СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1999 года по МПК C04B35/66 C04B35/65 B05B7/20 

Изобретение относится к изготовлению керамических изделий и к устройству, используемому для такого изготовления. Оно главным образом, но не исключительно касается изготовления трубок и труб из керамического материала.

Керамические трубы и трубки традиционно изготавливаются из глины, формуемой во влажном состоянии для придания ей желаемой "необработанной" формы и после этого обжигаемой в печах. Они все еще широко используются, но не обладают высоким качеством в отношении механической прочности и способности противостоять высоким температурам, поэтому значительная их часть подвергается разрушениям. Однако для керамических труб и трубок, способных выдерживать режимы работы с повышенными требованиями, особенно из такого керамического материала, предназначенного для тяжелых режимов работы, как карбид кремния, способы изготовления становятся гораздо более сложными. В опубликованном описании японского патента JP-A-03-218987 раскрыто изготовление композитных труб из карбида кремния-металла, в которых происходит сгорание и которые используются в газотурбинных двигателях. При таком изготовлении вначале формируют слой однородной смеси из порошкообразного карбида и порошкообразного углерода на внутренней поверхности металлической трубы. После этого для формирования трубчатого изделия добавляют избыточный кремний и на первый слой наслаивают слой из перемешанных порошкообразных алюминия и F₃O₄. Затем трубчатое изделие подвергают весьма быстрому вращению, так что происходит термическая реакция и в первом слое образуется спеченный карбид углерода.

Цель настоящего изобретения заключается в изготовлении высококачественных керамических изделий, таких как трубы и трубки, без использования этих сложных процессов.

Точнее, настоящее изобретение возникло на базе исследования того, как применить к процессу изготовления керамических изделий технологию, подобную процессу сварки керамики.

При "сварке керамики" смесь твердых огнеупорных частиц и твердых горючих частиц металла и полуметалла, например алюминия и кремния, выбрасывается к поверхности, служащей мишенью, где горючие частицы вступают в высокоэкзотермическую реакцию с газообразным кислородом для образования с огнеупорными частицами связанной огнеупорной массы совместно с окислом (окислами), получаемым при реакции.

Известно большое количество патентов, например патент Великобритании 1330894 (Главербель), касающихся варки керамики. Хотя и известно использование способа сварки керамики для образования огнеупорного изделия, например блока, имеющего конкретную форму для использования при возведении или ремонте промышленных печей, этот способ применяется главным образом при местном ремонте огнеупорных печей, например, огнеупоров в стенках стекловарочных или коксовых печей. Предназначенная для сварки керамическая смесь выбрасывается к требуемому месту выполнения ремонта, где она образует связанную огнеупорную массу, прилипающую к поверхности печи.

Огнеупорные материалы, которые используются в печах, включают в себя такие оксидные материалы, как оксид алюминия, кремнезем и диоксид циркония. Огнеупоры, содержащие в качестве основы карбид кремния, используются в некоторых металлургических установках, в частности в доменных печах и в ректификационных колоннах для получения цинка. Горючие частицы и огнеупорные частицы, используемые в ремонтной смеси, обычно выбираются таким образом, чтобы связанная огнеупорная масса по своей химической композиции была подобна огнеупору печи.

Согласно настоящему изобретению создан процесс изготовления керамического изделия из порошкообразной смеси, содержащей огнеупорные частицы и горючие частицы, при котором горючие частицы вступают в экзотермическую реакцию при наличии газа, богатого кислородом, с тем чтобы получить изделие из огнеупорных частиц и продукта реакции горючих частиц, отличающийся тем, что порошкообразная смесь выбрасывается к металлическому шаблону, который нагревается до температуры, составляющей по меньшей мере 850^oC, чтобы создать связанное огнеупорное изделие в форме шаблона, после чего шаблон отделяют от изделия.

Известно устройство для образования огнеупорной массы, содержащее средство распыления, предназначенное для распыления частиц окисляемого материала и огнеупорного материала совместно с кислородом, например устройство согласно WO, A, 9003848 (Willmet, Inc.). В настоящем изобретении создано устройство для изготовления керамического изделия, включающее в себя средство выброса порошкообразной смеси, содержащей огнеупорные частицы и горючие частицы, средство подачи газа, богатого кислородом, отличающееся тем, что оно содержит металлический шаблон, изготовленный из материала, который обладает стойкостью к высокой температуре и на котором выбрасываемые частицы могут вступать в реакцию с газом, богатым кислородом, для получения из огнеупорных частиц и продукта реакции горючих частиц связанного огнеупорного изделия в форме шаблона, при этом поверхность металлического шаблона не содержит каких-либо углублений или выступов, которые бы способствовали сцеплению между свариваемым материалом и металлом.

