DE3903887C2 - Vorrichtung zum Flammspritzen von pulverförmigen Werkstoffen mittels autogener Flamme - Google Patents

Vorrichtung zum Flammspritzen von pulverförmigen Werkstoffen mittels autogener Flamme

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Flammspritzen von pulverförmigen Werkstoffen mittels einer autogenen Flamme mit einem eine Brennerdüse aufweisenden Düsenträger nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruches.
Bei allen bekannten Verfahren zum Hochenergieflammspritzen mit einer autogenen Flamme, die mit einer Einschnürung der Flamme in einem wassergekühlten Beschleunigungsvorsatz arbeiten, treten bei längeren Beschleunigungsrohren Probleme durch auftretende Partikel an der Rohrwand auf, die bei längerem Arbeiten zum Zusetzen oder zur Zerstörung des Beschleunigungsvorsatzes führen. Diese Probleme sind auf die ungünstige Verwirbelung der Feinpartikel in der Außenzone der Flamme zurückzuführen und haben eine starke Abhängigkeit von dem pulverförmigen Werkstoff bzw. der Zusammensetzung, der Korngröße, der Herstellungsart und der Morphologie der Teilchen.
Will man mit einem Verfahren beschichten, das ein wassergekühltes Beschleunigungsrohr verwendet, ist letzteres für jeden pulverförmigen Werkstoff spezifisch zu konstruieren. Bislang ist es nicht möglich, Flammspritzgeräte mit Beschleunigungsvorsatz längere Zeit ohne Störungen und Schwierigkeiten zu betreiben.
Zu einer gattungsbildenden Vorrichtung wird in der DE 33 31 216 A1 der Patentinhaberin beschrieben, daß eine Mantelströmung ein Anbacken der aufgeschmolzenen Partikel an den Wänden des Innenkanals verhindern kann, was für eine längere Betriebsdauer nicht unwesentlich ist. Es könnten auch im Bereich der Einmündung zusätzliche Einrichtungen zur Ausbildung einer solchen Mantelströmung getroffen werden, die beispielsweise auch durch Zufuhr von Inertgas erzeugt zu werden vermag. Zur vorerwähnten Mantelströmung wird ausgeführt, daß am adapterseitigen Ende viele ringförmig angeordnete radiale Gaszuführungen vorgesehen sind. Gegebenenfalls können solche Öffnungen auch axial vorgesehen werden und zwar im Strömungsschatten einer Abstufung im Bereich der Mündungsseite der dortigen Strahlbündeldüse. Es handelt sich also um eine sog. "Mantelströmung" zur Verhinderung von Anbackungen aufgeschmolzener Partikel, was wohl eine gewisse Einschnürung durch das aus den Öffnungen austretende Inertgas andeutet. Allerdings sind komplizierte Zuführungskanäle zur gesonderten Zufuhr an die Öffnungen nötig, insbesondere da es sich in DE 33 31 216 A1 um eine Flammspritzpistole mit einer Zündeinrichtung mit Elektrode handelt. Da zudem die axialen Zufuhröffnungen für das Mantelgas - ebenso wie radiale Zuführöffnungen - im Strömungsschatten von Abstufungen liegen, sind hier strömungsoberseitig der Abstufungen Anbackungen nicht auszuschließen.
In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfinder die Aufgabe gestellt, diese Mängel zu beseitigen und die Zufuhr des Einschnürgases besser steuerbar zu machen.
Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Patentanspruches; die Unteransprüche geben günstige Ausgestaltungen an.
Erfindungsgemäß ist die Düseneinrichtung als Vorsatz auf den rohrartigen Ansatzkörper derart aufsetzbar, daß sich eine Stabilisierungskammer für das zuführbare Einschnürgas mit einem konstanten oder einem variablen Volumen ergibt, die an die Eintrittsöffnung für das Einschnürgas anschließt. Letzteres ist beispielsweise Edelgas wie Argon, Helium oder Stickstoff oder Druckluft.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Vorrichtungslängsachse von der Stabilisierungskammer ringförmig umgeben und schließt an die Austrittsöffnung/en an.
