TWI537229B - 用於冶金容器的耐火襯裏的錘結主體，其安置的方法及包含使用該錘結主體的襯裏之冶金容器，尤其鼓風爐 - Google Patents

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Description

用於冶金容器的耐火襯裏的錘結主體，其安置的方法及包含使用該錘結主體的襯裏之冶金容器，尤其鼓風爐
本發明大體而言係關於冶金容器之內部耐火襯裏，諸如尤其鼓風爐之煙囪，且更特定言之係關於此煙囪或爐膛之下部部分。本發明更特定言之係關於用於產生構成該襯裏之碳塊與爐膛底板之間的接頭以及此等塊之間的接頭之錘結主體。
在鼓風爐之特定情況下，內部耐火襯裏按照慣例係由塊或磚形式之視每一塊或磚之位置具有相同或不同大小及形狀的複數個耐火元件之集合體構成。構成此等耐火元件之材料亦取決於該等耐火元件在煙囪中位於何處。因此，爐膛底板或底部通常配備複數個疊加的元件層，例如，頂上覆蓋有兩層陶瓷元件的兩層或三層碳塊，上部層形成與鐵水接觸之爐膛底板。爐膛之側壁之耐火襯裏本身亦通常由複數個環形耐火層之疊加配置形成。在下部部分中，每一層可包含最接近煙囪之金屬壁定位之外部環形部分，及形成接觸鐵水或最接近鐵水的爐膛側壁之內部環形部分。每一環形部分由複數個圓周上並列之塊形成，且根據塊在各種層及環中之位置調整各種塊之材料。此外，在流出孔之層面且(更高地)亦在風口之層面，使用特定形狀及材料之元件。
在建構煙囪之內部耐火襯裏時使用錘結主體，以用於 填充通常由碳或陶瓷製成的為塊或磚之耐火元件與形成鼓風爐煙囪之壁或其他金屬元件之間的間隙，以及用於填充鄰近耐火元件之間或此等元件之不同層或走向之間的間隙且尤其是底部之特定耐火元件與爐膛之側壁之特定其他元件之間的間隙。
視該等元件之位置而定，因此將存在外部環之塊與冷卻板之間的「冷」接頭，及內部環之塊與外部環之塊之間的熱接頭。
內部環與外部環之間的距離可為實質上恆定的，例如約50 mm，作為塊之良好尺寸公差之結果，該距離具有幾mm之精度。
與之相對照，歸因於煙囪之幾何不規則性，尤其是由煙囪壁之冷卻板之大得多之公差引起的煙囪之不完全圓形度，外部環之塊與經冷卻之煙囪壁之間的距離可圍繞圓周發生相當大的變化，將產生之接頭之厚度通常為80 mm、±20 mm。
此外，必須考慮爐膛之內部壁與接近煙囪之金屬壁定位的襯裏之外部面之間的在使用中常見之高溫差，及在各種操作階段中(尤其在啟動期間)的此溫差之變化。此係因為當最初放置襯裏塊時，該等塊全部處在低溫(不管該等塊係朝向爐膛之內部抑或朝向煙囪壁定位)，而當鼓風爐在操作中時，最外部塊保持相對較冷，而與鐵水接觸之塊被加熱至極高溫度。因此必須允許塊之間(尤其在徑向方向上、在兩個同心環之塊之間)的間隙之某一變化，以便在襯裏之內 層比外層更快地變熱時(尤其在投產運行期間)抵消顯著的膨脹差。因此，兩個環之間的接頭為可壓縮的是非常有利的。以實例說明，此兩個層之間的接頭之可壓縮性可達到15%至20%。
在壁之內環與底部之上部層之間的接頭之層面，尤其歸因於根據一平面圖配置之底部塊或磚之形狀(但其可能在此平面圖中以平行線裝配，而環之塊經配置成圓圈)，間隙亦可具有相當不規則的形狀。除了亦可被稱為熱接頭之此等接頭之顯著尺寸變化之外，接頭此外可形成於可由不同材料(例如，用於環塊之碳及用於底部之陶瓷)製成之塊之間，此在任何溫度波動之情況下(尤其在鼓風爐之啟動階段期間)導致不同行為。
