專利名稱：關(guān)于陶瓷熔接或其改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陶瓷熔接方法或其改進(jìn)方法，特別是該方法使用的材料組合物的粉末組分的顆粒尺寸特性。
本發(fā)明還涉及一種用于陶瓷熔接方法的改進(jìn)的材料組合物。
為了修復(fù)煉焦?fàn)t，玻璃窯爐和類似窯爐的內(nèi)部耐火結(jié)構(gòu)，人們建立了陶瓷熔接法，在例如英國(guó)專利GB402203，GB1330894和GB2035524以及瑞典專利號(hào)102283中披露了該方法。陶瓷熔接法通常包括將粉末混合物狀的材料組合物隨載體氣體送至噴槍，粉末顆粒隨含氧氣體進(jìn)入噴槍并從噴槍噴射到一個(gè)表面上，在該表面部分粉末混合物與氧發(fā)生放熱反應(yīng)，至少使另一部分粉末混合物與其本身和與表面產(chǎn)生部分融合，由此形成陶瓷熔接。
適用于陶瓷熔接法的材料組合物典型的是一種粉末狀的耐火氧化物和金屬和/或金屬似的顆粒的混合物。在英國(guó)專利GB2154228，GB2110200和GB2170191中描述了這種通過(guò)陶瓷熔接法用于形成耐火體的材料組合物及其工藝。
英國(guó)專利GB2170191借助于各種特性詳細(xì)說(shuō)明了耐火材料顆粒和可氧化金屬顆粒的顆粒尺寸特性，所說(shuō)的特性包括一個(gè)近似于平均尺寸的專業(yè)術(shù)語(yǔ)和另一個(gè)涉及尺寸分布的專業(yè)術(shù)語(yǔ)。通過(guò)將GB2170191的主權(quán)項(xiàng)的語(yǔ)言翻譯成更簡(jiǎn)單易懂的表達(dá)方式來(lái)轉(zhuǎn)達(dá)其含義，可以使其簡(jiǎn)化為耐火材料顆粒的平均尺寸必須大于可氧化顆粒的平均尺寸并且耐火材料顆粒的尺寸展開范圍應(yīng)大于某最小值。這兩項(xiàng)要求中的前一項(xiàng)是顯而易見(jiàn)的，僅僅是重復(fù)在陶瓷熔接領(lǐng)域中更早的專利所公開的內(nèi)容，例如，GB1330894，它給出的耐火材料和可氧化顆粒的最大平均尺寸分別為500微米和50微米。在GB2170191中說(shuō)明了寬的顆粒尺寸分布，給出了高尺寸范圍展開，它有利于形成耐久的熔接，而且和使用更均勻尺寸分布的耐火材料顆粒所形成的熔接相比，這種熔接的氣孔更小，裂紋更少。
從據(jù)說(shuō)采用GB2170191所述的材料組合物和工藝操作有好處這一考慮出發(fā)，我們驚奇地發(fā)現(xiàn)，采用比該早期專利所建議的尺寸分布更為均勻的耐火材料顆粒可以制成高質(zhì)量、耐久的耐火體。此外，除去耐火材料顆粒的粗顆粒部分有助于材料組合物經(jīng)傳輸系統(tǒng)流動(dòng)，能夠順利地完成所要求的最終熔接，并且減少了載體材料的比例(該載體材料不形成熔接部分)。除去耐火材料顆粒的細(xì)顆粒尺寸部分也有幫于材料的流動(dòng)，而且還有另外的好處，這些好處是降低了石英粉塵度(該石英粉塵在操作中會(huì)飄浮)，在反應(yīng)區(qū)減少塵云并因此減少了載體材料(該材料不形成熔接部分)的比例，和通過(guò)不窒息這些反應(yīng)(該窒息方法與地下礦井滅火所用的石粉(stone dust)法相似)增強(qiáng)可氧化顆粒的放熱反應(yīng)。
早期英國(guó)專利GB2154228和GB2110200描述了材料組合物，該組合物由不燃燒的耐火材料和可放熱氧化的材料組成，其中后者的特征平均尺寸低于50微米并且含有硅和鋁，鋁含量不超過(guò)全部混合物重量的12%。GB2154228的權(quán)利要求8將鋁含量規(guī)定為至少是全部混合物重量的1%。在這些專利的實(shí)施例中，硅和鋁的混合物與耐火氧化物顆粒一起使用，這些氧化物顆粒包括下列物質(zhì)中的一種或多種，即氧化鋯、氧化鎂，氧化鋁，氧化硅，硅線石和莫來(lái)石。所有上述專利的特點(diǎn)在于適當(dāng)選擇耐火材料的顆粒，從而提供一種與需要處理的基底耐火材料盡可能接近的熔接修補(bǔ)組合物。
