CN1688521A

CN1688521A - 生热材料和装置

Info

Publication number: CN1688521A
Application number: CNA038241781A
Authority: CN
Inventors: D·T·摩尔; M·A·英格; V·米勒
Original assignee: ARIK INTERNATIONAL Inc
Current assignee: ARIK INTERNATIONAL Inc
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2003-09-10
Publication date: 2005-10-26
Also published as: AU2003267134A1; MXPA05002789A; CA2498674A1; US20040048058A1; WO2004061374A3; WO2004061374A2; KR20050050655A; BR0314103A; EP1539656A2; RU2005110923A

Abstract

可燃固体材料包括产生熔融金属的材料，以及用于在被点燃时维持其形状的其它材料。产生熔融金属的材料可以包括产生金属的反应混合物，例如包括含还原剂和金属化合物粉末的反应混合物。其它材料可以包括粘合剂，以及储热材料，例如沙子。可燃固体材料的成分可以被压在一起并进行干燥，以生成固体的、可加工的、生热材料(热块)，该材料可以形成为任意形状。可以在可燃固体材料的一个或多个侧面上设置例如陶瓷毯(blanket)材料的隔热材料，例如用于在一个或多个期望的方向上导引由固体材料的反应产生的热。固体材料可以被用在期望集中加热的任何情况下。

Description

生热材料和装置

本申请根据35 USC 119(e)要求在2002年9月11日提交的美国临时申请No.60/409,823的权利，这里通过引用将其全部内容包含在内。

技术领域

本发明一般地涉及生热装置和材料，更具体地涉及通过放热化学反应产生热量的装置和材料。

相关领域背景

在很多操作和环境中都需要加热。通常，在为焊接或其它连结工艺做准备时，需要对将被连结的金属部分进行加热，例如用于去潮或除去杂质。这种加热一般是通过对金属材料应用焊炬或其它火焰来实现的。用焊炬或其它火焰加热具有几个潜在的缺点——可能需要大量的能量；可能难以控制加热的程度和/或难以重复获得相同的加热程度；可能对物体的一些部分造成与加热相关的损坏，所述一些部分包括对于实现焊接或其它连结工艺来说没有必要被加热的部分；可能要占用操作者很长的时间来指导和监视加热操作；和/或对于某些环境可能不适用，例如在使用明火将很危险或者有其它不适合地方的情况。

因此，应该理解需要实现对物体进行加热的改进的方式。此外，应该理解存在很多种情况，在这些情况下期望生热装置有所改进。

发明内容

根据本发明的一个方面，生热装置包括进行放热反应以产生熔融金属的材料，同时装置维持其形状。

根据本发明的另一个方面，固体材料包括用于放热产生熔融金属的反应物，以及储热材料。

根据本发明的另一个方面，固体材料包括用于放热产生熔融金属的反应物，以及粘合剂。

根据本发明的另一个方面，固体材料包括用于放热产生熔融金属、同时维持材料基体的反应物。

根据本发明的另一个方面，可燃固体材料包括产生金属的反应混合物；储热材料；以及粘合剂。产生金属的反应混合物包括还原剂；以及金属化合物粉末。

根据本发明的另一个方面，生热装置包括产生金属的可燃固体材料；以及覆盖固体材料外表面的至少一部分的隔热材料。

根据本发明的另一个方面，加热物体的至少一部分的方法包括如下步骤：将可燃固体材料放到物体上；使固体材料发生化学反应以放热产生熔融金属；以及，使用由化学反应产生的热来加热物体的至少一部分。在化学反应期间，熔融金属被留在固体材料中。

为了实现上述和相关各方面，本发明包括在下文中充分描述、并且在权利要求中特别指出的特征。下面的描述和附图详细阐明了本发明的某些说明性实施例。这些实施例是对可以使用本发明原理的各种方式中一部分的说明。从下面结合附图对本发明的详细描述中，本发明的其它目的、优点和新特征将变得很清楚。