因此需要使用錘結主體來補償可在鄰近塊之間留下間隙之任何不規則性，該主體因此起作用以填充塊之間的不規則及/或可變間隙。錘結主體亦具有確保自襯裏之熱的內部面朝向襯裏之經冷卻外部面的令人滿意之熱轉移及至少不中斷經由耐火元件發生之熱轉移之功能。重要地，錘結主體亦具有以能夠吸收及減小可在耐火元件之間(尤其歸因於溫度波動)、特別是在底部之磚與側襯裏之塊之內層之間以及在此襯裏之該內層與外層之間產生的熱機械應力之可塑性壓縮接頭之方式提供一可壓縮體之功能。
為了提供以上說明之可壓縮性，已知錘結主體通常由粒狀相(由經煅燒無煙煤或電化石墨或此等材料之混合物構成，可能添加SiC)與黏合劑(一般為焦油或樹脂類型)之混合 物構成。
已例如自JP 2002121080、CN 1544389、CN1690012或CN101823891得知各種錘結主體組合物。
錘結主體的一個一般問題為錘結主體通常藉由可能由壓實機器輔助之手動壓實來安置，但錘結主體始終不若藉由複雜之壓緊或擠壓方法製造之耐火塊或磚均質及緊密。由於粒狀相此外基本上係基於標準碳或石墨，在曝露於熔融金屬及諸如鹼、蒸汽等之侵蝕劑時由此等錘結主體形成之接頭之耐侵蝕性及/或耐腐蝕性比預製耐火元件之耐侵蝕性及/或耐腐蝕性低得多。
此外，通常使用之焦油類型黏合劑在直至約500℃之溫度下可保持相對可撓，但在更高溫度下(例如，自大約800℃起)，焦油類型黏合劑聚合且在錘結主體之顆粒之間形成極強結合，因此破壞黏合劑之相對可撓性。因此，包含此類型之黏合劑之先前技術錘結主體可在「冷」接頭之層面使用，因為在此情況下，相對較低溫度使得有可能保持接頭之所需可壓縮性(特別在外環或外部耐火層與煙囪之經冷卻金屬壁之間)。與之對比，在上文所提及之熱接頭之層面，在約500℃之溫度以上，接頭之硬化導致可壓縮性之損失。尤其在底部與側壁之間的接頭之層面，接頭之此硬化亦可導致由接頭之破裂引起的增大之滲漏風險。
本發明之目標
因此，本發明之一目標為改良由錘結主體形成之接頭(尤其針對「熱」接頭，諸如在底部襯裏與側襯裏之塊之間或者在內環之塊與外環上的與該等內環塊相對定位之塊之間產生的接頭)之耐久性。另一目標為改良(例如)此等塊之間的熱轉移。
該目標係根據本發明藉由使用用於諸如鼓風爐之冶金容器之耐火襯裏之耐火元件中之至少一些元件的塊襯裏之錘結主體來達成，該錘結主體由粒狀相及黏合劑相之混合物構成，其中該粒狀相及/或該黏合劑包含具有微孔結構或能夠在該鼓風爐運轉期期間藉由燃燒形成微孔結構之至少一成分。
本發明之一般描述
根據本發明之錘結主體因此具有在冶金容器中形成塊或磚之間的接頭之優點，該等接頭對熔融金屬及能夠在物理上或化學上對此等接頭起作用之其他侵蝕劑之侵襲有更好抵抗力。此改良由接頭之微孔結構引起，該微孔結構避免或至少極大程度上限制金屬或其他侵蝕劑經由接頭之滲漏，因此避免了自受損接頭區域開始的對塊之對應侵襲。就此而言，值得注意使用微孔粒狀相(一方面)及能夠在至少在初始加熱時段期間保持良好可壓縮性之同時形成此微孔結構之黏合劑(另一方面)之有益效應，如下文所見。
應注意，在本發明之上下文中(且尤其與由IUPAC提供之定義相反)，微孔結構意味其小孔具有小於2 μm之平均大小的結構。因此本發明之所提及之微孔材料將意味具有2 μm或更小及較佳1 μm或更小之平均小孔大小之結構。
根據第一特定發展，粒狀相基本上包含具有微孔結構之碳或以碳為主之顆粒。歸因於小孔大小之減小，此結構本身已提供相對於先前技術粒狀材料之可觀改良，因此使得有可能提供對熔融金屬及對能夠在物理上或化學上對此等接頭起作用之其他侵蝕劑之侵襲的更好抵抗力(如先前所指示)。此外，其亦使得有可能以類似於具有微孔結構之塊的方式提供熱通量之更高效傳輸，因此限制對表面層之加熱，且因而有助於維持與襯裏之該表面接觸之較冷金屬層，此較冷金屬層亦具有對耐火壁之保護作用。
