專利名稱：陶瓷熔合方法及用于此種方法的噴槍的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及陶瓷熔合方法及適用于此種方法的噴槍。
先有的陶瓷熔合方法已于Glaverbel的英國專利號1330894與2170191中描述過。
陶瓷熔合特別適用于熔爐或其它耐高溫設備的耐火材料壁上，可在原位形成耐火材料物質來對此耐火材料壁進行熱修。最好是在此種壁基本上處于其正常工作溫度下施行陶瓷熔合。陶瓷熔合特別適用于修補或增強下述各類裝置的壁或壁襯里，例如玻璃熔爐、煉焦爐、水泥窯或石油化工工業(yè)用的爐窯，或是黑色金屬或有色金屬冶金中用的各種耐火材料設備。而且，此種熱修往往能在熔爐作業(yè)期間進行，例如熱修玻璃熔爐的上部結構;或是在耐火材料部件的正常工作周期內，例如鋼水澆注筒則常能在澆注與再加料的正常間隔內作出熱修。這樣的方法也可用來制成耐火材料部件，例如用來形成其它耐火材料襯底的表面層。
在實施此種陶瓷熔合方法時，將耐火材料顆粒與燃料顆粒的混合物(“陶瓷熔合粉料”)沿著一給料管線，從粉料儲備點輸給一噴槍，經(jīng)噴槍將粉料噴射到目標面。隨此種陶瓷熔合粉料脫離開噴槍出口的運載氣體，可以是一種純凈的(工業(yè)級)氧氣，或也可含有相當一部分惰性氣體如氮氣，或者實際上是某些其它氣體。但無論如何，那種隨陶瓷熔合粉料離開噴槍出口的運載氣體，至少要含有足以使上述燃料粒能基本上完全燃燒的充足氧氣。沒有必要使熔合粉料從儲存點引入到的氣體流與離開噴槍出口的運載氣體具有相同的組成。運載氣體中所需氧氣的一部分或實際上是全部，可以在粉料引入點與噴槍出口處之間一或多個位置處引入到給料管線中。所用的燃料基本上是由能通過放熱氧化來形成耐高溫氧化物產物的粒狀料組成。適合于此種目的之燃料為硅、鋁、鎂、鋯與鉻。這類金屬燃料可以單個形式或組合形式使用，將此種燃料燃燒，由釋放出的熱來熔化耐高溫料粒的至少是其表面部分，使得形成一種強粘合性的耐高溫熔合物質，能良好地粘附到目標表面上。
一般是這樣地來選擇陶瓷熔合粉料，使得所形成的熔合沉積物具有與目標表面近似的化學組成。這有助于減少在熱修用熔合料與修復的耐火材料間界面處因熔爐溫度周期性變化而造成的熱震。這樣地來選擇熔合粉料還能確保熱修處的熔合物質有足夠高的耐高溫質量。自然也知道應選擇這樣的陶瓷熔合粉料來形成修補部分或襯里，使它的質量高于對之施行熔合的耐火材料的質量。
當由陶瓷熔合來形成耐高溫物質時，在熔合物質中可能會引入一定量的氣孔。這種氣孔的多寡部分取決于熔合操作人員的技術以及實施這種熔合作業(yè)的條件。這種氣孔有可能在允許限度之內，事實上在某些情形下還可能是有利的，因為高程度的氣孔率有助于保溫。但是，在熔爐中耐火材料經(jīng)受特別苛刻侵蝕作用的部位，特別是熔爐中的熔蝕態(tài)材料具有侵蝕和腐蝕作用時，過量的氣泡是要受到反對的。在一定大小耐火材料件上所能接受的氣孔率，取決于此種材料固有的耐火性能以及它在使用中所經(jīng)受的條件。
本發(fā)明是在研究極其可能受到強侵蝕之設備的那些部分上來形成耐高溫襯里或進行修復中所獲得的結果。這種侵蝕具體說來可能起因于機械的或熱機械性磨損，或起因于液相或氣相對形成爐壁之材料的侵蝕，或可能起因于以上這些磨損與侵蝕相結合的結果。
需要對這種強侵蝕傾向有良好穩(wěn)定性的一個例子，是在玻璃熔爐的領域中。玻璃熔爐池壁磚在玻璃液浴表面的位置，提供了耐火材料是在極強侵蝕作用下的一個具體例子。在這一位置，池壁磚的表面會迅速侵蝕到這樣的程度，使得此類磚的一半厚度可能迅速地或較迅速地被侵蝕掉。此種侵蝕在技術上稱之為“液面線侵蝕”。池壁磚處于很高的溫度下，例如熔爐的熔化區(qū)與澄清區(qū)的池壁磚便通常由含有高比例鋯的高級耐火材料制成。但即使如此，這樣的池壁磚也必須進行連續(xù)和嚴格的冷卻以減少侵蝕。
另一些需冒嚴重侵蝕風險的耐火材料件的例子是，用于熔融金屬制造過程或輸運過程的澆注口與盛液桶，例如在鋼鐵工業(yè)中所用的魚雷形鐵水包、銅的冶煉爐與精煉爐、制鋼或有色金屬工業(yè)中所用的轉爐或吹爐。在此還可以舉出水泥窯。
本發(fā)明的主要目的在于提供一種新穎的陶瓷熔合方法，使抗腐蝕與抗侵蝕性能良好之高質量耐高溫物質的形式過程簡化。
在根據(jù)本發(fā)明提出的一種陶瓷熔合方法中，陶瓷熔合粉料乃是耐火材料顆粒與燃料顆粒的混合物，此種混合物能氧化形成耐高溫氧化物，這樣的一種陶瓷熔合粉料是在一束或多束運載氣體流中噴射到某種表面上，而這種運載氣體則含有至少足以使粒狀燃料基本完全燃燒的氧氣，由此可釋出充分的熱，使得噴射出的耐火材料顆粒至少是其表面部分被熔化，而在燃料顆粒氧化熱的作用下，讓陶瓷熔合物質形成于該表面上，這種方法的特征在于至少有另一種氣體流噴射到上述表面上，得以形成一層環(huán)繞所說運載氣體流的，基本上是連續(xù)的氣體簾。
