СПОСОБ РЕЗКИ ОГНЕУПОРНОГО ТЕЛА И ПОРОШКОВАЯ СМЕСЬ Российский патент 2000 года по МПК C04B35/65 C04B35/66 

Настоящее изобретение относится к способу резки огнеупорного тела, в частности, но не исключительно, к способу резки цирконийсодержащего огнеупорного тела. Изобретение также относится к порошковой смеси, используемой в таком способе.

Огнеупорные конструкции различных типов, как например, металлургические печи, коксовые печи и стекловаренные печи имеют тенденцию к повреждению в течение их срока службы.

Такие повреждения могут проявляться, например, в виде сдвигания одного или более огнеупорных блоков относительно основной конструкции, которое приводит к возникновению неправильного поверхностного профиля, или в виде растрескивания огнеупорной конструкции. Поэтому в основном желательно восстанавливать сконструированный поверхностный профиль огнеупорной конструкции, а также желательно предотвратить дальнейшее сдвигание блока (ов) и заполнить любую щель, образовавшуюся вследствие его или их смещения или растрескивания. Для достижения этих целей может оказаться необходимым или желательным вырезать любой поврежденный вздувшийся участок огнеупорной конструкции. Альтернативно или в дополнение может оказаться необходимым или желательным вырезать шпоночную канавку в сдвинувшемся блоке и или в соседнем блоке таким образом, чтобы можно было образовать шпонку или ввести ее в шпоночную канавку для предотвращения дальнейшего сдвига блока. Альтернативно или в дополнение также может оказаться необходимым или желательным увеличить или спрофилировать любую щель, образовавшуюся вследствие такого сдвига или растрескивания для формирования или введения подходящей пробки или заглушки. Такое повреждение альтернативно может возникнуть вследствие эрозии материала огнеупорной конструкции. Такая эрозия также имеет тенденцию к приданию неправильного поверхностного профиля конструкции, и часто становится желательным модифицирование такого поверхностного профиля до осуществления ремонта конструкции.

Может оказаться необходимым или желательным выполнить отверстие или иной разрез огнеупорной конструкции для других целей, например создания окон в стенке печи снаружи печи.

Термин "резка", используемый в настоящем описании, относится к удалению огнеупорного материала посредством режущего инструмента и включает вырезание участка материала, формирование отверстия или шпоночной канавки в нем, увеличение размера отверстия или шпоночной канавки, или выполнение в нем окна. Термин также включает "сверление", а именно выполнение круглого отверстия в материале.

Огнеупорная структура может быть разрезана механически, например, с использованием абразивного или шлифовального круга, сверла или 6vpa, или другого режущего инструмента, но это создает некоторые неудобства при ремонте огнеупора. Для того, чтобы разрезать огнеупор и получить пригодную для ремонта поверхность, оператор обычно должен очень близко подойти к месту резки, а это подразумевает, что место резки должно иметь температуру, которую может выдержать оператор в течение периода, необходимого для осуществления разрезания. Это, в конечном счете, означает, что огнеупорная структура должна быть охлаждена от ее нормальной рабочей температуры или температуры в пределах ее нормального рабочего цикла рабочих температур. И после резки и ремонта огнеупорная структура должна быть подогрета. В случае промышленных печей различного типа для исключения повреждения печи, когда ее огнеупорный материал усаживается или расширяется, график такого охлаждения и подогрева должен быть расписан на период в течение нескольких дней или даже нескольких недель, а это, соответственно, должно приводить к значительным потерям производительности этой печи.

Было предложено ремонтировать огнеупорные тела путем использования технологии "керамической наплавки". В этой технологии тело в присутствии кислорода приводится в контакт с порошковой смесью, содержащей частицы огнеупорного оксида металла и топливные частицы, которые сгорают с выделением тепла, т.е. экзотермически, при соединении с кислородом с образованием огнеупорного оксида. Кислород, обычно только он, служит в качестве несущего газа для транспортирования порошковой смеси к месту ремонта. Посредством этого способа огнеупорная масса образуется на месте ремонта. Особым преимуществом такой керамической наплавки является то, что ремонт может выполняться, когда огнеупорное тело горячее.

