DE102008048974B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Beschichtung von Stahlrohren - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung eines verzinkten und mit einem Polymer beschichteten Stahlrohrs (3, 10) mit folgenden Schritten:
a) Aufbringen einer Zinkschicht auf ein Stahlrohr (3, 10);
b) Auftragen einer Passivierungsschicht auf Basis einer dreiwertigen Chromverbindung auf die Zinkschicht;
c) Reinigen des Stahlrohrs (3, 10) in einer Reinigungseinheit und Aktivieren der Oberfläche des Stahlrohrs (3, 10) durch eine in der Reinigungseinheit angeordnete Flammeinheit;
d) elektrostatisches Auftragen eines Polymerpulvers auf die Passivierungsschicht;
e) Aufschmelzen des Polymerpulvers zu einer Pulverbeschichtung;
f) Abkühlen des beschichteten Stahlrohrs (3, 10) in einem Kühlbad.
a) Aufbringen einer Zinkschicht auf ein Stahlrohr (3, 10);
b) Auftragen einer Passivierungsschicht auf Basis einer dreiwertigen Chromverbindung auf die Zinkschicht;
c) Reinigen des Stahlrohrs (3, 10) in einer Reinigungseinheit und Aktivieren der Oberfläche des Stahlrohrs (3, 10) durch eine in der Reinigungseinheit angeordnete Flammeinheit;
d) elektrostatisches Auftragen eines Polymerpulvers auf die Passivierungsschicht;
e) Aufschmelzen des Polymerpulvers zu einer Pulverbeschichtung;
f) Abkühlen des beschichteten Stahlrohrs (3, 10) in einem Kühlbad.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines verzinkten und mit Polymer beschichteten Stahlrohrs sowie eine Vorrichtung zur Polymerbeschichtung eines verzinkten Stahlrohrs.
- Laut der Richtlinie des Europäischen Parlaments dürfen Schwermetalle, wie z. B. sechswertiges Chrom, in der Automobilindustrie nur noch sehr beschränkt eingesetzt werden. Sechswertiges Chrom (CrVr) ist der wichtigste Bestandteil von Blau-, Gelb-, Oliv- und Schwarzchromatierungen. Es liefert einen exzellenten Korrosionsschutz und bietet verzinkten Rohren Schutz gegen Weißrost-Zinkkorrosion. Stahlrohre können dadurch vor Korrosion geschützt werden, indem beispielsweise über einer dreiwertigen Chrom-Passivierungsschicht eine Polymerschicht aufgebracht, d. h. eine Kunststoffbeschichtung vorgesehen wird.
- Die
DE 103 09 908 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines verzinkten Stahlrohrs mit einer Polymerschicht. Das mit dem dreiwertigen Chrom passivierte Stahlrohr wird durch Extrusion mit Polyamid beschichtet. Um eine gute Haftung des Polyamids auf dem Stahlrohr zu gewährleisten, wird vor der Extrusion eine Haftvermittlerschicht auf das Stahlrohr aufgebracht. Die erreichbaren Schichtdicken liegen bei Extrusionen von Polymeren im Bereich von 100 μm und mehr. Die Schichtdickenschwankungen sind oftmals allerdings sehr hoch und betragen teilweise bis zu 50%. - Es ist bekannt, Stahlrohre zur Pulverbeschichtung im Wesentlichen vertikal an Gestellen zu fixieren und durch eine Beschichtungsanlage zu führen. Natürlich ist die Länge der Stahlrohre begrenzt. Bereits bei Rohrlängen von 6 m besitzt die Beschichtungsanlage eine erhebliche Dimension. Der apparative Aufwand ist enorm, so dass das Pulverbeschichten von längeren Stahlrohren nur bei größeren Stückzahlen wirtschaftlich interessant ist. Nachteilig ist zudem, dass es sich streng genommen um ein diskontinuierliches Verfahren handelt, da die vereinzelten Stahlrohre nacheinander auf den Gestellen die Beschichtungsanlagen durchfahren. Ein kontinuierliches Beschichten in dem Sinne, dass ein an einem Coil abgewickeltes Stahlrohr beschichtet wird, ist mit dem Gestellbeschichten nicht möglich.