非常值得注意的是，按上述方式吹送另一種氣體流會產生有利的影響，與先有的方法相比，它確能更容易和更一致地形成高質量的陶瓷熔合部，具有良好的抗腐蝕與抗侵蝕性。通過本發(fā)明的方法來獲得高質量的熔合，要比省除這種氣體簾而其余一切均相似的那種方法較少依賴于熔合操作者個人的技術。我們認為這種結果是由于，按照本發(fā)明的方法所進行的熔合，要比省除這種氣體簾而其余一切均相似的那種方法所進行的熔合，常常具有較低的氣孔率。
至于為什么可以獲得這種有利的效果，原因尚不清楚。一種可能的理由是，此種氣體簾使陶瓷熔合的反應區(qū)與熔爐周圍的氣氛隔絕開，防止了這種氣氛對這類反應的任何不利影響，在此反應區(qū)保持了一致的工作條件。另一種可能的理由是，此種氣體簾可以具有一種驟冷效應，降低剛剛形成的仍呈軟性的耐火材料熔積物的溫度，能促進此種熔合材料發(fā)生有利的冷卻與結晶。這一結果隨之又減小了氣體可能溶解于初始的陶瓷熔合物質中的傾向，同時，這種陶瓷熔合物質則至少部分地熔融形成氣孔，且使得任何這類形成于熔合部分的氣孔具有較小的尺寸，因而較少帶來麻煩。但是，這種理論與此項工藝中現(xiàn)行接受的見解相反，后者不希望發(fā)生快速的冷卻，以免由于熔合用噴槍相續(xù)通到目標表面上而熔積的物料在升面層上因不均勻性而分層。
本發(fā)明的方法還有這樣的奇異之處即由于難以控制工作條件，一般總認為，在圍繞運載氣體流因而在圍繞發(fā)生陶瓷熔合與形成陶瓷熔合沉積物的區(qū)域噴射氣體簾，會干擾導致形成這種熔合都能放熱反應。但實際上卻觀察到相反的情形，噴射氣體簾能提供一個輔助參數(shù)來控制在上述反應區(qū)中起作用的因素，使它們在實施本發(fā)明的過程中得以形成耐高溫物質。
業(yè)已觀察到，此種氣體簾能夠減弱周圍環(huán)境對該反應區(qū)的影響。這一反應區(qū)由此得以較好地避免有可能存在于周圍氣氛中湍流的影響。例如，在一般情形下，當于熔爐運行期間采用本發(fā)明的方法時，就可使這一反應區(qū)較為不易受到作業(yè)位置附近諸如燃燒器之類的開關影響。
這種氣體簾也能較迅速地限制該反應區(qū)中的粒狀混合物，使此種陶瓷熔合反應能夠集中與強化，由此而能形成高質量的耐火物質。這種氣體簾有助于把噴射的耐火材料與燃料兩種粒狀料的燃燒產物約束在該反應區(qū)中，使它們能迅速地組合到所形成的熔合物質中。將這類燃燒產物組合到所形成的耐火物質中，對于陶瓷熔合過程并無不利影響，因為這些產物本身就是耐高溫氧化物。
這種氣體簾可以從環(huán)繞粉料排出口成圈排列的一批出口噴射出。自然，這批出口的相互間隔要很近，以便生成一種實質上連續(xù)的氣體簾。但最好，這種氣體簾應噴射成一種環(huán)形流。利用連續(xù)的環(huán)形出口來噴射環(huán)形簾狀氣流能提高氣體簾的效率，還能簡化用來實施本發(fā)明方法之設備的結構。這樣，圍繞著運載氣體流便形成了一層保護套，而能阻止物料，特別是阻止各種氣體，從周圍的氣氛中吸入到含有氧化氣體與粒狀混合物的運載氣流中。于是，此整個放熱效應區(qū)及在其氧化運載氣體中的混合物料噴布都能與周圍環(huán)境隔絕，而得以防止引入任何外來的元素和干擾此放熱反應，從而也就能更好地控制此放熱效應。
為了能圍繞運載氣體和它所夾帶的粒狀料形成最有效的氣體簾，這種簾式氣體應從一或多個出口噴出，這類出口應與運載氣體出口分隔開，但各出口之間不要相距太寬。最佳的間距主要取決于運載氣體出口的尺寸。
本發(fā)明的某些最佳實施例主要用于小規(guī)?；蛑械纫?guī)模的修補工作，或用在需作較大修補但修補所需時間不太苛刻的情形，顆粒料則是從具有直徑在8mm與25mm之間的單一運載氣體出口的噴槍噴射。因此，這類出口的橫截面積是在50與500mm2之間。此種噴槍適用于按30～300kg/h的速率噴射陶瓷熔合粉料。在某些個這樣的最佳實施例中，即運載氣體是從截面積在50～500mm2的出口噴出時，所說的氣體簾則是從一或多個與該運載氣體出口相距5～20mm的出口噴射出。
本發(fā)明的其它最佳實施例則是用于必須在短時間內進行大規(guī)模修補的情形，而顆粒料則是從具有橫截面積在300與2300mm2之間的運載氣體出口的噴槍噴射。這類噴槍適用于在高達1000kg/h，甚至更高的速率下來噴射陶瓷熔合粉料。在運載氣體是從橫截面積于300和2300mm2之間的出口噴射時的幾個這樣的實施例中，氣體簾則是從一個或多個與運載氣體出口相距10與30mm之間的出口噴射出。
在運載氣體與簾式氣體出口之間采用上述的某種間距范圍，有助于在陶瓷熔合反應區(qū)與周圍氣氛之間形成一道界限分明的氣障，同時由于保證了各種氣體流在其轉向到目標表面之間基本上仍處于分開狀態(tài)，便能從實質上避免這些氣體流之間的干擾。