Так из патента Великобритании GB 1 330 894 (Glaverbel) известно формирование огнеупорной массы на поверхности путем выбрасывания на поверхность при повышенной температуре и в присутствии кислорода порошковой смеси, содержащей частицы огнеупорного материала и топливные частицы, которые сгорают при соединении с кислородом с образованием огнеупорного оксида. Топливными частицами являются частицы, состав и гранулометрия которых таковы, что они реагируют с сильной экзотермической реакцией с кислородом, в то же время образуя огнеупорный оксид и одновременно выделяя необходимое тепло для плавления, по крайней мере, поверхностного, выбрасываемых огнеупорных частиц. В частности, на поверхности цирконийсодержащего огнеупорного тела могут быть образованы адгезивные покрытия, содержащие окись кремния, окись циркония и окись алюминия, путем использования порошковой смеси, содержащей цирконий, окись циркония и окись алюминия в качестве частиц огнеупорного материала и смеси кремния и алюминия в качестве топливных частиц.

Настоящее изобретение касается аспектов подготовительного этапа, предшествующего операции ремонта огнеупора. В его самом широком смысле подготовительный этап известен как "обтеска", т.е. обеспечение огнеупорной поверхности, пригодной для ремонта, и включает просто очистку поверхности, сглаживание или обтесывание, или грубую околку, а также более жесткие операции резки и сверления, требуемые настоящим изобретением. Для получения выгоды как от высокоэкзотермической реакции между топливными частицами и кислородом, так и от применения к огнеупорной конструкции при ее рабочей температуре, или близко к ней, было рассмотрено использование при обтеске огнеупорной поверхности способа, родственного керамической наплавке.

В патенте Великобритании GB 2213919-A (Glaverbel) было предложено обтесывать огнеупорное тело путем контактирования его с порошковой смесью, содержащей топливные частицы, огнеупорные оксидные частицы и флюсующий реагент. В частности, цирконийсодержащее огнеупорное тело может быть обтесано путем контактирования с порошковой смесью, содержащей кремний и алюминий в качестве топливных частиц, окись циркония и окись алюминия в качестве огнеупорных оксидных частиц и карбонат натрия в качестве разжижающего реагента (флюса). Другие предложенные флюсы включают карбонат кальция при работе с некоторыми алюмосиликатными огнеупорами и карбонат магния при работе с огнеупорами, отличными от огнеупоров, содержащих магнезию.

В патенте США US 5100594 (Glaverbel and Fosbtl Inc.), было предложено ремонтировать или восстанавливать огнеупорное тело посредством процесса, при котором за счет окисления горючих частиц, выбрасываемых на тело, генерируется достаточное количество тепла либо для обтесывания огнеупорного тела, либо для формирования на нем наплавочной огнеупорной массы. В выбрасываемом порошке присутствуют дополнительные огнеупорные частицы, когда процесс используется для образования наплавочной массы на подлежащей восстановлению поверхности, например, в массе, образованной путем использования окиси циркония и окиси алюминия на Corhart ZAC^TM, используют окись кремния для заполнения трещин и разрывов в блоках из окиси алюминия, и для образования покрытия на базовых огнеупорных блоках используют окись магния.

Задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного способа и улучшенной порошковой смеси для резки огнеупорных тел.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предусмотрен способ резки огнеупорного тела путем выбрасывания на поверхность упомянутого тела в присутствии кислорода порошковой смеси, содержащей частицы огнеупорных оксидов металлов и топливные частицы, которые при соединении с кислородом сгорают в экзотермической реакции с образованием огнеупорного оксида, отличающийся тем, что огнеупорный оксид металла в порошковой смеси включает окись кальция и окись магния.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предусмотрена порошковая смесь для резки огнеупорного тела, содержащая частицы огнеупорных оксидов металлов и топливные частицы, которые при соединении с кислородом сгорают в экзотермической реакции с образованием огнеупорного оксида, отличающаяся тем, что огнеупорный оксид металла в порошковой смеси включает окись кальция и окись магния.

Топливные частицы сгорают с выделением тепла, т.е. в экзотермической реакции. Тепло, выделяющееся при этой реакции, заставляет плавиться поверхность огнеупорного тела. Не вдаваясь в теорию, заявитель полагает, что присутствие в смеси окиси, кальция и окиси магния ожижает расплавленный материал, что обеспечивает возможность его удаления за счет стекания его с разрезаемой поверхности.

По-видимому, это основано на химическом эффекте: окись кальция и окись магния, являясь основаниями, реагируют с кислыми фазами, которые находятся в обрабатываемом огнеупорном материале.

Присутствие оксидов кальция и магния создает преимущество, заключающееся в обеспечении возможности более быстрой резки огнеупорного материала при высоких температурах, и также обеспечивает возможность более легкой резки огнеупорных материалов при более низких температурах, как например, наружной поверхности печи при работе, или даже огнеупорных материалов при температуре окружающей среды.