Изобретение весьма пригодно для изготовления всех типов керамических изделий, например плоских плит, криволинейных плит, волнистых плит и открытых водоводов. Однако оно особенно пригодно для изготовления полых изделий, таких как трубки, трубы, трубчатые соединители и соединительные детали.

Изделия, изготовленные согласно изобретению, обладают высокими огнеупорными свойствами и хорошей механической прочностью, тем самым обеспечивая возможность их использования в случаях тяжелых режимов работы керамических материалов. Они особенно пригодны для использования в теплообменниках высокой интенсивности, в коррозионностойких погружных нагревателях, в соплах для газа и каналах для металлов, например в стаканах для дозированного розлива стали. Требование коррозионной стойкости особенно необходимо при использовании с расплавленными металлами, такими как цинк и алюминий.

Изобретение обладает дополнительным преимуществом, заключающимся в возможности изготовления компонентов из высокосортного огнеупорного материала. Наличие фаз с низкой точкой плавления исключается, чем обеспечивается преимущество по сравнению с классическими способами, в которых используются шликерное литье, обжиг или прокаливание.

Изобретение представляет собой упрощенную альтернативу обычным способам изготовления керамических изделий, имеющих большие размеры и сложную форму. Кроме того, их изготовление осуществляется быстро и надежно, а поскольку они производятся только из выбранного исходного материала, обеспечивается значительная гибкость выбора свойств конечного продукта за счет соответствующего выбора исходных материалов.

Предпочтительные примеры огнеупорных частиц включают в себя карбид кремния, оксид алюминия, диоксид циркония и алюмодиоксид циркония. Карбид кремния особенно желателен, поскольку компонент изделия должен обладать хорошей стойкостью к высоким температурам.

Горючие частицы предпочтительно выбираются из кремния и алюминия или их смеси.

Максимальный размер огнеупорных частиц предпочтительно составляет порядка 2 мм. Это способствует обеспечению минимальных потерь огнеупора из-за отскока от поверхности, служащей мишенью. Горючие частицы предпочтительно имеют средний диаметр не более 50 мкм. (Термин "средний диаметр частиц", который здесь используется, определяет такой размер, когда частицы, составляющие по весу 50%, имеют размер, меньший этого среднего размера).

Нагрев шаблона до температуры, составляющей по меньшей мере 850^oC, обеспечивает воспламенение горючих частиц. После воспламенения горючие частицы сгорают со значительным выделением тепла. Шаблон может быть предварительно нагрет до температуры, составляющей по меньшей мере 850^oC, за счет чего обеспечивается воспламенение горючих частиц, когда они достигают шаблона. Как вариант, выброс может быть направлен к шаблону, который находится при температуре более низкой, чем 850^oC, например при температуре окружающей среды, после чего производится повышение температуры шаблона, с тем чтобы начать реакцию.

Выброс порошкообразной смеси предпочтительно производится из одинарного копья, хотя, если желательно, может быть использована конфигурация с большим количеством копий.

Обычно несущим газом для порошка является богатый кислородом газ, используемый для сгорания. Вообще говоря, предпочтительно использовать чистый кислород, поскольку он способствует получению высокой температуры реакции.

Обычно порошок постепенно наносят на шаблон, начиная с одной точки и обрабатывая всю поверхность металлического шаблона. Нанесение может осуществляться вручную, но обычно копье и шаблон устанавливаются относительно друг друга таким образом, чтобы достигалось задаваемое и повторяемое механическое перемещение копья и металлического шаблона относительно друг друга.

Металлический шаблон должен быть изготовлен из материала, который может противостоять высокой температуре и химическому разрушению. Как правило, предпочтительна нержавеющая сталь. Форма металлического шаблона определяется требуемой формой изделия. Поэтому другое преимущество изобретения заключается в том, что за счет соответствующего выбора формы металлического шаблона он может быть использован для создания изделий со сложной конфигурацией, например теплостойких Т-образных и L-образных компонентов, используемых в выпускных коллекторах. Поверхность шаблона, предназначенная для нанесения сварочного материала, выполняется гладкой и не содержит каких-либо впадин и выступов, с тем чтобы противодействовать тенденции к сцеплению между сварочным материалом и металлом.

