LU82871A1 - Verfahren zum entrosten - Google Patents

Description

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Robert Langen GmbH, 6620 Völklingen (Bundesrepublik Deutschland) "Verfahren zum Entrosten"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entrosten.

Entrostung ist in der Regel unerlässliche Vorbedingung für einen dauerhaften Korrosionsschutz. Im lockeren Gefüge des Rostes verbleibt beim Aufträgen einer Schutzschicht Sauerstoff. Dieser bildet, auch wenn die Schutzschicht weiteren Sauerstoff fernhält, unter der Schutzschicht neuen Rost, der infolge seiner hohen Volumenbeanspruchung die Schutzschicht sprengt. Praktisch muss man den Rost entfernen. Rostumwandlung gelingt bisher nicht mit genügender Sicherheit.

Die gebräuchlichen Verfahren zur Rostentfernung sind Sandstrahlen, das den Rost abträgt, Flammstrahlen, das ihn absprengt, Abbürsten von Hand und Beizen mit Säuren. Alle diese Verfahren sind wegen Entwicklung von Staub, Dämpfen, Ablaugen o. dgl. umweltbelastend und mühsam. Jedes Verfahren hat darüber hinaus noch eigene Nachteile.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Entrosten zu schaffen, das gegenüber den bekannten Verfahren dieArbeitsbedingungen verbessert, / umweltfreundlich ist und weitere unten angeführte

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j Vorteile aufweist.

s ί 'A Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß der Rost durch ! * - l! Laser-Bestrahlung verdampft wird.

I Dieses Verfahren belastet weder die Ausführenden noch I die Umwelt. Es ist weîgehend schmutzfrei; die Verdampf- ! ungsprodukte stören nicht, können aber auch mit ge ringem Aufwand ziemlich vollständig abgesaugt werden.

Der Laserstrahl kann scharf gezielt und damit, ohne benachbarte Bauteile in Mitleidenschaft zu ziehen, angewandt werden. Es lässt sich eine ausserordentlich blanke Metalloberfläche erzielen, und dies ohne Schädi- I gung des Metallgefüges und ohne merklichen Metallver- j lust.

Letzteres ist ein wesentlicher Aspekt der Erfindung.

Die Anwendung eines Laserstrahls begegnet zunächst dem Bedenken, daß die Hitze, die ausreicht, den Rost zu verdampfen, auch ausreicht, das Metall zu schmelzen oder zu verdampfen. Das wird jedoch bei geeigneter Bemessung der zugeführten Energie durch den extremen Unterschied zwischen den Wärmeleitfähigkeiten des Rostes und des Metalls verhindert. Die gleiche Bestrahlung, die den Rost bis auf seine Verdampfungstemperatur erhitzt, erzeugt in dem Metall nur eine viel niedrigere Temperatur, jedenfalls bei kurzzeitiger Anwendung, die Gele-! genheit für eine genügende Wärmeableitung ins Innere des Metalls läßt und dessen Wärmekapazität nicht ausschöpft. Und hat eine Oxydschicht selbst eine so hohe Wärmeleitfähigkeit und sitzt sie so dicht an dem Metall, daß sie auch eine so hohe Wärmeübergangs zahl zu diesem hat, dass sie sich ebenso wie das Metall infolge Wärmeableitung in das Metallinnere bei der angewandten

Jl Energie nicht verdampfen lässt, dann ist diese Schicht

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- 3 - auch dicht und frei von chemisch ungebundenem Sauerstoff und kann mit von der Schutzschicht überdeckt werden. Diese Erkenntnisse schliesst die Erfindung ein.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist, die Bestrahlung in Impulsen durchzuführen. Das liegt im vorstehenden Sinne, erleichtert ferner die Abführung der Verdampfungsprodukte - zugleich mit Wärme - zwischen den Impulsen und ermöglicht eine erhöhte Leistung des Lasergeräts während der Impulsdauer im Vergleich zu Dauerstrahlung.

Die geeigneten Impulsdauern dürften zwischen 1 und lOO^us liegen, die geeigneten Energieabgaben etwa zwischen 1 und 5 Ws pro Impuls bei Fokussierung auf einen vorzugs- 2 weise 0,3 bis 2,0 cm großen Fleck.

