HU201895B - Euárás nagyszilárdságú tűzálló anyag előállítására hőtechnikai berendezések falazatához - Google Patents

Abstract

Jelen találmány szerint nagy szilárdságú tűzálló anyagot úgy állítunk elő, hogy az üveges fázist tartalmazó anyagot bekeverés előtt átkristályosodása határáig hőkezeljük és ehhez keverjük hozzá a felületaktív anyagokat, az így előállított keveréket homogenizáljuk, majd ezt követően adjuk hozzá a külön összekevert tűzálló szemcséket és kötőanyagokat. A későbbi kötőkristályképződéshez előnyös, ha üveges fázist tartalmazó adalékot az üzemi hőmérsékletnél alacsonyabb olvadáspontú szálasanyagot tipikusan ásványanyagot választunk

Description

A találmány tárgya eljárás nagyszilárdságú tűzálló anyagok előállítására különösen hőtechnikai berendezések falazatához, béléséhez, és tűzálló kerámiák gyártásához. Alkalmazási területe tipikusan az acél, réz és alumíniumkohászat, valamint a cement és enregiaipar terén szükséges hőtechnikai berendezések hőtároló szerkezeti elemeinek elkészítése.

A hőtechnikai berendezések hőtároló szerkezeteivel; padozatok, falazatok, égő részek és egyéb elemekkel, szemben az intenzív ipari technológiák következtében fellépő fő követelmény, hogy a beépítés egyszerűsítése mellett, a berendezések hőhatároló elemei az üzemelés során fellépő eróziós és korróziós hatásokat, valamint a technológiák üzemi viteléből adódó gyors hőingadozásokat jól tűrjék, mi mellett a hőtechnikai berendezés falazati hőveszteségeit lehető alacsony szinten bitosítsák.

Ismertté vált olyan megoldás, mely szerint a nagy hőterhelésű belső réteget előre kiégetett, színtereit kerámiai anyagból, vagy a helyszínen bedolgozott tűzálló masszákból alakítják ki. Ez a réteg megfelelő korrózió- és erózióállóságú, ezért igen tömör, mimellett nagy tűzállóságú amfoter, savas, vagy bázikus alapú, de hőlökésállósága gyenge és hővezetőképessége nagy. A hőszigetelés érdekében mögéje gyengébb szilárdságú és hőállőságú hőszigetelő anyagot építenek be, egy vagy több rétegben. A hőszegetelő rétegként korábban alkalmazott habsamott, kovaföld alapú anyagokat egyre inkább kiszorítják a szálas hőszigetelő anyagok, amelyek kitűnnek kiváló hőszigetelő tulajdonságukkal, és hőlökésállóságukkal, azonban mechanikai szilárdságuk gyenge, ami a használat során folyamatosan tovább romlik, a szálak ismert átkristályosodása miatt.

Ismert probléma továbbá, hogy a nagytömörségű belső réteget alkotó idomtestek, vagy monolit szerkezet, a szárításra, hőkezelésre igen érzékeny, mivel a bedolgozott nedvesség éppen a szerkezet tömörsége miatt nehezen tud eltávozni. Ennek elkerülésére olyan döngölő, illetve öntő masszákat készítenek, melyekbe (0-7 mm) frakciójú tűzálló szemcsét is kevernek, ami viszont a késztermék korrózió és errózióállóságát rontja.

A hőkezelési problémák megoldására javasolt eljárást a HU 181. 698 lajstromszámú szabadalmi leírás vegyi kötésű masszákhoz, ami a mellett, hogy hosszadalmas, általában az égők és a hőmérsékletérzékelők elhelyezése és a szabályozási lehetőségek korlátozott volta miatt a gyakorlatban egyáltalán nem, vagy csak nagy bizonytalansággal realizálható.

