專利名稱：耐火結構表面處理方法
技術領域：
本發明涉及耐火結構清潔方法，可特別作為受損耐火結構的修復步驟。
各種耐火結構如冶煉爐，焦化爐和玻璃熔爐在其工作壽命期間有可能變臟，被腐蝕或受損。
例如受損可表現為一或多塊耐火磚從主體結構上滑落下來，導致表面不平整或表現為耐火結構出現裂紋。一般要求再恢復耐火結構的設計表面并要求防止耐火磚進一步滑落和填充磚滑移或出現裂紋而留下的縫隙。為達到這些目的，就必須或要求切除耐火結構的任何凸現部分。另一方面，又必須或要求在已滑動磚中和/或鄰近磚中切出鍵槽，在其中形成或插入楔以防止進一步滑落。此外，還可能要求或必須將滑落留下的縫隙或裂口增大或成形以形成或插入適當填塞。
受損也可能由于耐火結構的材料被腐蝕引起的，腐蝕有可能導致結構表面不平整，因此，因此常要求在修復結構之前改善該表面構型。
耐火結構可能受污染并被粘結到其表面上的物料如渣，玻璃，礦物殘渣，硫化物和硫酸鹽腐蝕。
耐火結構當然可用機械辦法清潔，如噴高壓氣體或液體，吹砂或超聲波處理。在某些情況下，這種物料可升發或燃燒，那就可用火炬清潔(如在焦化爐情況下)。在其它情況下，必須涂裝或矯正表面，那就可用例如切削輪，鼓或其它工具，但對于耐火結構后續修復而言，所有這些工藝都存在一些缺點。為了清潔耐火結構或設備，使表面宜于高質量生產或后續修復，操作人員常常必須離待清潔地點盡可能近，這意味著該地點在清潔所需時間內必須處于操作人員能承受的溫度下，而這又意味著耐火結構必須從其正常操作溫度或處于其操作溫度正常工作循環范圍內的溫度冷卻下來，但在清潔和修復后必須再加熱。在各種工業爐情況下，為避免爐因其耐火材料收縮或膨脹而受損，則冷卻和再加熱日程可能必須持續幾天或幾星期，致使該爐生產損失相當嚴重。
英國專利說明書GB2213919-A(Glaverbel)說明了高溫耐火結構涂裝方法，其中帶有含一或多種可氧化成一或多種耐火氧化物的元素的顆粒(下稱“燃料顆粒”)混合物的可燃氣流噴向待修復地點并使燃料顆粒燃燒，該混合物還含助熔劑如氟化物或堿金屬鹽，其作用是使耐火結構在燃料顆粒燃燒釋放的熱作用下軟化，使該結構在沖擊氣流的機械作用下通過其材料去除或置換而達到涂裝目的。
GB2213919-A的方法僅簡單用于耐火結構修邊或在其中切口，該方法可作為某些耐火結構修復工藝的初始步驟，尤其是用于本身可在或接近耐火結構正常操作溫度下進行的修復工藝。
這種修復工藝之一已知為陶瓷瓷熔接方法，已見于英國專利No.1330894和GB2170191A(均屬于Glaverbel)，這些陶瓷熔接方法是在表面上形成粘結耐火材料層，其中向表面噴射耐火顆粒和燃料顆粒的混合物以及氧。所用燃料顆粒組成和粒度應使其與氧發生放熱反應而形成耐火氧化物并釋放出至少使被噴射耐火顆粒表面熔融所需熱量。
在陶瓷熔接方法中，耐火材料顆粒和燃料顆粒的混合物(“陶瓷溶接粉末”)沿進料管線從粉貯罐送到噴槍(lance)中，再從該噴槍向目標表面噴射。與瓷陶瓷熔接粉末一起離開噴槍出口的氣本(“載氣”)可為純(工業級)氧氣或可含一部分基本上惰性氣體如氮氣或其它某些氣體。
現已發現，按GB2213919-A處理耐火火結構時，該結構表面組成已改變，原因是并不是所有軟化物料均從該表面去除了，并且軟化物料包括涂裝操作中所噴物料。若要求表面無外來物料，就必須采用另一方法。此外，助熔劑可仍留在被處理表面上，而由于耐火結構表面上存在助熔劑，所以后續陶瓷熔接過程中可進行修復的功效就減弱了并且與耐火結構粘結性不好，如在高溫下應用的高品位耐火材料情況下即如此。
