NL8400479A - Aanvullen van silica-hittebestendige structuren. - Google Patents

Description

,ν N/31.857-Kp/vdM * * - 1 -

Aanvullen van silica-hittebestendige structuren.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het aanvullen van een silica-hittebestendige structuur in een werkomgeving met een temperatuur boven 600°C.

De uitdrukking "silica" wordt gebruikt in de zin 5 van de Britse Standaard 3446, waarbij "silica-hittebestendig materiaal" betekent een hittebestendig materiaal, dat in de gebrande toestand niet minder dan 92 gew.% SiC^ bevat.

De voornaamste toepassingen van silica-hittebestendige materialen vindt men in staalovens, cokesovens, gas-10 retorten en glastankovens.

De uitvinding kan worden toegepast voor het modificeren van een bestaande structuur, bijv. bij de bouw van een wand of kanaal voor het afvoeren van rookgassen of voor andere doeleinden, ofschoon thans wordt aangenomen, dat de voornaam-15 ste toepassing van de onderhavige uitvinding zal liggen op het gebied van het repareren van beschadigde structuren en vandaar ook dat de beschrijving dienovereenkomstig zal worden gericht in hoofdzaak op de toepassing van de uitvinding voor het laatst genoemde doeleinde.

20 Na verloop van tijd verslechteren de silica- hittebestendige structuren om de een of andere reden, met het gevolg dat zij gerepareerd dienen te worden. Bij grote ovens neemt het enkele dagen in beslag voordat deze vanaf hun bedrijf stemperatuur tot omgevingstemperatuur afkoelen, terwijl 25 zij een soortgelijke verwarmingstijd nodig hebben, omdat het siliciumdioxide in hun structuur, aanwezig in de vorm van kristobaliet en tridymiet, uiterst gevoelig is voor thermische shock bij temperaturen tussen 20 en 600°C. Vooral kristobaliet is gekenmerkt door een kristallijne inversie, in het 30 algemeen tussen 200 en 250°C, hetgeen gepaard gaat met een lengteverandering van ca. 1 %.

Dientengevolge is het wenselijk de nodige reparatie uit te voeren, terwijl de silica-hittebestendige structuur nog heet is. Helaas komen de gebruikelijke hittebestendige 35 silicabakstenen ten gevolge van hun gevoeligheid voor thermi- 8400479 O v - 2 - sche shock in feite niet in aanmerking voor reparatiewerk, tenzij zij voorverhit zijn. Opgemerkt wordt, dat een dergelijke voorverhitting eveneens tijdrovend is.

Het zal duidelijk zijn, dat het noodzakelijk is 5 dat een silica-hittebestendige wand gerepareerd kan worden met silica-hittebestendig materiaal, in plaats van een ander materiaal, teneinde verenigbaarheid te verkrijgen met o.a. expan-siesnelheden en thermische geleiding tussen de reparatiebak-steen en de originele baksteen.

i 10 Warmte-reparatiewerkzaamheden zijn in het verle den uitgevoerd volgens twee verschillende systemen. Volgens het ene systeem werd gebruik gemaakt van glasachtige silica-bakstenen. Glasachtig silica heeft een zeer kleine thermische expansiecoëfficiënt, zodat bakstenen bij omgevingstemperatuur 15 direct kunnen worden geplaatst op de hete reparatieplek zonder enig noemenswaardig risico dat zij scheuren gaan vertonen tengevolge van de thermische shock. De bakstenen werden op elkaar gelegd en hun tussenruimtes werden opgevuld met een korrelvormig hittebestendig materiaal, teneinde ze op hun plaats te 20 houden. Een dergelijke thermische expansie, die daadwerkelijk plaatsvindt, drukt de pakkingkorrels samen. Helaas restulteert het toepassen van dit systeem niet in een zeer hoge kwali-teitsrkparatie, aangezien de tussenruimtes tussen de glasachtige silicabakstenen niet luchtdicht zijn. Dit is van zeer 25 groot belang in het geval van cokesovens, wegens de verschillende gasmengsels binnen en buiten dergelijke ovens en is bovendien van belang wanneer bijv. het dak van een glassmelt-tankoven dient te worden gerepareerd. Wanneer in een tussenruimte in het dak van een dergelijke oven een vlam binnen-30 dringt, zal het omringende materiaal snel eroderen, zodat spoedig een nieuwe reparatie vereist is.

Volgens het andere systeem werd een mengsel van fijn verdeelde deeltjes van exotherm oxideerbaar materiaal en deeltjes van hittebestendig materiaal tegen een oppervlak ge-35 slingerd en gebrand tijdens het slingeren, zodat onder invloed van de verbrandingswarmte een coherente hittebestendige massa op het oppervlak wordt gevormd. Typische voorbeelden van dergelijke methodes zijn beschreven in Glaverbel's Britse oc- 8400479 - 3 - trooischrift 1.330.984 en in de daarmee samenhangende Britse octrooiaanvrage 82.33.319 (Publikatienummer GB A).

