專利名稱：水泥裝置的耐火錨固件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在水泥廠預(yù)熱器塔中使用的水泥裝置(cement plant)的耐火錨固件。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，本發(fā)明并不限于預(yù)熱器塔，相反本發(fā)明可以應(yīng)用于熱交換器、膨脹式風(fēng)箱、燃燒器、吊管架和在水泥工業(yè)內(nèi)使用的其他高溫部件。
背景技術(shù)：
波特蘭水泥是混凝土和砂漿中的基本成分。波特蘭水泥的生產(chǎn)包括將石灰石與少量其他材料例如粘土結(jié)合，以及在窯爐中加熱混合物。所得到的產(chǎn)物燒結(jié)成塊或小球 (nodule)，且通常叫做‘燒結(jié)塊’。隨后用石膏將燒結(jié)塊研磨成粉以制成‘普通波特蘭水泥’， 其是最常用的水泥類型。在水泥廠中，預(yù)熱器塔用于燒結(jié)塊生產(chǎn)過(guò)程中。預(yù)熱器塔支撐一系列垂直的旋風(fēng)室，原料例如石灰石和粘土在途中通過(guò)旋風(fēng)室至窯爐。燒結(jié)塊中的其他添加劑包括氯化物、 硫、堿性物(alkalide)、一氧化碳、氮氧化物和二氧化硫。原料在進(jìn)入窯爐之前被預(yù)熱，并且使用立管和導(dǎo)管使熱氣體循環(huán)。立管和導(dǎo)管內(nèi)的溫度范圍通常在850°C至950°C之間。旋風(fēng)分離器和立管的內(nèi)壁襯有耐火材料，且耐火材料被耐火錨固件機(jī)械支撐。耐火錨固件通常是不銹鋼耐火錨固件，其被焊接到旋風(fēng)分離器和立管的外部鋼殼。耐火錨固件被焊接到鋼殼，并且隨后向殼上涂覆兩層耐火材料。隔熱層被與殼毗鄰定位，而第二熱面層離殼最遠(yuǎn)。耐火錨固件延伸穿過(guò)隔熱層和熱面層。因?yàn)槟突鸩牧喜⑽闯浞纸Y(jié)合到鋼殼本身，所以錨固件被以矩陣形式布置以起到將耐火襯里機(jī)械固定到殼的作用。耐火錨固件通常用253MA不銹鋼制造。253MA是含有稀土金屬的奧氏體鉻鎳鋼。 253MA的典型組成可包含鉻20% -22%、鎳10% -12%、硅1. 4% -2%、少量碳、錳、氮和鈰， 且其余是鐵。253MA不銹鋼在高溫下具有高的強(qiáng)度并因此常用于溫度高達(dá)約900°C的結(jié)構(gòu)應(yīng)用中。253MA在溫度高達(dá)1150°C下提供對(duì)空氣優(yōu)異的耐受性，因?yàn)樵诟邷叵拢?53MA不銹鋼快速地形成薄的、彈性氧化物，其用作保護(hù)表面的犧牲襯里。另外，253MA不銹鋼具有良好的耐西格瑪相脆化。上述所有內(nèi)容使得253MA不銹鋼是用于水泥廠中的耐火錨固件的良好選擇。耐火錨固件損壞是水泥廠中公知的問(wèn)題。當(dāng)耐火錨固件損壞時(shí)，耐火材料的一部分會(huì)與不銹鋼殼分開(kāi)，這導(dǎo)致旋風(fēng)分離器堵塞。另外，在停工維修期間，任何耐火錨固件損壞都危及工人的生命，并且因而受到極大的安全關(guān)注。在水泥廠中還使用代用燃料以降低(X)2排放并使能量回收最大化。代用燃料包括但不限于輪胎、廢橡膠紙、廢油、廢木材、造紙污泥、下水道污泥、塑料和廢溶劑。這些代用燃料在水泥廠預(yù)熱器塔和窯爐中的燃燒釋放高濃度的以下各物但不限于以下各物氯化物、硫、磷酸鹽、釩和重金屬。本申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)高溫氯化侵蝕是水泥廠中的耐火錨固件損壞的主要原因。耐火材料的多孔性使氯能夠進(jìn)入，并深入到設(shè)置了耐火錨固件的耐火襯里中。氯擴(kuò)散通過(guò)錨固件表面上的氧化皮中的孔，從而形成揮發(fā)性金屬氯化物。