DE3405051A1 - Verfahren zum ergaenzen einer quarz- bzw. silica-feuerfestkonstruktion - Google Patents

Verfahren zum ergaenzen einer quarz- bzw. silica-feuerfestkonstruktion

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DE3405051A1 DE19843405051 DE3405051A DE3405051A1 DE 3405051 A1 DE3405051 A1 DE 3405051A1 DE 19843405051 DE19843405051 DE 19843405051 DE 3405051 A DE3405051 A DE 3405051A DE 3405051 A1 DE3405051 A1 DE 3405051A1
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Description

Verfahren zum Ergänzen einer Quarz- bzw. Silica-Feuerfest-
konstruktion
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ergänzen einer Silica-Feuerfestkonstruktion in einer Arbeitsumgebung bei einer Temperatur oberhalb 6 000C.
Der Ausdruck "Silica" wird hier im Sinne der British Standard 3446 verwendet, um ein Silica-Feuerfestmaterial als feuerfestes Material oder hochwarmfestes Material zu definieren, welches im gebrannten Zustand nicht weniger als 92 Gew.-% SiO2 enthält.
Haupteinsatzzwecke der definierten Silica-Feuerfestmaterialien bzw. Quarz-Schamottesteine (silica refractories) sind in Stahlöfen, Koksöfen, Gasretorten und Glastanköfen zu sehen.
Die Erfindung läßt sich verwenden zur Modifikation einer vorhandenen Konstruktion, beispielsweise zum Bauen einer Wand oder eines Kanals,zum Umleiten von Rauchgasen oder für andere Zwecke; das hauptsächliche praktische Einsatzgebiet der Erfindung liegt jedoch auf dem Gebiet der Reparatur beschädigter Konstruktionen; die Beschreibung der Erfindung erfolgt also hauptsächlich im Hinblick auf diesen Anwendungszweck.
Über den Verlauf der Zeit werden Konstruktionen
aus Feuerfestmaterial aus dem einen oder anderen Grunde beschädigt; sie müssen daher repariert werden. Große öfen brauchen mehrere Tage, um auf Umgebungstemperatur von ihrer Arbeitstemperatur abzukühlen; sie erfordern eine ähnliche Aufheizzeit, da das Siliciumdioxid in ihrer Struktur, das in Cristobalit- und Tridymit-Form vorhanden ist, extrem empfindlich gegen Thermoschock bei Temperaturen zwischen 20 und 6000C ist. Cristobalit zeichnet sich insbesondere durch eine kristalline Inversion, im allgemeinen zwischen 2000C und 25O0C aus, die begleitet ist von einer Längenänderung von etwa 1%.
Es ist daher wünschenswert, notwendige Reparaturarbeiten durchzuführen, während die Silica-Feuerfestkonstruktion noch heiß ist. Leider verhindert die Empfindlichkeit üblicher Silica-Feuerfestziegel gegen Thermoschock es, sie bei heißen Temperaturarbeiten einzusetzen, es sei denn, sie wurden vorgewärmt. Solch eine Vorwärmung ist jedoch zeitraubend.
Es ist notwendig, daß eine Silica-Feuerfestwand mit dem erwähnten Silica-Feuerfestmaterial und nicht irgendeinem anderen Material repariert werden muß, um u.a. Kompatibi-' lität der Expansionsraten und der thermischen Leitfähigkeit beispielsweise zwischen dem Reparatur- und dem Ursprungsziegelwerk zu erreichen.
