專利名稱：直接法中的耐損耗材料的制作方法
直接法中的耐損耗材料
相關(guān)申請的交叉援引 無
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種在直接法中使用的熱交換元件。所述熱交換元件 包括在其表面的至少一部分表面上涂覆有耐損耗涂層的熱交換元件。
所述耐損耗涂層與所述熱交換元件形成強(qiáng)力結(jié)合，且具有高于50HRC 的硬度。這種涂層可以在直接法所處的物理化學(xué)環(huán)境下保持完好。
卣代硅烷的制造典型地涉及硅粉與反應(yīng)氣體(典型為氯甲烷或氯 化氫)的反應(yīng)(常稱為"直接法")。這種反應(yīng)為放熱型，且通常要求將 所產(chǎn)生的熱去除。利用流動通過熱交換管(熱交換管直接與高溫下的 硅粉和反應(yīng)氣體相接觸)的熱交換流體來典型地去除所述熱。由于包 括高溫、溫度循環(huán)、惡劣化學(xué)環(huán)境以及源自其自身硬度的硅粉腐蝕本 質(zhì)在內(nèi)的若干因素，導(dǎo)致了這些熱交換元件的顯著損耗。
在直接法中采用的熱交換元件典型地由碳素鋼制造。因?yàn)樯厦嫠?述的環(huán)境因素，這些碳素鋼熱交換元件的壽命有限。這樣，為了更換 所述熱交換元件，需停止直接法反應(yīng)，由此，導(dǎo)致嚴(yán)重的停工時間以 及高額的費(fèi)用。
已試圖利用涂層增加這些熱交換元件的耐損耗性，所述涂層典型 地涉及諸如散布在合適材料的基體中的碳化鵠之類的硬質(zhì)材料。這些 涂層典型地采用諸如熱噴涂之類的技術(shù)來涂覆，但是已成功使用的卻 有限。然而，這些涂層經(jīng)常易于剝落或分層。此外，噴涂技術(shù)經(jīng)常難 于在內(nèi)表面和復(fù)雜幾何形狀(這些熱交換元件有時會具有這些特征) 上進(jìn)行涂覆。
已試圖利用焊接覆蓋(weld overlay )技術(shù)來保護(hù)熱交換元件?，F(xiàn)
3有技術(shù)中的焊接覆蓋涂層也經(jīng)常提供有限的成功，因?yàn)獒娪玫牟牧喜?能提供要顯著增加熱交換元件的有效使用壽命所需要的耐損耗度。
因?yàn)樵谥苯臃ㄖ械臒峤粨Q器所面臨的環(huán)境，所以難于預(yù)測哪種涂 層是有效的。具體地，因?yàn)殡y于精確測量硅粉的硬度，所以難于預(yù)測 為了提供保護(hù)而需要的涂層硬度。同樣，因?yàn)樗霏h(huán)境包括這樣的化 學(xué)侵蝕性材料，所以難于預(yù)測哪種材料將保持完好。另外，因?yàn)轭l繁
砂J
所以也難于預(yù)測哪些將充分貼附。最后，涂覆所需條件也完全不可預(yù) 測，因?yàn)樵谄渌g性環(huán)境下保持完好的涂層(諸如熱噴涂碳化鎢) 在該環(huán)境下卻不是有效的。
本發(fā)明人現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過冶金結(jié)合獲得的具有高硬度、足夠 的耐化學(xué)性和高結(jié)合強(qiáng)度的涂層可保護(hù)用于制造閨代硅烷的反應(yīng)器中 的熱交換元件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種供直接法使用的熱交換元件。所述熱交換元件包 括在其表面的至少 一部分表面上涂覆有耐損耗涂層的熱交換元件。所 述耐損耗涂層形成與所述熱交換元件的強(qiáng)冶金結(jié)合，且具有高于
50HRC的硬度。這種涂層可以在直接法所處的物理化學(xué)環(huán)境下保持完 好。


圖1是結(jié)合有本發(fā)明的熱交換元件的流化床反應(yīng)器的示意代表圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是對用于使金屬硅粉與有機(jī)卣化物或囟化氫進(jìn)行反應(yīng)來生 成卣代硅烷的流化床反應(yīng)器的改進(jìn)。該反應(yīng)器典型地包括反應(yīng)室； 以及至少一個熱交換元件，位于所述反應(yīng)室中，用于傳送傳熱介質(zhì)。本發(fā)明的特征在于，高硬度和高結(jié)合強(qiáng)度的耐損耗涂層形成于所述熱 交換元件的至少一部分上，以在直接法所處的物理化學(xué)環(huán)境下保持完 好。
