CZ286850B6 - Process and apparatus for producing ceramic articles - Google Patents

Description

Oblast techniky

Vynález se týká tvorby keramických předmětů a zařízení používaného k uvedené tvorbě. Týká se zejména, ale nikoli výlučně, vytváření trubic a rour z keramického materiálu.

Dosavadní stav techniky

Keramické trubice a rouiy byly obvykle vytvářeny z hlíny vytvarované do požadovaného nezatvrdlého tvaru a pak vypáleny v peci. Tyto se stále obecně používají, ale nemají příliš vysokou kvalitu pokud se týče mechanické síly a schopnosti odolat vysokým teplotám, takže je způsoben vysoký podíl zlomů. Pro keramické trubice a roury schopné odolat v náročnějších provozech, zejména pro takovou keramiku pro těžký provoz jako karbid křemíku, se však způsoby zpracování stávají stále složitější. Japonský zveřejněný popis patentu JP-A-03-218987 popisuje výrobu trubice z kompozitu karbidu křemíku a kovu pro takové funkce jako např. spalovací trubice plynových turbín. Tento způsob nejdříve vytváří vrstvu jednotné směsi prášku karbidu křemíku a uhlíkového prášku na vnitřním povrchu kovové trubice. Potom je přidán zbylý křemík a na první vrstvu je navrstvena vrstva smíšeného prášku z hliníku a Fe₃O₄ za účelem vytvoření trubkovitého předmětu. Trubkovitý předmět je pak vystaven velmi rychlé rotaci, takže nastane termická reakce a tvorba slinutého karbidu křemíku v první vrstvě.

Podstata vynálezu

Účelem tohoto vynálezu je příprava vysoce kvalitních keramických předmětů jako například trubic a rour a to při vyloučení takovýchto složitých způsobů.

Podrobně tento vynález vznikl z výzkumů jak použít pro výrobu keramických předmětů techniku podobnou způsobu svařování keramiky.

Ve svařování keramiky je směs tuhých žáruvzdorných částic a tuhých hořlavých částí paliva z kovu nebo polokovu jako například hliník a křemík vrhaná proti cílovému povrchu, kde hořlavé částice reagují vysoce exotermickým způsobem s plynem kyslíku, aby s ohnivzdornými částicemi vytvořily souvislou ohnivzdornou hmotu spolu s oxidem (oxidy) vytvořeným reakcí.

Bylo mnoho patentů pro svařování keramiky, počínaje patentem GB 1 330 894 (Glaverbel). I když je použití způsobu svařování keramiky za účelem vytvoření žáruvzdorného předmětu, například bloku, který má konkrétní tvar pro použití při výstavbě nebo opravě průmyslové pece známo, bylo historicky používáno hlavně v místních opravách žáruvzdorného materiálu pece, například žáruvzdorného materiálu používaného ve stěnách sklářských pecí nebo koksárenských pecí. Keramická svařovací směs je vrhána do požadovaného bodu opravy, kde vytváří souvislou žáruvzdornou hmotu, která ulpí na stěně pece.

Žáruvzdorné materiály používané v pecích obsahují takové oxidy jako například oxid hlinitý, oxid křemičitý a oxid zirkoničitý. V jistých hutních závodech jsou používány žáruvzdorné materiály, které mají základ z karbidu křemíku, především v železárenských vysokých pecích nebo v zinkových destilačních kolonách. Hořlavé částice a žáruvzdorné částice používané v opravné směsi jsou obvykle zvoleny tak, aby souvislá žáruvzdorná hmota byla podobného chemického složení jako žáruvzdorný materiál pece.

- 1 CZ 286850 B6

Podle tohoto vynálezu je zajištěn způsob pro výrobu keramického předmětu z práškové směsi obsahující žáruvzdorné částice a hořlavé částice, ve které hořlavé částice reagují exotermicky v přítomnosti plynu bohatého na kyslík za účelem vytvoření předmětu ze žáruvzdorných částic a produktu reakce z hořlavých částic, vyznačující se tím, že prášková směs je vrhána proti kovové tvarovací formě, která je rozehřátá na teplotu nejméně 850 °C za účelem vytvoření souvislého žáruvzdorného předmětu ve tvaru tvarovací formy a tvarovací forma je poté od předmětu oddělena.

