PL174315B1

PL174315B1 - Mieszanka do wytwarzania spoistej masy ogniotrwałej na powierzchni

Info

Publication number: PL174315B1
Application number: PL92295072A
Authority: PL
Inventors: Jean-Pierre Meynckens; Léon-Philippe Mottet
Original assignee: Glaverbel
Priority date: 1991-07-03
Filing date: 1992-06-29
Publication date: 1998-07-31
Also published as: ES2041222A1; ITTO920540A0; PL295072A1; RU2051879C1; CA2071370C; CN1068319A; GB2257136A; JP3173879B2; TW270109B; NL195098C; IT1259596B; ATA136592A; BE1005914A4; KR930002283A; ZA924907B; MX9203875A; DE4221480A1; GB9213805D0; ITTO920540A1; AT396784B

Abstract

1. Mieszanka do wytwarzania spoistej masy ogniotrwalej na powierzchni na bazie zwiazku krzemu, zawierajaca glówny skladnik mieszanki w postaci czastek ogniotrwalych jednej lub wielu substancji zawierajacych jeden lub wiecej zwiazków krzemu, takich jak weglik krzemu i dwutlenek krzemu oraz dodatkowe czastki substancji wybranej z grupy obejmujacej tlenek magnezowy, tlenek wapniowy, tlenek zelaza (II) i/lub dodatkowe czastki zwiazku niemetalicznego wybranego z grupy obejmujacej nadtlenek, krzemian, azotek i weglik, znamienna tym, ze zawiera palne czastki krzemu i ewentualnie palne czastki glinu, przy czym palne czastki krzemu w ilosci nie wiekszej niz 15% wagowych mieszanki oraz dodatkowe czastki zwiazku niemetalicznego w ilosci do 25% wagowych mieszanki. Urzad Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest mieszanka do wytwarzania spoistej masy ogniotrwałej na powierzchni.

Masa ogniotrwała jest wytwarzana na powierzchni, przy zastosowaniu sposobu nazywanego spawaniem ceramicznym, co przedstawiono w opisach patentowych Wielkiej Brytanii nr 1330 894 i 2 170 191. Spoista masa ogniotrwała powstaje na powierzchni poprzez naniesienie na tę powierzchnię mieszanki cząstek ogniotrwałych i cząstek palnych w obecności tlenu. Cząstki palne są cząstkami, których skład i ziarnistość są takie, że reagują one w sposób egzotermiczny z tlenem, tworząc tlenek ogniotrwały i wydzielając ciepło potrzebne do stopienia, przynajmniej powierzchniowo, cząstek ogniotrwałych. Przykładami takich substancji palnych są glin i krzem.

Znane jest, że krzem można sklasyfikować właściwie jako półmetal i ponieważ krzem zachowuje się podobnie do niektórych metali i jest zdolny do ulegania znacznemu utlenianiu egzotermicznemu przy tworzeniu się tlenku ogniotrwałego, te substancje palne są nazywane dla uproszczenia metalicznymi substancjami palnymi. Zwykle zaleca się nanoszenie cząstek w obecności tlenu o dużym stężeniu, stosując na przykład tlen o jakości przemysłowej jako gaz nośny. W ten sposób tworzy się spoistą masę ogniotrwałą, która przylega do powierzchni, na którą są nanoszone cząstki. W wyniku bardzo wysokich temperatur przy reakcji spawania ceramicznego, masa może przenikać żużel, który występuje ewentualnie na powierzchni poddawanej obróbce substancji ogniotrwałej oraz może zmiękczać lub stapiać powierzchnię tak, że pomiędzy obrabianą powierzchnią i nowo utworzoną masą ogniotrwałą zostaje wytworzone dobre wiązanie.

Masa ogniotrwała jest wykorzystana do wykonania ogniotrwałego wyrobu, na przykład bloku mającego szczególny kształt i jest powszechnie stosowana do tworzenia powłok lub do

174 315 naprawy cegieł lub ścian i przy naprawie lub wzmacnianiu istniejących konstrukcji ogniotrwałych, na przykład przy naprawie ścian lub powłok wyłożenia ogniotrwałego, takich jak ściany pieca koksowniczego lub szklarskiego. Operacja tajest zwykle przeprowadzana, gdy konstrukcja ogniotrwałajest gorąca. Umożliwiato naprawę podlegających erozji powierzchni ogniotrwałych przy pozostawaniu urządzenia zasadniczo w temperaturze roboczej i w niektórych przypadkach nawet, gdy ono pracuje.

