专利名称：水泥装置的耐火锚固件的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于在水泥厂预热器塔中使用的水泥装置(cement plant)的耐火锚固件。然而，本领域技术人员将理解，本发明并不限于预热器塔，相反本发明可以应用于热交换器、膨胀式风箱、燃烧器、吊管架和在水泥工业内使用的其他高温部件。
背景技术：
波特兰水泥是混凝土和砂浆中的基本成分。波特兰水泥的生产包括将石灰石与少量其他材料例如粘土结合，以及在窑炉中加热混合物。所得到的产物烧结成块或小球 (nodule)，且通常叫做‘烧结块’。随后用石膏将烧结块研磨成粉以制成‘普通波特兰水泥’， 其是最常用的水泥类型。在水泥厂中，预热器塔用于烧结块生产过程中。预热器塔支撑一系列垂直的旋风室，原料例如石灰石和粘土在途中通过旋风室至窑炉。烧结块中的其他添加剂包括氯化物、 硫、碱性物(alkalide)、一氧化碳、氮氧化物和二氧化硫。原料在进入窑炉之前被预热，并且使用立管和导管使热气体循环。立管和导管内的温度范围通常在850°C至950°C之间。旋风分离器和立管的内壁衬有耐火材料，且耐火材料被耐火锚固件机械支撑。耐火锚固件通常是不锈钢耐火锚固件，其被焊接到旋风分离器和立管的外部钢壳。耐火锚固件被焊接到钢壳，并且随后向壳上涂覆两层耐火材料。隔热层被与壳毗邻定位，而第二热面层离壳最远。耐火锚固件延伸穿过隔热层和热面层。因为耐火材料并未充分结合到钢壳本身，所以锚固件被以矩阵形式布置以起到将耐火衬里机械固定到壳的作用。耐火锚固件通常用253MA不锈钢制造。253MA是含有稀土金属的奥氏体铬镍钢。 253MA的典型组成可包含铬20% -22%、镍10% -12%、硅1. 4% -2%、少量碳、锰、氮和铈， 且其余是铁。253MA不锈钢在高温下具有高的强度并因此常用于温度高达约900°C的结构应用中。253MA在温度高达1150°C下提供对空气优异的耐受性，因为在高温下，253MA不锈钢快速地形成薄的、弹性氧化物，其用作保护表面的牺牲衬里。另外，253MA不锈钢具有良好的耐西格玛相脆化。上述所有内容使得253MA不锈钢是用于水泥厂中的耐火锚固件的良好选择。耐火锚固件损坏是水泥厂中公知的问题。当耐火锚固件损坏时，耐火材料的一部分会与不锈钢壳分开，这导致旋风分离器堵塞。另外，在停工维修期间，任何耐火锚固件损坏都危及工人的生命，并且因而受到极大的安全关注。在水泥厂中还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轮胎、废橡胶纸、废油、废木材、造纸污泥、下水道污泥、塑料和废溶剂。这些代用燃料在水泥厂预热器塔和窑炉中的燃烧释放高浓度的以下各物但不限于以下各物氯化物、硫、磷酸盐、钒和重金属。本申请人已经发现高温氯化侵蚀是水泥厂中的耐火锚固件损坏的主要原因。耐火材料的多孔性使氯能够进入，并深入到设置了耐火锚固件的耐火衬里中。氯扩散通过锚固件表面上的氧化皮中的孔，从而形成挥发性金属氯化物。氯随时间引起253MA不锈钢的腐蚀，导致显著的金属损耗，最终导致耐火锚固件损坏并因此导致耐火衬里损坏。另外，由金属氧化物的生长导致的应力可促进热面耐火衬里的开裂。耐火材料中出现的这种开裂为腐蚀性的氯沿锚固件而行提供了流路。在实践中，水泥厂中的耐火锚固件的使用期限通常为约两年。在这段时间结束时， 必须在昂贵的停机操作期间将耐火材料移走并重新涂覆。为了修复和维护而关闭水泥厂使工厂经营者蒙受重大损失。为了延长耐火锚固件的寿命，已知用基于锆石的涂料来保护耐火锚固件的表面。 