CN101918205B - 管状绝缘装置的制造方法和相应的装置 - Google Patents

管状绝缘装置的制造方法和相应的装置 Download PDF

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Abstract

在该方法中，提供绝缘材料(2)，并通过使N层Ci(3)的所述绝缘材料(2)叠置，使所述绝缘材料(2)成形。该方法的特征在于：a)对每个层Ci(3)，形成在所述绝缘材料(2)中预先切割的ni个轴向绝缘元件Ei(4)；b)形成所述管状绝缘装置(1)的毛坯(5)，通过：b1)借助胶(6)沿多个连接区Ji(30)将每层Ci(3)的ni个并置的元件Ei(4)组装在一起，使得层Ci+1的多个连接区Ji+1与相邻层Ci的多个连接区Ji错开；b2)然后使胶(6)聚合；c)使所述毛坯(5)经受热处理。优点：可以得到大机械强度的装置的成本经济的方法。

Description

管状绝缘装置的制造方法和相应的装置
技术领域
本发明涉及含碳耐火材料的制造，这些材料可以用于作为在高温和无氧环境下运行的炉中的高温热绝缘体。
本发明特别涉及用于高温炉的、基于膨胀石墨的管状或柱状绝缘体。
背景技术
专利申请FR2849651描述了一种绝缘结构，该结构包括一个以“紧密”压缩的膨胀石墨颗粒为基础的柔性层，其密度至少等于400kg/m3，和至少另一个低密度层，也以膨胀石墨为基础，其密度小于紧密层，通常小于400kg/m3。
同一专利申请还描述了绝缘结构的使用，用于通过将上述的绝缘结构卷绕成螺旋形而形成柱形零件。该技术的主要缺点在于，在卷绕后得到的柱承受热处理的过程中，这些层会分离。
在其它专利或专利申请中，如US6143601和US2004/0076810，也描述了该螺旋卷绕技术。
另外，专利申请FR2849651描述了一种制造方法，该方法除了卷绕步骤还包括使用弯曲技术，以制造具有上述绝缘结构的柱形部分。
发明内容
本发明的目的是同时解决多个问题，根据本发明的管状绝缘装置的制造方法使得可以同时得到：
-在可能超过1500℃的高温使用范围内具有高机械强度的装置；
-具有高的“绝缘能力/质量”比的装置；
-简单、经济的制造方法，因为使用单一并相同的技术，并且易于适应任何形状的管状装置。
现在，申请人实现了一种尤其用于高温炉的绝缘的管状绝缘装置的制造方法，通过绝缘结构的弯曲，使得可以得到管状的壁元件，然后在这些元件侧面粘接，并且将两层绝缘结构叠放，并使粘接的侧面错开，形成两个并置元件之间的连接。
在一个侧壁厚度为Ep、轴向长度为L的管状绝缘装置的制造方法中，提供具有二维结构的绝缘材料，其厚度EM＜Ep，例如EM最多等于0.5Ep，并且使所述绝缘材料重叠为N个所述绝缘材料层Ci，i从2到N，所述管状绝缘装置包括至少两个所述绝缘材料层C1和C2。
该方法的特征在于：
a)对于每层Ci，形成ni个在所述绝缘材料中预先切割的轴向绝缘元件Ei，使得所述ni个绝缘元件Ei能够在边对边的并置后并通过适当变形而形成所述层Ci；
b)通过以下步骤形成所述管状绝缘装置的毛坯：
b1)借助胶，最好在轴向成形芯轴上，一层接一层地，并从第一内层C1开始，沿多个连接区Ji组装每层Ci的边对边并置的ni个元件Ei，Ci+1层的元件Ei+1与Ci层的元件Ei错开，使多个连接区Ji+1与多个连接区Ji错开，因此最后得到具有大机械强度的管状绝缘装置；
b2)然后使所述胶聚合，以便使所述毛坯坚固；
c)使所述管状零件的毛坯经受热处理，以使所述胶碳化，并因此得到(如必要，在与所述芯轴分离后)所述管状绝缘装置。
该方法可以解决提出的问题。
实际上，申请人已发现，通过该制造方法得到的装置具有所要求的高机械强度，尤其是在工业环境中作为炉的绝缘衬套的使用，并且通过绝缘材料的恰当选择，其具有非常好的“绝缘能力/质量”比。