Masa ogniotrwała jest wytwarzana na powierzchni również przy zastosowaniu sposobu natryskiwania płomieniowego. Polega on na kierowaniu płomienia na miejsce, gdzie ma być wytwarzana masa ogniotrwała i natryskiwaniu proszku ogniotrwałego przez ten płomień. Płomień powstaje w wyniku spalania paliwa gazowego lub ciekłego albo nawet sproszkowanego koksu. Wydajne wykorzystanie techniki natryskiwania płomieniowego wymaga całkowitego spalenia paliwa w celu wytworzenia płomienia ojak najwyższej możliwej temperaturze. Zwykle temperatura płomienia w procesie natryskiwania płomieniowego nie jest tak wysoka, jak temperatura, którą można osiągnąć w technice spawania ceramicznego. W wyniku tego spójność wytworzonej masy ogniotrwałej nie jest tak dobra i ponieważ wiązanie pomiędzy nową masą ogniotrwałą i powierzchnią konstrukcji ogniotrwałej jest utworzone w niższej temperaturze, wiązanie niejest tak silne. Ponadto taki płomień ma mniejszą zdolność, niż ma to miej sce podczas reakcji spawania ceramicznego, przenikania żużla do powierzchni ogniotrwałej poddawanej obróbce.

Skład mieszanki stosowanej w procesie spawania ceramicznego jest zwykle dobrany tak, żeby otrzymać masę naprawczą o składzie chemicznym podobnym lub zbliżonym do składu podstawowego materiału ogniotrwałego. Pomaga to w zapewnieniu jednorodnego mieszania się i przylegania materiału nowego i materiału podstawowego, na którym jest on wytwarzany.

Występują jednak problemy przy naprawie niektórych rodzajów konstrukcji ogniotrwałych, nawet gdy jest wytwarzana masa ogniotrwała o składzie chemicznym podobnym do składu podstawowej masy ogniotrwałej. Na przykład naprawa struktur powierzchni ogniotrwałych na bazie węglika krzemu przy pomocy mieszanki zawierającej przede wszystkim cząstki węglika krzemu a także cząstki metalicznych substancji palnych, takie jak cząstki glinu i krzemu, nie zawsze zapewnia wystarczające przyleganie wytwarzanej masy ogniotrwałej do podstawowej substancji ogniotrwałej.

Elementy ogniotrwałe na bazie węglika krzemu są używane w sprzęcie metalurgicznym, w szczególności w wielkich piecach do wytapiania stali lub w kolumnach destylacyjnych cynku. Podczas pracy tego sprzętu niektóre części konstrukcji ogniotrwałych mogą mieć stosunkowo niską minimalną temperaturę roboczą, na przykład rzędu 700°C i mogą podlegać znacznym zmianom temperatury otoczenia. Masy ogniotrwałe wytwarzane znanymi technikami na tych częściach konstrukcji ogniotrwałych nie zawsze wystarczająco przylegają do podstawowej masy ogniotrwałej i w niektórych przypadkach, szczególnie gdy dokonywana jest naprawa bloku lub ściany ogniotrwałej, których temperatura jest niska, nowa masa ogniotrwała oddziela się całkowicie od podstawowej masy ogniotrwałej, często podczas pracy sprzętu.

Podobne problemy pojawiają się przy naprawie konstrukcji ogniotrwałych na bazie dwutlenku krzemu o dużej gęstości, różnych od tradycyjnych konstrukcji na bazie dwutlenku krzemu o małej gęstości i używanych w niektórych piecach koksowniczych. Chociaż można wytworzyć masę ogniotrwałą o podobnym składzie chemicznym, jak podstawowa masa ogniotrwała, nowa masa nie zawsze wystarczająco przylega i może nawet oddzielić się gwałtownie od podstawowej masy ogniotrwałej, gdy piec pracuje.

Znany jest z opisu międzynarodowego zgłoszenia patentowego WO 90/03848 sposób naprawy, na przykład ogniotrwałych wyłożeń pieca, w którym obojętny gaz nośny i cząstki tlenku ogniotrwałego oraz utleniającego się materiału palnego są dostarczane do urządzenia do natryskiwania płomieniowego, w którym tlen pod wysokim ciśnieniem zasysa i przyspiesza mieszankę gazu nośnego i cząstek. Sposób ten znajduje zastosowanie przy naprawie bloków i cegieł ogniotrwałych w linii dyszowej konwertora do wytapiania miedzi, jak również przy naprawie kolumn korytowych z węglika krzemu. W tym opisie ujawniono mieszankę zawierającą 79% węglika krzemu, 16,25% krzemu, 4% glinu i 0,75% magnezu natryskiwanego przez układ powietrzno-tlenowy na kolumnę korytową z węglika krzemu. Użycie proszku magnezo4

174 315 wego w tym sposobie jest niekorzystne, przynajmniej dlatego, że magnez jest stosunkowo lotny, a więc istnieje niepewność co do składu wytwarzanego wyłożenia ogniotrwałego.

