SE526042C2 - Eldfast infordring för en behållare - Google Patents

Description

25 30 35 LTL C?~ CS .i :i , FC 2 Efter att behållare med denna utformning har använts under ett fåtal månader har det upptäckts att de eldfasta materialen reagerar med sodan i luten och expanderar för att fullständigt överbrygga/utfylla den normala expan- sionsmarginalen/-månen som åstadkommits mellan den eld- fasta delen och den/det rostfria stälmanteln/-skalet. Vid denna tidpunkt börjar de eldfasta lagren att trycka mot insidan av det rostfria stàlskalet. Denna situation åstadkommer tidigare brott i själva de eldfasta materia- len och plastisk deformation av den rostfria stålmanteln.

Som ett resultat har eldfasta infodringar av konventio- nell utformning varit otillfredsställande för användning i en svartlutsförgasare.

Sammanfattning av uppfinningen Som ett resultat av en studie av en tidigare förga- sare har det upptäckts att det eldfasta materialet av aluminiumoxid inte bara utsatts för termisk expansion, vilken var känd i tidigare känd teknik, utan också ut- satts för kemisk expansion. Kemisk expansion orsakas av natrium som finns i svartluten och som förenas med det eldfasta materialet för att producera natriumaluminat.

Det har upptäckts att natriumaluminat expanderar i stor- leken 130% relativt den ursprungliga aluminiumoxiden.

Detta åstadkommer både större radiell och vertikal expan- sion i det eldfasta materialet under tiden som behållaren används. Denna ytterligare expansion av det eldfasta ma- terialet trycker utåt på insidan av den rostfria stål- manteln och sätter den under spänning. Klor och fukt som finns på den inre ytan av den rostfria stàltryckbehålla- ren som dragbelastas av det eldfasta materialets expan- sion orsakar sprickor på grund av spänningskorrosion i den rostfria stålbehållaren och utsätter den för tidigare brott. Denna inre spänning som orsakas av den termiska och kemiska expansionen hos det eldfasta materialet måste kontrolleras/regleras till en acceptabel nivå. Vid tryck- behållarutformning enligt ASM:es regler är det också nöd- vändigt att klart och tydligt definiera den ”sekundära 10 15 20 25 30 35 spänningen” som beror av expansionen för den eldfasta in- fodringen. Sekundära spänningar är alla spänningar som inte beror av det inre gastrycket.

Den föreliggande uppfinningen tillhandahåller därför en eldfast infodring för en behållare vilken inrymmer expansionen av den eldfasta infodringen och ger en känd sekundär spänning på tryckbehållaren. Behållaren har ett i stort sett cylindriskt metallskal som företrädesvis har en halvrund kupol. Den eldfasta infodringen har en cylindrisk del som är distanserad/placerad på ett avstånd inåt från metallskalet och har företrädesvis en halvrund kupoldel som är distanserad/placerad på ett avstånd inåt från den halvrunda kupolen på metallskalet. Den eldfasta infodringen är storleksanpassad för att lämna ett jämnt/homogent/likformigt expansionsmellanrum mellan infodringen och behållarskalet i den cylindriska delen.

I en föredragen utförandeform befinner sig krökningscentrumet för den halvrunda kupolen som innefat- tar den eldfasta infodringen vid en lägre höjd än krök- ningscentrumet för den halvrunda kupolen som omfattar me- tallskalet. Detta ger ett/en expansionsspelrum/expan- sionsspalt som ökar i tjocklek då kupolen kröker sig uppåt och inåt. Denna halvmånformade spalt i kupolen med- ger radiell expansion för den eldfasta kupolen liksom axiell expansion av den cylindriska sektionen. Hela den eldfasta kupolen höjer sig i den vertikala riktningen när den cylindriska sektionen expanderar. Ett selektivt krossningsbart lager är placerat i spelrummet/spalten.