另外，由于不需要卷绕，该装置的制造简单，且能够应用于任何形状的管状装置，因为该方法包括绝缘元件的准备，例如通过将绝缘材料切割成带或片，然后可以使它们成形，然后通过胶进行组装，形成至少两层。因此，该方法只需要数量有限的工业设备，使其在经济的同时又具有很大的灵活性，以形成各种形状或尺寸的装置。
附图说明
所有的图都与本发明有关。
图1a-1g示意示出根据本发明的管状绝缘装置1的制造的不同阶段。
图1a以沿一横向平面的局部剖面示出用于形成所述绝缘元件4的厚度为EM的二维结构的绝缘材料2。
图1b和1c是在图1a的所述材料2中切割形成的平面绝缘元件4、4a的横剖面图，并分别用Ep1和Ep2表示，图1b的平面绝缘元件Ep1用于形成第一层C1的绝缘元件，其宽度l1小于图1c的用于形成第二层C2的绝缘元件的平面绝缘元件Ep2的宽度l2。
图1d和1e与图1b和1c类似，分别示出由图1b和1c的平面绝缘元件Ep1和Ep2弯曲形成的弯曲绝缘元件Ec1和Ec2。
图1f是毛坯5在垂直于其轴向11的平面中的横剖面图，毛坯由八个图1d和1e的弯曲绝缘元件Ec1和Ec2在两个层C1和C2上组装而形成(每层Ci有四个绝缘元件)，该组装通过在同一层Ci的弯曲元件4、4b之间的侧面60上的粘接进行，并通过在层C1和C2之间的层间粘接61，层C1和C2的定向使得第一层C1的轴向连接JA1与第二层C2的轴向连接JA2角度错开。
图1g是图1f的毛坯5的局部侧视图。
图2a与图1f类似，示出毛坯5、因此管状绝缘装置1的另一模式，也包括两层C1和C2，每层Ci包括三个绝缘元件4、4b。
图2b与图2a类似，示出毛坯5和装置1的另一模式，其中，层Ci的数量N等于3，每层Ci包括两个元件Ei。
图2c和2d是图2b的圆圈部分“c”和“d”的放大图，分别示出同一层Ci的弯曲元件4b之间的侧面60上的粘接，及两个相邻层Ci和Ci+1之间、即图2b的层C1与C2之间的层间粘接61。
图3a-3f示出装置1和相应毛坯5的不同形状的侧壁10。
图3a-3c涉及具有截面在整个轴向长度L上恒定的侧壁10的管1a。
图3a是侧壁10的侧视图，轴向连接区Ji30没有示出。
图3b和3c示出图3a的侧壁10的两个外横截面，图3b对应于外径为D的柱形壁，图3c对应于有六个平面的六边形壁，六边形的外截面内接在直径为D的圆中。
图3d-3f分别与图3a-3c相似，涉及截面在其轴向长度L上变化并且在一半高度上的平均外径为DM的管1b。
图3d示出截锥形的壁10的侧视图。
图3e示出圆形截面的情况，而图3f示出多边形截面(六边形)的情况。
图4a与图1g或图3a类似，示出称为大轴向长度L的装置1或毛坯5，其每个层Ci包括至少一个横向连接区JTi32，以便沿所述轴向方向11连接弯曲元件4、4b。内层C13a包括与外层C23b的唯一横向连接JT2轴向错开的两个横向连接JT1。
图4b是图4a的装置1的底视图。
图4c是沿通过所述轴向方向11的图4b的平面B-B的壁10的轴向剖面图。
图4d和4e以局部横剖面示出构成所述绝缘材料2并形成多层材料2a的以膨胀石墨为基础的材料的两个模式2′。
图4d示出包括两个膨胀石墨层的多层材料2a：一个“低密度”层20和一个“高密度”层21，高密度层21的厚度例如比低密度层20的厚度小至少两倍。
图4e与图4d类似，形成一个三层材料2，包括形成低密度层20的中间层23和形成两个高密度层21的两个外层22。
图4f是壁10的局部横截面图，壁包括从图4d的材料形成的两个层C1和C2，并通过层C1和C2之间的粘贴层61组装形成。如在图4f中看到的，高密度层21形成所述壁10的内表面和外表面。
图5a-5e示意示出同时使用成形芯轴7和成形模子8来制造毛坯5的不同视图。
图5a以立体图示出位于芯轴7上的两层C1和C2的绝缘材料2、2′。