Znana jest mieszanka do wytwarzania spoistej masy ogniotrwałej na powierzchni na bazie związku krzemu, zawierająca główny składnik mieszanki w postaci cząstek ogniotrwałych jednej lub wielu substancji zawierających jeden lub więcej związków krzemu, takich jak węglik krzemu i dwutlenek krzemu oraz dodatkowe cząstki substancji wybranej z grupy obejmującej tlenek magnezowy, tlenek wapniowy, tlenek żelaza (II) i/lub dodatkowe cząstki związku niemetalicznego wybranego z grupy obejmującej nadtlenek, krzemian, azotek i węglik.

Mieszanka według wynalazku zawiera palne cząstki krzemu i ewentualnie palne cząstki glinu, przy czym palne cząstki krzemu w ilości nie większej niż 15% wagowych mieszanki oraz dodatkowe cząstki związku niemetalicznego w ilości do 25% wagowych mieszanki.

Dodatkowe cząstki mają wymiary mniejsze lub równe 500 pm.

Korzystnie dodatkowe cząstki mają wymiar co najmniej 10 pm.

Korzystnie mieszanka zawiera od 79 do 82% wagowych SiC, 8% wagowych Si, 5% wagowych Al i od 5 do 8% wagowych MgO.

Korzystnie mieszanka zawiera 80,5% wagowych SiO₂, 11,1% wagowych Si, 1% wagowych Al i 7,4% wagowych MgO.

Korzystnie mieszanka zawiera 80% wagowych SiO₂, 8% wagowych CaO · SiO₂, 8% wagowych Si i 4% wagowe Al.

Zaletą wynalazku jest to, że mieszanka według wynalazku jest użyteczna przy wytwarzaniu mas ogniotrwałych o wysokiej jakości, stosowanych do naprawy powierzchni na bazie związku krzemu, na przykład konstrukcji pieców ogniotrwałych, jak również do spawania ze sobą elementów. Wynalazek zapewnia uzyskanie masy ogniotrwałej, która doskonale przylega do podstawowej masy ogniotrwałej, nawet gdy powierzchnia podlega zmianom warunków cieplnych podczas pracy urządzenia i/lub gdy naprawa jest dokonywana na powierzchni, której temperatura jest stosunkowo niska, na przykład pomiędzy 600°C i 1000°C, chociaż wynalazek jest możliwy do zastosowania w przypadku powierzchni o temperaturze poza tym zakresem.

Masy ogniotrwałe otrzymane z mieszanki według wynalazku zapewniają rozszerzalność cieplną na powierzchni przylegania pierwotnego elementu i utworzonej masy ogniotrwałej różną od rozszerzalności cieplnej, którą otrzymano by, jeżeli początkowa mieszanka nie zawierałaby żadnych substancji powodujących wprowadzenia do sieci krystalicznej dwutlenku krzemu wytworzonego przez spalanie krzemu. Dzięki tej własności masy ogniotrwałe przystosowują się dobrze do badanych struktur ogniotrwałych.

Cząstki glinu dodane do palnych cząstek krzemu są szybko utleniane, wydzielając znaczną ilość ciepła i tworząc tlenki ogniotrwałe, co prowadzi do poprawy jakości mas ogniotrwałych.

Dzięki zawartości w mieszance według wynalazku nie więcej niż 15% wagowych krzemu zostaje ograniczona ilość nieprzereagowanego krzemu, który pozostawałby w wytworzonej masie ogniotrwałej i pogarszałby jej jakość. Przy występowaniu cząstek ogniotrwałych w ilości przynajmniej 70% wagowych uzyskuje się jednorodną masę. Dzięki zastosowaniu cząstek ogniotrwałych o wymiarze większym niż 4 mm ułatwia się utworzenie regularnego strumienia proszku. Dzięki dobraniu wymiaru dodatkowych cząstek uzyskuje się wysoką jakość masy ogniotrwałej, gdyż cząstki zbyt duże nie spełniają skutecznie swej funkcji, a zbyt małe ulatniają się podczas reakcji.

