DE4031403A1 - Keramisches schweissverfahren und lanze zur verwendung in einem solchen verfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein keramisches Schweißverfahren und eine Lanze, die sich zur Verwendung in einem solchen Verfahren eignet.

Frühere keramische Schweißverfahren wurden in den GB-PSen 13 30 894 und 21 70 191 beschrieben.

Das keramische Schweißen ist besonders geeignet zur in situ Bildung einer feuerfesten Masse an einer feuerfesten Wand von Öfen oder anderen feuerfesten Vorrichtungen für die heiße Reparatur der Wand. Es wird vorzugsweise durchgeführt, wenn sich die Wand praktisch bei ihrer normalen Betriebstemperatur befindet. Es ist besonders brauchbar zur Reparatur oder Verstärkung der Wände oder Wandauskleidungen von Glasschmelzöfen, Koksöfen, Zementöfen oder Öfen, wie sie in der petrochemischen Industrie verwendet werden oder für feuerfeste Vorrichtungen, wie sie in der Eisen- und Nichteisen-Metallurgie benutzt werden. Überdies kann die Reparatur manchmal während des Betriebs des Ofens durchgeführt werden, z. B. bei der Reparatur der Aufbauten von Glasschmelzöfen oder während des normalen Arbeitszyklus des feuerfesten Gegenstandes; z. B. kann eine Stahlgießpfanne manchmal innerhalb der normalen Intervalle zwischen dem Gießen und dem Wiederfüllen repariert werden. Das Verfahren ist auch brauchbar zur Bildung von feuerfesten Komponenten, z. B. um andere feuerfeste Unterlagen mit einer Oberfläche zu versehen.

Beim keramischen Schweißverfahren, wie es durchgeführt wird, wird ein Gemisch von feuerfesten Teilchen und Brennstoffteilchen (das "keramische Schweißpulver") von einem Pulvervorrat entlang einer Zurführungsleitung zu einer Lanze geführt, aus welcher es gegen die Zieloberfläche gesprüht wird. Das Trägergas, welches die Lanzenmündung mit dem keramischen Schweißpulver verläßt (das "Trägergas") kann reiner Sauerstoff (von technischer Qualität) sein oder es kann einen Mengenanteil eines praktisch inerten Gases enthalten, wie Stickstoff, oder auch ein anderes Gas. Auf jeden Fall enthält das Trägergas, welches die Lanzenmündung mit dem keramischen Schweißpulver verläßt, zumindest ausreichend Sauerstoff zur praktisch vollständigen Verbrennung der Brennstoffteilchen. Es ist in keiner Weise wesentlich, daß der Gasstrom, in welchem das Schweißpulver bei der Zufuhr vom Vorrat eingeführt wird, die gleiche Zusammensetzung hat wie das Trägergas, das die Lanzenmündung verläßt. Ein Teil oder auch der ganze benötigte Sauerstoff im Trägergas kann in die Zufuhrleitung an einer oder an mehreren Stellen zwischen dem Einführungspunkt für das Pulver und der Lanzenmündung eingeführt werden. Der benutzte Brennstoff besteht im wesentlichen aus Teilchen eines Materials, das exothermisch unter Bildung eines feuerfesten Oxidproduktes oxidiert werden kann. Beispiele von geeigneten Brennstoffen sind Silizium, Aluminium, Magnesium, Zirkonium und Chrom. Solche metallischen Brennstoffe können allein oder in Kombination benutzt werden. Der Brennstoff verbrennt und durch diese Verbrennung wird Wärme freigesetzt, welche wenigstens die Oberflächen der feuerfesten Teilchen schmilzt, so daß eine stark zusammenhängende feuerfeste Schweißmasse gebildet wird, die gut an der Zieloberfläche haftet.

Es ist übliche Praxis, das keramische Schweißpulver derart auszuwählen, daß die gebildete Schweißabscheidung eine chemische Zusammensetzung hat, die etwa die gleiche ist wie die der Zieloberfläche. Dies unterstützt die Verminderung eines Wärmeschocks an der Grenzfläche zwischen einer Reparaturschweißung und dem reparierten feuerfesten Gegenstand aufgrund des Temperaturzyklus des Ofens. Eine solche Wahl des Schweißpulvers hilft auch zu gewährleisten, daß die feuerfeste Qualität der Schweißmasse ausreichend hoch ist für die Stelle, wo die Reparatur durchgeführt wird. Natürlich ist es auch bekannt, das keramische Schweißpulver so auszuwählen, um eine Reparatur oder Auskleidung von höherer Qualität zu bilden als sie das feuerfeste Material hat, an welchem die Schweißung ausgeführt wird.

Wenn man eine feuerfeste Masse durch keramisches Schweißen bildet, kann ein gewisses Ausmaß an Porosität in die Schweißmasse eingebracht werden. Das Ausmaß dieser Porosität hängt teilweise vom Geschick des Schweißers und von den Bedingungen ab, unter welchen die Schweißung durchgeführt wird. Eine solche Porosität kann zulässig sein, tatsächlich in manchen Fällen sogar vorteilhaft, da ein hoher Grad an Porosität die Wärmeisolation begünstigt. Ein übermäßiges Ausmaß an Porosität kann jedoch an Ofenstellen nachteilig sein, wo der feuerfeste Gegenstand besonders schweren Korrosionseinwirkungen unterworfen ist, und insbesondere der korrosiven oder erosiven Wirkung von geschmolzenem Material, das im Ofen enthalten ist. Das Ausmaß an Porosität, das in einem gegebenen Teil von feuerfestem Material zulässig ist, hängt von der diesem Material eigentümlichen Feuerfestigkeit ab und von den Bedingungen, welchen es im Gebrauch unterworfen sein wird.

Die vorliegende Erfindung beruht auf Untersuchungen über die Bildung einer feuerfesten Auskleidung oder Reparatur an Apparateteilchen, bei denen das Auftreten einer intensiven Erosion besonders wahrscheinlich ist. Diese Erosion kann insbesondere auf den mechanischen oder thermomechanischen Abrieb zurückzuführen sein oder auch die flüssige oder Gasphasenkorrosion des Materials, das die Wand bildet, oder sie kann auf eine Kombination dieser Effekte zurückzuführen sein.

Ein Beispiel einer solchen Anforderung für gute Beständigkeit gegen die Neigung zur intensiven Erosion liegt auf dem Gebiet der Gasschmelzöfen. Die Innenoberfläche von Wannenblöcken eines Glasschmelzofens am Ort der Oberfläche des geschmolzenen Glasbades liefert ein besonderes Beispiel für eine feuerfeste Oberfläche, die einer sehr intensiven korrosiven Wirkung unterworfen ist. Die Wannenblockoberfläche erodiert sehr rasch in einem solchen Ausmaß, daß die Hälfte der Dicke der Blöcke leicht und verhältnismäßig rasch an dieser Stelle abgetragen werden kann. Diese Erosion ist durch den technischen Ausdruck "Spülkante" bekannt. Wannenblöcke, die sehr hohen Temperaturen unterworfen sind, wie die Wannenblöcke der Schmelz- und Läuterzonen des Ofens werden herkömmlicherweise aus hochgradig feuerfesten Materialien gebildet, wie feuerfesten Materialien, die einen hohen Mengenanteil an Zirkonoxid enthalten. Selbst so müssen sie kontinuierlich und kräftig gekühlt werden, um die Erosion zu vermindern.

Andere Beispiele von feuerfesten Apparaten, die dem Risiko einer besonders schweren Erosion ausgesetzt sind, sind die Gießöffnungen oder -pfannen, wie sie bei der Herstellung oder beim Transport von geschmolzenen Metallen benutzt werden, z. B. die Torpedopfannen, wie sie z. B. in der Eisen- und Stahlindustrie verwendet werden, Kupferschmelz- und Raffinieröfen, Konverter, wie sie bei der Stahlherstellung oder in der Nichteisen-Metallindustrie verwendet werden. Auch Zementöfen können hier genannt werden.

Es ist ein Hauptziel der Erfindung, ein neues keramisches Schweißverfahren zu liefern, das die Bildung von feuerfesten Schweißmassen hoher Qualität erleichtert, die gute Beständigkeit gegen Erosion und Korrosion zeigen.