Hidraulikus kötésű masszák esetében a színtereződési hőmérséklet csökkentése érdekében az SU 885.157 számú találmány, mely tűzálló szemeséként 9xl0⁵-m-nél finomabb samott őrlemény alkalmazását javasolja. A korán szintereződő samott valóban kompenzálja a cement, mint hidraulikus kötőanyag kötő képeségének csökkentéséből adódó szilárdság csökkenését, azonban a bázikus jellegű cement, a savas jellegű finom samott őrleménnyel szilárdfázisú reakcióba lépve, alacsony olvadáspontú vegyületet alkot, ami rontja a késztermék tűzállóságát.

A tűzállóság javítására az SU 1.073.224. lajstromszámú szabadalmi leírás szerint technikai timföldet adagolnak a tűzálló masszához. Az eljárás hátránya, hogy a keramizálódás a timföldet durva (3xl0'mi) 2 szemcsemérete miatt elnyújtottan és bizonytalan végeredménnyel következik be. A bizonytalan keramizálódási kötés helyett alacsonyabb hőállóságú anyagokkal üveg kötést alkalmaznak amit üvegőrlemény vagy üvegalkotók bevitelével érnek el. Ilyen megoldást ismertet a DEAS 2.117.283. számú leírás, mely szerint a masszába üvegalkotókat visznek be, ezek a hőkezelés során a tűzálló szemcséket üveggéolvadva kötik össze.

A megoldás hátránya, hogy az üveg és így a teljes tennék, szilárdsága is a hőmérséldet emelkedésével folyamatosan csökken, és messze elmarad a keramizálódással elérhetőtől.

A hőszigetelő képeség javítására és a zsugorodás csökkentésére a SU 916. 502, valamint a SU 985. 010 számú szabadalmi leírások szerinti eljárás során kettős adalékot használnak. A módszer hátránya, hogy az alkáliák bevitelével a tűzállóság romlik, mivel itt is alacsony olvadáspontú fázisok alakulnak ki, e mellett a bevitt de kiégő szerves anyagok a késztermék hőfizikai tulajdonságát, korrózióállóképességét rontják.

A kötésszilárdság, és ezzel a hőlökésállóság javítása érdekében a DE 2.914.410 lajstromszámú szabadalmi leírás a masszához elemi (azbeszt, salakgyapot, ásványgyapot) szálakat, illetve azok nyesedékét adagolják. A termék hátránya, hogy szigetelő tulajdonsága, az alkalmazott tömörítő adalékok következtében nem kielégítő, hőállósága kicsi, zsugorodása nagy.

A hőszigetelőképesség javítása érdekében a DE 2.604.756 lajstromszámú szabadalmi leírás a hőkezelés során kiégő és így üregeket képező szálas anyagot is adagolnak, ami a késztermék porozítását növeli, és a vízgőz leadását is elősegíti, azonban rontja a szilárdságot és a hőállóságot.

Összefoglalóan tehát megállapítható, hogy az ismert megoldások kizárólag az anyagösszetételben különböznek egymástól, a tűzálló massza előállítása viszont minden esetben azonos módon történik. E szerint vagy az összes alkotót előbb összemérik, majd ezt követően a masszát keveréssel illetve granulálással homogenizálják, vagypedig a relatív nagy tömegű tűzálló szemcséhez adagolják párhuzamosan a többi összetevőt.

A különböző anyagösszetételek vagy a tűzállóságot vagy a hőszegetelő képességet, vagy a kötésszilárdságot javítják ugyan, de egyidejűleg valamelyik másik paraméterre kifejezetten hátrányosak.

Jelen találmány célja a fenti ellentmondás és hiányosság megszűntetése ismert anyagi összetevők felhasználásával, olyan eljárás létrehozása, mely szerint készült tűzálló anyagnál a magas tűzálóság, a szárítási hőkezelési érzéketlenség, a jó színtereződési képesség, ezen keresztül jó szilárdság, valamint jó hőszigetelőképesség egyidejűleg biztosítható.

