專利名稱:接近最終形狀的熔鑄耐火材料及其通過快速熔化和控制快速冷卻的制造方法
本發(fā)明涉及直接生產(chǎn)的熔鑄耐火材料，該耐火材料制品在尺寸及構(gòu)形上接近于所需的最終產(chǎn)品;及其包括快速熔化和控制快速冷卻的制造方法。
特別是，本發(fā)明針對(duì)接近最終形狀的熔鑄耐火材料的制造方法以及新型熔鑄耐火材料制品，它們是使用本發(fā)明的快速熔化、控制快速冷卻方法制得的。這里所用的術(shù)語“接近最終形狀”意味著該熔鑄物或模制體是與熔鑄或模制狀態(tài)下的尺寸及構(gòu)形相近的，并且制備供使用的模制體時(shí)很少或不需再除去模制體上的材料。本發(fā)明的直接熔鑄耐火材料，通過其整體的無規(guī)則顯微結(jié)構(gòu)，以及這里即將敘述的其它特征，區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)。這里所用術(shù)語“無規(guī)則”是關(guān)于顯微結(jié)構(gòu)的，它是指該顯微結(jié)構(gòu)在其結(jié)晶取向上是非定向的。
熔鑄耐火材料早已為人所知并使用多年。這樣的耐火材料在某些用途上比舊式耐火產(chǎn)品有許多優(yōu)點(diǎn)，舊式耐火產(chǎn)品包括用其它耐熱陶瓷材料粘結(jié)成所需形狀的顆粒狀耐熱材料。也已知這些舊式耐火模制品有“燒制型”與“非燒制型”。通過把在其間具有大量開孔的耐火材料顆粒壓緊在一起來制造這些粘結(jié)的耐火制品，這些顆粒由一種粘結(jié)相使它們結(jié)合在一起。當(dāng)此耐火材料基體受到侵蝕性或腐蝕性物質(zhì)的作用時(shí)，例如高爐渣、熔融玻璃等，基體的細(xì)顆粒部分優(yōu)先受到侵蝕。由于它們的互相聯(lián)結(jié)的微孔特性，在耐火產(chǎn)品曝露面以外的部分也受到侵蝕。
已知第二類耐火材料是“熔鑄”耐火材料，這種耐火材料具有非常致密的結(jié)構(gòu)從而具有高強(qiáng)度和高耐侵蝕性，它們并不呈現(xiàn)或不含有互相聯(lián)結(jié)的微孔。
常規(guī)的熔鑄耐火材料通過在類似于制造熔融氧化鋁(用于磨料的)的電爐中，熔化所需組分的混合物來制造的。這種電爐包括一個(gè)水冷的鋼殼體或鐵殼體，除了當(dāng)被熔鑄材料加入時(shí)所形成的熔鑄材料本身所構(gòu)成的爐襯外，沒有任何其它爐襯材料。由在插入鐵殼體中的二個(gè)或多個(gè)電極之間的電弧產(chǎn)生的熱使熔化開始進(jìn)行。熔化的物質(zhì)浴形成后，用電流通過該物質(zhì)的電阻來供熱。將待熔化的材料逐漸加入并且當(dāng)熔融物質(zhì)聚積時(shí)將電極逐漸升高。這類設(shè)備及其描述見F.J.Tone的美國專利929517。當(dāng)配料熔化后，通過排放或傾斜爐體使熔化物流入模中的方法將熔化物質(zhì)鑄入適當(dāng)?shù)哪Ｐ椭?。在鑄造之前，將熔融物質(zhì)加熱到比其本身熔點(diǎn)高得多的溫度。模型盡管也可用其它適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)制作，但通常由石墨制成。模型配備有尺寸足夠充裕的冒口或內(nèi)澆口，以便熔化物質(zhì)完全充滿模型而不受冒口內(nèi)凝固物質(zhì)的阻礙。該鑄塊留在各自的模型中進(jìn)行熱處理，或者當(dāng)鑄件的外壁已固化后從模型中脫掉，隨后以自身熱量進(jìn)行退火而無需其它種形式的供熱。這種退火一般進(jìn)行數(shù)天，并且可用熱砂或其它絕熱物質(zhì)蓋在鑄件上來完成。一般將鑄件緊密地堆放在一起，從而使它們借自身的熱量進(jìn)行退火。這種退火對(duì)于防止在冷卻過程中的過度局部收縮是必要的，該局部收縮引起足以導(dǎo)致開裂的應(yīng)力。也可通過將鑄塊置于爐中并逐漸降低爐溫的方法來進(jìn)行退火。當(dāng)鑄件已冷卻后，檢驗(yàn)鑄造部分并用金鋼石切割和/或研磨精整。冒口可在鑄造后或退火后盡可能低地切除。在冒口中的材料量常大約等于所需制造的耐火物塊中的材料量。冒口材料通常循環(huán)使用，但相當(dāng)費(fèi)錢。鑄造和退火方法見美國專利2279260。