簾式氣體的體積輸出速率以至少為運載氣體體積輸出速率的一半為有利。采用這樣的特點便于形成厚而有效的氣體簾。這樣的簾式氣體的輸出速率，例如至少可以是運載氣體輸出速率的三分之二，甚至可以高于運載氣體的輸出速率。
最好使簾式氣體的(正常壓力下計算的)輸出速率較運載氣體的輸出速率大五分之一。我們按每小時標準立方米(Nm3/h)來測量氣體體積輸出速率，同時假定氣流中的氣壓在該氣流離開其出口的瞬間是正常的，據(jù)此由氣體出口的橫截面積來計算氣體的體積輸出速率。選用這一特點，可以形成有效的氣體簾。為了取得最佳結果，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，簾式氣體的(在正常壓力下計算的)這一輸出速率最好是在運載氣體的輸出速率的五分之一至五分之三之間。采用這一特點，就會較少干擾運載氣體流的以及陶瓷熔合反應區(qū)中物料流的流動方式。與不利用這一特點的情形相比，利用這一特點就能使從運載氣體流到環(huán)境氣氛時的氣體速率梯度變動范圍不大，結果可能是由于運載氣體流及其所夾帶的物料粒較少受到?jīng)_淡，而能提高熔合質量。
在本發(fā)明的一些個實施例中，上述氣體流是從一根由液體循環(huán)流經(jīng)其間致冷的噴槍噴出。只需為此噴槍設置一水套便能達到制冷目的。此種水套可以環(huán)繞一或一批用來輸送運載氣體與陶瓷熔合粉料的中央管定位，而水套本身則又可為一用來輸送簾式氣體的環(huán)形通道環(huán)繞。此種水套易于構制成這樣的厚度，使得運載氣體出口與簾式氣體出口之間能保持有所需要的任何一種間距?；蛘咭部刹捎靡环N將噴槍所有氣體輸送管道均包圍住的水套。在以上任何一種情形，一般說來，要想在熔爐基本上處于其工作溫度時對之進行修補，則輸出的簾式氣體的溫度應遠低于熔爐中的環(huán)境溫度，而且可以處于大致相似于運載氣體的溫度下。
上述做法與陶瓷熔合工藝中的通常的做法全然相反。在進行陶瓷熔合時關系到永久性的事項之一，是在形成耐火物質的過程中防止目標表面上噴射沖擊區(qū)的溫度過低，例如由于對各種放熱反應參數(shù)控制不當所造成的結果。太冷的沖擊區(qū)例如會使放熱反應不時中斷。尤其是周知這樣的溫度太低時，會在所形成的耐火物質中形成不規(guī)則的和無控制的氣孔率，使得這種耐火物質頗呈多孔性，幾乎喪失了對磨損與侵蝕的抵抗性。要是此種耐火物質是由噴槍經(jīng)幾次噴射形成，這樣的多孔性就尤為明顯。
當上述沖擊區(qū)變換到待處理表面的上方時，則至少有一部分數(shù)量上是以在此沖擊區(qū)周圍形成一有效屏障的這種較冷氣體，會恰好在熔合材料噴射沖擊之前使待處理的表面冷卻。但在絕大多數(shù)這類熔合技術中，只要能取得合格的結果，上述工藝終究未予采納。根據(jù)本發(fā)明的這種特點，將冷的氣體簾噴布到?jīng)_擊區(qū)周圍的基底表面上會產生有利結果是完全令人驚奇的。這樣一種的氣體噴布方式常能給沖擊區(qū)以強烈的冷卻效應，因而總以為此種冷卻效應會導致形成一種對侵蝕幾乎抵抗性的多孔物質。
但我們經(jīng)實驗觀察到的卻是完全出乎意料的結果，通過采用本發(fā)明所提供的用來控制放熱反應的輔助參數(shù)，形成了要比用過去的陶瓷熔合方法所形成的物質更具侵蝕穩(wěn)定性的致密耐火物質，尤其是在采用冷卻的噴槍時更是如此。這一結果是非常奇特的，因為它與熟悉此項工藝的人在該領域內多年所抱有的觀點相反。
所形成的耐火物質中的氣孔率乃是測定其抗侵蝕性水平的一個至關重要的因素。多孔性本身會削弱耐火物質的結構。此外，氣孔也為侵蝕介質提供了通道，使之能在耐火物質內部起作用，因而將使耐火物質更易被侵蝕。
還要考慮到另一種因素。顯然，所噴射的耐火材料顆粒必須加熱到至少使其表面熔化，以便形成均勻的熔合物質，而目標表面也需高度加熱，以在耐火材料顆粒熔積物與目標表面間形成最佳結合。但要是在目標區(qū)的此種溫度過高，就會冒使此種熔積物具有過大的流動性而難以保持在原位的風險。這種風險對于直立的或外伸的目標表面自然就會更大。這樣的風險愈大，在工作位置所發(fā)生之陶瓷熔合反應也愈激烈。但這樣一種激烈的反應則可能是為了實現(xiàn)下述目的所必不可少的即為了使這類陶瓷熔合反應繼續(xù)進行，或是為了把目標表面充分加熱到得以在陶瓷熔合沉積物與目標表面間形成良好的結合，尤其是在目標表面的溫度不是很高時更需要如此。這里，我們視此種溫度例如約在700℃以下。這樣的溫度，對于水泥窯或化學反應罐之類僅僅在適當高溫下進行其作業(yè)過程的加熱爐或加熱窯，會可能遇到。實踐中已然觀察到，噴射較冷的氣體簾提供了一種控制沖擊區(qū)溫度的方法。這樣能較易防止耐火物質因沖擊區(qū)的高溫而在流動狀態(tài)下形成，也能調節(jié)各種參數(shù)來形成非常有效的放熱反應，而為陶瓷熔合方法提供可靠的作業(yè)形式，同時能在前述熔積物與目標表面間形成良好的結合，即使此目標表面不是處于很高的溫度下也能如此，并且使沖擊區(qū)冷卻以阻止耐火物質于流動狀態(tài)下形成，于是有助于獲得均勻的熔合效果。
