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Dokumentenidentifikation DE4204823A1 19.08.1993
Titel Einbauten aus Graphit für Brennöfen
Anmelder MAN Technologie AG, 8000 München, DE
Erfinder Greulich, Hartmut, Dipl.-Chem. Dr., 8000 München, DE;
Hirmer, Marlene, 8060 Dachau, DE;
Peetz, Kilian, Dipl.-Ing., 8060 Dachau, DE
DE-Anmeldedatum 18.02.1992
DE-Aktenzeichen 4204823
Offenlegungstag 19.08.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.08.1993
IPC-Hauptklasse F27D 1/00
Zusammenfassung Zur Auskleidung von Schutzgasöfen wird eine Isolation (10) vorgeschlagen, die aus miteinander verklebten Graphitfolien (11, 14, 15) besteht. Eine derartige Isolation ist selbsttragend, kann hohe axiale Lasten übertragen und ermöglicht zuverlässige Gasdurchführungen (16) durch die Isolation (10).

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf Einbauten aus Graphit für Brennöfen und ein Verfahren zur deren Herstellung. Als Einbauten sind Auskleidungen von, Dichtungsmittel und Wärmeisolationen für Brennöfen, wie z. B. Schutzgasöfen und Vakuumöfen zu verstehen.

Zur Auskleidung von Schutzgasöfen werden seit langem Graphitfilz- oder folien verwendet. Dabei dient der Filz als thermische Isolation und die Folie der Verbesserung der Oberflächengüte der Filzeinbauten sowie der Abdichtung der Filzstruktur gegenüber Ablagerungen aus dem Prozeßgas.

Diese bekannten Einbauten sind nicht in der Lage, ohne wesentliche Deformation hohe Axiallasten zu übertragen. Auch ist eine zuverlässige Gasführung durch die Einbauten hindurch mit einfachen Mitteln nicht zu realisieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Einbauten aus Graphit zu entwickeln, die selbsttragend und druckstabil sowie in komplizierter Formgebung einfach herzustellen ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Durch den Schichtaufbau wird ein eigenstabiler, dreidimensionaler Einbautenskörper gebildet, der problemlos in eine Ofenanlage eingebracht werden kann. Die flexiblen Graphitfolien erlauben zudem eine einfache Handhabung und Fertigung derartiger Einbauten, wobei nicht nur ebene, sondern auch ganz einfach Krümmungen und Biegungen vorgesehen werden können. Kanäle und Hohlräume lassen sich bei der Herstellung der Einbauten problemlos durch Aussparung von Folienteilen oder nachträgliche mechanische Bearbeitung einbringen. Die erfindungsgemäßen, selbsttragenden Einbauten können eine sehr hohe Last übertragen und sind gleichzeitig aufgrund ihrer hohen Bruchdehnung stoßunempfindlich. Außerdem lassen sich die Einbauten an jede gewünschte Geometrie anpassen.

Die Erfindung erstreckt sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Graphiteinbauten, bei denen im Handel erhältliche flexible Graphitfolien im Schichtaufbau mittels eines ebenfalls im Handel erhältlichen einkomponenten- oder mehrkomponenten Kontaktklebers miteinander verklebt werden, dabei sind die Graphitfolien je nach dem herzustellenden Bauteil eben oder entsprechend gebogen bzw. vorgeformt.

Hierzu werden die Graphitfolien nacheinander auf eine ebene Unterlage gelegt oder auf eine Form gedrückt und mit Klebstoff bestrichen. In manchen Fällen ist es vorteilhaft, die Graphitfolienoberfläche vor dem Aufbringen des Klebstoffes mechanisch durch Sandstrahlen oder chemisch zu behandeln. Je nach Klebstoff wird eine Graphitfolie ein- oder beidseitig mit Klebstoff bestrichen.

Nach dem Zusammenfügen der Folien wird das Bauteil verpreßt und anschließend einer Thermobehandlung unterzogen.

Die Eigenschaft von fertigen Einbauten kann durch Zwischenschichten aus anderen Materalien, z. B. Versteifungsfolien, Fasergelegen, den gewünschten Anforderungen angepaßt werden.

Außerdem ist es möglich, das erfindungsgemäße Graphitbauteil nachträglich zu bearbeiten, z. B. Bohrungen für eine Gasführung einzubringen.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine plattenförmige Isolation 10, die aus zahlreichen miteinander verklebten Folien 11, 14, 15 bestehen. Die Isolation weist ferner durchgehende Kanäle 12 auf, die durch Aussparen von Folienteilen gebildet werden. Bei der Herstellung der Isolation 10 wird zunächst die untere Graphitfolie 11 auf eine ebene, nicht dargestellte Grundlage gelegt und mit einem Klebstoff 13 bestrichen, darauf eine zweite, dritte etc. Graphitfolie 11 mit Klebstoff gelegt. Zur Bildung der Kanäle 12 werden dann schmale Folienstreifen 14 in entsprechendem Abstand auf die großen Folien 11 aufgestapelt und miteinander verklebt, so daß sie Stege 18 zwischen den Kanälen 12 bilden. Bei Erreichen der Kanalbreite werden schließlich die Deckfolien 15 im gleichen Verfahren aufgebracht.