虽然锆石涂料本身对侵蚀耐火锚固件表面的有害的酸和化学品是有抗性的，但是锆石涂料不能充分保护耐火锚固件的边角。另外，在水泥装置内遇到的操作温度下，253MA不锈钢经历不同于锆石涂层的热膨胀水平。因此，已知锆石涂料随着时间与锚固件分开，这使得耐火锚固件易受氯化侵蚀的影响。发明目的本发明的目的是基本上克服或至少改善上述缺点中的一个或多个，或提供现有耐火锚固件的有用的替代物。发明概述第一方面，本发明提供了一种水泥装置的耐火锚固件，其包括主体，该主体由不锈钢形成，其中所述主体的外表面具有通过高温包埋渗过程 (pack cementation process)形成的铁铝化物相的表面扩散涂层。第二方面，本发明提供了一种水泥装置的耐火锚固件，其包括主体，该主体由不锈钢形成，其中所述主体的外表面具有通过高温共沉积包埋渗过程形成的铁铝化物和镍铝化物相的表面扩散涂层。不锈钢优选为253MA等级。表面扩散涂层还优选包含通过共沉积高温包埋渗过程形成的铁铝化物和镍铝化物相中的铬。锚固件优选具有杆，该杆具有可固定到水泥装置内的表面的近端和被分开成两臂的远端，该杆界定了大体Y形的轮廓。第三方面，本发明提供了一种在不锈钢水泥装置的耐火锚固件的外表面上形成保护层的方法，该方法采用高温包埋渗，所述保护层提供抗高温氯化侵蚀的保护，所述方法包括以下步骤将混合物放入曲颈甑中，所述混合物包含熔融氧化铝(Al2O3)填料；铝、或镍-铝或铬-铝母合金；以及卤化盐活化剂；将所述耐火锚固件放入所述混合物中；以及升高曲颈甑内的温度至950°C -1100°C，以使卤化盐与铝或铝合金反应而形成气态金属卤化物，气态金属卤化物通过气体扩散被输送到耐火锚固件的外表面，其中金属卤化物与不锈钢表面反应，从而使铝或铝-铬沉积在耐火锚固件的表面上作为扩散涂层。
扩散涂层优选是铁铝化物或铁铝化物和镍铝化物。 卤化盐活化剂优选是氟化钠。
卤化盐活化剂优选是氯化铵和氯化钠。母合金优选是铝铬(Al-Cr)，并且所述方法形成共沉积的含有铬的铁铝化物和镍铝化物的扩散涂层。升高曲颈甑内的温度的步骤优选地包括以下步骤将曲颈甑预热到约200°C持续约3小时，以及将温度升高到约1100°C持续约8小时。升高曲颈甑内的温度的步骤优选地包括以下步骤将曲颈甑预热到约200°C持续约3小时，以及将温度升高到约1100°C持续约16小时。所述方法优选地包括使惰性气体围绕曲颈甑的外部循环的步骤。所述方法还优选地包括用过氧化物处理耐火锚固件的步骤以增加保护层中的氧化铝。附图简述现将参考附图以具体示例的方式来描述本发明的优选实施方式，其中
图1示出了固定到钢壳的253MA金属钢耐火锚固件；图2是显示用于在图1的耐火锚固件上形成扩散涂层的高温包埋渗过程的温度时间图；以及图3是显示在图2的高温包埋渗过程中使用的曲颈甑的示意图。优选实施方式的详细描述使用“包埋渗”或包埋扩散过程处理由253MA不锈钢或相似等级的不锈钢制成的耐火锚固件10的第一实施方式，通过该过程，保护涂层被涂覆到耐火锚固件10的外衬底层。在包埋渗之前，可以对耐火锚固件进行喷砂处理以制成用于扩散涂覆的表面。涂层材料在衬底的表面中扩散，变成外衬底层的颗粒结构的一部分，并且从而在耐火锚固件10上形成扩散涂层。如图1所示，锚固件10具有杆，该杆具有可固定到水泥装置内的表面的近端和被分开成两臂的远端，该杆界定了大体Y形的轮廓。如图1所示，耐火锚固件被焊接到旋风分离器和立管的钢壳12。锚固件10延伸到邻近壳的耐火隔热层14和位于离壳12最远的热面层16内。如图2所描述的，填充材料混合物20被置于曲颈甑22或另外的这样的密封容器内，并且待处理的耐火锚固件10被置于曲颈甑22中，在填充材料20之间相互间隔开。