在第一變體中，錘結主體可由此微孔粒狀相及基於焦油或聚合樹脂之黏合劑形成。
根據一個特別有利之發展，黏合劑相包含至少一焦油類型之成分，該焦油類型之成分此外能夠在高溫下燃燒時產生微孔結構，該燃燒在錘結主體之安置之後在鼓風爐恢復使用時的溫度增加期間發生。因此，在鼓風爐操作運轉期的開始，在接頭已在上文提及之高溫之作用下硬化之前，黏合劑之可壓縮性以已知方式用來准許由對耐火襯裏組件中之材料之差溫加熱產生的熱機械應力之鬆弛。隨後，在藉由曝露於通常高於800℃之高溫下燃燒接頭時，不但發生由聚合引起之已知硬化，而且發生本發明特有之微孔結構之形成。
根據另一替代發展，黏合劑相包含聚合樹脂類型之至少一成分，該至少一成分同樣能夠在高溫下燃燒時產生一 微孔結構，該燃燒在錘結主體之安置之後在鼓風爐恢復使用時的溫度增加期間發生。因此，在鼓風爐操作運轉期的開始，在接頭已由於曝露於高溫而硬化之前，黏合劑之可壓縮性以已知方式用來准許由對耐火襯裏組件中之材料之差溫加熱產生的熱機械應力之鬆弛。隨後，一旦接頭已藉由曝露於該高溫而被燃燒，發生由聚合引起之已知硬化，同樣在特定點(尤其超過800℃)發生本發明特有之微孔結構之形成。
此微孔結構為將能夠在燃燒時使黏合劑變得具有微孔之添加劑(諸如金屬矽粉)添加至黏合劑之結果，該添加劑之效應為用來自焦油或樹脂或碳纖維之碳在燃燒時形成SiC晶鬚(whiskers)。作為提醒，將記起，「晶鬚」為小直徑之細長物品，其實質上完全沒有晶體缺陷，從而為晶鬚提供極高之機械強度。藉由跨越硬化之焦油狀或聚合之樹脂的小孔延伸，此等晶鬚產生提供極穩固障礙之微孔性，該等障礙防止液體金屬或其他侵蝕劑滲透。亦可使用具有類似於矽石粉末之效應之其他添加劑。
根據另一特定發展，微孔材料粒狀相可藉由研磨微孔耐火塊、來自切割微孔耐火塊之廢料或自先前耐火襯裏回收之已用微孔碳塊獲得。
根據又一發展，黏合劑基質相可包含細石墨顆粒，此藉由改良對錘結主體本身之潤滑而將較好壓實性質賦予錘結主體。
同樣地，此基質相可包含防止鐵水侵蝕之試劑，諸如 TiC或TiO2，該等試劑具有增加與所得接頭接觸之鐵之黏度的能力，因此提供防止鐵滲透至接頭材料中的更好防護。
本發明之另一目標為提供用於在諸如鼓風爐之冶金容器之耐火襯裏之耐火元件之間產生熱接頭之方法，根據該方法，使用由粒狀相及黏合劑相之混合物構成之一錘結主體，其中該黏合劑包含以焦油或聚合樹脂為主之至少一成分及諸如金屬矽粉之添加劑，在該錘結主體之安置之後，該添加劑能夠藉由由該冶金容器之溫度增加引起之燃燒使該黏合劑變得具有微孔。
此方法將尤其用於在兩個同心環形組件之間產生接頭，該兩個組件形成該容器之側壁且界定其間之由該等接頭填充之環形間隙；以及用於在構成該容器之側壁之內部環形組件之下部部分與形成該容器之底板之一或多個耐火層之周邊之間產生接頭。
本發明之又一目標為提供冶金容器，諸如鼓風爐，該冶金容器包含由裝配耐火塊或磚之複數個組件形成之耐火襯裏，耐火塊或磚之該複數個組件在至少一些此等塊或磚或塊或磚之組件間界定由接頭填充的間隙，其中該等接頭係基於如先前所界定之錘結主體而形成。此接頭可形成於兩個同心環形組件之間，該兩個組件形成爐膛之側壁且界定其間之由該接頭填充之環形間隙。若需要，側壁亦可包含兩個以上同心環形組件，接頭形成於該等環形組件之間的每一界面處。此種接頭亦可形成於內部環形組件之下部部分與形成該容器之底板之一或多個耐火層之周邊之間。