本發明目的是提出耐火結構清潔方法，其中無需將結構從其正常操作溫度下冷卻下來，因此無需冗長的冷卻和再加熱時間，不會大量留下任何剩余外來物料。
本發明提出耐火結構高溫下進行表面清潔的方法，其中包括向該表面上噴射含氧載氣中帶燃顆粒的可燃氣流(下稱“粉末物流”)，從而使燃料顆粒在該表面上的受沖擊區(下稱“反應區”)中燃燒，其特征是同時或另外向該表面上噴射包括氧氣的擦洗物流以在反應區附近擦洗該表面。
顆粒燃燒產生的熱量使表面或粘在上面的物料熔融并且擦洗氣流沖洗掉熔融物料。
因此本發明提出耐火結構清潔方法，其中不要求采取使結構從其正常操作溫度大幅度并小心翼翼冷卻下來的積極步驟，從而避免了長時間的冷卻和再加熱過程并避免或緩解了引起耐火材料收縮或膨脹的問題。“清潔”指在要求耐火結構面積上去除物料以及必要時去除一些耐火材料本身。因此在這種情況下，“清潔”也指本專業所稱的“涂裝”，如常可這樣操作，即并不要求經過構成耐火結構的物料膨脹測定曲線上的任何過渡點將耐火結構冷卻和再加熱。的確，耐火結構溫度越高，本發明方法越有效，其中優選耐火結構表面溫度高于700℃，尤其是高于1000℃。
該方法的一大優越性是易于清潔相當高品位的耐火材料和/或處于高溫，但就其耐火原料品位的最高可允許操作溫度而言仍是低溫的結構。
可噴射各種含氧氣體形成要求的擦洗氣流，優選氣體根據情況確定。盡管可將氧氣與二氧化碳或氮氣混合形成擦洗氣流，但本發明優選方案中擦洗氣流主要由氧氣組成。優選用工業級氧氣這種氧氣無論如何可用作載氣，并且就應用目的而言是極其有效的。由于擦洗氣流包括氧氣，所以可在反應區避免燃燒息火，并且這可促進所用燃料顆粒完全燃燒。但應注意到，載氣本身常含至少足以使燃料基本上完全燃燒的氧氣。
可方便地從普通噴槍向該表面噴射粉末物流和擦洗氣流，其中氣體可沖撞在反應區本身上面，但優選是沖在其鄰近區域。當噴槍在表面上移動時，擦洗氣體沖擊區優選立即緊隨反應區。擦洗氣流優選包括多股繞粉末物流的分散物流。氣流同時或分別噴射，如噴槍在待清潔表面上來回移動時，則緊隨粉末物流的擦洗氣流可開啟，而同時在粉末物流前面的相對擦洗氣流就關掉。從一或多個粉末出口附近設置的噴槍的多個出口噴射擦洗氣流可方便地形成多股分散氣流。
擦洗氣流可連續或間隙噴向耐火結構表面，而粉末物流連續供給。
擦洗氣流的排出速度大于載氣的排出速度，這樣可使反應區中物流呈湍動型態。
擦洗氣流優選為冷氣流，其中用冷氣噴向要求達到盡可能高的溫度以使耐火材料熔融的反應區是驚人的，因為可以預料的是冷氣使熔融物流固化，而不是去掉。
除擦洗氣流而外，可將含氧載氣中包括燃料顆粒的粉末物流噴向耐火結構表面。
可用各種元素作燃料，尤其是用可產生耐火氧化物的元素，從而消除妨礙被處理表面耐火性的危險。因此燃料可選自鎂和鋯，但優選燃料顆粒包括鋁和/或硅顆粒，因為這些元素可在效率，難易程度以及應用安全性和費用方面達到良好的平衡。特別優選采用鋁和硅顆粒的混合物，更優選為含硅量大于含鋁量的混合物。更易于點燃的鋁可保持硅燃燒且產生的組合熱足以達到要求用量的反應區。本發明優選方案中由可在該表面上與氧氣反應而形成其化學組成對應于耐火結構的化學組成的物料制成燃料顆粒。
在可燃氣流中的顆粒粒度對耐火結構清潔過程中進行燃燒反應的方式具有極重要的影響。
該燃料顆粒平均粒徑優選不大于50μm，更優選不大于30μm，并且優選至少80%該燃料顆粒粒徑小于50μm，更優選小于30μm。