上述這種簾式氣流的冷卻效應還能對熔合物質固化時所取的結晶形式有重大影響，而這一影響能帶來眾多的益處，舉例來說，二氧化硅與氧化鋁的熔融混合物在允許其徐冷時?？尚纬筛讳X紅柱石;另一面，倘或發(fā)生急冷，則氧化鋁將作為剛玉結晶出，能保持在二氧化硅相中而不形成富鋁紅柱石。這同樣能促進所形成之熔合物質的抗侵蝕性。
為了形成所需要的氣體簾，有各式各樣氣體可用于噴射目的，而氣體的最佳選擇將取決于環(huán)境。雖然采用二氧化碳或氮氣來形成氣體簾能獲得很好的結果，但本發(fā)明的一些個最佳實施例提供的簾式氣體則包括有氧。例如可以采用空氣，因為它廉價而廣泛存在。但是應用工業(yè)級的氧可能是最佳選擇這種氧通常可以任何方式用來實行陶瓷熔合作業(yè)，而且它對于達到前述之目的也更有效。如果這種氣體簾中包含有氧，它就能在陶瓷熔合反應區(qū)的緊鄰形成又一個氧的儲存點，這有助于所用燃料顆粒的完全燃燒，改進陶瓷熔合物質內的均勻性，有時還能稍許減少此種燃料顆粒在陶瓷熔合粉料中的比例。但應記住，運載氣體本身也含有至少足以使此種燃料基本上完全燃燒的氧，因此，正如已淡及的，應用二氧化碳或氮氣之類基本上不存在氧的氣體，也確實給出了很好的結果。
事實上在某些特殊環(huán)境中，應用這樣一種氣體可能是最佳選擇。為了阻止氧通過耐火材料擴散或為了其它目的，在某幾類耐火材料中含有碳或硅之類可氧化物質的顆粒，例如在煉鋼工業(yè)中將含有高達10%(重量)碳粒的堿性氧化鎂耐火材料用于某些轉爐中。要是到了必須對這樣一種耐火材料進行修補時，就應確保這種修補材料也含有一定比例的可氧化材料。此種修補可采用一種陶瓷熔合技術進行。該項技術構成了Glaverbel的英國專利2190671號的主題。
這樣，在本發(fā)明的某些最佳實施例中，輸入到運載氣體流中的顆粒料內就包含有一種可氧化的材料，此種材料本身將結合到熔合物質中，而簾式氣流中則基本上不再有氧。利用這一特點能從實質上防止有更多的氧裹入到反應區(qū)中初始的熔合物質內，不論這種氧是來自氣體簾還是來自環(huán)境氣氛中，這樣就可抑制此種可氧化材料的燃燒，使它自身留在此沉積的熔合物質中之回收率加大。
上述這種燃燒材料以包括鋁、硅、鎂、鋯與鉻這一組材料中的一種或多種為有利。此組材料都能在燃燒中產生強熱而形成耐高溫氧化物。這組材料中的各個元素可根據(jù)需要單獨或混合使用。此外，亦可采用這類元素的合金。將一種很容易又能很快燃燒的元素與一種較難燃燒的元素合金化。就能獲得這些元素的一種緊密混合物，因而通過適當?shù)剡x擇這類合金成分，就能按較為符合所需的速率來進行較穩(wěn)定的反應。
最好讓至少有50%(重量)的燃料顆粒的粒度小于50μm，而更好是使至少有90%(重量)的燃料顆粒的粒度小于50μm，平均粒度例如可小于15μm，而它們的最大粒度則小于100μm而最好是小于15μm。這樣，燃料顆粒會迅即氧化，得以在小的空間內產生強的熱能，而可在耐火材料的顆粒間形成良好的熔合。這種燃料顆粒的小粒度還有助于它們的完全燃燒，結果使得所形成的物質均勻化。
這里所優(yōu)先考慮的乃是去形成具有極高耐火質量的陶瓷熔合物質，為此目的，最好是至少有較大部分(按重量計)噴射用的耐火材料顆粒，是由氧化鋁和/或氧化鋯，或是由氧化鎂和/或氧化鋁組成。
本發(fā)明包括根據(jù)本發(fā)明之方法所形成的一種陶瓷熔合物質，還包括了專用于實施此方法的設備。
為此，本發(fā)明包括一種噴槍，此噴槍有一出口，用來將一種陶瓷熔合粉料沿著一通向作為實現(xiàn)陶瓷熔合方法之表面的輸送路徑，輸入一種運載氣體之中，此種噴槍的特征在于它包括有輸送氣體用的一個第二種出口或一組第二種出口，此第二種單個或成組的出口所取的形狀、配置方式與其相對于粉料出口的軸向與徑向間隔，能使此種氣體從該單個或成組的第二種出口輸出，得以形成圍繞著且一般平行于此粉料輸送路徑的一種基本上是連續(xù)型的氣體簾。
本發(fā)明的這種噴槍很簡單，且易于形成一種氣體簾，環(huán)繞著運載氣體流和夾裹著從粉料出口輸出的粉料之沖擊區(qū)。此種噴槍為熔合操作人員提供了一個輔助性控制參數(shù)，使他能實現(xiàn)高質量的陶瓷熔合。
上述的形成氣體簾的氣體或稱作簾式氣體可從環(huán)繞粉料出口配置的一組噴射口輸出，但這樣一類用來輸出簾式氣體的第二種出口最好是一種連續(xù)的環(huán)形出口。這是一種簡單、容易而有效的方法，使氣體簾保持在包括有氧化氣體與粒狀混合物之運載氣體流的周圍。此種環(huán)形出口不必要求取嚴格的圓形。事實上，必要時也可取矩形。
為了形成能圍繞運載氣體與所夾裹之粒狀物的最有效的氣體流，此種簾式氣體應從一或多個出口噴出，后者與運載氣體的出口分開，但各個出口間的距離不要太大。最佳的間距在很大程度上取決于采用了這種噴槍的作業(yè)規(guī)模。
