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CN1078575C - 切割耐火材料的方法及所用的粉末混合物 - Google Patents

切割耐火材料的方法及所用的粉末混合物 Download PDF

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Abstract

描述了一种用于切割耐火材料结构体的方法和粉末混合物。所说的粉末混合物包括耐火金属氧化物颗粒和燃料颗粒，所说的燃料颗粒通过与氧结合放热燃烧形成耐火氧化物。所说的混合物的特点在于所说的粉末混合物中的耐火金属氧化物包括氧化钙和/或氧化镁。所说的粉末混合物能够比目前更有效地切割耐火材料结构体。

Description

切割耐火材料的方法及所用的粉末混合物
本发明涉及切割耐火材料的方法，特别地但不是唯一地，涉及切割含有氧化锆的耐火材料。本发明还涉及在这种方法中使用的粉末混合物。
各种类型的耐火材料结构，例如冶金炉、焦炉和玻璃熔窑在其使用寿命内的使用过程中容易损坏。
例如，这样的损坏可能表现为一个或多个耐火砖相对于结构体结构的滑动，导致不规则的表面轮廓，或者表现为耐火材料结构的开裂。一般需要重新建立所设计的耐火材料的表面轮廓，也希望防止有问题的耐火砖的进一步滑动，并填充由于其位移或开裂留下的任何空隙。为了达到这些目的，有必要并且希望切除耐火材料结构上任何凸出的部分。此外，在滑动的砖和/或相邻的砖上切出一个键槽可能是有必要的或者是需要的，以便可以在所说的键槽内形成或插入一个键销以防止进一步滑动。此外，扩大或成形由于这样的滑动或开裂留下的任何空隙用于合适的键销的形成或插入可能是有必要的或者是需要的。这样的损坏也可能是由于耐火材料结构的材料腐蚀产生的。这样的腐蚀趋于在结构上产生不规则的表面，通常也希望在进行结构的修理之前修整所说的表面轮廓。
为了其它的目的，也可能有必要或者需要在耐火材料结构上形成一个洞或者切割耐火材料，例如从炉子外面在炉壁上形成开口。
本文所用的术语“切割”是指借助于一种工具去除耐火材料，包括切除一部分材料、在材料内形成一个洞或键槽、扩大一个洞或键槽、或制造一个通过材料的开口。该术语包括“钻孔”，指在材料内形成一个圆形的孔洞。
可以用机械的方法切割耐火材料结构，例如，用切割砂轮、钻头或其它刃具，但是这在耐火材料修理方面产生一些缺点。为了切割耐火材料并留下适于修理的表面，操作者通常不得不非常接近切割现场，这表明所说的切割现场的温度必须在操作者可以忍受的温度下保持一定的时间，以便进行切割。这又表明所说的耐火材料结构必须从其正常的运行温度或在正常的运行温度的工作周期内的温度冷却下来。而且在切割和修理后不得不重新加热。在各种类型的工业炉的情况下，为了避免由于耐火材料的收缩或膨胀导致的炉子损坏，这样的冷却和重新加热可能需要几天甚至几个星期，因此这表明炉子的生产率将受到很大的损失。
已经提出用“陶瓷焊接”技术修理耐火材料结构体。在这种技术中，在氧气的存在下，使所说的耐火材料结构体与一种粉末混合物接触，所说的粉末混合物含有耐火材料金属氧化物颗粒和燃料颗粒，燃料颗粒可以以放热的方式燃烧通过与氧结合形成耐火氧化物。氧气，通常单独作为载气把所说的粉末混合物输送到修理现场。通过这种方法，在修理现场形成耐火物。这样的陶瓷焊接的一个特别的优点是所说的修理可以在耐火材料结构体在热的状态下进行。
因此，从英国专利说明书GB1330894(Glaverbel)可知，通过在高温下，在氧气的存在下，向耐火材料表面喷射含有耐火材料颗粒和燃料颗粒的粉末混合物，可以在表面上形成耐火物，所说的燃料颗粒通过与氧结合燃烧形成耐火氧化物。所说的燃料颗粒的组成和颗粒形态应该使其以放出大量热量的方式与氧反应形成耐火氧化物，并且放出使喷射的耐火材料颗粒熔化，至少是表面熔化所需的热量。特别地，通过使用含有锆英石、氧化锆和氧化铝作为耐火材料颗粒，用硅和铝作为燃料颗粒的粉末混合物在含有氧化锆的耐火材料结构体表面形成由氧化硅、氧化锆和氧化铝组成的结合涂层。
本发明涉及在耐火材料修理操作之前的制备阶段。在其最广泛的意义上，所说的制备阶段称为“整修”，指的是本发明需要的使耐火材料表面适于修理，包括表面的清理、修平或刮削加工以及更强的切割和钻孔操作。已经设想，在类似于陶瓷焊接的方法中的耐火材料表面整修中使用可以从所说的燃料颗粒与氧之间的放出大量热量的反应和从在其工作温度下或接近工作温度应用到耐火材料结构上获得利益。
在英国专利说明书GB2213919-A(Glaverbel)中，已经提出通过使耐火材料结构体与含有燃料颗粒、耐火氧化物颗粒和助熔剂的粉末混合物接触进行耐火材料的整修。具体地，通过与含有硅和铝作为燃料颗粒、氧化锆和氧化铝作为耐火氧化物颗粒、碳酸钠作为助熔剂的粉末混合物接触，可以修整含有氧化锆的耐火材料。提出的其它助熔剂包括，在加工某些铝硅酸盐耐火材料时用碳酸钙，在加工不含氧化镁的耐火材料时用碳酸镁。
在US5100594(Glaverbel和Fosbel Inc.)中，已经提出了一种通过向耐火结构体上喷射的可燃颗粒的氧化从而产生足够热量的方法来修补耐火结构体，这种修补可以是对耐火结构体的平整化或者在其上形成耐火材料焊接物。当该方法是用于在待修补表面上形成焊接物，例如在Corhar ZACTM上使用氧化锆和氧化铝形成修补物时，氧化硅被用来填充在硅砖上产生的裂缝中，而氧化镁被用来在基体耐火砖上形成涂层。
本发明的目的是提供一种改进的方法和改进的粉末混合物用于切割耐火材料结构体。
