CS264601B1 - Způsob výroby vrstevnatých keramických žárovzdorných tvarovek - Google Patents

Abstract

Způsob výroby vrstevnatých keramických žárovzdorných tvarovek určených pro racionální vyzdívání průmyslových pecí a topenišE, kde dvě nebo i více vrstev tvarovky mají účelné tepelněmechanické vlastnosti. Žárovzdorné tepelně izolační jádro je tvořeno z libovolného žárovzdorného tepelně izolačního materiálu ve vypáleném stavu. Jádro je při výrobě tvarovky uloženo na dně formy tak, aby mezi jádrem a stěnami formy vznikl volný prostor. Do volného prostoru se nasype žárovzdorná zrněná keramická směs pojená koloidním hydrosolem oxidu křemičitého s přísadou kyseliny trihydrogenfosforečné a chloridu železitého, směs se poté pomocí řízené vibrace převede do přechodně tixotropního, poloztekuceného stavu, přičemž směs dokonale vyplní prostor. Vibrace se potom ukončí a výrobek se ponechá ve formě uklidnit a vyzrát, načež se z formy vyjme a nechá finálně vytvrdit. Stejným způsobem se, podle potřeby, do volného prostoru formy nasypává i žárovzdorná keramická směs pro koexisteční mezivrstvu. Vrstvy tvarovky jsou v syrovém stavu pevně spojeny s jádrem tvarovky.

Description

(57) Způsob výroby vrstevnatých keramických žárovzdorných tvarovek určených pro racionální vyzdívání průmyslových pecí a topenišE, kde dvě nebo i více vrstev tvarovky mají účelné tepelněmechanické vlastnosti. Žárovzdorné tepelně izolační jádro je tvořeno z libovolného žárovzdorného tepelně izolačního materiálu ve vypáleném stavu. Jádro je při výrobě tvarovky uloženo na dně formy tak, aby mezi jádrem a stěnami formy vznikl volný prostor. Do volného prostoru se nasype žárovzdorná zrněná keramická směs pojená koloidním hydrosolem oxidu křemičitého s přísadou kyseliny trihydrogenfosforečné a chloridu železitého, směs se poté pomocí řízené vibrace převede do přechodně tixotropního, poloztekuceného stavu, přičemž směs dokonale vyplní prostor. Vibrace se potom ukončí a výrobek se ponechá ve formě uklidnit a vyzrát, načež se z formy vyjme a nechá finálně vytvrdit. Stejným způsobem se, podle potřeby, do volného prostoru formy nasypává i žárovzdorná keramická směs pro koexisteční mezivrstvu. Vrstvy tvarovky jsou v syrovém stavu pevně spojeny s jádrem tvarovky.

Obr 1

Vynález se týká způsobu výroby vrstevnatých keramických žárovzdorných tvarovek o nejméně dvou vrstvách odlišných tepelněmechaniokýoh, případně i chemických vlastnosti. Očelem těchto výrobků je sloučit do jedné tvarovky vlastnosti dvou nebo více materiálů, například hutného materiálu odolného korozi a erozi za vysokých teplot, a vlastnosti pórovitého a tlm i tepelně izolačního materiálu. V běžné praxi se tohoto účelu dosahuje sezdíváním materiálů uvedených rozdílných vlastností v samostatných vrstvách.

To je ovšem v mnohém směru nevýhodné. Nevýhodná je vyšší pracnost při konstrukci vyzdívky a také to, že použitý tepelně izolační materiál bývá mechanicky málo pevný. Další nevýhodou zpravidla bývá, že tepelněizolační materiály mají vždy jinou teplotní roztažnost než je roztažnost hutného žárovzdorného materiálu. Ve vyzdívce tak vzniká za vyšších teplot napětí, které může přivodit její porušení. Stává se též, že případně nevhodně volený materiál jedné z vrstev vyzdívky reaguje chemicky s druhou vrstvou a dochází rovněž k porušení vyzdívky.