Gemäß der Erfindung wird ein keramisches Schweißverfahren bereitgestellt, wobei ein keramisches Schweißpulver, das ein Gemisch von feuerfesten Teilchen und Teilchen eines Brennstoffmaterials enthält, das zur Oxidation unter Bildung eines feuerfesten Oxids befähigt ist, gegen eine Oberfläche in einem oder in mehreren Strömen von Trägergas gesprüht wird, das zumindest ausreichend Sauerstoff enthält, um die praktisch vollständige Oxidation der Brennstoffteilchen zu bewirken, wodurch ausreichend Hitze freigesetzt wird, um wenigstens das oberflächliche Schmelzen der gesprühten feuerfesten Teilchen zu bewirken und eine keramische Schweißmasse auf dieser Oberfläche unter der Oxidationshitze der Brennstoffteilchen gebildet wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß wenigstens ein zusätzlicher Gasstrom gegen diese Oberfläche so geblasen wird, daß er einen praktisch kontinuierlichen Gasvorhang bildet, der diesen Trägergasstrom oder diese Trägergasströme umgibt.

Es ist recht überraschend, daß das Aufblasen von zusätzlichem Gas auf diese Weise einen günstigen Effekt haben sollte, was es tatsächlich hat, nämlich die Bildung von keramischen Schweißungen hoher Qualität mit guter Beständigkeit gegen Erosion und Korrosion leichter und reproduzierbarer als vorher zu bewerkstelligen. Die Erzielung einer qualitativ hochwertigen Schweißung durch das Verfahren der Erfindung hängt weniger vom Geschick des einzelnen Schweißers ab als bei einer Schweißung nach einem Verfahren, bei welchem der Gasvorhang nicht verwendet wird, das aber sonst gleich ist. Dieses Ergebnis wird der Tatsache zugeschrieben, daß Schweißungen, die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt sind, zu einer geringeren Porosität neigen als Schweißungen, die nach einem Verfahren gemacht werden, bei dem der Gasvorhang weggelassen wird, das jedoch sonst gleich ist.

Die Gründe, warum diese günstige Wirkung erzielt wird, sind nicht klar. Eine Möglichkeit ist, daß der Gasvorhang die keramische Schweißreaktionszone von der umgebenden Ofenatmosphäre abschirmt und so verhindert, daß diese Atmosphäre eine nachteilige Wirkung auf die Reaktionen hat und gleichmäßige Arbeitsbedingungen an der Reaktionszone bewahrt. Eine andere Möglichkeit ist, daß der Gasvorhang eine abkühlende Wirkung zur Verminderung der Temperatur der soeben gebildeten, noch weichen feuerfesten Abscheidung hat, was eine günstige Abkühlung und Kristallisation des Schweißmaterials beschleunigen kann. Dies kann wiederum bewirken, daß die Neigung für Gas, in der entstehenden keramischen Schweißmasse unter Bildung von Poren gelöst zu werden, während diese noch teilweise geschmolzen ist, vermindert wird, so daß alle Poren, die in der Schweißung gebildet werden, geringere Größe haben und daher weniger nachteilig sind. Diese Theorie widerspricht jedoch der derzeitigen Anschauung auf diesem Fachgebiet, wonach es nicht erwünscht ist, daß eine rasche Abkühlung erfolgt, um Probleme der Schichtbildung aufgrund von Inhomogenitäten an den Schichtgrenzen des durch aufeinanderfolgende Durchgänge der Schweißlanze über der Zieloberfläche abgeschiedenen Materials zu vermeiden.

Das Verfahren der Erfindung ist auch deswegen überraschend, weil im Hinblick auf die Schwierigkeit der Steuerung der Betriebsbedingungen zu erwarten war, daß daß Blasen eines Gasvorhangs um den Trägergasstrom und somit um die Zone, wo die keramische Schweißreaktion erfolgt und wo die keramische Schweißabscheidung gebildet wird, die exotherme Reaktion stören würde, welche zur Bildung der Schweißung führt.

Es wurde aber im Gegenteil in der Praxis beobachtet, daß das Blasen eines Gasvorhangs einen zusätzlichen Parameter zur Steuerung der verschiedenen Bedingungen einführt, die in der Reaktionszone eine Rolle spielen, um die feuerfeste Masse während der Durchführung des Verfahrens der Erfindung zu bilden. Dies liefert demgemäß einen zusätzlichen Kontrollparameter, der auf die Ausbildung der exothermen Reaktion einwirkt und dadurch eine verbesserte Steuerung der Bildung der feuerfesten Schweißmasse gestattet.

Es wurde auch beobachtet, daß es der Gasvorhang ermöglicht, den Einfluß der Umgebung auf die Reaktionszone zu vermindern. Die Reaktionszone ist demgemäß besser vor jeder Turbulenz geschützt, die in der umgebenden Atmosphäre vorhanden sein kann. Somit ist z. B. in einem üblichen Fall, wo das Verfahren während des Betriebs des Ofens durchgeführt wird, die Reaktionszone unabhängiger von Einflüssen, die sich z. B. aus dem An- oder Abschalten eines Brenners in der Nähe der Arbeitsstelle ergeben.

Der Gasvorhang macht es auch leichter möglich, das Teilchengemisch in der Reaktionszone zurückzuhalten und somit die keramische Schweißreaktion zu konzentrieren und intensivieren und führt somit zur Bildung einer feuerfesten Masse hoher Qualität. Der Gasvorhang unterstützt das Einschließen des versprühten feuerfesten Materials und der Verbrennungsprodukte des Brennstoffes in der Reaktionszone, so daß sie leicht in die gebildete Schweißmasse inkorporiert werden. Das Inkorpieren solcher Verbrennungsprodukte in die gebildete feuerfeste Masse ist bei einem keramischen Schweißverfahren kein Nachteil, da diese Produkte selbst feuerfest sind.

Der Gasvorhang kann aus einer Mehrzahl von Auslässen geblasen werden, die in einem Ring um den Pulverauslaß oder die Pulverauslässe angeordnet sind. Natürlich erfordern solche Auslässe, daß sie in engem Abstand angeordnet sind, um einen praktisch kontinuierlichen Vorhang zu erzeugen.

Vorzugsweise wird jedoch der Gasvorhang als ringförmiger Strom geblasen. Die Verwendung eines kontinuierlichen ringförmigen Auslasses für das Blasen eines ringförmigen Vorhangstroms begünstigt die Wirksamkeit des Vorhangs und kann auch eine einfachere Konstruktion der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung gestatten. Auf diese Weise wird eine schützende Hülle um den Trägergasstrom gebildet, was es ermöglicht zu verhindern, daß Material, insbesondere Gase, aus der umgebenden Atmosphäre in den Trägerstrom gezogen werden, welcher das oxidierende Gas und das Teilchengemisch enthält. Der ganze Bereich der exothermen Reaktion und des Sprühens des Gemisches in seinem oxidierenden Trägergas kann somit von der Umgebung isoliert werden, so daß die Einführung aller Fremdelemente, welche die exotherme Reaktion stören könnten, vermieden wird und somit letztere besser gesteuert werden kann.

Um den wirksamsten Gasvorhang um das Trägergas und die mitgeschleppten Teilchen zu bewirken, sollte der Gasvorhang aus einem oder mehreren Auslässen geblasen werden, der oder die vom Auslaß oder von den Auslässen des Trägergases einen gewissen Abstand haben, jedoch sollten die verschiedenen Auslässe nicht zu weit voneinander entfernt sein. Der optimale Abstand hängt zum großen Teil von der Größe des Auslasses oder der Auslässe für das Trägergas ab.

Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sollten vor allem für Reparaturen in kleinem oder mäßigem Maßstab dienen oder für Situationen, wo größere Reparaturen benötigt werden, jedoch die zur Reparatur benötigte Zeit nicht kritisch ist und die Teilchen aus einer Lanze versprüht werden, die einen einzigen Trägergasauslaß hat, der einen Durchmesser von 8 mm bis 25 mm hat. Der Querschnitt solcher Auslässe wird somit zwischen 50 und 500 mm² liegen. Solche Lanzen eigenen sich zum Versprühen von keramischem Schweißpulver in Mengen von 30 bis 300 kg/h. Bei einigen solchen bevorzugten Ausführungsformen, wobei das Trägergas aus einem Auslaß geblasen wird, der eine Fläche von zwischen 50 und 500 mm² hat, wird der Gasvorhang aus einem Auslaß oder aus mehreren Auslässen geblasen, die vom Trägergasauslaß einen Abstand von 5 bis 20 mm haben.