Obecność tlenku magnezowego w mieszance zapewnia prawidłową wytrzymałość cieplną wytwarzanej masy ogniotrwałej. Występowanie sieci krystalicznej o strukturze kordierytu w wytwarzanej masie ogniotrwałej zapewnia doskonalą odporność na wstrząsy cieplne tej masy. Występowanie sieci krystalicznej o strukturze forsterytu i/lub strukturze spinelu poprawia wytrzymałość cieplną wytwarzanej masy ogniotrwałej.

Wynalazek jest szczególnie użyteczny do naprawy elementów ogniotrwałych na bazie węglika krzemu lub elementów ogniotrwałych na bazie dwutlenku krzemu o dużej gęstości. W wyniku tego korzystne jest przeprowadzanie spawania ceramicznego przy pomocy mieszanki, której główną część wagową stanowi węglik krzemu lub dwutlenek krzemu. Wynalazek jest także użyteczny przy naprawie innych rodzajów elementów ogniotrwałych na bazie związku

174 315 krzemu, aniżeli poprzednio wzmiankowane, takich jak normalne cegły silikatowe i cegły silikatowo-glinowe.

Substancja lub substancje stanowiące główną część składową mieszanki odpowiadają składowi elementu ogniotrwałego wymagającego naprawy lub stanowią inną substancję. W tym ostatnim przypadku wytwarzanajest masa ogniotrwała, która ma własności odmienne i w sposób idealny ulepszone względem elementu ogniotrwałego podlegającego naprawie, na przykład poprawioną wytrzymałość na ścieranie lub załamanie.

Wynalazek zostanie teraz przedstawiony bardziej szczegółowo przy pomocy następujących przykładów:

Przykład 1. Masa ogniotrwała jest wytwarzana na ścianie kolumny destylacyjnej cynku. Ściana ta zawiera cegły na bazie węglika krzemu. Na cegły jest nanoszona mieszanka cząstek ogniotrwałych, cząstek substancji palnej, które są utleniane egzotermicznie przez utworzenie tlenku ogniotrwałego oraz cząstek tlenku magnezowego. Temperatura ściany wynosi 800°C. Mieszanka jest nanoszona w strumieniu czystego tlenu z szybkością 60 kg/godz.

Mieszanka ma następujący skład:

SiC 79% wagowych

Si 8% wagowych

Al 5% wagowych

MgO 8% wagowych

Cząstki krzemu mają wymiary poniżej 45 pm i powierzchnię właściwą zawartą pomiędzy 2500 i 8000 cm²/g. Cząstki glinu mają wymiary poniżej 45 pm i powierzchnię właściwą zawartą pomiędzy 3500 i 6000 cm²/g. Wymiary cząstek węglika krzemu są mniejsze niż 1,47 mm, przy czym 60% wagowych wynosi od 1 do 1,47 mm, 20% od 0,5 do 1mm i 20% poniżej 0,125 mm. Cząstki MgO mają wymiar średni w przybliżeniu 300 pm, przy czym wymiar średni oznacza wymiar taki, że 50% wagowych cząstek ma wymiar mniejszy niż ten średni.

Do ściany naprawionej w ten sposób, chociaż podlega ona znacznym zmianom temperatury otoczenia, nowa masa ogniotrwała przylega trwale.

Strukturę wytworzonej masy zbadano pod mikroskopem. Zaobserwowano doskonałą ciągłość pomiędzy naniesioną masą ogniotrwałą i masą ogniotrwałą podłoża, przy czym dwutlenek krzemu wytworzony przez spalanie krzemu był wprowadzany do sieci krystalicznej forsterytu, kordierytu i spinelu glinowego.

Dla porównania na powierzchnię naniesiono w tych samych warunkach mieszankę nie zawierającą tlenku magnezowego.

Skład tej mieszanki był jak następuje:

SiC 87%wagowoch

Si 12*1? wagowoch

Al 1% wwgowo.

Wytworzona masa ogniotrwała oddzielała się gwałtownie od ściany i odłączała się w postaci stałych bloków, jeżeli kolumna destylacyjna cynku nadal działała.

Mieszankę stosuje się także na przykład do naprawy dna pieca koksowniczego wykonanego z normalnych cegieł silikatowych i ce^^ieT siiii^iatto^^i^^^^J^in^^^wyich. Otrzymjija się masę naprawczą o dobrej wgtrzymałości na ścieranie , dobrze przylegającą do ściany, nwwet pir^^/ podleganiu znacznym zmianom temperatury.