图5b示出具有两个半壳80的成形模子8沿轴向方向11的剖面图，半壳80包含图5a的元件构成的整体，以便把所述层Ci(3)压缩在刚性芯轴与模子的金属半壳之间，因此使所述毛坯5具有预先确定的尺寸。
图5c以侧视图示出从模子出来的整体，由芯轴7和具有预先确定尺寸的毛坯5形成，图5d示出与图5e所示芯轴7分离的毛坯5。
具体实施方式
根据本发明，并如图1g和图4a所示，所述连接区Ji30可以包括一些轴向长度最多等于L的轴向连接区JAi31。
但是，如图4a和4c所示，所述连接区Ji 30可以包括横向连接区JTi32，以便得到称为大轴向长度L的管状绝缘装置1、1′。
相反，当不需要如图4a和4c所示沿所述轴向方向11连接元件4时，所述连接区Ji可以由轴向长度等于L的轴向连接区JAi31构成。
有利地，同一层Ci的ni个轴向预切割的绝缘元件Ei4可以相同，所述多个连接Ji形成所述多个轴向连接JAi31，所述ni个轴向连接JAi31相对于所述轴向方向11角度隔开一个360°/ni的角。但是，在制造构形比较复杂的“量身定做”的装置的情况下，可以使形状不同的绝缘元件4并置，以拼图的方式组装不同的零件，但是是在三维空间展开的表面上。
如图1f、2a和2b所示，层Ci3的数量N可以至少等于2。
绝缘元件Ei4的数量ni可以是对所述管状绝缘装置1的每一层Ci3而言都是一个相同的数n，n典型地随所述平均直径D而变化。
例如：
-对于D从286毫米到573毫米，n的值可以为2；
-对于D大于573毫米并小于907毫米，n的值可以为3；
-对于D至少等于907毫米，n的值可以为4。
如图1a-1f所示，在该方法的步骤b)之前，可以从所述ni个绝缘元件4，例如从ni个平面绝缘元件4a形成ni个弯曲绝缘元件4b，以便在与所述轴向方向11垂直的横向平面内具有一个曲率半径Ri，该曲率半径对应于相应的所述层Ci的曲率半径，所述半径Ri从一个层Ci到平均直径Di+1更大的下一个层Ci+1增加。
在根据本发明的方法中，并如图5a-5e所示，在所述步骤b2)时，所述毛坯5可以位于一个成形模子8中，模子例如包括两个半壳80，使得两个合并且封闭的半壳80保证所述毛坯5及最终的所述管状绝缘装置1的预先确定的并可复制的几何尺寸。
根据本发明，所述绝缘材料2可以是厚度EM为2-30毫米、并最好为5-20毫米的基于膨胀石墨的材料2′。
最好，如图4d和4e所示，所述基于膨胀石墨的材料2′可以是一个多层材料2a，其包括至少一个密度小于0.4g/cm3(400kg/m3)的低密度层20和至少一个密度至少等于0.4g/cm3的高密度层21。
所述高密度层21的密度可以从0.8g/cm3到1.2g/cm3，并且其中，所述低密度层20的密度从0.03g/cm3到0.2g/cm3。
如图4e所示，所述多层材料2a可以是一种“三层”材料2b，包括位于一个低密度的中心层23、20两侧的两个高密度的外层22、21。
有利地，为了得到高的“绝缘能力/质量”比，低密度的中心层20、30的厚度Ef可以比高密度的外层21、22的厚度Eh大至少两倍，并最好大至少三倍。
根据本发明，所述胶6可以包括热固树脂、如苯酚树脂，或热塑树脂，所述胶的形状为粉末或液体，所述胶有利地充填有石墨或碳黑导电粉末。
所述热处理可以包括温度至少为800℃、并最好至少为1000℃的焙烧。
所述热处理可以包括甲烷闪式热解的补充处理，以增加所述绝缘装置的坚固性。
另外，所述热处理可以包括净化所述绝缘装置的步骤，在该步骤中，所述绝缘装置被带到2000℃，以消除所有挥发元素。
最后，所述热处理后可以进行机加工。
如图3a-3c所示，所述管状绝缘装置1可以形成管1a，其截面在整个轴向长度L上恒定，所述截面为直径为D的圆形或椭圆形或多边形。