Je známo zařízení pro tvorbu žáruvzdorné hmoty obsahující rozprašovací prostředky pro rozprašování částic oxidačního materiálu a žáruvzdorného materiálu spolu s kyslíkem, například zařízení podle WO A 90 03848 (Willmet, lne.). Tento vynález dále zajišťuje zařízení pro výrobu keramických předmětů obsahující nanášecí prostředky pro práškovou směs obsahující žáruvzdorné částice a hořlavé částice, napájecí prostředky pro plyn bohatý na kyslík, vyznačující se tím, že obsahuje kovovou tvarovací formu vyrobenou z materiálu, kteiý je odolný vůči vysoké teplotě a chemickému narušení, na které mohou vrhané částice reagovat s plynem bohatým na kyslík za účelem vytvoření souvislého žáruvzdorného předmětu ve tvaru formy ze žáruvzdorných částic a produktu reakce hořlavých částic, kde povrch kovové formy je zbaven jakéhokoli zoubkování nebo výčnělků, které by měly sklon k napomáhání vytvoření svaru mezi svařovaným materiálem a kovem.

Vynález dobře vyhovuje výrobě všech typů keramických předmětů, například plochých desek, zakřivených desek, vlnitých desek, mís a otevřených kanálů. Zejména však dobře vyhovuje výrobě dutých předmětů, jako například trubic, rour, trubkovitých spojek a spojovacích těles.

Předměty vyráběné podle vynálezu mají vysokou úroveň žáruvzdorných vlastností a dobrou mechanickou pevnost, která tedy dovoluje jejich použití v aplikacích keramických materiálů v těžkém provozu. Hodí se zvláště dobře pro použití ve vysoce účinných tepelných výměnících, v ponorných topných tělesech odolných vůči korozi, v plynových tryskách a kovových vedeních, například v ocelových hubicích pánví. Potřeba odolnosti vůči korozi je významná zejména při použití s roztavenými kovy jako například zinkem a hliníkem.

Vynález má další výhodu v tom, že dovoluje výrobu součástí z vysoce kvalitního žáruvzdorného materiálu. Je zabráněno přítomnosti fází s nízkým bodem tání, což poskytuje výhodu u klasických technik používajících lití břečkou, vypalování nebo kalcinování.

Vynález reprezentuje zjednodušenou alternativu k obvyklým metodám výroby keramických předmětů velkých rozměrů nebo komplikovaného tvaru. Navíc je jejich výroba rychlá a spolehlivá a protože jsou vyráběny pouze z vybraného výchozího materiálu, existuje značná flexibilita ve výběru vlastností konečného produktu vhodným výběrem výchozího materiálu.

Upřednostňované příklady žáruvzdorných částic zahrnují karbid křemíku, oxid hlinitý, oxid zirkoničitý a oxid hlinito-zirkoničitý. Karbid křemíku je zejména vhodný jako podstatná část předmětů, požadovaná k tomu, aby měly dobrou odolnost vůči vysokým teplotám.

Hořlavé částice jsou přednostně vybírány z křemíku a hliníku nebo jejich směsí.

Žáruvzdorné částice mají přednostně maximální rozměr 2 mm. To napomáhá při zajištění minimální ztráty žáruvzdorného materiálu odrazem z cílového povrchu. Hořlavé látky přednostně nemají průměrný průměr částice větší než 50 pm. [Výraz průměrný průměr částice, tak jak je zde použit, označuje takový rozměr, kde 50 % podle hmotnosti částic má menší rozměr než tento průměr.]

-2CZ 286850 B6

Ohřátí tvarovací formy na teplotu nejméně 850 °C zajišťuje vznícení hořlavých částic. Následně po vznícení shoří hořlavé částice se značným uvolněním tepla. Tvarovací forma může být předehřátá na teplotu nejméně 850 °C, čímž zajistí vznícení hořlavých částic, jakmile dosáhnou tvarovací formy. Nanášení vrháním může být eventuelně směrováno na tvarovací formu, která je na nižší teplotě než 850 °C, například na okolní teplotě, a poté zvýšit teplotu formy za účelem zahájení reakce.

Prášková směs je přednostně vrhána zjednoduchého hořáku, ačkoli lze použít vícenásobné uspořádání hořáků, pokud je to žádoucí.

Obyčejně je nosný plyn pro prášek plyn bohatý na kyslík používaný pro spalování. Obvykle je upřednostňováno použití čistého kyslíku komerční třídy, protože to napomáhá dosahování vysokých teplot reakcí.

Obvykle je prášek postupně nanášen na tvarovací formu, začíná v jednom bodě a působí přes celý povrch kovové tvarovací formy. Nanášený vzor lze nanést ručně, ale hořák a tvarovací forma jsou vzhledem k sobě vzájemně připevněny tak, aby bylo dosaženo přednastaveného a opakovatelného vzájemného mechanického pohybu hořáku a kovové tvarovací formy.