陶瓷熔接法被廣泛地用于修補(bǔ)煉焦?fàn)t，煉焦?fàn)t的爐襯由硅質(zhì)耐火磚制成。按常規(guī)，材料組合物即熔接粉末包括一種鋁，硅和二氧化硅顆粒的混合物，并且GB2154228的實(shí)施例Ⅷ提供了一種修復(fù)煉焦?fàn)t用的材料組合物，該組合物包括1%鋁，12%硅和87%二氧化硅(重量百分比)。(注意在該實(shí)施例中實(shí)際記載的是80%二氧化硅，但這據(jù)信是一個(gè)印刷錯(cuò)誤)。
在煉焦?fàn)t中，硅質(zhì)耐火磚不是100%的純二氧化硅，另外還含有少量鋁，鐵和鈣雜質(zhì)存在于復(fù)合耐火氧化物分子中。而且，該二氧化硅以結(jié)晶態(tài)鱗石英和方石英的形式存在。優(yōu)選的熔接粉末二氧化硅組份是與上述結(jié)晶和化學(xué)形式相同的粉碎的硅質(zhì)耐火材料。
使用含有鋁(其含量至少為混合物總量的1%)，硅和粉碎的硅質(zhì)耐火材料的熔接粉末混合物并不能總是生產(chǎn)與硅質(zhì)基底組合物完全匹配的熔接組合物。這種化學(xué)不匹配通過(guò)以下事實(shí)表現(xiàn)出來(lái)，即由于其不適應(yīng)修補(bǔ)區(qū)域的熱區(qū)部分，一定比例的噴施熔接粉末混合物在噴槍噴射的材料的噴射邊緣損失掉，不形成最終熔接部分。損失掉的材料基本上是耐火材料，因此在熔接粉末中使用鋁，特別是至少1%的鋁，在熔接修補(bǔ)處明顯地造成以氧化物形式存在的鋁數(shù)量高于基底耐火材料硅磚。
此外，已有研究發(fā)現(xiàn)由鋁、硅和二氧化硅的粉末混合物形成的熔接可以含有一定比例的硅金屬，然而至少某些本領(lǐng)域?qū)I(yè)人員認(rèn)為硅金屬對(duì)最終熔接的質(zhì)量和耐久性是有害的，從而影響整個(gè)工藝方法的效果。
還應(yīng)注意到在修補(bǔ)煉焦?fàn)t時(shí)，兩端耐火材料的溫度可以是800℃，而在爐的中部溫度可能達(dá)到和超過(guò)1200℃。盡管可以有這種情況，即在熔接粉末混合物中使用鋁可以促使熔接在較低溫度較好的發(fā)生，但是在相對(duì)較高的溫度下，即1200℃和高于1200℃卻導(dǎo)致高的，并不希望的反應(yīng)速率，從而造成反應(yīng)區(qū)糊狀熔體層過(guò)熱，使其粘度降低并且易于流動(dòng)。當(dāng)這種現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，相應(yīng)采用的熔接變得難于進(jìn)行，因?yàn)閲娚涞娜劢臃勰┑那皼_速度迫使糊狀熔體層鋪展并在邊緣部分變形，因此形成低質(zhì)量的熔接，這種熔接是多孔的并且表面不平整。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種改進(jìn)的陶瓷熔接方法以及用于該方法的材料組合物。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用于陶瓷熔接方法的材料組合物，該組合物實(shí)現(xiàn)了熔接修補(bǔ)與基底耐火材料之間的更好的化學(xué)匹配。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供一種用于陶瓷熔接方法的材料組合物，該組合物可以在較高溫度條件下使用，例如基底溫度至少達(dá)800℃，而不會(huì)導(dǎo)致由于所用組合物含鋁引起的變形和低質(zhì)量熔接。
