DE3405051C2 - Verfahren zum Ergänzen, vorzugsweise Reparieren einer Silica-Feuerfestkonstruktion - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ergänzen, vorzugsweise Repa­ rieren einer Silica-Feuerfestkonstruktion in einer Arbeitsumgebung bei einer Temperatur oberhalb 600°C, gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

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 (silica refractories) sind in Stahlöfen, Koksöfen, Gasretorten und Glastanköfen zu sehen.

Die Erfindung läßt sich verwenden zur Modifikation einer vorhande­ nen 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 Feuerfestmate­ rial aus dem einen oder anderen Grunde beschädigt; sie müssen daher repariert werden. Große Öfen brauchen mehrere Tage, um auf Umge­ bungstemperatur von ihrer Arbeitstemperatur abzukühlen; sie erfor­ dern eine ähnliche Aufheizzeit, da das Siliciumdioxid in seiner Struktur, die in Cristobalit- und Tridymit-Form vorliegt, extrem empfindlich gegen Thermoschock bei Temperaturen zwischen 20 und 600°C ist. Cristobalit zeichnet sich darüber hinaus noch durch eine kristalline Inversion aus, die im allgemeinen zwischen 200°C und 250°C erfolgt und die begleitet ist von einer Längenänderung von etwa 1%.

Es ist daher wünschenswert, notwendige Reparaturarbeiten durch­ zuführen, während die Silica-Feuerfestkonstruktion noch heiß ist. Leider verhindert es die Empfindlichkeit üblicher Silica-Feuerfest­ ziegel gegen Thermoschock, sie bei heißen Temperaturarbeiten ein­ zusetzen, es sei denn, sie würden vorgewärmt. Solch eine Vorwärmung ist jedoch zeitraubend.

Es ist außerdem notwendig, daß eine Silica-Feuerfestwand mit dem erwähnten Silica-Feuerfestmaterial und nicht mit irgendeinem ande­ ren Material repariert werden muß, um u. a. Kompatibilität 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 Wärmeausdehnungskoeffizienten, so daß Ziegel bei Umgebungstempera­ tur unmittelbar zum heißen Reparaturort überführt werden können, ohne daß eine wesentliche Gefahr bestünde, daß sie aufgrund von Thermoschock rissen. Die Ziegel werden verlegt; ihre Zwischenräume mit körnigem feuerfesten Material, um diese in ihrer Lage zu hal­ ten, zugestopft und abgedichtet. Solch eine thermische Expansion der Ziegel, wie sie hier stattfindet, komprimiert die der Abdich­ tung dienenden Körner noch weiter. Ein Arbeiten nach diesem System führt leider nicht zu sehr hoher Qualität in der Reparatur, da die Zwischenräume zwischen den glasartigen Silica-Ziegeln nicht luft­ dicht sind. Dies ist von ganz besonderer Wichtigkeit im Falle von Koksöfen wegen der verschiedenen Gaszusammensetzungen 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 oxothermen oxidierbaren Materials sowie Partikeln aus Feuerfest-Material gegen eine Oberfläche gespritzt und während des Verspritzens gebrannt, so daß unter der Verbren­ nungswärme eine kohärente Feuerfest-Masse auf dieser Oberfläche gebildet wird. Besondere Beispiele solcher Prozesse sind in der britischen Patentschrift 13 30 894 (Glaverbel) sowie in den nicht vorveröffentlichten britischen Patentschriften 21 10 200 und 21 54 288 und der DE-OS 20 53 420 beschrieben. Solche Verfahren können zu höchst wirksamen Reparaturen führen. Die Anwendung des neuen Mate­ rials ist jedoch selten, und da Silicium als das oder ein exotherm oxidierbares Material verwendet wird, ist das Verfahren ziemlich teuer, insbesondere für vergleichsweise große Reparaturen.

Das Prinzip der Erfindung basiert auf der Tatsache, daß im Gegen­ satz zu dem, was zu erwarten war, die beiden bekannten Systeme sich modifizieren und kombinieren lassen, um so eine schnellere relativ preiswerte und äußerst wirksame Reparatur oder sonstige Einfügung in eine Silica-Feuerfestkonstruktion zu ermöglichen.

Ausgehend von dem gattungsgemäßen Verfahren soll die Aufgabe gelöst werden, dabei eine möglichst monolithische, nicht erodierende Struktur des reparierten bzw. ergänzten Bereichs der Feuerfestkon­ struktion zu erreichen. Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung dieser Aufgabe durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs aufgeführten Maßnahmen.