Jelen találmány azon a felismerésen alapszik, hogy amennyiben az egyes összetevőket nem egyszerre, hanem a találmány szerinti sorrendben keverjük össze, úgy a durva tűzálló szemcsékből és kötőanyagból álló keverék szemcséi közötti kötést, üveges fázist tartalmazó anyagból, aktív adalékból, hőkezeléssel létrehozott olyan kötőkristályokkal lehet erősíteni, melynek szilárdsága és olvadáspontja az üvegnél lényegesen magasabb.

HU 201895 Β

Ahol is az üveges fázis megjelölés jelen találmány keretei között röntgenamorf szerkezeti felépítésre utal, és a kristályos szerkezettől való megkülönböztetésre szolgál, magába foglalja tipikusan az olvasztott kőzetek hirtelen lehűtésénél keletkező struktúrákat (kőzetgyapot) is, és nem korlátozódik az egyébként röntgenamorf szerkezetű) üvegek mint anyagféleségek megjelölésére. Felületaktív anyagok pedig a fajlagosan nagy felületű, tehát finomra őrölt anyagok tipikusan 5x10'⁸-2x10‘⁶ m szemcsemérettel.

A fenti felismerés alapján jelen találmány szerint nagy szilárdságú tűzálló anyagot úgy állítunk elő, hogy az üveges fázist tartalmazó anyagot bekeverés előtt átkristályosodása határáig hőkezeljük és ehhez keverjük hozzá a felületaktív anyagokat, az így előállított keveréket homogenizáljuk, majd ezt követően adjuk hozzá a külön összekevert tűzálló szemcséket és kötőanyagokat. A későbbi kötőkristályképződéshez előnyös, ha üveges fázist tartalmazó adaléknak az üzemi hőmérsékletnél alacsonyabb olvadáspontú szálasanyagot tipikusan ásványgyapotot választunk.

A homogén eloszlás érdekében előnyös, ha az üveges fázist tartalmazó hőkezelt anyagból és felületaktív anyagból álló keverékhez, a tűzálló szemcsékből és kötőanyagokból álló keverék hozzáadását megelőzően, habokat, vagy habképző anyagokat keverünk.

A találmány szerinti készített tűzálló masszák, illetve az ebből készült szerkezetek, és kerámiák a kitűzött célnak megfelelnek az ismert eljárásokkal készült termékekhez képest tűzállóságuk, szilárdságuk egyaránt magas, a hőkezelésre érzéketlenek színtereződési képességük jó és mindemellett hőszigetelő képeségük is magasabb.

A találmány szerinti eljárás az ismeretekhez képest több nem várt előnyös hatással is jár. Ilyen előnyös hatás, hogy a magas tűzállósági összetevőkhöz üveges fázisú anyagként az üzemi hőmérsékletnél alacsonyabb olvadáspontú szálat adagolva, ezek a szálak a hőkezelés során üregeket hagyva maguk után elüvegtelenednek, és az üregek falán szilárd, rugalmas kristályos szerkezetű réteget képeznek, miáltal a késztermék kötésszilárdsága és rugalmassága is emelkedik. A létrejövő kötőkristályok olvadáspontja pedig olyan magas lesz, hogy ez nem rontja a termék tűzállóságát. Az üregek valamint az üveges fázis átalakulása pedig a nedvességleadást is segítik a hőkezelés során amellett, hogy a hőszigetelő képességet is javítják.

A találmányt részletesebben az alábbiakban példákon mutatjuk be.

Az 1. példa: tűzálló anyag, nyesedékégető gőzkazán falazatához.

A 2. példa: tűzálló anyag, iézolvasztó csatornás indukciós kemencéhez.

A 3. példa: tűzálló anyag, földgáztüzelésű égetőkemence égőkövéhez.

