PL180722B1 - Sposób wytwarzania krystalicznej krzemowej masy ogniotrwalej PL PL PL PL PL - Google Patents

Abstract

1. Sposób wytwarzania krystalicznej krzemowej masy ogniotrwalej przez rzutowanie gazowego tlenu, stalych czastek ogniotrwalych i stalych czastek palnych stanowiacych czastki krzemu, na powierzchnie w taki sposób, ze na powierzchni tej przebiega reakcja po- miedzy palnymi czastkami a gazowym tlenem, uwalniajaca na tej powierzchni cieplo reakcji z wytworzeniem spoistej masy ogniotrwalej stanowiacej krystobalit, znamienny tym, ze stosu- je sie stale ogniotrwale czastki stanowiace krzemionke w postaci szkla kwarcowego, a powie- rzchnia, na która sa one rzutowane ma temperature co najmniej 1000°C. PL PL PL PL PL

Description

Wynalazek dotyczy sposobu wytwarzania krystalicznej krzemowej masy ogniotrwałej zawierającej krystobalit. Sposób ten można wykorzystywać do wytwarzania masy jako takiej, np. do wytwarzania ogniotrwałych cegieł lub bloków, stosowanych do budowy lub reperowania pieców, lub może być procesem reperowania in situ zniszczonej powierzchni ogniotrwałego materiału krzemowego, np. w piecach przemysłowych, takich jak piece szklarskie.

W sposobie tym stosuje się ogólnie znaną technikę „spawania ceramicznego”, w której mieszaninę stałych cząstek ogniotrwałych i stałych cząstek palnego paliwa z metalu lub metaloidu, takiego jak glin i krzem, rzutuje się na reperowaną powierzchnię i poddaje tam reakcji z gazem bogatym w tlen, zwykle zasadniczo czystym tlenem tak, że ciepło z reakcji paliwa jest uwalniane na powierzchni i powstaje spoistna ogniotrwała masa reperacyjna.

Takie „spawanie ceramiczne” opisano w brytyjskich opisach patentowych nr 1330894 (Glaverbel) i 2170191 (Glaverbel), zgodnie z którymi na powierzchni tworzy się spoistą masę ogniotrwałą przez rzutowanie na tę powierzchnię mieszaniny cząstek ogniotrwałych i cząstek palnych w obecności tlenu. Cząstki palne są cząstkami, których skład i wielkość ziaren jest taka, że reagują one w sposób egzotermiczny z tlenem, tworząc ogniotrwały tlenek, uwalniając przy tym ciepło konieczne do stopienia, przynajmniej powierzchniowo, narzuconych cząstek ogniotrwałych. Rzutowanie cząstek dogodnie i bezpiecznie osiąga się, stosując tlen jako gaz nośny mieszaniny cząstek. W ten sposób tworzy się na powierzchni, na którą rzutuje się cząstki, spoistą masę ogniotrwałą.

Te znane sposoby spawania ceramicznego można stosować do formowania wyrobów ogniotrwałych, np. bloków o określonym kształcie, ale najczęściej stosuje się je do tworzenia powłok lub do reperowania cegieł lub ścian, i są szczególnie przydatne do reperowania lub

180 722 wzmacniania istniejących konstrukcji ogniotrwałych, np. ścian pieców do topienia szkła lub pieców koksowniczych.

Sposób ten jest szczególnie przydatny do reperowania powierzchni gorącego podłoża. Umożliwia to reperowanie zużytych powierzchni, podczas gdy urządzenie zachowuje w zasadzie temperaturę pracy, a w wielu przypadkach piec jako całość pozostaje w ruchu. Takie reperacje w trakcie pracy pieca są szczególnie przydatne w piecach do topienia szkła i w piecach koksowniczych, gdy przewidywany czas pracy pieca mierzony jest w latach, i często wynosi dwadzieścia lat, przy czym piec przez cały ten czas pozostaje w ruchu.

