專利名稱：：通過加入碳酸鈣而富含鈣的耐火材料的制作方法通過加入碳酸鈣而富含鈣的耐火材料
背景技術(shù)：
：本發(fā)明涉及用于施涂于耐火結(jié)構(gòu)的耐火材料，以及將耐火材料施涂于耐火結(jié)構(gòu)或內(nèi)襯的方法。更具體地說，本發(fā)明涉及保存或保持耐火結(jié)構(gòu)或內(nèi)襯免受機(jī)械侵蝕和/或腐蝕性材料侵蝕，所述腐蝕性材料例如為在金屬或金屬合金的制造過程中產(chǎn)生的那些，包括酸性和堿性爐渣。耐火襯里也暴露于熱沖擊，這會導(dǎo)致耐火材料的過早失效。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明涉及耐火材料組合物以及涂覆耐火結(jié)構(gòu)、特別是使用耐火材料的熱耐火結(jié)構(gòu)的方法。耐火材料可以施涂于耐火結(jié)構(gòu)如容器或鋼包。施涂于耐火結(jié)構(gòu)的耐火材料組合物包含約20至約95重量％的氧化鎂基耐火材料，約2.0至約10重量％的碳酸鈣和約0.1至約5重量％的粘結(jié)劑如有機(jī)酸、堿性硅酸鹽或堿性磷酸鹽。來自與耐火結(jié)構(gòu)上的耐火材料接觸的爐或容器的熱量通過向耐火材料傳熱以形成耐火材料的高密度基體而加速本發(fā)明的耐火材料的硬化和固化。施涂的耐火材料從塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變成其最終形式的非塑性的或基本上硬的且不可彎的狀態(tài)，在該最終形式中存在上述高密度基體。耐火材料中的碳酸鈣經(jīng)過來自爐或容器的傳熱而在原位煅燒，其在施涂了耐火材料的耐火結(jié)構(gòu)中經(jīng)受處理。因此在耐火材料不再處于塑性狀態(tài)后產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w。耐火材料形成高密度基體，該基體抵制爐渣和熔融金屬的滲透。在本發(fā)明中，碳酸鈣原位煅燒，這在耐火物質(zhì)基體中留下氧化鈣高反應(yīng)性源。在本發(fā)明中，最粗粒的碳酸鈣可以是ATF-20，其具有從0.85mm以下開始的顆粒尺寸分布。本發(fā)明的很細(xì)的碳酸鈣可以是Vieron15-15石灰石產(chǎn)品，其具有從15微米(0.015mm)以下開始的顆粒尺寸分布。在本發(fā)明中，加入細(xì)的碳酸鈣以便可以與氧化鎂顆粒和任何滲入的爐渣反應(yīng)，而不是作為用于耐熱沖擊的粗顆粒尺寸分布。在另一實(shí)施方案中，耐火材料組合物的氧化鎂基耐火材料以約20至約95重量％的量存在。在另一實(shí)施方案中，耐火材料組合物的氧化鎂基耐火材料以約60至約88重量％的量存在。在另一實(shí)施方案中，耐火材料組合物的碳酸鈣以至少兩種不同的顆粒尺寸分布存在。精細(xì)形式的碳酸鈣以約3.5至約4.5重量％的量存在，較粗形式的碳酸鈣以約3.5至約4.5重量％的量存在。在另一實(shí)施方案中，耐火材料組合物的碳酸鈣以至少兩種不同的顆粒尺寸分布存在。精細(xì)形式的碳酸鈣以約2.5至約3.5重量％的量存在，較粗形式的碳酸鈣以約2.5至約3.5重量％的量存在。在另一實(shí)施方案中，耐火材料組合物還包含約0.2至約8重量％的氫氧化鈣。在另一實(shí)施方案中，耐火材料組合物還包含約0.1至約2.0重量％的增塑劑，如膨潤土。在另一實(shí)施方案中，耐火材料組合物還包含約0.1至1.0重量％的分散劑，如檸檬酸。該耐火材料可以通過噴補(bǔ)(gunning)系統(tǒng)進(jìn)行施涂。在耐火材料的高密度基體形成后，一層耐火材料保護(hù)該耐火材料所施涂的耐火結(jié)構(gòu)抵制腐蝕性材料如熔融爐渣和熔融金屬的侵蝕，尤其是抵制酸性或堿性爐渣以及鋼的侵蝕。在本發(fā)明方法中，可以在使襯里暴露于腐蝕性材料之前以及暴露于腐蝕性材料之后施涂耐火材料，以提供厚度為約1英寸至約12英寸的耐火材料層。理想地，耐火材料的施涂可以在耐火襯里最初暴露于腐蝕性材料之前進(jìn)行，并可以在該襯里每次暴露于那些腐蝕性材料之后重復(fù)進(jìn)行。根據(jù)腐蝕性材料向所施涂的耐火材料中的侵蝕、腐蝕或滲透程度，本發(fā)明的耐火材料不必在腐蝕性材料與耐火材料的每次接觸之后均進(jìn)行再施涂。