- Die
EP 04 29 147 A2 beschreibt ein Verfahren zum Aufbringen einer chemischen und mechanischen Angriffen widerstehenden Schutzschicht auf ein Stahlrohr. Das Rohrmaterial wird zunächst verzinkt und chromatiert und anschließend im kontinuierlichen Durchlauf mittels elektrostatischen Pulverbeschichtens, Einbrennen bzw. Aushärten mit einer Kunststoffbeschichtung versehen. Anschließend wird das Stahlrohr abgekühlt und im Abkühlungsbereich unterstützungsfrei transportiert. - Die
DE 19 531 708 A1 beschreibt eine korrosionsbeständige Überzugsanordnung aus Harz, welche aufgebracht wird indem ein Stahlrohr auf der äußeren Oberfläche mit einer Zink- oder Zink-Nickel-Plattierung des Stahlrohrs versehen wird und anschließend eine Chromatschicht aufgebracht wird, welche aus einer dreirädigen Chromverbindung zusammengesetzt ist. Danach erfolgt das Aufbringen einer Schicht aus Polyvinylfluorid oder einer Polyvinylidenfluoridschicht, welche nach dem Beschichten zum Aushärten im Anschluss wärmebehandelt wird. - Die
DE 10 309 908 A1 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines verzinkten und mit einem Polymer beschichteten Stahlrohrs, bei welchem das Stahlrohr in einem ersten Schritt mit Zink galvanisiert wird. Im Anschluss erfolgt das Auftragen einer Passivierungsschicht auf Basis dreiwertiger Chromverbindungen auf die Zinkschicht. Nach Aufbringen einer Epoxydharzhaftvermittlerschicht erfolgt das Auftragen bzw. Beschichten des Stahlrohrs mit einem Polymer und das anschließende Abkühlen des Polymers in einem Wasserbad. - Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines verzinkten, mit einem Polymer beschichteten Stahlrohrs zu schaffen, mit welchem dünne Polymerschichten mit verbesserter Qualität erzielt werden. Weiterhin soll eine Vorrichtung zur verbesserten kontinuierlichen Beschichtung eines verzinkten Stahlrohrs mit einem Polymer geschaffen werden.
- Der verfahrensmäßige Teil der Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
- Der gegenständliche Teil der Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 8 gelöst.
- Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche 9 bis 16.
- Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem ersten Schritt nach der Beschichtung eines Stahlrohrs mit Zink eine chrom-VI-freie Dünnschicht oder eine Passivierungsschicht auf Basis dreiwertiger Chromverbindungen auf die Zinkschicht aufgetragen. Das Verzinken erfolgt bevorzugt galvanisch. Die Verwendung chrom-VI-freier Passivierungsschichten erfüllt insbesondere die gesetzlichen Vorgaben beim Einsatz derart beschichteter Stahlrohre im Automobilbereich. Zudem werden Gesundheitsrisiken bei der Verarbeitung und auch beim Recycling reduziert.
- Nach dem Auftragen der Passivierungsschicht auf Basis einer dreiwertigen Chromverbindung auf die Zinkschicht erfolgt ein Reinigungsschritt. Dazu durchläuft das zu beschichtende Stahlrohr eine Reinigungseinheit, welche eine Flammeinheit aufweist, welche das Stahlrohr auf maximal 30°C erwärmt. Dadurch wird gleichzeitig die Oberfläche aktiviert und die Partikel des Polymerpulvers können leichter an der Oberfläche anhaften. Anschließend erfolgt das elektrostatische Auftragen eines Polymerpulvers auf diese Passivierungsschicht.
- Nach der Pulverbeschichtung wird das Polymerpulver durch Wärmestrahlung aufgeschmolzen und in einem Kühlbad abgekühlt und verfestigt.
- Als Polymerpulver können beispielsweise Epoxy-Pulver, Polyester-Pulver, Polyamid-Pulver, Polyurethan-Pulver sowie eine Kombination der genannten Polymerpulver eingesetzt werden. Unter einem Polymerpulver sind Pulverlacke mit einem Festkörperanteil von 100% zu verstehen. Derartige Polymerpulver bzw. Pulverlacke setzen sich aus Bindemitteln, Additiven, Pigmenten und Farbstoffen sowie Füllstoffen zusammen. Genauso wie Polymerpulver sich aus unterschiedlichen Stoffen zusammensetzen, können auch Pulvergemische und so genannte Hybridpulver zum Einsatz kommen. Ein Beispiel für einen Hybridpulverlack ist eine Mischung von Epoxid- und Polyesterharzen.