附图的简要描述

附图未必是按比例画出的，在附图中：

图1是根据本发明的可燃固体材料块的等角投影视图；

图2是图1的块在其上具有放热点燃材料的等角投影视图；

图3图示了通过使用点燃枪或其它火花产生装置可以点燃的图2的材料的构造；

图4图示了图2的材料的构造，具有箔片点燃器；

图5是示出了根据本发明的部分隔热的生热装置顶部的等角投影视图；

图6是示出了图5的装置底部的等角投影视图；

图7是示出了将图5和图6的装置用于加热钢轨的等角投影视图；

图8是示出了根据本发明的具有内置放热点燃材料的、部分隔热的生热装置顶部的等角投影视图；

图9是示出了图8的装置底部的等角投影视图；

图10是图8的装置的横截面视图；

图11是图示了制造图8和图9的装置的第一步骤的等角投影视图；

图12是图示了制造图8和图9的装置的第二步骤的等角投影视图；

图13是图示了制造图8和图9的装置的第三步骤的等角投影视图；

图14是示出了图8至10的装置的另外的实施例的等角投影视图，具有内置点燃器；

图15是根据本发明，用于熔化金属块(slug)的另一种生热装置的等角投影视图；

图16是图示了在使用本发明的可燃固体材料的另一个工艺中的步骤的等角投影视图，该步骤是加热物体的一部分；以及

图17是在加热物体的一部分的工艺中另一个步骤的等角投影视图。

详细描述

可燃固体材料包括产生熔融金属的材料，以及用于在被点燃时维持其形状的其它材料。产生熔融金属的材料可以包括产生金属的反应混合物，例如包括含还原剂和金属化合物粉末的反应混合物。其它材料可以包括粘合剂，以及储热材料，例如沙子。可燃固体材料的成分可以被压在一起并进行干燥，以生成固体的、可加工的、生热材料(热块)，该材料可以形成为任意形状。可以在可燃固体材料的一个或多个侧面上设置例如陶瓷毯(blanket)材料的隔热材料，例如用于在一个或多个期望的方向上导引由固体材料的反应产生的热。固体材料可以被用在期望集中加热的任何情况下。这种情况可以包括由于安全或其它原因，使用明火将是不切实际的情况。固体材料使用的一个实例是烘干轨道。

现在参照图1，示出了可燃固体材料块10。可燃固体材料是在被点燃时进行生热化学反应的材料。化学反应是产生熔融金属的反应，会释放大量的热。虽然如此，块10在反应的整个过程中保持其固体特性。块10基本上保持相同的形状，并且它基本上保留其所有材料，即使在块10的材料进行化学反应时也是如此。即，即使在块10的反应中产生熔融金属，该材料也保留在块内。因此，块10包括保持结构、并吸收化学反应的热的材料基体。

可燃固体材料包括产生金属的反应混合物，吸收并保留由产生金属的反应混合物产生的热的储热材料，以及辅助维持固体材料形状的粘合剂。

产生金属的反应混合物包括金属化合物粉末和还原剂。金属化合物粉末可以包括金属氧化物或金属硫化物。合适的金属氧化物包括过渡金属氧化物，例如铁的氧化物(磁铁矿(Fe₃O₄)、赤铁矿(Fe₂O₃)和/或FeO)，铜的氧化物(氧化铜(CuO)和/或氧化亚铜(Cu₂O))，二氧化锰(MnO₂)，和二氧化钛(TiO₂)，以及它们的组合。合适的金属硫酸盐包括II族金属硫酸盐，例如硫酸镁(MgSO₄)，硫酸钙(CaSO₄)，或硫酸钡(BaSO₄)，以及族I金属硫酸盐，例如硫酸锂(Li₂SO₄)，硫酸钠(Na₂SO₄)，或硫酸钾(K₂SO₄)。应该理解可以使用许多其它的合适的金属化合物。