同于常見陶瓷熔接技術領域，本文中“平均粒徑”指50wt%的顆粒粒徑小于該平均粒徑的粒徑。
粉末物流中常含除燃料顆粒而外的顆粒，一般為耐火氧化物顆粒，這些顆粒的存在可提高流體質量并促進其流動，尤其是在存在助熔劑時是如此。而且，這些其它顆粒增大粉末物流對耐火結構的沖擊帶來的機械侵蝕作用。這也可在操作時應用其組成類似于用于耐火結構后續陶瓷熔接修復的粉末組成的粉末混合物，因此優選用可用于后續陶瓷熔接操作的物料，從而減少要求原料量。為了減少因耐火結構和熔接沉積之間的界面上出現不同熱膨脹或收縮而可能帶來的問題，一般要求結構表面和熔接沉積物的化學組成非常相近，使沉積物質和結構間具有化學相容性。為了促進粘結和相容，優選使所說耐火氧化物顆粒包括至少大部分為耐火結構組分的顆粒。
本發明優選實施方案中耐火顆粒選自鋁，鉻，鎂，硅和鋯中至少一種的氧化物。
耐火氧化物顆粒的最大粒徑優選不大于4mm，更優選至少80wt%耐火氧化物顆粒的粒徑小于2μm。
加入粒狀混合物中的最佳燃料顆粒量取決于操作條件。對于給定耐火結構操作溫度，則耐火材料品位越高，要求加入的燃料量一般就越大。同樣，對于給定耐火材料，則清潔地點操作溫度越低，要求加入的燃料量就越多。用于清潔的混合物中的燃料含量一般比用于陶瓷熔接的混合物中的燃料含量大。
粉末物流一般可含至少20wt%燃料顆粒，以其固體含量計，這代表了被加入的燃料量和被清潔地點反應區必須維持的時間長短之間的令人滿意的折衷方案。當然，應注意到低溫下用高品位耐火材料操作要求更多燃料，而高溫下用低品位耐火材料操作可要求更少的燃料。
一般來說，我們發現，為達到令人滿意的清潔效果，要求在被噴射混合物中加入足夠的燃料，可高達30wt%，不過有利的是該燃料顆粒量不超過被噴射顆粒混合物的30wt%，這在經濟上有好處，因為燃料顆粒為被噴射混合物中的最昂貴部分。而且，我們發現，加過量的燃料也可能不必要地帶來危險，即進行的反應有可能向后蔓延到噴射裝置內。
粉末混合物可能含有除燃料或耐火物料以外的物料顆粒，如過氧化物或助熔劑，尤其是上述GB2213919-A提到的助熔劑。若要求清潔和涂裝，這就很有利。
本發明方法所用適當噴槍包括一或多個粉末物流出口以及一個或多個擦洗氣出口，從而可在與粉末物流基本平行的方向上排出擦洗氣。優選方案中設置大量分散的擦洗氣出口，其排列方式可使大量的分散擦洗氣流圍繞粉末物流。有了這一特征，擦洗氣體就會在反應區附近沖擊耐火結構表面。由于噴槍在耐火結構表面上移動，所以擦洗氣就清潔了反應區中已加熱的表面。
在本發明一些優選方案中氣流從用循環流體冷卻的噴槍中射出，其中給噴槍裝冷卻夾套即可達到這種冷卻。這種冷卻夾套可圍繞進料粉末物流中心管，而其本身又被擦洗氣傳送通道包圍，另一方面可有水套圍繞噴槍的所有排氣管。在每種情況下，排出的擦洗氣體溫度，一般來說并且考慮到基本上在其操作溫度下修復爐子時，大大低于爐內環境溫度，而且可處于極類似于載氣溫度的溫度下。
宜用于本發明方法的噴槍很簡單，易于在載體氣流沖擊區域附近形成擦洗氣體并且易于夾帶從粉末出口排出的粉末。
噴槍的一些優選方案主要考慮到維持少量至中等規模或必須清潔大型爐子，而清潔所能利用的時間又不關鍵的情況，并且顆粒可從具有直徑為8-25mm的單一載氣出口的噴槍噴出，這種出口的橫截面積因此為50-500mm2。這種噴槍宜以30-300kg/h的速度噴射粉末，因此也可在相同條件下用于陶瓷熔接，其中調節粉末組成。擦洗氣流的出口直徑優選5-10mm，小于粉末物流出口直徑。
