专利名称：具有可压缩石墨接合填充料的熔炉膨胀接合部以及该填充料的制造方法
技术领域：
本发明涉及还原熔炉的侧壁中、更具体地涉及鼓风炉中的炉膛壁炉衬的上部中以可压缩石墨材料填充的膨胀接合部和制造这样的接合填充料的方法。
背景技术：
近来的鼓风炉已经在更严格的条件之下加以升级和操作。针对衬壁耐火材料的损坏性因素由于高压操作、粉碎煤注入操作等趋势而增加。尽管有这样的处境，仍然要求达到的较长寿期。鼓风炉的寿命主要依赖于鼓风炉炉膛的侧壁和底部区域的炉衬的耐久性。碳材料以压倒性的优势用作为用于鼓风炉炉膛的侧壁和底部区域的这些部分的炉衬材料。
影响鼓风炉寿命的一个重要问题鼓风炉炉膛的炉衬块中的热应力。在吹入鼓风炉中时，在熔炉内部的炉衬的表面局部地形成高达1500℃的温度。由于特别是鼓风口和冷却箱被锚定在炉衬中而不可能自由地膨胀单独块，所以形成了可能超过这些块的击穿强度的相当大的应力。这对于尺度相对大的熔炉而言是个特别的问题。
进而言之，最近正在使用具有很精确的尺度公差的块来构建鼓风炉的炉膛，使得它们可以直接无缝放置于彼此的顶部上而无需周边(水平)接合。此方式已经形成更高效的鼓风炉组装操作。然而发现由于砖在熔炉加热时的复杂膨胀行为，那些砖的竖直膨胀导致主要在鼓风口周围的损坏。因此已经在20世纪90年代提出通过位于炉膛的上部中的膨胀接合部来适应那些竖直移动。这样的膨胀接合部优选地使用具有“Z设计”的2个衬块的单元来实施，该Z设计包括一个水平接合，其具有接合填充料，在砖的顶部上朝着熔炉室径向延伸；竖直接合部，在砖之间，没有填充料；以及另一水平接合，具有接合填充料，在朝着熔炉壁径向延伸的砖以下。可以根据熔炉尺度和其他参数在数种变形中发现膨胀接合部的这一设计以及位置。通常，2个水平接合高为25mm至45mm以适应无缝砖在熔炉炉膛处的膨胀。
为了补偿衬块的热膨胀，已知使用主要包含碳和石墨颗粒的打结膏以及碳质粘结剂如沥青或者柏油。也已知这样的膏受到老化过程的影响以及弱化它们的可压缩性并且因此弱化它们补偿热膨胀的能力。另外，这样的打结膏由于它们放射苯和其他芳烃(PAHs)而越来越成为环境考虑的焦点。另外，一旦温度充分达到300℃以上，打结膏材料就表现不出弹性行为，因此它仅在熔炉的加热和操作时提供密封但是在熔炉冷却时确实重新膨胀。由于鼓风炉通常在3至5巴的富含CO的环境下操作，所以这样的熔炉不受控制的冷却造成在具有高热收缩性的接合处的危险泄漏。
以前已经尝试在通道的区域中单独砖之间布置可压缩石棉片。然而，这样的片或者板不适合于在炉身的炉膛、炉腰和壁斜坡(wallbatter)中使用，因为石棉片中的硅酸盐加速碳或者石墨块变成溶渣，并且在烙铁和溶渣融化中比较快速地融解，此外还具有很低的导热性。
因此已经提出使用可压缩石墨箔取代石棉。这样的石墨箔积层板可在商标SIGRAFLEX之下商业性地获得。通过使用压延辊在高压之下将膨胀的自然石墨箔压缩成密度为0.5g/cm3至1.5g/cm3以及厚度在0.1mm至2mm之间的薄片来制造这些板。在这之后可选地继之以将所得薄片和加固材料的夹层按压成厚度范围在0.5mm至4mm之间的板。
在DE 2240886 A1中提出在炉身中相邻衬块之间的至少一些接合部中设置密度从0.5g/cm3至1.5g/cm3的石墨箔积层板。炉身炉衬中使用的石墨箔层压板具有相对于垂直于板的平面而延伸的相邻砖的尺度的0.1％至1.0％的厚度。石墨箔积层旨在于吸收用来给鼓风炉炉身加衬的单独含碳块的热膨胀。
在EP 0300064 B1中已经建议通过以板形可压缩插入物给鼓风口加衬来防止它们错位或者损坏，这些插入物包括密度为0.5g/cm3至1.5g/cm3的积层石墨箔和金属片的多个交替层。插入物以铜薄片包封并且固定到熔炉外壳。提出插入物是为了吸收炉衬的热膨胀并且保护后者免受蒸汽。