Przykład 2. Zastosowano mieszankę o składzie zbliżonym do składu mieszanki z przykładu 1, mianowicie o składzie:

SiC 82% wagowogy

Si 8% % agowgch

Al 5% % agαwggy

MgO 5%% agowgch

Naprawiana ściana zawiera cegły na bazie węglika krzemu i ma temperaturę 700°C.

Otrzymana masa ogniotrwała przylega również trwale do ściany.

Przykład 3. Masa ogniotrwała jest wytwarzana na ścianie pieca koksowniczego wykonanego z cegieł silikatowych o dużej gęstości. Podczas gdy gęstość pozorna zwykłych cegieł silikatowych jest rzędu 1,80, gęstość pozorna cegieł o dużej gęstości wynosi około 1,89.

174 315

Takie cegły są już dostępne na rynku i w porównaniu ze zwykłymi cegłami silikatowymi mają korzystniejsze własności związane z przepuszczalnością gazu i przewodnością cieplną.

Ściana, której temperatura wynosi około 750°C, jest naprawiana przy pomocy następującej mieszanki:

SiO2 80,5% wagowych

Si 11,1 % wagowych

Al 1% wagowy

MgO 7,4% wagowych

Cząstki SiO2 mają wymiary mniejsze od 2 mm, przy czym maksimum 30% wagowych cząstek SiO2 ma wymiary od 1 do 2 mm i mniej niż 15% wagowych cząstek SiO2 ma wymiary mniejsze od 100 gm.

Wytworzona masa ogniotrwała przylega trwale do ściany.

W przeciwieństwie do tego nanoszenie w tych samych warunkach roboczych podobnej mieszanki, lecz nie zawierającej tlenku magnezowego, zapewnia otrzymanie masy ogniotrwałej, która łatwo oddziela się od ściany, gdy ta ściana podlega różnym warunkom cieplnym podczas pracy pieca.

Przykład 4. Masa ogniotrwała jest wytwarzana na ścianie pieca koksowniczego, wykonanego z podłoża ogniotrwałego na bazie związku krzemowego, która podlega znacznym zmianom temperatury otoczenia i której temperatura nie przekracza 900°C. Naprawiana jest ściana o temperaturze około 750°C, przy pomocy następującej mieszanki:

SiO2 80% wagowych

CaO · SiO2 (wolastonit) 8% wagowych

Si 8% wagowych

Al 4¹% wagowych

Wymiar średni cząstek wolastonitu wynosi około 300 gm. Wymiar cząstek metalu jest podany w przykładzie 1 i wymiar cząstek dwutlenku krzemu jest podany w przykładzie 3.

Wytworzona masa ogniotrwała przylega trwale do ściany.

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

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Mieszanka do wytwarzania spoistej masy ogniotrwałej na powierzchni na bazie związku krzemu, zawierająca główny składnik mieszanki w postaci cząstek ogniotrwałych jednej lub wielu substancji zawierających jeden lub więcej związków krzemu, takich jak węglik krzemu i dwutlenek krzemu oraz dodatkowe cząstki substancji wybranej z grupy obejmującej tlenek magnezowy, tlenek wapniowy, tlenek żelaza (II) i/lub dodatkowe cząstki związku niemetalicznego wybranego z grupy obejmującej nadtlenek, krzemian, azotek i węglik, znamienna tym, że zawiera palne cząstki krzemu i ewentualnie palne cząstki glinu, przy czym palne cząstki krzemu w ilości nie większej niż 15% wagowych mieszanki oraz dodatkowe cząstki związku niemetalicznego w ilości do 25% wagowych mieszanki.
2. Mieszanka według zastrz. 1, znamienna tym, że dodatkowe cząstki mają wymiary mniejsze lub równe 500 gm.
3. Mieszanka według zastrz. 2, znamienna tym, że dodatkowe cząstki mają wymiar co najmniej 10 gm.
4. Mieszanka według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera od 79 do 82% wagowych SiC, 8% wagowych Si, 5% wagowych Al i od 5 do 8% wagowych MgO.
5. Mieszanka według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera 80,5% wagowych SiO₂,11,1% wagowych Si, 1% wagowy Al i 7,4% wagowych MgO.
6. Mieszanka według zastrz. 1, znamienna tym, że zawiera 80% wagowych SiO₂, 8% wagowych CaO · SiO₂, 8% wagowych Si i 4% wagowe Al.