- Die elektrostatische Pulverbeschichtung erfolgt in einer sehr kompakten Vorrichtung, welche bevorzugt auf einer verlagerbaren Plattform angeordnet ist. In der Vorrichtung befindet sich eine Applikationseinheit. Die Applikationseinheit weist mindestens ein Düsenpaar auf, durch welches das Polymerpulver über Druckluft auf die Umfangsseite des Rohrs geblasen wird. Dabei bewegen sich die elektrostatisch aufgeladenen Partikel des Polymerpulvers im Wesentlichen entlang der elektrostatischen Feldlinien, die ein Feld vor der Düsenöffnung ausbilden. Die zwei Düsen eines Düsenpaars sind zueinander diametral angeordnet, bezogen auf eine Längsachse des zu beschichtenden Stahlrohrs. Für ein gutes Beschichtungsergebnis überlappen sich die elektrostatischen Felder bzw. Wirkungsbereiche der sich gegenüberstehenden Düsen. Das zu beschichtende Stahlrohr wird durch diesen Überlappungsbereich transportiert.
- Vorteilhafterweise sind die Düsenpaare um einen Winkel gegeneinander verdreht angeordnet. Bei zwei Düsenpaaren beträgt dieser Winkel vorzugsweise 90°. Dies gewährleistet eine gleichmäßigere Verteilung des Pulvers entlang der Umfangsseite und führt zu geringeren Abweichungen der Schichtdicke.
- Um zu vermeiden, dass sich die elektrostatischen Felder einander benachbarter Düsenpaare überlagern, was die Gleichmäßigkeit der Beschichtung beeinträchtigen kann, wird in Längsrichtung des Stahlrohrs ein Mindestabstand von 20 cm zwischen den Düsenpaaren eingehalten. Dadurch ist die Länge der Applikationseinheit sehr gering und vorzugsweise nicht größer als 1 m.
- An diese Applikationseinheit schließt sich eine Aufschmelzeinheit an. In dieser Aufschmelzeinheit wird das Polymerpulver durch Wärmestrahlung aufgeschmolzen und vernetzt.
- In der erfindungsgemäßen Vorrichtung geschieht dies vorzugsweise durch Nahinfrarotstrahlung bei einer Temperatur zwischen 160 bis 300°C. Dabei ist die Temperatur abhängig von der Art des eingesetzten Polymerpulvers. Das vollständige Aufschmelzen des Polymerpulvers erfolgt innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums und insbesondere innerhalb von höchstens 10 Sekunden. Vorzugsweise erfolgt das Aufschmelzen innerhalb von 3 bis 6 Sekunden. Die genaue Zeitdauer hängt einerseits von der Strahlungsintensität der Nahinfrarotquelle bzw. der Temperatur in der Aufschmelzeinheit ab. Andererseits ist die Zeitdauer abhängig von dem verwendeten Polymerpulver, der Schichtdicke und der Vorschubgeschwindigkeit, mit welcher die Stahlrohre durch die Applikationseinheit und damit auch durch die Aufschmelzeinheit geführt werden.
- Zum Pulverbeschichten ist es zwingend notwendig, das aufgetragene Polymerpulver vollständig aufzuschmelzen und zudem auch noch die Außenseite des Basiswerkstoffs, d. h. des verzinkten Stahlrohrs zu erwärmen. Es ist nicht notwendig, das Stahlrohr über seine gesamte Wandstärke durchzuwärmen. Daher kann das Aufschmelzen auf Grund der hohen Strahlungsintensität bzw. des hohen Wärmestroms innerhalb sehr kurzer Zeit erfolgen, wodurch relativ hohe Durchlaufgeschwindigkeiten realisiert werden können. Dies wirkt sich positiv auf die Produktionsleistung und damit die Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens aus.
- Versuche haben gezeigt, dass sich die (wirtschaftlich) besten Ergebnisse dann erzielen lassen, wenn das Polymerpulver zwischen 3 und 6 Sekunden einer Wärmestrahlung ausgesetzt ist, und zwar bei Temperaturen in einem Bereich von 160 bis 300°C. Die genaue Einstellung der Parameter ist schwierig, da beispielsweise eine Temperatur von 300°C in der Regel weit über dem Temperaturbereich liegt, den ein Hersteller zur Anwendung bei einem Standardpulver angibt.
- Bei einer Standardpulverbeschichtung würde das aufgetragene Polymerpulver z. B. bei einer Temperatur von 160°C bei einer Haltedauer von 15 Minuten aushärtet. Haltezeiten von 15 Minuten sind für Durchlaufverfahren in keiner Weise realistisch. Das ist auch der Grund, warum bislang von einem kontinuierlichen Pulverbeschichten bei Rohren abgesehen worden ist.
- Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden nunmehr wesentlich höhere Temperaturen gefahren, beispielsweise 260°C in einem Zeitraum von 4 Sekunden bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 15 m/Minute. Bemerkenswert ist hierbei, dass der Absorptionsgrad des Pulvers, d. h. die Fähigkeit, Wärme aufzunehmen, zwar Einfluss auf den Erschmelzungsprozess hat, dieser Einfluss allerdings geringer ausfällt, als ursprünglich erwartet. Beispielsweise wurde festgestellt, dass auch ein weißes Polymerpulver bei einer geringen Vorschubgeschwindigkeit von 10 m/Minute innerhalb von 6 Sekunden vollständig erwärmt werden kann und anschließend zuverlässig aushärtet. Grundsätzlich ist jedoch festzustellen, dass sich Polymerpulver mit dunklen Farben bzw. dunkler Pigmentierung auf Grund des zur Schwärzung eingesetzten Rußanteils von 0,5 bis 1% eher eignen, durch kurzwellige Wärmestrahlung aufgeschmolzen zu werden als Polymerpulver, die keinen Ruß enthalten. Es kommt also darauf an, wie hoch die Infrarotabsorption der Füllstoffe, Bindemittel und Pigmente der Polymerpulverzusammensetzung ist.
- Nach dem Aufschmelzen durch Nahinfrarotstrahlung gelangt der mit aufgeschmolzenem Polymerpulver beschichtete Abschnitt des Stahlrohrs in ein Kühlbad. Die Polymerschicht auf der Umfangsseite des Stahlrohrs erstarrt sehr schnell nach dem ersten Kontakt mit dem im Kühlbad befindlichen Kühlwasser.
- In der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Polymerbeschichtung können Stahlrohre mit verschiedenen Durchmessern beschichtet werden. So ist es beispielsweise möglich, auf einem Coil aufgewickelte Stahlrohre mit Außendurchmessern zwischen 4 mm und 10 mm zu beschichten. Dazu wird das Stahlrohr von dem Coil abgewickelt und kontinuierlich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung transportiert. Das Stahlrohr wird dabei durch Trägerrollen unterstützt und geführt.
- Bei Stahlrohren mit sehr kleinen Außendurchmessern ist eine beliebige Positionierung bzw. Beabstandung der Trägerrollen nicht möglich, da ein Abstützen des Stahlrohrs während der Pulverbeschichtung und dem sich anschließenden Aufschmelzen eine gleichmäßige Polymerbeschichtung verhindern würde. Allerdings kann bei einem horizontal geführten Stahlrohr ein Durchbiegen beim Überschreiten bestimmter Abstände der Trägerrollen nicht verhindert werden. Ferner besteht das Risiko, dass ein freitragender Abschnitt eines Stahlrohrs zu schwingen beginnt, was sich ebenfalls auf die Gleichmäßigkeit der Polymerbeschichtung auswirken kann. Deshalb ist man bestrebt, den Bereich, in welchem das Stahlrohr nicht unterstützt wird, so kurz wie möglich zu halten.
- Um dies zu erreichen, ist eine erste Trägerrolle direkt am Eingang der Applikationseinheit angeordnet. Die Applikationseinheit und die Aufschmelzeinheit weisen keine Trägerrollen auf, so dass die noch unverfestigte Polymerschicht auf der Umfangsseite des Rohrs nicht verletzt wird. Erst wenn die Polymerschicht fest genug ist, was bereits unmittelbar nach dem Eintritt des beschichteten Stahlrohrs in das Kühlbad der Fall ist, kann eine weitere Trägerrolle vorgesehen sein. Daher befindet sich die zweite Trägerrolle auch nicht erst im Anschluss an das Kühlbad, sondern vorzugsweise bereits im Kühlbad und dort vorzugsweise im Bereich des ersten Drittels der Kühlstrecke. Der Abstand zwischen der ersten und zweiten Trägerrolle soll so gering wie möglich sein, um ein Durchbiegen und Schwingen des Stahlrohrs selbst bei geringen Außendurchmessern so weit wie möglich zu vermeiden.
- Bei Stahlrohren mit einem Außendurchmesser von 4 mm beträgt eine kritische freitragende Länge etwa 3,5 m. Dies bedeutet für den Aufbau der Vorrichtung, dass der Abstand zwischen der Trägerrolle vor der Applikationseinheit und der Trägerrolle im Kühlbad 3,5 m betragen kann. Mit zunehmendem Außendurchmesser können theoretisch auch größere Abstände zwischen den Trägerrollen realisiert werden, allerdings ist eine solche Vorrichtung nicht mehr so universell einsetzbar und wäre somit auf Stahlrohre mit größeren Außendurchmessern beschränkt.