Andere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sollten vor allem für Reparaturen in großem Maßstab dienen, die in kurzer Zeit durchgeführt werden müssen, und die Teilchen werden aus einer Lanze geschleudert, die einen Trägergasauslaß mit einer Querschnittsfläche zwischen 300 und 2300 mm² hat. Solche Lanzen eignen sich zum Versprühen von keramischen Schweißpulver in Mengen von bis zu 1000 kg/h oder selbst mehr. Bei einigen solchen bevorzugten Ausführungsformen wird der Gasvorhang, wenn das Trägergas aus einer Mündung mit einer Fläche zwischen 300 und 2300 mm² geschleudert wird, aus einem Auslaß oder mehreren Auslässen geblasen, die vom Trägergasauslaß einen Abstand von 10 bis 30 mm haben.

Die Wahl des einen oder anderen dieser Bereiche zwischen Trägergas- und Gasvorhangauslaß begünstigt die Bildung einer klaren und definierten Sperre zwischen der Reaktionszone der keramischen Schweißung und der umgebenden Atmosphäre, während praktisch jede Störung der verschiedenen Gasströme untereinander vermieden wird, indem man gewährleistet, daß sie praktisch getrennt bleiben, bis sie an der Zieloberfläche abgelenkt werden.

Vorteilhafterweise ist die Volumenmenge der Abgabe des Vorhanggases wenigstens die Hälfte der Volumenmenge der Abgabe des Trägergases. Die Wahl dieses Merkmales erleichtert die Bildung eines dicken und wirksamen Vorhangs. Die Abgabemenge des Vorhanggases kann z. B. wenigstens ²/₃ der Abgabemenge des Trägergases sein oder sie kann sogar höher sein als die Abgabemenge des Trägergases.

Vorzugsweise ist die Abgabegeschwindigkeit (berechnet bei Normaldruck) des Vorhanggases größer als ¹/₅ der Abgabegeschwindigkeit bzw. Austrittsgeschwindigkeit des Trägergases. Im vorliegenden Fall werden die Abgabemengen für das Gasvolumen in Normalkubikmeter pro Stunde gemessen, und die Abgabegeschwindigkeiten werden aus dieser volumetrischen Abgabemenge und der Fläche des Auslasses oder der Auslässe, aus dem oder aus denen das Gas abgegeben wird, unter der Annahme berechnet, daß der Gasdruck im Strom zu dem Zeitpunkt normal ist, wenn er die Mündung verläßt. Die Annahme dieses Merkmals gestattet die Bildung eines wirksamen Gasvorhangs. Für beste Ergebnisse wurde es als bevorzugt befunden, daß die Abgabegeschwindigkeit (berechnet bei Normaldruck) des Vorhanggases zwischen ¹/₅ und ³/₅ der Abgabegeschwindigkeit des Trägergases sein soll. Die Wahl dieses Merkmals gestattet eine nur geringe Störung des Fließmusters des Trägergasstroms und des Materials in der Reaktionszone der keramischen Schweißung. Die Wahl dieses Merkmals hat weiter zur Folge, daß ein weniger abrupter Gradient der Gasgeschwindigkeit vom Trägergasstrom oder von den Trägergasströmen zur Umgebungsatmosphäre herrscht als dies sonst der Fall wäre, und man findet, daß dies die Schweißqualität verbessert, möglicherweise, weil nur eine geringere Verdünnung des Trägergasstroms und der mitgeschleppten Teilchen erfolgt.

Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden die Gasströme von einer Lanze abgegeben, die durch Flüssigkeit gekühlt ist, welche durchzirkuliert. Eine solche Kühlung kann leicht erreicht werden, indem die Lanze mit einem Wassermantel versehen ist. Ein solcher Wassermantel kann so angeordnet sein, daß er ein mittiges Rohr oder Rohre für den Transport von Trägergas und keramischem Schweißpulver umgibt, während er selbst von einem ringförmigen Durchgang für den Transport des Vorhanggases umgeben ist. Der Wassermantel kann leicht in einer Dicke ausgebildet sein, die derart ist, daß man jeden gewünschten Abstand zwischen dem Auslaß oder den Auslässen des Trägergases und dem Auslaß des Vorhanggases einstellen kann. Alternativ oder zusätzlich dazu kann ein Wassermantel vorliegen, der alle Gasauslaßrohre der Lanze umgibt. In beiden Fällen wird die Temperatur des abgegebenen Vorhanggases im allgemeinen - und wenn man die Temperatur von Öfen bei praktisch ihrer Betriebstemperatur berücksichtigt - beträchtlich geringer sein als die Umgebungstemperatur im Ofen, und sie kann bei einer Temperatur liegen, die in etwa gleich der des Trägergases ist.

So zu arbeiten, läuft ganz gegen die herkömmliche Praxis auf dem Glied der Keramikschweißung. Einer der dauernden Sorgen bei der Durchführung des keramischen Schweißens besteht darin, zu verhindern, daß die Temperatur an der Auftreffzone auf der Zieloberfläche zu gering ist während der Bildung der feuerfesten Masse z. B. als Ergebnis von nicht ausreichender Kontrolle der verschiedenen exothermen Reaktionsparameter. Eine Auftreffzone, die zu kalt ist, kann z. B. zu momentanten Unterbrechungen der exothermen Reaktion führen. Es ist insbesondere bekannt, daß diese Temperatur dann, wenn sie zu niedrig ist, zur Bildung einer unregelmäßigen und unkontrollierten Porosität in der gebildeten feuerfesten Schweißmasse führt, so daß sie recht porös ist und wenig Beständigkeit gegen Abrieb oder Korrosion hat. Diese Porosität tritt besonders dann auf, wenn die feuerfeste Masse mittels mehrerer Durchgänge der Sprühlanze gebildet wird.

Wenn die Auftreffzone über die zu behandelnde Oberfläche versetzt oder bewegt wird, neigt zumindest ein Teil dieses verhältnismäßig kühlen Gases - und zwar in ausreichender Menge, um einen wirksamen Schild um die Auftreffzone zu bilden - dazu, die zu behandelnde Oberfläche gerade vor dem Auftreffen des Schweißmaterials abzukühlen. Dies wird bei den meisten Schweißarbeitsweisen überhaupt nicht empfohlen, wenn ein brauchbares Ergebnis erzielt werden soll. Daß gemäß diesem bevorzugten Merkmal der Erfindung ein Vorteil im Sprühen eines gekühlten Gasvorhangs gegen die Oberfläche der Unterlage um die Auftreffzone bestehen soll, ist vollständig überraschend. Ein solcher Gasstrahl neigt dazu, einen stark abkühlenden Effekt auf die Auftreffzone zu haben, und es ist daher zu erwarten, daß dieses Abkühlen zur Bildung einer porösen Masse mit geringer Beständigkeit gegen Erosion führen würde.

Trotzdem wurde jedoch experimentell beobachtet, daß in vollkommen unerwarteter Weise der zusätzliche Kontrollparameter für die exotherme Reakation, der durch die Durchführung der Erfindung geliefert wird, die Bildung von dichten feuerfesten Massen gestattet, die beständiger gegen Erosion sind als die Massen, die bisher durch keramische Schweißmethoden gebildet wurden, und dies ist insbesondere der Fall, wenn man eine gekühlte Lanze verwendet. Dieses Ergebnis ist sehr überraschend, da es der Auffassung entgegenläuft, die die Fachleute bis jetzt viele Jahre auf diesem Gebiet hatten.

Die Porosität der gebildeten feuerfesten Masse ist einer der wesentlichen Faktoren zur Bestimmung ihres Grades der Beständigkeit gegen Erosion. Die Porosität als solche schwächt die Struktur der feuerfesten Masse. Überdies geben die Poren Zugangswege für das erosive Medium, was das feuerfeste Material empfindlicher gegen Erosion macht, da das erodierende Medium im Inneren der Massen wirken kann.