Dergelijke methodes kunnen leiden tot zeer goede reparaties, maar de opbrengsnelheid van nieuw materiaal is niet hoog, ter-5 wijl wanneer als erts silicium, een exotherm oxideerbaar materiaal, wordt gebruikt (als aanbevolen of vereist in die octrooischriften) blijkt de methode te kostbaar te zijn, in het bijzonder voor naar verhouding grote reparaties.

De onderhavige uitvinding is gebaseerd op het 10 erkennen van het feit dat in tegenstelling tot wat men zou verwachten, deze twee bekende systemen kunnen worden gemodificeerd en gecombineerd voor de verschaffing van een snelle, naar verhouding goedkope en zeer effectieve reparatie of andere aanvulling aan een silica-hittebestendige structuur.

15 De uitvinding verschaft thans een werkwijze voor het aanvullen van een silica-hittebestendige structuur in een werkomgeving bij een temperatuur boven 600°C, met het kenmerk, dat een dergelijke aanvulling wordt verkregen door toepassing van tenminste één glasachtige silicabaksteen, die op zijn 20 plaats wordt gebonden door het er tegenaan slingeren van een mengsel van fijn verdeelde deeltjes van exotherm oxideerbaar materiaal en deeltjes van silica-onbrandbaar en -hittebestendig materiaal, terwijl het mengsel tijdens het er tegenaan slingeren verbrand wordt, onder vorming van een coherente 25 hittebestendige massa onder teweegbrenging van een dergelijke binding.

De praktijk van de uitvinding resulteert in een economische en effectieve reparatie van de silica-hittebestendige structuur. Omdat de reparatie plaatsvindt bij verhoogde 30 temperatuur worden koel- en verwarmingstijden verkort en kunnen zelfs geëlimineerd worden indien de reparatie wordt uitgevoerd bij praktisch bedrijfstemperatuur van de structuur, hetgeen in het bijzonder de voorkeur verdient. De totale tijdsduur, waarbij een dergelijke structuur buiten werking wordt 35 gesteld, is derhalve bekort, vergeleken met het opnieuw betegelen bij- lage of omgevingstemperatuur. Bovendien wordt elke kans op beschadiging van de bestaande bakstenen, die geen reparatie behoeven te ondergaan, door afkoeling tot een lage 8400479 - 4 - of omgevingstemperatuur (of door opnieuw verhitten tot bedrijf stemperatuur) sterk verminderd, dan wel geëlimineerd.

Ook de voor de werkelijke reparatie benodigde tijd is verminderd, vergeleken met reparatie die plaatsvindt door de vorming 5 van hittebestendige massa in situ, zoals boven uiteengezet. Glasachtige silicabakstenen zijn bovendien goedkoper dan de uitgangsmaterialen, die vaak in dergelijke technieken worden gebruikt.

Het aangevulde glasachtige silicasteenwerk wordt 10 op zijn plaats gebonden door een in situ gevormde coherente silica-hittebestendige massa. Een dergelijke binding kan gemakkelijk worden gerealiseerd onder vorming van praktisch luchtdichte verbindingen tussen de glasachtige silicabakstenen en de aangrenzende structuur.

15 Glasachtige silica, die aanwezig kan zijn in de vorm van coherente korrels van glasachtige silica, hetgeen de voorkeur verdient, heeft een kleine thermische expansiecoëffi-ciënt en is derhalve niet gevoelig voor thermische shock bij verhitting. De reparatie of andere aanvulling van de structuur 20 kan gemakkelijk worden uitgevoerd door de glasachtige silicabakstenen bij omgevingstemperatuur te plaatsen op de plek van de reparatie of andere aanvulling met verhoogde temperatuur, waarbij de bakstenen op hun plaats worden gebonden. Binnen enkele dagen van voortgezette blootstelling aan hoge tempera-25 tuur is gebleken, dat de glasachtige silicabakstenen geleidelijk kristalliseren tot silica in tridymiet- en kristobaliet-vorm, onder oplevering van dezelfde structuur welke verkregen wordt bij de normale silica-hittebestendige bakstenen, wanneer zij dezelfde fysische eigenschappen hebben. Het is verrassend dat 30 de in situ gevormde silica-hittebestendige massa een effectieve binding vormt, niet slechts met de originele silica-hittebestendige structuur, maar ook met het toegevoegde glasachtige silicasteenwerk, terwijl de binding ten opzichte van het glasachtige silicasteenwerk effectief blijft tijdens en na de 35 overgang van het toegevoegde silicasteenwerk van zijn glasachtige naar zijn kristallijne vorm.

