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