Před nějakým časem se pro vyzdívky pecí a topeništ začaly používat tzv. netvarované žárovzdorné zrněné hmoty, ze kterých bylo možné sestavovat vyzdívku nanášením vrstev dusáním, metáním nebo i jinou technikou. Ale ani tímto způsobem nebyly odstraněny problémy spojené s odlišnou teplotní roztažnost! materiálů a vznikaly i problémy vzájemné soudržnosti vrstev. Začaly se potom objevovat žárovzdorné výrobky složeného typu, tzv. kompozitní tvarovky složené ze dvou nebo i více vrstev. Je znám například výrobek podle patentu DE č. 3 105 595. kde je problém teplotní roztažnosti řešen vložením mezivrstvy z keramických vláken. Ta mají sice řadu dobrých vlastností, konstrukčně je však nesnadné zabezpečit trvalé vzájemné spojení vrstev. Konaly se i pokusy vkládat různá anorganická vlákna přímo do základní keramické hmoty, ukázalo se však, že anorganická vlákna prodělávají v pecním prostředí a za působení vysokých teplot strukturální změny, které vrstvy rozrušují. Byly konány i pokusy vyrábět vrstevnaté žárovzdorné tvarovky za použití keramických suspenzí různých vlastností, z nichž aspoň jedna suspenze měla výslednou nižší tepelnou vodivost. Tak je tomu u patentu EU č. 0 086 501. Velkou nevýhodou tohoto způsobu výroby vrstevnatých žárovzdorných tvarovek je, že v jedné fázi postupu musi být odlitek hluboce zmrazen. Jsou známa i další řešení, která však nenalezla širšího upotřebení a uplatnění.

Způsobu výroby vrstevnatých žárovzdorných tvarovek podle předkládaného vynálezu se nejúžeji přimyká řešení podle japonského patentu JAP č. 57-205 384. Jeho podstatou je, že se připraví tepelně izolační jádro nebo blok z anorganického materiálu a toto jádro se ve formě zalije keramickou vodnou suspenzí. Kolem jádra se tak vytvoří vnější obalová vrstva požadovaných vlastností. Použitá vodní keramická suspenze obsahovala vysocehlinitý cement. Odlitek musel být nejprve vysušen a potom ještě za tepelného zpracováni vytvrzen.

Všechny citované způsoby výroby vrstevnatých žárovzdorných tvarovek mají nevýhody, které až dosud bránily jejich širšímu uplatnění. Lze je shrnout do těchto poznatků: použití keramických suspenzí předpokládá, že výrobek bude po dolití sušen. Vodné suspenze mají zpravidla snahu se usazovat a dochází k odmísení. Jsou-li použita ztekutiva a přísady upravující viskozitu, dochází v žáru k vytěkávání těchto složek. Přísada vysocehlinitého žárovzdorného cementu je nevýhodná cenově, i tím, že vytvrzování vyžaduje další tepelné zpracování. Nevýhodou vláknitých anorganických materiálů pro tvorbu tepelně izolačního jádra tvarovky je jejich nesnadné spojení s ostatní hmotou výrobku. Vláknité výrobky nelze také zalisovávat vyššími tlaky. Nevýhodou zalisováni, například páleného jádra do syrové základní hmoty, jako je tomu u DE patentu č. 1 108 130, je nerovnoměrné zhutnění výrobku.

Uvedené nevýhody odstraňuje vynález. Jeho podstatou je způsob výroby vrstevnatých keramických žárovzdorných tvarovek o nejméně dvou vrstvách odlišných tepelněmechanických a případně i chemických vlastnosti. Je vyznačen tím, že se žárovzdorné tepelně izolační jádro tvarovky, připravené z jakéhokoliv tepelně izolačního žárovzdorného materiálu, uloží na dno připravené rozebíratelné formy požadovaných rozměrů a to tak, aby dvě protilehlé stěny a spodní stěna jádra těsně přilehly k postranním stěnám a dnu formy a aby mezi druhými dvěma stěnami formy zůstal volný prostor. Do tohoto volného prostoru se potom nasype žárovzdorná zrněná keramická směs pojená koloidním hydrosolem oxidu křemičitého s přísadou kyseliny trihydrogen fosforečné a chloridu železitého. Pomocí řízené vibrace se nasypaná zrněná směs převede do přechodně tixotropního poloztekuceného stavu, takže dokonale vyplní volný prostor formy. Vibrace se potom ukončí, výrobek se ponechá ve formě uklidnit a vyzrát.