本發明之其他區別性特徵及特性將由下文藉由實例給出的關於將根據本發明之錘結主體用於產生鼓風爐煙囪之耐火襯裏之額外描述揭露。
在圖中僅部分地展示的鼓風爐之煙囪1以已知方式包含具備冷卻板12之金屬壁11。底板2包含複數個耐火材料疊加層，例如：(自底部開始)位於冷卻液體所通過之冷卻管211上方的石墨塊之第一層21、亦由標準碳塊形成之第二層22、可由具有極高熱導率之超微孔碳塊形成之第三層23，及陶瓷磚的兩個層24、25。在塊之第一層21之下，冷卻管可嵌入碳錘結主體中。
自第四層24之層面開始，耐火側壁係由兩個同心環形組件3、4製成，每一環形組件係由疊加環31、41之堆疊形成，每一環係由圓周形配置的具有極高熱導率之微孔碳塊製成。具有約60 mm之徑向厚度之環形間隙經設置於最接近冷卻之煙囪壁之外部環形組件與內部環形組件之間，且由自根據本發明之錘結主體產生之接頭5填充。底部及外部環形組件之第一層之周邊(一方面)與由冷卻板冷卻之壁(另一方面)之間的間隙由可為習知種類之錘結主體6填充，而非曝露於極高溫度。
同心環形組件3及4向上延伸至爐膛之上部層面，耐火襯裏隨著標準碳塊之環形組件7繼續向上延伸超出該上部層面。
在內環之第一層41a、41b與底部之陶瓷底板層24、25 之間，存在用根據本發明之錘結主體產生之周邊接頭8，以補償底部之周邊之幾何形狀與第一內環之內表面之圓形形狀之間的偏差。此區域特別成問題，因為其正好在爐膛之水平底部與垂直壁之間的角落中且因此特別熱，且此外，底部與側壁之間的此環形接面區域垂直地延伸且因此特別容易被鐵水滲漏。此外，在此層面形成之錘結主體接頭8可展現徑向方向上之厚度之實質變化，此亦削弱熱特性之均勻性。根據本發明之錘結主體由於其熱機械抗性、提供抵抗鐵滲透之障壁及在增加爐中之溫度之階段期間可壓縮以便將相鄰塊上之機械應力減至最小且因此隨後確保最大可能地減少漏孔方面的有利特性而在此層面尤其適用。
在兩個同心環形組件之間的接頭5之層面，特別相關的為根據本發明之錘結主體之熱導率及可壓縮性特性。如已說明的，該可壓縮性使得可能在內部組件被直接曝露於熔融金屬之熱而外部組件保持冷時限制兩個組件3與4之間的熱機械應力。熱導率確保了自耐火襯裏之內部向外部之最佳熱轉移，因此限制了對內環之塊之加熱。
因此，結合使用高效能之碳塊及陶瓷塊，根據本發明之錘結主體之安置使得有可能在比先前技術錘結主體長的時期中在耐火襯裏之厚度中之每一等溫分佈之層面確保襯裏之熱機械特性之良好均勻性，同時確保接頭特性與局部應力之間的最佳可能匹配，以便儘可能地在該等接頭之層面將耐火襯裏中之結構不均勻性之負面效應減至最小。
1‧‧‧鼓風爐之煙囪
11‧‧‧金屬壁
12‧‧‧冷卻板
2‧‧‧底板
21‧‧‧石墨塊之第一層
211‧‧‧冷卻管
22‧‧‧第二層
23‧‧‧第三層
24‧‧‧陶瓷磚之層/第四層
25‧‧‧陶瓷磚之層
3‧‧‧同心環形組件
31‧‧‧疊加環
4‧‧‧同心環形組件
41‧‧‧疊加環
5‧‧‧接頭
6‧‧‧錘結主體
7‧‧‧環形組件
8‧‧‧接頭
現將參看附加之圖式，該單一圖展示在鼓風爐之側襯裏與底部之間的接面附近的襯裏區域之徑向平面中之截面。
1‧‧‧鼓風爐之煙囪
2‧‧‧底板
3‧‧‧同心環形組件
4‧‧‧同心環形組件
5‧‧‧接頭
6‧‧‧錘結主體
7‧‧‧環形組件
8‧‧‧接頭
11‧‧‧金屬壁
12‧‧‧冷卻板
21‧‧‧石墨塊之第一層
22‧‧‧第二層
23‧‧‧第三層
24‧‧‧陶瓷磚之層/第四層
25‧‧‧陶瓷磚之層
31‧‧‧疊加環
41‧‧‧疊加環
41a‧‧‧第一層
41b‧‧‧第一層
211‧‧‧冷卻管