Die Impulsfrequenz mag 1 bis 1000 Hz, vorzugsweise 100 bis 500 Hz, betragen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird die Bestrahlung in Gegenwart eines Stoffes oder mehrerer Stoffe durchgeführt, der bzw. die unter den durch die Bestrahlung erzeugten Bedingungen die entrostete Metalloberfläche passiviert bzw. passivieren und/oder mit einer Schutzschicht, z.B. aus Reaktionsprodukten des Stoffes oder der Stoffe mit dem Metall, überzieht bzw. überziehen.

- In dieser Weise können die ausserordentlich hohe Tempe ratur und gegebenenfalls andere Bedingungen, wie eine Plasma-Atmosphäre, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt werden, weiter nutzbar gemacht werden, gegebenenfalls auch zu Reaktionen, die unter anderen Bedingungen gar nicht stattfinden können. Es ist zum Beispiel bekannt, daß sich in einer Plasma-Atmosphäre freie Radikale bilden | können, die besonders aktiv sind. Im ganzen sollte man /

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( ;j - 4 - I * ii jedoch die Plasmabildung nach Möglichkeit begrenzt i _ halten, da bei höherer Dichte der freien Elektronen il der Laserstrahl zu stark absorbiert wird.

i | Es empfiehlt sich, die Bestrahlung unter, vorzugsweise reduzierendem, Schutzgas durchzuführen. Neben der Oxydationsverhinderung kann man damit auch die Verdampf-: ungs- und ggf. Umsetzungsprodukte wegblasen.

I: } Ferner wurde gefunden, daß sich mit der Anwendung re- ! duzierender Atmosphäre ein überraschender Effekt er- ;! zielen lässt, der vorteilhaft genutzt werden kann: ! Es lässt sich bereits mit geringerem Energieaufwand eine blanke Oberfläche schaffen. Während sich in oxydierender Atmosphäre leicht eine festsitzende Magnetitschicht auf der Metalloberfläche bildet, die erst bei einer viel höheren Temperatur verdampft als Rost, I entsteht unter reduzierenden Bedingungen ein lockerer : Magnetit, der sich einfach abbürsten lässt.

Die festsitzende, dünne Magnetitschicht mag jedoch unter dem weiter oben angegebenen Gesichtspunkt, daß j . sie keinen ungebundenen Sauerstoff enthält, auch be- j lassen und überstrichen werden können. Eine andere Mög- i lichkeit wäre, sie, da sie nur sehr dünn ist, chemisch | zu entfernen.

i * || ;i Eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach !| der Erfindung wird in der Regel am Strahlausgang einer | Lasereinrichtung eine Haube aufweisen, unter der mindes- ] tens eine Einführung für Schutzgas und/oder mindestens einen Stoff zur Oberflächenbehandlung des Metalls ausmündet. Auch mit einer Absaugeinrichtung kann der Raum ! j unter der Haube verbunden sein. Ferner ist die Vorrich- t - 5 -

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t ' tung zweckmässigerweise mit einem für die Entrostung eingerichteten Strahlführungs- und/oder -fokussierungs-system versehen.

Als Lasergerät empfiehlt sich ein querangeregter Atmos-phärendruckgaslaser. Er lässt sich kompakt bauen, kann in kurzen Impulsen strahlen und hat mit 10¾ einen vergleichsweise guten Wirkungsgrad.

' Die Erfindung ist anwendbar bei allen Entrostungsaufgaben, insbesondere statt des bisher durchgeführten Sand-strahlens. Diesem gegenüber hat sie vor allem den Vorteil, keine unerwünschten mechanischen Kräfte auf die Oberflächen auszuüben.

Im folgenden sei die Erfindung anhand von Versuchsbeispielen weiter erläutert.

Für die Versuche wurde ein querangeregter Atmosphären-druck-CX^- Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 ^um herangezogen. Er wurde eingestellt auf Impulse von 1 ^us Dauer, die sich in eine Impulsspitze von 0,1 ^us Dauer und einen an diese anschließenden Ausläufer gliederten.

Die Ausgangsenergie der Impulse betrug 3 Ws, die Leistung in der Impulsspitze lag bei 30 MW. Der Strahl wurde auf einen Fleck von 8 x 8 mm fokussiert. Die Spitzenleistungs-dichte betrug damit etwa 47 MW/cm und die Energiedich-, te des Impulses bei etwa 5 Ws/cm . Die Fleckgröße 8x8 mm war unter den vorliegenden Bedingungen die optimale.