本發(fā)明的這種噴槍主要用于小規(guī)模到中等規(guī)模的修補，或用于時間并非關鍵因素的場合，噴槍的運載氣體具有直徑在8mm至25mm之間的出口，或具有與以上出口截面積可比的集總出口面積之出口組。這組出口的(集總)橫截面積因而是在50至500mm2之間，此第二種出口或每一個此第二種出口與粉料出口的間距在5之20mm之間。
本發(fā)明的其它噴槍主要用于大規(guī)模的或快速的修補，這樣的噴槍具有單一的運載氣體出口或一組載運氣體的出口，出口的集總橫截面積在300與2300mm2之間。這類噴槍適于在高達1000kg/h或更高的速率下噴射陶瓷熔合粉末。在某些這樣的最佳實施中，上述粉料出口具有的集總橫截面積在300與2300mm2之間，此第二種或每一個此第二種出口與粉料出口的間距在10與30mm之間。
在運載氣體出口與簾式氣體出口之間擇用上述間距范圍中的某個，有助于在陶瓷熔合區(qū)與環(huán)境氣氛之間形成一明確的屏障，并得以顯著地避免在各種氣體流之間的任何形式的干擾。
在本發(fā)明的某些最佳實施例中，前述噴槍裝配有一可用來循環(huán)冷卻液的套子。最理想的冷卻液從熱容與能迅速到手這兩方面考慮乃是水。這一水套可圍繞輸送運載氣體與陶瓷熔合粉末的一或多根中央管道設置，此水套本身則又為用來輸送簾式氣體的環(huán)形通道所環(huán)繞。這種水套易于構制成這樣的厚度，使得在運載氣體出口與簾式氣體出口之間能取得各種所希望的間距。
另外，或者說另一方面，可以采用一種包圍住噴槍的所有氣體輸出管道的水套。不論是哪一種情形，一般地說，由于熔爐的熱修基本上是在其作業(yè)溫度下進行，因而輸出的簾式氣體的溫度將相當?shù)氐陀谌蹱t內的環(huán)境溫度，這一溫度可能與運載氣體的溫度大致相似。
上述這種布置對于形成陶瓷熔合物質的有益影響業(yè)已闡述過。除此，冷卻套的設置意味著噴槍可以相當長時間地保持在，處于作業(yè)溫度下的熔爐或其它耐火材料的結構內而不會過熱。這從作業(yè)上考慮是有利的，也有助于延長噴槍的使用壽命。
前述第二出口或第二出口組的橫截面積最好在粉料出口橫截面積的三分之二與三倍之間。這樣大小的第二出口(組)面積有利于在以充分的體積來提供有效的氣體簾的最佳簾式氣體流連下，輸出簾式氣體流。
下面將以舉例方式，對照附圖來闡述本發(fā)明的實施例，在附圖中

圖1是在實施本發(fā)明過程中一基底表面區(qū)上噴射區(qū)的示意圖;
圖2是通過本發(fā)明之噴槍的示意性部分剖面圖;
圖3是對耐火物質進行一侵蝕實驗的圖解。
圖1中的參考號1代表一基底表面上的目標部分，在此基底上需要用包含有氧化氣體與耐火材料顆粒和燃料之混合物的運載氣體流，噴射到此表面上來形成耐火的陶瓷熔合物質。這股運載氣體流噴射到此圖中表面1的一沖擊區(qū)2。按照本發(fā)明，是用一或多個環(huán)繞沖擊區(qū)2外圍設置的氣體噴嘴，同時向表面1噴射來形成環(huán)繞此沖擊區(qū)2的一種氣體簾。圖1示意地表明此種氣體簾與表面1相交成一環(huán)狀區(qū)3，閉合式地圍住沖擊區(qū)2。顯然，此環(huán)狀區(qū)3實際上可與沖擊區(qū)2稍許分開，或與此不同，環(huán)狀區(qū)3與沖擊區(qū)2可以相互部分貫通。
圖2中，噴槍5的噴頭4包括一用來噴射運載氣體流7的中央出口6，此運載氣體包含有分散在氧化氣體中的粒狀混合物。代替此種單一形式的中央出口6，上述噴槍可以包括由若干個出口形成的組來噴射運載氣體流7。包括一組出口的這種噴槍例如已在Glaverbel的英國專利說明書2170212中公開并提出權利要求。依據(jù)本發(fā)明，此噴槍頭4還包括有簾式氣體噴射裝置。在圖2所示的實施例中，這種簾式氣體噴射裝置包括一環(huán)形出口8，它環(huán)繞著中央出口6并與之相分開，以便噴射一股實質上是連續(xù)的環(huán)狀氣體流9。氣體流9構成了氣簾3′，噴射到表面1的環(huán)形區(qū)3之內。在一特殊的例子中，此環(huán)形出口的面積略大于中央出口6面積的二倍。分散于氧化氣體中的顆粒料混合物通過供應管10引入，而簾式氣體射流的氣體則通過導管11。噴槍5還包括一帶有冷水進口與出口的外冷卻環(huán)12。圖2還示明了一冷卻環(huán)13，它帶有冷卻水的入口與出口，使環(huán)形出口8與中央出口6分隔開。但在有需要時可以省除這一冷卻環(huán)，代之以一小的插片，得以使環(huán)形出口8與中央出口例如分隔開7mm。
圖3示明對耐火陶瓷熔合物質所作的侵蝕實驗。從待實驗的此種耐火物質上切下一棱柱條14，使之部分地浸沒于一坩堝(未示出)中1550℃的玻璃液浴內。此溫度高于在玻璃熔爐內熔融態(tài)鈉鈣玻璃(尋常的窗玻璃)一般所用的最高溫度。此棱柱條繼續(xù)保持在這種浸沒狀態(tài)下，經(jīng)16小時后檢查其侵蝕程度。