本發(fā)明第一方面提供了一種陶瓷熔接方法，在該方法中，含有耐火材料顆粒和可氧化金屬顆粒的混合物的材料組合物隨含氧氣體通過(guò)噴嘴被噴射到一個(gè)表面上，在該表面可氧化顆粒發(fā)生放熱反應(yīng)，至少使混合物的其它顆粒與它們本身和與表面形成部分融合，由此形成陶瓷熔接，其特征在于耐火材料的諧波平均尺寸(harmonic mean size)(如本文所定義)在300至1000微米范圍內(nèi)，耐火材料顆粒的尺寸范圍展開因數(shù)(如本文所定義的)在0.4-1.1之間。
諧波平均尺寸的定義為
Wi
Wi/Si其中Wi是第i個(gè)尺寸部分的重量或材料百分?jǐn)?shù)，Si是第i部分的平均尺寸。
尺寸范圍展開因數(shù)定義為F(G)= (2(G80-G20))/(G80+G20)其中G80表示80%顆粒尺寸的耐火材料顆粒，G20表示20%顆粒尺寸的耐火材料顆粒，“%顆粒尺寸”用來(lái)表示能夠通過(guò)該尺寸篩目的篩子的耐火材料顆粒的重量的%比率。
諧波平均尺寸是用來(lái)描述顆粒尺寸分布的專用術(shù)語(yǔ)，因?yàn)樵撔g(shù)語(yǔ)廣為人知，并且在一些方法例如陶瓷熔接法中化學(xué)反應(yīng)依賴于表面，而諧波平均尺寸正是由平均表面積顆粒的直徑所定義的。
專業(yè)人員都知道，可氧化金屬顆粒應(yīng)該較細(xì)，以便促進(jìn)它們與氧的反應(yīng)。實(shí)際上，通常使用可商購(gòu)的金屬顆粒，這種顆粒的最大尺寸為125微米(但尺寸分布小到亞微米尺寸)，而且這種金屬顆粒非常令人滿意。
本發(fā)明的第二方面提供了一種用于陶瓷熔接法的材料組合物，該組合物含有耐火材料顆粒和可氧化金屬顆粒的混合物，其特征在于按本文定義的耐火材料顆粒的諧波平均尺寸在300至1000微米范圍內(nèi)，按本文定義的耐火材料的尺寸范圍展開因數(shù)在0.4-1.1之間。
組合物優(yōu)選含有耐火氧化物顆粒和硅粉末的混合物，硅是混合物中以元素狀態(tài)存在的唯一組分。
可用于本發(fā)明的耐火氧化物優(yōu)選二氧化硅。在材料組合物中硅粉含量是組合物總量的至少10%-18%。材料組合物中的硅粉含量?jī)?yōu)選為組合物總量的12%-16%。
現(xiàn)在通過(guò)以下實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明的陶瓷熔接方法和材料組合物。
實(shí)施例1用84%(重量)的粉碎的二氧化硅耐火材料和16%(重量)的元素狀態(tài)的硅粉制備含有一種混合物的材料組合物。耐火材料的顆粒尺寸最大為2毫米，最小為250微米，平均為750微米。該耐火材料的諧波平均尺寸為600微米，尺寸范圍展開因數(shù)為0.95。硅的最大尺寸為125微米，平均尺寸為26微米。
用基本上如GB2173715所述的設(shè)備和方法，將混合物噴到1000℃的硅質(zhì)耐火磚上。采用550NL/min流速，空氣/氧氣比為1∶2的氧化氣體流，以60kg/hr的速率傳送粉末。粉末通過(guò)直徑為19毫米的噴嘴噴出，該噴嘴被放置在距離基底耐火材料75-100毫米處。
該混合物自燃并形成一種良好的熔接，該熔接牢固地粘附在基底上并且具有與基底相似的物理和化學(xué)特征。
對(duì)熔接的化學(xué)分析表明氧化鋁含量為2.1%，這個(gè)含量與基質(zhì)磚中的典型含量1.5-2%很接近。
為了進(jìn)行比較，制備一種含有82.5%(重量)粉碎的硅質(zhì)耐火材料，16%(重量)元素態(tài)硅和1.5%(重量)鋁的粉末混合物，并以上文所述的方式將其噴到硅質(zhì)耐火磚上。最終熔接的化學(xué)分析表明氧化鋁含量為5.7%，與基質(zhì)硅中氧化鋁組分的含量1.5-2%有較大的差值。
對(duì)兩個(gè)熔接的游離元素硅的測(cè)定表面，使用本發(fā)明材料組合物所形成的熔接的硅含量只有對(duì)比實(shí)驗(yàn)所形成的熔接的一半。