根据本发明的第一个方面，提供一种切割耐火材料结构体的方法，即在氧气的存在下，向所说的耐火材料结构体表面喷射含有耐火的金属氧化物颗粒和燃料颗粒的粉末混合物，所说的燃料颗粒通过与氧结合放热燃烧形成耐火氧化物，特点在于所说的粉末混合物中的耐火金属氧化物包括氧化钙和/或氧化镁。
根据本发明的第二个方面，提供一种切割耐火材料结构体的粉末混合物，所说的粉末混合物包括耐火的金属氧化物颗粒和燃料颗粒，所说的燃料颗粒通过与氧结合放热燃烧形成耐火氧化物，特点在于所说的粉末混合物中的耐火的金属氧化物包括氧化钙和/或氧化镁。
所说的燃料颗粒以放热的方式进行燃烧。反应放出的热量使得所说的耐火材料结构体表面熔化。不希望局限于理论，我们相信在混合物中的氧化钙和/或氧化镁的存在可以使所说的熔融的物质流化，从而使其从被切割的表面上流走而除去。这似乎依赖于化学作用：氧化钙和/或氧化镁是碱性的，与要处理的耐火材料中的酸性相反应。
氧化钙和/或氧化镁的存在具有使所说的耐火材料在高温下能够更快地切除的优点，并且还使得能够在较低温度下更容易地切除耐火材料。例如在运行中的炉子的外表面，甚至切割室温下的耐火材料。
所说的粉末混合物优选的是同时含有氧化钙和氧化镁。所说的粉末混合物中氧化钙与氧化镁的重量比优选的是在5∶1和0.4∶1之间，最优选的是在2.5∶1和0.75∶1之间。氧化钙和氧化镁混合物的一个特别有用的来源是煅烧白云石，煅烧复碳酸盐白云石得到的产物，近似分子式为CaO·MgO，Ca∶Mg的摩尔比约为1∶1，即重量比约为1.39∶1。在处理玻璃熔窑窑壁时，使用煅烧白云石是特别有利的，因为这种材料不合引起熔窑内的玻璃组合物的污染，这是由于这种玻璃组合物，例如在钠钙硅玻璃的情况下，已经含有氧化钙和氧化镁。
所说的载气优选的是不含有可燃的气态物质。所说的燃料颗粒可以选自铝、镁、硅、锆的颗粒及其混合物，特别是铝和硅的混合物。
优选的组合物，同时含有氧化钙和氧化镁，可能还含有选自氧化铝、氧化硅、氧化锆及其混合物的颗粒耐火材料。但是，最优选的是所说的粉末混合物基本由氧化钙、氧化镁、铝和硅组成。
所说的粉末混合物可以含有70重量％～90重量％的耐火金属氧化物颗粒、10重量％～30重量％的燃料颗粒。
优选的是所说的粉末混合物中的燃料颗粒的平均尺寸小于50μm。这里所用的“平均尺寸”是指50重量％的颗粒具有小于该平均值的尺寸。
一种使所说的粉末混合物与要切除的耐火材料结构体接触的有用的技术是与载气一起向要切除的耐火材料结构体喷射所说的粉末混合物。一般来说，推荐的是在高浓度氧的存在下进行颗粒的喷射，例如，用工业纯的氧气作为载气。因为燃料颗粒燃烧可以达到非常高的温度，它可以穿透在要处理的耐火材料结构体表面上可能存在的杂质，并且可以软化或熔化所说的表面。氧化钙和/或氧化镁的存在，与表面上的物质或粘附在表面上的物质一起产生一种容易除去的液相。
根据本发明，进行切割的工具是向切割位置送入所说的粉末混合物和氧气的装置。这样的装置通常是喷枪。合适的喷枪包括一个或多个卸出粉料流的出口，任选的是带有一个或多个辅助气体出口。在热的环境下进行该过程时，所说的气流可以从喷枪中排出，所说的喷枪用通过其循环的流体冷却。通过为所说的喷枪提供水套可以容易地进行这样的冷却。
为了促进规则的粉末射流的形成，所说的耐火材料颗粒优选的是基本不含颗粒尺寸大于4mm的颗粒，最优选的是不大于2.5mm。
要切割的耐火材料结构体可以是形成玻璃熔窑部分窑壁的含铬耐火材料，虽然本发明也可以应用于任何耐火材料结构体。特别地，本发明可以应用于在氧化硅基耐火材料、氧化铝耐火材料或莫来石和粘土质耐火材料中切割或钻孔。
在用本发明的方法在给定的材料上形成孔洞时，向所说的耐火材料表面送入粉末材料所需的速率取决于温度和必须流出孔洞的熔融材料的粘度。一般来说，所需的送入速率小于进行陶瓷焊接修理所需的速率，一般在约10～30kg/h。
在下面的非限制性实施例中将更详细地描述本发明。
实施例1
制备具有下列组成的两种粉末混合物(重量％)：
配料 平均尺寸(μm)   实施例1  实施例1A
氧化钙#      150     0    80％
烧结的煅烧白云石      500    80％    0％
硅       5    14％    14％
铝       6    6％    6％
#所说的氧化锆是含有其重量约为4.5％的氧化钙的稳定氧化锆。
所说的硅和铝燃料颗粒的名义最大颗粒尺寸小于45μm。
这些粉末能很好地适用于在耐火材料上形成孔洞。在本实施例中，每种粉末用于在(a)用ZAC(商标)制成的含氧化锆耐火材料结构体上形成50mm深的孔，所说的ZAC的组成约为10～15％的氧化硅、40～55％的氧化铝和30～45％的氧化锆，(b)在硅砖上形成50mm深的孔。
把分散在载气中的颗粒混合物以约15kg/h的用量，用氧气作为载气，从喷枪中喷出。所说的砖的温度约为1300℃。
测得形成所说的孔需要的时间(以秒计)为下列结果：
 耐火材料结构体   实施例1    实施例1A
      ZAC      50       95
      硅砖     113      300
在室温下用这些耐火材料结构体重复所说的实验。在这种情况下，用实施例1A的组合物在这两种耐火材料结构体上形成所说的孔是不可能的，因为不能形成具有足够流动性的物质，而用实施例1的粉末在这两种耐火材料结构体上可能形成所说的孔。
实施例2
用实施例1的粉末混合物在1000℃的温度下形成通过50mm厚的莫来石砖的孔。同样用氧气作为载气以约15kg/h的流量从喷枪中喷射所说的混合物，需要90秒穿透所说的砖。