噴槍的其它優選方案主要考慮到必須在短時間內完成大規模修復，并且顆粒從橫截面積為300-2300mm2的載氣出口的噴槍噴出。這種噴槍宜用于以最高1000kg/h或更高的速度噴粉末并且也可用于陶瓷熔接。若不形成大量分散的擦洗氣流，則可用繞粉末物流的環弧形擦洗氣流。
擦洗氣流也可以與粉末物流出口孔中心線平行的線上形成的孔中噴出，如在噴槍具有宜處理大表面的梳狀結構時即如此。但擦洗氣流優選從一組繞中心噴粉出口的噴孔中排出，這種形式簡單并且重量輕。
噴槍可為直的，也可為易用于有限空間的形狀。
本發明還提出陶瓷熔接方法，其中在熔接部位地點形成粘在耐火結構上的粘結耐火層，辦法是向熔接地點噴射帶燃料顆粒和耐火氧化物顆粒的混合物的粉末物流，并讓燃料顆粒燃燒而至少使耐火氧化物顆粒表面軟化或熔融以便形成粘在所說結構上的粘結耐火層，其特征在于在初步處理步驟中，采用本文所述耐火結構清潔方法對熔接地點進行清潔。
一般來說，建議在存在高濃度的氧如商品級氧作為載氣的情況下噴射顆粒。由于陶瓷熔接反應區溫度高，所以可使耐火材料顆粒達到足夠程度的熔融或軟化，因此可形成具有良好耐火性材料層。
陶瓷熔接方法的特殊優點在于，這些方法可在耐火結構上進行，而同時又能保持耐火結構的正常操作溫度。這樣帶來的好處是顯而易見的，被修復結構的“停工時間”，如因耐火結構的熱收縮和膨脹帶來的問題可降低到最低限度。在耐火結構操作溫度附近的溫度下進行熔接還有控制形成熔塊質量的優越性。這種熔接反應似乎能夠使結構表面軟化或熔融，從而使處理表面和新形成耐火熔接層之間達到良好的聯結。
的確特別方便的是讓陶瓷熔接步驟中噴射的顆粒混合物具有基本上與耐火材料清潔步驟中噴射的材料相同的組成，只是在陶瓷熔接步驟中降低燃料量。因此例如，耐火材料清潔步驟中噴射的粒狀材料即可僅將適當量的燃料顆粒加入一定量的陶瓷熔接步驟所用的相同組成顆粒混合物中即可制成。
以下以僅作為舉例的實施例詳述本發明，其中參照附圖
圖1為宜用于本發明的噴槍部分剖面示意圖和圖2為圖1所示噴槍出料端示意圖。
圖中噴槍5的噴頭4包括噴射含有分散在載氣中的燃料顆粒的粉末物流的中心出口6。若不用單一中心出口6，則噴槍可包括幾個粉末物流的出口。包括一組這種出口的噴槍已見于Glaverbel的英國專利說明書No.2170122。本發明噴頭4中包括擦洗氣噴射裝置。在圖示方案中，擦洗氣流噴射裝置包括4個出口8，成一組圍繞中心出口6以噴射出基本上分散開的擦洗氣流。分散在載氣中的顆粒混合物經供料管10引入，而擦洗氣體的氧氣經管道11噴入。噴槍5還包括帶冷水出入口的外部水夾套12。
實施例1在玻璃熔爐中，含鋯耐火材料如“Zac”板塊需修復，該耐火材料大致組成為10-15%二氧化硅，40-55%氧化鋁和30-45%氧化鋯，其中的磚被嚴重侵蝕，在修復前需清潔。
陶瓷熔接組合物為顆粒混合物，其組成如下(重量份)Si15Al10穩定氧化鋯30α-氧化鋁(金剛砂)45
硅和鋁燃料顆粒的公稱最大粒徑小于45μm，硅的平均粒徑6μm，鋁的平均粒徑5μm，氧化鋯的平均粒徑150μm，而氧化鋁的平均粒徑100μm。
分散在氧氣中的顆粒混合物用如圖1所示噴槍5噴射，板塊溫度約1400℃，混合物經供料管10引入，而中心粉末出口6為環形，直徑12.5mm。混合物與氧氣一起噴射，前者速度30kg/h，后者速度30Nm3/h。包括顆粒混合物和氧化氣體的載氣流在沖撞區沖擊被處理表面。本發明中該表面上也噴射擦洗氣流，在繞沖撞區的附近區域沖洗該表面。該例中擦洗氣流由經出口8噴出的氧氣構成，其壓力10巴。4個出口8均具有環狀截面，直徑5mm。在被清潔表面區域噴射粉末物流和4股擦洗氣流后只斷續噴射氧氣使表面平滑即可開始進行該工藝。
