способ формования наплавленного слоя огнеупорной массы и смесь частиц

Формула изобретения

1. Способ формования наплавленного слоя огнеупорной массы на поверхности огнеупора на основе соединения кремния, включающий одновременную подачу на поверхность кислорода и экзотермической смеси, содержащей горючие частицы кремния и огнеупорные частицы, отличающийся тем, что смесь содержит не более 15 мас. % горючих частиц кремния, не менее 70 мас.% частиц одного или нескольких огнеупорных веществ и дополнительно до 25 мас.% частиц вещества, которое обеспечивает введение двуокиси кремния, образуемой при сгорании частиц кремния, в огнеупорную массу в виде соединения с кристаллической решеткой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве указанного вещества используют оксид магния.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что по меньшей мере часть двуокиси кремния, образуемой при сгорании кремния, вводится в огнеупорную массу в виде соединения с кристаллической структурой форстерита.

4. Способ по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что горючие частицы дополнительно содержат частицы алюминия.

5. Способ по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что по меньшей мере часть двуокиси кремния, образуемой при сгорании кремния, вводится в огнеупорную массу в виде соединения с кристаллической структурой форстерита, и/или шпинели, и/или кордиерита.

6. Способ по пп. 1 и 4, отличающийся тем, что в качестве указанного вещества используют частицы перекиси или силиката.

7. Способ по пп. 1 - 6, отличающийся тем, что в качестве огнеупорных частиц используют карбид кремния.

8. Способ по пп. 1 - 6, отличающийся тем, что в качестве огнеупорных частиц используют двуокись кремния.

9. Способ по пп. 1 - 8, отличающийся тем, что температура поверхности составляет менее 1000^oС.

10. Смесь частиц, предназначенная для формования наплавленного слоя огнеупорной массы на поверхности огнеупора на основе соединения кремния, содержащая горючие частицы кремния и огнеупорные частицы, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит частицы вещества, которое обеспечивает введение двуокиси кремния, образуемой при сгорании частиц кремния, в огнеупорную массу в виде соединения с кристаллической решеткой при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Горючие частицы кремния - 8 - 15

Огнеупорные частицы - 70 - 82

Частицы указанного вещества - 5 - 25

11. Смесь по п. 10, отличающаяся тем, что она содержит оксид магния в качестве частиц указанного вещества.

12. Смесь по п.10, отличающаяся тем, что она содержит частицы перекиси или силиката в качестве частиц указанного вещества.

13. Смесь по пп. 10 - 12, отличающаяся тем, что горючие частицы дополнительно содержат частицы алюминия.

14. Смесь по пп. 10 - 13, отличающаяся тем, что в качестве огнеупорных частиц она содержит карбид кремния.

15. Смесь по пп. 10 - 13, отличающаяся тем, что в качестве огнеупорных частиц она содержит двуокись кремния.

16. Смесь по пп. 10 - 15, отличающаяся тем, что частицы указанного вещества имеют размер не более 500 мкм.

17. Смесь по пп. 10 - 16, отличающаяся тем, что частицы указанного вещества имеют размер не менее 10 мкм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу формования огнеупорной массы, сцепляемой с поверхностью, при котором производится подача к этой поверхности совместно с кислородом смеси, состоящей из огнеупорных частиц и горючих частиц, которые вступают в экзотермическую реакцию с подаваемым кислородом, при этом выделяется достаточное количество тепла, чтобы под действием этого тепла, образуемого при сгорании, образовать огнеупорную массу. Изобретение также относится к смеси частиц, предназначенной для формования огнеупорной массы.

Если необходимо сформовать огнеупорную массу на поверхности на месте, то для этого можно выбрать один из двух известных основных способов.

Согласно первому из этих способов, иногда называемому "керамической сваркой" и представленному в патентах Великобритании N 1330894 (Главербель) и N 2170191 (Главербель), огнеупорная масса, сцепляемая с поверхностью формуется на поверхности посредством подачи на последнюю смеси, состоящей из огнеупорных и горючих частиц, при наличии кислорода. Горючие частицы представляют собой частицы, композиция и гранулометрия которых таковы, что они вступают в экзотермическую реакцию с кислородом, при этом образуется огнеупорный окисел и выделяется необходимое тепло для плавления, по крайней мере поверхностного, подаваемых огнеупорных частиц. Примерами таких горючих веществ являются алюминий и кремний. Известно, что кремний может классифицироваться, как полуметалл, но поскольку поведение кремния подобно определенным металлам (он может в значительной степени подвергаться экзотермическому окислению при формировании огнеупорного окисла), эти горючие элементы для простоты называются горючими металлическими веществами. Рекомендуется производить подачу частиц при наличии высокой концентрации кислорода, например, посредством использования в качестве гозоносителя коммерчески поставляемого кислорода. При этом образуется огнеупорная масса, которая сцепляется с поверхностью, на которую осуществляется подача частиц. Из-за весьма высоких температур, которые могут достигаться при керамической сварке, она может проникать через шлак, который может находиться на поверхности огнеупорного вещества, подвергаемого обработке, при этом она может размягчить или расплавить поверхность таким образом, что образуется хорошая связь между обработанной поверхностью и вновь сформованной огнеупорной массой.

