CN1062251C - 制备陶瓷制品的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于形成陶瓷制品，特别是陶瓷材料如碳化硅管的方法和装置，其中通过向着一种被加热到至少850℃的表面光滑的金属成型器喷射由难熔颗粒和可燃烧颗粒组成的粉末混合物制造陶瓷制品，其中可燃烧颗粒在一种富氧气体的存在下发生放热反应，从而由该难熔颗粒和该可燃烧颗粒的反应产物以该成型器的形状产生粘附耐火制品。

Description

制备陶瓷制品的方法和装置
本发明涉及陶瓷制品的成型以及用于所说成型的装置。更进一步但非排它性地说，它涉及陶瓷材料管的成型。
陶瓷管一般是由制成所需“坯”形并在炉中烘烤的粘土形成的。这些管仍在使用但在机械强度和抗高温方面质量不高，因而发生大量破裂。对于可以承受更高要求的陶瓷管来说，特别是对于象碳化硅那样的重荷陶瓷来说，其制造方法变得越来越复杂。日本公开专利说明书JP-A-03-218987描述了制造用于汽轮机燃烧管的复合碳化硅-金属管的技术。这种制造方法首先是在金属管内表面上形成一层均匀的碳化硅粉末和碳粉混合物层。然后加入过量的硅并且在第一层上再形成一种铝和Fe3O4混合粉末层从而形成一种管状制品。然后使该管状制品非常快地旋转，以进行热反应并且在第一层中产生烧结碳化硅。
本发明的目的在于制备高质量的陶瓷制品，如管子，同时避免这类复杂的工艺。
更具体地说，本发明是通过研究如何将类似于陶瓷焊接工艺的技术运用到陶瓷制品制造上而形成的。
在“陶瓷焊接”中，将固体难熔颗粒与金属或半金属，如铝和硅的固体可燃烧燃料颗粒的混合物对着靶表面进行喷射，使该可燃烧颗粒以一种高度放热方式与氧气起反应，从而与该难熔颗粒以及与该反应所产生的氧化物一起形成粘附耐火物。
从英国专利1330894(Glaverbel)开始已经有了许多关于陶瓷焊接的专利。虽然人们已经知道采用陶瓷焊接工艺来形成耐火制品，如具有特定形状的用于建筑或修复工业窑炉的耐火块，但是，历史上它们主要用于现场修复窑炉耐火材料，如用于玻璃窑炉或焦炭炉炉壁的耐火材料。将陶瓷焊接混合物喷射到需要修复的地方，并在那产生与炉壁粘连的粘附耐火物。
用于窑炉中的耐火材料包括氧化物材料，如氧化铝、氧化硅和氧化锆。具有氮化硅基料的耐火材料用于某些冶金厂，特别是炼铁高炉或锌蒸馏塔中。用于修复混合物中的可燃烧颗粒和难熔颗粒通常选择成使该粘附耐火物具有与窑炉耐火材料相类似的化学组成。
根据本发明，它提供了一种从由难熔颗粒和可燃烧颗粒组成的粉末混合物制造陶瓷制品的方法，其中可燃烧颗粒在一种富氧气体的存在下发生放热反应，从而由该难熔颗粒和该可燃烧颗粒的反应产物产生制品，其特征在于该粉末混合物向着一种金属成型器喷射，该金属成型器被加热到至少850℃，从而以该成型器的形状产生粘附耐火制品，然后将该成型器与该制品分离。
WO，A，9003848(Willmet Inc.)中公开了包括喷射装置的成型耐火制品的装置，所述喷射装置用来喷射可氧化物质和难熔颗粒及氧气。本发明还提供了用于制备陶瓷制品的装置，其特征在于它具有用于由难熔颗粒和可燃烧颗粒组成的粉末混合物的喷射装置，用于富氧气体的供应装置，其特征在于，它包括一个由耐高温和耐化学攻击的材料制成的金属成型器，朝着该金属成型器喷射的颗粒与该富氧气体起反应，从而使该难熔颗粒和该可燃烧颗粒的反应产物以该成型器的形状形成粘附耐火制品，其中该金属成型器的表面上没有任何有助于在焊接材料和金属之间产生粘接的刻痕或凸出物。
本发明特别适用于制造各种陶瓷制品，例如平板、弧形板、波纹板、盘和开槽。但是它特别适用于制造空心制品，如管子、管状连接件和过渡零配件。
根据本发明制得的制品具有高度耐火性和良好的机械性能，因此，它们可以用于陶瓷材料的重荷应用中。它们特别适用于高效热交换器中，用于耐腐浸没加热器、气体喷嘴和金属导管，如钢包喷嘴中。耐腐蚀性的要求在熔融金属，如锌和铝的运用中特别重要。
