SI9520143A - Production of a siliceous refractory mass - Google Patents

Description

Predloženi izum se nanaša na postopek za izdelavo kristalinične kremenove ognjevzdržne mase, ki vsebuje kristobalit. Ta postopek je lahko namenjen za proizvodnjo mase kot take, npr. za izdelavo ognjevzdržnih gradbenih opek ali blokov za uporabo pri gradnji ali popravilu peči, ali pa je lahko namenjen za in situ popravilo obrabljene površine kremenovega ognjevzdržnega materiala, npr. v industrijskih pečeh, kot so peči za izdelovanje stekla.

Postopek uporablja tehniko tipa, ki je splošno znan kot keramično varjenje, pri katerem zmes trdnih ognjevzdržnih delcev in trdnih gorljivih delcev goriva, kovine ali polkovine, kot sta aluminij in silicij, brizgamo proti površini, ki jo želimo popraviti, in na kateri reagira s plinom, ki je bogat s kisikom, običajno z v bistvu čistim kisikom, pri čemer se na površini sprosti reakcijska toplota goriva, tako da se oblikuje koherentna popravna masa.

Takšno keramično varjenje je opisano v GB patentu 1,330,894 (Glaverbel) in GB 2,170,191 (Glaverbel), v katerem koherentno ognjevzdržno maso na površini oblikujejo z brizganjem zmesi ognjevzdržnih delcev in gorljivih delcev v prisotnosti kisika na površino. Gorljivi delci so delci, katerih sestava in granulometrija sta takšni, da reagirajo s kisikom na eksotermen način, tako da se oblikuje ognjevzdržen oksid, medtem ko se sprosti potrebna toplota za taljenje, vsaj površinsko, brizganih ognjevzdržnih delcev. Brizganje delcev ustrezno in varno dosežejo z uporabo kisika, kot nosilnega plina za zmes delcev. Na ta način se na površini, na katero so brizgani delci, oblikuje koherentna ognjevzdržna masa.

Te znane postopke keramičnega varjenja lahko uporabimo za oblikovanje ognjevzdržnega izdelka, npr. bloka, ki ima določeno obliko, toda najširše jih uporabljamo za oblikovanje prevlek ali za popravilo opek ali sten, še zlasti pa so uporabni za popravilo ali ojačitev obstoječih ognjevzdržnih struktur, npr. sten peči za izdelovanje stekla ali koksarniških peči.

Postopek je še zlasti primeren za popravilo površine vročega substrata. Omogoča popravilo obrabljenih površin, medtem ko ostane oprema v bistvu pri svoji delovni temperaturi, in v številnih primerih, medtem ko ostane peč kot celota v delovanju. Takšna popravila, medtem ko ostane peč v uporabi, so zlasti uporabna pri izdelovanju stekla in koksarniških pečeh, saj se življenska doba peči meri v letih, pogosto celo do 20 let, pri čemer se peč med celotnim obdobjem neprekinjeno vzdržuje v delovanju.

Sestavo zmesi za keramično varjenje splošno izberemo tako, da proizvedemo popravno maso, ki ima kemijsko sestavo podobno ali blizu tisti, ki jo ima bazično ognjevzdržno gradivo. To omogoči zagotoviti kompatibilnost z osnovnim ognjevzdržnim gradivom in adhezijo novega materiala na osnovni material, na katerem se oblikuje.

Kljub takšni kemijski kompatibilnosti, pa je lahko problem zagotoviti adhezijo popravne mase na substrat, zlasti če naj se adhezija ohrani za daljše obdobje. Problem se še poveča, če je popravljena površina izpostavljena zelo visokim temperaturam. V takem primeru, kot npr. za obok rezervoarja za steklo, je potrebno ognjevzdržno gradivo visoke kakovosti.

Če je le možno, se skušamo izogniti odlomljenju popravne mase. Možno je, da pri izdelovanju stekla odlomljena masa pade v staljeno steklo in uvede nesprejemljive nečistote, zaradi česar je včasih potrebno zavreči velike šarže staljenega stekla.

Sedaj smo ugotovili, da lahko, po pogojem, da vzdržujemo temperaturo na zelo visokem nivoju, zlahka oblikujemo visoko ognjevzdržne mase, ki vsebujejo kristobalit, iz trdnega ognjevzdržnega zrnatega materiala, kateremu smo se tradicionalno izogibali zaradi tega, ker naj bi bil nekompatibilen z osnovnim materialom. Natančneje je material, ki ga lahko sedaj v smislu izuma uporabimo za uspešno popravilo, kremenovo steklo.

V smislu izuma zagotavljamo postopek za proizvodnjo kristalinične kremenove ognjevzdržne mase z brizganjem plinastega kisika, trdnih ognjevzdržnih delcev in trdnih gorljivih delcev, ki vsebujejo silicijeve delce, proti površini tako, da se na površini pojavi reakcija med gorljivimi delci in plinastim kisikom, pri čemer se na površini sprosti toplota reakcije, tako da se oblikuje koherentna ognjevzdržna masa, ki vsebuje kristobalit, označen s tem, da trdni ognjevzdržni delci vsebujejo kremen v obliki kremenovega stekla in da ima površina, na katero jih brizgamo, temperaturo vsaj 1000 °C.