耐火結構這樣清潔后改變粉末物流，其中將鋁量降為4wt%，硅量降為8wt%并相應提高氧化鋯和氧化鋁量。關掉擦洗氧氣流后按要求通過陶瓷熔接工藝修復結構。因此，耐火結構的清潔及其陶瓷熔接可用相同噴槍完成，而不需要在這些步驟之間從爐中移出噴槍。
實施例2在鋁生產爐中，用包括30%鋁和70%氧化鋁的粉末物流清潔1000℃氧化鋁耐火結構，其條件同于實施例1。
實施例3
該例中在兩批料之間的短暫停工期間處理煉鋼爐，其中耐火結構由堿性材料(MgO)制成，應用大出料量噴槍。粉末物流出料孔直徑37.5mm，并且噴槍排料速度為1噸粉/h，耐火結構表面處于1400℃。
清潔時包括熔化和清除渣。
粉末組成為MgO2mm最大75%Si45μm最大15%Al45μm最大10%擦洗氣流為氧氣，壓力10巴，經多個直徑5mm的孔引入，各孔的位置可使各物流聯合成平面物流形態。然后用同一噴槍(不用擦洗氣體)修復被清潔表面，其中粉末組成如下MgO82%ZrO210%Mg/Al合金5%Al3%該粉末已見于英國專利說明書No.2234502-A(Glacerbel&FosbelInternationalLtd.)。
權利要求
1.耐火結構高溫下進行表面清潔的方法，其中包括向該表面上噴射含氧載氣中帶燃料顆粒的可燃氣流(下稱“粉末物流”)，從而使燃料顆粒在該表面上的受沖擊區(下稱“反應區”)中燃燒，其特征是同時或另外向該表面上噴射包括氧氣的擦洗物流以在反應區附近擦洗該表面。
2.權利要求1的方法，其中該表面溫度高于700℃。
3.權利要求1或2的方法，其中擦洗氣流排出速度高于粉末物流的排出速度。
4.上述任一權利要求的方法，其中擦洗氣流包括繞粉末物流的多股分散物流。
5.上述任一權利要求的方法，其中擦洗氣流壓力至少7巴。
6.上述任一權利要求的方法，其中擦洗氣流為冷氣流。
7.上述任一權利要求的方法，其中粉末物流還包括耐火氧化物顆粒。
8.權利要求7的方法，其中粉末物流還包括至少20wt%的燃料顆粒，以其中固體含量計。
9.上述任一權利要求的方法，其中燃料顆粒由可在該表面上與氧氣反應而形成化學組成對應于耐火結構化學組成的耐火氧化物的材料構成。
10.上述任一權利要求的方法，其中粉末混合物含助熔劑。
11.上述任一權利要求的方法，其中擦洗氣流主要由氧氣構成。
12.上述任一權利要求的方法，其中粉末物流和擦洗氣流從普通噴槍排出后噴向該表面。
13.陶瓷熔接方法，其中在熔接地點形成粘在耐火結構上的粘結耐火層，方式是向熔接地點噴射帶燃料顆粒和耐火氧化物顆粒的混合物粉末物流并且讓燃料顆粒燃燒而至少使耐火氧化物顆粒表面化花或熔融以便形成粘在所說結構上的粘結耐火層，其特征在于在初步處理步驟中，采用上述任一權利要求所述方法對熔接地點進行清潔。
全文摘要
本發明提出高溫下，尤其是陶瓷熔接操作中耐火結構表面清潔方法，其中向該表面噴射含氧載氣中帶燃料顆粒的粉末物流，從而使載氣中的燃料顆粒和氧氣在該表面上的反應區中反應，并同時向該表面噴射包括氧氣的擦洗氣流，而且擦洗氣流的排出速度優選高于粉末物流的排出速度，以在反應區附近對該表面進行擦洗。
文檔編號F27D25/00GK1082015SQ9310935
公開日1994年2月16日 申請日期1993年7月30日 優先權日1992年7月31日
發明者R·思塔佛拉尼, J-P·美肯思 申請人:福斯伯爾國際有限公司