Claims (11)

1.一种在氧气存在下，通过向耐火材料结构体表面喷射一种包括耐火金属氧化物颗粒和燃料颗粒的粉末混合物切割耐火材料结构体的方法，所说的燃料颗粒通过与氧结合放热燃烧形成耐火氧化物，其特征在于所说的粉末混合物包括70-90％重量的耐火金属氧化物和10-30％重量的平均尺寸小于50μm的燃料颗粒，其中所述耐火金属氧化物包括氧化镁和氧化钙，所述燃料颗粒选自硅，铝，镁，锆及其混合物。
2.一种根据权利要求1的方法，其中，氧化钙与氧化镁的重量比在5∶1～0.4∶1之间。
3.一种根据权利要求2的方法，其中，所说的耐火金属氧化物颗粒中含有煅烧白云石。
4.一种根据上述权利要求的任一个的方法，其中，要切割的耐火材料结构体在高温下。
5.一种根据权利要求4的方法，其中，所说的高温为600℃以上。
6.一种根据权利要求1的方法，其中，要切割的耐火材料结构体包括形成玻璃熔窑部分窑壁的含氧化锆耐火材料。
7.一种用于切割耐火材料结构的粉末混合物，所说的粉末混合物包括耐火金属氧化物颗粒和燃料颗粒，所说的燃料颗粒通过与氧结合放热燃烧形成耐火氧化物，其特征在于所说的粉末混合物包括70-90％重量的耐火金属氧化物和10-30％重量的平均尺寸小于50μm的燃料颗粒，其中所述耐火金属氧化物包括氧化镁和氧化钙，所述燃料颗粒选自硅，铝，镁，锆及其混合物。
8.一种根据权利要求7的粉末混合物，其中，氧化钙对氧化镁的重量比在5∶1-0.4∶1之间。
9.一种根据权利要求8的粉末混合物，其中，所说的耐火金属氧化物颗粒含有煅烧白云石。
10.一种根据权利要求7的粉末混合物，其中，所说的燃料颗粒由铝和硅的混合物组成。
11.一种根据权利要求7的粉末混合物，其中，所说的耐火金属氧化物颗粒还含有选自氧化铝、氧化硅、氧化锆及其混合物的耐火材料颗粒。
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