PL175110B1 - Sposób reperowania elementów ogniotrwałych na bazie tlenków - Google Patents

Abstract

1. Sposób reperowania elementów ogniotrwalych na bazie tlenków przez na- noszenie na powierzchnie elementu w podwyzszonej temperaturze i w obecnosci tlenu kompozycji proszkowej, zawierajacej czastki ogniotrwalych tlenków i czastki paliwa, wybrane sposród czastek glinu, krzemu, magnezu i ich mieszanin, reagujace egzotermicznie z tlenem z utworzeniem ogniotrwalego tlenku, znamienny tym, ze stosuje sie kompozycje proszkowa zawierajaca dodatkowo 1 do 10% wagowych czastek weglika krzemu. PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób reperowania elementów ogniotrwałych na bazie tlenków przez spawanie ceramiczne.

Tlenki krzemu, cyrkonu, glinu i magnezu stosuje się w przemyśle jako tlenki ogniotrwałe. Zwłaszcza tlenki glinu i magnezu stosuje się obecnie w przemyśle metalurgicznym, ze względu na ich odporność na wysoką temperaturę, erozję i korozję, wywoływaną takimi materiałami jak stopiony metal, żużel i kożuch żużlowy.

Materiały ogniotrwałe na bazie tlenku magnezu, znane są jako podstawowe materiały ogniotrwałe i mogą tworzyć wykładzinę kadzi do transportu stopionej stali. Wykładziny takie ulegają ścieraniu podczas użycia przez stopioną stal i żużel. Erozja wykładzin następuje zwykle na poziomie cieczy. Dlatego istnieje od czasu do czasu potrzeba reperowania takich ogniotrwałych elementów na bazie tlenku.

Proponowano reperowanie ogniotrwałych elementów przy użyciu techniki spawania ceramicznego. Przy stosowaniu tej techniki ogniotrwały element poddawany reperacji utrzymuje się w podwyższonej temperaturze, i nanosi się kompozycję proszkową w obecności tlenu, przy czym ta kompozycja proszkowa zawiera cząstki materiału ogniotrwałego i cząstki paliwa, które reagują w sposób egzotermiczny z tlenem, tworząc ogniotrwały tlenek. Dzięki temu ogniotrwała masa zostaje nałożona i przylega do ogniotrwałego elementu w miejscu jego reperacji. Taki sposób spawania ceramicznego opisano w brytyjskich opisach patentowych nr 1330894 i 2170191. Cząstki paliwa są cząstkami o takim składzie i uziarnieniu, że reagują one w sposób egzotermiczny z tlenem, tworząc ogniotrwały tlenek i uwalniając ilość ciepła potrzebną do stopienia, przynajmniej powierzchniowo, naniesionych ogniotrwałych cząstek.

Stwierdzono jednak, że gdy kompozycję proszkową składającą się z cząstek tlenku i cząstek paliwa stosuje się do reperowania elementów ogniotrwałych na bazie tlenków, a zwłaszcza elementów ogniotrwałych na bazie tlenków o wysokiej temperaturze topnienia, takich jak tlenek magnezu i tlenek glinu, powstała ogniotrwała masa może być porowata. Jeśli jej pozorna porowatość jest znaczna, wówczas masa taka może nie nadawać się do pewnych zastosowań, zwłaszcza gdy jest poddawana erozji lub korozji przez materiały stopione.

Dlatego celem wynalazku jest opracowanie sposobu reperowania elementów ogniotrwałych na bazie tlenków, umożliwiającego tworzenie masy reperującej o zadawalającej porowatości.

175 110

Nieoczekiwanie stwierdzono, że gdy stosuje się cząstki paliwa wybrane spośród cząstek magnezu, glinu, krzemu i ich mieszanin, cel ten można osiągnąć przez wprowadzenie w skład kompozycji proszkowej określonej ilości węglika krzemu. Jest to sprzeczne z ogólnie przyjętą zasadą, że skład masy reperującej powinien odpowiadać składowi powierzchni materiału ogniotrwałego, poddawanego reperacji. Ponadto, węglik krzemujest postrzegany jako materiał obojętny w procesie spawania ceramicznego i nie ulega zwilżeniu przez fazę ciekłą, powstającą podczas reakcji. Dlatego, wpływ węglika krzemu na porowatość masy jest zupełnie nieoczekiwany.

Ponadto uważa się, że dodatkowe cząstki węglika krzemu przewodzą ciepło do ogniotrwałej masy reperującej i że z czasem przedłużone eksponowanie na działanie wysokiej temperatury powoduje rozkład cząstek węglika krzemu z wytworzeniem węgla elementarnego, co jak wiadomo, zapewnia ogniotrwałą masę reperującą o dobrej odporności na korozję powodowaną przez żużel.

