CN1082015A - 耐火结构表面处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出高温下，尤其是陶瓷熔接操作中耐火 结构表面清洁方法，其中向该表面喷射含氧载气中带 燃料颗粒的粉末物流，从而使载气中的燃料颗粒和氧 气在该表面上的反应区中反应，并同时向该表面喷 射包括氧气的擦洗气流，而且擦洗气流的排出速度优 选高于粉末物流的排出速度，以在反应区附近对该 表面进行擦洗。

Description

本发明涉及耐火结构清洁方法，可特别作为受损耐火结构的修复步骤。

各种耐火结构如冶炼炉，焦化炉和玻璃熔炉在其工作寿命期间有可能变脏，被腐蚀或受损。

例如受损可表现为一或多块耐火砖从主体结构上滑落下来，导致表面不平整或表现为耐火结构出现裂纹。一般要求再恢复耐火结构的设计表面并要求防止耐火砖进一步滑落和填充砖滑移或出现裂纹而留下的缝隙。为达到这些目的，就必须或要求切除耐火结构的任何凸现部分。另一方面，又必须或要求在已滑动砖中和/或邻近砖中切出键槽，在其中形成或插入楔以防止进一步滑落。此外，还可能要求或必须将滑落留下的缝隙或裂口增大或成形以形成或插入适当填塞。

受损也可能由于耐火结构的材料被腐蚀引起的，腐蚀有可能导致结构表面不平整，因此，因此常要求在修复结构之前改善该表面构型。

耐火结构可能受污染并被粘结到其表面上的物料如渣，玻璃，矿物残渣，硫化物和硫酸盐腐蚀。

耐火结构当然可用机械办法清洁，如喷高压气体或液体，吹砂或超声波处理。在某些情况下，这种物料可升发或燃烧，那就可用火炬清洁（如在焦化炉情况下）。在其它情况下，必须涂装或矫正表面，那就可用例如切削轮，鼓或其它工具，但对于耐火结构后续修复而言，所有这些工艺都存在一些缺点。为了清洁耐火结构或设备，使表面宜于高质量生产或后续修复，操作人员常常必须离待清洁地点尽可能近，这意味着该地点在清洁所需时间内必须处于操作人员能承受的温度下，而这又意味着耐火结构必须从其正常操作温度或处于其操作温度正常工作循环范围内的温度冷却下来，但在清洁和修复后必须再加热。在各种工业炉情况下，为避免炉因其耐火材料收缩或膨胀而受损，则冷却和再加热日程可能必须持续几天或几星期，致使该炉生产损失相当严重。

英国专利说明书GB    2213919-A（Glaverbel）说明了高温耐火结构涂装方法，其中带有含一或多种可氧化成一或多种耐火氧化物的元素的颗粒（下称“燃料颗粒”）混合物的可燃气流喷向待修复地点并使燃料颗粒燃烧，该混合物还含助熔剂如氟化物或碱金属盐，其作用是使耐火结构在燃料颗粒燃烧释放的热作用下软化，使该结构在冲击气流的机械作用下通过其材料去除或置换而达到涂装目的。

GB    2213919-A的方法仅简单用于耐火结构修边或在其中切口，该方法可作为某些耐火结构修复工艺的初始步骤，尤其是用于本身可在或接近耐火结构正常操作温度下进行的修复工艺。

这种修复工艺之一已知为陶瓷瓷熔接方法，已见于英国专利No.1330894和GB    2170191A（均属于Glaverbel），这些陶瓷熔接方法是在表面上形成粘结耐火材料层，其中向表面喷射耐火颗粒和燃料颗粒的混合物以及氧。所用燃料颗粒组成和粒度应使其与氧发生放热反应而形成耐火氧化物并释放出至少使被喷射耐火颗粒表面熔融所需热量。

在陶瓷熔接方法中，耐火材料颗粒和燃料颗粒的混合物（“陶瓷溶接粉末”）沿进料管线从粉贮罐送到喷枪（lance）中，再从该喷枪向目标表面喷射。与瓷陶瓷熔接粉末一起离开喷枪出口的气本（“载气”）可为纯（工业级）氧气或可含一部分基本上惰性气体如氮气或其它某些气体。