Skład mieszaniny do spawania ceramicznego dobiera się zwykle tak, aby wytwarzać masę reperującąo składzie chemicznym podobnym lub bliskim składowi podstawowego materiału ogniotrwałego. Pomaga to zapewnić kompatybilność i adhezję nowego materiału z materiałem podstawowym, na którym dokonuje się reperacji.

Nawet jednak przy takiej chemicznej zgodności może wystąpić problem zapewnienia adhezji masy reperującej do podłoża, zwłaszcza gdy adhezja ma się utrzymywać w ciągu długiego czasu. Problem ten ma tendencję nasilania się, gdy reperowaną powierzchnię poddaje się działaniu bardzo wysokiej temperatury. W tym przypadku potrzebna jest masa reperująca o wysokiej jakości, jak np. ma to miejsce w przypadku sklepienia wannowego pieca szklarskiego.

O ile to możliwe, należy unikać odrywania masy reperującej. W procesie wytwarzania szkła odłupana masa będzie prawdopodobnie wpadać do stopionego szkła i wprowadzać do niego niepożądane zanieczyszczenia, co niekiedy może spowodować konieczność pozbycia się dużej szarży stopionego szkła.

Obecnie stwierdziliśmy, że łatwo można tworzyć wysoce ogniotrwałe masy stanowiące krystobalit, jeśli utrzymuje się bardzo wysokątemperaturę stałych cząstek rozdrobnionego materiału ogniotrwałego, czego tradycyjnie unikano na tej podstawie, że materiał taki mógłby być niekompatybilny z materiałem podstawowym. Szczególnym materiałem, który według wynalazku można obecnie stosować do pomyślnej reperacji jest szkło kwarcowe.

Według wynalazku zapewnia się sposób wytwarzania krystalicznej krzemowej masy ogniotrwałej przez rzutowanie gazowego tlenu, stałych cząstek ogniotrwałych i stałych cząstek palnych stanowiących cząstki krzemu na powierzchnię w taki sposób, że na powierzchni tej przebiega reakcja pomiędzy palnymi cząstkami a gazowym tlenem, uwalniająca na tej powierzchni ciepło reakcji z wytworzeniem spoistej masy ogniotrwałej stanowiącej krystobalit, polegający na tym, że stosuje się stałe ogniotrwałe cząstki stanowiące krzemionkę w postaci szkła kwarcowego, a powierzchnia, na którą są one rzutowane ma temperaturę co najmniej 1000°C.

Wysoka temperatura powierzchni zapewnia, że krzemionka utworzona przez spalanie cząstek krzemu jest włączana do sieci krystalicznej masy ogniotrwałej.

Obecność sieci krystalicznej ma szereg zalet jeśli chodzi o wewnętrzną spoistość masy ogniotrwałej i jej zdolność przylegania, jeśli jest to wymagane, do reperowanej powierzchni. Podane tu wyjaśnienie jak osiąga się te zalety ma charakter hipotezy. Niezależnie jednak od prawdziwości tej hipotezy, w praktycznym zastosowaniu wynalazku wyraźnie wykazano te zalety.

Uważa się, że sieć krystaliczna działa jako faza wiążąca rozprzestrzeniona w masie ogniotrwałej. Sieć tworzy ciągłą strukturę, rozprzestrzenioną w całej masie, tworząc gęstą strukturę o dużej wytrzymałości mechanicznej. Jeśli sposób stosuje się do reperowania zużytej powierzchni ogniotrwałej, sieć krystaliczna rozprzestrzenia się i przylega do powierzchni.

Rzutowane cząstki ogniotrwałe mogą mieć inną strukturę niż struktura fazy wiążącej.

Eksponowanie masy ogniotrwałej na działanie bardzo wysokiej temperatury in situ w gorącym piecu przekształca masę w krystobalit. W przypadku wytwarzania oddzielnych ogniotrwałych bloków lub cegieł, np. przez rzutowanie do formy, utworzoną masę ogniotrwałą korzystnie wypala się w temperaturze co najmniej 1000°C. Wysoka temperatura pieca i wypalanie przekształca pozostałą fazę szklistą w krystobalit. Szczególnie korzystne jest to, że krystobalit jest trwały w wysokiej temperaturze.