在已知制造熔鑄耐火材料的方法中，當(dāng)鑄造時(shí)，該已熔化物質(zhì)溫度比其熔化溫度高得多，因此在完全凝固以前要有一個(gè)長的冷卻期。結(jié)果，常規(guī)熔鑄產(chǎn)品具有定向結(jié)晶結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在鑄件表面附近為細(xì)晶粒，越向中心方向或最后冷卻部分靠近，晶粒越加定向地粗化。按照冷卻速率和鑄件成分的液-固相圖，結(jié)晶結(jié)構(gòu)和鑄件的化學(xué)成分從表面到中心改變了，這一切決定著凝固前沿的特性及其前進(jìn)的速率。此外，由于較重物質(zhì)諸如ZrO2和Cr2O3借重力沉積于底部而造成在爐中和模型中的分層，因此常規(guī)熔鑄耐火材料的化學(xué)成分也是不均勻的。用于制造常規(guī)熔鑄耐火材料的典型冷卻速率在約每小時(shí)10℃到約50℃之間。電弧爐石墨電極也將碳引入熔液中。此碳能引起一氧化碳和一氧化硅的放出，導(dǎo)致在常規(guī)熔鑄產(chǎn)品中微孔的產(chǎn)生。也已知常規(guī)熔鑄耐火材料含碳量達(dá)0.5%。當(dāng)耐火材料用于制玻璃槽的襯里時(shí)是不希望有碳存在的。
以前曾提出過許多熔鑄耐火材料的各種不同成分，并且曾發(fā)現(xiàn)對(duì)于特定的用途來說某些成分是優(yōu)越的。這些熔鑄耐火材料在例如美國專利2063154、2279260、2911313、3188219、3232776、3759728、3773531、4158569、4490474等中提出過。這些成分中的任何一個(gè)以及其它許多成分，可結(jié)合本發(fā)明加以利用。
眾所周知，在特定的用途上可使用等離子體來加熱或處理材料，舉例如下美國專利3257196公開了通過等離子體流與粉狀耐火材料直接接觸進(jìn)行處理的裝置和方法。
美國專利3429962和3645894描述金屬氧化物層和由金屬氧化物構(gòu)成的物體的制備方法，該方法是將基本上球狀的金屬氧化物的燒結(jié)顆粒通過等離子體噴霧沉積在金屬型芯上，隨后將該型芯腐蝕去掉。本發(fā)明方法與此不同，因?yàn)楸３忠粋€(gè)熔融層，該層用來幫助捕獲被噴射的顆粒。在如美國專利3429962和3645894中所描述的常規(guī)等離子噴涂中，所噴射的高百分比例如30到40%的顆粒未被捕獲，因?yàn)楸砻嫱耆枪腆w，并且必須避免金屬基底的熔化。按照現(xiàn)有技術(shù)的等離子噴涂技術(shù)，所得的陶瓷層也具有高孔隙度。
美國專利3777044公開一種重新熔化高反應(yīng)性金屬及其合金的片狀廢料的等離子體電弧爐。該廢料以消耗電極的形式進(jìn)行熔化。
美國專利4119472涉及由再粘合的熔鑄氧化鋁/氧化鋯/二氧化硅耐火顆粒形成的耐火材料零件。
美國專利4426709描述一種傳遞弧(transferred arc)等離子體加熱爐，用來從固體和/或液體物料生產(chǎn)鋼。
在發(fā)表于《Taikabutsu Overseas》第4卷、第2期、1984，名為“等離子體熔煉”的文章中，Koshi Kato一般地描述了等離子體熔煉，它們的許多各式各樣的用途以及等離子體熔煉爐的一些類型。其中描述了一種等離子體漸進(jìn)鑄造爐，該爐利用一個(gè)或多個(gè)電弧噴槍在一個(gè)水冷坩堝中來熔化原料，當(dāng)熔化過程進(jìn)行時(shí)，降低坩堝爐底，以使熔融金屬連續(xù)地從底部冷卻，在他的結(jié)論中作者指出，將來高熔點(diǎn)材料，諸如陶瓷，將可用這些爐子熔化。