- Wenn zwei Düsenpaare zur Pulverbeschichtung eingesetzt werden, weist die Applikationseinheit, unter Beachtung eines Mindestabstandes zwischen den Düsenpaaren, in etwa eine Länge von 1 m auf. Die erste Trägerrolle ist direkt vor der Applikationseinheit angeordnet und die darauf folgende Trägerrolle im ersten Drittel der Kühleinheit. Bei einer freitragenden Länge von etwa 3,5 m, kann die Aufschmelzeinheit also eine maximale Länge von etwa 2 m aufweisen. Somit ergibt sich im Vergleich zu Gestellbeschichtungsanlagen eine kurzbauende und kompakte Vorrichtung, welche alle zur Pulverbeschichtung notwendigen Einheiten enthält.
- Die Länge der Aufschmelzeinheit und die dort herrschenden Temperaturen bestimmen auch die Vorschubgeschwindigkeit, mit welcher das Stahlrohr durch die Vorrichtung geführt werden kann. Da innerhalb der Aufschmelzeinheit relativ hohe Temperaturen herrschen, reicht eine Haltezeit während des Aufschmelzens von 3 bis 6 Sekunden aus, um das Polymer aufzuschmelzen. Bezogen auf die Länge der Aufschmelzeinheit können somit Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 15 m/Minute erzielt werden. Eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit würde dazu führen, dass auch die Aufschmelzeinheit in ihrer Länge vergrößert werden würde. Dadurch würde sich die notwendige freitragende Länge eines zu beschichtenden Stahlrohrs ebenfalls erhöhen. Dies wiederum schließt Stahlrohre mit geringen Außendurchmessern aus. Für Stahlrohre mit größeren Außendurchmessern wäre eine solche Ausgestaltung jedoch denkbar.
- Neben der Pulverbeschichtung endloser Stahlrohre ist es auch möglich Abschnitte von Stahlrohren mit einem größeren Außendurchmesser, beispielsweise 10 mm bis 50 mm, zu beschichten. Rohre dieses Außendurchmessers können nicht mehr von einem Coil abgewickelt werden. Sie sind auf bestimmte Längen zugeschnitten, beispielsweise 6 m. Es ist vorgesehen, die Enden der Stahlrohre über formschlüssige Verbindungsstücke so miteinander zu verbinden, dass sie einen durchgängigen Rohrstrang bilden, welcher kontinuierlich durch die Vorrichtung transportiert wird.
- Über die Verbindungsstücke stützen sich die Rohrenden während der Pulverbeschichtung gegenseitig ab. Das ist wichtig, da beispielsweise bei einer freitragenden Länge von 3,5 m und einer Länge des Stahlrohrs von 6 m nur 2,5 m des Stahlrohrs auf Tragrollen abgestützt sind. Über die Verbindungsstücke kann sichergestellt werden, dass nicht nur die mittleren Bereiche eines Stahlrohrs, sondern auch die Enden der Stahlrohre zwischen den Düsenpaaren hindurchgeführt werden können, so dass eine sehr gleichmäßige Pulverbeschichtung gewährleistet werden kann.
- Zur Pulverbeschichtung von Stahlrohren unterschiedlicher Durchmesser kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auf einer Plattform montiert sein und von einer Fertigungsstrecke auf eine andere Fertigungsstrecke verlagert werden. Dies lässt sich beispielsweise über Schienen realisieren. Aufgrund der geringen Abmessungen der Vorrichtung im Vergleich mit herkömmlichen großen Anlagen, ist diese flexibler und kann ohne großen Aufwand von einer Fertigungsstrecke zur Beschichtung von Stahlrohren mit kleinem Außendurchmesser auf eine Fertigungsstrecke zur Beschichtung von Stahlrohren mit großem Außendurchmesser verlagert werden. Beispielsweise kann auf einer Fertigungsstrecke ein Stahlrohr von einem Coil abgewickelt werden, während auf einer benachbarten Fertigungsstrecke abgelängte Stahlrohre größeren Durchmessers beschichtet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich für beide Durchmesser, so dass der apparative Aufwand erheblich reduziert werden kann.
- Nach der Pulverbeschichtung des aus einzelnen Stahlrohren zusammengesetzten Stahlrohrstranges kann dieser wieder in einzelne Abschnitte zerlegt werden. Ein Reinigungsschritt entfällt hier, da die offenen Rohrenden während der Pulverbeschichtung über die Verbindungsstücke verschlossen sind.