實(shí)施例2接照實(shí)施例1制備材料組合物，但使用含有14%(重量)元素態(tài)硅和86%(重量)粉碎的硅質(zhì)耐火材料的混合物，在所有其它方面該混合物與實(shí)施例1的混合物相同。
再次在相同條件下將該混合物噴到硅質(zhì)耐火磚上，所形成的熔接和基質(zhì)磚再次顯示與實(shí)施例1相似的氧化鋁含量。此外，本發(fā)明材料組合物形成的熔接中的元素硅含量明顯地低于使用現(xiàn)有技術(shù)本文配方的情況。
實(shí)施例3重復(fù)實(shí)施例1的實(shí)驗(yàn)，但使用不同的材料組合物，該組合物含有一種尺寸在1毫米至250微米，給出的諧波平均尺寸400微米和尺寸范圍展開因數(shù)0.6的耐火材料顆粒的混合物。重新容易地進(jìn)行和控制熔接操作，形成十分致密耐久的熔接。
實(shí)施例4使用上述實(shí)施例所給出的材料組合物，在不同溫度，即800℃，900℃和1200℃繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。另外，試驗(yàn)在焦碳廠進(jìn)行，為本發(fā)明的新配方建立實(shí)際的工作條件?？偟膩?lái)說(shuō)，進(jìn)一步的研究活動(dòng)得到了這樣的結(jié)果即在簡(jiǎn)易粉末點(diǎn)火，易于熔接以及高質(zhì)量熔接方面都取得了積極的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷熔接方法，其中將一種材料組合物，該組合物含有耐火材料顆粒和可氧化金屬顆粒的混合物，與含氧氣體一起通過(guò)噴槍噴射到表面上，在表面可氧化顆粒發(fā)生放熱反應(yīng)，至少使混合物的其它顆粒與它們本身和與表面產(chǎn)生部分融合，從而形成陶瓷熔接，其特征在于按本文定義的耐火材料顆粒的諧波平均尺寸在300至1000微米之間，按本文定義的耐火材料顆粒的尺寸范圍展開因數(shù)在0.4至1.1之間。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于諧波平均尺寸在400至700微米之間。
3.按照權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于尺寸范圍展開因數(shù)在0.5至1.0之間。
4.按照上述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于材料組合物含有耐火氧化物顆粒和硅粉末的混合物，硅是以元素狀態(tài)存在唯一混合物組份。
5.按照權(quán)利要求4的方法，其特征在于混合物中的硅粉末含量為混合物總重的10-18%。
6.按照權(quán)利要求5的方法，其特征在于混合物中的硅粉末含量為混合物總重的12-16%
7.按照權(quán)利要求4至6中的任意一個(gè)權(quán)利要求的方法，其特征在于硅的最大尺寸小于125微米。
8.按照權(quán)利要求4至7中的任意一個(gè)權(quán)利要求的方法，其特征在于耐火材料顆粒含有粉碎的氧化硅顆粒。
全文摘要
在陶瓷熔接方法中使用的材料組合物，該組合物包括一種耐火材料顆粒和可氧化金屬顆粒的混合物，其中耐火材料顆粒的諧波平均尺寸在300至1000微米之間，耐火材料顆粒的尺寸范圍展開因數(shù)在0.4至1.1之間。
文檔編號(hào)C04B37/02GK1069717SQ92108829
公開日1993年3月10日 申請(qǐng)日期1992年6月20日 優(yōu)先權(quán)日1991年6月20日
發(fā)明者L·E·J·塔克, K·鄧德代爾, D·K·赫蘭, R·G·埃弗里特 申請(qǐng)人:煤炭工業(yè)(專利)有限公司