Reparaturen in der Wärme wurden bisher nach zwei unterschiedlichen Systemen durchgeführt. Nach dem einen System werden glasartige Silica-Ziegel verwendet. Glasartige Silica hat einen sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizient, so daß Ziegel bei Umgebungstemperatur unmittelbar zum heissen Reparaturort überführt werden können, ohne daß eine wesentliche Gefahr bestünde, daß sie aufgrund von Thermoschock rissen. Die Ziegel werden verlegt; ihre Zwischen-
-g-
räume mit körnigem feuerfesten Material, um diese in ihrer Lage zu halten, zugestopft und abgedichtet. Solch eine thermische Expansion der Ziegel, wie sie hier stattfindet, komprimiert die der Abdichtung dienenden Körner noch weiter. Ein Arbeiten nach diesem System führt leiter nicht zu sehr hoher Qualität in der Reparatur, da die Zwischenräume zwischen den glasartigen Silica-Ziegeln nicht luftdicht sind. Dies ist von ganz besonderer Wichtigkeit im Falle von Koksöfen wegen der verschiedenen Gaszusammensetzungen
1^ innerhalb und außerhalb solcher öfen; auch ist es beispielsweise wichtig, wenn das Dach eines Glasschmelzofens repariert werden muß. Flammen, die in einen Zwischenraum im Dach eines solchen Ofens eindringen, erodieren schnell das umgebende Material, so daß eine weitere Reparatur bald erforderlich wird.
In dem anderen der genannten Systeme wird ein Gemisch aus fein zerkleinerten Partikeln exothermen oxidierbaren Materials sowie Partikeln aus Feuerfest-Material gegen eine Oberfläche gespritzt und während des Verspritzens gebrannt, so daß unter der Verbrennungswärme eine kohärente Feuerfest-Masse auf dieser Oberfläche gebildet wird. Besondere Beispiele solcher Prozesse sind in der britischen Patentschrift 1 330 984 (Glaverbel) sowie in der britischen
Patentanmeldung 82 33 319 beschrieben. Solche Verfahren können zu höchst wirksamen Reparaturen führen, denn die Rate der Anwendung des neuen Materials ist jedoch nicht hoch und dort, wo Silicium als das oder ein exotherm oxidierbares Material verwendet wird (wie dort gefordert oder empfohlen) wird das Verfahren ziemlich teuer, insbesondere für vergleichsweise große Reparaturen.
Das Prinzip der Erfindung basiert auf der Tatsache, daß im Gegensatz zu dem, was zu erwarten war, die beiden bekannten Systeme sich modifizieren und kombinieren lassen
und so für eine schnellere relativ preiswerte und äußerst wirksame Reparatur oder sonstige Einfügung in eine Silica-Feuerfestkonstruktion zu liefern.
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Ergänzen einer Quarz- oder Silica-Feuerfestkonstruktion in Arbeitsumgebung bei Temperaturen oberhalb 6000C. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus/ daß diese Ergänzung oder dieses Hinzufügen dadurch erfolgt, daß wenigstens ein quarzartiger Silica-Stein bzw. Quarzschamotte-Stein,im folgenden Silicastein genannt, verwendet wird, der in seiner Lage dadurch eingebunden wird, daß ein Gemisch aus fein zerkleinerten Partikeln exotherm oxidierbaren Materials sowie Partikel aus unbrennbarem feuerfestem Silica-Material aufgespritzt werden und dieses Gemisch während des Aufspritzens verbrannt wird derart, daß eine kohärente Feuerfest-Masse, die diese Bindung herbeiführt, gebildet wird.
Durch Anwendung der Erfindung ergibt sich eine wirtschaftliehe und wirksame Reparatur der Silica-Feuerfestkonstruktion. Da die Reparatur bei erhöhter Temperatur durchgeführt wird, werden die Abkühl- und Aufheizzeiten verkürzt und können sogar fortfallen, wenn die Reparatur im wesentlichen bei Arbeitstemperatur der Konstruktion, wie besonders zu bevorzugen ist, durchgeführt wird. Die Gesamtzeit, über die die Konstruktion außer Betrieb ist, wird so,verglichen mit einer Nachauskleidung bei niedriger oder Umgebungstemperatur, verringert. Weiterhin wird jegliche Gefahr, daß vorhandenes Mauerwerk, das nicht repariert zu werden braucht, durch den Kühlvorgang auf eine solch niedrige oder Umgebungstemperatur beschädigt wird (oder durch Aufheizen auf die Arbeitstemperatur) ganz erheblich vermindert und kann sogar fortfallen. Die für den eigentlichen Reparaturvorgang notwendige Zeit ist auch vermindert, verglichen mit einer Gesamtreparatur, indem eine Feuerfest-Masse in situ wie oben angegeben geformt
- ν
-t-
wird. Glasartige Silica-Ziegel sind auch weniger teuer als Ausgangsmaterialien, die in solchen Techniken oft verwendet werden.