但是，如图3d-3f所示，所述管状绝缘元件1可以形成截面在轴向长度L上均匀变化的管1b，所述截面为平均直径为D的圆形或椭圆形或多边形。
例如，所述轴向长度L可以从0.1米到3米，所述厚度Ep可以从5毫米到80毫米，L/D或L/DM的比可以从0.5到5。
本发明的另一主题是通过本发明的方法得到的管状绝缘装置1。该管状绝缘装置1包括侧壁10，其厚度Ep从5毫米到80毫米，并且沿轴向方向11的轴向长度L从0.1米到3米，形成叠置的所述侧壁10由N个层Ci3的绝缘材料2构成，其中i从2到N。
该装置的特征在于：
a)每个层Ci3包括ni个由所述绝缘材料2构成的轴向绝缘元件Ei4，使得所述轴向绝缘元件Ei4沿多个连接区Ji30边缘40对边缘40′地并置；
b)两个相邻的层Ci和Ci+1借助胶6组装在一起，所述相邻的层Ci和Ci+1的相互定向使得所述层Ci+1的多个连接区Ji+1与所述层Ci的多个连接区Ji错开，这样，最终得到的所述管状绝缘装置1具有大的机械强度。
在该装置中，所述绝缘材料2可以是基于膨胀石墨、且厚度EM为2-30毫米并最好为5-20毫米的材料2′。
所述基于膨胀石墨的材料2′可以是多层材料2a，包括至少一个密度小于0.4g/cm3(400kg/m3)的“低”密度层20和至少一个密度至少等于0.4g/cm3的“高”密度层21。
所述高密度层21的密度可以从0.8g/cm3到1.2g/cm3，并且其中，所述低密度层20的密度为从0.03g/cm3到0.2g/cm3。
所述多层材料2a可以是一种“三层”材料2b，包括位于一个低密度的中心层20、23两侧的两个高密度的外层22、21。
所述低密度的中心层20、23的厚度可以比高密度的外层21、22的厚度大至少两倍，并最好大至少三倍。
例子
图1a-5e构成一些实施例。
为了实施本发明的方法，还制造了不具有旋转对称的复杂形状的装置，特别是在这种情况下，使用了信息手段，使得可以从输入到计算机存储器的所述装置的准确几何定义出发，确定每层Ci的多个绝缘元件Ei，以便使所有连接区30、31、32错开。
在绝缘元件不是简单形状并且不能进行规则、紧凑的铺设的情况下，使用信息手段优化这些元件的切割，并使绝缘材料的废料和损失最小化。
但是，可以回收利用这些废料，使它们均质化，并将它们以较低的百分比(最好＜10％)纳入在低密度层20中。
使用了不同类型的芯轴。芯轴覆有增滑剂，以便于毛坯5与芯轴7的分离。还使用了带有可收缩芯的芯轴，以进一步便于分离。
本发明的方法具有很大的优点。实际上，除了解决所提出的问题外，它还很容易进行自动化，并适应于装置1的任何构形，甚至是复杂形状。
标记表
管状绝缘装置          1
大轴向长度L的装置1    1′
截面恒定的管          1a
截面可变的管          1b
侧壁                   10
轴向方向               11
二维结构的绝缘材料     2
基于膨胀石墨的材料     2′
多层材料               2a
三层材料               2b
“低密度”层           20
“高密度”层           21
外层                   22
中心层                 23
装置1的层Ci            3
内层                   3a
外层                   3b
中心层                 3c
连接区Ji               30
轴向连接区JAi          31
横向连接区JTi          32
轴向绝缘元件Ei         4
平面绝缘元件EPi        4a
弯曲绝缘元件ECi        4b
并置边缘               40、40′