还原剂可以是还原金属粉末，例如铝粉末或铜粉末，或者两者的组合。

广泛地讲，反应可以如下进行：

具体而言，当磁铁矿作为金属化合物粉末，而铝作为还原剂时，反应如下进行：

在没有添加其它材料时，产生金属的反应混合物的反应当然将只产生熔融金属和所伴随的副产物，例如熔渣或其它浮渣。为了保持固体材料块10的完整和形状，其它材料是必需的。这些额外的材料包括粘合剂以及能够保留固体材料的热的材料(储热材料)。粘合剂和储热材料在整个反应工艺期间提供并保持固体材料的基体结构。此外，额外的材料影响固体材料加热的持续时间，而储热材料允许来自材料的热能的受控热传递速率。此外，在固体材料的混合、压制、干燥和/或加工过程中，粘合剂可能便于使其它成分保持在一起。

合适的粘合剂包括硅酸钠和氢氧化钾。应该理解可以使用许多其它的材料作为粘合剂，例如合适的淀粉、树脂、胶和难熔粘合剂。

合适的储热材料的实例是二氧化硅(SiO₂)，也称为沙子，但是应该理解作为替换可以使用具有适当低热导率的许多其它的材料。

可以向上述成份中加水来产生浆料，该浆料可以被压制和干燥以产生例如块10的固体材料。在下面的表格中给出了浆料配方的具体实例：

成份	重量百分比
成份	重量百分比	铁的氧化物	49.0
铝	15.2	铁的氧化物	49.0
铝	15.2	沙子	29.0
硅酸钠	3.4	沙子	29.0
硅酸钠	3.4	水	3.4

更广泛地讲，浆料可以具有约33～56％的铁的氧化物，约13～22％的铝，约18～36％的沙子，约2～8％的硅酸钠，以及约3～12％的水。

可以通过将上述成份的浆料混合在一起，然后将浆料倾倒或者放到模具中，或者将材料形成为期望的形状，来制备块10。然后，浆料可以被压制和/或干燥以产生成形的固体材料，例如块10。

一旦固体材料被干燥，就可以对其进行加工，例如使其包括凹入部分和/或对其形状做其它改变。

可燃固体材料，例如块10，可以通过各种合适方法中的任意一种来点燃。固体材料的点燃类似于在生产熔融金属中使用的、例如在Erico的CADWELDG工艺中使用的放热反应粉末的点燃。这种放热反应粉末一般包括还原材料，例如铝，以及过渡金属氧化物，例如铜或铁的氧化物。但是，除了还原材料和金属化合物之外，块10还包括额外的惰性材料，例如粘合剂和储热材料。与纯放热反应粉末相比，惰性材料的添加致使需要更大能量和/或更长接触时间的点燃源。

因此，现在参照图2，放热点燃材料12可以放在块10上。合适的点燃材料是包括还原材料和金属氧化物的放热反应粉末。合适点燃材料的实例是CADWELD Rebar Filler Material和CADWELD F-80材料，两者都可以从美国俄亥俄州Solon的Erico公司购得。有关合适的这种材料的进一步的信息可以在美国专利No.6,316,125中找到，这里通过引用将其全部内容以及其所引用的参考文献的内容包含在内。

放热点燃材料12可以通过多种合适方法中的任意方法点燃。如图3所示，少量的起始材料14(实质上是点燃材料12的更细小的形式)可以放在点燃材料12的顶部，并通过点燃枪或其它产生火花的装置点燃。或者，如图4所示，电激励的金属箔片点燃器16可以放在点燃材料12上或其中。金属箔片点燃器16可以有一个或多个穿孔，形成电不连续性。在点燃器16上施加合适的电压致使形成火花或其它机制，这会点燃点燃材料。图2和图3所示点燃机制的进一步细节可以在1997年4月30日提交的被共同转让的美国申请No.08/846,285中找到，这里通过引用将其全部内容包含在内。