本发明的另一个优点在于可以由高级耐火材料生产零配件。它避免了低熔点物相的存在，产生了超过采用注浆、煅烧或烧结的传统技术的优点。
本发明代表了制造大尺寸或形状复杂的陶瓷制品的常规方法的一个简单替换方案。此外，其生产更加快速、可靠，而且由于它们仅仅是由所选择的起始原料制造，因此通过适当地选择原料，它们在选择最终产品的性能方面具有相当大的灵活性。
优选的难熔颗粒的例子包括碳化硅、氧化铝、氧化锆和铝-氧化锆。碳化硅是要求具有良好耐高温性能的制品的一个特别需要的成分。
可燃烧颗粒优选地选自硅和铝或其混合物。
该难熔颗粒优选地其最大尺寸为2毫米。这有助于使由于靶表面造成的耐火损失降至最小。可燃烧颗粒优选地其平均颗粒直径不超过50微米(术语“平均颗粒直径”用于本文时代表50％重量的颗粒具有小于该平均值的尺寸)。
将成型器加热到至少850℃可以确保该可燃烧颗粒点火，点火以后，可燃烧颗粒燃烧，同时释放出相当大量的热。该成型器可以加热到至少850℃，以确保可燃烧颗粒到达成型器时产生点火。喷射也可以针对温度低于850℃的成型器，例如在室温下，然后将成型器的温度升高，以开始反应。
优选地，该粉末混合物可以从单个喷枪喷射，虽然如果需要也可以采用多个喷枪结构。
方便的粉末携带气体是用于燃烧的富氧气体。通常，优选地，采用工业级纯氧，其原因在于它有助于获得高反应温度。
通常，逐步地将粉末施加到成型器上，从一点开始，并在整个金属成型器表面上操作。涂覆方式可以人工施加，但较为方便的是将喷枪和成型器彼此安装成使该喷枪与金属成型器之间可以相互地以预定的、可重复的机械运动方式移动。
该金属成型器应由耐高温和耐化学攻击的材料制成。不锈钢通常是优选的。该金属成型器的形状由所需制品的形状确定。本发明的另一个优点在于通过适当选择金属成型器的形状，它可以用来制造具有复杂形状的制品，例如用于排气管中的耐热T形配件和L形配件。用来接受焊接材料的成型器表面是光滑的，没有任何刻痕或突出物，从而防止在该焊接材料与金属之间产生任何粘接。
由于在该成型器表面上形成的粘附陶瓷材料的表面精密地与金属成型器的表面相配合，因此可以生产具有非常精确的和可重复的内部尺寸的空心制品。
该装置包括将成型器相对该喷射喷枪运动的手段。这可以通过仅仅移动该喷射装置而实现，但较为方便的是该成型器本身可以移动。
为了制造管子，该金属成型器应具有细长筒形形状。通过绕其轴旋转该圆筒，陶瓷沉积物可以在一个点由单个喷枪施加。对于长度不超过圆筒长度的管子来说，可以将喷枪沿该圆筒的轴移动，从而使陶瓷涂层覆盖整个圆筒表面。
本发明的方法的特别优点是它可以用来制造尺寸不受成型器尺寸限制的管状制品。这可以通过在管状制品形成时将其从圆筒中取出而实现：当第一圈管状制品固化时，可以用操作工具将其抓紧并在另一圈管状制品不断形成的同时将其圆筒沿轴向方向从圆筒上移走。以这种方式，可以使管子的总长度不受成型条件的限制而取决于附近的操作空间和设备。
对于许多运用来说，将制品与成型器分离可以仅通过抽出该成型器而很容易地达到。如果需要，可以通过用一种耐火水泥预涂覆该成型器而将所形成的制品与该成型器分离，所说的耐火水泥在成型过程中由于施加到其上的热量而变脆，然后很容易从该成型器或该制品表面上裂开。另外，也可以将该成型器冷却，例如冷却到室温，从而使它们相对于所形成的制品收缩，从而可以很容易地除去。
借助于下面的实施例，可以对本发明作进一步描述。这里要强调的是本发明并不限于在这些实施例所说的特定数量和工艺。
                实施例1
将由INOX不锈钢制成的可以绕其轴旋转的圆管放在1000℃炉中进行预热。该圆筒外径为40毫米，长度为150毫米，其外表面光滑，没有明显的刻痕或突出物。通过喷枪，将具有下列组成(重量)的粉末混合物喷射到旋转的预热筒上：