Поскольку поверхность связанного керамического материала, образуемого на шаблоне, точно соответствует форме поверхности металлического шаблона, обеспечивается возможность изготовления полых изделий с весьма точными и повторяемыми внутренними размерами.

Устройство содержит средство для относительного перемещения шаблона и копья, через которое производится выброс. Это может быть достигнуто простым перемещением средства, предназначенного для осуществления выброса, однако может оказаться удобным придание подвижности самому шаблону.

Металлический шаблон для изготовления труб и трубок должен быть выполнен в форме удлиненного цилиндра. Посредством вращения цилиндра вокруг своей оси керамическое отложение может наноситься из одного копья, находящегося в одном месте. В случае изготавливаемых труб и трубок, длина которых не больше, чем у цилиндра, копье может перемещаться параллельно оси цилиндра, так чтобы нанести керамическое покрытие на всю поверхность цилиндра.

Особое преимущество способа согласно изобретению заключается в том, что он может быть применен для изготовления трубчатых изделий, размер которых не ограничен размером шаблона. Это преимущество реализуется посредством удаления трубчатого изделия с цилиндра, когда происходит формирование изделия: когда первый кольцеобразный пояс трубчатого изделия затвердевает, он может быть захвачен инструментом, предназначенным для маневрирования им, и перемещен в сторону от цилиндра в осевом направлении, в то время как происходит формирование следующего кольцеобразного пояса изделия. В случае такого устройства общая возможная длина трубы вообще не ограничена формовочным процессом и зависит от близлежащего пространства для возможности маневрирования и от используемого оборудования.

Во многих случаях отделение изделия от шаблона наиболее легко может быть обеспечено простым отводом шаблона. Отвод образованного изделия от шаблона может быть облегчен, если это требуется, посредством предварительного покрытия шаблона огнеупорным цементом, который становится хрупким в результате подводимого к нему тепла в течение процесса формирования, а затем легко отламывается от поверхности шаблона или изделия. Как вариант, шаблон может быть охлажден, например до температуры окружающей среды, так чтобы он дал усадку относительно образованного изделия, за счет чего его легче удалить.

Ниже изобретение пояснено дополнительно со ссылками на приведенные примеры. Однако следует подчеркнуть, что изобретение не ограничено конкретными количествами и процессами, описанными в этих примерах.

Пример 1. Цилиндрическая труба, изготовленная из нержавеющей стали INOX и имеющая возможность вращения вокруг своей оси, была помещена в печь с температурой 1000^oC для ее предварительного нагрева. Цилиндр имел наружный диаметр 40 мм и длину 150 мм, при этом его наружная поверхность была гладкой, без каких-либо существенных выступов и впадин. Посредством копья осуществлялся выброс на предварительно нагретый цилиндр, когда он подвергался вращению, порошкообразной смеси, имевшей следующий состав, вес.%:
Карбид кремния - 79
Кремний - 8
Алюминий - 5
Оксид магния - 8
Частицы кремния имели размер менее 45 мкм и удельную площадь поверхности от 2500 до 8000 см²/г. Частицы алюминия имели размер менее 45 мкм и удельную площадь поверхности от 3500 до 6000 см²/г. Размер частиц карбида кремния составлял менее 1,47 мм, причем из них 60% весового состава имели размер от 1 до 1,47 мм, 20% от 0,5 до 1 мм и 20% менее 0,125 мм. Средний размер частиц оксида магния приблизительно составлял 300 мкм.

Порошкообразная смесь подавалась потоком коммерчески чистого кислорода. После нескольких минут на цилиндрическую поверхность был нанесен огнеупорный слой толщиной порядка 10 мм. После этого цилиндр был охлажден до температуры окружающей среды и был легко отведен, так чтобы покинуть огнеупорную трубку диаметром 40 мм и длиной 150 мм. Внутренняя поверхность образованной трубки была совершенно гладкой.