Poté se z formy vyjme a nechá finálně vytvrdit.

Stejným způsobem lze do formy nasypávat i jednu nebo i více mezivrstev, například koexistenční mezivrstvu zabraňující nežádoucím reakcím různorodých keramických žárovzdorných materiálů.

Hotový výrobek je tvarovka vrstevnatého typu s tepelně izolačním jádrem, které je obaleno vrstvou zpravidla vysocehutného žárovzdorného materiálu, určenou jako vrstva tzv. pracovní. Žárovzdorné tepelně izolační jádro tvoří 30 % až 80 % celkového objemu tvarovky, zbytek 70 % až 20 % tvoří žárovzdorná zrněná směs pojená chemickou vazbou s kyselinou trihydrogenfosforečnou, hydrosolem SiC^ a chloridem železitým co pojivém. Tato vrstva tvarovky je pro přímý styk s pecním prostředím, s žárem a případně i s pecní vsázkou.

Předností způsobu výroby vrstevnatých keramických žárovzdorných tvarovek podle vynálezu je jeho technologická jednoduchost. Provádí se za použití běžných například dřevěných rozebíratelných forem na vibračním zařízení a pomocí ručního nebo automatického dávkování zrněných keramických žárovzdorných směsí do volného prostoru vzniklého mezi vloženým jádrem a vnitřními stěnami formy. Další předností způsobu podle vynálezu je, že oproti použití vodných suspenzí odpadá nutnost tepelné úpravy odlitku, odpadají problémy se sedimentací a odměšováním hmoty a rovněž problémy s vytěkáváním přísad do suspenzí. Další předností tohoto způsobu je, že se několikanásobně zkracuje doba, po kterou se musí nechat tvarovka přirozeně tuhnout ve formě, než ji lze z formy vyjmout. Odpadá rovněž i nutnost vysoušení těchto forem. Nevznikají problémy s rozdílnou teplotní roztažností, jelikož materiál jádra tvarovky své objemové změny již prodělal. Výsledný výrobek má dostatečně vysokou mechanickou pevnost, aby mohl být spotřebiteli dodán bez dalšího tepelného zpracování. Při prvním provozním zahřátí se vypaluje pouze objemově menší část výro.bku. Výrobek má vlastnosti hutné tvarovky, má přitom ale sníženou tepelnou vodivost a klade tudíž vyšší odpor prostupu tepla.

Na připojeném obrázku 1 je v axonometrickém pohledu znázorněna vrstevnatá tvarovka podle vynálezu, jednoduchého tvaru o dvou vrstvách.

Číslicí _1 je označeno tepelněizolační jádro z vypáleného žárovzdorného materiálu.

Číslicí 2 je označena žárovzdorná zrněná keramická směs pro pracovní vrstvu tvarovky.

Na obrázku 2 je číslicí 2 označeno tepelně izolační jádro z vypáleného žáruvzdorného materiálu, číslicí £ je označena žárovzdorná zrněná keramická směs pro pracovní vrstvu a číslicí 2 žárovzdorná zrněná keramická směs pro koexistenční mezivrstvu. Tento obrázek znázorňuje složitou tvarovku se třemi vrstvami.

Provedení vynálezu bude blíže objasněno na třech příkladech.