曲颈甑22通常被用填充材料20填充、被密封并然后被置于熔炉M内。第一实施方式的填充材料20包含多种成分，现将详细讨论。粉末形式的母合金被包含在填充材料中。母合金包括最终将作为内扩散层沉积在耐火锚固件10的表面上的金属或金属合金。母合金可以是铝(Al)、铬-铝(Cr-Al)、硅、镍-铝(Ni-Al)或其他合适的合金。根据第一实施方式，用于耐火锚固件10的扩散涂覆的母合金是铝或镍-铝或铬-铝。填充材料20还包含惰性填料。惰性填料是熔融氧化铝Al2O3，其为曲颈甑22内的耐火锚固件10提供物理支撑。另外，惰性填料是充分多孔的以提供气体通过粘固粉 (cementation powder)的流动通路。这允许气态金属卤化物行进到耐火锚固件10的衬底表面。惰性填料还用作阻止金属母合金自身的烧结。
填充材料20还需要卤化盐形式的活化剂，用于铝化包埋的氟化钠或用于共沉积包埋的氯化铵、氯化钠。当曲颈甑22中的温度升高时，卤化盐与铝反应，形成气态金属卤化物AlXn0气态金属卤化物通过气体扩散输送到耐火锚固件10的表面。接着金属卤化物与 253MA不锈钢锚固件10的表面反应，使母合金沉积在耐火锚固件10的表面上，通常作为铁铝化物的扩散涂层。在衬底表面处，沉积过程导致气体分解，从而沉积铁铝化物或铁铝化物和镍铝化物相并将卤素活化剂释放回包埋物中。卤化物活化剂然后与铝粉自由反应，再次重组成金属卤化物Alfti。因此，包埋渗过程持续到在包埋物中无铝剩下或可选择地当热被减少而终止化学反应时。如图2所示，不可燃的惰性气体例如由95%氩气(Ar)、5%氢气(H2)组成的 Argoplas 5围绕曲颈甑22循环。惰性气体可以在两个或更多个流路中流动，并且如图2所示，惰性气体的第一流通过导管26进入并通过导管观离开。另外，惰性气体的第二流通过导管30进入并通过导管32离开。惰性气体围绕曲颈甑在腔室中自由循环，并且陶瓷垫36 用于提升曲颈甑22，这在曲颈甑22的下方提供了气体流路。惰性气体创建还原性条件并且从体系中清除任何氧气/空气。在粘固粉中，热电偶34被设置有氧化铝鞘以监控曲颈甑22内的内部温度。用于表面处理耐火锚固件10的方法包括将曲颈甑预热到约200°C以去除粘固粉内的水分，并从体系清除剩余氧气。在约3小时时段后，将温度升高到950°C -110(TC，并在此升高的温度下维持8小时至16小时。然后降低温度，并且将耐火锚固件10从熔炉中移走。还公开了由253MA不锈钢制成的耐火锚固件的第二实施方式。将使用相同的参考数字。在第二实施方式中，通过在铬铝Cr-Al共沉积过程中的包埋渗来处理耐火锚固件 10。该过程与上文关于第一实施方式所描述的过程相似。然而，母合金包含铝和铬的混合物。这可以是合金、或铝和铬颗粒的混合物。共沉积过程产生铬和铝的扩散涂层，其比单独的铁铝化物扩散涂层具有更强的抗开裂性。在第二实施方式中，所使用的卤化盐是氯化铵 NH4Cl和氯化钠。使用相同的惰性填料熔融氧化铝Al2O315通过包埋渗过程形成的扩散涂层的厚度在150微米至200微米的范围内。当完成扩散涂覆过程时，由于铝向内扩散到253MA不锈钢衬底内，所以涂层包括铁铝化物外层和内层。在完成包埋渗过程之后，用过氧化物处理耐火锚固件10以增加扩散涂层中的氧化铝。第一实施方式和第二实施方式的过程的优点是所形成的涂层是均勻的且非常致密的，被扩散在衬底的表面中并对高温氯导致的腐蚀是有抗性的。另外的优点是在铁铝化物或铁铝化物和镍铝化物相上形成的氧化铝Al2O3扩散层比其他元素具有更高的热力学稳定性。氧化铝用作避免氯导致的腐蚀侵蚀的保护屏障。另外的优点是高温包埋渗过程不受耐火锚固件10的复杂形状的限制，尽管锚固件具有大体Y形的轮廓。扩散涂层能够渗入锚固件10的拐角处和弯曲部。虽然已经参考具体实施例描述了本发明，但本领域技术人员应理解本发明可以以许多其他形式体现。