按照本發(fā)明，發(fā)現(xiàn)耐火熔鑄模制體能直接用下列方法生產(chǎn)使耐火顆粒曝露于等離子體下迅速將其加熱，將此加熱的耐火顆粒沉積于模型內(nèi)，使加熱的顆粒在模型中時(shí)至少部分地聚結(jié)成一種熔體，然后在一種可控方式下使此熔體迅速冷卻，以形成一種具有整體無規(guī)則顯微結(jié)構(gòu)的完全凝固的模制體。這里所用的無規(guī)則顯微結(jié)構(gòu)是指當(dāng)包括模制體中心或最后凝固部分的橫斷面視圖與具有普通輻射取向結(jié)晶成長型的常規(guī)熔鑄耐火材料從其表面到中心或到最后凝固部分相比較時(shí)，結(jié)晶成長取向是不定向的。本發(fā)明耐火物熔鑄模制體進(jìn)一步的特征在于整體均勻的細(xì)粒顯微結(jié)構(gòu);沒有冒口;和封閉微孔均勻地分布在整體內(nèi)。這些特征在全體熔鑄制品中可以是始終如一的，或者也可以按照設(shè)計(jì)者或制造者的意愿而改變。反之，在常規(guī)熔鑄耐火材料中，由于在模表面或接近模表面處快速冷卻，靠近模型處的顯微結(jié)構(gòu)是細(xì)的;但離邊角的遠(yuǎn)處如中心或鑄件最后凝固部分，則變得很粗。本發(fā)明不受任何特別化學(xué)成分的限制。本發(fā)明可擴(kuò)展能被熔鑄的成分范圍，并能生產(chǎn)完全不含碳的熔鑄模制體。相信非電傳導(dǎo)的成分當(dāng)熔化時(shí)也可以進(jìn)行熔鑄。
附圖的簡(jiǎn)單介紹如下，在附圖中圖1和圖2示出本發(fā)明耐火模制體放大50倍的顯微結(jié)構(gòu)，圖1是離模壁約19.05毫米的典型顯微結(jié)構(gòu)，圖2是離模壁約76.2毫米的最粗或制造最不良的典型顯微結(jié)構(gòu)。
圖3、4和5示出按照現(xiàn)有技術(shù)的距模型表面約12.7毫米、38.1毫米和63.5毫米的熔鑄耐火材料的放大50倍的典型顯微結(jié)構(gòu)。
圖6是圖解性的立視圖(部分地以斷面顯示)，它示出供制造本發(fā)明的直接熔鑄耐火材料體用的按照本發(fā)明的最佳裝置和方法的實(shí)施例。
可以了解到，圖1到圖5是從含50%氧化鋁、34%氧化鋯、14%二氧化硅、其余為堿和堿性氧化物制造的典型熔鑄耐火材料模制體。以后把氧化鋁-氧化鋯-二氧化硅稱為AZS。在此說明書和所附權(quán)利要求
中，所有的百分?jǐn)?shù)、比率和分?jǐn)?shù)除了特別指定外都以重量為基礎(chǔ)表示。在圖3-5描述的常規(guī)熔鑄產(chǎn)品可購自Sohio工程材料公司，Niagara Falls，NY(以前的The Carborundum Company)并且被稱為Monofrax
S-3。在圖1-2中所描繪的耐火材料模制體是由同一批成分制成的。在每一顯微結(jié)構(gòu)中的白色區(qū)域是樹枝狀的氧化鋯，淺灰色區(qū)域是帶共折氧化鋯的剛玉，深灰色區(qū)域是高硅玻璃，黑色區(qū)域代表孔隙。
參照?qǐng)D1和圖2，它們示出按照本發(fā)明直接生產(chǎn)的耐火熔鑄模制體的顯微結(jié)構(gòu)。與高取向的顯微結(jié)構(gòu)相對(duì)比，這些模制體的特征在于，它有整體無規(guī)則的顯微結(jié)構(gòu)，而前者即高取向顯微結(jié)構(gòu)則存在于相似成分的常規(guī)熔鑄耐火材料中，如在圖3-5中所描繪的那樣。如圖1和圖2所示，本發(fā)明耐火模制體的特征還在于，它的整體細(xì)粒顯微結(jié)構(gòu)和分布均勻的封閉微孔。總體來看，盡管在鑄造過程中由于生產(chǎn)參數(shù)的變化可以有意地改變這些特征，但這些特征在整個(gè)直接熔鑄體內(nèi)是普遍一致的。
反之，在現(xiàn)有技術(shù)的熔鑄耐火材料中，靠近模壁處由于非?？焖倮鋮s，顯微結(jié)構(gòu)是非常細(xì)的晶粒，而距鑄件表面距離越遠(yuǎn)則越粗化。圖3所描繪的顯微結(jié)構(gòu)延伸到小于距模壁約25.4毫米處。如圖4所示，當(dāng)同靠近模型或鑄件表面的顯微結(jié)構(gòu)相比(如圖3所示)時(shí)，在距鑄件表面38.1毫米處，其顯微大為粗化。在距鑄件表面63.5毫米處，如圖5所示，顯微結(jié)構(gòu)還要粗化。