耐火材料的施涂可以在耐火材料處于約32°F至約2500°F的溫度時進(jìn)行。具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將通過以下說明和非限制性實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。除非另外指明，所有的百分?jǐn)?shù)均基于重量，并且所有的溫度均為華氏度。施涂于耐火結(jié)構(gòu)的組合物包含約20至約95重量％的氧化鎂基耐火材料例如氧化鎂，約2.0至約10重量％的碳酸鈣，以及約0.1至約5.0重量％的粘結(jié)劑例如有機(jī)酸、堿性硅酸鹽或堿性磷酸鹽。來自與耐火結(jié)構(gòu)上的耐火材料接觸的爐的熱量通過從下層的耐火結(jié)構(gòu)向耐火材料傳熱以形成耐火材料的高密度基體而加速本發(fā)明的耐火材料的硬化和固化。施涂的耐火材料從塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變成其最終形式的非塑性的或基本上硬的且不可彎的狀態(tài)，在該最終形式中存在上述高密度基體。耐火材料中的碳酸鈣經(jīng)過來自耐火結(jié)構(gòu)自身的傳熱而在原位煅燒。因此不在耐火材料處于塑性狀態(tài)時產(chǎn)生二氧化碳?xì)怏w。耐火材料形成高密度基體，該基體抵制爐渣和熔融金屬的滲透。來自碳酸鈣的鈣形成CaO或氧化鈣，它富含于將會發(fā)生最初的爐渣滲透的耐火材料基體相中。將碳酸鈣用作CaO(氧化鈣)源是理想的，因?yàn)樗谂c水混合以及隨后的耐火材料施涂期間不與水或其它耐火組分顯著地反應(yīng)(水合或分解)。如果使用氧化鈣而不是碳酸鈣，氧化鈣將快速與水和/或其它粘結(jié)組分反應(yīng)，從而破壞施涂的物料的完整性，這將導(dǎo)致施涂的耐火材料的差的耐久性。本發(fā)明的碳酸鈣在暴露于熱時煅燒以形成反應(yīng)性氧化鈣。當(dāng)爐渣與該氧化鈣接觸時，氧化鈣容易地與爐渣反應(yīng)以生成高熔點(diǎn)化合物如硅酸二鈣。這些化合物使?fàn)t渣稠化和/或固化，從而防止?fàn)t渣向耐火材料體內(nèi)的進(jìn)一步滲透。該機(jī)理降低耐火材料的腐蝕，從而延長耐火材料的壽命。耐火材料可以通過任何分批或連續(xù)給料噴補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行施涂。耐火材料具有良好的耐爐渣性和耐腐蝕性。該材料適合用于電弧爐、堿性氧氣轉(zhuǎn)爐和其它冶金容器或鋼包的維護(hù)。耐火材料可以使用手工工具進(jìn)行手工施涂。用于氧化鎂基耐火材料的噴補(bǔ)組合物的潤濕劑可以是任何合適的分散劑、超塑化劑、陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑或非離子表面活性劑，對于具體組合物，其選擇是耐火領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的。施加于本發(fā)明的耐火組合物的熱量有助于耐火材料的高密度基體的形成。氧化鎂基耐火材料組合物在約230°F至3200°F的溫度下產(chǎn)生相對于目前用于生產(chǎn)或修補(bǔ)耐火爐襯里的組合物得以改善的物理性能。在不進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明的情況下，相信本領(lǐng)域技術(shù)人員通過以上說明能夠完全地使用本發(fā)明。因此，以下實(shí)施方案應(yīng)當(dāng)理解為僅為示例性的，并且無論如何不以任何方式對公開內(nèi)容的其余部分構(gòu)成限制。用于本發(fā)明的耐火材料的氧化鎂即MgO可以來自天然的海水或鹵水鎂砂或其混合物來源。氧化鎂優(yōu)選為重?zé)趸V?！爸?zé)毖趸V指的是高溫?zé)埔援a(chǎn)生耐火顆粒的氧化鎂，其具有降低的與水的反應(yīng)性并賦予該耐火顆粒一定的耐水合性，所述耐火顆粒基本上完全由充分燒結(jié)的低孔隙率晶體形成，以使其區(qū)別于反應(yīng)性的低溫煅燒的輕燒鎂砂。這樣的材料可在市場上以約60至99重量％氧化鎂的純度購得。可用于耐火材料組合物的增塑劑包括但不限于粘土如球狀粘土、高嶺石或膨潤土、氫氧化鋁以及淀粉，優(yōu)選膨潤土。