例 1玻璃熔爐熔化端的池壁磚必須在不冷卻熔爐的條件下進行熱修。此類池壁磚受到高度侵蝕，基本上是在發(fā)生“液面線侵蝕”的玻璃液面位置處。這種池壁磚是鋁、鋯基的高度耐火的電熔磚，其重量百分組成為50～51%的氧化鋁、32～33%的氧化鋯、15～16%的二氧化硅與約1%的氧化鈉，磚的真密度為3.84。為了能通到此種表面部分進行修補，要將玻璃液面降低約20厘米。進行此種修補時，是將包含有氧化氣體以及耐火材料顆粒與燃料之混合物的運載氣體流噴射到熱的池壁磚上。上述顆粒狀混合物按重量計含有40～50%的ZrO2、38～44%的Al2O3以及由8～4%的鋁與4～8%的硅組成的12%的燃料。硅粒的平均粒度為6μm，比表面積為5000Cm2/g。鋁粒的平均粒度為5μm，比表面積為4700Cm2/g。鋁粒與硅粒的最大粒度不超過50μm。燃燒的硅粒與鋁粒會釋放出充分的熱，使這種耐火材料顆粒至少是部分地熔化而得以熔合到一起。氧化鋯耐火材料顆粒的平均粒度為150μm，而氧化鋁耐火材料顆粒的平均粒度為100μm。
為了實驗這種形成在熔爐池壁磚表面上的耐火物質對玻璃侵蝕的穩(wěn)定性，首先在一用本發(fā)明之方法的實驗爐內，于加熱到1500℃的備用池壁磚的表面上形成一種耐高溫物質，在本實驗中，前述混合物中采用了按重量計8%的Si與4%的Al。
分散于氧化氣體中的混合料由圖2所示噴槍5噴射，此混合物經(jīng)供應管10引入。居中央的粉料出口呈圓形，面積為113mm2。此混合料按30kg/h的流速噴射，以氧作為氧化氣體，流速為25Nm3/h。運載氣體流7含粒狀混合料與上述氧化氣體，噴射到待處理的表面1上的一沖擊區(qū)2。根據(jù)本發(fā)明，此表面1還由一種簾式氣體射流噴射，圍繞著沖擊區(qū)2形成一氣體簾3′。本例中的簾式氣體射流是由純氧形成，后者按40Nm3/h的流速，通過環(huán)形出口8噴射成一種環(huán)形氣體流9的形式，環(huán)繞著運載氣體流7，沿著其路徑從噴槍5的頭4至沖擊區(qū)2。環(huán)形出口8具有圓形的橫剖面，其面積為310mm2。環(huán)形出口8與粉料出口6分隔13mm。
在實施本方法過程中，氣體簾3′對于陶瓷熔合反應的進展與耐火物質的形成，提供了一種有效的輔助性裝置。這種陶瓷熔合反應是穩(wěn)定的，反應的范圍也是相當分明的。所形成的耐火物質的真氣孔率為9%，表現(xiàn)氣孔率為1.5%。作為本說明書中所用的詞，“表現(xiàn)氣孔率”是由一種模擬浸沒的方法測量的，這樣就只考慮到此種耐火物質中的開孔;至于“真氣孔率”則還要考慮到此耐火物質中任何種類的閉孔。所形成的這種耐火物質的表現(xiàn)密度，即帶有它的氣孔的這種物質的密度為3.5。通過一種細粉碎的試樣來消除這類氣孔影響而測出的此種物質的真密度或絕對密度，則是3.85。
從這種耐火陶瓷熔合物質上切下一20×20×120mm的棱柱條14(圖13)。將這一實驗條浸沒于一坩堝(未示明)中1550℃的玻璃液浴15之內，經(jīng)16小時之后檢查它的侵蝕程度。同一溫度下的相同玻璃液浴內。為便于比較，此檢驗樣品與實驗條疊置地繪于圖3中。檢驗樣品為棱柱條，依例1中耐火物質的相同方式，從一耐火物質上切割下所成，只是未采用簾式氣體噴射流，亦即是由本發(fā)明范圍之外的一種方法所形成的耐火陶瓷熔合物質，由此種方法所形成這一耐火物質的真氣孔率為19.7%，表現(xiàn)氣孔率為3，5%;表現(xiàn)密度為3.03，真密度為3.77。
16小時后，檢驗樣品14呈圖中虛線16示意的形狀，可以看出，條14的浸沒部分17由于浸入在玻璃液浴中的結果，受到了很嚴重的侵蝕。棱柱條的邊棱已變圓了?？梢钥吹?，玻璃液浴15的液面嚴重地侵蝕了樣品，而給予此樣品在該區(qū)域中以參考數(shù)19所示的特別的“液面線侵蝕”形。此棱柱條在“液面線侵蝕”中心處的直徑已縮減到其名義值的約三分之一。
從實施本發(fā)明方法所形成的耐火物質上切下的條14，經(jīng)16小時后取虛線20所示形狀。浸沒部分所受的侵蝕顯然較小。此棱柱條的邊棱沒有任何大范圍的變圓?！耙好婢€侵蝕”19遠比檢驗樣品的為小。棱柱條在此“液面侵蝕”中心處的直徑只約縮減到它名義值的三分之二。這樣，應用本發(fā)明的方法就能生產出抗侵蝕能力遠較先有方法所形成的那種耐火物質為高的耐火物質。用顯微鏡檢查這種條的截面也證明，實際上不存在殘余的金屬相，說明了金屬顆粒事實上已然完全氧化。這一因素對于必須與玻璃液接觸的耐火物質來說是很有利的，因為金屬相與玻璃液接觸周知會在玻璃液中發(fā)展成氣泡。