在圖1中，所述流化床反應(yīng)器包括殼體1，殼體1具有有機(jī)卣化
物或卣素卣化物入口 2、硅粉入口 3、氮?dú)馊肟?4以及床廢料出口 5。 入口 2、 3、 4以及出口 5通過分配板6而與所述反應(yīng)器的反應(yīng)室隔離 開。產(chǎn)物、副產(chǎn)物以及未反應(yīng)氣體通過產(chǎn)物出口 7而從該反應(yīng)器中被 移走。熱交換元件8定位在殼體1內(nèi)。熱交換流體入口 9和熱交換流 體出口 10與熱交換元件8連接。熱交換元件8的下部涂覆依據(jù)本發(fā)明 的涂層ll。
流化床反應(yīng)器自身可以由用于制造適于使硅粉與卣素囟化物接觸 的反應(yīng)器的標(biāo)準(zhǔn)材料來制成。例如，該反應(yīng)器可由碳素鋼或不銹鋼制 成。
在反應(yīng)器中，通過使硅粉與反應(yīng)氣體(典型地為有機(jī)卣化物或卣 化氫)進(jìn)行反應(yīng)，以典型地生成卣代硅烷。硅粉可以基本為諸如冶金 級硅之類的純硅，或者其可以是與其它諸如銅、含磷金屬、鐵等之類 的金屬進(jìn)行合金化的硅。有機(jī)卣化物可以基本為任意的被卣原子替代 的有機(jī)基團(tuán)。有機(jī)基團(tuán)典型地包括l-20個碳原子、而且例如可以是替 換1-6個碳原子以及替換1個或2個碳原子的烷基團(tuán)、芳基團(tuán)、烯基 團(tuán)等。卣化物取代物可以為溴化物、氯化物、氟化物、或碘化物。卣 化氫可以為溴化氫、氯化氫、氟化氫、或碘化氫。優(yōu)選地，當(dāng)使用流 化床反應(yīng)器時，使冶金級硅與氯曱烷或氯化氫起反應(yīng)。"冶金級，，硅指 的是組分包括至少95重量百分比的硅。這種合成物對于本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員而言是公知的。
一個或多個熱交換元件8定位在流化床反應(yīng)器內(nèi)，熱交換元件在 其接觸硅粉和有機(jī)卣化物或囟化氫11的外表面的至少一部分上具有 本發(fā)明的涂層。對于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的功能而言，熱交換器的設(shè)計、數(shù)量 和位置并不是關(guān)鍵，其設(shè)計、數(shù)量和位置將依賴于流化床反應(yīng)器的直 徑以及其內(nèi)容物所要求的冷卻表面。一個有用但不是必須的用于熱交換器8的設(shè)計實(shí)例是U形管。該 反應(yīng)器包含一個或多個這樣的作為熱交換元件的U形管。例如，這些 管已在EP 684070和EP 776692中有過描述。另一個用于熱交換元件 的有用設(shè)計包括一個或多個定位在反應(yīng)介質(zhì)中或定位在反應(yīng)介質(zhì)附近 的熱交換盤管。美國專利US4，176，710中說明了又一用于熱交換元件 的設(shè)計，其在此通過援引而合并。在該設(shè)計中，熱傳遞管浸入到流化 床中，在該流化床中，面對氣流的主方向的端部具有圓錐形縮減部。
這些熱交換元件可以由適用于使硅粉與有機(jī)卣化物或囟化氫反應(yīng) 的流化床反應(yīng)器的標(biāo)準(zhǔn)材料制成。例如，可采用碳素鋼或不銹鋼。
本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)有效的效率，熱交換元件的至少一部 分必須涂覆本發(fā)明的涂層。所述在此釆用的涂層物質(zhì)必須滿足幾個標(biāo) 準(zhǔn)。首先，所述涂層必須足夠硬，以抵抗硅粉的連續(xù)撞擊，這個是所 述熱交換元件將在反應(yīng)器中所遇到的。所述撞擊是由使直接法有效所 必須的極端渦流所引起的。典型地，該渦流是由各種用于攪拌組分的 手段來產(chǎn)生的。典型地，所述涂層必須具有大于50HRC的硬度，以 在該環(huán)境下保持完好，可替代地，所述涂層可以具有高于55HRC的 硬度，且可替代地，所述涂層可以具有高于60HRC的硬度。