Lagret har en förbestämd sträckgräns och krossnings- spänning som kommer att tillhandahålla ett kontrollerat/- reglerat motstånd mot expansion av den eldfasta infodringen. Motståndet som tillhandahålles är avsevärt mindre än sträckgränshållfastheten för metallskalet medan det ger tillräckligt motstånd mot expansion för den eldfasta infodringen för att medge kontrollerad/reglerad tillväxt av infodringen. Eftersom de mekaniska egenskaperna hos det krossningsbara lagret är kända kan 10 15 20 25 30 35 den inre sekundära spänningen på stålskalet beskrivas på ett exakt sätt.

Kort beskrivning av ritningarna De föregående aspekterna och många av de åtföljande fördelarna med denna uppfinningen kommer att inses på ett enklare sätt då densamma blir lättare att förstå med hän- visning till den följande, detaljerade beskrivningen tillsammans med de bifogade ritningarna, varvid: Fig 1 är en isometrisk vy av en eldfast behållare som är konstruerad i enlighet med den föreliggande upp- finningen med ett vertikalt, pajformat segment borttaget för att exponera den fasta infodringen och det kross- ningsbara lagret; och Fig 2 är en förstorad vy över en del av den verti- kala väggen och kupolen hos den eldfasta behållaren som visas i figur 1.

Detaljerad beskrivning av den föredragna utförandeformen Med hänvisning först till fig 1 har den eldfasta be- hàllaren 10 ett yttre metallskal 12. Det yttre metall- skalet omfattar företrädesvis kolstål men kan bestå av vilket som helst annat lämpligt material med tillräcklig hállfasthet och korrosionsresistans/-motstånd. Den övre delen av metallskalet omfattar en kupol 14 som avslutas i en övre öppning 15. Bottendelen av metallskalet 12 över- går i en stödkon 16 som har en central bottenöppning 17.

En eldfast infodring 20 har en cylindrisk del 22 som är placerad radiellt inåt från skalet 12 och har även en ku- poldel 24 samt en bottenkondel 26. En cylindrisk expan- sionsspalt 27 är anordnad mellan metallskalet 12 och den cylindriska delen 22 för den eldfasta infodringen 20.

Kupoldelen hos den eldfasta infodringen är placerad invändigt/i riktning inåt och nedanför kupolen 14 hos metallskalet.

I en föredragen utförandeform med hänvisning till fig 1 och 2 är den övre delen 24 hos den eldfasta infod- ringen 20 halvrund i sin form. Krökningscentrumet för den halvrunda kupolen 24 hos den eldfasta infodringen 20 be- 10 15 20 25 30 35 U :too uuvø Oona 5 finner sig vid en lägre höjd än krökningscentrumet för den halvrunda kupoldelen 14 hos metallskalet 12. Detta ger en expansionsmàn 28, vilken ökar i tjocklek dä de två halvrunda delarna 14 och 16 löper uppàt och inåt mot öpp- ningen 15. Expansionsmànen 28 ansluter mot den cylind- riska expansionsspalten 27. Ett på ett selektivt sätt krossningsbart lager 70 är placerat mellan den eldfasta infodringen 20 och det yttre skalet 12. Det krossnings- bara lagret 70 beskrivs mer i detalj nedan.

Den eldfasta infodringen 20 har ett inre lager av block 34 och ett yttre lager av block 30. Blocken i det yttre lagret 30 år staplade på varandra för att bilda ett yttre eldfast skal och blocken i det inre lagret är stap- lade pá varandra för att bilda ett inre eldfast skal.

Blocken i det inre lagret utgörs företrädesvis av alumi- niumoxid och mest fördraget av alfa- och beta-aluminium- oxid. Blocken i det yttre lagret är placerade i intim kontakt med utsidan av det inre blocklagret och utgörs företrädesvis av beta-aluminiumoxid. Andra eldfasta mate- rial med tillräcklig hàllfasthet och motstånd mot kemisk attack kan emellertid användas. Det krossningsbara lagret 70 är placerat mellan den yttre ytan av det yttre block- lagret 30 och den inre ytan av metallskalet 12. Vid- den/Bredden pà mellanrummen 27 och 28 anpassas på grund- val av den uppmätta/avpassade eller förväntade expan- sionen av det eldfasta materialet.