Эти известные процессы керамической сварки могут применяться для формования огнеупорного изделия, например блока, имеющего конкретную форму, однако они наиболее широко используются для образования покрытий или ремонта кирпичей или стен и особенно полезны для ремонта или усиления существующих огнеупорных конструкций, например, для ремонта стен или оборудования с огнеупорным покрытием, таких как стены печей для производства стекла или кокса.

Такая операция обычно выполняется тогда, когда огнеупорное основание находится в горячем состоянии. Это позволяет отремонтировать разъединенные огнеупорные поверхности при сохранении рабочих температур оборудования, а в определенных случаях даже при работе оборудования.

Второй известный процесс, предназначенный для формования огнеупорной массы на поверхности, называется "процессом пламенного распыления". Он предполагает направление пламени к тому месту, где должна быть образована огнеупорная масса, и распыление огнеупорного порошка через это пламя. Пламя обеспечивается газообразованием или жидким топливом, либо даже порошкообразным коксом. Очевидно, что эффективное использование этой технологии распыления требует полного сгорания топлива, с тем, чтобы обеспечить создание по возможности наиболее высокотемпературного пламени и добиться максимальной эффективности. Температура пламени, получаемая в случае процесса пламенного распыления, не так высока по сравнению с температурой, которая может быть достигнута в случае технологии керамической сварки, вследствие чего сцепление образованной огнеупорной массы не так высоко, а поскольку связь между новой огнеупорной массой и поверхностью огнеупорного основания образуется при более низкой температуре, эта связь не будет такой прочной. Кроме того, такое пламя в меньшей степени, чем керамическая сварка, способно проникать через шлак, который может находиться на огнеупорной поверхности, подвергаемой обработке.

Композиция смеси, используемой в процессе керамической сварки, обычно выбирается таким образом, чтобы создать массу для ремонта, которая имеет химический состав, подобный составу основного огнеупора или близкий к нему. Это способствует совместимости нового материала с базовым материалом, на котором он образуется, и его адгезии к нему.

Однако мы обнаружили, что возникают проблемы, если необходимо отремонтировать определенные типы огнеупорных структур, причем это происходит даже тогда, когда образуется огнеупорная масса с химической композицикей, которая подобна композиции основной огнеупорной массы.

Например, при ремонте конструкции с огнеупорной поверхностью, имеющей основу из карбида кремния, с помощью смеси, главным образом содержащей частицы из карбида кремния, а также частицы из металлических горючих веществ, таких как алюминий и кремний, создается огнеупорная масса, которая не всегда обеспечивает достаточное сцепление с основным огнеупором.

Огнеупоры, имеющие основу из карбида кремния, используются в определенном металлургическом оборудовании, в частности, в печах с воздушным дутьем при производстве стали или в ректификационных колоннах для возгонки цинка. В течение работы этого оборудования определенные детали огнеупорных конструкций могут иметь довольно низкую минимальную рабочую температуру, например, порядка 700^оС, при этом они дополнительно могут подвергаться существенным изменениям окружающей температуры. Было обнаружено, что огнеупорные массы, создаваемые посредством известных технологий на этих частях огнеупорных конструкций, не всегда обеспечивают достаточное сцепление с массой основного огнеупора, а в определенных случаях, особенно когда ремонтируется блок или огнеупорная стена, температура которой невысока, новая огнеупорная масса становится полностью отделенной от основной огнеупорной массы и отходит сама по себе в течение работы оборудования.

Подобные проблемы возникают сами по себе, если необходим ремонт огнеупорных конструкций, имеющих основу из двуокиси кремния высокой плотности (названные так, чтобы отличить их от традиционных огнеупоров из двуокиси кремния, плотность которых ниже), используемых в определенных коксовых печах; даже если представляется возможным образовать огнеупор, по химическому составу подобный основной огнеупорной массе, новая масса не всегда прилипает в достаточной степени и даже может быстро отделиться от основной огнеупорной массы, когда печь находится в работе.