Příklad 1

Do dřevěné rozebíratelné formy rozměrů 200x200x200 mm bylo vloženo tepelně izolační -3 jádro z vypáleného žárovzdorného materiálu 2 o objemové hmotnosti 700 kg.m o velikosti 200x165x140 mm tak, že na šířkou formy zůstal po obou stranách volný prostor 17,5 mm, a na výšku prostor 60 mm nad úrovní jádra. Jádra zaujímalo 58 % objemu formy a spočívalo na dně formy. Forma byla připevněna na vibrační zařízení. Do takto připravené formy byla za vertikální vibrace o frekvenci 50 Hz a amplitudě + 0,5 mm nasypaná žárovzdorná zrněná keramická směs pro pracovní vrstvu 2_ připravená z 9 dílů směsi šamotového lupku a technického oxidu hlinitého ve složení 73 hmot. % lupku v zrnění 0,001 až 4 mm, 26 % hmotnost, téhož lupku v zrnění 0,001 až 0,09 mm, a 1 % hmotnost, technického oxidu hlinitého. Směs tvořil dále 1 díl chemické vazby, složené ze 69 % hmot. 30% bydrosolu oxidu křemičitého, 29 % hmot.

40% kyseliny trihydrogenfosforečné s přísadou 2 % hmot. chloridu železitého. Tato žárovzdorná zrněná keramická směs 2 ^se stala vlivem vibrací přechodně tixotropně poloztekucenou a dokonale vyplnila volný prostor kolem jádra i nad ním. Po naplnění formy byl povrch tvarovky zarovnán a vibrace pokračovala dalších 15 min, aby byl ze směsi vypuzen zbylý vzduch. Po dokončení této operace byla vibrace zastavena a forma sejmuta z vibračního zařízení. Po dalších 5 h byla forma i s výrobkem ponechána v klidu, aby se zcela vyrušila přechodná tixotropie směsi a aby proběhla její gelace se ztuhnutím materiálu. Výrobek byl poté z formy vyjmut a ponechán jeden týden bez manipulace, aby se směs dokonale vytvrdila.

Hotová dvouvrstvá tvarovka měla hmotnost 11,72 kg, z čehož připadalo na hutnou pracovní vrstvu 7,10 kg a na tepelněizolační vrstvu 4,62 kg. Nevylehčená tvarovka by měla hmotnost 16,8 kg, stupeň vylehčení 30 %. Tvarovka podle příkladu 1 byla tvořena 0,06 m tlustou vrstvou šamotového lupku se zvýšeným obsahem oxidu hlinitého, a 0,14 m tlustou vrstvou pěnošamotu “3 -2 o objemové hmotnosti 700 kg m . Při kalkulované hustotě tepelného toku pece 2,98 kW.m a při vnitřní teplotě pece 1 300 °C by stěnou z těchto tvarovek prošlo množství tepla -2 -1

3,91 kW.m h co ztráta tepla. V porovnání s tepelnou ztrátou prostupem nevylehčené tvarovky -2 -1

8,37 kW.m h představuje použití těchto tvarovek snížení tepelných ztrát o 53.%.

Příklad 2

Byl opakován způsob výroby dvouvrstvé žárovzdorné tvarovky podle příkladu 1 s tím rozdílem, že do stejné dřevěné formy byl jako žárovzdorné tepelně izolační jádro 1_ vložen _3 stejně veliký blok z vysocevylehčeného šamotu o objemové hmotnosti 500 kg.m a do volného prostoru byla do formy nasypána žárovzdorná zrněná keramická směs 2 sestávající z 92 hmot. % elektrotaveného korundu a 8 hmot. % chemické vazby stejného složení jako v příkladu 1, přičemž bylo dodrženo i stejné zrnitostní složení směsi. Také další postup výroby tvarovky byl shodný s příkladem 1.

Hotová tvarovka měla hmotnost 15,15 kg, z čehož připadalo na hutnou pracovní vrstvu 12,84 kg a na tepelněizolační vrstvu 2,31 kg. Nevylehčená tvarovka by měla hmotnost 30,40 kg, stupeň vylehčení 50 %. Tvarovka podle příkladu 2 byla tvořena 0,06 m tlustou vrstvou elektrotaveného korundu a 0,14 m tlustou vrstvou z vysocevylehčeného šamotu. Při vnitřní teplotě pece 1 300 °C by ztráta tepla vedením činila 5,80 kW.m h . V porovnání s tepelnou ztrátou nevylehčené tvarovky 22,20 kW.m h představuje použití tvarovky podle příkladu 2 snížení tepelných ztrát o 74 %.