Med hänvisning till fig 1 och 2 bildas den halvrunda kupolen 24 i den eldfasta infodringen av ett flertal 44, 46, 48, 50, 52, placerade på blocken 30 och 34 vilka bildar det inre och det yttre cylindriska skalet. Block 40 bildar en första horisontell ring som innefattar fundamentet pà den halv- runda, eldfasta kupolen. Successiva lager av block 42, 44 blockringar 40, 42, 54 och 56 som är och 46 är formade till ringar med mindre diameter för att bilda bottendelen av den i riktning inàt och uppàt lu- tande kupolen. Vart och ett av de successiva lagren har plana övre och undre ytor som är vinklade pà lämpligt ooøcul 10 15 20 25 30 35 nu .oo oss . sätt relativt varandra för att bilda kupolens form. De nästa på varandra följande blocklagren 48 har också en mindre diameter än det föregående blocklagret 46. Blocken 48 har en plan bottenyta som är utformad för att komma i kontakt med den plana övre delen av blocken 46 hos det föregående lagret. Den övre ytan av blocklagret 48 har emellertid ett nedåt löpande, cirkulärt kilspàr 48a som är placerat i den övre ytan av blocken 48 nära deras yttre kanter. Nästa efterföljande blocklager 50 har en mindre diameter än blocklagret 48 och har ett nedåt lö- pande, cirkulärt kilspàr 50b som är positionerat nära de nedre, yttre kanterna på blocken 50. Den nedåt stràckande kilen 50b sträcker sig in i och hopkopplas/kommer i in- grepp med kilspåret 48a i blocken 48. På liknande sätt bildar också nästa blockuppsàttning 52 en ring med mindre diameter än diametern för lagret som bildas av blocken 50. Blocken 52 har en nedåt löpande/sträckande, cirkulär kil 52b som på liknande sätt kommer i ingrepp med ett motsvarande kilspàr 50a i det föregående lagret som bil- das av blocken 50. Nästa efterföljande blocklager 54 har en cirkulär kil 54b som på liknande sätt sammankopp- las/kommer i ingrepp med ett cirkulärt kilspàr 52a i blocken 52. Det sista blocklagret 56 är placerat riktat uppåt och inåt från blocklagret 54. Blocken 54 har en ho- risontell avfasning 54a på sina övre ytor. Block 56 har en utåt löpande/sträckande flänsdel 56b som ligger över avfasningen 54a. Varje på varandra följande lager av block räknat från lagret som bildas av blocken 48 fram till lagret som bildas av blocken 56 är sålunda inkilade i det närmaste föregående lagret och förhindras från att falla i riktning nedåt eller inåt när differensexpansion sker för det eldfasta materialet.

Ett andra halvrunt blocklager 60 kan placeras i riktning utåt från blocken 40 till 56. Dessa block har konventionell utformning med något avfasade kanter för att passas/kopplas ihop med syfte att bilda den halvrunda krökningen. 10 15 20 25 30 35 Baserat på studier av tidigare brott i eldfasta behållare som används för förgasare har det upptäckts att den eldfasta infodringen 20 måste tillåtas att expandera utåt och uppåt ett visst avstånd, i annat fall kommer den inre ytan hos den eldfasta infodringen att gå sönder på grund av för stor skrädning/ytsplittring och sprickbild- ning som orsakas av den vertikala och radiella expan- sionen. Ã andra sidan kan den eldfasta infodringen inte tillåtas att expandera för snabbt eller kommer tillväxt- hastigheten att överskrida konstruktionsbegränsningarna hos infodringen och kommer slutgiltigt att leda till strukturbrott. För de eldfasta materialen av aluminium- oxidtyp har det antagits att om ett förbestämt motstånd mot expansion tillhandahålles kan den termiska expan- sionshastigheten motverkas/inhiberas på ett kontrolle- rat/reglerat sätt medan tillräcklig expansion fortfarande tillåts för att eliminera för stor skrädning/ytsplittring från den inre ytan av det eldfasta materialet. Denna inre kompressionsspänning (IKS), dvs motstånd mot expansion, kan definieras av formeln (för den cylindriska sektionen) IKS _ 2 x sträckgränsen x skalgiocklek skaldiameter varvid sträckgränsen/sträckgränsspänningen är sträckgrän- sen för det rostfria stålmaterialskalet som används i tidigare känd teknik, tjockleken är tjockleken hos metallskalet som används i tidigare känd teknik och dia- metern är diametern på metallskalet som används i tidi- gare känd teknik. För en vanlig eldfast behållare som an- vänds i en förgasare kommer detta att resultera i en inre kompressionsspänning på ungefär 2 MPa. Denna inre kom- pressionsspänning kan ges av ett krossningsbart lager 70 som har en sträckgräns på ungefär 2 MPa vid 65%-ig be- lastning/töjning/utsträckning/påkänning, definierad som (initial tjocklek - slutlig tjocklek)/initial tjocklek.