Jene Austrittsöffnungen sind bevorzugt entweder parallel zur Vorrichtungsachse verlaufende Bohrungen, oder es ist ein Ringspalt vorgesehen,
Erfindungsgemäß ist eine Ausgestaltung der Düseneinrichtung mit konstanter Stabilisierungskammer und deren Gaszuführung lösbar am Beschleunigungsrohr angeordnet und überragt dieses mit einem Mündungsrohr.
Bei einer anderen erfindungsgemäßen Ausführung der Düseneinrichtung besteht diese aus einem endwärts das Beschleunigungsrohr überragenden Mündungsrohr sowie einem Düsenrohr, welches mit dem Ansatzkörper verbunden ist und mit diesem die variable Stabilisierungskammer begrenzt. Hierbei soll die Gaszuführung der Stabilisierungskammer im Ansatzkörper vorgesehen sein.
Die Stabilisierungskammer kann einends von einem Innenkragen der Düseneinrichtung begrenzt sein, der mit dem Beschleunigungsrohr einen Spalt bildet, wobei der Innenkragen bevorzugt als radiale Schneide endet.
Es ist neben dem Einsatz von Düsenkörpern, die vom Ansatzkörper trennbar sind, auch möglich, daß der Ansatzkörper mit der Düseneinrichtung einstückig ausgebildet und sowohl mit den Kühlmittelführungen als auch mit der Stabilisierungskammer versehen ist.
Erfindungsgemäß wird der Einschnürgasdruck in der Stabilisierungskammer hinter der Austrittsöffnung aufgebaut und stabilisiert. Beim Verschieben der Düseneinrichtung auf dem wassergekühlten Beschleunigungsrohr erfolgt eine zweite Einschnürung der Flamme durch den Gasstrom im Bereich von 20 bis 100 mm, vorzugsweise 30 bis 80 mm.
Wenn man das wassergekühlte Beschleunigungsrohr relativ kurz hält, auf dasselbe eine zweite Einschnürdüse aufsetzt sowie die Flamme durch einen Gasstrom - mit derselben Geschwindigkeit wie die der Flamme - weiter einschnürt und beschleunigt, treten die erkannten Schwierigkeiten nicht mehr auf.
Als ideale Länge für das Beschleunigungsrohr hat sich der Bereich von 30 bis 150 mm, vorzugsweise 30 bis 80 mm, erwiesen.
Die Zone der Ablagerungen in dem wassergekühlten Beschleunigungsrohr wird dadurch in den Bereich der Gaseinschnürung verschoben, die vom Flamnenaustritt aus dem wassergekühlten Beschleunigungsrohr ab zwischen 20 bis 100 mm, vorzugsweise 30 bis 80 mm, liegt.
Durch den aus der Einschnürgasdüse austretenden Gasstrom wird auch das Problem des Anhaftens der Feinpartikel an der Rohrwandung vermieden.
Der Gesamtquerschnitt für die Gasaustrittsöffnung sollte erfindungsgemäß zwischen 0.1 bis 30 mm2 bzw. 1 bis 10 mm2 vorzugsweise 2 bis 8 mm2, liegen.
Bei ringförmig ausgebildeten Austrittsöffnungen haben sich Spaltweiten zwischen 0.01 bis 1.0 mm, vorzugsweise 0.05 bis 0.7 m, als günstig erwiesen.
Erfindungsgemäß kann die Einschnürgasdüse auch ohne dem wassergekühlten Beschleunigungsvorsatz auf den Düsenträger eines Flammnspritzgerätes aufgesetzt werden, wenn die Flamme abhängig von dem pulverförmigen Werkstoff nur auf eine Geschwindigkeit im Bereich von 150 bis 250 m/s beschleunigt werden soll.
Bezüglich weiterer Merkmale wird auf die Unteransprüche hingewiesen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt jeweils im Längsschnitt in
Fig. 1: einen Teil eines Brenners mit einen Düsenträger einer Brennkammer, einem wasserge­ kühlten Beschleunigungsrohr und einem Gasein­ schnürrohr;
Fig. 2: eine gegenüber Fig. 1 veränderte Ausführungs­ form;
Fig. 3: den Düsenträger einer anderen Ausführung mit unmittelbar auf diesem sitzendem Gaseinschnür­ rohr.