Das der Ergänzung dienende glasartige Silica-Mauerwerk wird in seiner Lage durch eine kohärente in situ geformte Silica-Feuerfestmasse eingebunden. Dieser VerbindungsVorgang kann wirksam durchgeführt werden, wobei im wesentlichen luftdichte Verbindungen zwischen den glasartigen Silica-Ziegeln und der benachbarten Konstruktion geformt werden.
Glasartige Silica, das in Form von kohärenten Körnern glasartiger Silica vorgesehen sein kann und vorzugsweise ist, verfügt über einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten und ist daher nicht beim Erwärmen für Thermoschocks anfällig. Die Reparatur oder die sonstige Ergänzung der Konstruktion kann einfach durchgeführt werden, indem die glasartigen Silica-Ziegel bei Umgebungstemperatur in den Reparaturort gebracht werden oder auf andere Weise eingefügt werden, wobei dieser sich auf erhöhter Temperatur befindet und wobei diese dann in ihrer Lage fest eingebunden werden. Wird wenige Tage lang ununterbrochen die hohe Temperatur aufrechterhalten, so hat sich herausgestellt, daß die glasartigen Silica-Ziegel in Silica in Tridymit-und Cristobalit-Form kristallisieren und die gleiche Konstruktion wie übliche Silica-Feuerfestziegel erreichen, wenn sie somit die gleichen physikalischen Eigenschaften besitzen. Es ist überraschend, daß die in situ geformte Silica-Feuerfestmasse eine wirksame Verbindung nicht nur mit der ursprünglichen Silica-Feuerfestkonstruktion, sondern auch mit den hinzugefügten glasartigen Silica-Ziegeln bildet und daß auch die Verbindung mit dem glasartigen Silica-Mauerwerk während und nach der Umformung des hinzugefügten Silica-Mauerwerks von seinem glasartigen oder glasigen in seinem kristallinen Zustand verbleibt.
Vorzugsweise wird das glasige oder glasartige Silica-Mauerwerk im wesentlichen vollständig mit solch einer kohärenten Feuerfestmasse verkleidet.
Vorzugsweise wird der oder jener glasartige Silica-Ziegel geformt und orientiert/ so daß eine Fläche hiervon, gegen die dieses Gemisch flammengesprüht wird, über abgeschrägte Kanten verfügt. Die abgeschrägten Randkanten benachbarter Ziegel führen so zu Nuten, in welche die Feuerfestmasse flammgespritzt wird. Dies ruft eine Bindung zwischen benachbarten Ziegeln hervor und ergibt eine Verankerung für die gegebenenfalls vorhandene Verkleidung.
Wie gesagt, durch die Erfindung ergeben sich besondere Vorteile, wenn diese Einfügung durchgeführt wird, um eine Reparatur an der Originalkonstruktion durchzuführen.
Bevorzugt wird wenigstens der größere Gewichtsteil dieser fein zerkleinerten Partikel oxidierbaren Materials durch Siliciumpartikel gebildet. Dies steigert den Siliciumdioxidgehalt der in situ geformten Feuerfestmasse.
Nach einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung umfassen diese fein zerkleinerten Partikel oxidierbaren Materials Aluminiumpartikel in einer Menge, die 4 Gew.-% des Gemisches nicht überschreitet. Die Verwendung von Aluminiumpartikeln sorgt für die Entwicklung von Wärme während des Verbrennens des Gemisches beim Verspritzen. Dadurch, daß man den Aluminiumgehalt des Gemisches auf 4% begrenzt, wird der Aluminiumoxidgehalt der entstehenden Feuerfestmasse aufgrund des Verbrennens dieses Aluminiums unter 8% gehalten, so daß eine Silica-Feuerfestmasse geformt werden kann, wenn die anderen verspritzten Partikel aus Silicium oder Siliciumdioxid bestehen.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden; diese zeigen in
Fig. 1 bis 3 jeweils eine Stirn-, Seiten- und Draufsicht auf einen glasartigen Silicastein zur Verwendung beim Verfahren nach der Erfindung; und
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine
Silica-Feuerfestwandung, die erfindungsgemäß repariert wurde.