In der gleichen Verfahrensweise sind geschlossene oder offene Hohlräume herstellbar, die entweder frei bleiben oder bei Bedarf mit einem Material gefüllt werden, bevor die Deckschichten aufgebracht werden. Es ist auch möglich, die Hohlräume erst nach Fertigstellung der Isolationsstruktur mit Material zu füllen.

Die Kanäle 12 können mit Isoliermaterial, z. B. Graphitwolle, gefüllt sein. Mit Isolierungen 10 dieser Art können Schutzgasöfen oder Vakuumöfen zur thermischen Isolation ausgekleidet werden. Sie können aber auch in CVD- oder CVI- Anlagen verwendet werden. In diesen Anlagen kommt als zusätzliche Anforderung die Notwendigkeit einer axialen Lastübertragung und eine Gaszufuhr durch die Isolation hinzu. In diesem Fall werden die Gasführungen als Bohrungen 16 durch die Isolation 10 geführt.

Durch die Flexibilität der Graphitfolien ist es möglich, Bauteile im Schichtaufbau unterschiedlicher Konfiguration herzustellen. Wenn die Isolation auch Dichtungsfunktionen ausfüllen soll, kann die Isolation gleich der Ofeninnenkontur angepaßt ausgebildet werden.

In Fig. 2 ist beispielsweise ein topfförmiges oder U-förmiges Einbauteil gezeigt, das dadurch hergestellt wird, daß eine Negativform 20 verwendet wird, auf die die Folien 21, 22 so aufgedrückt werden, daß sie die Kontur der Form 20 einnehmen. Nach der Aufbringung und Biegung der ersten Folie 21 wird der Klebstoff 23 aufgebracht und darauf die nächste Folie 22 aufgedrückt, usw.

Bei Bedarf können Zwischenschichten oder Fasergelegen 17 aus anderen Materialien eingelegt werden, die die mechanischen und/oder Isoliereigenschaften des Bauteiles beeinflussen können.

Nachfolgend sind drei Ausführungsbeispiele beschrieben, die mit dem geschilderten Verfahren hergestellt werden.

Beispiel 1

Zur Herstellung von selbsttragenden Ofeneinbauten aus Graphitfolien wurde ein dreidimensionales Bauteil (Größe ca. 150·80·40 <m) mit einer Wandstärke von 2,5 mm an der dicksten Stelle und einem Gewicht von 3 kg gefertigt, das die Form eines quaderförmigen Behälters hat.

Aufgabe dieser als Schutzbehälter ausgebildeten Ofeneinbauten war es, die Heizelemente vor dem Angriff aggressiver Gase zu schützen. Voraussetzung für einen erfolgreichen Einsatz dieser Schutzbehälter war eine gute Gasdichtheit der Ofeneinbauten. Gleichzeitig darf die Wandstärke des Bauteiles aber nicht zu dick werden, so daß eine Fertigung aus Feinkorngraphit nicht in Betracht kommt.

Der Schutzbehälter wird auf einer Holzform zusammengesetzt. Als Trennmittel zwischen Form und Graphitfolie diente eine in der Faserverbundtechnologie gebräuchliche Trennfolie. Die zugeschnittenen Einzelteile aus Graphitfolie wurden an den Klebestellen durch Sandstrahlen leicht aufgerauht. Alle Klebeflächen wurden dünn und gleichmäßig mit einem organischen, lösungsmittelhaltigen, einkomponentigen Kontaktkleber eingestrichen. Nach Antrocknen des Klebers wurden die Graphitfolien paßgenau auf die Form plaziert und miteinander verklebt. An den Ecken und Kanten kam eine 0,35 mm starke Graphitfolie zum Einsatz. Die Klebestellen wurden per Hand gut angedrückt und mit einer glatten Rolle fest nachgepreßt. Nach dem Abnehmen des Behälters von der Holzform werden die Kanten auch auf der Innenseite mit der dünnen Graphitfolie verstärkt. Hierdurch wird eine maximale Gasdichtheit erreicht. Nach Zwischenhärten und Pyrolyse unter Schutzgas erhält man eine stabile, gasdichte Ofenretorte, die gleichzeitig durch die Duktilität der Graphitfolien eine große Stoßunempfindlichkeit und Bruchfestigkeit besitzt.