然而这样的石墨箔插入物的使用在实践中无从实施，因为这些插入物过于昂贵，并且在衬块之间插入这些薄片插入物是麻烦的。另外，情况常常是，在熔炉组装过程中具体是在关键接合区域中可能要求略加改造。在熔炉组装现场几乎不能在尺寸上调节上述预制造的薄片包裹的插入物。
具体而言，对于炉膛壁衬的上部中的膨胀接合部，在衬块之间的间隙通常宽为25mm至45mm。为了以常规石墨箔片填充这一间隙，将需要堆叠至少15个这样的片。
发明内容
因而，需要提供一种易于处理、满足所有物理和化学要求并且生产起来成本有效的用于熔炉炉膛壁衬的上部中的膨胀接合部的接合填充物。
本发明的任务通过利用膨胀的石墨预成型品作为膨胀接合部填充物来解决。
本发明的目的也在于提供这样的膨胀石墨预成型品。
根据本发明的这种接合填充物的具体实施例在更多权利要求中加以限定。
本发明的另一目的是提供用于在熔炉衬组装过程中简化该接合填充物的布置的装置。
通过压缩膨胀的自然石墨薄片来制造石墨箔。以硫酸和硝酸的混合物来处理原生自然薄片产生所谓的石墨夹层化合物，即酸的阴离子嵌入于石墨层之间。后续热处理造成碳含量在99％以上的那些成片化合物的折状膨胀体。由此生成的膨胀石墨母体材料具有仅2mg/cm3至7mg/cm3的体积密度。使用压延辊将它最终压缩成密度为5g/cm3至1.5g/cm3的密致薄片。这样的薄片通常在汽车和化学工业中用作衬垫。
对于用于鼓风炉的炉膛壁衬的上部中膨胀接合部的接合填充材料的一项要求是在衬的重量之下没有塑性变形。这转换成作为最小压力范围的0.2MPa。另一方面，这一材料需要能够应对在衬块的热膨胀时产生的2MPa压力。在该实例中，接合填充材料压缩约2cm。它必需能够在低温使衬块收缩时再次膨胀。此外，炉衬在朝着热炉室的侧部处的竖直膨胀比在较凉的外壁侧部处更高。适当的集合填充物材料必需适应这样的差异。这种接合填充材料的耐久性是最重要的以便防止对熔炉的损坏。
已经发现将膨胀的石墨母体材料压缩成密度仅为0.1g/cm3到0.2g/cm3的较小增密的结构产生一种理想地适合于在鼓风炉的炉膛以上填充膨胀接合部的材料。
可以通过在常规压机的模子中放置膨胀的石墨母体材料并且将它压缩成预期密度来制造这样的材料。相同的结果可以通过压延或者紧压和压延的组合来实现。
在本发明的另一实施例中，可以在压缩过程中将加固的松弛碳纤维或者碳纤维非织物或者织物垫施加到膨胀的石墨板中。
本发明的另一实施例包括以通常基于磷或者硼化合物的已知氧化抑制剂来处理石墨填充物板。
在本发明的又一实施例中，接合填充物是由如在专利EP 1 120378 A2中所述以多磷酸进一步处理的膨胀石墨箔制成。这一处理改进了膨胀的石墨板在高达350℃的温度的抗氧化性，并且由此增加它们的耐久性和寿命。压缩的接合填充物板优选为1cm厚。也有可能获得多至3cm厚度的板。
根据所用压缩设备，其他两个尺度可以变化。优选地，将板制造成具体熔炉设计所需要的尺寸。然而，如果不适用，则可以在熔炉衬的组装时，直接用普通的切割刀将它们容易地修整为所需尺寸。
对于在炉膛以上的典型膨胀接合部，需要堆叠三个这样的板，各板厚度为1cm。这些板易于处理但是也可通过使用便宜的高温粘胶剂如酚醛树脂或者类似化合物来粘合到3cm高的堆叠体。为了进一步简化在熔炉炉衬组装过程中的处理，该堆叠体也可以用便宜的高温粘胶剂如酚醛树脂或者类似化合物来固定到相应衬块。
现在将通过如下例子和附图更具体地描述本发明。
图1描绘了具有本发明的膨胀接合部的鼓风炉的构造。
图2示出了由根据本发明的接合填充材料制成的板的压缩性能。
具体实施例方式