Durch Anwendung der Erfindung ergibt sich gegenüber Reparaturen, die eine Abkühlung der Feuerfestauskleidung erfordern, eine wirt­ schaftliche und wirksame Reparatur der Silica-Feuerfestkonstruk­ tion. Da die Reparatur bei erhöhter Temperatur durchgeführt wird, werden die Abkühl- und Aufheizzeiten verkürzt und können sogar fortfallen, wenn die Reparatur im wesentlichen bei Arbeitstempera­ tur 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 (oder durch das anschließende Aufheizen auf die Arbeitstemperatur) beschädigt wird, ganz erheblich vermindert. Die für den eigentlichen Reparaturvorgang notwendige Zeit ist auch vermindert, verglichen mit einer Gesamtreparatur, indem eine Feuer­ fest-Masse in situ wie oben angegeben geformt wird. Glasartige Silica-Ziegel sind auch weniger teuer als Ausgangsmaterialien, die in solchen Techniken oft verwendet werden. Aus diesem Grund ist das erfindungsgemäße Verfahren auch preisgünstiger als das eingangs als bekannt angegebene Aufspritzverfahren gemäß DE-OS 20 53 420.

Das der Ergänzung dienende glasartige Silica-Mauerwerk wird in seiner Lage durch eine kohärente in situ geformte Silica-Feuerfest­ masse eingebunden. Dieser Verbindungsvorgang kann wirksam durch­ geführt werden, wobei im wesentlichen luftdichte Verbindungen zwischen den glasartigen Silica-Ziegeln und der benachbarten Kon­ struktion geformt werden.

Glasartiges Silica verfügt über einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten und ist daher beim Erwärmen nicht für Thermoschocks anfällig. Die Reparatur oder die sonstige Ergänzung der Konstruktion kann einfach durchgeführt werden, indem die glasartigen Silica-Ziegel bei Umgebungstemperatur an den Reparaturort gebracht werden, an dem eine erhöhte Temperatur herrscht. Dort werden die Ziegel dann in ihrer Lage fest eingebun­ den. Wird wenige Tage lang ununterbrochen die hohe Temperatur aufrechterhalten, so hat sich herausgestellt, daß die glasartigen Silica-Ziegel in Tridymit- und Cristobalit-Form kristallisieren und somit die gleiche Struktur wie übliche Silica-Feuerfestziegel erreichen und damit die gleichen physikalischen Eigenschaften besitzen. Es ist überraschend, daß die in situ geformte Silica- Feuerfestmasse eine wirksame Verbindung nicht nur mit der ursprüng­ lichen Silica-Feuerfestkonstruktion, sondern auch mit den hinzuge­ fügten glasartigen Silica-Ziegeln bildet und daß auch die Verbin­ dung mit dem glasartigen Silica-Mauerwerk während und nach der Umformung des hinzugefügten Silica-Mauerwerks von seinem glasarti­ gen oder glasigen in seinem kristallinen Zustand verbleibt.

Vorzugsweise wird das glasige oder glasartige Silica-Mauerwerk im wesentlichen vollständig mit solch einer kohärenten Feuerfestmasse verblendet.

Vorzugsweise werden die glasartigen Silica-Ziegel so geformt und orientiert, so daß eine durch sie gebildete Fläche, gegen die das 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 gleichzei­ tig eine Verankerung für die gegebenenfalls durchzuführende Ver­ blendung.

Durch die Erfindung ergeben sich insbesondere Vorteile, wenn sie zur Reparatur an der Originalkonstruktion angewendet wird.

Bevorzugt wird wenigstens der größere Gewichtsteil des oxidierbaren Materials durch Siliciumpartikel gebildet. Dies steigert den Sili­ ciumdioxidgehalt der in situ geformten Feuerfestmasse.

Nach einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung umfassen diese fein zerkleinerten Partikel oxidierbaren Materials Alumini­ umpartikel in einer Menge, die 4 Gew.-% des Gemisches nicht über­ schreitet. 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 Feuer­ festmasse aufgrund des Verbrennens dieses Aluminiums unter 8% gehalten, so daß eine Silica-Feuerfestmasse geformt werden kann, wenn die anderen verspritzten Partikel aus Silicium oder Silicium­ dioxid 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 Silica-Stein zur Verwendung beim Verfahren nach der Erfindung; und

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine Silica-Feuer­ festwandung, 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 abge­ schrägt, 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 repa­ riert, indem beschädigtes Feuerfestmaterial entfernt wurde und ein Loch 7 belassen wurde, welches von gutem ursprünglichen Mauerwerk 8 umgeben ist, wobei das Loch 7 dann unter Verwendung von glas­ artigen Silica-Steinen 1, wie die Fig. 1 bis 3 zeigen, ausgemauert oder gefüllt wird. Dieses Verfahren wurde im wesentlichen bei Arbeitstemperatur der Anlage, von der die Wand 6 einen Teil bilde­ te, durchgeführt.