Пример 2. Цилиндрическая трубка такого типа, который описан Примере 1, но имеющая большие размеры и содержащая объединенное с ней нагревательное средство, была покрыта слоем огнеупорного цемента и затем нагрета до 1100^oC. Порошкообразная смесь с композицией, указанной в Примере 1, выбрасывалась в потоке коммерчески чистого кислорода из копья на покрываемую поверхность, при этом цилиндр подвергался вращению. Выброс продолжался в течение нескольких минут для образования огнеупорного слоя на цементе. После образования огнеупорного слоя нагревание цилиндра было прекращено, он был охлажден до температуры окружающей среды и его вновь можно было легко отвести. В этом случае труба, образованная из огнеупора, имела внутренний диаметр 200 мм и длину 1 м.

Способ и устройство для изготовления керамических изделий, главным образом труб и трубок из керамического материала, такого как карбид кремния, при которых изделие образуется посредством выброса керамической порошкообразной смеси, содержащей огнеупорные частицы и горючие частицы, на металлический шаблон с гладкой поверхностью, который нагревается до температуры по меньшей мере 850^oC, где при наличии богатого кислородом газа горючие частицы вступают в экзотермическую реакцию для получения из огнеупорных частиц и продукта реакции горючих частиц связанного огнеупорного изделия в форме шаблона. Технический результат: изготовление высококачественных керамических изделий, таких как трубы и трубки, без использования сложных процессов. 2 с. и 16 з.п.ф-лы.

1. Способ изготовления керамического изделия из порошкообразной смеси, содержащей огнеупорные и горючие частицы, при котором горючие частицы вступают в экзотермическую реакцию при наличии богатого кислородом газа для получения изделия из огнеупорных частиц и продукта реакции горючих частиц, отличающийся тем, что порошкообразную смесь выбрасывают к металлическому шаблону, который нагрет до по меньшей мере 850^oC, чтобы получить связанное огнеупорное изделие в форме шаблона, после чего шаблон отделяют от изделия. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что керамическое изделие представляет собой полое изделие. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что огнеупорные частицы содержат один или более из таких материалов, как карбид кремния, диоксид алюминия, диоксид циркония и алюмодиоксид циркония. 4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что горючие частицы выбирают из кремния и алюминия или их смесей. 5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что огнеупорные частицы имеют максимальный размер порядка 2 мм. 6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что горючие частицы имеют средний диаметр не более 50 мм. 7. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что шаблон предварительно нагревают до по меньшей мере 850^oC. 8. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что порошкообразную часть выбрасывают из одного копья. 9. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что порошкообразную смесь выбрасывают из ряда копий. 10. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что несущим газом для порошка является богатый кислородом газ, используемый для сгорания. 11. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что металлический шаблон предварительно покрывают огнеупорным цементом, который становится хрупким в результате прилагаемого к нему тепла в течение сварочного процесса, чтобы облегчить удаление образованного изделия с шаблона. 12. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что металлический шаблон охлаждают после образования изделия, чтобы облегчить удаление образованного изделия с шаблона. 13. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что порошок постепенно наносят на шаблон, начиная с одной точки и обрабатывая всю поверхность металлического шаблона. 14. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что изделие представляет собой трубчатое изделие, которое удаляют с металлического шаблона при его образовании. 15. Устройство для изготовления керамического изделия, содержащее средство выброса порошкообразной смеси, содержащей огнеупорные и горючие частицы, и средство подачи богатого кислородом газа, отличающееся тем, что оно содержит металлический шаблон, изготовленный из материала, который обладает стойкостью к высокой температуре и к химическому разрушению и на котором выброшенные частицы могут вступать в реакцию с газом, богатым кислородом, для получения из огнеупорных частиц и продукта реакции горючих частиц связанного огнеупорного изделия по форме шаблона, при этом поверхность металлического шаблона не содержит каких-либо выступов или углублений, которые обеспечивали бы тенденцию содействия сцеплению, создаваемому между сварочным материалом и шаблоном. 16. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что порошок наносят посредством копья, при этом копье и металлический шаблон установлены относительно друг друга так, что может быть получено заданное и повторяемое механическое перемещение копья и металлического шаблона относительно друг друга. 17. Устройство по п.15 или 16, отличающееся тем, что металлический шаблон выполнен в форме удлиненного цилиндра. 18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что цилиндр выполнен с возможностью вращения вокруг своей оси.