1. példa

A nyesedékégető gőzkazán tűzálló falazatának kialakításához az alábbi anyagösszetételt használtuk: Tűzálló szemcse:

olvasztott korund

1-7 10'³ m szemcsemérettel 77%

Kötőanyag:

tűzálló aluminát cement 13%

Felületaktív anyag szuperőrölt alumíniumoxid 1,6x10’6 m átlagos szemcsemérettel 7%

Üveges fázist tartalmazó anyag boroszilikát üvegőrlemény

10⁴ m átlagos szemcsemérettel 3%

A fenti anyagokból homogén keveréket készítünk, olymódon, hogy az üvegőrleményt 600 K’-on 6 órán át hőn tartva hőkezeltük és a felületaktív anyagokat 33OK’ hőmérsékleten szárítottuk, majd ugyanezen a hőmérsékleten az üveges fázisú adalékhoz kevertük. Ezzel párhuzamosan az olvasztott korundszemcsét bolygó homogenizálóba helyeztük, majd keverés közben a tűzálló cementet fokozatosan hozzáadunk 15 perc keverési idő után elértük azt, hogy a korundszemcsék felületét egyenletesen bevonta a kötőanyag majd ezt a keveréket folyamatos adagolással az üveges fázist tartalmazó anyagból és a felületaktív anyagból álló keverékhez adagolva 13% víz hozzáadásával homogenizáltuk, így képlékeny, döngölhető betont készítettünk, melyet nyesedékégető kazán oldalfalába és füstgázterelő boltozatába, fasablon felhasználásával beépítettünk. A berendezéshez mintegy 3,5 t anyagot használtunk fel. A falazat megkötése után a berendezéshez kíméletes terhelés mellett kezdtük üzemeltetni, hogy a falazat tökéletes szárítását elérjük, ezt követően tartós terhelés mellett üzemelt a kazán mintegy 6 hónapon keresztül. A kísérleti kazán üzemeltetésével egyidőben egy hagyományos korundmassza alapú tűzálló betonból kialakítottunk egy teljesen azonos típusú berendezést. A két berendezést közel azonos üzemidő után összehasonlítva az alábbiakat tapasztaltuk:

Hagyományos falazatú Eljárásunk alapján gyárnyesedékégető kazán tott tűzálló falazatból kialakított kazán

Üzemi tűztér
hőmérséklete:	1480 °C	1480 ’C
Üzemóra:	4120	4208
Gőztermelés	12 t/h	12 t/h
Nyesedék-salak kálium tartalom:	12,8%	12,9%
Falazatból vett mint hidegnyomó szilárdsága - üzemelés előtt	1860	1890
- üzemelés után	650	1930

(N/cm²) boltozatból vett minta hidegnyomószilárdsága

- Üzemelés előtt 1840	1900
(N/cm2) - üzemelés után 510	2570
(N/cm2) salakzónába az elhasználódás mértéke átlagosan (102 m) 5,8	2,1

HU 201895 Β

Amint a kísérleti adagok összehasonlítása alapján látható az eljárásunk alapján gyártott tűzálló falazat a kísérleti üzemidő során kedvezőbb tulajdonságokat mutatott a hagyományosan kialakított falazathoz képest. Az agresszív salakkal szembeni ellenállóképesség kedvezőbb, kedvezőbb a szilárdság is, ami azt mutatja, hogy a tűzálló masszákban fellépő szerkezeti vízeltávozás (kb. 820 °C körüli hőmérsékleten) nem járt szilárdságcsökkenéssel, így a boltozat jelentős szilárdságnövekedést mutat a hagyományoshoz képest.

2. példa

Rézolvasztó csatornás indukciós kemence.

Felhasznált keverékösszetétel:
Tűzálló szemcse természetes kyanit
8xl0'4-5xl0'3 m szemcsemérettel Kötőanyag H3PO4 oldatsűrűség	64%
(1,57 IO'3 kg/m3) Üveges fázist tartalmazó anyag	5%
G4 típusú agyag	8%
Felületaktív anyag összetétel: ÁI2O3 65%	23%
SÍO2	14%
ZÍO2 Átlagos szemcseméret: 0,7-17 mkm Fajlagos felület: 5600 m2/kg	21%

A keverék előállítása az 1. példában megadott módon történt, de csak a felhasználás helyén kevertük be a kötőanyagot és tűzálló szemcsét tartalmazó keveréket.