Visoka temperatura površine zagotavlja, da se kremen, ki nastane z gorenjem silicijevih delcev, vključi v kristalno rešetko v ognjevzdržni masi.

Prisotnost kristalne rešetke ustvarja več prednosti z ozirom na kohezijo ognjevzdržne mase in z ozirom na sposobnost, da se, če je to potrebno, ob popravilu pritrdi na površino. Tu podana razlaga, kako dosežemo te prednosti, je dana kot hipoteza. Ne glede na točnost hipoteze, pa smo prednosti jasno prikazali v praktični uporabi izuma.

Mislimo, da kristalna rešetka deluje kot vezivna faza, ki se razprostira preko ognjevzdržne mase. Rešetka oblikuje kontinuirno strukturo, ki se razprostira preko celotne mase, pri čemer pripomore h gosti strukturi z visoko mehansko jakostjo. Če postopek uporabimo za popravilo obrabljene ognjevzdržne površine, se kristalna rešetka razprostre po površini in se prilepi na površino.

Brizgani ognjevzdržni delci imajo drugačno strukturo od tiste, ki jo ima vezivna faza. Adhezijo površine v bistvu zagotovimo z vezivno fazo.

Izpostavitev ognjevzdržne mase zelo visokim temperaturam in situ v vroči peči, pretvori maso v kristobalit. V primeru oblikovanja posameznega ognjevzdržnega bloka ali opeke, npr. z brizganjem v kalup, nastalo ognjevzdržno maso prednostno zažgemo pri temperaturi vsaj 1000°C. Visoka temperatura peči in zažig preoblikujeta preostalo steklasto fazo v kristobalit. To je še posebno ugodno zato, ker je kristobalit pri visokih temperaturah stabilen.

Postopek v smislu izuma je še zlasti primeren za uporabo pri in situ popravilu peči za izdelovanje stekla zaradi zelo visokih temperatur, na katere lahko v njih naletimo.

Npr., temperatura površine oboka nad rezervoarjem za taljenje stekla, je lahko večja od 1500 °C.

Zmes delcev, uporabljena v predloženem izumu, namreč zmes trdnih gorljivih delcev in trdnih ognjevzdržnih delcev, ki vsebujejo kremenovo steklo, lahko uporabimo pri popravilu površin s temperaturami pod 1000 °C, pod pogojem, da zmes vključuje aditiv, kot je definiran v GB patentni prijavi 2257136 (Glaverbel).

Za uporabo v predloženem izumu, mora biti kremen visoke čistote, npr. vsaj 95 mas.% čist oksid, prednostno vsaj 99 mas.% čist oksid. Masa, ki jo dobimo, je zelo ognjevzdržna in zniža tveganje onesnaženja v rezervoarju za izdelavo stekla, če bi karkoli od mase padlo v steklo.

Kot trdni ognjevzdržni delci za uporabo v postopku v smislu izuma je koristno kremenovo steklo, tako zaradi svoje lahke razpoložljivosti, kot tudi zato, ker ga lahko zlahka pridobimo v zelo visoki čistoti.

Skupna količina silicija prednostno ni večja od 15 mas.%. Želeno je, da omejimo količino nezreagiranega goriva, ki lahko ostane v nastali ognjevzdržni masi, saj lahko prisotnost znatnega deleža nezgreagiranega goriva v nastali ognjevzdržni masi, poslabša njeno kvaliteto.

Ognjevzdržni delci prednostno v bistvu ne vsebujejo delcev z velikostjo večjo od 4 mm, bolj prednostno ne večjo od 2,5 mm, zato da omogočimo gladko brizganje prahu. Faktor razširjenosti obsega velikosti f(G) ognjevzdržnih delcev prednostno ni manjši od 1,2. Za prikaz faktorja uporabljamo omenjeni faktor f(G) v povezavi z dano vrsto delcev:

2(θβο' θ2θ) f(G) = (θ80 + θ2θ) kjer G_g0 označuje 80 % velikosti zrn delcev te vrste in G^ označuje 20 % velikosti zrn delcev te vrste.

Silicij prednostno nima povprečnega premera delcev večjega od 50 μτη. Izraz povprečni premer delca, kot ga uporabljamo tukaj, označuje takšno dimenzijo, da ima 50 mas.% delcev manjšo dimenzijo, od te povprečne.

Tališče ognjevzdržnih mas, ki jih dobimo po postopku v smislu izuma, se približuje tistemu, ki ga ima čisti kremen. Opeke, proizvedene v smislu izuma, imajo kristobalitno strukturo in deformacijski koeficient Τ_θ5 po ISO standardu R1893 večji od 1650°C. To je primerljivo s T_o5 okoli 1550 °C navadnih kremenovih opek, pripravljenih s konvencionalnim postopkom. Ognjevzdržne opeke, ki v glavnem sestojijo iz stabilizirane visoko-kristobalitne trdne raztopine (t.j. kremen, v katerem je del Si nadomeščen z Al s Ca ali s Ca plus drugimi kationi), katero dobimo po US patentu 4,073,655 (Owens-Illinois, Inc.) z devitrifikacijo stekla, so primerne za uporabo pri temperaturi do okoli 1250 °C.