Met voordeel ondervindt een dergelijke glasachtig silicasteenwerk praktisch volledig een coherente hittebesten- 8400479 - 5 - dige massa.

Bij voorkeur heeft elke glasachtige silicabak-steen een zodanige vorm en oriëntatie, dat een vlak ervan tegen het genoemde mengsel "flame-sprayed" wordt afgeschuinde 5 randen heeft. De afgeschuinde randen van de aangrenzende bakstenen geven derhalve aanleiding tot groeven, waarin de hittebestendige massa wordt "flame-sprayed". Hierdoor wordt tussen de aangrenzende bakstenen binding bewerkstelligd, terwijl bovendien een steun voor de bekleding, indien aanwezig, wordt 10 verschaft.

Zoals eerder vermeld verschaft de uitvinding in het bijzonder voordelen wanneer de aanvulling wordt gebruikt voor reparatie van de originele structuur.

Het verdient aanbeveling dat tenminste het groot-15 ste gewichtsdeel van de fijn verdeelde deeltjes van het oxi-deerbare materiaal bestaat uit siliciumdeeltjes. Hierdoor wordt het siliciumdioxidegehalte van de hittebestendige massa die in situ wordt gevormd, verhoogd.

In sommige vóorkeursuitvoeringsvormen van de uit-20 vinding bevatten de fijn verdeelde deeltjes van het oxideer-bare materiaal aluminiumdeeltjes in een hoeveelheid van niet meer dan 4 gew.% van het mengsel. De toepassing van aluminiumdeeltjes bevordert de warmte-ontwikkeling tijdens branden van het mengsel op het moment dat het mengsel wordt aangebracht.

25 De beperking van het aluminiumgehalte van het mengsel tot 4 % zal het aluminiumoxidegehalte van de verkregen hittebestendige massa ten gevolge van het branden van dat aluminium beneden 8 % houden, zodat de silica-hittebestendige massa kan worden gevormd wanneer de andere opgebrachte deeltjes uit silicium 30 of siliciumdioxide bestaan.

Enkele voorkeursuitvoeringsvormen volgens de uitvinding zullen thans worden besproken aan de hand van de bijgaande tekening, waarin: figuren 1-3 resp. eind-, zij- en bovenaanzicht 35 van een glasachtige silicabaksteen weergeven, geschikt voor toepassing volgens de onderhavige werkwijze en figuur 4 een dwarsdoorsnede van een silica-hittebestendige wand toont, welke gerepareerd is volgens de uit- 8400479 Ό * - 6 - f vinding.

In figuren L-3 van de tekeningen heeft een glasachtige silica-baksteen, in het algemeen aangeduid met het verwijzingscijfer 1, een vierkante dwarsdoorsnede. De randen 5 2 van het kopeinde 3 van de baksteen zijn afgeschuind, onder vorming van groeven (aangegeven met het verwijzingscijfer 4 in figuur 4), wanneer dergelijke bakstenen op elkaar zijn gestapeld. Het staarteinde 5 van de baksteen 1 is trapsgewijs uitgevoerd, onder verschaffing van een steunpunt, teneinde 10 stapeling in vertikale richting te bevorderen. Zie wederom figuur 4.

In figuur 4 is een beschadigde silica-hittebe-stendige wand 6 gerepareerd door verwijdering van het beschadigde hittebestendige materiaal, onder achterlating van een 15 holte 7, omgeven door goed, origineel steenwerk 8, terwijl de holte 7 is opgevuld onder gebruikmaking van glasachtige silicabakstenen 1, 'zoals afgebeeld in figuren 1-3. Deze methode werd uitgevoerd praktisch bij de bedrijfstemperatuur van de installatie, waarvan de wand 6 deel uitmaakte.

20 Na het opnieuw betegelen werden de glasachtige silicabakstenen 1 bekleed met een hittebestendige massa 9, die in situ werd gevormd met behulp van op zichzelf bekende "flame-spraying"-technieken.

In een specifiek praktisch voorbeeld werd een 25 wand van een cokesoven gevormd uit silica-hittebestendige bakstenen in hoofdzaak In de tridymietvorm opnieuw betegeld, onder gebruikmaking van glasachtige silicabakstenen bij een temperatuur van 1150°C. Al het slechte steenwerk werd verwijderd en het te repareren gebied werd schoongemaakt. De ver-30 eiste glasachtige silicabakstenen werden aangebracht, zonder voorverhitting, aan de onderkant van de wand. De bakstenen werden vervolgens per laag op hun plaats gebracht, waarbij elke laag aan elkaar gebonden werd voorafgaande aan het aanbrengen van de volgende laag, met behulp van een "flame-35 spraying"-techniek. Na volledig betegelen werd het opnieuw betegeldegebied bekleed met hittebestendig materiaal, onder toepassing van dezelfde ,,flame-spraying"-techniek.