Порошковая смесь, предпочтительнее, содержит и окись кальция, и окись магния. Весовое соотношение окиси кальция к окиси магния в порошковой смеси, предпочтительнее, составляет от 5:1 до 0.4:1, наиболее предпочтительно, от 2,5:1 до 0,75:1. Особенно выгодным источником смеси оксидов кальция и магния является обожженный поломит, продукт, полученный путем кальцинации двойного карбонатного доломита и имеющий приблизительную химическую формулу CaO•MgO с молярным отношением Ca: Mg около 1:1. т.е. весовое соотношение составляет приблизительно 1,39: 1. Использование доломы особенно полезно при обработке стен стекловаренной печи, поскольку этот материал не вызывает загрязнения состава стекла в печи, так как этот состав обычно, как например в случае натриевого (soda - lime) стекла, уже содержит и окись кальция, и окись магния.

Несущий газ, предпочтительнее, не содержит газообразных горючих веществ. Топливные частицы могут быть выбраны из группы, включающей частицы алюминия, магния, кремния и их смесей, в частности, смеси алюминия и кремния.

Предпочтительный состав, содержащий и окись кальция, и окись магния, может дополнительно содержать частицы дополнительного огнеупорного материала, выбранного из группы, включающей окись алюминия, окись кремния, окись циркония и их смеси. Однако наиболее предпочтительно, чтобы порошковая смесь содержала, по существу, окись кальция, окись магния, алюминий и кремний.

Порошковая смесь может содержать от 70% до 90% по весу частиц огнеупорных оксидов металлов и от 10% до 30% по весу топливных частиц.

Предпочтительнее, частицы топлива в порошковой смеси имеют средний размер менее 50 микронов. Используемый в настоящем описании термин "средний размер" означает размер, при котором 50% по весу частиц имеют размер, меньший, чем этот средний размер.

Подходящей технологией для обеспечения контактирования порошковой смеси с огнеупорным телом, подлежащим резке, является выбрасывание порошковой смеси вместе с несущим газом на поверхность огнеупорного тела, подлежащего резке. Обычно рекомендуется осуществлять выбрасывание частиц в присутствии кислорода с высокой концентрацией, например, путем использования в качестве несущего газа промышленного кислорода. Вследствие очень высоких температур, которые могут быть достигнуты при горении топливных частиц, он может пропитывать примеси, которые могут присутствовать на поверхности обрабатываемого огнеупорного тела, и может размягчать или расплавлять поверхность. Присутствие окиси кальция и окиси магния обеспечивает образование жидкой фазы из материала поверхности пли материала, сцепленного с ней, которая легко удаляется.

Согласно изобретению инструментом, который осуществляет резку, является средство, которое выбрасывает порошковую смесь и кислород на место резки. Этим средством обычно является копье (фурма). Подходящее копье (фурма) содержит одно или более выпускных отверстий для выпуска струи порошка и, необязательно, одно или более выпускных отверстий для дополнительного газа. При осуществлении процесса в горячей окружающей среде газовая струя (и) может выпускаться из копья (фурмы), охлаждаемого циркулирующей через него жидкостью. Такое охлаждение может быть легко обеспечено путем снабжения копья или фурмы водяной рубашкой.

Для того, чтобы облегчить образование должной струи порошка, огнеупорные частицы, предпочтительнее, по существу, не включают частиц с размером более, чем 4 мм, наиболее предпочтительно, не более, чем 2,5 мм.

Огнеупорное тело, подлежащее резке, может быть цирконийсодержащим огнеупорным телом, образующим часть стенки стекловаренной печи, хотя изобретение в равной степени применимо к любому огнеупорному телу, независимо от его применения. В частности, изобретение пригодно для резки или сверления отверстий в огнеупорном материале на основе окиси кремния, окиси алюминия или в муллите и огнеупорных глинах.

При выполнении отверстий в данном материале с использованием способа изобретения необходимая скорость подачи порошкового материала на материал поверхности зависит от температуры и вязкости расплавленного материала, который должен выходить из отверстия. Обычно необходимая скорость подачи меньше, чем скорость подачи, которая потребовалась бы для осуществления восстановления керамической наплавкой, и обычно находится в пределах от около 10 до около 30 кг/час.

Далее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на неогранпчнвающие примеры.

ПРИМЕР 1
Были приготовлены две порошковые смеси, имеющие составы (в % вес.), указанные в табл. 1.

Кремниевые и алюминиевые топливные частицы имели паспортный максимальный размер зерна менее 45 микронов.