例 2作為圖1中實例的另一種形式，按例1相同方式制造了一種耐火陶瓷熔合物質，不同的是運載氣體7的流速為30Nm3/h，簾式氣體射流9的氧化流速為20Nm3/h。這樣形成的耐火陶瓷物質的表現(xiàn)氣孔率為2%，真氣孔率為8.3%，表現(xiàn)密度為3.56，真密度為3.88。
從上述陶瓷熔合物質上切下一棱柱條14，部分地浸沒于坩堝的玻璃液浴15中。經(jīng)16小時的侵蝕實驗結果表明，侵蝕的結果與例1中的陶瓷熔合物質相似。此棱柱條取虛線20所示形狀，它剖面的顯微鏡檢查結果也表明，其中實際上不存在金屬相。
例 3按例1相同方式制造了一種耐火陶瓷熔合物質，不同的是簾式氣體射流9是由二氧化碳按20Nm3/h的流速噴射形成，而運載氣體流7中的氧是按30Nm3/h的流速噴射觀察到這種陶瓷熔合反應是穩(wěn)定的，界限頗為分明。這樣形成的耐火陶瓷熔合物質的表現(xiàn)氣孔率為1.5%，真氣孔率為4.6%，表現(xiàn)密度為3.5，真密度為3.67。
從這種陶瓷熔合物質上切割下一棱柱條14，部分地浸沒于坩堝中的玻璃液浴15內。經(jīng)16小時的侵蝕實驗結果表明，侵蝕程度與例1中的陶瓷熔合物質類似。此棱柱條大致取虛線20所示形狀。
例 4按例1相同方式制備了一種耐火陶瓷物質，不同的是氣體簾9是由流速為18Nm3/h的氮噴射形成，運載氣體流7的氧是以30Nm3/h的流速噴射。觀察到這種陶瓷熔合反應是穩(wěn)定的，界限相當分明。這樣形成的耐火陶瓷熔合物質的表現(xiàn)氣孔率為2.5%，表現(xiàn)密度為3.5，真密度為3.69。
從這種陶瓷熔合物質上切割下一棱柱條14，部分地浸沒于坩堝中的玻璃液浴15內。經(jīng)16小時的侵蝕實驗結果表明，侵蝕程度與例1中的陶瓷熔合物質類似。此棱柱條大致取虛線20所示形狀。
例 5按重量計，用87%的二氧化硅耐火材料顆粒12%的可燃性硅粒與1%的可燃性鋁粒的混合物，在約1500℃的溫度對硅磚組成的爐進行了加固修補。硅粒與鋁粒的平均粒度均小于10μm，硅粒的比表面積為4000Cm2/g，鋁粒的比表面積為6000Cm2/g。鋁粒與硅粒的最大粒度不超過50μm。
用本發(fā)明的方法噴射上述混合物。這種粒狀混合料與純氧一齊經(jīng)供應管10引入，混合料的流速為35Kg/h，氧的流速為25Nm3/h，以運載氣體流7的形式噴射。按照本發(fā)明，待處理的目標表面還以一種簾式氣體射流噴射，形成一圍繞沖擊區(qū)2的氣體簾3′。本例中的簾式氣體射流是由純氧形成，按30Nm3/h的流速以簾式氣體射流9的形式噴射，環(huán)繞運載氣體流7，沿著它的路徑從噴槍5的頭4至沖擊區(qū)2。在所形成的陶瓷熔合物質中實際上未發(fā)現(xiàn)未燃燒過的金屬。
作為對比，以30Kg/h的速率噴射與以上相同的混合物，并按25Nm3/h的流速噴射純氧。但為了進行比較，未采用簾式的氧氣射流。
在實施本發(fā)明的過程中，業(yè)已觀察到，氣體簾3′對于控制耐火陶瓷熔合物質的形成提供了一種有效的輔助性裝置，而這在用作比較實驗的情形中是不存在的。此外，氣體簾3′隔絕了沖擊區(qū)2，使得在修補過程中，因熔爐運行而產生的氣氛湍流實際上不會影響耐火陶瓷熔合物質的形成。陶瓷熔合的反應較為穩(wěn)定，得到了更好的限制，也不發(fā)生間斷性現(xiàn)象。
例 6對有色金屬工業(yè)中的煉銅吹爐進行修補。采用與例5中相同的方法，只是混合料取下述組成按重量計，40%的氧化鉻顆粒、48%的氧化鎂顆粒與12%的鋁粒。鋁粒的名義最大粒度為45μm，比表面積大于3000Cm2/g。所有這些耐火材料顆粒的最大粒度均小于2mm。由于采用了本發(fā)明的結果，這一例子還表明，此種氣簾為控制陶瓷熔合反應的進行與耐火陶瓷熔合物質的形式，提供了一種有效的輔助性裝置。這種陶瓷熔合反應是穩(wěn)定的，反應的范圍是被很好限定的。
作為一種變更型式，噴槍頭4的環(huán)形出口8代之以一組噴射器，它們所噴射的氣體流會聚成氣體簾3′。利用這種噴槍取得了很好的結果。
例 7在由按重量計含90%氧化鎂與10%碳的鎂一碳磚形成的鋼廠轉爐的爐壁上，希望形成一種組成與這種堿性耐火材料盡可能接近的耐火陶瓷熔合物質。上述爐壁的溫度為900℃。對這種磚噴射以包括有含碳顆粒的混合料。這種混合料依500Kg/hr的速率，噴射于按體積計含70%氧的氧化氣體的運載氣體流中。此種混合料按重量計的組成為MgO，82%;Si，4%;Al，4%;C，10%硅粒的平均直徑為10μm，比表面積為8000Cm2/g。碳粒由破碎焦碳形成，平均直徑為1.25mm。氧化鎂粒度平均為1mm。根據(jù)本發(fā)明，于上述轉爐的壁上，圍繞著包含有分散于氧化氣體中顆粒料的運載氣體流之沖擊區(qū)，通過噴射二氧化碳形成了氣體簾，二氧化碳的流速要比用來形成一環(huán)繞此運載氣體流之氣體簾的氧化氣體的流速高50%。所噴射的碳粒并不全部氧化，從而使形成的陶瓷熔合物質中含有約5%的碳。要是不用二氧化碳射流來形成這種氣體簾，則所形成的陶瓷熔合物質只含約3%的碳。