180 722

Sposób według wynalazku szczególnie nadaje się do stosowania do reperacji in situ pieców szklarskich ze względu na panującąw nich bardzo wysoką temperaturę. Np. temperatura powierzchni sklepienia nad wanną do topienia szkła może być wyższa niż 1500°C.

Mieszaninę cząstek stosowanąw wynalazku, a mianowicie mieszaninę stałych cząstek palnych i stałych cząstek ogniotrwałych zawierających szkło krzemowe, można stosować do reperowania powierzchni w temperaturze poniżej 1000°C, o ile mieszanina zawiera dodatek określony w opisie brytyjskiego zgłoszenia patentowego nr 2257136 (Glaverbel).

Krzemionka stosowana w wynalazku powinna mieć wysoką czystość, np. zawierać co najmniej 95% wagowych czystego tlenku, korzystnie co najmniej 99% wagowych czystego tlenku. Otrzymana masa ma dużąogniotwałość i zmniejsza ryzyko zanieczyszczania wanny pieca szklarskiego, jeśliby jakaś ilość masy wypadła do szkła.

W sposobie według wynalazku jako cząstki ogniotrwałe korzystnie stosuje się szkło krzemowe, zarówno ze względu na jego łatwą dostępność jak i z uwagi na to, że można je wytwarzać w wysokim stopniu czystości.

Całkowita ilość krzemu wynosi korzystnie nie więcej niż 15% wagowych. Pożądane jest ograniczenie ilości nieprzereagowanego paliwa, które może pozostawać w utworzonej masie ogniotrwałej, gdyż obecność znaczącej ilości nieprzereagowanego paliwa w utworzonej masie ogniotrwałej może pogarszać jej jakość.

Cząstki ogniotrwałe korzystnie zasadniczo nie zawierają cząstek o rozmiarach większych niż 4 mm, zwłaszcza nie większych niż 2,5 mm, aby ułatwić bezproblemowe rzutowanie sproszkowanej masy. Współczynnik tolerancji rozmiarów cząstek f(G) cząstek ogniotrwałych jest korzystnie nie mniejszy niż 1,2. Współczynnik ten stosuje się tutaj w odniesieniu do określonych rodzajów cząstek aby określić współczynnik:

_ 2(G₈₀ - G₂₀) ^} (G_{8O +} G_2O) gdzie Ggo oznacza 80% rozmiarów ziaren cząstek tego rodzaju a G₂q oznacza 20% rozmiarów ziaren cząstek tego rodzaju.

Krzem korzystnie ma średnią średnicę cząstek nie większą niż 50 pm. Stosowane tu określenie „średnia średnica cząstek” oznacza takie wymiary, że 50% wagowych cząstek ma rozmiary mniejsze niż średnia.

Temperatura topnienia mas ogniotrwałych, otrzymanych sposobem w_edług _wy_nalazku jest bliska temperaturze topnienia czystej krzemionki. Cegły wytworzone sposob_em _wedł_ug _wy nalazku mają strukturę krystobalitu i współczynnik odkształcania T₀₅ według ISO St_andard R1893 większy niż 1650°C. Jest on porównywalny z T_{o 5} zwykłych cegieł krzemionk_owy_ch, _wy noszącym około 1550°C, wytwarzanych w znany sposób. Cegły ogniotrwałe _skł_adające _się głównie ze stabilizowanego stałego roztworu o wysokiej zawartości krystobalitu (np. krz_emio_nkowe, w których cześć Si zastąpiono przez Al z Ca lub Ca z innymi kationami), _ot_rzy_mane według opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 4073655 (Owen_s-lllinoi_s, Inc.) przez rekrystalizację szkła, nadają się do stosowania w temperaturze do około 1250°C.

Wynalazek jest zilustrowany niżej następującymi przykładami. Należy jed_nak p_odk_reślić, że wynalazek nie jest ograniczony do opisanych w nich konkretnych ilości i _spo_sobów p_ostępowania

Przykład I.