Die Leistungsdichte sollte nicht zu hoch sein, damit nicht zu viel Energie durch die dann stark einsetzenden Ionisationsprozesse in der Luft verlorengeht. Die Ver-| suche wurden an Luft, unter Schutzgas (Argon) und unter ίί- fc-

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Formiergas (80 bis 90¾ Argon, 10 bis 20¾ Wasserstoff) durchgeführt.

|j » ’} !' Versuchsobjekte waren aus einem Altmetallager herausge- i griffene typische Materialproben: - blankes Vierkantrohr, Stahl leicht verrostet mit Resten i ; von Rostschutzfarbe, - mittelstark verrostetes Wasserrohr, Stahl, - stark verrostetes Gußstahlrohr, - mittelstark verrostetes Stahlblech.

Von allen Proben konnte der Rost vollständig entfernt i werden.

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Die Rostabtragsrate - Anzahl der bis zum vollständigen Entrosten von 1 cm Oberfläche notwendigen Zahl von Impulsen envies sich als weitgehend unabhängig von der Art des Probematerials und war wesentlich bestimmt nur durch den Verrostungsgrad.

Es wurden benötigt bei leichter Verrostung: 1-3 Impulse, bei mittlerer Verrostung: 2-5 Impulse, bei starker Verrostung : 10-20 Impulse.

Eine metallkundliche Gefügeuntersuchung zeigte keine unerwünschten Veränderungen durch die Laser-Bestrahlung. Die untersuchte Probe zeigte lediglich eine leichte Entkohlung dicht unter der Oberfläche. Übereinstimmend mit dieser Er- I scheinung konnten röntgonographisch FeC-Verbindung nachge- | weisen werden.

ji Die Oberflächenbeschaffenheit der entrosteten Proben war * } 4 / i - 7 - unterschiedlich.

Die Oberfläche des genannten Vierkantrohres war blank.

; Die Oberfläche des genannten Wasserrohres war, ebenso wie i die des genannten Stahlblechs, mit einer dünnen Schicht aus festhaftendem Magnetit versehen. (Die Rostschicht, wohlgemerkt, war nach etwa 3 Impulsen vollständig entfernt.) Die Magnetitschicht ließ sich in diesem Falle auch mit einer Erhöhung der Leistungsdichte durch Verkleinerung des Brennflecks nicht weiter abtragen. Sie müsste jedoch bei noch weiterer Leistungssteigerung entfernbar sein.

Die Röntgenbeugungsanalyse zeigte in der Magnetitschicht Reste von FeOOH (Rost) und geringe Spuren einer un-stöchiometrischen Fe-C-Verbindung.

Die vorstehenden Ergebnisse beziehen sich auf die Versuche an Luft.

Wurde das Probematerial, auf dem sich an der Luft die Magnetitschicht bildete, bei der Bestrahlung mit Formiergas angeblasen, so entstanden statt der festsitzenden Magnetitschicht einzelne Inseln von Magnetit, die nur ganz locker saßen und einfach abgebürstet werden konnten.

Im ganzen lassen die Ergebnisse erkennen, daß man für die praktische Anwendung des Verfahrens einen Laser mit einer mittleren Leistung von beispielsweise 1200 KW zugrundelegen sollte. Die Pulsenergie könnte 3 Ws betragen, die Pulsfolgefrequenz z.B. 400 Hz. Bei einem mittleren 2

Verrostungsgrad würden dann etwa 4 Pulse pro cm Oberfläche benötigt, sodaß man eine Stundenleistung von 36 qm Î erreichen könnte.

Der Laser sollte mit einem Gaskühlsystem versehen sein, _

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_ » j - * - i |j um die gewünschte Pulsfolgefrequenz sicherzustellen. Dazu kann beispielsweise an der Laserentladungskammer ein Querstromgebläse angebaut werden, mit dem das Lasergas mit dem geschlossenen Kreislauf über einen externen Gaskühler geführt werden kann. Für die Abmessungen des Lasers mit 3

Gehäuse wären dann etwa 120 x 60 x 80 cm anzusetzen. Das I Gewicht dürfte 250 kg nicht überschreiten.

| Als Zubehör können für verschiedene Anwendungsfälle opti- j mierte Strahlführungssysteme vorgesehen werden, auch | spezielle Entrostungshandstücke. Der Laser könnte so für | unterschiedliche Einsatzfälle umgerüstet werden.