Claims (20)

  1. 一種用於冶金容器之耐火襯裏之耐火元件中之至少一些耐火元件的塊襯裏之錘結主體，該錘結主體由粒狀相及黏合劑相之混合物構成，其中該粒狀相及/或該黏合劑包含具有微孔結構或能夠藉由燃燒形成微孔結構之至少一成分。
  2. 如申請專利範圍第1項之錘結主體，其中該粒狀相基本上包含具有微孔結構之碳或以碳為主之顆粒。
  3. 如申請專利範圍第2項之錘結主體，其中該微孔材料粒狀相係藉由研磨微孔耐火塊、來自切割微孔耐火塊之廢料或已用微孔碳塊獲得。
  4. 如申請專利範圍第1項之錘結主體，其中該黏合劑包含以焦油或聚合樹脂為主之至少一成分。
  5. 如申請專利範圍第4項之錘結主體，其中該黏合劑包含能夠在高溫下燃燒時產生微孔結構之至少一成分。
  6. 如申請專利範圍第4項之錘結主體，其中該黏合劑包含添加劑，該添加劑能夠在燃燒時藉由形成晶鬚使該黏合劑變得具有微孔，該等晶鬚跨越硬化之焦油狀或聚合材料之小孔而產生。
  7. 如申請專利範圍第6項之錘結主體，其特性在於該添加劑為金屬矽粉。
  8. 如申請專利範圍第1項之錘結主體，其中該黏合劑包含細石墨顆粒。
  9. 如申請專利範圍第1項之錘結主體，其中該黏合劑包 含防止鐵水侵蝕之試劑。
  10. 如申請專利範圍第9項之錘結主體，其中該試劑為TiC或TiO2。
  11. 如申請專利範圍第1-10項任一項之錘結主體，其中該冶金容器為鼓風爐。
  12. 一種用於在冶金容器之裝配形成耐火襯裏之耐火塊或磚之複數個組件(2、3、4)之間產生熱接頭之方法，根據該方法，使用由粒狀相及黏合劑相之混合物構成之錘結主體，其中該黏合劑包含以焦油或聚合樹脂為主之至少一成分及一添加劑，在安置該錘結主體之後，其能夠藉由由該冶金容器之溫度增加引起之燃燒使該黏合劑變得具有微孔。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，其用於在兩個組件(3、4)之間產生接頭(5)，該兩個組件係同心且呈環狀且形成該容器之側壁且界定其間之由該等接頭填充之環形間隙。
  14. 如申請專利範圍第12項之方法，其用於在構成該容器之側壁之內部環形組件(4)之下部部分與形成該容器之該底板之一或多個耐火層(24、25)之周邊之間產生接頭(8)。
  15. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該添加劑為金屬矽粉。
  16. 如申請專利範圍第12-15項任一項之方法，其中該冶金容器為鼓風爐。
  17. 一種冶金容器，其包含藉由裝配耐火塊或磚之複數個組件(2、3、4)形成之耐火襯裏，耐火塊或磚之該複數個 組件在至少一些此等塊或磚或塊或磚之組件之間界定由接頭填充的間隙，其中該等接頭(5、8)係基於如申請專利範圍第1至11項中任一項之錘結主體或藉由如申請專利範圍第12至16項中任一項之方法而形成。
  18. 如申請專利範圍第17項之冶金容器，其中該接頭(5)形成於兩個組件(3、4)之間，該兩個組件係同心且呈環狀且形成該容器之側壁，且界定其間之由該接頭填充之環形間隙。
  19. 如申請專利範圍第17項之冶金容器，其中該接頭(8)形成於構成該容器之側壁之內部環形組件(4)之下部部分與形成該容器之底板之一或多個耐火層(24、25)之周邊之間。
  20. 如申請專利範圍第17至19項中任一項之冶金容器，其特性在於該冶金容器為鼓風爐。
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