Sposób reperowania elementów ogniotrwałych na bazie tlenków przez nanoszenie na powierzchnię elementu w podwyższonej temperaturze i w obecności tlenu kompozycji proszkowej, zawierającej cząstki ogniotrwałych tlenków i cząstki paliwa, wybrane spośród cząstek glinu, krzemu, magnezu, i ich mieszanin, reagujące egzotermicznie z tlenem z utworzeniem ogniotrwałego tlenku, według wynalazku charakteryzuje się tym, że stosuje się kompozycję proszkową zawierającą dodatkowo 1 do 10% wagowych cząstek węglika krzemu.

Korzystnie stosuje się kompozycję proszkową zawierającą co najmniej 1% wagowy węglika krzemu. Stwierdzono, że jeśli kompozycja zawiera zbyt dużo węglika krzemu, może wogóle nie powstać masa reperująca, gdyż materiał reperujący spłynie z reperowanego miejsca. Można oczekiwać, że może to być spowodowane zatrzymywaniem zbyt dużej ilości ciepła po procesie reperacji, co prowadzi do powstania fazy ciekłej o małej lepkości. Gdy stosuje się zbyt mało węglika krzemu, nie osiąga się w znaczniejszym stopniu korzyści, płynących ze stosowania wynalazku.

Węglik krzemu korzystnie ma cząstki o małych rozmiarach. Korzystnie stosuje się kompozycję proszkową zawierającą węglik krzemu o rozmiarach cząstek poniżej 2θ0 μm. Określenie rozmiar cząstek oznacza, że materiał ma taki rozkład rozmiarów cząstek, iż co najmniej 90% wagowych cząstek mieści się w podanych granicach. Stosowane określenie średni wymiar oznacza takie wymiary, że 50% wagowych cząstek ma wymiar mniejszy niż średni.

Cząstki ogniotrwałych tlenków mogą składać się z co najmniej jednego tlenku z którego jest utworzony ogniotrwały element. Tak więc, gdy ogniotrwałym elementem tlenkowym jest element zawierający tlenek glinu, cząstki ogniotrwałego tlenku mogą stanowić cząstki tlenku glinu. Gdy ogniotrwałym elementem tlenkowym jest element zawierający tlenek magnezu, cząstki ogniotrwałego tlenku mogą stanowić cząstki tlenku magnezu.

Korzystnie, główną część wspomnianej kompozycji proszkowej tworzą cząstki ogniotrwałych tlenków, wybrane spośród tlenku magnezu, tlenku glinu i ich mieszanin. Są to tlenki, w obecności których najszybciej przebiega egzotermiczna reakcja, i dlatego występuje zwiększone ryzyko powstania wysoce porowatej masy reperującej. Korzystnie, cząstki ogniotrwałych tlenków mają rozmiary poniżej 2,5 mm, zasadniczo bez cząstek o rozmiarach powyżej 4 mm.

Cząstki paliwa są wybrane spośród cząstek magnezu, glinu, krzemu i ich mieszanin. Szczególnie korzystna jest mieszanina glinu i krzemu. Cząstki paliwa stosowane w mieszaninie korzystnie mają średnie wymiary poniżej 50 /im.

Operację reperowania zwykle prowadzi się, gdy ogniotrwały element jest gorący. Umożliwia to reperowanie zerodowanych elementów ogniotrwałych, gdy urządzenie pozostaje zasadniczo w temperaturze jego pracy.

Podwyższona temperatura, mierzona na powierzchni elementu ogniotrwałego, poddawanego reperacji, może wynosić powyżej 600°C. W tej temperaturze cząstki paliwa spalają się w obecności tlenu, tworząc ogniotrwały tlenek i generując dostateczną ilość

175 110 citepła aby spowodować utworzenie przez cząstki tlenku, wraz z produktem spalania paliwa, ogniotrwałej masy reperującej, stanowiącej naprawę.

Kompozycja proszkowa do reperowania elementów ogniotrwałych na bazie tlenków, stosowana w sposobie korzystnie zawiera od 75% do 94% wagowych ogniotrwałych cząstek stanowiących ogniotrwały tlenek, wybranych spośród cząstek tlenku glinu, tlenku magnezu, i ich mieszanin, i od 5% do 20% wagowych cząstek paliwa, reagującego egzotermicznie z tlenem z utworzeniem ogniotrwałego tlenku, wybranych spośród cząstek glinu, magnezu, krzemu, i ich mieszanin, i dodatkowo zawiera 1 do 10% wagowych cząstek węglika krzemu.