Kovová tvarovací forma by měla být vyrobena z materiálu, který je odolný vůči vysoké teplotě a chemickému narušení. Obecně je upřednostňována nerezová ocel. Tvar kovové tvarovací formy je určen požadovaným tvarem předmětu. Další výhodou vynálezu je tedy to, že se správnou volbou tvaru kovové tvarovací formy může být tato použita pro výrobu předmětů komplexního uspořádání, například žáruvzdorných součástí T-tělesa a L-tělesa používaných v odvodních potrubích. Povrch tvarovací formy, který přijímá svářený materiál, je hladký a zbavený jakéhokoli zoubkování nebo výčnělků, aby odolal jakékoli snaze o vytvoření svaru mezi pájeným materiálem a kovem.

Protože povrch souvislého keramického materiálu vyrobeného na tvarovací formě přesně odpovídá tvaru povrchu kovové tvarovací formy, umožňuje tedy výrobu dutých předmětů s velmi přesnými a opakovatelnými vnitřními rozměry.

Zařízení obsahuje prostředky pro posouvání formy vzhledem knanášecímu hořáku. Toho lze dosáhnout prostým posunem nanášecích prostředků, ale pro vlastní formu může být výhodné, aby byla pohyblivá.

Pro výrobu trubic a rour by měla forma být ve tvaru podlouhlého válce. Otáčením válce okolo své osy lze nanést keramický povlak zjednoduchého hořáku v jednom bodě. Pro trubice a roury ne větší délky než délka válce, může být s hořákem pohybováno rovnoběžně s osou válce, aby se keramickým nátěrem pokryl celý povrch válce.

Zvláštní výhodou způsobu podle vynálezu je, že může být použit za účelem výroby trubkovitých předmětů s rozměry neomezenými velikostí tvarovací formy. Toho lze dosáhnout odstraňováním trubkovitého předmětu z válce zatímco je tvarován. Jakmile ztuhne první kruhový pás trubkovitého předmětu, může být uchopen obslužným zařízením a oddálen od válce v axiálním směru, zatímco tvorba dalšího kruhového pásu předmětu probíhá současně. V takovém uspořádání není celková možná délka trubky vůbec omezena procesem tvorby a závisí na přilehlém manipulačním prostoru a zařízení.

Pro mnoho použití lze oddělení předmětu od tvarovací formy nejsnadněji dosáhnout prostým stažením tvarovací formy. Odstraňování vytvořeného předmětu z formy lze, je-li to požadováno, ulehčit předešlým potažením formy žáruvzdorným cementem, který se stane křehčím následkem na něj aplikovaného tepla během tvarovací procedury, a pak se lehce utrhne od povrchu tvarovací formy nebo předmětu. Eventuelně může být forma ochlazená, například na okolní

-3 CZ 286850 B6 teplotu, takže se vzhledem k tvarovanému předmětu zmenší a tímto může být snadněji odstraněna.

Příklady provedení vynálezu

Vynález bude blíže vysvětlen prostřednictvím konkrétních příkladů provedení. Je však zdůrazněno, že vynález není omezen na určitá množství a způsoby popsané v těchto příkladech.

Příklad 1

Válcová roura vyrobená z nerezavějící oceli INOX a otočitelná kolem své osy byla umístěna do trouby za 1000 °C pro předehřátí. Válec měl vnější průměr 40 mm a délku 150 mm a jeho vnější povrch byl hladký, přičemž neměl žádné významné zoubkování ani výčnělky. Pomocí hořáku byla na předehřátý válec za jeho otáčení vrhána prášková směs následujícího hmotnostního složení:

Karbid křemíku Křemík Hliník Oxid hořečnatý

79% 8% 5% 8%

Částice křemíku měly rozměr pod 45 pm a měrnou plochu povrchu mezi 2500 a 8000 cm²/g. Hliníkové částice měly rozměr pod 45 mm a měrnou plochu povrchu mezi 3500 a 6000 cm²/g. Rozměr částic karbidu křemíku byl menší než 1,47 mm s 60 % hmot, od 1 do 1,47 mm, 20 % od 0,5 do 1 mm a 20 % pod 0,125 mm. Částice oxidu hořečnatého měly průměrný rozměr přibližně 300 pm.

Prášková směs byla dopravována v proudu komerčně čistého kyslíku. Po několika minutách byla na válcový povrch nanesena žáruvzdorná vrstva, asi tak 10 mm tlustá. Válec byl pak ochlazen na okolní teplotu a byl snadno stáhnut, aby opustil vytvarovanou rouru ze žáruvzdorného materiálu o vnitřním průměru 40 mm a o délce 150 mm. Vnitřní povrch tvarované roury byl zcela hladký.