现已发现，按GB    2213919-A处理耐火火结构时，该结构表面组成已改变，原因是并不是所有软化物料均从该表面去除了，并且软化物料包括涂装操作中所喷物料。若要求表面无外来物料，就必须采用另一方法。此外，助熔剂可仍留在被处理表面上，而由于耐火结构表面上存在助熔剂，所以后续陶瓷熔接过程中可进行修复的功效就减弱了并且与耐火结构粘结性不好，如在高温下应用的高品位耐火材料情况下即如此。

本发明目的是提出耐火结构清洁方法，其中无需将结构从其正常操作温度下冷却下来，因此无需冗长的冷却和再加热时间，不会大量留下任何剩余外来物料。

本发明提出耐火结构高温下进行表面清洁的方法，其中包括向该表面上喷射含氧载气中带燃颗粒的可燃气流（下称“粉末物流”），从而使燃料颗粒在该表面上的受冲击区（下称“反应区”）中燃烧，其特征是同时或另外向该表面上喷射包括氧气的擦洗物流以在反应区附近擦洗该表面。

颗粒燃烧产生的热量使表面或粘在上面的物料熔融并且擦洗气流冲洗掉熔融物料。

因此本发明提出耐火结构清洁方法，其中不要求采取使结构从其正常操作温度大幅度并小心翼翼冷却下来的积极步骤，从而避免了长时间的冷却和再加热过程并避免或缓解了引起耐火材料收缩或膨胀的问题。“清洁”指在要求耐火结构面积上去除物料以及必要时去除一些耐火材料本身。因此在这种情况下，“清洁”也指本专业所称的“涂装”，如常可这样操作，即并不要求经过构成耐火结构的物料膨胀测定曲线上的任何过渡点将耐火结构冷却和再加热。的确，耐火结构温度越高，本发明方法越有效，其中优选耐火结构表面温度高于700℃，尤其是高于1000℃。

该方法的一大优越性是易于清洁相当高品位的耐火材料和/或处于高温，但就其耐火原料品位的最高可允许操作温度而言仍是低温的结构。

可喷射各种含氧气体形成要求的擦洗气流，优选气体根据情况确定。尽管可将氧气与二氧化碳或氮气混合形成擦洗气流，但本发明优选方案中擦洗气流主要由氧气组成。优选用工业级氧气：这种氧气无论如何可用作载气，并且就应用目的而言是极其有效的。由于擦洗气流包括氧气，所以可在反应区避免燃烧息火，并且这可促进所用燃料颗粒完全燃烧。但应注意到，载气本身常含至少足以使燃料基本上完全燃烧的氧气。

可方便地从普通喷枪向该表面喷射粉末物流和擦洗气流，其中气体可冲撞在反应区本身上面，但优选是冲在其邻近区域。当喷枪在表面上移动时，擦洗气体冲击区优选立即紧随反应区。擦洗气流优选包括多股绕粉末物流的分散物流。气流同时或分别喷射，如喷枪在待清洁表面上来回移动时，则紧随粉末物流的擦洗气流可开启，而同时在粉末物流前面的相对擦洗气流就关掉。从一或多个粉末出口附近设置的喷枪的多个出口喷射擦洗气流可方便地形成多股分散气流。

擦洗气流可连续或间隙喷向耐火结构表面，而粉末物流连续供给。

擦洗气流的排出速度大于载气的排出速度，这样可使反应区中物流呈湍动型态。

擦洗气流优选为冷气流，其中用冷气喷向要求达到尽可能高的温度以使耐火材料熔融的反应区是惊人的，因为可以预料的是冷气使熔融物流固化，而不是去掉。

除擦洗气流而外，可将含氧载气中包括燃料颗粒的粉末物流喷向耐火结构表面。

可用各种元素作燃料，尤其是用可产生耐火氧化物的元素，从而消除妨碍被处理表面耐火性的危险。因此燃料可选自镁和锆，但优选燃料颗粒包括铝和/或硅颗粒，因为这些元素可在效率，难易程度以及应用安全性和费用方面达到良好的平衡。特别优选采用铝和硅颗粒的混合物，更优选为含硅量大于含铝量的混合物。更易于点燃的铝可保持硅燃烧且产生的组合热足以达到要求用量的反应区。本发明优选方案中由可在该表面上与氧气反应而形成其化学组成对应于耐火结构的化学组成的物料制成燃料颗粒。