Es ist auch noch eine andere Erwägung in betracht zu ziehen. Die versprühten feuerfesten Teilchen müssen ganz eindeutig so weit erhitzt werden, daß wenigstens ihre Oberflächen schmelzen, um eine homogene Schweißmasse zu bilden, und auch die Zielfläche muß so stark erhitzt werden, daß die beste Bindung zwischen der Abscheidung und dieser Oberfläche erfolgt. Wenn jedoch die Temperatur im Zielbereich zu hoch ist, besteht die Gefahr, daß die Abscheidung zu flüssig ist, um an Ort und Stelle zu bleiben. Dieses Risiko ist natürlich höher bei senkrechten oder überhängenden Zielflächen. Das Risiko ist auch größer, je heftiger die keramische Schweißreaktion ist, die an der Arbeitstelle erfolgt. Eine solch heftige Reaktion kann jedoch wesentlich sein, um die keramische Schweißreaktionen zu unterhalten oder eine Zielfläche ausreichend zu erhitzen, damit eine gute Bindung zwischen der keramischen Schweißabscheidung und dieser Oberfläche gebildet wird, insbesondere, wenn die Temperatur der Zieloberfläche nicht sehr hoch ist. Es sei hier an Temperaturen unterhalb beispielsweise etwa 700°C gedacht. Solche Temperaturen kann man bei Öfen oder Schachtöfen für Verfahren antreffen, die bei nur mäßig hohen Temperaturen durchgeführt werden, wie Zementöfen oder chemische Reaktionsgefäße. Es wurde in der Praxis beobachtet, daß das Aufblasen eines verhältnismäßig kühlen Gasvorhangs ein Mittel zur Steuerung der Temperatur der Auftreffzone bietet. Es ist somit leichter, die gebildete feuerfeste Masse vom Abfließen als Ergebnis einer zu hohen Temperatur in der Auftreffzone zu hindern. Es ist dann möglich, die verschiedenen Parameter einzustellen, um eine sehr heftige exotherme Reaktion zu erzeugen, die einen verläßlichen Betrieb des Verfahrens und die Bildung einer guten Bindung zwischen der Abscheidung und der Zieloberfläche liefert, selbst wenn letztere sich nicht bei sehr hoher Temperatur befindet, während man gleichzeitig die Auftreffzone so weit kühlt, daß man die gerade gebildete Masse am Abfließen hindert. Dies erleichtert die Erzielung einer homogenen Schweißung.

Der Kühleffekt des Vorhangstromes kann auch eine weitere wichtige Wirkung zur Beeinflussung der kristallinen Form haben, welche die Schweißmasse beim Verfestigen annimmt, und dies kann beträchtliche Vorteile bewirken. Als Beispiel sei erwähnt, daß geschmolzene Gemische von Siliziumdioxid und Aluminiumoxid dazu neigen, Mullit zu bilden, wenn man sie langsam abkühlen läßt, während andererseits bei schneller Abkühlung das Aluminiumoxid als Corund auskristallisiert, der ohne Bildung von Mullit in einer Siliziumdioxidphase gehalten werden kann. Auch dies kann die Beständigkeit der gebildeten Schweißmasse gegen Erosion begünstigen.

Es gibt verschiedene Gase, die verblasen werden können, um den erforderlichen Gasvorhang zu bilden, und die optimale Wahl des Gases hängt von den Umständen ab. Während sehr gute Ergebnisse erzielt werden können, wenn man Kohlendioxid oder Stickstoff zur Bildung des Gasvorhangs verwendet, soll gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung der Gasvorhang Sauerstoff enthalten. Zum Beispiel kann Luft verwendet werden, da sie billig und weitgehend verfügbar ist. Jedoch kann auch die Verwendung von Sauerstoff technischer Qualität bevorzugt sein. Dieser Sauerstoff ist gewöhnlich ohnehin zur Durchführung des keramischen Schweißens vorhanden und ist für die hier in betracht zu ziehenden Zwecke wirksamer. Wenn der Gasvorhang Sauerstoff enthält, kann er eine weitere Sauerstoffquelle in unmittelbarer Nähe der Reaktionszone der keramischen Schweißung liefern, und dies erleichtert die vollständige Verbrennung der verwendeten Brennstoffteilchen. Die begünstigt die Homogenität in der keramischen Schweißmasse und gestattet häufig, daß man den Mengenanteil des Brennstoffes im keramischen Schweißpulvergemisch etwas verringert. Es soll jedoch berücksichtigt werden, daß das Trägergas selbst wenigstens genügend Sauerstoff zur praktisch vollständigen Verbrennung des Brennstoffes enthalten soll und demgemäß, wie schon erwähnt, ergibt die Verwendung eines Gases wie Kohlendioxid oder Stickstoff, das praktisch frei von verfügbarem Sauerstoff ist, günstige Ergebnisse.

Tatsächlich kann bei einigen Spezialanwendungen die Verwendung eines solchen Gases optimal sein. Einige Klassen von feuerfestem Material enthalten Teilchen eines oxidierbaren Materials, wie Kohlenstoff oder Silizium im Hinblick auf die Unterdrückung der Diffusion von Sauerstoff durch die feuerfeste Masse, oder für andere Zwecke werden z. B. basische Magnesiumoxid-Feuerfestmassen, die bis zu 10 Gew.-% Kohlenstoffteilchen enthalten, in der Stahlindustrie für gewisse Konverter verwendet. Wenn es notwendig wird, ein solches feuerfestes Material zu reparieren, ist es erwünscht, zu gewährleisten, daß die Reparatur auch einen gewissen Mengenanteil an oxidierbarem Material enthält. Eine solche Reparatur kann durch eine keramische Schweißarbeitsweise bewirkt werden. Eine solche Arbeitsweise bildet den Gegenstand der GB-PS 21 90 671.

Somit umfassen bei einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung die im Trägergasstrom versprühten Teilchen auch Teilchen eines oxidierbaren Materials, das als solches in der Schweißmasse verbleiben soll, und der Vorhangstrom ist praktisch frei von verfügbarem Sauerstoff. Die Wahl dieses Merkmals hat die Wirkung, daß das Mitschleppen von zusätzlichem Sauerstoff, gleichgültig ob vom Gasvorhang oder aus der Umgebungsatmosphäre, in die auftreffende Schweißmasse an der Reaktionszone praktisch vermieden wird, und dies kann die Verbrennung eines solchen oxidierbaren Materials behindern, so daß die Ausbeute an oxidierbarem Material, das als solches in der abgeschiedenen Schweißmasse verbleibt, erhöht werden.

Vorteilhafterweise umfaßt das Brennstoffmaterial eines oder mehrere der Materialien der Gruppe Aluminium, Silizium, Magnesium, Zirkonium und Chrom. Diese Materialien können alle unter Ausbildung intensiver Hitze und unter Bildung von feuerfesten Oxiden verbrannt werden. Diese Elemente können allein oder in Mischung, je nach Erfordernis, verwendet werden. Außerdem können Legierungen solcher Materialien verwendet werden. Das Legieren eines Elements, das sehr leicht und rasch verbrennt, mit einem anderen, das weniger leicht verbrennt, gewährleistet eine innige Mischung dieser Elemente, und durch geeignete Wahl der Legierungsbestandteile kann eine stabilere Reaktion erzielt werden, die in einer erwünschteren Reaktionsgeschwindigkeit abläuft.

Vorteilhafterweise haben wenigstens 50 Gew.-% der Brennstoffteilchen eine Korngröße von weniger als 50 µm, und vorzugsweise haben wenigstens 90 Gew.-% der Brennstoffteilchen eine Korngröße von weniger als 50 µm. Die durchschnittliche Korngröße kann z. B. weniger als 15 µm sein und die maximale Korngröße weniger als 100 µm und vorzugsweise weniger als 50 µm. Die Brennstoffteilchen oxidieren dadurch leicht, was die Ausbildung einer intensiven Wärmeenergie in einem kleinen Raum und die Erzielung einer guten Schweißung zwischen dem Teilchen des feuerfesten Materials begünstigt. Die geringe Größe dieser Brennstoffteilchen begünstigt auch ihre vollständige Verbrennung und demgemäß die Homogenität der gebildeten Masse.

Bevorzugt werden keramische Schweißmassen von besonders hoher feuerfester Qualität gebildet, und dazu ist es bevorzugt, daß wenigstens der größere Gewichtsteil der versprühten feuerfesten Teilchen aus Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid oder aus Magnesiumoxid und/oder Aluminiumoxid besteht.

Die Erfindung erstreckt sich auch auf eine keramische Schweißmasse, wenn sie nach einem Verfahren gemäß der Erfindung gebildet ist, und sie umfaßt auch eine Vorrichtung, die speziell für die Durchführung des Verfahrens entwickelt ist.

Demgemäß umfaßt die vorliegende Erfindung eine Lanze mit einem Auslaß für die Abgabe eines keramischen Schweißpulvers in einem Trägergas längs einem Abgabeweg gegen eine Oberfläche zur Durchführung eines keramischen Schweißverfahrens, die sich dadurch auszeichnet, daß eine solche Lanze einen zweiten Auslaß oder eine Gruppe von zweiten Auslässen für die Abgabe von Gas umfaßt, wobei dieser zweite Auslaß oder diese Gruppe von zweiten Auslässen so geformt und angeordnet ist, daß sie sowohl axial als auch radial in bezug auf den Pulverauslaß einen Abstand aufweisen, so daß Gas aus diesem zweiten Auslaß oder dieser Gruppe von Auslässen so abgegeben werden kann, daß es einen praktisch kontinuierlichen Vorhang um und im allgemeinen parallel zu dem Weg für den Pulverauslaß und das abgegebene Pulver bildet.