应该理解，可以使用多种其它的点燃方法来点燃块10的固体材料，包括暴露于具有足够温度和能量的火焰或其它热源中足够长的时间。

一经点燃，固体材料块10可以达到1200°F(650℃)或更高、持续12分钟或更长时间的热量。

图5和图6示出了生热装置20，其包括沿着可燃固体材料块24的某些侧面或外表面的隔热材料22。隔热材料22帮助将块24产生的热导向一个或多个优选的方向上。因此，隔热材料22覆盖了块24的一部分而不是全部。块24的底表面26示为没有被覆盖，块24材料的化学反应产生的热量主要从底表面26引导出去。

隔热材料22可以包括多种材料中的任何材料，包括各种陶瓷材料。一个实例是含有陶瓷纤维的材料，例如陶瓷毯(ceramic blanket)材料。陶瓷毯是尺寸稳定的材料，由纺成的或其它方式连结的陶瓷纤维组成。合适的陶瓷毯材料包括FIBERFRAX牌材料，可从美国纽约NiagraFalls的Unifrax公司购得。块状的陶瓷纤维还可以从Unifrax公司的FIBERFRAX品牌下购得。这种块状陶瓷纤维可以被成型以生成隔热材料22。例如，通过对含纤维材料进行干燥、固化或合适的处理，可以在模具腔体的内表面上形成足够厚度的块状陶瓷纤维层。然后，可以通过将浆料或可燃材料的其它混合物压进剩余的空腔，然后干燥可燃材料，来形成块24。

装置20可以在隔热材料22中包括开口30，用于接收放热点燃材料或者用于进入块24以点燃块24。

可以通过将装置20放到待加热的物体上来对其进行使用，如在图7中所示的，在该图中，装置20示为位于钢轨34上。可能要求对钢轨预热，以在焊接轨道之前去潮。预热的要求是轨道应该在210°F(100℃)之上保持几分钟，以确保合适的去潮。

在放到轨道34上后，块24可以通过在隔热材料22中的开口30被点燃。块24固体材料的化学反应使得产生热，这些热主要被导向轨道34，这是由于存在隔热材料22，它覆盖了块22其它表面的大部分。因为轨道34起到散热器的作用，所以轨道34的任何部分都没有达到高到足以导致冶金学破坏的高温。这样，在不使用乙炔焰炬或其它明火源的情况下，就可以有利地除去钢轨34的潮气。由于存在惰性成份(例如储热材料)，装置20可以在放热化学反应结束后在很长的时间内继续放热，例如继续放热10分钟。这种持续的放热有利地将轨道34保持温暖和干燥一段时间，在这期间可以开始焊接。

应该理解，隔热材料22和/或块24可以具有任何合适的形状和/或构造，用于与待加热的物体相接，和/或用于在一个或多个方向上导热。

图8至10示出了生热装置40，其具有在突起或突块44中的内置放热点燃材料42。放热点燃材料42与可燃固体材料块48接触，该块至少部分地被隔热材料层50覆盖。突起44具有可去除材料的覆盖物54，其可以被去除来进入和点燃放热点燃材料42，以引发在块48中的放热化学反应。

覆盖物54可以是与隔热材料层50相同的隔热材料，并且可以是隔热材料层50的基本上连续的部分。例如，隔热材料50可以是如上所述的陶瓷纤维材料。这种材料可以用通用刀或另一种切割装置切开或割开，或者甚至用手撕开，来露出放热点燃材料40。

图11至13图示了用于形成生热装置40的工艺。在图11中，沿着例如模具57的凹入部分56的表面设置隔热材料层50。层50的隔热材料可以是湿陶瓷纤维混合物，在设置之后，将其烘干以产生隔热材料层50。

在形成隔热材料层50之后，制成隔热材料层50的模板可以从模具中移走。然后，将放热点燃材料42放到隔热材料层50的突起44中，如图12所示。放热点燃材料42可以通过将其倾倒到突起44的空腔中来设置。还可以添加额外的放热反应材料。额外的放热反应材料可以包括一种或多种铁热剂、铜热剂和铝热剂。