按照本發(fā)明的熔鑄耐火模制體同現(xiàn)有技術(shù)之間的進(jìn)一步區(qū)別還在于分布在整體模制體內(nèi)的成分均勻性。按照本發(fā)明的模制體中，除非是有意變動(dòng)，否則成分完全均勻分布;而按照現(xiàn)有技術(shù)的模制體，當(dāng)逐漸冷卻和發(fā)生結(jié)晶化時(shí)，以及也由于如上所描述的分層，其成分必然要變化。在常規(guī)熔鑄耐火材料的慢冷過程中，當(dāng)溫度逐漸下降時(shí)，首先結(jié)晶出來是較高凝固點(diǎn)的組分，從而改變剩余液相線的化學(xué)成分。反之，在按照本發(fā)明的模制體內(nèi)，沒有充分的時(shí)間使其在化學(xué)成分上發(fā)生這樣的改變;或者沒有充分時(shí)間產(chǎn)生由于重力所致的液相線的分層。
按照本發(fā)明的熔鑄耐火模制體和現(xiàn)有技術(shù)之間的另一區(qū)別還在于，模制體的純度，按照本發(fā)明的模制體在其內(nèi)部完全不含碳。在接觸石墨模型的表面或靠近該表面可能有少許碳的沾污。
可把在常規(guī)熔鑄耐火材料的機(jī)制設(shè)想為一個(gè)行進(jìn)中的凝固前沿，該凝固前沿將最低熔點(diǎn)相從模制體表面帶到中心或最后冷卻部分。凝固速率在模制體表面上快;而當(dāng)凝固前沿向內(nèi)推進(jìn)時(shí)卻顯著變慢了。因?yàn)樵诔Ｒ?guī)熔鑄體中模制體表面首先凝固，然后才是內(nèi)部凝固以及收縮，因而導(dǎo)致在鑄件最后冷卻部分產(chǎn)生大孔隙。本行業(yè)熟練技術(shù)人員皆知該孔隙叫作“縮孔”。按照本發(fā)明的模制體，也可含有“縮孔”，但是它的尺寸可減小。
對(duì)于圖1-5所示特定的AZS體系，人們可觀察到在圖5內(nèi)的孔隙量和二氧化硅玻璃的量比圖1和圖2大得相當(dāng)多并且分布不同，該圖1和圖2是利用本發(fā)明的同樣進(jìn)料成分的典型。
當(dāng)與常規(guī)熔鑄相比時(shí)，按照本發(fā)明的熔鑄耐火模制體具有細(xì)的不定向顯微結(jié)構(gòu)。對(duì)于在圖1和圖2所描繪的特定AZS體系來說，與同樣成分的常規(guī)熔鑄產(chǎn)品的顯微結(jié)構(gòu)對(duì)比，它沒有粗的、樹枝狀氧化鋯，而后者在硅玻璃中含有帶氧化鋯斑點(diǎn)的鋼玉板晶。按照本發(fā)明圖1和圖2描繪的AZS體系，耐火模制體具有細(xì)的非定向帶有鋼玉的氧化鋯沉淀物。這是由于在任何特定時(shí)間內(nèi)有少量液相線的存在，而該液相線的存在則是由于從傳遞弧直流等離子體來的強(qiáng)熱進(jìn)行快速熔化以及同時(shí)向模型快速冷卻所致。與存在于常規(guī)熔鑄產(chǎn)品中的帶氧化鋯斑點(diǎn)的鋼玉板晶相對(duì)比，本發(fā)明產(chǎn)品的玻璃相是無規(guī)則的。按照本發(fā)明的熔鑄AZS具有珠光體結(jié)構(gòu)。按照本發(fā)明的熔鑄模制體含有均勻分布于整體內(nèi)的封閉微孔，而不是如常規(guī)熔鑄耐火材料中那樣，其微孔被集中成氣泡升向冒口。這些微孔的尺寸可以控制，經(jīng)過嚴(yán)格控制的操作幾乎可以完全消除它們。由于在被熔鑄成分中固有的收縮量，一些微孔將自然地產(chǎn)生。反之，在同樣批料的常規(guī)熔鑄耐火材料中，在中心或最后凝固部分有許多聚集的微孔。微孔的分布是不能控制的，除非試圖在高成本下使用大的冒口來抵消這個(gè)效果。而本發(fā)明的熔鑄模制體則不需冒口。反之，通常在質(zhì)量上等于被熔鑄部件的大冒口對(duì)于補(bǔ)償常規(guī)熔鑄方法中固有的收縮是必不可少的。