装置1的毛坯            5
胶                     6
侧边的边对边粘接区     60
层间粘接区             61
轴向芯轴               7
成形模子               8
模子的半壳             80

Claims (29)

1.管状绝缘装置(1)的制造方法，该装置包括厚度为Ep、轴向长度为L并具有一轴向方向(11)的侧壁(10)，在该方法中，提供厚度EM<Ep的二维结构的绝缘材料(2)，EM最多等于0.5Ep，并且使N层的所述绝缘材料(2)的层Ci(3)叠置，i为2至N，所述管状绝缘装置(1)包括至少两个所述绝缘材料(2)的层C1和C2(3)，其特征在于：
a)对于每个层Ci(3)，形成在所述绝缘材料(2)中预先切割ni个轴向绝缘元件Ei(4)，使得所述ni个绝缘元件Ei(4)能够在边缘(40)对边缘(40′)的并置并借助适当变形后形成所述的层Ci(3)；
b)形成所述管状绝缘装置(1)的毛坯(5)：
b1)借助一种胶(6)，一层接一层地，并从第一内层C1(3a)开始，沿多个连接区Ji(30)组装每层Ci(3)的边缘(40)对边缘(40′)并置的ni个元件Ei(4)，Ci+1层的元件Ei+1与更靠内的Ci层的元件Ei错开，使得多个连接区Ji+1与多个连接区Ji错开，这样，最终得到的管状绝缘装置(1)具有大的机械强度；
b2)然后使所述胶(6)聚合，以便使所述毛坯(5)坚固；
c)使管状零件的毛坯(5)经受热处理，以便使所述胶(6)碳化，这样得到所述管状绝缘装置(1)。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述连接区Ji(30)包括轴向长度最多等于L的轴向连接区JAi(31)。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述连接区Ji(30)包括横向连接区JTi(32)，以便得到称为大轴向长度L的管状绝缘装置(1、1′)。
4.如权利要求2所述的方法，其中，所述连接区Ji由轴向长度等于L的轴向连接区JAi(31)构成。
5.如权利要求4所述的方法，其中，同一层Ci的预切割的ni个轴向绝缘元件Ei(4)相同，所述多个连接区Ji形成所述多个轴向连接区JAi(31)，ni个轴向连接区JAi(31)相对于所述轴向方向(11)角度隔开一个360°／ni的角。
6.如权利要求1至5之一所述的方法，其中，层Ci(3)的数量N至少等于2。
7.如权利要求6所述的方法，其中，绝缘元件Ei(4)的数量ni为对于所述管状绝缘装置(1)的每个层Ci(3)而言都相同的一个数n，n典型地随所述管状绝缘装置的平均直径而变化。
8.如权利要求1至5之一所述的方法，其中，在步骤b)之前，从ni个绝缘元件(4)出发形成ni个弯曲绝缘元件(4b)，以便在与所述轴向方向(11)垂直的横向平面内具有一个曲率半径Ri，该曲率半径对应于相应的所述层Ci的曲率半径，所述半径Ri从一个层Ci到平均直径Di+1更大的下一个层Ci+1增加。
9.如权利要求1至5之一所述的方法，其中，在所述步骤b2)，所述毛坯(5)位于成形模子(8)中，模子包括两个半壳(80)，以便两个合并且关闭的半壳保证所述毛坯(5)及最终的所述管状绝缘装置(1)的预先确定并可复制的几何尺寸。
10.如权利要求1至5之一所述的方法，其中，所述绝缘材料(2)是厚度EM为2至30毫米的基于膨胀石墨的材料(2′)。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述基于膨胀石墨的材料(2′)是一多层材料(2a)，包括至少一个密度小于0.4g／cm3(400kg／m3)的“低”密度层(20)和至少一个密度至少等于0.4g／cm3的“高”密度层(21)。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述高密度层(21)的密度从0.8g／cm3到1.2g／cm3，所述低密度层(20)的密度从0.03g／cm3到0.2g／cm3。