Die erfindungsgemäße Lanze ist einfach und macht es möglich, leicht einen Gasvorhang um die Auftreffzone des Trägergasstroms und des mitgeschleppten Pulvers, das aus dem Pulverauslaß abgegeben wurde, zu bilden. Diese erfindungsgemäße Lanze liefert dem Schweißer einen zusätzlichen Kontrollparameter, der es ihm gestattet, eine qualitativ hochwertige keramische Schweißung zu erzielen.

Der Gasvorhang kann aus einer Gruppe von Blasöffnungen abgegeben werden, die um den Pulverauslaß angeordnet sind, jedoch ist vorzugsweise dieser zweite Auslaß für die Abgabe von Vorhanggas ein kontinuierlicher ringförmiger Auslaß. Dies ist eine einfache, leichte und wirksame Weise der Aufrechterhaltung eines Gasvorhangs um den Trägerstrom, der das oxidierende Gas und das Teilchengemisch enthält. Ein solcher ringförmiger Auslaß muß nicht streng kreisförmig sein. Tatsächlich kann er rechteckige Gestalt haben, wenn man dies wünscht.

Um den wirksamsten Gasvorhang um das Trägergas und die mitgeschleppten Teilchen zu bilden, sollte der Gasvorhang aus einem oder aus mehreren Auslässen geblasen werden, der oder die vom Auslaß oder von den Auslässen des Trägergases einen Abstand haben, jedoch sollten die verschiedenen Auslässe nicht zu weit voneinander entfernt sein. Der optimale Abstand hängt größtenteils vom Ausmaß, also der Größe des Betriebs ab, bei welchem die Lanze verwendet werden soll.

Einige Lanzen gemäß der Erfindung sollen vor allem für Reparaturen in kleinem bis mäßigem Maßstab verwendet werden oder wo die Zeit kein kritischer Faktor ist, wobei dann die Lanze einen Trägergasauslaß mit einem Durchmesser zwischen 8 und 25 mm hat oder eine Auslaßgruppe mit einer vergleichbaren Auslaßfläche des Aggregats. Die Querschnittsfläche (eventuell des Aggregats) solcher Auslässe beträgt somit zwischen 50 und 500 mm². Solche Lanzen eignen sich zum Versprühen von keramischem Schweißpulver in Mengen von 30 bis 300 kg/h. Bei einigen solchen bevorzugten Ausführungsweisen, wobei dieser Pulverauslaß eine Aggregatfläche zwischen 50 und 500 mm² hat, hat der oder jeder zweite Auslaß einen Abstand vom Pulverauslaß von 5 bis 20 mm.

Andere Lanzen gemäß der Erfindung sind vor allem für Reparaturen im großen Maßstab oder rasche Reparaturen bestimmt und die Lanze hat einen einzigen Trägergasauslaß oder eine Gruppe von Trägergasauslässen mit einer Querschnittsfläche zwischen 300 und 2300 mm². Solche Lanzen eignen sich zum Versprühen von keramischem Schweißpulver in Mengen von bis zu 1000 kg/h oder selbst mehr. Bei einigen solchen bevorzugten Ausführungsformen, wobei der Pulverauslaß eine Aggregatfläche zwischen 300 und 2300 mm² hat, hat der oder jeder zweite Auslaß einen Abstand vom Pulverauslaß von 10 bis 30 mm.

Die Wahl des einen oder anderen dieser Bereiche für die Abstände zwischen dem Trägergasauslaß und dem Vorhangauslaß begünstigt die Bildung einer klaren und deutlichen Sperre zwischen der Reaktionszone der keramischen Schweißung und der Umgebungsatmosphäre, während praktisch jede Störung zwischen den verschiedenen Gasströmen vermieden wird.

Bei einigen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung umfaßt eine solche Lanze einen Mantel, der sich für die Zirkulation von Kühlmittel eignet. Das bevorzugte Kühlmittel ist Wasser im Hinblick auf seine Wärmekapazität und seine leichte Verfügbarkeit. Ein solcher Wassermantel kann so angeordnet sein, daß er ein mittiges Rohr oder Rohre für die Zufuhr von Trägergas und keramischem Schweißpulver umgibt, während er selbst durch die ringförmige Passage für die Förderung des Vorhanggases umgeben ist. Der Wassermantel kann leicht in einer Dicke ausgebildet werden, die derart ist, daß man jeden gewünschten Abstand zwischen dem Trägergasauslaß oder den Trägergasauslässen und dem Vorhanggasauslaß einstellen kann. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Wassermantel alle Gasauslaßrohre der Lanze umgeben. In jedem Fall wird die Temperatur des abgegebenen Vorhanggases im allgemeinen, und wenn man die Reparatur von Öfen bei praktisch ihrer Betriebstemperatur in betracht zieht, beträchtlich geringer sein als die Umgebungstemperatur im Ofen, und sie kann bei einer Temperatur sein, die im wesentlichen gleich der des Trägergases ist.

Der vorteilhafte Effekt, den dies auf die Bildung einer keramischen Schweißmasse hat, wurde schon erläutert. Zusätzlich dazu bedeutet die Bereitstellung eines Kühlmantels, daß die Lanze in einer Umgebung hoher Temperatur bleiben kann, wie sie in einem Ofen oder einer anderen feuerfesten Struktur bei Betriebstemperatur herrscht, und zwar für beträchtliche Zeitspannen, ohne überhitzt zu werden. Dies hat Vorteile aus Betriebsgründen und hilft auch zur Verlängerung der Lebensdauer der Lanze.

Vorzugsweise beträgt die Fläche des zweiten Auslasses oder der zweiten Auslaßgruppe zwischen ²/₃ und dem Dreifachen der Fläche des Pulverauslasses. Ein solcher zweiter Auslaß oder eine solche zweite Auslaßgruppe ist vorteilhaft für die Abgabe eines Vorhanggasstromes mit optimaler Strömungsgeschwindigkeit des Vorhanggases in ausreichendem Volumen, um einen wirksamen Gasvorhang zu bilden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es bedeuten

Fig. 1 ein Diagramm der Sprühzone auf einer Substratoberfläche während der Durchführung des Verfahrens der Erfindung;

Fig. 2 ein schematischer und teilweiser Schnitt durch eine Sprühlanze der Erfindung;

Fig. 3 ein Diagramm eines Erosionstestes, der an feuerfesten Massen durchgeführt wurde.

In Fig. 1 bedeutet die Bezugszahl 1 den Zielbereich der Oberfläche der Unterlage, auf welcher man eine feuerfeste keramische Schweißmasse bilden will, indem man diese Oberfläche mit einem Trägergasstrom besprüht, der oxidierendes Gas und ein Gemisch von feuerfesten Teilchen und Brennstoff enthält. Dieser Trägergasstrom trifft die Oberfläche 1 in dem Diagramm an der Auftreffzone 2. Gemäß der Erfindung wird auf die Oberfläche 1 gleichzeitig ein Umfangsgasstrom oder werden mehrere Umfangsgasströme geblasen, welche die Auftreffzone 2 unter Bildung eines Gasvorhangs um die Auftreffzone 2 umgeben. Fig. 1 zeigt in schematischer Form den Auftreffbereich dieses Gasvorhangs auf die Oberfläche 1 in der ringförmigen Zone 3, welche die Auftreffzone 2 eng umgibt. Es ist ersichtlich, daß die Ringzone 3 in der Praxis etwas von der Auftreffzone 2 entfernt sein kann oder daß im Gegensatz dazu die Ringzone 3 und die Auftreffzone 2 sich teilweise überlappen können.