Beispiel 2 Herstellung von druckfesten Ofeneinbauten mit integrierten Gasleitkanälen

Aufgabe dieser speziellen Ofeneinbauten war es bei geringem Gewicht zum einen hohe axiale Lasten zu übertragen, zum anderen war eine zuverlässige Gasführung durch die Einbauten hindurch erforderlich. Der im Ofen stattfindende Prozeß ließ als Einbautenmaterial Kohlenstoff und Graphit zu. Wichtig war für die Anwendung auch eine einfache Anpassung der Spezialeinbauten an unterschiedliche Geometrien und Anwendungsfälle sowie eine einfache Handhabbarkeit der fertigen Einbauten. Zur Anfertigung einer solcher Einbauten ist ein Graphit aus stranggepreßten Ausgangsstoffen ungeeignet, da die Wärmeleitfähigkeit mit 120 bis 260 W/mK sehr hoch ist. Graphitfolien haben senkrecht zur Folienfläche nur eine Wärmeleitfähigkeit von 2,5 bis 5 W/mK.

Eine 2 mm starke Graphitfolie wurde in definierten Bereichen mit einer Anzahl von Folienstreifen beklebt. Alle Klebeflächen wurden zunächst leicht angerauht, danach dünn mit Kleber bestrichen. Als Kleber diente ein organischer, lösungsmittelhaltiger, einkomponentiger Kontaktkleber. Die Räume zwischen den Folienstreifen werden mit einem geeigneten Faserisolationsmaterial aufgefüllt. Als Abdeckung wird erneut eine 2 mm starke Graphitfolie aufgeklebt. Dieser Stapel wird per Hand und Presse gut verpreßt. Im nächsten Arbeitsschritt wurden durch die streifenunterlegten Zonen die Gasleitkanäle gebohrt. Nach Zwischentrocknung und Pyrolyse unter Schutzgas liegt ein eigenstabiler Einbautenkörper vor, der problemlos in die Ofenanlage eingebaut werden kann. Diese Einbauten entsprechen dem Beispiel gemäß Fig. 1.

Beispiel 3

Müssen dreidimensionale Strukturen an einigen Stellen noch besonders versteift werden, können durch das erfindungsgemäße Verfahren einfach und preisgünstig versteifende Profile (z. B. aus stranggepreßtem Feinkorngraphit oder CFC- Profilen) in die Struktur integriert werden, ohne daß spezielle Halterungen, Verschraubungen oder andere aufwendige mechanische Befestigungstechniken zum Einsatz kommen.

Für einen Anwendungsfall wurde ein Bauteil eingesetzt, das dem Bauteil aus Beispiel 1 entspricht, aber an einer der Längsseiten offen war. Dadurch wäre die Dimensionsstabilität sehr stark reduziert worden. Die verbliebenen 2 geschlossenen Kanten und die jeweils 3 geschlossenen Kanten an Deckel und Boden des Bauteiles wurden daher mit CFC-Eckprofilen versteift. Zur Erlangung der Gasundurchlässigkeit wurden die CFC-Profile auf beiden Seiten mit Graphitfolie kaschiert. Hierzu wurde ein kommerzieller anorganischer Keramikkleber auf der Basis von Aluminiumphosphat verwendet. Die kaschierten CFC-Profile konnten danach nach der in Beispiel 1 beschriebenen Verfahrensweise in das Bauteil integriert werden. Das Bauteil besaß eine hohe Steifigkeit, ohne die Nachteile, die bei einem aus Feinkorngraphit gefertigten Bauteil aufgetreten wären (Bruchsensibilität, hoher Fertigungsaufwand, großes Gewicht, hohe Wandstärken).


Anspruch[de]
  1. 1. Einbauten für Brennöfen, bestehend aus Graphit, gekennzeichnet dadurch, daß die Einbauten aus mehreren Graphitfolien (11, 14, 15, 21, 22) bestehen, die zu einem Bauteil miteinander verklebt sind.
  2. 2. Einbauten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten als hohle Platte ausgebildet sind, und daß bei Bedarf im Hohlraum (12) Versteifungsstege (18) vorgesehen sind, die ebenfalls aus miteinander verklebten Graphitfolien (14) bestehen.
  3. 3. Einbauten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Graphitfolienschichten (15) Folien oder Gewebe (17) aus anderen Materialien als Graphit vorgesehen sind.
  4. 4. Verfahren zur Herstellung von Einbauten aus Graphit für Schutzgasöfen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Graphitfolien (11, 14, 15, 21, 22) zur Bildung eines dreidimensionalen Bauteiles miteinander verklebt werden.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedlich große Graphitfolien (11, 15 bzw. 14) so miteinander verklebt werden, daß Durchbrüche (12) im fertigen dreidimensionalen Bauteil entstehen.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung von räumlich gekrümmten oder gebogenen Einbauten (21 bis 23) die Folien (21, 22) nacheinander auf eine Form gedrückt und mit einem Klebstoff (23) bestrichen werden.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Graphitfolien (11, 14, 15, 21, 22) vor dem Aufbringen des Klebstoffes (23) aufgerauht wird.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten (10) nach dem Zusammenfügen der Graphitfolien (11, 14, 15) verpreßt und anschließend thermobehandelt wird.
  9. 9. Anwendung der Einbauten als thermische Isolierschicht mit durchführenden Gaskanälen für Reaktionsöfen zur Durchführung von CVD- oder CVI-Prozessen.






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