在可燃气流中的颗粒粒度对耐火结构清洁过程中进行燃烧反应的方式具有极重要的影响。

该燃料颗粒平均粒径优选不大于50μm，更优选不大于30μm，并且优选至少80%该燃料颗粒粒径小于50μm，更优选小于30μm。

同于常见陶瓷熔接技术领域，本文中“平均粒径”指50wt%的颗粒粒径小于该平均粒径的粒径。

粉末物流中常含除燃料颗粒而外的颗粒，一般为耐火氧化物颗粒，这些颗粒的存在可提高流体质量并促进其流动，尤其是在存在助熔剂时是如此。而且，这些其它颗粒增大粉末物流对耐火结构的冲击带来的机械侵蚀作用。这也可在操作时应用其组成类似于用于耐火结构后续陶瓷熔接修复的粉末组成的粉末混合物，因此优选用可用于后续陶瓷熔接操作的物料，从而减少要求原料量。为了减少因耐火结构和熔接沉积之间的界面上出现不同热膨胀或收缩而可能带来的问题，一般要求结构表面和熔接沉积物的化学组成非常相近，使沉积物质和结构间具有化学相容性。为了促进粘结和相容，优选使所说耐火氧化物颗粒包括至少大部分为耐火结构组分的颗粒。

本发明优选实施方案中耐火颗粒选自铝，铬，镁，硅和锆中至少一种的氧化物。

耐火氧化物颗粒的最大粒径优选不大于4mm，更优选至少80wt%耐火氧化物颗粒的粒径小于2μm。

加入粒状混合物中的最佳燃料颗粒量取决于操作条件。对于给定耐火结构操作温度，则耐火材料品位越高，要求加入的燃料量一般就越大。同样，对于给定耐火材料，则清洁地点操作温度越低，要求加入的燃料量就越多。用于清洁的混合物中的燃料含量一般比用于陶瓷熔接的混合物中的燃料含量大。

粉末物流一般可含至少20wt%燃料颗粒，以其固体含量计，这代表了被加入的燃料量和被清洁地点反应区必须维持的时间长短之间的令人满意的折衷方案。当然，应注意到低温下用高品位耐火材料操作要求更多燃料，而高温下用低品位耐火材料操作可要求更少的燃料。

一般来说，我们发现，为达到令人满意的清洁效果，要求在被喷射混合物中加入足够的燃料，可高达30wt%，不过有利的是该燃料颗粒量不超过被喷射颗粒混合物的30wt%，这在经济上有好处，因为燃料颗粒为被喷射混合物中的最昂贵部分。而且，我们发现，加过量的燃料也可能不必要地带来危险，即进行的反应有可能向后蔓延到喷射装置内。

粉末混合物可能含有除燃料或耐火物料以外的物料颗粒，如过氧化物或助熔剂，尤其是上述GB    2213919-A提到的助熔剂。若要求清洁和涂装，这就很有利。

本发明方法所用适当喷枪包括一或多个粉末物流出口以及一个或多个擦洗气出口，从而可在与粉末物流基本平行的方向上排出擦洗气。优选方案中设置大量分散的擦洗气出口，其排列方式可使大量的分散擦洗气流围绕粉末物流。有了这一特征，擦洗气体就会在反应区附近冲击耐火结构表面。由于喷枪在耐火结构表面上移动，所以擦洗气就清洁了反应区中已加热的表面。

在本发明一些优选方案中气流从用循环流体冷却的喷枪中射出，其中给喷枪装冷却夹套即可达到这种冷却。这种冷却夹套可围绕进料粉末物流中心管，而其本身又被擦洗气传送通道包围，另一方面可有水套围绕喷枪的所有排气管。在每种情况下，排出的擦洗气体温度，一般来说并且考虑到基本上在其操作温度下修复炉子时，大大低于炉内环境温度，而且可处于极类似于载气温度的温度下。