Из международной заявки на патент N W 090-03848 известен способ ремонта, например, облицовок печи, при котором инертный несущий газ и частицы огнеупорного окисла и горючего окисляемого материала подаются к устройству для пламенного распыления, в котором кислород под высоким давлением всасывает и ускоряет смесь из несущего газа и частиц. Этот процесс используют для ремонта огнеупорных блоков /кирпичей в линии фурм медеплавильного конвертера, а также для ремонта тарельчатых колонн из карбида кремния. Например, в одном случае осуществляется выброс смеси, содержащей 79% карбида кремния, 16,25% кремния, 4% алюминия и 0,75% магния на тарельчатую колонну посредством воздушно-кислородной системы с двойной трубкой Вентури.

Однако использование в этом процессе магниевого металлического порошка следует считать недостатком, по крайней мере потому, что поскольку металлический магний относительно летуч, имеется некоторая неопределенность в отношении состава образуемого огнеупорного покрытия.

Одна из целей настоящего изобретения заключается в решении этих проблем.

Настоящее изобретение относится к способу формования огнеупорной массы, наплавленной на поверхность огнеупора на основе кремниевого соединения, при котором осуществляется подача к поверхности одновременно с кислородом смеси, содержащей огнеупорные и горючие частицы, которые вступают в экзотермическую реакцию с подаваемым кислородом, с выделением тепла, достаточного для формования огнеупорной массы под действием этого тепла, отличающуюся тем, что смесь включает горючие кремниевые частицы, составляющие большую часть веса смеси огнеупорные частицы одного или нескольких веществ и дополнительно частицы другого вещества, которое при формовании огнеупорной массы обеспечивает введение двуокиси кремния, образованной при сгорании частиц кремния, в огнеупорную массу в среде соединения с кристаллической решеткой.

Настоящее изобретение также относится к смеси частиц, предназначенных для способа формования огнеупорной массы. Смесь содержит горючие кремниевые частицы, огнеупорные частицы из одного или нескольких веществ, составляющие большую часть веса смеси, и дополнительно частицы другого вещества, которые при формовании огнеупорной массы вызывают введение двуокиси кремния, образованной при сгорании частиц кремния, в огнеупорную массу в виде соединения с кристаллической решеткой.

Предложенные смесь и способ пригодны для формования высококачественных огнеупорных масс, предназначенных для ремонта поверхностей на основе кремниевых соединений, например, огнеупорных конструкций печей, а также для приваривания деталей друг к другу. Представляется возможным получение огнеупорной массы, которая обладает отличным сцеплением с основным огнеупором, когда отремонтированная поверхность подвергается повторяющимся изменениям тепловых условий в течение работы оборудования и/или когда ремонт выполняется на поверхности, температура которой относительно низка, например, находится в диапазоне 600-1000^оС (например, 700^оС), хотя изобретение может быть применено к поверхностям, имеющим температуру, находящуюся вне этого диапазона. Огнеупорная масса, создаваемая согласно изобретению, обладает свойствами в отношении теплового расширения на границе между поверхностью и сформованной огнеупорной массой, которые отличаются от свойств, которые были бы получены, если бы исходная смесь не содержала какого-либо вещества, вызывающего введение двуокиси кремния, образованной при сгорании кремния в огнеупорную массу в виде соединения с кристаллической решеткой. Мы полагаем, что преимущества, получаемые этим изобретением, обеспечиваются, по меньшей мере частично, за счет этого различия на границе раздела, и что полученные огнеупорные массы демонстрируют на границе раздела свойства, касающиеся теплового расширения, которые хорошо согласуются с такими же свойствами рассматриваемых огнеупорных структур.

Горючие кремниевые частицы могут использоваться в качестве единственного горючего материала, либо они могут перемешиваться с частицами дополнительного горючего материала, например, алюминия. При этом предпочтительно, чтобы смесь дополнительно содержала горючие алюминиевые частицы. Алюминиевые частицы могут быстро окисляться со значительным выделением тепла и образованием самих огнеупорных окислов. Поэтому применение этого отличительного признака благоприпятствует образованию высококачественных огнеупорных масс.

Смеси согласно изобретению предпочтительно содержат не более 15 мас. кремния. Это важно для ограничения количества не вступившего в реакцию кремния, который может остаться в образованной огнеупоpной массе. Мы установили, что наличие непрореагировавшего кремния в сформованной огнеупорной массе может привести к снижению ее качества.

Количество имеющихся огнеупорных частиц по весу может составлять по меньшей мере 70% а предпочтительно по меньшей мере 75% что позволяет получить однородную массу.