Nach Fig. 1 bis 3 der Zeichnung verfügt ein glasartiger allgemein mit 1 bezeichneter Silica-Stein über im wesentlichen quadratischen Querschnitt. Die Ränder der Stirnfläche 3 des Steins sind abgeschrägt, so daß Nuten (bei 4 in Fig. 4 gezeigt) gebildet werden, wenn solche Steine zusammengestapelt werden. Das hintere Ende des Steins ist nach oben abgestuft und bildet einen Keil, was das Stapeln in vertikaler Ausrichtung unterstützt. (Siehe hierzu Fig. 4).
Nach Fig. 4 wurde eine beschädigte Silica-Feuerfestwandung 6 repariert, indem beschädigtes Feuerfestmaterial entfernt wurde und ein Loch 7 belassen wurde, welches von gutem ursprünglichen Mauerwerk 8 umgeben ist, wobei das Loch 7 dann erneut unter Verwendung von glasartigen Silica-Steinen 1, wie die Fig. 1 bis 3 zeigen, gemauert oder gefüllt wird. Dieses Verfahren wurde im wesentlichen bei Arbeitstemperatur der Anlage, von der die Wand 6 einen Teil bildete, durchgeführt.
Nach dem Nachmauern wurden die Steine 1 mit einer Feuerfestmasse 9 verkleidet, die durch ein an sich bekanntes Flammsprühverfahren gebildet war.
Nach einem besonderen praktischen Beispiel wurde die Wandung eines Koksofens, der aus Silica-Feuerfeststeinen, hauptsächlich in Tridymit-Form gebildet war, unter Verwendung glasartiger Silica-Steine, während er sich bei einer Temperatur von 11500C befand, ausgekleidet. Das gesamte schlechte Mauerwerk wurde entfernt und der zu reparierende Bereich gereinigt. Die notwendigen glasartigen Silica-Steine wurden ohne Vorwärmung an der Basis der Wandung angeordnet. Die Steine wurden dann an ihren Ort Lage um Lage gehoben, wobei jede Lage eingebunden wurde, bevor die nächste nach einem Flammsprühverfahren verlegt wurde. Nach der vollständigen Nachausmauerung wurde der Nachausmauerungsbereich mit einem feuerfesten Material nach dem gleichen Flammspritzverfahren verkleidet.
Auf diese Weise ergab sich eine Hochqualitätsreparatur schnell und billig,
Nachdem die glasartigen Silica-Steine im Koksofen einige Tage waren, stellte man fest, daß sie kristallisiert waren und eine Innenstruktur zeitigten, die sehr ähnlich derjenigen des ursprünglichen Mauerwerks war.
Die Zusammensetzungen der glasartigen kristallisierten und ursprünglichen Steine oder Ziegel wird untenstehend (Gewichtsteile) angegeben.
Mauerwerk Rohe glasartige
Silica		 Kristallisierte
Silica		 Ursprüngli
ches Silica
Feuerfestma
terial
SiO2 92,00 94,85 95,00
CaO 4,12 4,25 2,80
MgO 0,10
0,38		 0,10
0,39		 0,80
1 Fe2°3 0 ,24
Na2O 0 ,06
κ2ο 0 ,07
TiO2 0 ,03
5
Brennverlust 3, 00.
0 ,25
1- 0 ,06
0 ,07
0 ,03
0,80 0,05 0,05 0,50
Die Verbindung und die Verblendung der glasartigen Silica-Ziegel wurde durchgeführt, indem ein Ausgangsgemisch mit 87% Siliciumdioxid, 12% Silicium und 1 % Aluminium (Gewicht) bei einem Durchsatz von 1 kg/min in 200 l/min (Normal) Sauerstoff zugeführt wurde. Das Siliciumdioxid bestand aus 3 Teilen Cristobalit und 2 Teilen Tridymit (Gewicht) bei Korngrößen zwischen 0,1 und 2,0 mm. Die Silicium- und Aluminium-Partikel hatten jeweils eine durchschnittliche Korngröße unterhalb 10 |im, wobei das Silicium eine spezifische Oberfläche von 4000 cm2/g und das Aluminium eine spezifische Oberfläche von 6000 cm2/g hatte. Bei Verbrennung des Siliciums und Aluminiums wurde eine kohärente Silica-Feuerfestmasse gebildet, die mit dem reparierten Wandbereich verbunden wurde.