Příklad 3

Za typ výrobku byla zvolena radiálka standardního typu 28R 150, která byla vyrobena se třemi vrstvami. Byla připravena rozebíratelná forma rozměrů 280x230/194x123 mm. Za žárovzdorné tepelněizolační jádro 1. byla zvolena rovněž radiálka a to typu 15R 300 o velikosti

150x165/155x123 mm v páleném stavu, vyrobená ze žárovzdorného tepelněizolačního materiálu o objemové hmotnosti 1 500 kg.m . Podle příkladu 1 bylo jádro usazeno širší základnou na dno formy. Volný prostor kolem jádra byl poté, až do požadované úrovně nad vrchní stěnu jádra, vyplněn žárovzdornou keramickou zrněnou směsí 2 ze spinelu MgO.á^O^. Tím byla mezi jádro JL a vrstvu z magnezitového slínku 2 vložena koexistenční mezivrstva J3 zabraňující nežádoucím chemickým reakcím. Zbylý prostor byl potom vyplněn, způsobem.již dříve popsaným, žáruvzdornou zrněnou keramickou směsí z magnezitového slínku 2 ° zrnitosti a s přísadami jako v příkladu 1. Též další postup po naplnění formy byl shodný s postupem popsaným v příkladu 1.

Byla tak vyrobena třivrstvá radiálka typu 28R 150 se žárovzdorným tepelněizolačním jádrem, vhodná pro vyzdívání rotačních pecí pro provozní teploty až do 1 500 °C. Radiálka měla hmotnost 17,87 kg, z čehož připadalo na tepelně izolační jádro 4,43 kg, na pracovní vrstvu 8,58 kg a na koexistenční mezivrstvu 4,86 kg. Nevylehčená tvarovka by měla hmotnost 21,54 kg, stupeň vylehčení 17 %. Pracovní vrstvu radiálky tlustou 0,12 m tvořil magnezitový slínek, koexistenční vrstva byla tvořena spinelem MgO.Al^Oj a tepelněizolační vrstvu o tloušEce 0,15 m tvořila radiálka o objemové hmotnosti 1 500 kg.m“3. Při vnitřní teplotě pece

500 °C by tepelné ztráty vedením nevylehčenou magnezitovou radiálkou této velikosti předsta~2 —1 vovaly 21,5 kW.m h , zatímco za použití vylehčené tvarovky podle příkladu 3 by tepelné -2 “1 ztráty činily jen 9,15 kW.m h , což představuje snížení tepelných ztrát o 57 %.

Claims (2)

1. Způsob výroby vrstevnatých keramických žárovzdorných tvarovek vyznačující se tím, že se žárovzdorné tepelně izolační jádro tvarovky z jakéhokoliv tepelněizolačního keramického žárovzdorného materiálu uloží na dno formy tak, aby dvě protilehlé stěny a spodní stěna jádra těsně přilehly k postranním stěnám a dnu formy a aby mezi druhými dvěma stěnami jádra a stěnami formy zůstal volný prostor, do kterého se potom nasype žárovzdorná zrněná keramická směs, pojená koloidním hydrosolem oxidu křemičitého s přísadou kyseliny trihydrogenfosforečné a chloridu železitého, směs se poté pomocí řízené vibrace převede do přechodně tixotropního poloztekuceného stavu, vibrace se poté ukončí, výrobek se ponechá ve formě uklidnit a vyzrát, načež se z formy vyjme a nechá finálně vytvrdit.

2. Způsob podle bodu 1 vyznačující se tím, že se do formy nasype, žárovzdorná keramická zrněná směs pro koexistenční mezivrstvu bránící nežádoucím chemickým reakcím jádra a žárovzdorné zrněné keramické směsi.