氯隨時(shí)間引起253MA不銹鋼的腐蝕，導(dǎo)致顯著的金屬損耗，最終導(dǎo)致耐火錨固件損壞并因此導(dǎo)致耐火襯里損壞。另外，由金屬氧化物的生長(zhǎng)導(dǎo)致的應(yīng)力可促進(jìn)熱面耐火襯里的開(kāi)裂。耐火材料中出現(xiàn)的這種開(kāi)裂為腐蝕性的氯沿錨固件而行提供了流路。在實(shí)踐中，水泥廠中的耐火錨固件的使用期限通常為約兩年。在這段時(shí)間結(jié)束時(shí)， 必須在昂貴的停機(jī)操作期間將耐火材料移走并重新涂覆。為了修復(fù)和維護(hù)而關(guān)閉水泥廠使工廠經(jīng)營(yíng)者蒙受重大損失。為了延長(zhǎng)耐火錨固件的壽命，已知用基于鋯石的涂料來(lái)保護(hù)耐火錨固件的表面。 雖然鋯石涂料本身對(duì)侵蝕耐火錨固件表面的有害的酸和化學(xué)品是有抗性的，但是鋯石涂料不能充分保護(hù)耐火錨固件的邊角。另外，在水泥裝置內(nèi)遇到的操作溫度下，253MA不銹鋼經(jīng)歷不同于鋯石涂層的熱膨脹水平。因此，已知鋯石涂料隨著時(shí)間與錨固件分開(kāi)，這使得耐火錨固件易受氯化侵蝕的影響。發(fā)明目的本發(fā)明的目的是基本上克服或至少改善上述缺點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)，或提供現(xiàn)有耐火錨固件的有用的替代物。發(fā)明概述第一方面，本發(fā)明提供了一種水泥裝置的耐火錨固件，其包括主體，該主體由不銹鋼形成，其中所述主體的外表面具有通過(guò)高溫包埋滲過(guò)程 (pack cementation process)形成的鐵鋁化物相的表面擴(kuò)散涂層。第二方面，本發(fā)明提供了一種水泥裝置的耐火錨固件，其包括主體，該主體由不銹鋼形成，其中所述主體的外表面具有通過(guò)高溫共沉積包埋滲過(guò)程形成的鐵鋁化物和鎳鋁化物相的表面擴(kuò)散涂層。不銹鋼優(yōu)選為253MA等級(jí)。表面擴(kuò)散涂層還優(yōu)選包含通過(guò)共沉積高溫包埋滲過(guò)程形成的鐵鋁化物和鎳鋁化物相中的鉻。錨固件優(yōu)選具有桿，該桿具有可固定到水泥裝置內(nèi)的表面的近端和被分開(kāi)成兩臂的遠(yuǎn)端，該桿界定了大體Y形的輪廓。第三方面，本發(fā)明提供了一種在不銹鋼水泥裝置的耐火錨固件的外表面上形成保護(hù)層的方法，該方法采用高溫包埋滲，所述保護(hù)層提供抗高溫氯化侵蝕的保護(hù)，所述方法包括以下步驟將混合物放入曲頸甑中，所述混合物包含熔融氧化鋁(Al2O3)填料；鋁、或鎳-鋁或鉻-鋁母合金；以及鹵化鹽活化劑；將所述耐火錨固件放入所述混合物中；以及升高曲頸甑內(nèi)的溫度至950°C -1100°C，以使鹵化鹽與鋁或鋁合金反應(yīng)而形成氣態(tài)金屬鹵化物，氣態(tài)金屬鹵化物通過(guò)氣體擴(kuò)散被輸送到耐火錨固件的外表面，其中金屬鹵化物與不銹鋼表面反應(yīng)，從而使鋁或鋁-鉻沉積在耐火錨固件的表面上作為擴(kuò)散涂層。
擴(kuò)散涂層優(yōu)選是鐵鋁化物或鐵鋁化物和鎳鋁化物。 鹵化鹽活化劑優(yōu)選是氟化鈉。
鹵化鹽活化劑優(yōu)選是氯化銨和氯化鈉。母合金優(yōu)選是鋁鉻(Al-Cr)，并且所述方法形成共沉積的含有鉻的鐵鋁化物和鎳鋁化物的擴(kuò)散涂層。升高曲頸甑內(nèi)的溫度的步驟優(yōu)選地包括以下步驟將曲頸甑預(yù)熱到約200°C持續(xù)約3小時(shí)，以及將溫度升高到約1100°C持續(xù)約8小時(shí)。升高曲頸甑內(nèi)的溫度的步驟優(yōu)選地包括以下步驟將曲頸甑預(yù)熱到約200°C持續(xù)約3小時(shí)，以及將溫度升高到約1100°C持續(xù)約16小時(shí)。所述方法優(yōu)選地包括使惰性氣體圍繞曲頸甑的外部循環(huán)的步驟。所述方法還優(yōu)選地包括用過(guò)氧化物處理耐火錨固件的步驟以增加保護(hù)層中的氧化鋁。附圖簡(jiǎn)述現(xiàn)將參考附圖以具體示例的方式來(lái)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，其中