最后，如图13所示，可燃材料58被装入或压进凹入部分56的剩余部分中。可燃材料58被加热或干燥，以产生固体材料块48，该块与放热点燃材料42接触，并且部分地被隔热材料层50围绕。

在实例性实施例中，在形成装置中可以使用5克的放热点燃材料，20克的铁热剂，以及200克的可燃固体材料。对可燃材料的干燥可以通过将整个装置放到200°F(93℃)的炉中约6小时来实现。

图14示出了另外的装置60，其具有含点燃材料的突起62，突起62具有嵌入在其中的箔片点燃器66，点燃器66的一部分68用于外部连接。外部电压源70可以经由合适的夹子72例如鳄鱼夹而连接到点燃器66的可连接部分68。如先前讨论的，施加合适的电压将引发点燃器66中的火花或其它动作，这会引发放热点燃材料中的反应，反过来又将使得可燃固体材料的点燃。

图15图示了用于容纳和熔化例如铝块的金属块84的生热装置80。金属块84(例如通过加工得到的)被容纳在装置80可燃固体材料的凹入部分86中。当固体材料被点燃时，其温度的上升导致金属块84的熔化。被熔化的金属可以用于多种目的，例如通过装置80中的孔或其它开口被倾倒或引导。所产生的熔融金属可以用来例如形成在两个或多个金属部分之间的电连接，或者用于机械地连结金属部分，例如通过被导入两条钢筋的端部都被插入到其中的钢套中，来(在熔融金属的固化后)形成坚固的钢筋结合。

图16和17图示了可燃固体材料的另一个用途，用于对物体的一部分进行局部加热。如图16所示，难熔材料模板90可以在物体94的部分92周围构造或放置。模板90可以是一次性使用的物品，或者可以是可重复使用的。在图示的实例中，物体94是冷却片，铜插头将被焊接到其上。但是，应该理解，由于多种目的，在多种物体的一些部分上局部冷却可能是期望的。现有的加热这种冷却片的方法包括用气炬对整个片进行45分钟以上的加热。这种加热方法很耗时，也浪费能量，并且可能导致对片的不期望的热毁坏，包括可能毁坏片的除待焊接部分之外的其它部分。

现在参照图17，模板90装有上述的可燃材料。材料被紧密地装入模板90中，并且可以被干燥，以产生在物体94的部分92附近的可燃固体材料块96和98。块96和98可以如上所述地被点燃，并且可以提供对物体94涉及焊接的部分92的局部加热。因此，可以减少处理的时间、能量和/或成本，并且可以同时减少或避免对物体94的热诱发毁坏。