Ein Düsenträger 10 eines aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Zeichnung nicht dargestellten Brenners ragt mit einer Brennerdüse 11 in eine Brennkammer 12 eines Durchmessers d so ein, daß der Düsenträger 10 axial um ein Schubmaß a lageverändert zu werden vermag.
Die Brennkanraer 12 ist in einem Rohrkörper 14 als Beschleunigungs­ vorsatz untergebracht und verjüngt sich in einem Bereich 16 einer Länge b zu einem Axialkanal 18 des Durchmessers e eines wassergekühlten Beschleunigungsrohres 19. Die Längen des Beschleunigungsrohres 19 mißt hier 60 mm. Den Axialkanal 18 - sowie jenen konischen Bereich 16 und die Brennkammer 12 - umgibt in einem Abstand f ein Ringraum als Kühlkanal 20 der Weite i.
Im Bereich des brennerseitigen Stirnendes 13 des Rohrkörpers 14 gehen vom Kühlkanal 20 radial ein Eintrittsstutzen 21 sowie ein Austrittsstutzen 22 für Kühlwasser ab. Neben dem Eintrittsstutzen 21 ist ein weiterer Rohrstutzen 24 für Einschnürgas zu erkennen, der sich in Rohrkörper 14 als enger Gaskanal 25 bis zu einem Ringkanal 26 für Einschnürgas fortsetzt.
Der Ringkanal 26 ist über Bohrungen 26a mit einer Stabilisierungs­ kammer 28 für variablen Gasdruck verbunden, die zum einen radial von der Umfangsfläche 17 des Beschleunigungsrohres 19 und einer Innenfläche 29 eines Gaseinschnürrohres 30 - mit Innengewinde 31 - sowie zum anderen in axialer Richtung von einer Schulterfläche 27 des Rohrkörpers 14 und einen gegenüberliegenden Innenkragen 32 des Gaseinschnürrohres 30 begrenzt ist. Das Gaseinschnürrohr 30 wird mit einem Gewinde 31 auf den Umfang des Rohrkörpers 14 aufgeschraubt und übergreift die durch das Beschleunigungsrohr 19 bedingte Schulterfläche 27. Der Innenkragen 32 ist zum Beschleunigungsrohr 19 hin als radiale Schneide 33 ausgebildet und bestimmt einen Ringspalt 34 für den Austritt von Einschnürgas.
Das Gaseinschnürrohr 30 besteht aus einer jenes innere Gewinde 31 aufweisenden Einschnürgasdüse 36 und einem Mündungsrohr 38 kürzeren Durchmessers; im Bereich jenes Innenkragens 32 weist das Gaseinschnürrohr 30 seinerseits einen äußeren Schulterabsatz 37 auf.
Das Einschnürgas - Luft, Stickstoff oder ein Edelgas wie Argon oder Helium wird über den Rohrstutzen 24 und den Gaskanal 25 dem Ringkanal 26 zugeleitet. Aus diesem strömt das Einschnürgas über mehrere Bohrungen 26 a in die volumenveränderliche Gasdruck­ stabilisierungskanmer 28, wo sich der Druck ausgleicht. Über die messerförmig ausgebildete Schneidkante 33 und den Ringspalt 34 tritt das Einschnürgas mit hoher Geschwindigkeit in das Gaseinschnürrohr 30 über und schnürt so die Flamme weiter ein, so daß ein Ankleben von Feinpar­ tikeln an der Rohrwandung verhindert ist. Die Austrittsgeschwindigkeit des Einschnürgases soll der der Flamme entsprechen.
Die gezündete Flamme brennt in der Brennkammer 12 und wird anschließend in dem wassergekühlten Beschleunigungsrohr 19 einge­ schnürt und beschleunigt.
Bei der Ausführung nach Fig. 2 sind Rohrkörper 14 und Gaseinschnürrohr 30 a an einander gegenüberliegenden Stirnflächen 27 und 40 getrennt; das Gaseinschnürrohr 30 a lagert mittels eines von der Stirnfläche 40 ausgehenden Innenringes 42 verschieblich am Beschleunigungsrohr 19. Hier wird die in ihrem Volumen konstante Stabilisierungskammer 28 a an ihrer zur Längsachse M gerichteten Seite von jenem Innenring 42 begrenzt. Der Rohrstutzen 24 zur Zufuhr des Einschnürgases ragt vom Gaseinschnürrohr 30 a ab.