其次，所述涂層的結(jié)合強(qiáng)度必須足以保持粘附于所述熱交換器。 這是非常困難的，因?yàn)轭l繁熱循環(huán)引起由熱交換元件和涂層的不同熱 膨脹系數(shù)導(dǎo)致的應(yīng)力。當(dāng)粘附不足時，覆層可能分層，這將導(dǎo)致熱交 換器自身暴露于惡劣環(huán)境下。或者，涂層會產(chǎn)生裂紋或形成空隙，這 使得惡劣環(huán)境能使熱交換器降解。為了防止這一點(diǎn)，發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)， 所述涂層應(yīng)冶金結(jié)合于熱交換元件，或者以能獲得等效結(jié)合強(qiáng)度的方 式進(jìn)行結(jié)合。典型地，這獲得具有結(jié)合強(qiáng)度大于200MPa的涂層，可 替代地，結(jié)合強(qiáng)度大于300MPa的涂層，且可替代地，結(jié)合強(qiáng)度大于 400 MPa的涂層。
最后，這種類型的涂層具有足夠的耐化學(xué)性，以避免在直接法的 化學(xué)環(huán)境下的明顯降解。"明顯降解"指的是在溫度超過300°C、包括 氯化氫、氯硅烷、硅粉以及氫氣的直接法環(huán)境下，不會引起熱交換元件的顯著損耗。
本發(fā)明所包含的一個類型的涂層包括遍布于基體中的硬質(zhì)顆粒諸
如碳化鴒，其冶金結(jié)合(metallurgical bond)于熱交換表面。這提供 了非常強(qiáng)的結(jié)合且防止了分層。這是一典型的至少兩步驟的方法，其 中，可釆用若干方法中的一種方法來進(jìn)行初始涂層的涂覆。這些方法 多種多樣，包括熱噴涂、特別配制布料的涂覆、或者特別配制懸浮液 的涂覆。在這些情況下，需要第二步驟利用諸如爐中加熱、真空爐 中加熱、采用感應(yīng)加熱、采用高強(qiáng)度紅外熱加熱、或采用直接火焰加 熱之類的方式，通過將涂層熔合于基板來完成冶金結(jié)合。這種涂層也 可以采用通常所稱的"激光熔覆(laser cladding)"的方法在單個步驟 中進(jìn)行涂覆。
該方法的一個實(shí)例在美國專利US 3,743,556中有描述，其通過援 引合并在此。在該方法中，由有機(jī)粘結(jié)劑和被熔融狀態(tài)下的金屬基體 浸潤的填充物這兩者的混合物的薄膜或板置于基板的表面或基板的一 部分表面上。將固相線溫度比基板和填充物的固相線溫度低的基體金 屬層與所述填充物的薄膜或板鄰接放置，以生成組件。該組件被加熱
高于所述粘結(jié)劑的分解溫度。在加熱時，熔融金屬滲入或融合到填充 物層中。隨著冷卻，便形成填充有填充物的金屬基體的薄涂層。
如上所述的含有碳化鵠的耐損耗涂層可以由幾個供應(yīng)商來提供。 他們包括Keimametal (商品名稱Conforma Clad )、 Innobraze GmbH (商品名稱 BrazeCoat )、 以及 Gremada Industries (商品名稱 LascrCarb )。
依據(jù)本發(fā)明的另一類型的涂層采用涂料系統(tǒng)來涂覆。例如，該方 法在美國專利US6，649，682中有描述，其通過援引而合并。在該方法 中，表面硬化顆粒以及黃銅合金顆粒被制造成單獨(dú)的涂料。該表面硬 化層被首先"涂，，到需要保護(hù)的金屬區(qū)域上。在其上"涂"以黃銅層。 由此涂覆的表面在爐中于惰性環(huán)境下被加熱到高于黃銅合金的熔化 (固相線)溫度的溫度。隨后，該黃銅合金向下滲入到表面硬化和黃銅的層中(冶金結(jié)合)，以使它們變成基板金屬上的黃銅合金基體中的硬 質(zhì)顆粒的合成材料。