- Ein Vorteil des Pulverbeschichtens von Endlos-Stahlrohren durch Abwicklung von einem Coil sowie eines zusammen gesetzten Stahlrohrstranges liegt unter anderem darin, dass das Innere des Stahlrohrs frei von Verschmutzungen gehalten werden kann. So können bei entsprechender Abdichtung beispielsweise bei der Reinigung keine aggressiven entfettenden Substanzen ins Innere des Stahlrohres gelangen und das Material angreifen. Ebenso gelangt kein Korrosion verursachendes Kühlwasser in das Stahlrohr. Ein zusätzlicher Reinigungsschritt nach der Pulverbeschichtung ist somit nicht mehr notwendig.
- Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass durch das direkte Aufeinanderfolgen der Applikations-, der Aufschmelz- und der Kühleinheit kontinuierlicher Vorschub ermöglicht wird, ohne Warte- oder Transportzeiten zwischen den einzelnen Einheiten.
- Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung herstellbaren Schichtdicken liegen beispielsweise zwischen 35 μm und 50 μm mit einer maximalen Toleranz von 15 μm. Ebenso gut können mit dieser Vorrichtung auch dickere Schichten erzeugt werden. Im Vergleich hierzu weisen die mittels Extrudieren hergestellten Polymerschichten Dicken ab 120 μm aufwärts mit Toleranzen von etwa 50 μm auf.
- Es können also mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit hoher Präzision Pulverbeschichtungen aufgetragen werden. Die dabei erzielbaren Werte für Schichtdicken und Toleranzen sind wesentlich geringer, als die mittels des Extrudierens erreichbaren Schichtdicken und Toleranzen.
- Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Variabilität des erfindungsgemäßen Verfahrens. Während beim Extrudieren von Polymerschichten speziell kalibrierte Werkzeuge für die einzelnen Rohrdurchmesser vorgesehen sein müssen, können beim Pulverbeschichten Rohre unterschiedlicher Durchmesser bearbeitet werden, ohne dass die erfindungsgemäße Vorrichtung aufwändig umgerüstet werden müsste. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, Mindestschichtdicken von 20 μm zu garantieren. Da eine Schichtdicke von 20 μm nicht unterschritten werden kann, da in diesem Fall der Korrosionswiderstand nicht mehr im gewünschten Umfang gegeben ist, wird unter Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen die Nenndicke etwas höher gewählt. In einem ersten Dickenbereich soll die Maximaldicke allerdings nicht größer als 35 μm sein. In einem zweiten Dickenbereich soll eine maximale Schichtdicke von 50 μm nicht überschritten werden. Bei einer Zielschichtdicke von 50 μm soll die Toleranz nicht größer als 20 μm sein. Im Vergleich hierzu beträgt die Schichtdickenvarianz beim Gestellbeschichten bezogen auf eine Sollschichtdicke von 70 bis 100 μm etwa 30 bis 50 μm. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können somit erhebliche geringere Fertigungstoleranzen und daher auch ein geringerer Materialauftrag realisiert werden.
- Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht es Endlos-Stahlrohre von einem Coil sowie Stahlrohre in einem Stahlrohrstrang mit einer Polymerschicht durch Pulverbeschichten zu versehen. Der besondere Vorteil dieser Vorrichtung liegt darin, dass sie im Gegensatz zu herkömmlichen Großanlagen kurzbauend ist und auf Grund dessen flexibel in Fertigungsstrecken eingegliedert werden kann. Die Einheiten zur Pulverbeschichtung schließen sich direkt aneinander an, so dass keine zusätzlichen Beförderungswege und -zeiten anfallen. Ebenso sind keine zusätzlichen Arbeitsschritte hierzu notwendig, da das Stahlrohr in der Vorrichtung kontinuierlich von einer Einheit zur nächsten transportiert wird.
- Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer erfindungemäßen Vorrichtung auf zwei Fertigungsstrecken; -
2 eine schematische Darstellung der Verbindung zwischen zwei Stahlrohrabschnitten; -
3 eine Frontalansicht einer Anordnung von zwei Düsenpaaren um ein Stahlrohr; -
4 eine Seitenansicht von3 und -
5 eine Schnittdarstellung des beschichteten Stahlrohrs. -
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung1 zur Polymerbeschichtung, welche auf einer nicht näher dargestellten Plattform angeordnet ist. Eine Fertigungsstrecke A dient der Pulverbeschichtung von auf einen Coil2 aufgewickelten Stahlrohren3 . Dieses sehr lange Stahlrohr3 wird abgewickelt und über Trägerrollen4 horizontal durch die Vorrichtung1 transportiert. - Weiterhin können auch vereinzelte Stahlrohre
6 , die einen größeren Außendurchmesser aufweisen, in dieser Vorrichtung1 Pulver beschichtet werden. Das erfolgt auf der parallel verlaufenden Fertigungsstrecke B. - Um die vereinzelten Stahlrohre
6 kontinuierlich durch die Vorrichtung1 transportieren zu können, werden diese an ihren Rohrenden7 ,8 über Verbindungsstücke9 miteinander zu einem Rohrstrang10 verbunden (2 ). Das hat den Vorteil, dass sich die Stahlrohre6 gegenseitig abstützen und während der Beschichtung nicht verkippen. Außerdem kann der Innenraum11 des Rohrstrangs und damit der Stahlrohre3 ,10 frei von Verschmutzungen gehalten werden. - Die Plattform mit der Vorrichtung
1 ist von der Fertigungsstrecke A auf die andere Fertigungsstrecke B verlagerbar. Dies kann beispielsweise, wie in1 rein schematisch dargestellt, über Schienen12 erfolgen. - Die erfindungsgemäße Vorrichtung
1 weist drei aufeinander folgende Einheiten13 ,14 ,15 auf. Die erste Einheit ist die Applikationseinheit13 . In der hier dargestellten Ausführung der Applikationseinheit13 befinden sich zwei Düsenpaare16 ,17 (3 ,4 ). Die Düsen18 ,19 eines Düsenpaares16 sind zueinander diametral angeordnet, bezogen auf die Längsachse R des zu beschichtenden Stahlrohrs3 . - Die Düsenpaare
16 ,17 sind zueinander um einen Winkel α versetzt angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel α 90°. Dadurch wird eine homogenere Beschichtung der Umfangsseite20 des Stahlrohrs3 erzielt. Durch einen Abstand12 von ca. 20 cm zwischen den Düsenpaaren16 ,17 wird sichergestellt, dass sich die Feldlinien der elektrostatischen Felder21 nicht zu stark überlagern. Dadurch wird verhindert, dass sich die Partikel des Polymerpulvers in den Überlagerungsbereichen vermehrt anlagern und eine ungleichmäßige Beschichtung entsteht. - An die Applikationseinheit
13 schließt sich eine Aufschmelzeinheit14 an. In der Aufschmelzeinheit14 ist eine Nahinfrarotquelle angeordnet, welche das umfangsseitig des Stahlrohrs3 ,10 angelagerte Polymerpulver aufschmilzt. Dadurch entsteht aus den Partikeln des Polymerpulvers eine zusammenhängende Polymerschicht auf der Umfangsseite20 des Stahlrohrs3 ,10 . - Während das Stahlrohr die Applikationseinheit
14 und die Aufschmelzeinheit15 durchläuft wird es nicht gestützt, da dies die Pulverbeschichtung beschädigen würde. Um die ungestützte bzw. freitragende Länge L1 so kurz wie möglich zu halten, ist die letzte Trägerrolle5 vor der Pulverbeschichtung direkt vor der Applikationseinheit13 angeordnet. Die erste Trägerrolle23 nach der Pulverbeschichtung befindet sich im ersten Drittel der sich an die Aufschmelzeinheit14 anschließenden Kühleinheit15 . - Nachdem das mit Polymer beschichtete Stahlrohr
3 ,10 die Kühleinheit15 erreicht hat, erstarrt die Polymerschmelze beim ersten Kontakt mit dem Kühlwasser. Ab diesem Punkt kann das beschichtete Stahlrohr3 ,10 wieder durch eine Trägerrolle23 unterstützt werden, ohne dass die Pulverbeschichtung beschädigt wird. Die Kühleinheit15 ist hierbei in Form eines Wasserkastens ausgeführt. - Sobald das beschichtete Endlos-Stahlrohr
3 die Vorrichtung1 verlässt kann es z. B. wieder auf ein Coil aufgewickelt oder je nach Einsatzbereich weiterverarbeitet werden. - Die zu einem Stahlrohrstrang
10 zusammengesetzten Stahlrohre6 können wieder voneinander separiert werden. -
5 zeigt den schematischen Schichtaufbau nach der Beschichtung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Auf das Stahlrohr24 wird in einem ersten Schritt eine Zinkschicht25 aufgebracht. Dies kann beispielsweise galvanisch erfolgen. Anschließend wird auf die Zinkschicht25 eine chrom-VI-freie Passivierungsschicht26 aufgebracht. Auf diese Passivierungsschicht26 wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Polymerbeschichtung27 aufgebracht. Zur zusätzlichen Steigerung der Haftung kann auf die Passivierungsschicht26 eine Haftvermittlerschicht aufgebracht sein. -