Эти порошки хорошо подходят для использования при выполнении отверстий в огнеупорных материалах. В этом примере каждый порошок использовался для выполнения отверстия глубиной 50 мм в (а) цирконийсодержащем огнеупорном теле, выполненном из ZAC (товарный знак), имеющем приблизительный состав от 10 до 15% окиси кремния, от 40 до 55% окиси алюминия и от 30 до 45% окиси цирокния, и (б) в кирпиче из окиси кремния.

Смесь частиц, дисиергпрованная в несущем газе, выбрасывалась из копья с расходом около 15 кг/час с кислородом в качестве несущего газа. Блок имел температуру приблизительно 1300^oC.

Измеряли время (в секундах), необходимое для выполнения отверстия, и получили результаты, указанные в табл. 2.

Эксперимент повторили с огнеупорными телами при температуре окружающей среды. В этом случае было невозможно выполнить отверстие в любом огнеупорном теле с составом ПРИМЕРА 1А, вследствие того, что не образовывался материал с достаточной жндкотекучестью, тогда как в обоих огнеупорных телах с порошковой смесью ПРИМЕРА 1 можно было выполнить отверстие.

ПРИМЕР 2
Порошковую смесь ПРИМЕРА 1 использовали для выполнения отверстия через блок муллита толщиной 50 мм при температуре 1000^oC. Смесь снова выбрасывалась из копья с расходом около 15 кг/час с кислородом в качестве несущего газа, и для пронизывания блока насквозь потребовалось 90 секунд.

Изобретение относится к способу порошковой смеси для резки огнеупорного тела. Порошковая смесь содержит частицы огнеупорного оксида металла и топливные частицы, которые при соединении с кислородом сгорают в экзотермической реакции с образованием огнеупорного оксида. Смесь отличается тем, что она содержит окись кальция совместно с окисью магния. Порошковая смесь и способ обеспечивают возможность более эффективной резки огнеупорных тел при более низких температурах или даже при температуре окружающей среды. 2 с. и 13 з.п.ф-лы, 2 табл.

1. Способ резки огнеупорного тела путем выбрасывания на поверхность упомянутого тела в присутствии кислорода порошковой смеси, содержащей частицы огнеупорных оксидов металлов и топливные частицы, которые при соединении с кислородом сгорают в экзотермической реакции с образованием огнеупорного оксида, отличающийся тем, что огнеупорный оксид металла в порошковой смеси включает и окись кальция, и окись магния. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что весовое соотношение окиси кальция к окиси магния составляет от 5 : 1 до 0,4 : 1, предпочтительнее от 2,5 : 1 до 0,75 : 1. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что порошковая смесь содержит обожженный доломит. 4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что огнеупорное тело, подлежащее резке, находится при повышенной температуре. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что повышенная температура составляет около 600^oC. 6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что огнеупорное тело, подлежащее резке, включает цирконийсодержащее огнеупорное тело, образующее часть стенки стекловаренной печи. 7. Порошковая смесь для резки огнеупорного тела, содержащая частицы огнеупорных оксидов металлов и топливные частицы, которые при соединении с кислородом сгорают в экзотермической реакции с образованием огнеупорного оксида, отличающаяся тем, что огнеупорный оксид металла в порошковой смеси включает и окись кальция, и окись магния. 8. Порошковая смесь по п.7, отличающаяся тем, что весовое соотношение окиси кальция к окиси магния находится в пределах от 5 : 1 до 0,4 : 1, предпочтительнее от 2,5 : 1 до 0,75 : 1. 9. Порошковая смесь по п.8, отличающаяся тем, что порошковая смесь содержит обожженный доломит. 10. Порошковая смесь по любому из пп.7 - 9, отличающаяся тем, что топливные частицы выбраны из группы, включающей алюминий, магний, кремний, цирконий и их смеси. 11. Порошковая смесь по п.10, отличающаяся тем, что топливные частицы составлены из смеси алюминия и кремния. 12. Порошковая смесь по любому из пп.7 - 11, отличающаяся тем, что порошковая смесь содержит окись кальция и окись магния и дополнительно содержит частицы дополнительного огнеупорного материала, выбранного из группы, включающей окись алюминия, окись кремния, окись циркония и их смеси. 13. Порошковая смесь по любому из пп.7 - 11, отличающаяся тем, что порошковая смесь содержит, по существу, окись кальция, окись магния, алюминий и кремний. 14. Порошковая смесь по любому из пп.7 - 13, отличающаяся тем, что порошковая смесь содержит от 70 до 90% по весу частиц огнеупорного оксида металла и от 10 до 30% по весу топливных частиц. 15. Порошковая смесь по любому из пп.7 - 14, отличающаяся тем, что топливные частицы в порошковой смеси имеют средний размер менее 50 мкм.