在該專利所描述的另一方法中，將粘附層涂覆到 金屬基板上，且將表面硬化顆粒涂覆到該粘附層上。在干燥之后，在 粘附的硬質(zhì)顆粒上涂覆另一粘附層。隨后，將黃銅粉涂覆到該濕的粘 合層，由此形成與硬質(zhì)顆粒層重疊的黃銅顆粒層。隨后，在惰性環(huán)境 下加熱，以引起冶金熔合，這將生成冶金結(jié)合到基板金屬上的黃銅基 體中的硬質(zhì)顆粒的復(fù)合材料。在該專利所描述的又一方法中，含有沉 淀的金屬間硬質(zhì)化合物的表面硬化合金粉被制成涂料、并涂覆到所要 保護(hù)的表面上。在干燥之后，接著在惰性環(huán)境下加熱至高于表面硬化 合金的固相線溫度以上的溫度，以形成冶金結(jié)合到基板上的表面硬化 合金的全致密涂層。在該專利所描述的再一方法中，表面硬化顆粒和 表面硬化黃銅合金粉被制成涂料，并涂覆到所要保護(hù)的表面上。隨后 干燥并在惰性環(huán)境下加熱至高于表面硬化合金的固相線溫度以上的溫 度，以完成利用表面硬化合金將表面硬化顆粒冶金結(jié)合到基板上。
依據(jù)本發(fā)明的另一類型的涂層是通過化學(xué)、電化學(xué)、CVD、 PVD 或火焰噴涂燒結(jié)方法來涂覆這樣的粉末組分，包括特定碳化鵠合金 材料的硬質(zhì)顆粒和形成基體的自熔合金顆粒(選自由Ni-基、Fe-基和 Co-基自熔合金構(gòu)成的組)的機(jī)械混合物。例如，該方法描述于美國專 利US4，507，151，其通過援引合并。
依據(jù)本發(fā)明的又一類型的涂層是通過火焰噴涂來涂覆并將包含硬 質(zhì)成分和耐火合金的混合物融合。例如，該方法在美國專利US 4，075，376中有描述，其通過援引合并。
依據(jù)本發(fā)明的最后 一種類型的涂層是采用硬質(zhì)材料的焊接覆蓋。 在該技術(shù)中，滿足上述硬度要求的材料層基本焊接到熱交換元件的表 面上。這導(dǎo)致在涂覆的金屬和形成熱交換器的材料之間形成冶金結(jié)合。 典型地，例如這種材料可以為被分布到整個待焊接覆蓋的材料上的碳 化鵠或者類似的硬質(zhì)材料。這種方法在本領(lǐng)域中是熟知的。
權(quán)利要求
1. 一種用于直接法中的熱交換元件，包括熱交換元件；以及位于所述熱交換元件的至少一部分的表面上的耐損耗涂層，其中所述耐損耗涂層冶金結(jié)合于所述熱交換元件且具有高于50HRC的硬度。
2. 如權(quán)利要求1所述的熱交換元件，其中，所述耐損耗涂層具有 高于200MPa的結(jié)合強(qiáng)度。
3. 如權(quán)利要求l所述的熱交換元件，其中，所述耐損耗涂層能夠 承受溫度超過300。C的氯化氫、氯硅烷、硅粉以及氫氣的環(huán)境而無明 顯降解。
4.
5. —種直接法反應(yīng)器，包括反應(yīng)室，用于通過硅粉與卣化氫或有機(jī)卣化物進(jìn)行反應(yīng)來制備卣 代硅烷；以及至少一個熱交換元件，用于傳送傳熱介質(zhì)，所述熱交換元件定位 在所述直接法反應(yīng)器的所述反應(yīng)室中，其特征在于，所述熱交換元件在其表面的至少一部分上具有耐損 耗涂層，其中所述耐損耗涂層冶金結(jié)合于所述熱交換元件且具有高于 50HRC的硬度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于直接法中的熱交換元件。所述熱交換元件包括在其表面的至少一部分表面上涂覆有耐損耗涂層的熱交換元件。所述耐損耗涂層形成與所述熱交換元件的強(qiáng)結(jié)合，且具有高于50HRC的硬度。這種涂層可以在直接法所處的物理化學(xué)環(huán)境下保持完好。
文檔編號F28F19/06GK101535758SQ200780042481
公開日2009年9月16日 申請日期2007年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月17日
發(fā)明者J·J·克萊蘭霍斯特, J·莫洛伊, M·G·克羅帕, M·施勞本, R·T·普里特查德 申請人:陶氏康寧公司