13.如权利要求11或12所述的方法，其中，所述多层材料(2a)是一种三层材料(2b)，包括位于一低密度的中心层(23、20)两侧的两个高密度的外层(22、21)。
14.如权利要求13所述的方法，其中，低密度的中心层(20、23)的厚度Ef比高密度的外层(21、22)的厚度Eh大至少两倍。
15.如权利要求1至5之一所述的方法，其中，所述胶(6)包括热固树脂或热塑树脂，所述胶呈粉末状或液体状，所述胶填充有石墨或碳黑导电粉末。
16.如权利要求1所述的方法，其中，所述热处理包括温度至少为800℃的焙烧。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述热处理包括甲烷闪式热解的补充处理，以增加所述绝缘装置的坚固性。
18.如权利要求16或17所述的方法，其中，所述热处理包括所述绝缘装置的净化步骤，其中，所述绝缘装置被带到2000℃，以消除所有挥发元素。
19.如权利要求1至5之一所述的方法，其中，管状绝缘装置(1)形成截面在轴向长度L上恒定的管(1a)，所述截面是直径为D的圆形或椭圆形或多边形。
20.如权利要求1至5之一所述的方法，其中，所述管状绝缘装置(1)形成截面在轴向长度L上均匀变化的管(1b)，所述截面是平均直径为DM的圆形或椭圆形或多边形。
21.如权利要求1至5之一所述的方法，其中，所述轴向长度L为从0.1米到3米，所述厚度Ep为从5毫米到80毫米。
22.如权利要求19所述的方法，其中，L／D的比为0.5-5。
23.如权利要求20所述的方法，其中，L／DM的比为0.5-5。
24.通过权利要求1至23之一所述的制造方法得到的管状绝缘装置(1)，该装置包括厚度Ep为5毫米-80毫米、轴向长度L为0.1米-3米并具有一轴向方向(11)的侧壁(10)，形成叠置的所述侧壁(10)由多个N层Ci(3)的绝缘材料(2)形成，其中i为2-N，其特征在于：
每个层Ci(3)包括多个数量为ni的所述绝缘材料(2)的轴向绝缘元件Ei(4)，使得所述轴向绝缘元件Ei沿多个连接区Ji(30)进行边缘(40)对边缘(40′)的并置；
两个相邻的层Ci和Ci+1借助胶(6)组装在一起，所述相邻的层Ci和Ci+1的相互定向使得所述层Ci+1的多个连接区Ji+1与所述层Ci的多个连接区Ji错开，这样，最终得到的所述管状绝缘装置(1)具有大的机械强度。
25.如权利要求24所述的装置，其中，绝缘材料(2)是基于膨胀石墨、且厚度EM为2至30毫米的材料(2′)。
26.如权利要求25所述的装置，其中，所述基于膨胀石墨的材料(2′)是一多层材料(2a)，包括至少一个密度小于0.4g／cm3(400kg／m3)的“低”密度层(20)和至少一个密度至少等于0.4g／cm3的“高”密度层(21)。
27.如权利要求26所述的装置，其中，所述高密度层(21)的密度从0.8g／cm3到1.2g／cm3，所述低密度层(20)的密度从0.03g／cm3到0.2g／cm3。
28.如权利要求26或27所述的装置，其中，所述多层材料(2a)是一种三层材料(2b)，包括位于一个低密度的中心层(20、23)两侧的两个高密度的外层(22、21)。
29.如权利要求28所述的装置，其中，低密度的中心层(20、23)的厚度Ef比高密度的外层(21、22)的厚度Eh大至少两倍。
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