Mieszaninę (wagowo) 88% cząstek szkła kwarcowego o czystości 99,7% k_rzemi_onki, i 12 % cząstek krzemu rzutowano w strumieniu przemysłowego czystego tlenu na _sklepie_ni_e wanny pieca szklarskiego w celu utworzenia na nim ogniotrwałej masy. Sklepienie miało temp_eraturę około 1600°C. Maksymalny rozmiar cząstek szkła kwarcowego wynosił 2 _mm. J_ego G _g0 wynosi 950 pm a G₂₀ wynosi 225 pm, co daje współczynnik tolerancji rozmiarów cząstek f(G) wynoszący 1,23. Cząstki krzemu miały średnią średnicę cząstek mniejsząniż 45 p_m i p_owierzch_-

180 722 nię właściwą w granicach 2500 - 8000 cm ³/g. Po sześciu dniach pobierano próbkę utworzonej masy do analizy i stwierdzono, że ma ona następujące właściwości:

temperatura topnienia 1723°C struktura kysttobaiit

T 0,5 (ISO R1893) neema1 1700°C* *Najlepsze dostępne w handlu cegły zwykle stosowane w tym miejscu sklepienia (cegły krzemionkowe z krzemionki o wysokiej czystości „HEPSIL SV” z Hepworth Refactories) mają T0,5 wynoszący 1640°C.

Przykład II.

Sproszkowaną mieszaninę o takim samym składzie jak w przykładzie I rzutowano w strumieniu przemysłowego czystego tlenu do formy tak, aby uformować cegłę. Formę przed umieszczeniem w niej mieszaniny proszkowej ogrzano wstępnie do temperatury 1600°C. Po uformowaniu cegły utrzymywano ją w ciągu 6 dni w temperaturze 1450°C. Następnie cegłę poddawano analizie i stwierdzono, że ma ona taką samą temperaturę topnienia, strukturę i T„ i jak próbka z przykładu I.

Cegły takie jak wytworzone zgodnie z przykładem II można stosować bezpośrednio i bez specjalnych środków ostrożności do reperowania zużytych sklepień pieców szklarskich, jeśli trzeba, z dodatkowym spawaniem. Wszelkie inne rodzaje cegieł z krystalicznej krzemionki, umieszczone w takich samych warunkach bez podjęcia środków ostrożności, takich jak ostrożne ogrzewanie wstępne, ulegały natychmiast poważnemu spękaniu.

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania krystalicznej krzemowej masy ogniotrwałej przez rzutowanie gazowego tlenu, stałych cząstek ogniotrwałych i stałych cząstek palnych stanowiących cząstki krzemu, na powierzchnię w taki sposób, że na powierzchni tej przebiega reakcja pomiędzy palnymi cząstkami a gazowym tlenem, uwalniająca na tej powierzchni ciepło reakcji z wytworzeniem spoistej masy ogniotrwałej stanowiącej krystobalit, znamienny tym, że stosuje się stałe ogniotrwałe cząstki stanowiące krzemionkę w postaci szkła kwarcowego, a powierzchnią, na którą są one rzutowane ma temperaturę co najmniej 1000°C.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że po rzutowaniu cząstek powstałą masę ogniotrwałą wypala się w temperaturze co najmniej 1000°C.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, albo 2, znamienny tym, że stosuje się stałe cząstki ogniotrwałe składające się z krzemionki o czystości co najmniej 95% wagowych.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się stałe cząstki ogniotrwałe składające się z krzemionki o czystości co najmniej 99% wagowych.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się krzem w całkowitej ilości nie większej niż 15% wagowych całkowitego ciężaru rzutowanych cząstek.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się krzem o średniej średnicy cząstek nie większej niż 4 mm.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się stałe cząstki ogniotrwałe zasadniczo pozbawione cząstek o rozmiarach większych niż 4 mm.
8. 8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się cząstki ogniotrwałe o współczynniku tolerancji rozmiarów cząstek f (G) nie mniejszym niż 1,2.