权利要求
1.一种水泥装置的耐火锚固件，其包括主体，所述主体由不锈钢形成，其中所述主体的外表面具有通过高温包埋渗过程形成的铁铝化物相的表面扩散涂层。
2.一种水泥装置的耐火锚固件，其包括主体，所述主体由不锈钢形成，其中所述主体的外表面具有通过高温共沉积包埋渗过程形成的铁铝化物和镍铝化物相的表面扩散涂层。
3.如权利要求1或2所述的耐火锚固件，其中所述不锈钢是253MA等级。
4.如权利要求3所述的耐火锚固件，其中所述表面扩散涂层还包含在通过共沉积高温包埋渗过程形成的铁铝化物和镍铝化物相中的铬。
5.如前述权利要求中任一项所述的耐火锚固件，其中所述锚固件具有杆，所述杆具有可固定到所述水泥装置内的表面的近端和被分开成两臂的远端，所述杆界定了大体Y形的轮廓。
6.一种在不锈钢水泥装置的耐火锚固件的外表面上形成保护层的方法，所述方法采用高温包埋渗，所述保护层提供抗高温氯化侵蚀的保护，所述方法包括以下步骤将混合物放入曲颈甑中，所述混合物包含熔融氧化铝(Al2O3)填料；铝、或镍-铝或铬-铝母合金；以及卤化盐活化剂；将所述耐火锚固件放入所述混合物中；以及升高所述曲颈甑内的温度至950°C-110(TC，以使所述卤化盐与所述铝或铝合金反应而形成气态金属卤化物，所述气态金属卤化物通过气体扩散被输送到所述耐火锚固件的外表面，其中所述金属卤化物与所述不锈钢的表面反应，使铝或铝-铬沉积在所述耐火锚固件的表面上作为扩散涂层。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述不锈钢是253MA等级。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述扩散涂层是铁铝化物或铁铝化物和镍铝化物。
9.如权利要求6所述的方法，其中所述卤化盐活化剂是氟化钠。
10.如权利要求6所述的方法，其中所述卤化盐活化剂是氯化铵和氯化钠。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述母合金是铝铬(Al-Cr)，并且所述方法形成共沉积的含有铬的铁铝化物和镍铝化物的扩散涂层。
12.如权利要求6至11中任一项所述的方法，其中升高所述曲颈甑内的温度的所述步骤包括以下步骤将所述曲颈甑预热至约200°C持续约3小时，以及将温度升高到约1100°C 持续约8小时。
13.如权利要求6至11中任一项所述的方法，其中升高所述曲颈甑内的温度的所述步骤包括以下步骤将所述曲颈甑预热至约200°C持续约3小时，以及将温度升高到约1100°C 持续约16小时。
14.如权利要求6至13中任一项所述的方法，包括使惰性气体围绕所述曲颈甑的外部循环的步骤。
15.如权利要求6至14中任一项所述的方法，还包括用过氧化物处理所述耐火锚固件的步骤以增加所述保护层中的氧化铝。
全文摘要
一种水泥装置耐火锚固件(10)，其包括由不锈钢形成的主体，其中所述主体的外表面具有通过高温包埋渗过程形成的铁铝化物相的表面扩散涂层。
文档编号C23C10/56GK102245989SQ200980149150
公开日2011年11月16日 申请日期2009年12月11日 优先权日2008年12月12日
发明者尼克·乐博特, 楠·徐 申请人:维苏维尤斯·克鲁斯布公司