圖1示出了固定到鋼殼的253MA金屬鋼耐火錨固件；圖2是顯示用于在圖1的耐火錨固件上形成擴(kuò)散涂層的高溫包埋滲過(guò)程的溫度時(shí)間圖；以及圖3是顯示在圖2的高溫包埋滲過(guò)程中使用的曲頸甑的示意圖。優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述使用“包埋滲”或包埋擴(kuò)散過(guò)程處理由253MA不銹鋼或相似等級(jí)的不銹鋼制成的耐火錨固件10的第一實(shí)施方式，通過(guò)該過(guò)程，保護(hù)涂層被涂覆到耐火錨固件10的外襯底層。在包埋滲之前，可以對(duì)耐火錨固件進(jìn)行噴砂處理以制成用于擴(kuò)散涂覆的表面。涂層材料在襯底的表面中擴(kuò)散，變成外襯底層的顆粒結(jié)構(gòu)的一部分，并且從而在耐火錨固件10上形成擴(kuò)散涂層。如圖1所示，錨固件10具有桿，該桿具有可固定到水泥裝置內(nèi)的表面的近端和被分開(kāi)成兩臂的遠(yuǎn)端，該桿界定了大體Y形的輪廓。如圖1所示，耐火錨固件被焊接到旋風(fēng)分離器和立管的鋼殼12。錨固件10延伸到鄰近殼的耐火隔熱層14和位于離殼12最遠(yuǎn)的熱面層16內(nèi)。如圖2所描述的，填充材料混合物20被置于曲頸甑22或另外的這樣的密封容器內(nèi)，并且待處理的耐火錨固件10被置于曲頸甑22中，在填充材料20之間相互間隔開(kāi)。曲頸甑22通常被用填充材料20填充、被密封并然后被置于熔爐M內(nèi)。第一實(shí)施方式的填充材料20包含多種成分，現(xiàn)將詳細(xì)討論。粉末形式的母合金被包含在填充材料中。母合金包括最終將作為內(nèi)擴(kuò)散層沉積在耐火錨固件10的表面上的金屬或金屬合金。母合金可以是鋁(Al)、鉻-鋁(Cr-Al)、硅、鎳-鋁(Ni-Al)或其他合適的合金。根據(jù)第一實(shí)施方式，用于耐火錨固件10的擴(kuò)散涂覆的母合金是鋁或鎳-鋁或鉻-鋁。填充材料20還包含惰性填料。惰性填料是熔融氧化鋁Al2O3，其為曲頸甑22內(nèi)的耐火錨固件10提供物理支撐。另外，惰性填料是充分多孔的以提供氣體通過(guò)粘固粉 (cementation powder)的流動(dòng)通路。這允許氣態(tài)金屬鹵化物行進(jìn)到耐火錨固件10的襯底表面。惰性填料還用作阻止金屬母合金自身的燒結(jié)。
填充材料20還需要鹵化鹽形式的活化劑，用于鋁化包埋的氟化鈉或用于共沉積包埋的氯化銨、氯化鈉。當(dāng)曲頸甑22中的溫度升高時(shí)，鹵化鹽與鋁反應(yīng)，形成氣態(tài)金屬鹵化物AlXn0氣態(tài)金屬鹵化物通過(guò)氣體擴(kuò)散輸送到耐火錨固件10的表面。接著金屬鹵化物與 253MA不銹鋼錨固件10的表面反應(yīng)，使母合金沉積在耐火錨固件10的表面上，通常作為鐵鋁化物的擴(kuò)散涂層。在襯底表面處，沉積過(guò)程導(dǎo)致氣體分解，從而沉積鐵鋁化物或鐵鋁化物和鎳鋁化物相并將鹵素活化劑釋放回包埋物中。鹵化物活化劑然后與鋁粉自由反應(yīng)，再次重組成金屬鹵化物Alfti。因此，包埋滲過(guò)程持續(xù)到在包埋物中無(wú)鋁剩下或可選擇地當(dāng)熱被減少而終止化學(xué)反應(yīng)時(shí)。