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Coil
- 3
- Endlos-Stahlrohr
- 4
- Trägerrolle
- 5
- Trägerrolle
- 6
- Stahlrohr
- 7
- Rohrende
- 8
- Rohrende
- 9
- Verbindungsstück
- 10
- Stahlrohrstrang
- 11
- Innenraum
- 12
- Schiene
- 13
- Applikationseinheit
- 14
- Aufschmelzeinheit
- 15
- Kühleinheit
- 16
- Düsenpaar
- 17
- Düsenpaar
- 18
- Düse
- 19
- Düse
- 20
- Umfangsseite
- 21
- elektrostatisches Feld
- 22
- Überlagerungsbereich
- 23
- Trägerrolle
- 24
- Stahlrohr
- 25
- Zinkschicht
- 26
- Chrom-VI-freie Passivierung
- 27
- Polymerbeschichtung
- A
- Fertigungsstrecke
- B
- Fertigungsstrecke
- L1
- freitragende Länge
- L2
- Abstand
- R
- Längsachse
- α
- Winkel
Claims (16)
- Verfahren zur Herstellung eines verzinkten und mit einem Polymer beschichteten Stahlrohrs (
3 ,10 ) mit folgenden Schritten: a) Aufbringen einer Zinkschicht auf ein Stahlrohr (3 ,10 ); b) Auftragen einer Passivierungsschicht auf Basis einer dreiwertigen Chromverbindung auf die Zinkschicht; c) Reinigen des Stahlrohrs (3 ,10 ) in einer Reinigungseinheit und Aktivieren der Oberfläche des Stahlrohrs (3 ,10 ) durch eine in der Reinigungseinheit angeordnete Flammeinheit; d) elektrostatisches Auftragen eines Polymerpulvers auf die Passivierungsschicht; e) Aufschmelzen des Polymerpulvers zu einer Pulverbeschichtung; f) Abkühlen des beschichteten Stahlrohrs (3 ,10 ) in einem Kühlbad. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymerpulver ausgewählt wird aus folgender Gruppe bestehend aus: Epoxy- Pulver, Polyester-Pulver, Polyamid-Pulver, Polyurethan-Pulver sowie einer Kombination der genannten Polymerpulver.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flammeinheit das Stahlrohr (
3 ,10 ) auf maximal 30°C erwärmt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen des Polymerpulvers durch Wärmestrahlung erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmestrahlung Nahinfrarot-Strahlung eingesetzt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen des Polymerpulvers bei einer Temperatur zwischen 160°C und 300°C erfolgt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Aufschmelzen des Polymerpulvers über eine Zeitdauer von 3 bis 6 Sekunden erstreckt.
- Vorrichtung zum Beschichten verzinkter Stahlrohre (
3 ,10 ) mit einer Polymerbeschichtung, welche nacheinander geschaltet eine Applikationseinheit (13 ), eine Aufschmelzeinheit (14 ) und eine Abkühlungseinheit (15 ) umfasst, wobei die Applikationseinheit (13 ) wenigstens ein Düsenpaar (16 ) zur Pulverbeschichtung aufweist und in der Aufschmelzeinheit (14 ) eine Wärmequelle angeordnet ist und wobei zur Abstützung des zu beschichtenden Stahlrohrs (3 ,10 ) wenigstens zwei Trägerrollen (5 ,23 ) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Trägerrolle (5 ) der Applikationseinheit (13 ) direkt vorgelagert ist und wobei eine zweite Trägerrolle (23 ) in der Abkühlungseinheit (15 ) angeordnet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Applikationseinheit (
13 ) eine Reinigungseinheit angeordnet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle eine Nahinfrarotquelle ist.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Düsen (
18 ,19 ) eines Düsenpaares (16 ) diametral bezogen auf die Längsachse (R) eines Stahlrohrs (3 ) angeordnet sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Düsenpaare (
16 ,17 ) in Längsrichtung des Stahlrohrs (3 ) um einen Abstand (L2) zueinander versetzt und um einen Winkel (α) zueinander verdreht angeordnet sind. - Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (L2) der Düsenpaare (
16 ,17 ) zueinander mindestens 30 cm beträgt. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (L1) zwischen der ersten Trägerrolle (
5 ) und der zweiten Trägerrolle (23 ) nicht mehr als 3,5 m beträgt. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (
1 ) von einer Fertigungsstrecke (A) auf eine andere Fertigungsstrecke (B) verlagerbar ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das zu beschichtende Stahlrohr (
3 ) zu einem Coil (2 ) aufgewickelt ist.
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