大面積薄載面，例如25.4毫米×304.8毫米×304.8毫米的瓦片，能按照本發(fā)明直接生產(chǎn)。反之，當(dāng)使用常規(guī)熔鑄方法時(shí)，必需制成一大塊然后將其切成瓦片，因?yàn)槟Ｐ偷难杆傥鼰?，使熔體不能確實(shí)完全充滿模型。這些常規(guī)所制瓦片的顯微結(jié)構(gòu)按照從大塊上所切取的部位而變化，或者如在大鑄塊中固有的顯微結(jié)構(gòu)那樣從邊緣到中心而變化。
我們將要了解到，在圖1到圖5所給的特殊顯微結(jié)構(gòu)是當(dāng)使用特定的AZS化學(xué)成分時(shí)所得結(jié)果的表征。當(dāng)制造不同化學(xué)成分體系的模制體時(shí)，可予期有不同的顯微結(jié)構(gòu)，但是在按本發(fā)明產(chǎn)品和按現(xiàn)有技術(shù)方法所制產(chǎn)品之間在取向性和均勻性方面的差異的一般性觀測(cè)結(jié)果，將總是存在的。
在圖6中，圖解說明一臺(tái)用于本發(fā)明的熔鑄裝置10，此裝置也可叫做“等離子體漸進(jìn)熔鑄爐”。裝置10包括一個(gè)等離子體噴槍12及其支座(未畫出)，一臺(tái)供電設(shè)備(未畫出)和一個(gè)氣體源14，該氣體源被引入等離子體噴槍12中使電能轉(zhuǎn)換成高溫等離子體。噴槍12本身可屬于常規(guī)構(gòu)造，不包括在本發(fā)明之中。雖然相信其它型的等離子體，諸如RF等離子體和直流非傳遞弧等離子體也能合用，但該噴槍12的構(gòu)形最好是擬產(chǎn)生傳遞弧直流等離子體用的。氧-烴氣體噴槍可合用。由于直流傳遞弧等離子體的極高能量集中以及對(duì)于噴射入模型20的耐火顆粒進(jìn)料有高捕獲效率，直流傳遞弧等離子體是非常可取的。例如，可將100千瓦噴槍電弧聚焦，以便在19.35厘米2到38.7厘米2的面積上噴射其輸出功率。使用丙烷氣體焰炬，象在英國專利公布號(hào)2104056A中所描述那樣，是達(dá)不到這樣高的熱強(qiáng)度的。
耐火材料粉末16從耐火粉末源15(其粒度小于美國標(biāo)準(zhǔn)篩5目)引入噴槍12。在噴槍12開動(dòng)時(shí)，從其發(fā)射出來的是含有耐火顆粒的高溫等離子體流17，當(dāng)該耐火顆粒從噴槍向模型底板23噴射時(shí)它已受熱。模型20也包括一個(gè)水冷模套22，此模套與供電源的陽極(正電極)相連接，等離子體噴槍與供電源的陰極(負(fù)端)相連接。模底板23裝在一個(gè)下降機(jī)構(gòu)26上，當(dāng)熔鑄進(jìn)行時(shí)該下降機(jī)構(gòu)緩慢降入水冷模套22中。當(dāng)耐火顆粒被噴向模底板23和被捕獲并在耐火模制體頂部轉(zhuǎn)變?yōu)槿刍瘜訒r(shí)，耐火模制體40最上的實(shí)線41代表耐火材料顆粒的物理邊界。此熔化層在其表面上一般是靜流體，即粘度低，并且當(dāng)形成高度致密模制體時(shí)可以觀測(cè)到它的表面和波紋。在通常使用的溫度，即大于1000℃時(shí)，熱能就迅速向外輻射，并由水冷模套22吸收和向下由底板23所吸收。點(diǎn)線42表示等溫線輪廓，在該等溫線處，第一相從高于該線的熔化層中凝固出來。因?yàn)樵谀Ｖ企w邊緣上的冷卻比其中心要更快些，所以在線42的中心比其兩端低。線43表示在制造過程中完全固化的耐火材料模制體40頂端的等溫線輪廓。所有在耐火材料模制體40內(nèi)的線43以下的物質(zhì)全部固化。在生產(chǎn)模制體中，噴射耐火材料粉末二分鐘內(nèi)就可達(dá)到完全凝固。雖然較長凝固時(shí)間也包括于本發(fā)明內(nèi)，但當(dāng)時(shí)間延長時(shí)分層的危險(xiǎn)也增加。凝固時(shí)間應(yīng)保持在10分鐘以下，并且最好在5分鐘以下，以便減少分層的危險(xiǎn)。AZS的76.2毫米×228.6毫米橫截面的模制體可用100千瓦噴槍，以每分鐘約10.16到20.3毫米深的速率生產(chǎn)。在形成過程中，液相線的深度最大約為25.4毫米。