如圖2所示，不可燃的惰性氣體例如由95%氬氣(Ar)、5%氫氣(H2)組成的 Argoplas 5圍繞曲頸甑22循環(huán)。惰性氣體可以在兩個(gè)或更多個(gè)流路中流動(dòng)，并且如圖2所示，惰性氣體的第一流通過(guò)導(dǎo)管26進(jìn)入并通過(guò)導(dǎo)管觀離開(kāi)。另外，惰性氣體的第二流通過(guò)導(dǎo)管30進(jìn)入并通過(guò)導(dǎo)管32離開(kāi)。惰性氣體圍繞曲頸甑在腔室中自由循環(huán)，并且陶瓷墊36 用于提升曲頸甑22，這在曲頸甑22的下方提供了氣體流路。惰性氣體創(chuàng)建還原性條件并且從體系中清除任何氧氣/空氣。在粘固粉中，熱電偶34被設(shè)置有氧化鋁鞘以監(jiān)控曲頸甑22內(nèi)的內(nèi)部溫度。用于表面處理耐火錨固件10的方法包括將曲頸甑預(yù)熱到約200°C以去除粘固粉內(nèi)的水分，并從體系清除剩余氧氣。在約3小時(shí)時(shí)段后，將溫度升高到950°C -110(TC，并在此升高的溫度下維持8小時(shí)至16小時(shí)。然后降低溫度，并且將耐火錨固件10從熔爐中移走。還公開(kāi)了由253MA不銹鋼制成的耐火錨固件的第二實(shí)施方式。將使用相同的參考數(shù)字。在第二實(shí)施方式中，通過(guò)在鉻鋁Cr-Al共沉積過(guò)程中的包埋滲來(lái)處理耐火錨固件 10。該過(guò)程與上文關(guān)于第一實(shí)施方式所描述的過(guò)程相似。然而，母合金包含鋁和鉻的混合物。這可以是合金、或鋁和鉻顆粒的混合物。共沉積過(guò)程產(chǎn)生鉻和鋁的擴(kuò)散涂層，其比單獨(dú)的鐵鋁化物擴(kuò)散涂層具有更強(qiáng)的抗開(kāi)裂性。在第二實(shí)施方式中，所使用的鹵化鹽是氯化銨 NH4Cl和氯化鈉。使用相同的惰性填料熔融氧化鋁Al2O315通過(guò)包埋滲過(guò)程形成的擴(kuò)散涂層的厚度在150微米至200微米的范圍內(nèi)。當(dāng)完成擴(kuò)散涂覆過(guò)程時(shí)，由于鋁向內(nèi)擴(kuò)散到253MA不銹鋼襯底內(nèi)，所以涂層包括鐵鋁化物外層和內(nèi)層。在完成包埋滲過(guò)程之后，用過(guò)氧化物處理耐火錨固件10以增加擴(kuò)散涂層中的氧化鋁。第一實(shí)施方式和第二實(shí)施方式的過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)是所形成的涂層是均勻的且非常致密的，被擴(kuò)散在襯底的表面中并對(duì)高溫氯導(dǎo)致的腐蝕是有抗性的。另外的優(yōu)點(diǎn)是在鐵鋁化物或鐵鋁化物和鎳鋁化物相上形成的氧化鋁Al2O3擴(kuò)散層比其他元素具有更高的熱力學(xué)穩(wěn)定性。氧化鋁用作避免氯導(dǎo)致的腐蝕侵蝕的保護(hù)屏障。另外的優(yōu)點(diǎn)是高溫包埋滲過(guò)程不受耐火錨固件10的復(fù)雜形狀的限制，盡管錨固件具有大體Y形的輪廓。擴(kuò)散涂層能夠滲入錨固件10的拐角處和彎曲部。雖然已經(jīng)參考具體實(shí)施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解本發(fā)明可以以許多其他形式體現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種水泥裝置的耐火錨固件，其包括主體，所述主體由不銹鋼形成，其中所述主體的外表面具有通過(guò)高溫包埋滲過(guò)程形成的鐵鋁化物相的表面擴(kuò)散涂層。
2.一種水泥裝置的耐火錨固件，其包括主體，所述主體由不銹鋼形成，其中所述主體的外表面具有通過(guò)高溫共沉積包埋滲過(guò)程形成的鐵鋁化物和鎳鋁化物相的表面擴(kuò)散涂層。