Nach dem Nachmauern wurden die Steine 1 mit einer Feuerfestmasse 9 verkleidet, die durch ein an sich bekanntes Flammsprühverfahren aufgebracht wurde.

Nach einem besonderen praktischen Beispiel wurde die Wandung eines Koksofens, der aus Silica-Feuerfeststeinen, hauptsächlich in Tridy­ mit-Form gebildet war, unter Verwendung glasartiger Silica-Steine, während er sich bei einer Temperatur von 1150°C befand, ausgeklei­ det. 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 Lage um Lage in ihre Einbauposition gehoben, wobei jede Lage eingebunden wurde, bevor die nächste unter Anwen­ dung des Flammsprühverfahrens verlegt wurde. Nach der vollständigen Nachausmauerung wurde der Nachausmauerungsbereich mit einem feuer­ festen 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 ursprüng­ lichen Mauerwerks war.

Die Zusammensetzungen der glasartigen kristallisierten und ur­ sprünglichen Steine oder Ziegel wird untenstehend (Gewichtsteile) angegeben.

Die Verbindung und die Verblendung der glasartigen Silica-Ziegel wurde durchgeführt, indem ein Ausgangsgemisch mit 87% Siliciumdi­ oxid, 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 Tridy­ mit (Gewicht) bei Korngrößen zwischen 0,1 und 2,0 mm. Die Silicium- und Aluminium-Partikel hatten jeweils eine durchschnittliche Korn­ größe unterhalb 10 µm, wobei das Silicium eine spezifische Ober­ fläche 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 darge­ legten Bedingungen gebaut. Eine dieser Wände wurde bei 1150°C gehalten. Die andere Wande wurde wiederholt starken Wärmeschocks zehnmal hintereinander ausgesetzt, wobei diese mit einem Wasser­ mantel beaufschlagt und dann auf 1150°C aufgeheizt wurden. Am Ende des Versuchs wurden die beiden Wandungen untersucht; ein Unter­ schied zwischen diesen wurde nicht festgestellt.

Claims (5)

1. Verfahren zum Ergänzen, vorzugsweise Reparieren, einer Silica-Feuerfestkonstruktion, in der die Silica hauptsächlich in kristalliner Form vorliegt, unter Beibehaltung einer Temperatur von oberhalb 600°C in der Arbeitsumgebung, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) in dem zu ergänzenden Bereich werden an der dort vorhandenen Feuerfestkonstruktion ein oder mehrere, eine unterhalb der Arbeits­ temperatur liegende Umgebungstemperatur auf­ weisende, glasartige Silica-Steine oder -ziegel positioniert,
• b) die Positionierung erfolgt dadurch, daß zur Einbindung des oder der Silica-Steine ein aus fein zerkleinerten Partikeln exotherm oxidierbaren Materials und aus Partikeln unbrennbaren Silica-Feuerfestmaterials be­ stehendes Gemisch auf die zu ergänzende oder zu reparierende Fläche der Feuerfestkonstruk­ tion und auf die Silica-Steine gespritzt wird, wobei das Gemisch durch Verbrennen des exotherm oxidierbaren Materials während des Aufspritzens unter Bildung einer kohärenten Feuerfestmasse gebrannt wird,
• c) infolge Aufrechterhaltung der über 600°C liegenden Arbeitstemperatur wird nach der Reparatur eine Überführung der glasartigen Struktur der Silica-Steine in eine aus Tridymid und Kristobalid bestehende kristalline Struktur vorgenommen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Gemisches, in dem zumindest der größere Gewichtsanteil des oxidierbaren Materials aus Silicium-Partikeln besteht.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch verwendet wird, in dem die fein zerkleinerte Masse des oxidierbaren Materials Aluminiumpartikel in einer 4 Gew.-Prozente des Gemisches nicht über­ steigenden Menge enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der vorherge­ gangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die eingebrachten glasartigen Silica-Steine oder -Ziegel vollständig mit einer kohärenten Feuerfestmasse verblendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß abge­ schrägte Kanten aufweisende Silica-Steine bzw. -Ziegel verwendet und unter Bildung einer Nuten aufweisenden Mauerwerksoberfläche an der zu er­ gänzenden bzw. zu reparierenden Stelle der Feuer­ festkonstruktion positioniert werden.