Дополнительные частицы предпочтительно составляют остальную часть cмеcи и могут по весу составлять до 25% смеси, а предпочтительно от 5 до 15%

Горючие частицы, используемые в смеси, предпочтительно имеют средний размер менее 50 мкм.

Среди огнеупорных частиц предпочтительно фактически не содержатся частицы с размером более 4 мм, а наиболее предпочтительно, чтобы размер частиц не превышал 2,5 мм, с тем чтобы облегчить формирование правильной струи порошка.

Размер добавочных частиц, используемых в смеси, предпочтительно должен быть менее или равен 500 мкм. Если используются частицы, имеющие довольно большие размеры, имеется опасность того, что они не будут играть эффективную роль. Предпочтительно, чтобы эти частицы имели размер по меньшей мере составляющий 10 мкм. Если используются частицы, размер которых весьма мал, имеется опасность того, что в ходе реакции они будут улетучиваться.

При формовании огнеупорной массы разные вещества могут быть приемлемы для того, чтобы вызвать введение двуокиси кремния, образуемой при сгорании кремния в огнеупорную массу в виде соединения с кристаллической решеткой.

Вышеупомянутое дополнительное вещество предпочтительно вводится в виде частиц окиси магния.

Наличие этого соединения в смеси, которая подается к огнеупорной поверхности, подлежащей ремонту, способствует обеспечению надлежащих теплостойких свойств формируемой огнеупорной массы.

Кроме того введение в смесь окиси магния дает возможность сформовать огнеупорную массу, в которой по крайней мере часть двуокиси кремния, образуемой при сгорании кремния, вводится в кристаллическую решетку типа форстерита. Это также способствует обеспечению надлежащих теплостойких свойств формуемой огнеупорной массы.

Если смесь содержит алюминий, а также окись магния, может быть сформована огнеупорная масса, в которой по крайней мере часть двуокиси кремния, образуемой при сгорании кремния, вводится в виде соединения со структурой форстерита и/или со структурой шпинели, и/или со структурой кордиерита.

Наличие кристаллической решетки со структурой кордиерита в сформованной огнеупорной массе способствует приданию этой массе прекрасной стойкости к термическим ударам. Наличие кристаллической решетки со структурой форстерита и/или со структурой шпинели, с другой стороны, благоприятно влияет на теплостойкость формуемо огнеупорной массы.

Другие окислы, такие как окись кальция или окись железа (II), также могут быть использованы в качестве дополнительного вещества, вызывающего введение двуокиси кремния, образуемой при сгорании кремния, в кристаллическую решетку.

Может быть использована смесь частиц, которая дополнительно или альтернативно содержит дополнительное вещество или вещества, композиция которых такова, что когда образуется огнеупорная масса, оно/они образуют вещество, вызывающее введение двуокиси кремния, образуемой при сгорании кремния, в огнеупорную массу в виде соединения с кристаллической решеткой. Например, могут быть использованы перекиси, такие как перекись кальция, нитриды, карбиды.

Окисел, например окись кальция, может быть введена в виде соединения, например в случае окиси кальция в виде волластонита (CaO SiO₂).

Настоящее изобретение особенно пригодно для ремонта огнеупоров, имеющих основу из карбида кремния, или огнеупоров, имеющих основу из двуокиси кремния с высокой плотностью. Следовательно, предпочтительно чтобы керамическая сварка осуществлялась с помощью смеси, большая часть которой по весу содержит соответственно карбид кремния или двуокись кремния.

Изобретение также может быть полезно при ремонте таких видов огнеупоров на основе кремниевого соединения, которые отличаются от упомянутых ранее, например, обычных кирпичей из двуокиси кремния и кирпичей из двуокиси кремния окиси алюминия.

Вещество или вещества, по весу составляющие большую часть смеси, могут соответствовать композиции того огнеупора, который должен быть отремонтирован, или могут представлять собой иные вещества. В последнем случае образуется огнеупорная масса, которая может обладать свойствами, отличающимися от свойств тех огнеупоров, которые подлежат ремонту, а в идеале превосходящими их, например, имеет повышенную стойкость к истиранию, либо повышенную огнестойкость.