3.如權(quán)利要求1或2所述的耐火錨固件，其中所述不銹鋼是253MA等級(jí)。
4.如權(quán)利要求3所述的耐火錨固件，其中所述表面擴(kuò)散涂層還包含在通過(guò)共沉積高溫包埋滲過(guò)程形成的鐵鋁化物和鎳鋁化物相中的鉻。
5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的耐火錨固件，其中所述錨固件具有桿，所述桿具有可固定到所述水泥裝置內(nèi)的表面的近端和被分開(kāi)成兩臂的遠(yuǎn)端，所述桿界定了大體Y形的輪廓。
6.一種在不銹鋼水泥裝置的耐火錨固件的外表面上形成保護(hù)層的方法，所述方法采用高溫包埋滲，所述保護(hù)層提供抗高溫氯化侵蝕的保護(hù)，所述方法包括以下步驟將混合物放入曲頸甑中，所述混合物包含熔融氧化鋁(Al2O3)填料；鋁、或鎳-鋁或鉻-鋁母合金；以及鹵化鹽活化劑；將所述耐火錨固件放入所述混合物中；以及升高所述曲頸甑內(nèi)的溫度至950°C-110(TC，以使所述鹵化鹽與所述鋁或鋁合金反應(yīng)而形成氣態(tài)金屬鹵化物，所述氣態(tài)金屬鹵化物通過(guò)氣體擴(kuò)散被輸送到所述耐火錨固件的外表面，其中所述金屬鹵化物與所述不銹鋼的表面反應(yīng)，使鋁或鋁-鉻沉積在所述耐火錨固件的表面上作為擴(kuò)散涂層。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述不銹鋼是253MA等級(jí)。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述擴(kuò)散涂層是鐵鋁化物或鐵鋁化物和鎳鋁化物。
9.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述鹵化鹽活化劑是氟化鈉。
10.如權(quán)利要求6所述的方法，其中所述鹵化鹽活化劑是氯化銨和氯化鈉。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述母合金是鋁鉻(Al-Cr)，并且所述方法形成共沉積的含有鉻的鐵鋁化物和鎳鋁化物的擴(kuò)散涂層。
12.如權(quán)利要求6至11中任一項(xiàng)所述的方法，其中升高所述曲頸甑內(nèi)的溫度的所述步驟包括以下步驟將所述曲頸甑預(yù)熱至約200°C持續(xù)約3小時(shí)，以及將溫度升高到約1100°C 持續(xù)約8小時(shí)。
13.如權(quán)利要求6至11中任一項(xiàng)所述的方法，其中升高所述曲頸甑內(nèi)的溫度的所述步驟包括以下步驟將所述曲頸甑預(yù)熱至約200°C持續(xù)約3小時(shí)，以及將溫度升高到約1100°C 持續(xù)約16小時(shí)。
14.如權(quán)利要求6至13中任一項(xiàng)所述的方法，包括使惰性氣體圍繞所述曲頸甑的外部循環(huán)的步驟。
15.如權(quán)利要求6至14中任一項(xiàng)所述的方法，還包括用過(guò)氧化物處理所述耐火錨固件的步驟以增加所述保護(hù)層中的氧化鋁。
全文摘要
一種水泥裝置耐火錨固件(10)，其包括由不銹鋼形成的主體，其中所述主體的外表面具有通過(guò)高溫包埋滲過(guò)程形成的鐵鋁化物相的表面擴(kuò)散涂層。
文檔編號(hào)C23C10/56GK102245989SQ200980149150
公開(kāi)日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2009年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日
發(fā)明者尼克·樂(lè)博特, 楠·徐 申請(qǐng)人:維蘇維尤斯·克魯斯布公司