Op deze manier werd een zeer hoogwaardige repa- 8400478 - 7 - ratie snel en goedkoop verkregen.

Na verloop van enkele dagen verblijf van de glasachtige silicabakstenen in de cokesoven bleken de bakstenen te zijn uitgekristalliseerd en hun inwendige structuur te hebben 5 aangenomen, die sterke overeenkomst vertoonde met die van het oorspronkelijke steenwerk.

De samenstellingen van de glasachtige, uitgekristalliseerde en originele bakstenen zijn hieronder weergegeven (gewichtsdelen).

10 ruw glas- gekristal- origineel achtige liseerde silica-hitte- steenwerk silica silica bestendig materiaal

Si02 92,00 94,85 95,00 15 CaO 4,12 4,25 2,80

MgO 0,10 0,10 A1203 0,38 0,39 0,80

Fe203 0,24 0,25 0,80

Na20 0,06 0,06 0,05 20 K20 0,07 0,07 0,05

Ti02 0,03 0,03 0,50

Verlies tijdens branden 3,00.

Het samenbinden en bekleden van de glasachtige silicabakstenen vond plaats door opspuiten van een uitgangs-25 mengsel van 87 % siliciumdioxide, 12 % silicium en 1 % aluminium (per gewicht), aangevoerd bij een snelheid van 1 kg/min in 200 1/min (normaal) zuurstof. Het verbruikte siliciumdioxide bestond uit 3 delen kristobaliet en 2 delen tridymiet (per gewicht) bij een korrelgrootte van tussen 0,1 en 2,0 mm. De 30 silicium- en aluminiumdeeltjes hadden elk een gemiddelde deeltjesgrootte kleiner dan 10 jm, waarbij het silicium een soortelijk oppervlak van 4000 cm2/g had en het aluminium een 2 soortelijk oppervlak van 6000 cm /g. Bij verbranding van het silicium en aluminium werd een coherente 'silica-hittebesten-35 dige massa verkregen, welke verbonden was met het gerepareerde wandgebied.

8400479 - 8 -

V' V

. * l

Teneinde de doelmatigheid van de onderhavige werkwijze te onderzoeken onder condities, die overeenkwamen met die in een cokesoven, werden twee wanden gebouwd onder de in het boven genoemde voorbeeld vermelde omstandigheden. Eén 5 van deze wanden werd op 1150°C gehouden. De andere wand werd herhaaldelijk onderworpen aan strenge thermische shocks door daarop tien keer een watermantel aan te brengen en dan opnieuw te verhitten tot 1150°C. Aan het eind van de proef werden de twee wanden onderzocht en ze bleken onderling geen verschillen 10 te vertonen.

15 84 0 0 4 7 9

Claims (6)

1. Werkwijze voor het aanvullen van een silica-hittebestendige structuur in een werkomgeving bij een temperatuur boven 600°C, met het kenmerk, dat een 5 dergelijke aanvulling wordt gedaan door gebruikmaking van tenminste één glasachtige silicabaksteen, die op zijn plaats wordt gebonden door opspuiting van een mengsel van fijn verdeelde deeltjes van exotherm oxideerbaar materiaal en deeltjes van silica-onbrandbaar hittebestendig materiaal, terwijl het 10 mengsel tijdens het opspuiten wordt verbrand, onder vorming van een coherende hittebestendige massa, die een dergelijke binding bewerkstelligt.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk , dat het glasachtige silicasteenwerk praktisch 15 volledig wordt bekleed met de coherente hittebestendige massa.

3. Werkwijze volgens conclusie l of 2, met het kenmerk, dat tenminste één glasachtige silicabaksteen zodanig wordt gevormd en georiënteerd, dat één vlak ervan, waaraan de coherente hittebestendige massa wordt ge- 20 vormd, afgeschuinde randen heeft.

4. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de aanvulling wordt gebruikt voor het repareren van de originele structuur.

5. Werkwijze volgens een der voorgaande conclu- 25 sies, met het kenmerk, dat tenminste het grootste gewichtsdeel van de fijn verdeelde deeltjes van oxideerbaar materiaal bestaat uit siliciumdeeltjes.

6. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de fijn verdeelde 30 deeltjes van oxideerbaar materiaal aluminiumdeeltjes zijn, in een hoeveelheid van niet meer dan 4 gewichtsprocent van het mengsel. 35 8400479