可用于耐火材料組合物的高溫粘結(jié)劑包括但不限于堿性磷酸鹽如磷酸鈉、磷酸鉀、磷酸銨、磷酸鎂、磷酸鈣，以及堿性硅酸鹽如硅酸鈉、硅酸鉀、硅酸鎂、硅酸鈣，以及硫酸鹽如硫酸鈉、硫酸鉀、硫酸鎂、硫酸鈣、硫酸銨、硫酸鋯、硫酸鋁和氨基磺酸。優(yōu)選的粘結(jié)劑包括硅酸鈉、磷酸鈉和氨基磺酸。這些增塑劑和高溫粘結(jié)劑是可商購的。在本發(fā)明中，存在的碳酸鈣的量可以從總耐火材料混合物的約2.0至約10重量％。超過約10重量％的重量百分比的碳酸鈣的使用由于碳酸鈣不能將其自身整合到耐火材料混合物加熱后形成的耐火材料基體中而受到限制。低于約2.0重量％的重量百分比的碳酸鈣的使用由于碳酸鈣不能成為耐火材料中的抑制爐渣向基體滲透的高密度基體的一部分而受到限制。本發(fā)明的碳酸鈣可以具有兩種不同的顆粒尺寸分布，例如很細(xì)的部分和較粗的部分。碳酸鈣的較粗部分可以是諸如可從賓夕法尼亞Bethlehem的SpecialtyMineralsInc.獲得的AFT-20篩分石灰石產(chǎn)品的碳酸鈣。AFT-20篩分石灰石產(chǎn)品具有僅痕量的大于20目(0.85mm)的顆粒，約15重量％的大于40目的顆粒，約75重量％的大于100目的顆粒以及約92重量％的大于200目的顆粒。碳酸鈣的很細(xì)的部分可以是諸如可從賓夕法尼亞Bethlehem的SpecialtyMineralsInc.獲得的Vicron15-15研磨石灰石產(chǎn)品的碳酸鈣。Vicron15-15研磨石灰石僅具有約0.004重量％的大于325目的顆粒并具有3.5微米的平均顆粒尺寸。在另一實(shí)施方案中，耐火材料組合物的碳酸鈣以單一顆粒尺寸分布存在。在耐火材料中以約2.0至約7.0重量％的量存在很細(xì)形式的碳酸鈣。在另一實(shí)施方案中，耐火材料組合物的碳酸鈣以至少兩種不同的顆粒尺寸分布存在。很細(xì)形式的碳酸鈣以約3.5至約4.5重量％的量存在，較粗形式的碳酸鈣以約3.5至約4.5重量％的量存在。在另一實(shí)施方案中，耐火材料組合物的碳酸鈣以至少兩種不同的顆粒尺寸分布存在。很細(xì)形式的碳酸鈣以約2.5至約3.5重量％的量存在，較粗形式的碳酸鈣以約2.5至約3.5重量％的量存在。在一種實(shí)施方案中，耐火材料具有約3.5至約4.5重量％的碳酸鈣的很細(xì)部分，以及約3.5至約4.5重量％的碳酸鈣的較粗部分。此外，該耐火材料混合物可具有從約0.2至約5重量％的六偏磷酸鈉作為硬化劑和高溫粘結(jié)劑以提供強(qiáng)度和基質(zhì)粘合性。該實(shí)施方案的耐火材料的實(shí)例在實(shí)施例1、2和3中給出。在一種實(shí)施方案中，耐火材料具有約2.5至約3.5重量％的碳酸鈣的很細(xì)部分，以及約2.5至約3.5重量％的碳酸鈣的較粗部分。此外，該耐火材料混合物可具有從約0.2至約3.0重量％的氨基磺酸作為硬化劑和高溫粘結(jié)劑以提供強(qiáng)度和基質(zhì)粘合性。該實(shí)施方案的耐火材料的實(shí)例在實(shí)施例4中給出。將這些組合物在感應(yīng)爐中測試。這些組合物在密度、強(qiáng)度、干燥、耐開裂性和耐久性方面滿足或超過性能要求。除非另外說明，所有的篩目尺寸是美國篩目。如下文所示，篩目尺寸以例如5X8的格式表示，它表示存在小于5目并大于8目的顆粒。實(shí)施例1表1示出了用于施涂到熱的或冷的耐火結(jié)構(gòu)例如容器或鋼包的爐渣襯里上的耐火材料。在所有組分已加入混合器中之后，將以下耐火材料配制劑混合3分鐘。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>實(shí)施例2表2示出了用于施涂到熱的或冷的耐火結(jié)構(gòu)例如容器或鋼包的爐渣襯里上的耐火材料。在所有組分已加入混合器中之后，將以下耐火材料配制劑混合3分鐘。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實(shí)施例4表4示出了用于施涂到熱的或冷的耐火結(jié)構(gòu)例如容器或鋼包的爐渣襯里上的耐火材料。在所有組分已加入混合器中之后，將以下耐火材料配制劑混合3分鐘。