宜用于本发明方法的喷枪很简单，易于在载体气流冲击区域附近形成擦洗气体并且易于夹带从粉末出口排出的粉末。

喷枪的一些优选方案主要考虑到维持少量至中等规模或必须清洁大型炉子，而清洁所能利用的时间又不关键的情况，并且颗粒可从具有直径为8-25mm的单一载气出口的喷枪喷出，这种出口的横截面积因此为50-500mm²。这种喷枪宜以30-300kg/h的速度喷射粉末，因此也可在相同条件下用于陶瓷熔接，其中调节粉末组成。擦洗气流的出口直径优选5-10mm，小于粉末物流出口直径。

喷枪的其它优选方案主要考虑到必须在短时间内完成大规模修复，并且颗粒从横截面积为300-2300mm²的载气出口的喷枪喷出。这种喷枪宜用于以最高1000kg/h或更高的速度喷粉末并且也可用于陶瓷熔接。若不形成大量分散的擦洗气流，则可用绕粉末物流的环弧形擦洗气流。

擦洗气流也可以与粉末物流出口孔中心线平行的线上形成的孔中喷出，如在喷枪具有宜处理大表面的梳状结构时即如此。但擦洗气流优选从一组绕中心喷粉出口的喷孔中排出，这种形式简单并且重量轻。

喷枪可为直的，也可为易用于有限空间的形状。

本发明还提出陶瓷熔接方法，其中在熔接部位地点形成粘在耐火结构上的粘结耐火层，办法是向熔接地点喷射带燃料颗粒和耐火氧化物颗粒的混合物的粉末物流，并让燃料颗粒燃烧而至少使耐火氧化物颗粒表面软化或熔融以便形成粘在所说结构上的粘结耐火层，其特征在于在初步处理步骤中，采用本文所述耐火结构清洁方法对熔接地点进行清洁。

一般来说，建议在存在高浓度的氧如商品级氧作为载气的情况下喷射颗粒。由于陶瓷熔接反应区温度高，所以可使耐火材料颗粒达到足够程度的熔融或软化，因此可形成具有良好耐火性材料层。

陶瓷熔接方法的特殊优点在于，这些方法可在耐火结构上进行，而同时又能保持耐火结构的正常操作温度。这样带来的好处是显而易见的，被修复结构的“停工时间”，如因耐火结构的热收缩和膨胀带来的问题可降低到最低限度。在耐火结构操作温度附近的温度下进行熔接还有控制形成熔块质量的优越性。这种熔接反应似乎能够使结构表面软化或熔融，从而使处理表面和新形成耐火熔接层之间达到良好的联结。

的确特别方便的是让陶瓷熔接步骤中喷射的颗粒混合物具有基本上与耐火材料清洁步骤中喷射的材料相同的组成，只是在陶瓷熔接步骤中降低燃料量。因此例如，耐火材料清洁步骤中喷射的粒状材料即可仅将适当量的燃料颗粒加入一定量的陶瓷熔接步骤所用的相同组成颗粒混合物中即可制成。

以下以仅作为举例的实施例详述本发明，其中参照附图：

图1为宜用于本发明的喷枪部分剖面示意图和

图2为图1所示喷枪出料端示意图。

图中喷枪5的喷头4包括喷射含有分散在载气中的燃料颗粒的粉末物流的中心出口6。若不用单一中心出口6，则喷枪可包括几个粉末物流的出口。包括一组这种出口的喷枪已见于Glaverbel的英国专利说明书No.2170122。本发明喷头4中包括擦洗气喷射装置。在图示方案中，擦洗气流喷射装置包括4个出口8，成一组围绕中心出口6以喷射出基本上分散开的擦洗气流。分散在载气中的颗粒混合物经供料管10引入，而擦洗气体的氧气经管道11喷入。喷枪5还包括带冷水出入口的外部水夹套12。

实施例1

在玻璃熔炉中，含锆耐火材料如“Zac”板块需修复，该耐火材料大致组成为10-15%二氧化硅，40-55%氧化铝和30-45%氧化锆，其中的砖被严重侵蚀，在修复前需清洁。