當(dāng)希望生產(chǎn)尺寸大于噴射面積線性尺寸152.4毫米的熔鑄耐火材料模制體時(shí)，等離子體噴槍12及其供電系統(tǒng)可安裝于橫向機(jī)構(gòu)上(圖上未畫出)或者用另一選擇方案，將模型20安裝在橫向機(jī)構(gòu)上(圖中未畫出)。在此情況下，等離子體噴槍12最好安裝一塊連接到(如用金屬做的)結(jié)構(gòu)支撐件19的水冷輻射擋板18。當(dāng)要生產(chǎn)大面積尺寸的模制體時(shí)，在熔鑄件熔化層內(nèi)的大部分熱量由輻射擋板18擋住。
當(dāng)耐火材料模制體40退出模套22的底部出口時(shí)，它已完全凝固。這時(shí)可使其在空氣中冷卻，或也可使其經(jīng)受進(jìn)一步強(qiáng)制速冷。這樣的二次冷卻可由配備一個(gè)二次冷卻套28的設(shè)備來完成，該二次冷卻套在耐火材料模制體40外部并與之隔開。二次冷卻由通過二次冷卻氣體噴嘴29的冷卻流體30的噴射來完成。冷卻流體在耐火材料模制體40上沖擊并在耐火材料模制體40和二次冷卻套28之間流動(dòng)。此流體可以是氣體如空氣，或是水。套28可由水冷卻。
如前所述，最可取的是采用直流傳遞弧等離子體。轉(zhuǎn)化成為等離子體的氣體可以采用任何氣體，然而對(duì)于工業(yè)上制造的已知耐火材料成分來說，此氣體通常是不含氧的氣體，諸如氮或者是含氧空氣，氣體的選擇依所需制造的特殊耐火材料的成分而定。在制造其顯微結(jié)構(gòu)繪于圖1和圖2的AZS耐火材料模制體中，氣流14用氮?dú)庖约胺勰饬?6用空氣。輻射擋板18的最宜材料包括碳?xì)只蚱渌突鸩牧?，其中包括AZS耐火材料。水冷模套22最好用石墨制造，水冷模底板23也用石墨制造。二次冷卻套28可用石墨或耐火材料或金屬制成。
希望氣體從熔融鑄件中放出以便防止孔隙形成，此外，放氣主要由熱收縮所引起。按照本發(fā)明在制造熔鑄模制體過程中，氣體諸如SiO、Na2O和CO的是容易放出的，因?yàn)閮H在模制體的上部表面或接近該上部表面有液體存在。再者，當(dāng)?shù)蚱渌鼰o碳?xì)怏w在金屬噴槍中通過電能轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體時(shí)，因?yàn)闆]有碳進(jìn)入，所以發(fā)生較少量氣體。反之，在標(biāo)準(zhǔn)熔鑄耐火材料中，由于大體積的液相和冒口，氣體難于放出。模型必須具有合適的構(gòu)形和定位，以便使氣體通過熔鑄部分上升入冒口中，并且充其量也僅能部分有效，除非不惜產(chǎn)生大量廢料而提高成本。還有，在常規(guī)熔鑄方法中，使用石墨電極來熔化耐火材料。在熔化過程中，碳從電極進(jìn)行熔體中，一些碳轉(zhuǎn)化成一氧化碳和二氧化硅轉(zhuǎn)變成一氧化硅氣體。
此外，本發(fā)明方法比常規(guī)熔鑄方法有相當(dāng)高的效率。這大部分是由于在實(shí)施本發(fā)明方法中不需冒口，所以效率高。
本發(fā)明方法可用來生產(chǎn)直接結(jié)合的熔鑄耐火材料的復(fù)合物，這在此以前是不可能的或者是無法實(shí)施的?？梢灾苯釉谙热坭T的第一種耐火材料成分上噴射第二種耐火材料成分或者從第二噴槍系統(tǒng)同時(shí)并排噴射以使其直接結(jié)合在一起。第一種成分的耐火顆?？稍谀Ｐ椭谐练e一段時(shí)間，在該時(shí)間內(nèi)足以形成至少部分固化的模制體，隨后第二種成分沉積在所述的模制體上，以便形成復(fù)合成層的模制體，其中第一熔鑄耐火材料直接結(jié)合到第二熔鑄耐火材料上?？梢杂杵谠谶@樣的層狀復(fù)合模制體中有一個(gè)成分的梯度或過渡區(qū)?？梢陨a(chǎn)由第一耐火材料包圍并粘接第二耐火材料的復(fù)合模制體。這樣的復(fù)合層狀模制體可獲相當(dāng)高的經(jīng)濟(jì)利益。在更換前其厚度為常規(guī)熔鑄耐火材料厚度的大約3/4就能安全使用。當(dāng)較貴重耐火材料被消耗時(shí)，在由廉價(jià)耐火材料所提供的結(jié)構(gòu)完整性的情況下，這種復(fù)合耐火材料可使貴重材料諸如Cr2O3得到完全利用，而不需循環(huán)使用或讓爐上的生產(chǎn)槽早期停工。