在用來按900Kg/h與1000Kg/h之間的速率噴射陶瓷熔合粉料的噴槍之另一實施例中，它的居中央的粉料輸出口6之直徑為53mm，因而面積達2206mm2。這種噴槍還包括一連續(xù)型環(huán)狀的簾式氣體輸出口，后者的面積為1979mm2，它與前述粉料輸出口之間，例如可以用一個裝在該中央粉料輸出口所在之管的管端上的套或用一冷卻環(huán)，分開13mm。該噴槍還包括一外冷卻環(huán)12。
權利要求
1.一種陶瓷熔合方法，其中所用到的一種陶瓷熔合粉料乃是耐火材料顆粒與燃料顆粒的混合物，此種混合物能氧化形成耐高溫氧化物，這樣的一種陶瓷熔合粉料是在一束或多束運載氣體流中噴射到某種表面上，而這種運載氣體則含有至少足以使粒狀燃料基本上完全燃燒的氧氣，由此可釋出充分的熱，使得噴射出的耐火材料顆粒至少是其表面部分被熔化，而在燃料顆粒氧化熱的作用下，讓陶瓷熔合物質形成于該表面上，這種方法的特征在于至少有另一種氣體流噴射到上述表面上，而得以形成一層環(huán)繞所說運載氣體流的基本上是連續(xù)的氣體簾。
2.如權利要求1所述的一種方法，其中所說的氣體簾是作為一種環(huán)形流噴射成的。
3.如權利要求1或2所述的一種方法，其中所說的運載氣體是從一面積在50與500mm2間的出口噴射，而氣體簾是從一或多個與該運載氣體出口相距5至20mm的出口噴射。
4.如權利要求1或2所述的一種方法，其中所說的運載氣體是從一面積在300與2300mm2間的出口噴射，而氣體簾是從一或多個與該運載氣體出口相距10至30mm的出口噴射。
5.如上述任何一項權利要求所述的一種方法，其中用來形成氣體簾的簾式氣體之體積輸送速率至少是運載氣體之體積輸出速率的二分之一。
6.如上述任何一項權利要求所述的一種方法，其中的簾式氣體(在正常壓力下計算的)輸送速率較運載氣體的輸送速率大五分之一。
7.如權利要求6所述的一種方法，其中的簾式氣體(在正常壓力下計算的)輸出速率較運載氣體的輸送速率大五分之一至五分之三。
8.如上述任一項權利要求所述的一種方法，其中述及的各種氣體流是從有流體循環(huán)過其間致冷的一種噴槍噴送。
9.如上述任一項權利要求所述的一種方法，其中述及的簾式氣體包括氧氣。
10.如權利要求1至8中任一項所述的一種方法，其中輸入到運載氣體中的料粒包括一種可氧化的料粒，后者原樣地結合到熔接物質中，而所說的簾式氣體流中則基本上不存在氧。
11.如上述任一項權利要求所述的一種方法，其中的燃料顆粒所包括的原料來自鋁、硅、鎂、鋯與鉻這組中的一種或多種。
12.如上述任一項權利要求所述的一種方法，其中的燃料顆粒按重量計至少有50%的粒度小于50mm。
13.如上述任一項權利要求所述的一種方法，其中所噴射的耐火材料顆粒按重量計至少有較大部分是由氧化鋁和/或氧化鋯，或是由氧化鎂和/或氧化鋁組成。
14.按照權利要求1至13中任何一項形成的一種陶瓷熔合物質。
15.一種噴槍，它包括一出口，用來將一種陶瓷熔合粉料沿著一通向作為實現(xiàn)此陶瓷熔合方法之表面的路徑，輸入一運載氣體之中，此種噴槍的特征在于它包括有輸送氣體用的一個第二種出口或一組第二種出口，此第二種單個或成組的出口所取的形狀、配置方式與其相對于上述粉料出口的軸向與徑向間隔，能使此種氣體從該單個或成組的第二種出口輸出，得以形成圍繞著且一般平行于此粉料輸送路徑的一種基本上是連續(xù)型的氣體簾。
16.如權利要求15所述的一種噴槍，其中所述的這種第二種出口是一種連續(xù)型的環(huán)形口。
17.如權利要求15或16所述的一種噴槍，其中所述的這種第二種出口之面積在50與500mm2之間，而這一或每一個這一第二種出口與前述粉料出口相隔一在5與20mm之間的距離。
18.如權利要求15或16所述的一種噴槍，其中所述的這種第二種出口之面積在300與2300mm2之間，而這一或每一個這一第二種出口與前述粉料出口相隔一在10與30mm之間的距離。
19.如權利要求15至18中任一項所述的一種噴槍，它帶有一個適于循環(huán)冷卻劑的套。
20.如權利要求15至19中任一項所述的一種噴槍，其中之第二出口的面積是在流粉料出口面積的三分之二與三倍之間。
全文摘要
將耐火材料顆粒與燃料顆粒組成的能氧化形成耐高溫氧化物之陶瓷熔合粉料，經(jīng)一或多束外復以一層氣體簾之運載氣體流噴射到待熱修部位表面上的一種方法。所用的噴槍有輸送上述粉之出口以及輸送氣體的一或一批出口，噴槍一般由配置在其上面的水套經(jīng)循環(huán)水冷卻。
文檔編號B05D1/12GK1050711SQ9010822
公開日1991年4月17日 申請日期1990年10月4日 優(yōu)先權日1989年10月5日
發(fā)明者彼爾·羅伯恩, 亞力山大·澤夫柯維奇, 羅恩·P·莫泰特 申請人:格拉沃貝爾公司