应该理解，这里描述的可燃固体材料可以在广泛的多种用途中使用，提供对多种物体的无火焰和/或局部加热。

Claims

1.一种可燃固体材料，包括：

产生金属的反应混合物，该混合物包括：

还原剂；和

金属化合物粉末；

储热材料；和

粘合剂。

2.根据权利要求1的材料，其中，还原剂包括还原金属粉末。

3.根据权利要求2的材料，其中，还原金属粉末包括选自由铝粉末和铜粉末组成的组中的粉末。

4.根据权利要求1的材料，其中，金属化合物粉末包括金属氧化物粉末。

5.根据权利要求4的材料，其中，金属氧化物粉末包括过渡金属氧化物粉末。

6.根据权利要求5的材料，其中，过渡金属氧化物粉末包括选自由铁的氧化物、铜的氧化物、二氧化锰和二氧化钛组成的组中的金属氧化物。

7.根据权利要求1的材料，其中，储热材料包括沙子。

8.根据权利要求1的材料，其中，粘合剂包括选自由硅酸钠和氢氧化钾组成的组中的材料。

9.根据权利要求1的固体材料，与覆盖固体材料外表面一部分的隔热材料组合。

10.根据权利要求9的组合，其中，隔热材料包括陶瓷材料。

11.根据权利要求9的组合，其中，隔热材料包括陶瓷纤维材料。

12.根据权利要求11的组合，其中，陶瓷纤维材料包括陶瓷毯。

13.根据权利要求9的组合，还包括在隔热材料的一部分与固体材料之间的放热点燃材料。

14.根据权利要求1的材料，与接触固体材料的放热点燃材料组合。

15.根据权利要求1的材料，其中，材料由浆料形成，浆料包括33～56％的铁的氧化物、13～22％的铝、18～36％的沙子、2～8％的硅酸钠以及3～12％的水。

16.一种生热装置，包括：

产生金属的可燃固体材料；和

覆盖固体材料外表面的至少一部分的隔热材料。

17.根据权利要求16的装置，其中，隔热材料剩下固体材料外表面的一个侧面没有被覆盖，其中，固体材料的点燃导致热量优先沿该侧面散发。

18.根据权利要求17的装置，其中，隔热材料在其中具有开口，露出固体材料外表面的另一个侧面的一部分。

19.根据权利要求18的装置，还包括在开口中的放热点燃材料。

20.根据权利要求19的装置，还包括在点燃材料中的金属箔片点燃器。

21.根据权利要求19的装置，其中，点燃材料包括还原材料和金属氧化物的粉末状混合物。

22.根据权利要求16的装置，还包括突起；

其中，突起容纳与固体材料接触的放热点燃材料；并且

其中，突起包括可去除的覆盖物。

23.根据权利要求22的装置，其中，突起的覆盖物是隔热材料的基本上连续的部分。

24.根据权利要求23的装置，其中，隔热材料包括陶瓷纤维。

25.根据权利要求22的装置，其中，点燃材料包括还原材料和金属氧化物的粉末状混合物。

26.根据权利要求16的装置，其中，固体材料包括：

产生金属的反应混合物，该混合物包括：

还原剂；和

金属化合物粉末；

储热材料；和

粘合剂。

27.根据权利要求26的装置，其中，还原剂包括选自由铝粉末和铜粉末组成的组中的还原金属粉末。

28.根据权利要求26的装置，其中，金属化合物粉末包括选自由铁的氧化物、铜的氧化物、二氧化锰和二氧化钛组成的组中的金属氧化物。

29.根据权利要求26的装置，其中，储热材料包括沙子。

30.根据权利要求26的装置，其中，粘合剂包括选自由硅酸钠和氢氧化钾组成的组中的材料。

31.根据权利要求26的装置，其中，固体材料由浆料形成，浆料包括33～56％的铁的氧化物、13～22％的铝、18～36％的沙子、2～8％的硅酸钠以及3～12％的水。

32.一种加热物体的至少一部分的方法，包括：

将可燃固体材料放到物体上；

使该固体材料发生化学反应以放热产生熔融金属；以及

使用由化学反应产生的热来加热物体的至少一部分；

其中，在化学反应期间，熔融金属被保留在该固体材料中。

33.根据权利要求32的方法，

其中，固体材料包括基本上均匀的混合物，混合物包括：

产生金属的反应混合物，该混合物包括：

还原剂；和

金属化合物粉末；

储热材料；和

粘合剂；并且

其中，化学反应包括使还原剂和金属化合物粉末发生化学反应。

34.根据权利要求32的方法，其中，化学反应包括使铁的氧化物与铝反应。

35.根据权利要求32的方法，其中，固体材料的材料基体在反应期间被保持。

36.根据权利要求32的方法，其中，物体是待焊接的物体。

37.根据权利要求32的方法，其中，物体是钢轨。

38.根据权利要求32的方法，其中，加热包括将物体的至少一部分加热到超过200°F的温度。

39.根据权利要求32的方法，其中，加热包括熔化物体的至少一部分。