A rézolvasztó csatornás indukciós kemence hőszigetelését. A hagyományos módon habsamott idomtéglákkal készítettünk, ezen belül került a találmány szerinti eljárással kialakításra a falazat, acéllemezes sablonba történt döngöléssel. A döngölést a követő felfűtést a hagyományos anyagnál alkalmazott felfűtéshez képest 16 órával hamarabb lehetet befejezni a falazat épségének megőrzése mellett. A kemencében 40 tonna tömegű sárgaréz került átolvastásra. A leállást követően az alábbiakat figyeltük meg, összehasonlítva egy ismert módon falazott kemencével.

Ismert módon falazott kemence	f N/cm2 ’C	A találmány szerinti 'alázott kemence 2180 N/cm2
Szárítás után hidegnyomó szilárdság terhelés alatti lágyuláspont	2200 1620
1630	’C
Égetés után hidegnyomó szilárdság terhelés alatti:	3500	N/cm2	5400	N/cm2
lágyuláspont	1600	’C	1710	’C
hőlökésállóság kemencehő-	18	ciklus	52	ciklus
mérséklet	1410	’C	1410	’C
rézolvadék korrózió
a salakzóna alatt	18	mm	5	mm
olvadéktöltő keret tovább nem	továbbhaszná-
használhatósága	használható	latára alkalmas

Amint a példából látszik, a találmány szerint előállított tűzálló bélésanyag egyértelműen kedvezőbb tulajdonságokat mutat. A gyorsított felfűtés és az élettartam növekedésben jelentkező előny is jelentős gazdasági eredményt hoz. A döngölt szerkezet tömörsége mellett nagymérvű a szilárdságnövekedés és jobb a hőlökésállóság, mint az ismert anyagoknál.

3. példa

Földgáztüzelésű égetőkemence égőköveinek kialakításához az alábbi, találmányunk szerinti, anyagösszetételt használtunk:

Tűzálló szemcse:

Olvasztott mullit l,5-5xl0'³ m szemcsemérettel 47% Kötőanyag:

monoalumínium-foszfát kötőanyagoldat 4%

Üveges fázist tartalmazó anyag

600 K° hőmérsékleten öregbített ásványgyapot szálasanyag 5%

Felületaktív anyag 39% összetétel: AI2O3 19%

SÍO2 10% átlagos szemcsemérete:

4xl0'⁷-6,0xl0'⁶ m fajlagos felület: 9800 m²/kg

Nedvesítő anyag

EVEGÉN UM hidrolizált protein alapú hab 5%

A fenti anyagokból homogén keveréket készítünk, olymódon, hogy a felületaktív anyagot, az előzetesen 6 órán át 600 K°-on hőkezelt üveges fázisú anyaghoz, kalapácsos őrlőmalomban kevertük hozzá, majd ehhez a keverékhez EVEGÉN UM típusú nedvesítő habot kevertünk.

Az így nyert keverékhez a tűzálló szemcsékből és kötőanyagokból álló külön összekevert keveréket adagoltunk egy forgódobos keverőben.

Az eljárásunk szerint előállított tűzálló masszát égőkőmintának alkalmas lemezsablonba öntöttük, majd 24 órás szikkasztás után a sablont eltávolítva, a megszilárdult idomot 1250 K°-on hőkezeltük. A kiégetett égőkő idomot földgáz tüzelésű égetőkemencébe építettük be. Ebben a berendezésben, azonos üzemelési feltételeket biztosítva hagyományosan készített égőkövet is beépítettünk. A kemencébe épített anyag hőtechnikai jellemzői a használat előtt és 12 hónap üzemidő után a következők voltak:

Az ismert módon készített A találmány szerinti égőkő készített égőkő

1250 ’C hőkezelés utáni hideg nyomószilárdság 3900 N/cm² 5400 N/cm² hónapos üzem-

idő utáni hideg-
nyomó-szilárdság kiépítés utáni	1100 N/cm2	5000 N/cm2
megfigyelés:	erőteljes kereszt és hosszirányú repedések	néhány hajszálrepedés keresztirányban

HU 201895 Β

Amint a példából látszik, a találmány szerint előállított tűzálló égökő egyértelműen kedvezőbb tulajdonságokat mutat a folyamatos hőlökéseknek kitett helyen.