Aby uzyskać homogeniczną masę reperującą, kompozycja proszkowa powinna zawierać co najmniej 80% wagowych cząstek ogniotrwałych, włącznie z cząstkami tlenku.

Korzystnie, kompozycja proszkowa stosowana w sposobie według wynalazku zawiera od 80% do 94% wagowych ogniotrwałych cząstek tlenku, wybranego spośród cząstek tlenku glinu, tlenku magnezu i ich mieszanin, od 1% do 5% wagowych cząstek węglika krzemu, i od 5% do 15% wagowych wspomnianych cząstek paliwa.

Korzystnie, cząstki ogniotrwałe w kompozycji proszkowej, zawierające cząstki węglika krzemu, mają rozmiary co najmniej 10/zm. Gdy stosuje się zbyt małe cząstki, istnieje ryzyko, że będą one tracone podczas reakcji.

Dogodnym sposobem doprowadzania kompozycji proszkowej do powierzchni elementu ogniotrwałego poddawanego reperacji jest nanoszenie kompozycji proszkowej razem z gazem zawierającym tlen. Zwykle zaleca się prowadzić nanoszenie cząstek w obecności dużego stężenia tlenu, np. stosując jako gaz nośny tlen techniczny. W ten sposób łatwo powstaje masa reperująca, przylegająca do powierzchni, na którą nanoszone są cząstki. Ze względu na bardzo wysoką temperaturę, jaką może osiągnąć reakcja spawania ceramicznego, może ona penetrować żużel ewentualnie obecny na powierzchni ogniotrwałego elementu, poddawanego obróbce, i może zmiękczać lub stapiać powierzchnię w taki sposób, że tworzy się dobre wiązanie pomiędzy powierzchnią poddawaną obróbce a nowo utworzoną masą reperującą.

Proces ten dogodnie prowadzi się przy użyciu lancy. Odpowiednia lanca do stosowania w sposobie według wynalazku ma jeden lub większą liczbę otworów do wypływu strumienia proszku, i ewentualnie jeden lub większą liczbę otworów do wypływu gazu uzupełniającego. W przypadku reperacji, prowadzonej w gorącym środowisku, strumień gazu może wypływać z lancy chłodzonej krążącą w niej cieczą. Takie chłodzenie można łatwo osiągnąć, wyposażając lancę w płaszcz wodny. Lance takie nadają się do nanoszenia proszku z szybkością 30 do 500 kg/godzinę.

Dla ułatwienia tworzenia się regularnego strumienia proszku, cząstki ogniotrwałe korzystnie zasadniczo nie zawierają cząstek o rozmiarach większych niż 4 mm, zwłaszcza nie większych niż 2,5 mm.

Sposób według wynalazku jest szczególnie przydatny do reperowania lub konserwacji kadzi do stopionej stali, gdyż można go przeprowadzić szybko, w wysokiej temperaturze, pomiędzy kolejnymi załadowaniami kadzi, bowiem ogniotrwałe elementy, tworzące części takich kadzi, są szczególnie zagrożone przez kontakt ze stopioną stalą i żużlem. Obszarem wymagającym najczęstszych reperacji jest zwykle linia poziomu cieczy.

Wynalazek zilustrowano następującymi przykładami, nie ograniczającymi jego zakresu.

Przykład I. Utworzono masę reperującą na ściance kadzi do stopionej stali z wykładziny na bazie tlenku magnezu. Na te cegły naniesiono mieszaninę cząstek ogniotrwałych i cząstek paliwa. Temperatura ścianki wynosiła około 850°C. Mieszaninę nanoszono z szybkością 150 kg/godzinę w strumieniu czystego tlenu. Miała ona następujący skład: MgO - 87% wagowych, SiC - 5% wagowych, Si - 4% wagowych, Al - 4% wagowych.

Cząstki MgO miały maksymalny wymiar około 2 mm. Cząstki węglika krzemu miały rozmiar cząstek 125 //m. przy średnim wymiarze 51 pm. Cząstki krzemu i cząstki glinu miały maksymalny wymiar poniżej 45 ,«m.

Przykład II. (Porównawczy). Dla porównania, przeprowadzono taką samą reperację i w taki sam sposób jak opisano w przykładzie I, lecz stosując kompozycję

175 110 proszkową o następującym składzie: MgO - 92% wagowych, Si - 4% wagowych, Al - 4% wagowych.

Zmierzono gęstość pozorną i porowatość pozorną (to znaczy porowatość powodowaną przez otwarte pory) ogniotrwałych mas reperujących, stosowanych w przykładach I i II, uzyskując wyniki podane w tabeli 1.