När sträckgränsspänningen överskrids kommer det kross- lO 15 20 25 30 35 ningsbara lagret att komprimeras irreversibelt men kommer fortfarande att motstå den radiella expansionen för den eldfasta infodringen 20 med en kraft som är ekvi- valent/lika med den inre kompressionsspänningen.

Sträckgränsen hos det krossningsbara lagret kan varieras beroende på sammansättningen av det eldfasta ma- terialet, sammansättningen i det yttre skalet liksom di- mensionerna för behållaren. I praktiken kan sträckgränsen bibehållas i området från 0,5 till 4,0 MPa och mera före- draget från 1,0 till 3,0 MPa och mest föredraget från 1,5 till 2,5 MPa.

Ett material som kommer att fungera i denna miljö är ett skummaterial som är tillgängligt under varumärket ”FecralloyWFeCrAlY”, vilket är en järn-krom-aluminium- yttriumlegering. Detta material är en legering med nomi- nell sammansättning i vikt% på 72,8 vikt% järn, 22 vikt% krom, 5 vikt% aluminium och 0,1 vikt% yttrium respektive 0,1 vikt% zirkonium. Detta metallskum produceras kommer- siellt av Porvair Fuel Cell Technology, 700 Shepherd Street, Hendersonville, NC. Det har vidare upptäckts att sträckgränsen för detta metallskum, dvs kompressionsspän- ningen vid vilken materialet kommer att komprimeras irre- versibelt, kan varieras beroende på densiteten hos skum- met. Ett skum som till exempel har en densitet i stor- leksordningen 3-4% relativ densitet kommer att ha en sträckgränshållfasthet på ungefär 1 MPa. Ett material som har en relativ densitet på 4,5-6% kommer att ha en sträckgränshàllfasthet pà ungefär 2 MPa medan ett mate- rial som har en relativ densitet som är större än ungefär 6% kommer att ha en sträckgränshállfasthet på ungefär 3 MPa eller mera. Ett material som har en sträckgränshåll- fasthet på ungefär 2 MPa har sålunda befunnits vara det mest önskvärda för användning som ett krossningsbart lager 70 för eldfasta behållare som används i förgasar- miljön. Andra metallskum som består av rostfritt stål, kolstàl, andra lämpliga metaller eller metallegeringar som har de ovannämnda egenskaperna kan också användas. 10 15 20 25 30 35 När det eldfasta materialet av aluminiumoxid utsätts för processförhållanden kommer den vanliga eldfasta in- fodringen att över tiden expandera ungefär 1 tum i den radiella riktningen per år. Det är därför önskvärt att tillhandahålla ett krossningsbart lager 70 som har en ursprunglig tjocklek vilken medger en komprimering på 1 tum medan det tillhandahåller en sträckgränshållfasthet på mindre än eller lika med 2 MPa.