Um die Wirksamkeit des Verfahrens nach der Erfindung unter den angegebenen Bedingungen zu prüfen und sie in einem Koksofen zu simulieren, wurden zwei Wände unter den im obigen Beispiel dargelegten Bedingungen gebaut. Eine dieser Wände wurde bei 1150°Cgehalten. Die andere Wand wurde wiederholt starken Wärmeschocks zehnmal hintereinander ausgesetzt, wobei diese mit einem Wassermantel beaufschlagt und dann auf 1150°C aufgeheizt wurden. Am Ende des Versuchs wurden die beiden Wandungen untersucht; ein Unterschied zwischen diesen wurde nicht festgestellt.
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Claims (6)

  1. Patentanwälte · European Patent Attorneys Dr. W. Müller-Bore f
    Dr. Paul Deufel
    Dipl.-Chem., Dipl.-Wirtsch.-Ing.
    Dr. Alfred Schön
    Dipl.-Chem.
    Werner Hertel
    Dipl.-Phys.
    Dr. Müller-Bor* und Partner ■ FOB 280247 · D -8000 München ZB
    Dietrich Lewald
    Dipl.-Ing.
    Dr.-Ing. Dieter Otto
    Dipl.-Ing.
    G 3335 Lw/sc
    Glaverbel Soc. An., Chaussee de la Hulpe 166, B 1170 Brüssel
    Belgien
    Verfahren zum Ergänzen einer Quarz- bzw. Silica-Feuerfest-
    konstruktion
    Ansprüche
    ι 1·/ Verfahren zum Ergänzen einer Quarz- bzw. Silica-Teuerfestkonstruktion in Arbeitsumgebung bei einer Temperatur oberhalb 6000C, dadurch gekennzeichnet, daß diese Ergänzung unter Verwendung wenigstens eines glasartigen Silica-Steins oder -Ziegels durchgeführt wird, der in seiner Lage dadurch eingebunden und befestigt wird, indem ein Gemisch aus fein zerkleinerten Partikeln exotherm oxydierbaren Materials sowie Partikeln aus unbrennbarem Silica-Feuerfestmaterial verspritzt wird und äas Gemisch während des Verspritzens unter Bildung einer kohärenten Feuerfestmasse, welche diese Bindung oder Verbindung erreicht, gebrannt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Mauerwerk aus glasartiger Silica im wesent-
    n.«nno München 2 POB 26 02 47 Kabel: Telefon Telecopier Infotec 6400 B Telex
    ------ 4~* TT . TTT rnnnl oonii.1l R-'M
    -2-
    lichen vollständig mit einer kohärenten Feuerfestmasse verblendet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein solcher Ziegel aus glasartiger Silica geformt und derart orientiert wird, daß eine Fläche hiervon, an der diese kohärente Feuerfestmasse gebildet wird, über abgeschrägte Randkanten verfügt.
  4. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese Ergänzung zur Durchführung einer Reparatur an der ursprünglich vorhandenen Konstruktion durchgeführt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der größere Gewichtsteil der fein zerkleinerten Partikel aus oxydierbarem Material durch Siliciumpartikel gebildet wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese fein zerkleinerten Partikel aus oxydierbarem Material Aluminiumpartikel in einer Menge, die 4 Gew.-% des Gemisches nicht übersteigt, umfassen.
DE3405051A 1983-02-18 1984-02-13 Verfahren zum Ergänzen, vorzugsweise Reparieren einer Silica-Feuerfestkonstruktion Expired - Lifetime DE3405051C2 (de)

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