In Fig. 3 umgibt den Düsenträger 10 eine wassergekühlte Einschnürgas­ düse 30 b - ohne Beschleunigungsvorsatz - an einem Rohrkörper 44 mit einer axialen Führungsausnehmung 12 b der Länge h für den Düsenträger 10 und einen anschließenden Rohrraum 46 größeren Durchmessers q.
Um diesen Rohrraum 46 ist ein - bei einer Radialfläche 45 gestufter - Ringraum als Kühlkanal 20b mit Ein- und Austrittsstutzen 21 und 22 gelegt. Die beschriebene Stabilisierungskammer 28 a umfaßt die Führungsausnehmung 12 b und mündet mit Austrittsbohrungen 48 in der Radialfläche 45. Für die Austrittsbohrungen 48 wird ein Querschnitt von etwa 0.1 bis 30 mm2 gewählt.
Der Austritt des Einschnürgases in das Gaseinschnürrohr 30 b erfolgt durch die ringförmig um die Flamme angeordneten Austrittsbohrungen 48, die Einschnürung der Flamme erfolgt durch das Expandieren des Einschnürgases nach dem Austritt aus jenen Austrittsbohrungen 48.
Bei einer nicht dargestellten Ausführung sind die Austrittsbohrungen 48 radial - beispielsweise in die Führungsausnehmung 12 b - gerichtet.
Bezugszeichenliste
10
Düsenträger
11
Brennerdüse
12
Brennkamer
13
Stirnende v.
14
14
Rohrkörper, Beschleunigungsvors.
16
Bereich v.
12
17
Umfangsfläche v.
19
18
Axialkanal
19
Beschleunigungsrohr (wassergekühlt)
20
Ringraum - Kühlkanal
21
Eintrittsstutzen v.
20
24
Rohrstutzen f. Einschnürgas
25
enger Gaskanal
26
Ringkanal f. Einschnürgas
27
Schulterfläche v.
14
28
Stabilisierungskammer
29
Innenfläche v.
30
30
Gaseinschnürrohr
31
Innengewinde
32
Innenkragen v.
30
33
radiale Schneidkante
34
Ringspalt
36
Einschnürgasdüse
37
Schulterabsatz
38
Mündungsrohr
39
Mündungsrohr
40
Stirnfläche
42
Innenring
44
Rohrkörper
45
Radialfläche
46
Rohrraum
48
Austrittsbohrungen
d = Durchmesser v.
12
a = Schubmaß
b = Länge v.
16
d = Durchmesser v.
12
e = Durchmesser v.
18
f = Abstand v.
20/18
i = Weite v.
20
g = Durchmesser v.
46
n = Länge v.
19
12
b = Führungsausnehmung
20
b = Kühlkanal
26
a = Bohrungen
27
a = Stirnfläche
28
a = Stabilisierungskammer
30
a = Gaseinschnürrohr
30
b = Einschnürgasdüse
M = Längsache

Claims (25)

1. Vorrichtung zum Flammspritzen von pulverförmigen Werkstoffen mittels autogener Flamme mit einem eine Brennerdüse aufweisenden Düsenträger, der in eine Führungausnehmung eines mit die Brennerdüse umge­ benden Kühlmittelführungen versehenen, rohrartigen Ansatzkörpers, insbesondere eines mit Beschleuni­ gungsrohr ausgestatteten Ansatzkörpers, einragt, wobei den Düsenträger eine Düseneinrichtung für ein Einschnürgas zugeordnet ist, die zur Vorrichtungs­ längsache axial und/oder radial verlaufende Aus­ trittsöffnungen für das Einschnürgas aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Düseneinrichtung (30, 30 a, 30 b) als Vorsatz (38) auf den rohrartigen Ansatzkörper (14, 19) der­ art aufsetzbar ist, daß sich eine Stabilisierungs­ kammer (28, 28 a) für das Einschnürgas ergibt, die an die Eintrittsöffnungen (24, 26 a) für das Einschnür­ gas anschließt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Vorsatz (38) auf den rohrartigen An­ satzkörper (14, 19) mittels Gewinde (31) aufschraub­ bar oder mittels eines Innenrings (42) derart auf­ schiebbar ist, daß die Stabilisierungskammer (28, 28 a) gebildet wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Düseneinrichtung (30, 30 a, 30 b) axial zur Brennerdüse (11) verstellbar angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen, (34, 48) für das Einschnürgas die Vorrichtungslängs­ achse (M) ringartig umgeben.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungskammer (28) ringförmig die Vorrichtungslängsachw (M) um­ gibt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ge­ kennzeichnet durch achsparallele Bohrungen (48) als Austrittsöffnungen für das Einschnürgas.