| Als Strahlführungssysteme kommen z.B. ein feststehendes || Strahlrohr mit 90° Umlenkung in Betracht, wobei das Werk stück unter dem Laserfokus vorbeizubewegen wäre, oder ein bewgliches Strahtührungssystem mit hintereinandergeschalteten Umlenkspiegeln oder ein Abtastsystem mit Schwingspiegel zur schnellen Überdeckung ebener Flächen.

i Als Strahlfokussierungssystem wären ein Handstück mit

Fokussierungslinse (langbrennweitig) oder Facettenspiegel zu nennen oder spezielle Spiegel- oder Linsensysteme zur ! Kombination mit Laser-Abtastsystem. Als Gase müssten | bereitgestellt werden Lasergas (N2, C02, He gemischt) und ! Formiergas (Ar, H2 gemischt).

i Anhand eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbei- ! spiels sei dies noch etwas weiter verdeutlicht. Die Zeich nung zeigt in l Fig. 1 ein bewegliches Strahlführungssystem und in j.· Fig. 2 in größerem Maßstab ein Mundstück.

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Zur Bildung des Strahlführungssystems ist eine Reihe von / i I - 9 -

Winkelstücken 1, in denen Umlenkspiegel 2 angeordnet sind (nur einer gezeichnet), über Drehlagerungen 3 durch Rohre 4 verbunden. Mit dem einen Ende 5 wird das Strahlführungssystem am Strahlausgang eines Lasergeräts angeschlossen, am anderen Ende 6 wird ein Mundstück 7 angesetzt.

Das Mundstück 7, dessen Kupplungsteile zum Ansetzen an ' das Ende 6 des Strahlführungssystems nicht dargestellt i 1 ’ sind, weist ein Fokussierungssystem mit einer Linse 8 für den Laserstrahl 9 derart auf, daß der Laserstrahl unmittelbar hinter dem konischen Ausgang 10 des Mundstücks die gewünschte Brennfleckgröße auf der zu entrostenden Oberfläche 11, z.B. eines Bleches, hat. Eine Schutzgas Zuleitung 12 und eine Absaugleitung 13 führen durch das Mundstück 7 hindurch. Die erstere mündet etwa bündig mit dem Mundstück innerhalb desselben. Der Eingang der letzteren liegt weiter zurück an der Außenseite des Mundstücks am hinteren Ende einer das Mundstück umgebenden, aus einem Balg bestehenden Haube 14. Die Haube 14 kann vorne durch Stege gehalten werden, wie sie bei 15 angedeutet ' sind. Im konkreten Falle ist sie jedoch an stangenförmigen Abstandhaltern 16 befestigt, die in starr am Mundstück 7 sitzenden Halterungen 17 verstellbar sind und durch Anlage mit ihren Enden an der zu entrostenden Oberfläche 11 das Mundstück 7 einschliesslich der Haube 14 im gewünschten I Abstand von dieser halten und führen.

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Claims (8)

1. Verfahren zum Entrosten, dadurch gekennzeichnet, | daß der Rost durch Laser-Bestrahlung verdampft wird.

1 * * * l t |! - j*> - \ \ ! j Patentansprüche !

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, e daß die Bestrahlung in Impulsen erfolgt, vorzugs weise von 1 - 100 j us Dauer. j ï

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung mit 1 - 5 Ws Energieabgabe pro Impuls erfolgt, vorzugsweise fokussiert auf einen 0,3 - 2,0 cm^ großen Fleck.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung mit einer Impulsfre- " quenz von 1 - 1000 Hz, vorzugsweise 100 - 500 Hz, erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung unter, vorzugsweise reduzierendem, Schutzgas erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung in Gegenwart eines Stoffes oder mehrerer Stoffe erfolgt, der bzw. die unter den durch die Bestrahlung erzeugten Bedingungen die entrostete Metalloberfläche passi- l viert bzw. passivieren und/oder mit einer Schutz-Schicht überzieht bzw. überziehen. Λ- I -M- i I -

7. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lasereinrichtung, vorzugsweise mit einem querangeregten Atmosphärendruck-Gaslaser, an ihrem Strahlausgang (7,10) eine Haube (14) aufweist, unter der mindestens eine Einführung für Schutzgas ’ (12) und/oder mindestens einen Stoff zur Oberflächen behandlung des Metalls ausmündet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum unter der Haube (14) mit einer Absaugeinrichtung (13) verbunden ist. 1 Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein für die Entrostung eingerichtetes Strahlführungs- (1-6) und/oder -fokussier-