图1中所示熔炉具有形成所谓炉膛底部的炉膛基部1，在该基部的顶部上具有数层耐火块2。从由碳制成的衬块3建造炉膛壁。在炉膛壁的顶部上，鼓风口环4固定到熔炉壳5。以打结膏6填充熔炉壳5与壁衬块3之间的间隔。本发明的膨胀接合部具有典型的“Z形状”，该形状包括标准的衬块3，这些块由碳制成，并且形成上水平间隙和下水平间隙，各间隙高度为25mm到45mm，以可压缩石墨接合填充物7来填充并且通过无缝竖直接合部8来直接接触。膨胀接合部形成如图1中所示的环。根据熔炉尺度和其他构造参数，膨胀接合部可以恰好位于鼓风口8正下方或者鼓风口8以下的数个衬块3中。
例子根据公知方法制造膨胀的石墨母体材料。在0.1MPa的压力在配备有120×120cm2的模具的Laeis-Bucher压机中在室温压缩这一材料5分钟。所得板具有0.2g/cm3的密度。
从这样制造的1cm厚的接合填充材料板切割数个10×10cm2的板并且测试它们的压缩性能。
如图2中可见，在与衬块的重量所生成的压力相对应的0.2MPa下观察不到明显的塑性变形。在通过衬块的热膨胀在接合填充材料板上产生的典型压力2MPa，接合填充材料板被压缩多于7mm。根据这一结果，三个这样的板的堆叠体足以适应在炉膛壁衬的上部中衬块之间的35mm膨胀结构中出现的约20mm的压缩。
以所述方式制造数个更多的120×120cm2的板。切割出60×60cm2的板，各自借助酚醛树脂堆叠在一起。这些接合填充物板堆叠体被容置于鼓风炉的膨胀接合部中并且成功地起作用。
已经如是描述了本发明的当前优选实施例，将理解到可以在不脱离本发明的精神和范围时以别的方式实施本发明。特别地理解到除鼓风炉以外本发明也可以用于就衬块的热膨胀而言具有类似问题的其他类型的还原熔炉。
附图标号1 炉膛基部2 炉膛底部耐火砖3 由碳制成的炉膛壁衬块4 鼓风口5 炉膛壳6 打结膏7 可压缩石墨接合填充物8 无缝竖直接合部
权利要求
1.一种位于还原熔炉的炉膛壁的上部中的膨胀接合部，其包括2个衬块，所述衬块形成厚度各为25mm到45mm的2个水平间隙以及在它们之间的竖直无缝接合部，其特征在于，所述水平间隙以密度为0.1g/cm3到0.2g/cm3的板形可压缩石墨填充物来填充。
2.根据权利要求1所述的可压缩石墨填充物，其特征在于，它包括多达5个厚度为0.5cm到1.5cm的板的堆叠体。
3.根据权利要求2所述的可压缩石墨填充物堆叠体，其特征在于，它被切割成所需尺寸并且通过适当的高温粘胶剂例如酚醛树脂来粘合在一起。
4.一种用于组装根据权利要求1所述的膨胀接合部的方法，其特征在于，根据上述权利要求之一所述的可压缩石墨填充物以适当的高温粘胶剂例如酚醛树脂来粘合到后续布置到所述膨胀接合部的相应衬块。
5.一种用于制造根据权利要求1所述的可压缩石墨填充物的方法，其特征在于，在常规压机中或者通过压延或者二者的组合将密度为2mg/cm3到7mg/cm3的常规膨胀石墨母体材料压缩成所需密度，随后进行修整以形成最终尺寸。
6.根据权利要求5所述的用于制造可压缩石墨填充物的方法，其特征在于，在所述压缩过程之前，将加固的碳纤维或者碳纤维非织物或者织物垫施加到所述常规膨胀石墨母体材料中。
7.根据权利要求5或者6所述的用于制造可压缩石墨填充物的方法，其特征在于，以氧化抑制剂进一步处理所述石墨填充物。
8.根据权利要求5或者6所述的用于制造可压缩石墨填充物的方法，其特征在于，在所述压缩过程之前，以多磷酸进一步处理所述膨胀石墨母体材料。
全文摘要
本发明涉及以密度为0.1g/cm
文档编号F27D1/00GK101094925SQ200580045491
公开日2007年12月26日 申请日期2005年12月22日 优先权日2004年12月30日
发明者J·米塔格, O·奥廷格 申请人:Sgl碳股份公司