表4<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>因此，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的以上說明可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員進(jìn)行相當(dāng)?shù)男薷摹⒏淖兒驼{(diào)整，并且應(yīng)當(dāng)認(rèn)為這些修改、改變和調(diào)整在本發(fā)明的范圍內(nèi)。權(quán)利要求適合提供具有高密度基體的耐火材料的組合物，該組合物包含20至95重量％的氧化鎂基耐火材料；0.1至5.0重量％的粘結(jié)劑；以及2.0至10重量％的碳酸鈣，該碳酸鈣用于在暴露于熱后反應(yīng)以提供具有高密度基體的耐火材料并提供用于改善的耐腐蝕性的反應(yīng)性氧化鈣。2.根據(jù)權(quán)利要求1的組合物，其中該粘結(jié)劑選自有機(jī)酸、堿性硅酸鹽和堿性磷酸鹽。3.根據(jù)權(quán)利要求1的組合物，其中該氧化鎂基耐火材料以60至88重量％的量存在。4.根據(jù)權(quán)利要求1的組合物，該組合物進(jìn)一步以0.2至8.0重量％的量包含氫氧化鈣。5.根據(jù)權(quán)利要求1的組合物，該組合物進(jìn)一步以0.1至2.0重量％的量包含增塑劑。6.根據(jù)權(quán)利要求5的組合物，其中該增塑劑為膨潤土。7.根據(jù)權(quán)利要求1的組合物，該組合物進(jìn)一步以0.1至1.0重量％的量包含分散劑。8.根據(jù)權(quán)利要求7的組合物，其中該分散劑為檸檬酸。9.根據(jù)權(quán)利要求1的組合物，其中該粘結(jié)劑為六偏磷酸鈉，其中該六偏磷酸鈉以0.2至5.0重量％的量存在。10.根據(jù)權(quán)利要求1的組合物，其中該粘結(jié)劑為氨基磺酸，其中該氨基磺酸以0.2至3.0重量％的量存在。11.根據(jù)權(quán)利要求1的組合物，其中該碳酸鈣以2.0至7.0重量％的量存在，其中該碳酸鈣具有總體上小于325目的顆粒尺寸。12.根據(jù)權(quán)利要求1的組合物，其中該碳酸鈣以很細(xì)部分和較粗部分存在，所述很細(xì)部分具有總體上小于325目的顆粒尺寸，其中所述較粗部分具有總體上小于20目的顆粒尺寸，15重量％大于40目，75重量％大于100目并且92重量％大于200目。13.根據(jù)權(quán)利要求12的組合物，其中很細(xì)部分以2.5至3.5重量％的量存在，較粗部分以2.5至3.5重量％的量存在。14.根據(jù)權(quán)利要求12的組合物，其中很細(xì)部分以3.5至4.5重量％的量存在，較粗部分以3.5至4.5重量％的量存在。15.根據(jù)權(quán)利要求13的組合物，該組合物進(jìn)一步包含0.2至3.0重量％的氨基磺酸。16.根據(jù)權(quán)利要求14的組合物，該組合物進(jìn)一步包含0.2至5.0重量％的六偏磷酸鈉。17.為含有熔融金屬的容器的襯里提供具有高密度基體的耐火材料的方法，所述方法包括對該襯里施涂20至95重量％的氧化鎂基耐火材料；0.1至5.0重量％的粘結(jié)劑；以及2.0至10重量％的碳酸鈣，該碳酸鈣用于在暴露于熱后反應(yīng)以提供具有高密度基體材料的耐火材料并提供用于改善的耐腐蝕性的反應(yīng)性氧化鈣。18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中該耐火材料通過噴補(bǔ)施涂于襯里。19.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中將該耐火材料以1至12英寸厚的層施涂于該襯里。全文摘要施涂于耐火結(jié)構(gòu)的組合物含有氧化鎂基耐火材料、碳酸鈣和粘結(jié)劑。在向耐火結(jié)構(gòu)施涂該耐火材料后并對施涂的耐火材料加熱后形成基體，該基體抵制爐渣向耐火材料中的滲透。得到的耐火材料具有改善的熱強(qiáng)度、耐爐渣性和耐久性。文檔編號C04B35/03GK101808763SQ200880108514公開日2010年8月18日申請日期2008年8月15日優(yōu)先權(quán)日2007年8月17日發(fā)明者D·M·科拉維托,Y·C·弗穆倫申請人:密執(zhí)安特種礦石公司