In Fig. 2 umfaßt der Sprühkopf 4 der Lanze 5 einen zentralen Auslaß 6 für das Versprühen des Trägergasstroms 7, welcher das Gemisch von Teilchen, verteilt im oxidierenden Gas enthält. Anstelle eines einzigen mittleren Auslasses 6 kann die Lanze eine Gruppe von mehreren Auslässen zum Versprühen des Trägergasstroms 7 haben. Eine Sprühlanze, welche eine Auslaßgruppe dieser Art hat, ist z. B. in der GB-PS 21 70 122 gezeigt. Der Lanzenkopf 4 umfaßt auch gemäß der Erfindung Mittel zum Blasen eines Vorhanggases. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform umfassen die Mittel für das Sprühen von Vorhanggas einen ringförmigen Auslaß 8, welcher den mittleren Auslaß 6 umgibt und einen Abstand davon hat, um einen praktisch ringförmigen Gasstrom 9 zu blasen. Der Gasstrom 9 bildet den Gasvorhang 3′, welcher die Oberfläche 1 in der ringförmigen Zone 3 trifft. In einem speziellen Beispiel ist die Fläche des ringförmigen Auslasses 8 etwas mehr als das Doppelte der Fläche des mittleren Auslasses 6. Das Gemisch von Teilchen, die im oxidierenden Gas verteilt sind, wird über die Zufuhrleitung 10, und das Gas für den Strahl von Vorhanggas über die Leitung 11 eingeführt. Die Lanze 5 umfaßt einen äußeren Kühlring 12 mit einem Kühlwassereinlaß und Auslaß. Fig. 2 zeigt auch einen Kühlring 13 mit einem Kühlwassereinlaß und -auslaß, der den ringförmigen Auslaß 8 in Abstand vom mittleren Auslaß 6 hält. Dieser Kühlring kann jedoch weggelassen werden, wenn man dies wünscht und z. B. durch einen einzelnen kleinen Abstandshalter oder einen Einsatz ersetzt sein, der es ermöglicht, den ringförmigen Auslaß 8 in gewünschtem Abstand vom mittleren Auslaß 6 zu halten, z. B. um 7 mm.

Fig. 3 ist ein Schema eines Erosionstestes an einer feuerfesten keramischen Schweißmasse. Ein prismatischer Barren 14, der von der zu prüfenden feuerfesten Masse geschnitten ist, wird teilweise in ein geschmolzenes Glasbad 15 bei 1550°C, das in einem Tiegel (nicht gezeigt) gehalten wird, eingetaucht. Diese Temperatur ist höher als die höchste normalerweise für geschmolzenes Natronkalkglas (gewöhnliches Fensterglas) in einem Glasschmelzofen benutzte Temperatur. Der Barren wird eingetaucht gehalten und der Abnutzungsgrad wird nach 16 h bestimmt.

Beispiel 1

Die Wannenblöcke des Schmelzendes eines Glasschmelzofens müssen ohne Abkühlung des Ofens repariert werden. Diese Blöcke sind hochgradig erodiert, insbesondere an der Stelle der Oberfläche des geschmolzenen Glasbades, wo die Spülkante liegt. Diese Wannenblöcke sind hochgradig feuerfeste elektrogeschmolzene Blöcke auf der Basis von Aluminiumoxid und Zirkonoxid, deren Zusammensetzung in Gew.-% 50-51% Aluminiumoxid, 32-33% Zirkonoxid, 15-16% Siliziumdioxid und etwa 1% Natriumoxid aufweist und die eine wahre Dichte von 3,84 haben. Um Zugang zu dieser Oberfläche zur Reparatur zu erhalten, wurde das Niveau des geschmolzenen Glases um etwa 20 cm erniedrigt. Um die Reparatur durchzuführen, wurde ein Trägergasstrom, der oxidierendes Gas und eine Gemisch von feuerfesten Teilchen und Brennstoff enthielt, auf die heißen Wannenblöcke gesprüht. Das Gemisch der Teilchen enthielt 40-50% ZrO₂, 38-44% Al₂O₃ zusammen mit 12% Brennstoff aus 8-4% Al und 4-8% Si, alles in Gew.-% der gesamten Mischung. Die Siliziumteilchen waren Körner mit einer Durchschnittsgröße von 6 µm und einer spezifischen Oberfläche von 5000 cm²/g. Die Aluminiumteilchen waren Körner mit einer Durchschnittsgröße von 5 µm und einer spezifischen Oberfläche von 4700 cm²/g. Die maximale Korngröße der Aluminium- und der Siliziumteilchen überschritt nicht 50 µm. Die Silizium- und Aluminiumteilchen verbrannten unter Bildung ausreichender Hitze, um die feuerfesten Teilchen wenigstens teilweise zu schmelzen, so daß sie zusammenbanden. Die feuerfesten Teilchen aus Zirkonoxid hatten eine Durchschnittskorngröße von 150 µm um die feuerfesten Teilchen aus Aluminiumoxid hatten eine Durchschnittskorngröße von 100 µm.

Um die Beständigkeit der auf der Oberfläche der Ofenwannenblöcke gebildeten feuerfesten Masse gegen Korrosion zu testen, wurde zuerst eine feuerfeste Masse auf der Oberfläche eines Reservewannenblockes gebildet, der in einem Prüfofen auf 1500°C erhitzt wurde, wobei das Verfahren der Erfindung angewandt wurde. Für diese Prüfung wurden 8 Gew.-% Si und 4 Gew.-% Al im Gemisch verwendet.

Das Gemisch der im oxidierenden Gas verteilten Teilchen wurden mit der in Fig. 2 gezeigten Lanze 5 versprüht. Es wurde über die Zufuhrleitung 10 eingeführt. Der mittlere Pulverauslaß 6 war kreisförmig und hatte eine Fläche von 113 mm². Das Gemisch wurde mit einer Fließmenge von 30 kg/h mit Sauerstoff als oxidierendem Gas in einer Menge von 25 Nm²/h versprüht. Der Trägergasstrom 7 mit dem Teilchengemisch und dem oxidierenden Gas traf auf die zu behandelnde Oberfläche 1 an der Aufprallzone 2 auf. Gemäß der Erfindung wurde auf diese Oberfläche 1 auch ein Vorhanggasstrahl geblasen, der einen Gasvorhang 3′ um die Auftreffzone 2 bildete. In diesem Beispiel wurde der Vorhanggasstrahl durch reinen Sauerstoff gebildet, der durch den ringförmigen Auslaß 8 in einer Strömungsmenge von 40 Nm³/h in Form eines ringförmigen Gasstromes 9 geblasen wurde, der den Trägergasstrom 7 längs seines Weges vom Kopf 4 der Lanze 5 bis zur Auftreffzone 2 umgab. Der ringförmige Auslaß 8 hatte kreisförmigen Querschnitt und eine Fläche von 310 mm². Der ringförmige Auslaß 8 hatte vom Pulverauslaß 6 einen Abstand von 13 mm.

Während der Durchführung der Methode lieferte der Gasvorhang 3′ ein zusätzliches Mittel zur Einwirkung auf die Ausbildung der keramischen Schweißreaktion und die Bildung der feuerfesten Masse. Die keramische Schweißreaktion war stabil und verhältnismäßig gut definiert. Die wahre Porosität der gebildeten Masse betrug 9% und die scheinbare Porosität 1,5%. Diese beiden Ausdrücke werden hier wie folgt benutzt: Die scheinbare Porosität wird nach einer Methode analog der Eintauchmethode gemessen und erfaßt somit nur die offenen Poren im feuerfesten Material. Die wahre Porosität berücksichtigt auch alle geschlossenen Poren im feuerfesten Material. Die scheinbare Dichte der gebildeten feuerfesten Masse, d. h. die Dichte der Masse mit ihren Poren betrug 3,5. Die wahre oder absolute Dichte dieser Masse, d. h. die Dichte der feuerfesten Matrix selbst, gemessen an einer fein zerriebenen Probe, um den Einfluß der Poren zu beseitigen, betrug 3,85.

Ein prismatischer Barren 14 (Fig. 3) von 20 × 20 × 120 mm wurde von dieser feuerfesten keramischen Schweißmasse abgeschnitten. Dieses Prüfstück wurde teilweise in ein Bad 15 aus geschmolzenem Glas bei 1550°C eingetaucht, das in einem Tiegel (nicht gezeigt) enthalten war. Der Grad der Abnutzung des Barrens nach 16 h wurde aufgezeichnet.

Zu Vergleichszwecken wurde eine Kontrollprobe identischer Größe hergestellt und ebenfalls bei der gleichen Temperatur teilweise im gleichen geschmolzenen Glasbad eingetaucht gehalten. Um den Vergleich zu erleichtern, sind Zeichnungen der Kontrollprobe und des Prüfbarrens in Fig. 3 übereinander aufgetragen. Die Kontrollprobe war ein prismatischer Barren, der aus einer feuerfesten Masse geschnitten war, die in der gleichen Weise wie die feuerfeste Masse von Beispiel 1 gebildet war, wobei jedoch der Gasvorhangstrahl weggelassen war, d. h. aus einer feuerfesten keramischen Schweißmasse, die gemäß einem Verfahren außerhalb der vorliegenden Erfindung gebildet war. Die auf diese Weise gebildete feuerfeste Masse hatte eine wahre Porosität von 19,7% und eine scheinbare Porosität von 3,5%. Sie hatte eine scheinbare Dichte von 3,03 und eine absolute Dichte von 3,77.