實(shí)施例1在高于99%純的鋯英石砂(ZrO2∶SiO2)中摻以99.5%純的氧化鋁(Al2O3)，形成一種具有下列比例的干微粒的混合物50氧化鋁/34氧化鋯/14二氧化硅。將此粉末混合物以約18.1公斤/小時(shí)速率加入一個(gè)直流傳遞弧等離子體噴槍孔下部，同時(shí)控制施加的功率以便維持液相線的表面溫度約為2150℃，(該溫度以光學(xué)高溫計(jì)表示，未對(duì)熔融AZS的輻射系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償)。噴槍的名義功率約為70千瓦。將等離子體流和加熱的耐火材料顆粒向下噴射入一只內(nèi)部平視尺寸為76.2毫米×228.6毫米及立視尺寸為114.3毫米的水冷石墨模型中。生產(chǎn)一個(gè)在尺寸和形狀上對(duì)應(yīng)于石墨模型的耐火材料模制體約為24分鐘。熔鑄后，將模制體從石墨模型中脫除，使在空氣中冷卻約2分鐘，然后浸入水中急冷。由所得冷卻耐火模制體的分析結(jié)果表明，它是一種整體細(xì)粒、均勻的非定向顯微結(jié)構(gòu)，并且在模制體中心存在一個(gè)小孔隙。
實(shí)施例2除使模制體在空氣中冷卻外，其它均重復(fù)實(shí)施例1的操作。由冷卻耐火材料鑄件的分析結(jié)果表面，它是一種細(xì)粒、均勻的非定向顯微結(jié)構(gòu)。其孔隙比實(shí)施例1要大得多。
實(shí)施例3除使施加于噴槍的功率降低以便保持液相線表面溫度約為1950℃外，其它均重復(fù)實(shí)施例1的操作。噴槍的名義功率約為60千瓦。所得水急冷模制體為細(xì)粒、均勻的非定向顯微結(jié)構(gòu)并具有均勻尺寸和整體分布均勻的封閉孔隙。確信這個(gè)孔隙度是由于不能在固化前逃逸的被捕集的氣體所致，因?yàn)橐合嗑€的粘度太高和在鑄造時(shí)液相線的存在時(shí)間太短。
上述說明和實(shí)施例只是用來闡明本發(fā)明的，因此并不限制本發(fā)明?？梢岳斫?，在本發(fā)明中是能夠做出從詳細(xì)說明的實(shí)施例看來是顯而易見的各種改進(jìn)。這些變化亦應(yīng)包括在本發(fā)明說明書和權(quán)利要求
之中。這些變化的例子如下可以使用多路等離子體噴槍;耐火材料粉末物質(zhì)可縱向通過噴槍，或者沿著噴槍的長度在不同點(diǎn)上引入，或者從噴槍出口后引入等離子體;耐火材料粉末可通過運(yùn)輸帶或螺旋型傳送器或振動(dòng)傳送器引入，而代替通過氣體運(yùn)輸;可以使用多路噴槍和具有不同成分的多路進(jìn)料;第二冷卻套本身可包含引入第二冷卻流體的孔口;第二冷卻套可以用液體冷卻;模型套的高度可以同所生產(chǎn)的模制體的深度一樣大，并且底板寧可是固定的而不是活動(dòng)的。
權(quán)利要求
1.一種耐火材料熔鑄模制體，其特征在于，整體無規(guī)則的顯微結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的模制體，其進(jìn)一步特征在于，整體細(xì)粒的顯微結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1的模制體，其進(jìn)一步特征在于，沒有冒口。
4.根據(jù)權(quán)利要求
2的模制體，其進(jìn)一步特征在于，整體分布均勻的封閉微孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1的模制體，其進(jìn)一步特征還在于，整體均勻的顯微結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1的模制體，其進(jìn)一步特征還在于，整體均勻的化學(xué)成分。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1的模制體，其進(jìn)一步特征還在于，在其內(nèi)部不含碳。