Tabela 1

Przykład nr	Gęstość (kg/dcm3)	Porowatość (%)
I	2,9	około 8
II	2-2,4	około 20

W zmodyfikowanym przykładzie I, element zawierający tlenek glinu można reperować w podobny sposób, lecz zastępując w kompozycji proszkowej cząstki tlenku magnezu taką samą ilością cząstek tlenku glinu o takiej samej granulometrii.

Przykłady III do V. Tworzono masy reperujące na ściankach wykładziny na bazie tlenku magnezu kadzi do stopionej stali. Mieszaniny cząstek ogniotrwałych i cząstek paliwa nanoszono na takie cegły. Temperatura ścianek wynosiła około 850°C. Mieszaniny nanoszono z szybkością 60 kg/godzinę w strumieniu czystego tlenu. Miały one następujący skład (w wagowych), podany w tabeli 2:

Tabela 2

Przykład nr	III	IV	V
Si	4	4	4
Al	4	4	4
SiC	2	5	10
MgO	90	87	82

Cząstki MgO miały maksymalne wymiary około 2 mm. Cząstki węgliku krzemu miały rozmiar cząstek 125 um, przy średnich rozmiarach 57 μm. Cząstki krzemu i cząstki glinu miały maksymalne wymiary poniżej 45 μ m.

Zmierzono gęstość pozorną i porowatość pozorną (to znaczy porowatość powodowaną przez otwarte pory) ogniotrwałych mas reperujących, stosowanych w przykładach III do V, uzyskując wyniki podane w tabeli 3.

Tabela 3

Przykład nr	Gęstość (kg/dcm3)	Porowatość (%)
III	2,6	14
IV	2,7	10
V	2,9	8

Masy, uformowane na powierzchni reperowanych elementów w przykładach I, III, IV i V, w porównaniu z właściwościami mas znanych, mają większą gęstość i niższą porowatość. Pozostałe ich właściwości są typowe dla znanych mas, utworzonych w procesie spawania ceramicznego. Masy utworzone w tych przykładach zawierają następujące fazy krystaliczne:

- peryklaz (tlenek magnezu),

- spinel glinowy (tlenki magnezu i glinu),

- forsteryt (tlenki magnezu i krzemu),

- węglik krzemu.

Przykład VI. Sporządzono proszek do spawania ceramicznego o następującym składzie (w % wagowych): tlenek glinu - 87%, węglik krzemu - 5%, glin - 6%, magnez 2%.

Stosowany tlenek glinu był tlenkiem glinu topionym w piecu elektrycznym. Miał on maksymalny nominalny rozmiar ziaren 700 μ m, węglik krzemu miał takie same rozmiary

175 110 ziaren jak podano w przykładzie I, cząstki tlenku glinu miały maksymalny wymiar 45 μ m a cząstki tlenku magnezu miały maksymalny wymiar 75 μ m.

Kompozycję proszkową o takim składzie można stosować jak opisano w przykładzie I do reperowania bloku ogniotrwałego o nazwie handlowej Corhart Zac (skład: tlenek glinu/cyrkon/tlenek cyrkonu) w zbiorniku pieca do topienia szkła poniżej poziomu powierzchni roboczej stopu po częściowym opróżnieniu zbiornika dla udostępnienia reperowanego miejsca.

Masa, uformowana na reperowanej powierzchni, w porównaniu z właściwościami mas znanych, ma większą gęstość i niższą porowatość, podczas gdy jej pozostałe właściwości są typowe dla znanych mas, utworzonych w procesie spawania ceramicznego. Masa ta zawiera następujące fazy krystaliczne:

- koryndon,

- węglik krzemu,

- spinel (tlenki magnezu i glinu).

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób reperowania elementów ogniotrwałych na bazie tlenków przez nanoszenie na powierzchnię elementu w podwyższonej temperaturze i w obecności tlenu kompozycji proszkowej, zawierającej cząstki ogniotrwałych tlenków i cząstki paliwa, wybrane spośród cząstek glinu, krzemu, magnezu i ich mieszanin, reagujące egzotermicznie z tlenem z utworzeniem ogniotrwałego tlenku, znamienny tym, że stosuje się kompozycję proszkową zawierającą dodatkowo 1 do 10% wagowych cząstek węglika krzemu.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się kompozycję proszkową zawierającą co najmniej 1% wagowy węglika krzemu.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że stosuje się kompozycję proszkową zawierającą węglik krzemu o rozmiarach cząstek poniżej 200 /tm.

   * * *