П р и м е р 1. Огнеупорная масса образована на стенке ректификационной колонны для возгонки цинка. Эта стенка содержит кирпичи с основой из карбида кремния. Смесь из огнеупорных частиц и частиц горючего вещества, которые могут экзотермически окисляться с образованием огнеупорного окисла, и из частиц окиси магния, подается на эти кирпичи. Температура стенки составляет порядка 800^оС. Скорость подачи смеси составляет порядка 60 км/час в потоке чистого кислорода. Смесь имеет следующую композицию, мас. SiC 79 Si 8 Al 5 MgO 8

Размер частиц кремния составляет менее 45 мкм, а степень диспергирования находится в диапазоне 2,5-8,0 см²/г. Размер частиц алюминия составляет менее 45 мкм, а степень диспергирования находится в диапазоне 3,50-6,0 см²/г. Размер частиц карбида кремния составляет менее 1,47 мм, при этом частицы, по весу составляющие 60% имеют размер от 1 до 1,47 мм, частицы по весу составляющие 20% имеют размер 0,125 мм. Средний размер частиц MgO приблизительно составляет 300 мкм. Термин "средний размер" предполагает, что частицы, составляющие по весу 50% имеют размер меньше этого среднего размера.

Стенка, которая ремонтировалась таким способом, подвергалась значительным изменениям температуры окружающей среды, при этом было видно, что новая огнеупорная масса надежно прилипала к основе.

Структура сформованной массы была исследована под микроскопом. При этом наблюдалась прекрасная сплошность между новой огнеупорной массой и массой огнеупорной основы. Также можно было видеть, что двуокись кремния, образованная при сгорании кремния, вводится в огнеупорную массу с кристаллической решеткой форстерита, кордиерита и глиноземной шпинели.

Для сравнения при тех же самых условиях был произведен выброс смеси, не содержащий окись магния. Состав этой смеси был таков, мас. SiC 87 Si 12 Al 1

Можно было видеть, что сформованная огнеупорная масса быстро отделялась от стенки и отходила сама по себе от твердых блоков, если ректификационная колонна для возгонки цинка продолжала работать.

При изменении этого примера смесь использовалась для ремонта донной части коксовой печи, сложенной из обычных кирпичей, состоящих и двуокиси кремния, и из кирпичей, состоящих из окиси алюминия-двуокиси кремния. При этом была получена ремонтная масса, имеющая хорошую стойкость к износу и прочно прилипающая к стенке, даже если та подвергается значительным температурным изменениям.

П р и м е р 2. Как вариант примера 1 использовалась смесь, имевшая следующий состав, мас. SiC 82 SiC 8 Al 5 MgO 5

Ремонтировавшаяся стенка была сложена из кирпичей, имевших основу из карбида кремния, и находилась при температуре порядка 700^оС.

Полученная огнеупорная масса также надежно приклеивалась к стенке.

Можно повторить пример 2, заменив MgO на перекись MgO₂. В этих условиях используют следующий состав, мас. SiO₂ 80 MgO₂ 7 Si 8 Al 5

П р и м е р 3. Цель состояла в формовании огнеупорной массы на стенке коксовой печи, сложенной из кирпичей, состоящих из двуокиси кремния и имеющих высокую плотность. В то время как объемная плотность традиционных кирпичей из двуокиси кремния составляет порядка 1,8, объемная плотность кирпичей высокой плотности приблизительно составляет 1,89. Такие кирпичи, недавно появившиеся на рынке огнеупорных материалов, обладают более высокими характеристиками по сравнению с традиционными кирпичами из двуокиси кремния в отношении свойств, касающихся газопроницаемости и теплопроводности.

Ремонт стенки, температура которой составляла приблизительно 750^оС, был выполнен с помощью следующей смеси, мас. SiO₂ 80,5 Si 11,1 Al 1 MgO 7,4

Размер частиц SiO₂ составляет менее 2 мм, при этом частицы, составляющие по весу максимально 30% имеют размер от 1 до 2 мм, а частицы, составляющие по весу менее 15% имеют размер меньше 100 мкм.

Сформированная масса надежно прилипала к стенке.

Напротив, выброс в тех же самых рабочих условиях подобной смеси, не содержащей окиси магния, приводил к получению огнеупорной массы, которая сама по себе отделялась от стенки, если последняя подвергалась различным тепловым воздействием, которые имели место, когда печь находилась в работе.

П р и м е р 4. Цель заключалась в формовании огнеупорной массы на стенке коксовой печи, изготовленной из огнеупора на основе кремниевого соединения, который подвергается значительным изменениям температуры окружающей среды и температура которого не превышает 900^оС.

Ремонт выполнен на стенке, температура которой составляла приблизительно 750^оС, с помощью следующей смеси, маc. SiO₂ 80 CaO SiO₂ (волластонит) 8 Si 8 Al 4

Средний размер частиц волластонита составляет порядка 300 мкм. Размер металлических частиц такой, как в примере 1, а размер частиц двуокиси кремния такой, как в примере 3.