7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Austritts­ öffnungen (48) für das Einschnürgas in einer Ra­ dialfläche (45) des Ansatzkörpers der Düseneinrich­ tung (30 b) münden.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Querschnitt der Austrittsöffnungen (48) für das Einschnürgas von 0,1 bis 30 mm2.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ge­ kennzeichnet durch einen Querschnitt der Austritts­ öffnung (34) für das Einschnürgas von 1 bis 10 mm2, vorzugsweise 2 bis 8 mm2.
10. Vorrichtung nach einem der voraufgehenden Ansprü­ che, gekennzeichnet durch eine Stabilisierungskam­ mer (28 a) konstanten Volumens.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der Stabilisierungskammer (28) veränderlich einstellbar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschnürgasdruck in der Stabilisierungskammer (28, 28a) hinter der Austrittsöffnung (34, 48) aufbau- und stabilisierbar ist.
13. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die lösbar am Beschleunigungsrohr 19 mit der Stabilisierungskammer (28a) angeordnete Düseneinrichtung (30 a) das Beschleunigungsrohr (19) mit einem Mündungsrohr (38) überragt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die lösbare Düseneinrichtung (30 a) die Gaszuführung (24) für das Einschnürgas und die Stabilisierungskammer (28 a) trägt.
15. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Düseneinrichtung (30) aus einem endwärts das Beschleunigungsrohr (19) überragenden Mündungsrohr (38) sowie einem vorgeordneten Düsenrohr (36) besteht, welches mit dem Ansatzkörper (14) lösbar verbunden ist und mit diesem die Stabilisierungskammer (28) begrenzt.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführung (24 bis 26) für das Einschnürgas und die Stabilisierungskammer (28) im Ansatzkörper (14) verläuft.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 16, gekennzeichnet durch ein Überwurfschraubrohr (36) zur Längenreduzierung der Düseneinrichtung (30).
18. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungskammer (28) von einem Innenkragen (32) der Düseneinrichtung (30, 30 a) begrenzt ist, der mit dem Beschleunigungsrohr (19) einen Ringspalt (34) bildet.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkragen (32) als radiale Schneide (33) endet.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung (34) für das Einschnürgas als Ringspalt von 0.01 bis 1.0 mm, vorzugsweise 0.05 bis 0.7 mm, ausgebildet ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneide (33) des Innenkragens (32) ein Innenring (42) gegenüberliegt, der das Beschleunigungsrohr (19) umfängt und damit die Stabilisierungskammer (28 a) bildet.
22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatzkörper (14, 19) mit der Düseneinrichtung (30 b) einstückig ausgebildet und sowohl mit den Kühlmittelführungen als auch mit der Stabilisierungskammer (28 a) versehen ist.
23. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 22, gekennzeichnet durch eine zweite Einschnürung der Flamme durch den Gasstrom im Bereich von 20 bis 100 mm, vorzugsweise 30 bis 80 mm, bei Verschieben der Düseneinrichtung (30, 30 a) auf dem wassergekühlten Beschleunigungsrohr (19).
24. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 23, gekennzeichnet durch einen Bereich der Längenverschiebbarkeit der Düseneinrichtung (30, 30a) auf dem Beschleunigungsrohr (19) zwischen 20 bis 80 mm, vorzugsweise 20 bis 50 mm.
25. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 24, gekennzeichnet durch Edelgase wie Argon, Helium oder Druckluft oder Stickstoff als Einschnürgas.
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