffzufuhrkanaleinsätzen haben darüber hinaus den Vorteil kurzer Um rüst- und Wartungszeiten.A preferred embodiment of the invention provides that the helix sheets are designed as a material feed channel insert. Such Inserts have the advantage that they meet the requirements and own of the particle material in helix length and twist can be adjusted. The spiral plates consist of the same Material such as the powder material to be sprayed is advantageous Contamination avoided and a higher purity of the flame-sprayed layers reached. Spiral sheets in the form of work fabric feed channel inserts also have the advantage of short um set-up and maintenance times.
Wendelbleche können auch dadurch realisiert werden, daß an Stelle der Einsätze der Werkstoffzufuhrkanal vorzugsweise Drallstege mit Zügen und Feldern aufweist. Derartige Lösungen werden vorteilhaft eingesetzt, wenn große Stückzahlen im Flammspritzen bearbeitet werden und ein Wechsel der Werkstoffpartikelart selten vorgenommen wird. Spiral sheets can also be realized in that in place the inserts of the material feed channel preferably with swirl bars Trains and fields. Such solutions become advantageous used when processing large quantities in flame spraying are rarely made and a change in the material particle type becomes.
Vollverdrehungen erhöhen lediglich den Strömungswiderstand im Werk stoffzufuhrkanal und tragen nicht mehr zur Verbesserung der Partikel verteilung im Spritzstrahl bei.Full turns only increase the flow resistance in the factory material supply channel and no longer contribute to the improvement of the particles distribution in the spray jet at.
Für eine gleichmäßigere Verteilung der Werkstoffpartikel im Spritz strahl hat sich eine Wendelblechlänge von mehr als der einfachen Kanalbreite bewährt. Ein bevorzugter Bereich der Wendelblechlänge liegt zwischen dem ein- bis 20fachen der Werkstoffkanalbreite. Das hat den Vorteil, daß die Partikelverteilung im Spritzstrahl unab hängig von unterschiedlichen Korngrößenverteilungen der Werkstoff partikel ist. Beträgt die Länge der Wendelbleche das 2- bis 10fache der Kanalbreite, so wird eine Unabhängigkeit der Partikelverteilung im Spritzstrahl von Schwankungen in der Konsistenz des Werkstoff partikel/Gasgemisches erreicht und damit auch eine Unabhängigkeit von Gasfeuchte, Gasdruck und der Agglomerationsneigung des pulver förmigen Werkstoffs.For a more even distribution of the material particles in the spray beam has a spiral sheet length of more than the simple one Trench width proven. A preferred range of coil length lies between one and 20 times the material channel width. The has the advantage that the particle distribution in the spray jet depending on different grain size distributions of the material is particle. If the length of the spiral plates is 2 to 10 times the channel width, so the particle distribution becomes independent in the spray jet of fluctuations in the consistency of the material particle / gas mixture achieved and thus also independence of gas moisture, gas pressure and the tendency of the powder to agglomerate shaped material.
In einer Ausbildung der Erfindung wird mittels der Spritzstrahldüse Werkstoffpulver mit einem mittleren Korndurchmesser von 1 µm bis 120 µm homogen im Spritzstrahl verteilt. Bei einer weiteren bevor zugten Ausbildung der Erfindung wird vorteilhaft Werkstoffpulver von 5 µm bis 60 µm homogen im Spritzstrahl aufgeheizt.In one embodiment of the invention, the spray jet nozzle Material powder with an average grain diameter of 1 µm to 120 µm homogeneously distributed in the spray jet. Another one before Preferred embodiment of the invention is advantageous material powder from 5 µm to 60 µm heated homogeneously in the spray jet.
Die anliegenden Figuren sollen anhand einer bevorzugten Ausführungs form die Erfindung verdeutlichen.The attached figures are based on a preferred embodiment form illustrate the invention.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Flammspritzbrenner mit Wendelblech, Fig. 1 shows a longitudinal section through a flame spraying burner with spiral plate,
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt A-B nach Fig. 1 durch den Flamm spritzbrenner im Bereich der Werkstoffzufuhr, Fig. 2 shows a cross section AB according to FIG. 1 through the flame spray gun in the region of the material feed,
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt C-D nach Fig. 1 durch den Flamm spritzbrenner nach Verwirbelung der Werkstoffpartikel durch das Wendelblech. Fig. 3 shows a cross section CD of FIG. 1 through the flame spray burner after swirling the material particles through the spiral plate.