Jelen találmány keretei között számos különböző ismert anyagösszetétellel készíthető tűzálló anyag. Előnyös azonban, ha tűzálló szemcseként korundszemcsét, cirkonhomokot, cirkonörleményt, samottőrleményt, timföldet, magnezitőrleményt, krómmagnezit-őrleményt, krómcirkonkorund-őrlemény, kvarchomokot, természetes, illetve mesterséges mullit szemcsét, kovaföld-őrleményt, tűzálló anyagot, duzzasztott perlitet, habsamott-őrleményt, vagy ezek keverékét használjuk. Célszerű továbbá, ha a tűzálló szemcse mennyisége a 98%-ot nem haladja meg.

Kötőanyagként előnyösen használhatóak vegyi kötőanyagok, (foszfát, vízüveg, műgyanta, stb) hidraulikus kötőanyagok (gipsz, aluminátcement, stb), valamint kerámia kötőanyagok szuperőrölt 6x 10’⁵ m-nél finomabb szemcseméretű AI2O3, MgO, CaO, tűzálló anyag stb., továbbá ezek kombinációi, előnyös azonban, ha a kötőanyag mennyiségét legalább 1,5%-ra, de legfeljebb 48%-ra választjuk.

Felületaktív adalékanyagként használhatunk, őrléssel aktivált tűzálló anyagot, timföldet, mullitot, samottot, cirkont, illetve kvarchomokot, stb., illetve azok keverékét.

Habképző és/vagy habanyagként használhatunk kis és nagy molekulasúlyú felületaktív anyagokat (szappanok, szulfonsavak sói, fehérjék, szaponidek, alkoholok, stb.). Üveges fázisú anyagként a példákon bemutatottakon túl előnyösen használható a felületaktív anyag üveges fázisú összetevője így pl. üvegipari kemencékből kiépített használt öntött kövekből őrléssel készített felületaktív adalék tapadványként is, esetenként elegendő üveges fázisú anyagot tartalmaz. Az üveges fázisú anyag arányát azonban célszerű 0,1-6% közé megválasztani.

Alapvetően fontos azonban a találmány szerinti kedvező hatás eléréséhez, hogy a keverést a találmány szerinti sorrendben hajtsuk végre.

Claims (3)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Eljárás nagyszilárdságú tűzálló anyag előállítására hőtechnikai berendezések falazatához, melynek során tűzálló szemcséket, üveges fázist tartalmazó anyagokat, felületaktív anyagokat és kötőanyagokat, továbbá adott esetben szálasanyagokat, habokat vagy habképző anyagokat önmagában ismert tömegarányokban homogén masszává keverünk össze, amikor is kötőanyagként tipikusan vegyi és/vagy hidraulikus és/vagy kerámiai kötőanyagokat választunk, azzal jellemezve, hogy az üveges fázist tartalmazó anyagot bekeverés előtt átkristályosodása határáig hőkezeljük, ehhez keverjük a felületaktív anyago(ka)t, az így előállított keveréket homogenizáljuk, majd ezt követően adjuk hozzá a külön összekevert tűzálló szemcséket és kötőanyagokat.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy üveges fázist tartalmazó anyagként üzemi hőmérsékleten átkristályosodó anyagot, előnyösen ásványgyapotot választunk.
3. 3. Az 1. vagy 2. igénypontok szerinti eljárással, azzal jellemezve, hogy a hőkezelt anyagból és felületaktív anyagból álló keverékhez, a tűzálló szemcsékből és kötőanyag(ok)ból álló keverék hozzákeverését megelőzően, habot és/vagy habképző anyagot keverünk.