En annan önskvärd egenskap hos det krossningsbara lagret 70 är att det måste vara tillräckligt konduk- tivt/ledande för att bibehålla temperaturen hos det krossningsbara lagret under ungefär 600°C. Det har anta- gits att under denna temperatur kommer vissa delar som produceras i förgasaren att kondensera till fast form. Om en sådan kondensation tillåts att uppkomma i skumlagret kommer det att fyllas med fast material över tiden och förlora sin krossningsbarhet och därför bli ineffek- tivt/odugligt att på ett selektivt sätt motstå expansion av den eldfasta infodringen. Det har upptäckts att de sammansatta metallskummen som just beskrivits har en tillräcklig termisk konduktivitet/ledningsförmåga i stor- leksordningen 0,5 W/mK för att behålla den yttre ytan på teglet vid en temperatur under 600°C. Vilka som helst gasformiga beståndsdelar kommer sålunda att kondensera i själva den eldfasta infodringen i motsats till metall- skummet och gör det sålunda möjligt för metallskummet att bibehålla sin selektiva krossningsbarhet.

Metallen av vilket skalet 12 tillverkas kan vara kolstål, rostfritt stål eller vilken som helst lämplig legering. En fackman kommer att kunna välja andra kross- ningsbara material som kommer att uppvisa de kontroller- bara/reglerbara krossningsbarhetsegenskaperna hos metall- skummet efter att ha förstått förutsättningarna för kon- trollerad/reglerad krossningsbarhet och till stor del konstant motstånd mot expansion över det begränsade av- ståndet mellan det eldfasta materialet och det yttre ska- let på behållaren, såsom beskrivs ovan. s \ f' u.;J bg 10 Även om den föredragna utförandeformen av uppfin- ningen har illustrerats och beskrivits kommer det att in- ses att olika ändringar kan göras däri utan att avvika från tanken med och skyddsomfànget för uppfinningen.

Claims (7)

10 15 20 25 30 35 .Vf f' -^» u-v* b L. ll ALTERNATIVA PATENTKRAV

1. l. Eldfast infodring (20), som förutom termisk expansion undergàr kemisk expansion, för en behållare (10) innefattande: ett i stort sett cylindriskt metallskal (12) med en (14); vilken eldfast infodring (20,26) har en cylindrisk kupol del (22) som är placerad på avstånd inåt från skalet (12) (24) skalets kupol (14), och varvid den eldfasta infodringen och en kupoldel som är placerad på avstånd inåt från är storleksanpassad för att tillhandahålla en expansions- spalt (27) mellan infodringen och skalet; och ett kompressibelt material (70) placerat i spalten, k ä n n e t e c k n a d (70) förbestämd sträckgräns som kommer att tillhandahålla ett av att spaltmaterialet har en kontrollerat motstånd mot den eldfasta infodringens (20,22,24,26) expansion som resultat av kemisk tillväxt hos den eldfasta infodringen och att spaltmaterialet (70) innefattar ett kompressibelt metallskum.

2. Eldfast infodring (20) enligt krav l, spaltmaterialets (70) MPa. varvid sträckgräns är från 0,5 till 4,0 varvid till 3,0

3. Eldfast infodring (20) enligt krav 2, spaltmaterialets (70) MPa. sträckgräns är från 1,0 varvid till 2,5

4. Eldfast infodring (20) enligt krav 2, spaltmaterialets (70) MPa. sträckgräns är från 1,5

5. Eldfast infodring (20) enligt något av de föregående kraven, varvid skummet (70) innefattar en legering av järn, krom, aluminium och yttrium.

6. Eldfast infodring (20) enligt något av de föregående kraven, varvid skummet (70) vidare har en termisk konduktivitet som kommer att överföra värme från den eldfasta infodringen (20,22,24,26) till metallskalet “ 12:41 -,~~- 1:-» í 4 f' QLO 12 (12) med en hastighet som är tillräcklig för att förhindra kondensering av fasta delar i metallskummet (70).

7. Eldfast infodring (20) enligt krav 6, varvid den termiska konduktiviteten hos skummet (70) är i storleksordningen 0,5 W/mK i 10%.