陶瓷熔接组合物为颗粒混合物，其组成如下（重量份）

Si    15

Al    10

稳定氧化锆    30

α-氧化铝（金刚砂）    45

硅和铝燃料颗粒的公称最大粒径小于45μm，硅的平均粒径6μm，铝的平均粒径5μm，氧化锆的平均粒径150μm，而氧化铝的平均粒径100μm。

分散在氧气中的颗粒混合物用如图1所示喷枪5喷射，板块温度约1400℃，混合物经供料管10引入，而中心粉末出口6为环形，直径12.5mm。混合物与氧气一起喷射，前者速度30kg/h，后者速度30Nm³/h。包括颗粒混合物和氧化气体的载气流在冲撞区冲击被处理表面。本发明中该表面上也喷射擦洗气流，在绕冲撞区的附近区域冲洗该表面。该例中擦洗气流由经出口8喷出的氧气构成，其压力10巴。4个出口8均具有环状截面，直径5mm。在被清洁表面区域喷射粉末物流和4股擦洗气流后只断续喷射氧气使表面平滑即可开始进行该工艺。

耐火结构这样清洁后改变粉末物流，其中将铝量降为4wt%，硅量降为8wt%并相应提高氧化锆和氧化铝量。关掉擦洗氧气流后按要求通过陶瓷熔接工艺修复结构。因此，耐火结构的清洁及其陶瓷熔接可用相同喷枪完成，而不需要在这些步骤之间从炉中移出喷枪。

实施例2

在铝生产炉中，用包括30%铝和70%氧化铝的粉末物流清洁1000℃氧化铝耐火结构，其条件同于实施例1。

实施例3

该例中在两批料之间的短暂停工期间处理炼钢炉，其中耐火结构由碱性材料（MgO）制成，应用大出料量喷枪。粉末物流出料孔直径37.5mm，并且喷枪排料速度为1吨粉/h，耐火结构表面处于1400℃。

清洁时包括熔化和清除渣。

粉末组成为：

MgO    2mm最大    75%

Si    45μm最大    15%

Al    45μm最大    10%

擦洗气流为氧气，压力10巴，经多个直径5mm的孔引入，各孔的位置可使各物流联合成平面物流形态。然后用同一喷枪（不用擦洗气体）修复被清洁表面，其中粉末组成如下：

MgO    82%

ZrO₂10%

Mg/Al合金    5%

Al    3%

该粉末已见于英国专利说明书No.2234502-A（Glacerbel&Fosbel    International    Ltd.）。

Claims (13)

1、耐火结构高温下进行表面清洁的方法，其中包括向该表面上喷射含氧载气中带燃料颗粒的可燃气流(下称“粉末物流”)，从而使燃料颗粒在该表面上的受冲击区(下称“反应区”)中燃烧，其特征是同时或另外向该表面上喷射包括氧气的擦洗物流以在反应区附近擦洗该表面。

2、权利要求1的方法，其中该表面温度高于700℃。

3、权利要求1或2的方法，其中擦洗气流排出速度高于粉末物流的排出速度。

4、上述任一权利要求的方法，其中擦洗气流包括绕粉末物流的多股分散物流。

5、上述任一权利要求的方法，其中擦洗气流压力至少7巴。

6、上述任一权利要求的方法，其中擦洗气流为冷气流。

7、上述任一权利要求的方法，其中粉末物流还包括耐火氧化物颗粒。

8、权利要求7的方法，其中粉末物流还包括至少20wt%的燃料颗粒，以其中固体含量计。

9、上述任一权利要求的方法，其中燃料颗粒由可在该表面上与氧气反应而形成化学组成对应于耐火结构化学组成的耐火氧化物的材料构成。

10、上述任一权利要求的方法，其中粉末混合物含助熔剂。

11、上述任一权利要求的方法，其中擦洗气流主要由氧气构成。

12、上述任一权利要求的方法，其中粉末物流和擦洗气流从普通喷枪排出后喷向该表面。

13、陶瓷熔接方法，其中在熔接地点形成粘在耐火结构上的粘结耐火层，方式是向熔接地点喷射带燃料颗粒和耐火氧化物颗粒的混合物粉末物流并且让燃料颗粒燃烧而至少使耐火氧化物颗粒表面化花或熔融以便形成粘在所说结构上的粘结耐火层，其特征在于在初步处理步骤中，采用上述任一权利要求所述方法对熔接地点进行清洁。