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Flammspritzbrenner 1 mit Wendelblech 3 im Werkstoffzufuhrkanal 2, der feinkörnigen, pulverförmigen Werkstoff einer mittleren Korngröße von 40 µm mit Preßluft durch die Bohrungen 6 dem Spritzstrahl in Pfeilrichtung 8 zuführt. Ein Brenngasgemisch wird dem Spritzstrahl über den Brenn gasgemischzufuhrkanal 4 und die Bohrungen 7 in Pfeilrichtung 9 zu geführt. Das Wendelblech 3 teilt den Querschnitt des Werkstoffzu fuhrkanals 2 in zwei gleiche Sektoren und zeigt eine 90° Verdrehung um seine Längsachse auf einer Länge von der 4fachen Kanalbreite. Eine Mehrfachteilung des Kanalquerschnittes in Sektoren ist ebenso möglich, wie eine Ummantelung des Wendelbleches (nicht dargestellt). Eine Ummantelung des Wendelbleches hat den Vorteil, daß die Fixierung des Wendelbleches im Werkstoffzufuhrkanal wesentlich vereinfacht werden kann und hat besondere Vorteile beim Kontaminationsschutz des pulverförmigen Werkstoffs, Fig. 1 shows a longitudinal section through a flame spray burner 1 with a spiral plate 3 in the material feed channel 2 , the fine-grained, powdery material of an average grain size of 40 microns with compressed air through the holes 6 to the spray jet in the direction of arrow 8 . A fuel gas mixture is fed to the spray jet via the fuel gas feed channel 4 and the holes 7 in the direction of arrow 9 . The spiral plate 3 divides the cross section of the material feed channel 2 into two equal sectors and shows a 90 ° rotation about its longitudinal axis over a length of 4 times the channel width. A multiple division of the channel cross-section into sectors is possible, as is a sheathing of the spiral plate (not shown). Sheathing the spiral plate has the advantage that the fixing of the spiral plate in the material feed channel can be considerably simplified and has particular advantages in protecting the powdered material from contamination,
Wird die Werkstoffzufuhrkanalbreite mit D bezeichnet und eine Ver drehung des Wendelbleches um 90° mit d, so haben sich folgende Zu ordnungen von Werkstoffpulvereigenschaften und Wendelblechdimensionen bewährt:The material feed channel width is denoted by D and a Ver rotation of the spiral plate through 90 ° with d, the following have orders of material powder properties and spiral sheet dimensions proven:
- 1. Eine Wendelblechlänge von 6×D bis 20×D bei einer Verdrehung von 5d bis 9d für Pulver von kantiger, spratziger Form oder für Pulver aus Werkstoffen mit hohem spezifischem Gewicht wie beispielsweise Wolframkarbid, Kobalt- oder Nickelbasis legierungen oder für Pulver mit grober Körnung wie beispiels weise einem mittleren Korndurchmesser von 80 µm bis 120 µm,1. A spiral sheet length of 6 × D to 20 × D with one twist from 5d to 9d for powder of angular, sparring shape or for powders made of materials with a high specific weight such as for example tungsten carbide, cobalt or nickel based alloys or for coarse grain powders such as have an average grain diameter of 80 µm to 120 µm,
- 2. eine Wendelblechlänge zwischen 1×D und 8×D bei einer Verdrehung von 1d bis 7d für Pulver von abgerundeter Form oder für Pulver aus Werkstoffen mit niedrigem spezifischem Gewicht wie bei spielsweise Aluminium oder Aluminiumoxid oder für Pulver mit feiner Körnung wie beispielsweise einem mittleren Korndurch messer von 5 µm bis 60 µm.2. a spiral sheet length between 1 × D and 8 × D in one twist from 1d to 7d for powder of rounded shape or for powder Made of materials with a low specific weight as for for example aluminum or aluminum oxide or for powder fine grain such as a medium grain knife from 5 µm to 60 µm.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt A-B nach Fig. 1 durch den Flammspritz brenner 1 im Bereich der Werkstoffzufuhr, wobei die Werkstoffpartikel 10 in der unteren Hälfte 11 des Werkstoffzufuhrkanals 2 aufgrund der Schwerkraft eine dichtere Verteilung aufweisen als in der oberen Hälfte 12 des Kanals. Das Wendelblech 3 ist im Werkstoffzufuhrkanal 2 fixiert, so daß es senkrecht im Bereich der Werkstoffzufuhr (Schnitt A-B, Fig. 2) und waagerecht im Bereich der Brennerdüse (Schnitt C-D, Fig. 3) ausgerichtet ist. Durch die Verdrehung des Wendelbleches 3 um beispielsweise 90° werden die feinkörnigen Werkstoffpartikel 10 der artig verwirbelt, daß sie nach dem Wendelblech 3 gleichmäßig über den Querschnitt des Werkstoffzufuhrkanals 2 verteilt sind. Fig. 2 shows a cross section AB of FIG. 1 through the flame spray burner 1 in the area of the material supply, the material particles 10 in the lower half 11 of the material supply channel 2 due to gravity have a denser distribution than in the upper half 12 of the channel. The spiral plate 3 is fixed in the material feed channel 2 so that it is aligned vertically in the area of the material feed (section AB, FIG. 2) and horizontally in the area of the burner nozzle (section CD, FIG. 3). By the twist of the helical plate 3, for example, 90 °, the fine material particles are fluidized the like 10 so that they are distributed according to the spiral plate 3 uniformly over the cross-section of the material supply channel. 2
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt C-D nach Fig. 1 durch den Flammspritz brenner 1 nach Verwirbelung der Werkstoffpartikel 10 durch das Wendelblech 3. Die Werkstoffpartikel 10 sind gleichmäßig über den Querschnitt des Werkstoffzufuhrkanals 2 verteilt. Fig. 3 shows a cross section CD of FIG. 1 by the flame spray burner 1 after swirling the material particles 10 through the spiral plate 3rd The material particles 10 are evenly distributed over the cross section of the material feed channel 2 .
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