Spodaj ponazarajamo izum z ozirom na naslednje primere. Seveda poudarjamo, da izum ni omejen na določene količine in postopke, ki so opisani tukaj.

PRIMER 1

Zmes (masnih) 88 % steklastih kremenovih delcev, ki imajo čistoto 99,7 % kremena in 12 % silicijevih delcev smo brizgali v toku tržno čistega kisika proti oboku rezervoarja za izdelavo stekla, da se je na njem oblikovala ognjevzdržna masa. Obok je imel temperaturo okoli 1600 °C. Maksimalna velikost delcev kremenovega stekla je bila 2 mm. Njihov G_g0 je bil 950 /im in njihov G^ je bil 225 μτη, kar je dalo faktor razširjenosti obsega velikosti f(G) 1,23. Silicijevi delci so imeli povprečni premer delcev manjši od 45 μτη in specifično površino med 2500 in 8000 cm²/g. Po šestih dneh smo vzorec oblikovane mase odstranili za analizo in ugotovili smo, da ima naslednje lastnosti:

Tališče 1723 °C

Struktura kristobalit

Τ_{θ 5} (ISO R1893) skoraj 1700 °C*

Najboljše tržno razpoložljive opeke, ki se običajno uporabljajo v oboku na tem mestu (Hepworth Refractories’ HEPSIL SV opeke iz kremena visoke čistote), imajo T_Q5 1640 °C.

PRIMER 2

Zmes prahu enake sestave, kot v primeru 1, smo v toku tržno čistega kisika brizgali v kalup tako, da se je oblikovala opeka. Za sprejem zmesi prahu, smo kalup predgreli na 1600 °C. Potem, ko smo oblikovali opeko, smo jo vzdrževali pri 1450 °C 6 dni. Nato smo opeko analizirali in ugotovili smo, da ima enako tališče, strukturo in Τ_{θ 5}, kot vzorec primera 1.

Opeke, kot so tiste, proizvedene po primeru 2, lahko uporabimo pri popravilu izrabljenega oboka peči za steklo neposredno in brez kakršnihkoli posebnih varnostnih ukrepov, če je potrebno, z dodatnim varjenjem. Kakršenkoli drug tip kristalinične kremenove opeke, nameščene pri enakih pogojih, bo brez varnostnih ukrepov, kot je previdno predgretje, takoj močno razpokal.

Claims (9)

1. Patentni zahtevki

   1. Postopek za proizvodnjo kristalinične kremenove ognjevzdržne mase z brizganjem plinastega kisika, trdnih ognjevzdržnih delcev in trdnih gorljivih delcev, ki vsebujejo silicijeve delce, proti površini na tak način, da se na površini pojavi reakcija med gorljivimi delci in plinastim kisikom, pri čemer se na površini sprosti toplota reakcije, tako da se oblikuje koherentna ognjevzdržna masa, ki vsebuje kristobalit, označen s tem, da trdni ognjevzdržni delci vsebujejo kremen v obliki kremenovega stekla in da ima površina, na katero jih brizgamo, temperaturo vsaj 1000 °C.
2. 2. Postopek po zahtevku 1, označen s tem, da masa, ki nastane po brizganju delcev, gori pri temperaturi vsaj 1000 °C.
3. 3. Postopek po zahtevku 1 ali zahtevku 2, označen s tem, da trdni ognjevzdržni delci sestojijo iz kremena, ki ima čistoto vsaj 95 mas.%.
4. 4. Postopek po kateremkoli od predhodnih zahtevkov, označen s tem, da trdni ognjevzdržni delci sestojijo iz kremena, ki ima čistoto vsaj 99 mas.%.
5. 5. Postopek po kateremkoli od predhodnih zahtevkov, označen s tem, da celotna količina silicija ni večja od 15 mas.% celokupne mase brizganih delcev.
6. 6. Postopek po kateremkoli od predhodnih zahtevkov, označen s tem, da silicij nima povprečnega premera delcev večjega od 50 μτη.
7. 7. Postopek po kateremkoli od predhodnih zahtevkov, označen s tem, da trdni ognjevzdržni delci v bistvu ne vsebujejo delcev z velikostjo večjo od 4 mm.
8. 8. Postopek po kateremkoli od predhodnih zahtevkov, označen s tem, da faktor razširjenosti obsega velikosti f(G) (kot je definiran zgoraj) ognjevzdržnih delcev ni manjši od 1,2.
9. 9. Ognjevzdržna opeka, ki ima kristobalitno strukturo in deformacijski koeficient Τ_θ5 večji od 1650 °C, pripravljena po postopku, kot je definiran v kateremkoli od zahtevkov 2 do 8.