Nach 16 h hatte der Barren 14 der Kontrollprobe eine Form angenommen, wie sie schematisch durch die gestrichelte Linie 16 gezeigt ist. Es ist ersichtlich, daß der eingetauchte Teil 17 des Barrens 14 beträchtliche Korrosion als Ergebnis des Eintauchens in das Glasbad erlitten hatte. Die Kanten des Prismas waren abgerundet. Es ist ersichtlich, daß die Oberfläche 18 des geschmolzenen Glasbades 15 die Probe beträchtlich erodiert hatte und ihr die Form der besonderen "Spülkante" in der Zone verliehen hatte, welche durch die Bezugszahl 19 gezeigt ist. Der Durchmesser des Barrens in der Mitte der Spülkantenkorrosion war auf etwa ¹/₃ des normalen Wertes verringert.

Der Barren 14, der aus der erfindungsgemäß hergestellten feuerfesten Masse geschnitten war, hatte nach 16 h die Form angenommen, welche durch die gestrichelte Linie 20 gezeigt ist. Die Erosion des eingetauchten Teils war offensichtlich kleiner. Die Kanten des Prismas waren nicht stark abgerundet. Die Spülkantenkorrosion 19 war viel weniger ausgeprägt als die der Kontrollprobe. Der Durchmesser des Barrens an der Mitte der Spülkantenkorrosion war auf nur etwa ²/₃ des Normalwertes verringert. Die Anwendung des Verfahrens der Erfindung gestattet somit die Herstellung einer feuerfesten Masse, die viel beständiger gegen Erosion ist als die nach der bisherigen Methode gebildete Masse. Die mikroskopische Untersuchung eines Abschnittes des Barrens zeigte auch, daß praktisch keine verbleibenden Metallphasen vorlagen, was zeigt, daß die Oxidation der Metallteilchen praktisch vollständig war. Dieser Faktor ist sehr günstig für eine feuerfeste Masse, die in Kontakt mit geschmolzenem Glas kommt, da es bekannt ist, daß der Kontakt von Metallphasen mit dem geschmolzenem Glas zur Ausbildung von Blasen im Glas führen kann.

Beispiel 2

Als Abänderung von Fig. 1 wurde eine feuerfeste keramische Schweißmasse in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 gebildet mit der Ausnahme, daß die Sauerstofffließmenge des Trägergasstroms 7 30 Nm³/h und die Sauerstofffließmenge des Gasvorhangstrahles 9 20 Nm³/h betrugen. Die gebildete feuerfeste keramische Schweißmasse hatte eine scheinbare Porosität von 2%, eine wahre Porosität von 8,3%, eine scheinbare Dichte von 3,56 und eine wahre Dichte von 3,88.

Ein prismatischer Barren 14 wurde aus dieser keramischen Schweißmasse geschnitten und teilweise im geschmolzenen Glasbad 15, das in einem Tiegel war, eingetaucht. Nach 16 h zeigte der Erosionstest ähnliche Ergebnisse wie bei der keramischen Schweißmasse von Beispiel 1. Der Barren hatte die Form angenommen, die durch die gestrichelte Linie 20 gezeigt ist. Die mikroskopische Prüfung eines Abschnitts dieses Barrens zeigte auch, daß praktisch keine verbleibenden Metallphasen vorlagen.

Beispiel 3

Eine feuerfeste keramische Schweißmasse wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt mit der Ausnahme, daß der Vorhanggasstrom 9 aus Kohlendioxid gebildet war, das in einer Fließmenge von 20 Nm²/h geblasen wurde, und der Sauerstoff des Trägergasstromes 7 wurde in einer Fließmenge von 30 Nm³/h geblasen. Es wurde auch festgestellt, daß die keramische Schweißreaktion stabil und verhältnismäßig gut definiert war. Die gebildete feuerfeste keramische Schweißmasse hatte eine scheinbare Porosität von 1,5%, eine wahre Porosität von 4,6%, eine scheinbare Dichte von 3,5 und eine absolute Dichte von 3,67.

Ein prismatischer Barren 14 wurde aus dieser keramischen Schweißmasse geschnitten und teilweise in dem geschmolzenen Glasbad 15 im Tiegel eingetaucht. Nach 16 h zeigte der Erosionstest eine ähnliche Erosion wie bei der keramischen Schweißmasse von Beispiel 1. Der Barren hatte praktisch die mit der gestrichelten Linie 20 gezeigte Gestalt angenommen.

Beispiel 4

Eine feuerfeste keramische Schweißmasse wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 gebildet mit der Ausnahme, daß der Gasvorhang 9 aus Stickstoff gebildet war, der in einer Fließmenge von 18 Nm³/h geblasen wurde, und der Sauerstoff des Trägergasstromes 7 wurde mit einer Fließmenge von 30 Nm³/h geblasen. Es wurde auch beobachtet, daß die keramische Schweißreaktion stabil und verhältnismäßig gut ausgebildet war. Die gebildete feuerfeste keramische Schweißmasse hatte eine scheinbare Porosität von 2,5%, eine scheinbare Dichte von 3,5 und eine wahre Dichte von 3,69.

Ein prismatischer Barren 14 wurde aus dieser keramischen Schweißmasse geschnitten und teilweise in das geschmolzene Glasbad 15 im Tiegel eingetaucht. Nach 16 h zeigte der Erosionstest eine Erosion ähnlich der der keramischen Schweißmasse von Beispiel 1. Der Barren hatte praktisch die Gestalt angenommen, welche durch die gestrichelte Linie 20 gezeigt ist.

Beispiel 5

Das folgende Gemisch, in Gew.-%, wurde zur Durchführung einer Verfestigungsreparatur an einem Ofenbogen, der aus Silicaziegeln gebildet war, bei einer Temperatur von etwa 1500°C verwendet: 87% feuerfeste Siliziumdioxidteilchen, 12% verbrennbare Siliziumteilchen und 1% verbrennbare Aluminiumteilchen. Die Silizium- und Aluminiumteilchen hatten jeweils eine Durchschnittskorngröße von weniger als 10 µm, wobei die spezifische Oberfläche des Siliziums 4000 cm²/g und die des Aluminiums 6000 cm²/g betrugen. Die maximale Korngröße der Aluminium- und Siliziumteilchen überstieg nicht 50 µm.

Dieses Gemisch wurde gemäß dem Verfahren der Erfindung versprüht. Das Teilchengemisch wurde mit reinem Sauerstoff über die Zufuhrleitung 10 in einer Menge von 35 kg/h an Material und 25 Nm³/h an Sauerstoff zum Versprühen in Form des Trägergasstromes 7 eingeführt. Gemäß der Erfindung wurde auf die zu behandelnde Zieloberfläche 1 auch ein Vorhanggasstrom geblasen, der einen Gasvorhang 3′ um die Auftreffzone 2 bildete. In diesem Beispiel war der Vorhanggasstrom aus reinem Sauerstoff gebildet, der in einer Fließmenge von 30 Nm³/h in Form eines Vorhanggasstroms 9 geblasen wurde, welcher den Trägergasstrom 7 längs seines Weges vom Kopf 4 der Lanze 5 bis zur Auftreffzone 2 umgab. Es wurde praktisch kein nichtverbranntes Metall in der gebildeten keramischen Schweißmasse gefunden.

Zu Vergleichszwecken wurde eine feuerfeste keramische Schweißmasse gebildet, in dem das gleiche Gemisch wie oben in einer Menge von 30 kg/h mit der gleichen Sauerstofffließmenge von 25 Nm³/h versprüht wurde. Für diesen Vergleich wurde jedoch der Vorhangstrom von Sauerstoff weggelassen.

Während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde beobachtet, daß der Gasvorhang 3′ ein zusätzliches Mittel zur Streuung der Bildung der feuerfesten keramischen Schweißmasse bildete, das im Falle des Vergleichstestes nicht vorlag. Überdies isoliert der Gasvorhang 3′ die Auftreffzone 2 so, daß atmosphärische Turbulenzen aufgrund des Betriebs des Ofens während der Reparatur praktisch keine Wirkung auf die Bildung der feuerfesten keramischen Schweißmasse hatten. Die keramische Schweißreaktion war stabiler und besser beschränkt und erfolgte nicht intermittierend.