Příklad 2

Válcová roura typu popsaného v příkladu 1, ale větších rozměrů a s integrálními ohřívacími prostředky byla pokryta vrstvou žáruvzdorného cementu a pak ohřátá na 1100 °C. Prášková směs kompozice definované v příkladu 1 byla vrhána v proudu komerčně čistého kyslíku z hořáku na pokrytý povrch, zatímco bylo válcem otáčeno. Vrhání pokračovalo několik minut za účelem vytvoření žáruvzdorné vrstvy na cementu. Po vytvoření žáruvzdorné vrstvy bylo ohřívání válce zastaveno, válci bylo umožněno zchladnout na okolní teplotu a opět byl snadno stažen. V tomto případě měla vytvořená roura ze žáruvzdorného materiálu vnitřní průměr 200 mm a délku 1 metr.

Claims (18)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob pro výrobu keramických předmětů z práškové směsi obsahující žáruvzdorné částice a hořlavé částice, ve které hořlavé částice reagují exotermicky za přítomnosti plynu bohatého na kyslík za účelem vytvoření předmětu ze žáruvzdorných částic a produktu reakce z hořlavých částic, vyznačující se tím, že prášková směs se vrhá na kovovou tvarovací formu, která se ohřeje na teplotu nejméně 850 °C pro vytvoření souvislého žáruvzdorného předmětu ve tvaru tvarovací formy a forma se pak odděluje od předmětu.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že keramický předmět je dutý předmět.
3. 3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že žáruvzdorné částice obsahují jednu nebo více složek ze skupiny zahrnující karbid křemíku, oxid hlinitý, oxid zirkoničitý a oxid hlinito-zirkoničitý.
4. 4. Způsob podle kteréhokoli předcházejícího nároku, vyznačující se tím, že hořlavé částice jsou vybrány z křemíku a hliníku nebo jejich směsí.
5. 5. Způsob podle kteréhokoli předcházejícího nároku, vyznačující se tím, že žáruvzdorné částice mají maximální rozměr 2 mm.
6. 6. Způsob podle kteréhokoli předcházejícího nároku, vyznačující se tím, že hořlavé částice nemají průměrný průměr částice větší než 50 pm.
7. 7. Způsob podle kteréhokoli předcházejícího nároku, vyznačující se tím, že tvarovací forma se předehřívá na teplotu nejméně 850 ^QC.
8. 8. Způsob podle kteréhokoli předcházejícího nároku, vyznačující se tím, že prášková směs se vrhá z jednoduchého hořáku.
9. 9. Způsob podle některého z nároků laž7, vyznačující se tím, že prášková směs se vrhá z vícenásobných hořáků.
10. 10. Způsob podle kteréhokoli předcházejícího nároku, vyznačující se tím, že nosným plynem pro prášek je plyn bohatý na kyslík používaný pro spalování.
11. 11. Způsob podle kteréhokoli předcházejícího nároku, vyznačující se tím, že kovová tvarovací forma se předem pokrývá žáruvzdorným cementem pro usnadnění odstranění vytvarovaného předmětu z tvarovací formy.
12. 12. Způsob podle kteréhokoli předcházejícího nároku, vyznačující se tím, že kovová tvarovací forma se chladí po vytvoření předmětu za účelem usnadnění odstranění vytvořeného předmětu z tvarovací formy.
13. 13. Způsob podle kteréhokoli předcházejícího nároku, vyznačující se tím, že prášek se postupně nanáší na tvarovací formu, přičemž se začíná v jednom bodě a postupuje se přes celou plochu kovové tvarovací formy.

    -5CZ 286850 B6
14. 14. Způsob podle kteréhokoli předcházejícího nároku, vyznačující se tím, že předmět je trubkovitý předmět, který se odstraňuje z kovové tvarovací formy zatímco se tvoří.
15. 15. Zařízení pro výrobu keramických předmětů obsahující nanášecí prostředky pro práškovou směs obsahující žáruvzdorné částice a hořlavé částice, napájecí prostředky pro plyn bohatý na kyslík, vyznačující se tím, že obsahuje kovovou tvarovací formu vyrobenou z materiálu, který je odolný vůči vysoké teplotě a vůči chemickému narušení, a povrch kovové tvarovací formy, kde se vytváří souvislý žáruvzdorný předmět ve tvaru tvarovací formy, je hladký.
16. 16. Zařízení podle nároku 15, vyznačující se tím, že nanášecí prostředky pro směs prášku tvoří hořák, přičemž hořák a kovová tvarovací forma jsou navzájem smontovány tak, že je dosažitelný předem nastavený a opakovatelný vzájemný mechanický pohyb hořáku a kovové tvarovací formy.
17. 17. Zařízení podle některého z nároků 15 až 16, vyznačující se tím, že kovová tvarovací forma je ve tvaru prodlouženého válce.
18. 18. Zařízení podle nároku 17, vyznačující se tím, že válec je otočitelný kolem své osy.