      碳化硅                  79％
      硅                      8％
      铝                      5％
      氧化镁                  8％
该硅颗粒的尺寸为45微米以下，其比表面积为2500-8000平方厘米/克。铝颗粒的尺寸低于45毫米，其比表面积在3500-6000平方厘米/克，碳化硅颗粒的尺寸低于1.47毫米，60％重量为1-1.47毫米，20％为0.5-1毫米，20％以下低于0.125毫米。氧化镁颗粒的平均尺寸约为300微米。
该粉末混合物在工业纯氧气流中输送。几分钟后，在该圆筒表面上施加了一层厚约10毫米的耐火层。将圆筒冷却到室温，可以很容易地将所形成的耐火管子抽出，其内径为40毫米，长度为150毫米。所形成的管子的内表面也完全光滑。
              实施例2
将在实施例1中所说的圆管(但尺寸较大且带有内部加热装置)涂覆耐火水泥，然后加热到1100℃，在使圆筒旋转的同时，将组成如实施例1中所说的粉末混合物在工业纯氧气流中由喷枪喷射到涂覆表面上。使喷射持续几分钟以在水泥上形成耐火层。在形成耐火层以后，将圆筒停止加热，使之冷却到室温，它同样容易抽出。在这种情况下，所形成的耐火管的内径为200毫米，长度为1米。

Claims (15)

1．一种从由难熔颗粒和可燃烧颗粒组成的粉末混合物制造陶瓷制品的方法，其中可燃烧颗粒在一种富氧气体的存在下发生放热反应，从而由该难熔颗粒和该可燃烧颗粒的反应产物产生制品，其中所述难熔颗粒由碳化硅、氧化铝、氧化锆和铝-氧化锆中的一种或多种组成，所述可燃烧颗粒选自硅和铝或其混合物，其特征在于该粉末混合物向着一种金属成型器喷射，该金属成型器被加热到至少850℃，从而以该成型器的形状产生粘附耐火制品，然后将该成型器与该制品分离。
2．如权利要求1所说的方法，其中该陶瓷制品为一种空心制品。
3．如权利要求1所说的方法，其中该难熔颗粒的最大尺寸为2毫米。
4．如权利要求1所说的方法，其中该可燃烧颗粒的平均颗粒直径不超过50微米。
5．如权利要求1所说的方法，其中粉末混合物是由单个喷枪喷射的。
6．如权利要求1所说的方法，其中粉末混合物是由多个喷枪喷射的。
7．如权利要求1所说的方法，其中粉末的携带气体为用于燃烧的富氧气体。
8．如权利要求1所说的方法，其中用一种耐火水泥预涂覆该成型器，从而容易将所形成的制品与该成型器分离，所说的耐火水泥在焊接过程中由于施加到其上的热量而变脆。
9．如权利要求1所说的方法，其中在形成该制品以后，将该金属成型器冷却，从而方便地将所形成的制品与该成型器分离。
10．如权利要求1所说的方法，其中逐步地将粉末施加到成型器上，从一点开始，并在整个金属成型器表面上操作。
11．如权利要求1所说的方法，其中该制品是一种管状制品，它是在成型后由该金属成型器上取下的。
12．用于制备陶瓷制品的装置，它具有用于由难熔颗粒和可燃烧颗粒组成的粉末混合物的喷射装置，用于富氧气体的供应装置，其特征在于，它包括一个由耐高温和耐化学攻击的材料制成的金属成型器，朝着该金属成型器喷射的颗粒与该富氧气体起反应，从而使该难熔颗粒和该可燃烧颗粒的反应产物以该成型器的形状形成粘附耐火制品，其中该金属成型器的表面上没有任何有助于在焊接材料和金属之间产生粘接的刻痕或凸出物。
13．如权利要求12所说的装置，其中粉末是通过喷枪喷射的并且喷枪和成型器彼此安装成使该喷枪与金属成型器之间可以相互地以预定的、可重复的机械运动方式移动。
14．如权利要求12或13所说的装置，其中该金属成型器具有长形的圆筒形状。
15．如权利要求14所说的装置，其中该圆筒可绕其轴旋转。
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