Beispiel 6

Ein Kupferkonverter, der in der Nichteisenmetallindustrie verwendet wurde, sollte repariert werden. Es wurde die gleiche Methode wie in Beispiel 5 angewandt mit der Ausnahme, daß das Gemisch folgende Gewichtszusammensetzung hatte: 40% Chromoxidteilchen, 48% MgO-Teilchen und 12% Aluminiumteilchen. Die Aluminiumteilchen hatten eine nominelle maximale Korngröße von 45 µm und eine spezifische Oberfläche von mehr als 3000 cm²/g. Die feuerfesten Teilchen hatten alle eine maximale Größe von weniger 2 mm. Dieses Beispiel zeigte auch, daß als Ergebnis der Durchführung der Erfindung der Gasvorhang ein zusätzliches Mittel für die Steuerung der Ausbildung der keramischen Schweißreaktion und der Bildung der feuerfesten keramischen Schweißmasse bildete. Die keramische Schweißreaktion war stabil und gut umgrenzt.

Bei einer Abänderung wurde der ringförmige Auslaß 8 des Sprühkopfes 4 durch eine Reihe von Düsen ersetzt, die Gasstrahlen verbliesen, die unter Bildung des Gasvorhangs 3′ zusammenliefen. Auch mit dieser Sprühlanze wurden sehr gute Ergebnisse erhalten.

Beispiel 7

Es sollte eine feuerfeste keramische Schweißmasse einer Zusammensetzung gebildet werden, die möglichst nahe derjenigen der basischen feuerfesten Zusammensetzung einer Wand eines Stahlkonverters lag, der aus Magnesium-Kohleblöcken aus 90 Gew.-% Magnesiumoxid und 10% Kohlenstoff gebildet war. Die Wand war bei einer Temperatur von 900°C. Diese Blöcke wurde mit einem Teilchengemisch besprüht, das Teilchen aufwies, welche Kohlenstoff enthielten. Das Gemisch wurde in einer Menge von 500 kg/h in einen oxidierenden Trägergasstrom gesprüht, der 70 Vol.-% Sauerstoff enthielt. Das Gemisch hatte die folgende Gewichtszusammensetzung:

MgO 82%
Si 4%
Al 4%
C 10%

Die Siliziumteilchen hatten einen durchschnittlichen Durchmesser von 10 µm und eine spezifische Oberfläche von 5000 cm²/g. Die Aluminiumteilchen hatten einen durchschnittlichen Durchmesser von 10 µm und eine spezifische Oberfläche von 8000 cm²/g. Die Kohleteilchen waren durch Quetschen von Koks gebildet und ihr Durchschnittsdurchmesser war 1,25 mm. Die Magnesiumoxidteilchen hatten einen durchschnittlichen Durchmesser von 1 mm. Gemäß der Erfindung wurde ein Gasvorhang um die Auftreffzone des Trägergasstroms aus den Teilchen, die im oxidierenden Gas gebildet waren, auf der Wand des Konverters gebildet, indem Kohlendioxid in einer Fließmenge, die 50% höher war als die Fließmenge des oxidierenden Gases zur Bildung eines Gasvorhangs um diesen Trägergasstrom geblasen wurde. Es wurde während der Durchführung des Verfahrens beobachtet, daß die keramische Schweißreaktion stabil und gut umgrenzt war. Die gesprühten Kohleteilchen oxidierten nicht vollständig, so daß die gebildete keramische Schweißmasse etwa 5% Kohlenstoff enthielt. Ohne den durch den Kohlendioxidstrom gebildeten Gasvorhang enthielt die gebildete keramische Schweißmasse nur etwa 3% Kohlenstoff.

Bei einer abgeänderten Ausführungsform der Lanze für die Zufuhr des keramischen Schweißpulvers in einer Menge zwischen 900 kg/h und 1000 kg/h hat diese einen mittigen Pulverauslaß 6 mit einem Durchmesser von 53 mm und somit einer Fläche von 2206 mm². Die Lanze enthält auch einen kontinuierlich ringförmigen Auslaß für das Vorhanggas mit einer Fläche von 1979 mm², der vom Pulverauslaß einen Abstand von 13 mm hat, z. B. indem man eine Hülse auf das Ende des mittleren Rohres aufgesetzt oder einen Kühlring 13. Die Lanze enthielt auch einen äußeren Kühlring 12.

Claims (20)

1. Keramisches Schweißverfahren, wobei ein keramisches Schweißpulver, das ein Gemisch von feuerfesten Teilchen und Teilchen eines Brennstoffmaterials enthält, das zur Oxidation unter Bildung eines feuerfesten Oxids befähigt ist, gegen eine Oberfläche in einem Strom oder mehreren Strömen von Trägergas gesprüht werden, das wenigstens ausreichend Sauerstoff zur praktisch vollständigen Oxidation der Brennstoffteilchen enthält, wodurch ausreichend Hitze freigesetzt wird, um wenigstens die Oberflächen der versprühten feuerfesten Teilchen zu schmelzen und eine keramische Schweißmasse an dieser Oberfläche unter der Oxidationshitze der Brennstoffteilchen gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein zusätzlicher Gasstrom gegen diese Oberfläche so geblasen wird, daß er einen praktisch kontinuierlichen Gasvorhang um den Trägergasstrom oder die Trägergasströme bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasvorhang als ringförmiger Strom geblasen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägergas aus einem Auslaß mit einer Fläche zwischen 50 und 500 mm² gesprüht und der Gasvorhang aus einem Auslaß oder mehreren Auslässen geblasen wird, der bzw. die vom Trägergasauslaß einen Abstand zwischen 5 und 20 mm haben.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägergas aus einem Auslaß mit einer Fläche zwischen 300 und 2300 mm² gesprüht wird und der Gasvorhang aus einem Auslaß oder mehreren Auslässen geblasen wird, der bzw. die vom Trägergasauslaß einen Abstand zwischen 10 und 30 mm haben.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenmenge der Abgabe an Vorhanggas wenigstens die Hälfte der Volumenmenge der Abgabe des Trägergases ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgabegeschwindigkeit (berechnet bei Normaldruck) des Vorhanggases größer als ¹/₅ der Abgabegeschwindigkeit des Trägergases ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgabegeschwindigkeit (berechnet bei Normaldruck) des Vorhanggases zwischen ¹/₅ und ³/₅ der Abgabegeschwindigkeit des Trägergases liegt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströme aus einer Lanze abgegeben werden die durch ein durch sie zirkulierendes fluides Medium gekühlt ist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorhanggas Sauerstoff enthält oder ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die im Trägergasstrom abgegebenen Teilchen Teilchen eines oxidierbaren Materials enthalten, das als solches in die Schweißmasse eingebracht werden soll und der Vorhangstrom praktisch frei von verfügbarem Sauerstoff ist.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennstoffmaterial aus einem oder mehreren der Materialien: Aluminium, Silizium, Magnesium, Zirkonium und Chrom besteht.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens 50 Gew.-% der Brennstoffteilchen eine Korngröße von weniger als 50 µm haben.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der größere Gewichtsteil der gesprühten feuerfesten Teilchen aus Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid oder aus Magnesiumoxid und/oder Aluminiumoxid besteht.

14. Keramische Schweißmasse, gebildet nach einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13.

15. Lanze, insbesondere als Mittel zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 13, mit einem Auslaß zur Abgabe eines keramischen Schweißpulvers in einem Trägergas längs eines Abgabewegs zu einer Oberfläche zur Durchführung eines keramischen Schweißverfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß diese Lanze einen zweiten Auslaß oder eine Gruppe von zweiten Auslässen zur Abgabe von Gas aufweist, wobei dieser zweite Auslaß oder diese Gruppe von Auslässen so geformt und angeordnet und sowohl axial als auch radial in bezug auf den Pulverauslaß solchen Abstand hat bzw. haben, daß Gas aus diesem zweiten Auslaß oder der Gruppe von Auslässen so abgegeben werden kann, daß es einen praktisch kontinuierlichen Vorhang bildet, der den Pulverauslaßweg praktisch umgibt und im allgemeinen parallel dazu ist.

16. Lanze nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Auslaß ein kontinuierlicher ringförmiger Auslaß ist.

17. Lanze nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulverauslaß eine Fläche zwischen 50 und 500 mm² und der oder jeder zweite Auslaß vom Pulverauslaß einen Abstand zwischen 5 und 20 mm hat.

18. Lanze nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulverauslaß eine Fläche zwischen 300 und 2300 mm² hat und der oder jeder zweite Auslaß vom Pulverauslaß einen Abstand zwischen 10 und 30 mm hat.

19 Lanze nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Lanze einen Mantel aufweist, der zur Zirkulation eines Kühlmittels eingerichtet ist.

20. Lanze nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche des zweiten Auslasses zwischen ²/₃ und dem Dreifachen der Fläche des Pulverauslasses ist.