8.一種熔鑄耐火材料復(fù)合物，其特征在于，第一熔鑄耐火材料與第二熔鑄耐火材料直接結(jié)合。
9.生產(chǎn)耐火熔鑄模制體的方法，包括A、將等離子體射向具有水冷裝置的模型;B、通過將耐火材料顆粒暴露于所說的等離子體中以使其快速加熱;C、在加熱過程中將所說的加熱的耐火材料顆粒沉積于所說的模型中;D、在所說的模型中，使所說的加熱的顆粒至少部分地聚結(jié)成熔融體;E、在所說的模型中，以控制方式快速冷卻所說的熔融體，以形成具有整體無規(guī)則顯微結(jié)構(gòu)的完全凝固的模制體。
10.根據(jù)權(quán)利要求
9的方法，其特征在于，通過使耐火材料顆粒暴露于等離子體中來使其快速加熱。
11.根據(jù)權(quán)利要求
10的方法，其特征在于，等離子體由傳遞直流弧產(chǎn)生。
12.根據(jù)權(quán)利要求
9的方法，其特征在于，進(jìn)一步快速冷卻完全凝固的模制體。
13.根據(jù)權(quán)利要求
9的方法，其特征在于，通過將所說的顆粒引入共同流動(dòng)的所說的等離子體中來完成快速加熱。
14.根據(jù)權(quán)利要求
9的方法，其特征在于，在整個(gè)熔鑄模制體的制造過程中，步驟A到E是連續(xù)和均勻地實(shí)施。
15.根據(jù)權(quán)利要求
9的方法，其特征在于，耐火材料顆粒小于美國標(biāo)準(zhǔn)篩5目。
16.根據(jù)權(quán)利要求
9的方法，其特征在于，等離子體選自下列氣體氮、空氣或它們的混合物。
17.根據(jù)權(quán)利要求
9的方法，其特征在于，在二分鐘內(nèi)，將耐火材料顆粒加熱到完全熔化狀態(tài)和然后冷卻到完全固態(tài)。
18.根據(jù)權(quán)利要求
9的方法，其特征在于，使耐火材料顆粒熔化到足夠的溫度并維持足夠的時(shí)間，以保證放氣從而產(chǎn)生低孔隙度的凝固模制體，同時(shí)要使該熔融體足夠快速地冷卻以防止分層。
19.根據(jù)權(quán)利要求
9的方法，其特征在于，還包括將第一種成分的耐火材料顆粒在所說的模型中沉積一段足夠的時(shí)間，以形成至少部分凝固的模制體，隨后再把第二種成分的耐火材料顆粒沉積在所說的模制體之上，以形成復(fù)合的層狀模制體。
20.根據(jù)權(quán)利要求
9的方法，其特征在于，它還包括在制造模制體時(shí)，將不同成分的耐火材料顆粒沉積入所說的模型內(nèi)。
21.根據(jù)權(quán)利要求
9的方法，其特征在于，它進(jìn)一步包括將不同成分的耐火材料顆粒同時(shí)沉積入所說的模型的不同區(qū)域內(nèi)。
22.根據(jù)權(quán)利要求
21的方法，其特征在于，它還進(jìn)一步包括把第一和第二等離子體流同時(shí)射向所說的模型內(nèi)，并將第一種成分耐火材料顆粒加入所說的第一等離子體流中和把第二種成分耐火材料顆粒加入所說的第二等離子體流中，以形成一復(fù)合模制體，其特征為，使第一熔鑄耐火材料與第二熔鑄耐火材料直接結(jié)合。
專利摘要
本發(fā)明介紹了具有無規(guī)則顯微結(jié)構(gòu)、在尺寸與構(gòu)形上接近于所需最終形狀的熔鑄耐火模制品、制造方法及其所用設(shè)備。該方法包括將耐火材料快速熔化，隨后控制快速冷卻?？芍圃鞆?fù)合層狀熔鑄耐火材料。
文檔編號(hào)C04B35/107GK87100980SQ87100980
公開日1987年10月7日 申請(qǐng)日期1987年2月3日
發(fā)明者喬納森·J·金, 托馬斯·A·邁爾斯 申請(qǐng)人:肯納科特公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan