对耐火材料进行处理使其硬化的红外线加热方法和设备的制作方法

专利名称：对耐火材料进行处理使其硬化的红外线加热方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种用于对耐火材料进行处理(cure)使其硬化的加热系统，具体地说涉及一种用于对耐火材料进行处理使其硬化的红外线加热系统。
对相关现有技术的描述中间包(tundish)是一种在浇铸工艺中，比如在连续浇铸钢水的过程中，用于盛装熔融金属的大型中间盛装容器。实际上，中间包是一个过渡性过程容器(intermediate process reservoir)，用于从移出熔炉的运送桶(conveying ladles)中接收大量的熔融金属，并且随后将这些熔融金属转移到一个浇铸模具中，其中，在所述熔炉内对矿石进行熔炼。通常利用一个由进料口和出料口喷嘴构成的系统来控制熔融金属流入和流出中间包。
中间包本身通常是一个钢制容器，其中内部衬有若干层耐火组分(refractory composition)。一个永久性衬里，通常由耐火砖构成，用作一个用于保护容器的内部衬里。相应地，该永久性内部衬里上包覆有一个一次性耐磨衬里，该一次性耐磨衬里通常由一种耐火组分构成，通过喷射、喷涂、抹涂或者干式振动(dry vibration)操作施加附着到永久性衬里上。可选择地，一次性衬里可以由多个预制的耐火板构造而成，这些耐火板被设计成适合于待衬的特定中间包。这种预制的耐火板被装配在一起，并且它们的连接边缘或者接缝处被细心地封接起来，以避免熔融金属渗入到衬里与中间包的金属壳之间。一次性衬里直接与在中间包中的熔融金属发生接触，并且防止永久性衬里暴露在熔融金属中，用作一个抵抗熔融金属的热学和化学阻隔层。在一次或者多次通过中间包浇铸熔融金属之后，一次性衬里必须被更换。
耐火材料总体而言包括那些具有较高熔融温度的材料，它们一般呈粉末状，熔融温度通常超过1000℃。耐火材料一般包括碳化硅、碳化钛、一碳化六硼、四氮化三硅、一氮化钛、矾土、水合硅酸铝、石墨、氧化锆、三氧化二钇、石英(硅石)、富铝红柱石或者它们的混合物，但并非局限于此。用作一次性衬里材料的普通耐火材料一般还具有较高的氧化镁(MgO)含量。由于仅由氧化镁基涂层构成的耐火材料具有一个不利的高热膨胀系数，其中，由于膨胀速率和膨胀度不同，较高的热膨胀系数会导致一次性衬里脱离底层的永久性衬里而发生隆起现象，所以需要在耐火成分中加入各种添加剂，比如增塑剂和粘结剂。增塑剂提高了耐火材料能够粘结到所涂敷的表面上的能力，与此同时粘结剂增大了组分的横向强度特性和承受垂直作用于衬里上的力的能力。其它的添加剂包括均化剂、润湿剂、润湿/发泡剂、改性剂、硬化剂、体积稳定剂、阻滞剂以及辅助粘结剂，但并非局限于此，也可以被以本技术领域中熟练技术人员公知的方式进行添加，以获得所需的施加涂敷、处理或者工作特性。
总体而言，存在有两类用作一次性中间包耐火材料的组分。第一类包括那些需要添加液相物质的耐火材料，液相物质通常是水，以便能够将所述组分涂敷成一个中间包衬里。需要添加液相物质的组分通常通过抹涂、喷射或者喷涂操作进行涂敷。喷涂系统用于将一般包括有一种粒状耐火填充材料、一种硅酸钠粘结剂、少量纤维材料、烧结助剂、少量润湿剂以及高达25％左右的水的耐火材料，喷涂到中间包中的永久性衬里上。
第二类耐火材料以干法涂敷，通常需要振动一个模具，以便使得所述材料密实地附着在永久性衬里的表面上。干式振动系统(thedry vibration system)涉及使用一种类似的粒状耐火填充材料，带有树脂粘结剂和少量的烧结助剂，比如硅酸钠。一个模型、模具或者型芯被置于中间包内，来在型芯与中间包的壁之间限定出一个型腔。型芯大体上对应于中间包内部尺寸的轮廓，从而更为精确地在型芯与中间包之间限定出一个型腔，该型腔对应于所需一次性衬里的形状。随后，在型腔内填充干的衬里组分，并且振动型芯来确保对型腔进行充分填充。接着，对型芯和中间包进行加热来对衬里组分进行烧结，使得衬里组分在将型芯取出时由于粘结在中间包的侧壁上而遗留下来。这种方法允许在大型或者复杂容器内均匀地涂敷所需厚度的整体式耐火材料(可干式振动的)。
可选择地，存在有无需模型或者型芯的干式方法，其需要将容器从1200°F左右预热到2000°F左右，此时，已经利用干的耐火成分对容器进行了充分填充。所述耐火材料能够在容器内被处理硬化长达5分钟左右，此后，未使用的耐火材料被回收起来以供重复使用，而经过处理的薄层形成了一个基本上均匀的一次性衬里。这种方法允许通过控制处理硬化时间来对涂敷厚度进行控制，适合于在小型或者不复杂的容器内进行加衬操作。
尤其是，可干式振动类型的耐火组分一般包括有多种热活性粘结剂(thermally activated binders)，包括有机的和/或无机的粘结剂或者它们的混合物，尽管无机的粘结剂通常是优选的，其中，所述可干式振动类型的耐火组分通过振动涂敷到表面上，以便均匀分布并且致密。多种耐火集料(refractory aggregates)或者耐火填充材料可以被利用，比如包括白云石、煅烧白云石、橄榄石、硅石、矾土(煅烧铝土矿或者刚玉石)、铬铁矿、耐火粘土、锆石、硅铝酸盐、氧化钙、或者其它氧化物或者硅酸盐。粘结剂用于在使用过程中保持耐火组分粘结在一起。最好使用一种反应性粘结剂，比如酸性盐，因为它可以与填充物发生反应，或者可选择地，如果使用了一种基本上惰性的填充物，那么可以加入诸如MgO或CaO这样的反应物质与填充物发生反应。也可以使用多种粘结剂，其中，低温粘结剂(比如酚醛树脂)用于在安装过程中在高温粘结剂被激活之前保持涂敷的组分粘结在一起，所述高温粘结剂一般比如由金属粉末、合金或者混合物组成，包括铝、硅、铝硅合金或混合物、或者铝镁合金。传统的可干式振动的粘结系统包括有一种低温粘结剂，通常是有机树脂，和一种高温粘结剂，通常是硅酸盐。
最近，在南美的多个炼钢厂中已经发现，可干式振动的中间包衬里材料很受欢迎，这要归功于这种衬里材料的一些优点，包括更长的浇铸程序(longer casting sequences)、增加衬里的安全使用寿命、提高钢水的质量、改善热效率、加快中间包的周转、改善降低结壳率(improved deskulling rate)、稳定中间包的体积、减少能量需求以及减低出钢口温度(tap tempertures)。
用于对耐火材料进行处理的常规方法利用了一种效率低的气体干燥器，在附

图1A中简化描绘出了这种气体干燥器的一个示例。热空气鼓风机/气体干燥器10对进入的空气进行加热，并且迫使加热后的空气穿过绝热的热空气管道20进入到一个型芯30中的型腔(气室)40内。可选择地，热空气鼓风机/气体干燥器10可以紧邻型芯30设置，或者可以结合到型芯30的外盖内或位于型芯30的外盖上。正如在附图1B中所简化示出的那样，在废气排出之前，热量首先从空气中转移到气室内，并且最终穿过型芯30进入到衬在中间包60内的耐火材料50中。型芯30上的排气口70一般包括有一个管状导流板80、一个热电偶90和一个挡板100。热电偶90用于测定一个在排气口70内靠近挡板100的位置处的气体温度，并且向燃烧器控制装置110提供温度信息，燃烧器控制装置110用于控制气体干燥器10的温度。导流板80通过阻碍气体流过型芯型腔40来防止热空气过快地直接进入排气口70。挡板100还有助于阻挡加热后的空气，为空气提供时间来将热量转移到由型芯30的壳体限定出的气室40中，随后传递至耐火材料50内。
但是，前述方法和设备相对缓慢并且效率不高。甚至当气体受到扼流时热空气鼓风机10仍旧继续工作，将温度较低的空气带入气室40内，降低了其内部的气体温度。还有，由于热电偶90被设置在排气口70处，以确保排气端部的温度保持在一个合适的处理温度，所以进入的空气被保持具有一个甚至高于排出温度的温度，导致在气室40内加热不均匀和出现局部过热(hot spot)现象。此外，所述气体方法需要相当长的时间来充分处理工作衬里以使其充分硬化，并且由于局部过热会导致生产出未均匀处理的产品，其中的某些区域具有较低的低温强度(lower cold strengths)。
可干式振动的中间包衬里材料方法还具有各种缺陷。通常需要手工作业来将对出料流进行导引，以对一个位于型芯与中间包支撑衬里之间的设计间隙进行填充，每次衬里操作通常需要大约20至30分钟。填充操作一般还需要使用中间包区域起重机(tundish areacrane)，来卡持住料斗或者出料包(spout bag)，从而在需要起重机的中间包区域处延迟其它操作。如果需要制取多个衬里，那么它们将变成一个非常严重的问题。此外，一旦型芯与中间包之间的间隙被填充起来，那么必须在使用之前利用一个气体加热器对型芯进行加热，来使耐火材料硬化成型。该步骤会在中间包区域处产生灰尘、烟雾以及热，并且非常费时，通常要消耗两个小时以上。
因此，需要一种用于均匀并且高效地对耐火材料进行处理的系统。尤其是，所希望的是处理时间缩短、能量效率提高、产品的低温强度分布得更为均匀、冷却时间缩短、在外部型芯表面上的维护任务减少、型芯翘曲程度下降、起重机的使用和移动需求减少，并且占用的车间空间缩小，比如用于存放加热器外盖的空间。
对本发明的概述本发明克服了前述问题，并且正如这里所讨论的那样满足了前面列出的需求。
在一个方面，本发明提供了一种用于对耐火材料进行处理使其硬化的设备，包括有一个型芯，该型芯具有一个由其内表面在其内部限定而成的开口，并且该型芯被加工成能够装配到一个容器内，在它们之间限定出一个间隙，该间隙的厚度对应于一个容器耐火衬里的预定厚度。一个红外线加热器被置于型芯开口内，并且被定位成能够对型芯的内表面进行辐射。在其中的一个方面，红外线加热器是一个冲压而成的箔片式中等波长红外线电加热器。
在另外一个方面，本发明提供了一种用于对耐火材料进行处理使其硬化的方法，包括下述步骤将一种耐火材料送入到一个位于第一表面与第二表面之间的间隙内；由一个红外线加热器向第一表面辐射红外线热能，来加热该第一表面；以及利用通过第一表面传递至耐火材料上的热量对所述间隙内的耐火材料进行处理，来成型一个用于第二表面的耐火材料衬里。
在又一个方面，本发明提供了一种用于对耐火材料进行处理使其硬化的方法，包括下述步骤将一种耐火材料送入到一个位于一型芯与一中间包之间的间隙内；由多个红外线加热元件向型芯的内表面辐射红外线热能，来加热该型芯；利用通过型芯传递至耐火材料上的热量对所述间隙内的耐火材料进行处理，来成型一个用于中间包的耐火材料衬里。
当结合附图时，通过下面对本发明的详细描述，本发明的前述和其它特征、方面以及优点将变得更为明白。对于本技术领域中那些熟练技术人员来说，通过下面的详细描述，将能够很容易地明白本发明的其它方面，其中，在下面的详细描述中借助于简要地示出用于实施本发明的最佳方式，仅图示和描述了本发明的优选实施例。正如将会明白的那样，本发明还具有其它不同的实施例，并且其中的若干细节能够在各个显而易见的方面加以改进，所有这些均不会脱离本发明。因此，所述附图和说明书应该被认为在本质上进行例证性说明，而并非加以限制。
对附图的简述随着参照附图给出的对优选实施例以及相关结构的描述，本发明的各种价值和优点将变得更为清楚明白，其中附图1A和1B示出了用于耐火中间包衬里的常规气体加热方法。
附图2描绘了一个可根据本发明使用的计算机控制系统。
附图3A-3C描绘了本发明一个方面的俯视图、正视图和侧视图。
附图4A和4C提供了一个简化的横剖视图，示出了一个根据本发明的型芯在处理操作过程中和处理操作之后与一个中间包的关系。
附图4B提供了一个根据本发明的型芯的简化轴测图。
附图5A-5C描绘了用于根据本发明一方面的红外线加热器的不同线路布置结构。
附图6示出了根据本发明的红外线型芯电加热系统相对于常规气体加热系统的优点。
对优选实施例的详细描述本发明提供了一种用于对耐火材料进行红外线处理以使其硬化的方法和设备。在本发明的一个方面，所述设备包括有一个型芯，该型芯的尺寸被加工成能够装配到一个容器内，并且在它们之间限定出一个间隙，该容器具有一个呈预定形状的内部容积，该间隙的厚度对应于一个耐火材料衬里的预定厚度。所述设备还包括有多个设置于型芯内的红外线加热器，这些红外线加热器被定位成能够由它们向外朝向型芯的内表面辐射红外线能量。
利用常规的气体加热方式所传递的能量与材料之间温度差的一次幂成一个函数关系。换句话说，Q＝h×A×dT，其中，Q是热传递速率，h是热传递系数，该热传递系数与热流方向和速度成一个函数关系，A是被加热的面积，而dT是待加热本体与流过该本体的空气之间的温度差。与此相对照，利用红外线辐射方式传递的能量与材料之间温度差的四次幂成一个函数关系。换句话说，Q＝εσ(TS4-TSUR4)，其中，Q是热传递速率，ε是辐射体的热辐射系数，σ是斯蒂芬-玻尔兹曼常数(Stefan-Boltzmann Constant)(σ＝5.67×10-8W/m2·K4)，TS是辐射体的绝对温度(K)，而TSUR是在周围环境或者型芯的即时温度。此外，利用常规的对流加热方式，热量必须传递两次，第一次从发热源传递给气体，随后从气体传递给待加热物体(比如型芯)。还有，利用一个气体加热器，加热后的空气被从型芯上的排气口中排出，并且仅有一小部分可利用的能量保留在系统内，对型芯进行加热。就这些和其它因素而言，本发明有益地采用了红外线辐射方式，来提高型芯加热和耐火材料衬里处理硬化的速度和效率。
总体而言，尽管一个基于计算机或者处理器的控制系统并非本发明必不可少的，并且本发明中的所述方法和设备可以独立于任何这样的控制系统加以实施，但是最好利用一个基于计算机或者处理器的控制系统来实施所述方法，并且对根据本发明用于对耐火材料进行红外线处理的设备进行控制。附图2描绘了一种适用的控制系统，这种控制系统可以根据本发明中的方法和设备进行使用。这样的一个控制系统可以包括有一个视频显示器210、打印机20、中央处理单元(CPU)230、接口电子装置240、电子冷却组件250，如果需要，还包括有一个键盘或者其它数据输入装置260。CPU230包括有一根总线232或者用于传输信息的其它传输机构，以及一个或者多个处理器，比如被联接在总线232上的一个或者多个Intel PentiumTMIV处理器，用于对信息进行处理。CPU230还包括有一个联接在总线232上的主存储器236，比如随机存取存储器(RAM)或者其它动态存储设备，用于存储即将由处理器执行的信息和指令。主存储器236可以被用于在执行要由处理器执行的指令的过程中存储临时变量或其它中间信息。CPU230包括有一个联接在总线232上的只读存储器(ROM)238或者其它静态存储设备，用于存储用于所述处理器的静态数据和指令。一个存储设备270，比如一张磁盘或者光盘，被联接在总线232上，用于存储和提供信息和指令。
CPU230可以经由总线232联接在监视器210上，用于将信息显示给计算机用户。输入设备或者数据输入装置260，包括有字母数字混合编制的和其它的按键或者一个具有声音激活功能的麦克风，被联接在总线232上，用于向处理器传输特定的信息和命令选择。其它类型的用户输入设备可以包括光标控制器，比如鼠标、跟踪球或者光标方向键，用于将特定的方向信息和命令选择传输到处理器中，并且用于对光标在显示器210上的移动进行控制。
用于将数据传入和传出处理器以及相关设备的传输介质，包括总线232，该总线232可以由同轴电缆、金属导线或金属层以及光导纤维制成。传输介质还可以采用声波或者光波形式，比如在射频(RF)和红外线数据传输过程中产生的那些声波或光波。CPU230还包括有一个联接在总线232上的通信接口280，来通过发送和接收电、电磁或者光信号而与链路，比如一个网络链路282，进行双向数据传输，其中，所述电、电磁或者光信号上承载有数字数据流，这些数字数据流代表了输送至一个附属网络或者本地局部网络(LAN)290的各种类型信息。将会明白的是，各种形式的输出设备可以通过传输介质工作性地连接在CPU230上，以便由此进行控制，包括对定位/提升起重机的移动进行控制或者对红外线加热器进行控制，但并非局限于此。
计算机或者CPU230可以有益地用于对根据本发明的中间包衬里处理操作进行控制。相应地，响应由处理器执行存储于主存储器236内的一个或者多个指令序列，可以由计算机230对处理操作进行控制。这些指令可以从一个计算机可读介质，比如存储设备270，读入主存储器236内。执行存储于主存储器236内的指令序列会使得所述处理器执行在这里所描述的工艺步骤。在可选择实施例中，可以使用硬布线电路来替代软件指令，或者与软件指令结合使用，并且将会明白的是，无需硬件电路和软件的专门结合。
指令可以以多种形式提供，比如源代码、汇编码、目标代码、机器语言、前述代码的压缩或者加密格式，以及它们的任何和全部等效格式。“计算机可读介质”指的是任何能够向计算机230提供指令来执行操作的介质，而“程序产品”指的是承载有计算机可执行程序的计算机可读介质。计算机可使用介质可以被称作“承载”有指令，以所有方式包含有与一计算机可使用介质相关的指令。计算机可读介质包括非易失性存储介质、易失存储介质以及传输介质，但并非局限于此。非易失性存储介质比如包括诸如存储设备270这样的光盘或者磁盘。易失存储介质包括动态存储器，比如主存储器236。传输介质包括同轴电缆、铜线以及光导纤维，包括构成总线232的导线。传输介质还可以呈声波或者光波形式，比如在射频(RF)和红外线(IR)数据传输过程中产生的声波或者光波。计算机可读介质的通常形式比如包括一张软盘、一张软磁盘、硬盘、磁带、任何其它的磁性介质、一个CD-ROM、DVD、任何其它的光学介质、穿孔卡片、纸带、任何带有穿孔图案的其它物理介质，一个RAM、一个PROM、以及EPROM、一个FLASH-EPROM、任何其它的存储芯片或者盒式磁带、如下文中所述的载波、或者任何计算机可以读取的其它介质。
借助于一个具有合适构造或者计算机程序控制型处理系统，比如在附图2中示出的那样，对耐火材料处理操作的控制可以快速地适应工艺参数的变化，并且甚至可以被构造成或者带有程序来根据任何一种送入的耐火材料的类型来控制处理过程。已知的是，耐火材料的组分或者配方的性能差别很大，并且试图通过考虑各种因素，比如工作温度范围、化学活性、如果在暴露于熔融金属之前需要进行预热所需要的预热程度、以及应用效能(application efficacy)，当然并非局限于此，来确定或设计用于特定用途的配方。如果一次或者多次使用了多种耐火材料，那么可以根据需要利用独立的控制参数向计算机写入程序或者对程序进行修改，以便能够对多种不同耐火材料进行自动控制，减少工厂人员的负担，并且提高效率。
在附图3A-3C中描绘了一种根据本发明的红外线加热设备构造，其中，对应于一个特定中间包或者容器的一个型芯300内部设有红外线加热器350，所述红外线加热器350被设计成用于一种特定的耐火材料和一种特定的中间包衬里几何形状。正如前面所指出的那样，型芯300被构造成能够置于一个特定的中间包310或者容器内部，来在它们之间限定出一个型腔320，耐火材料395被置于型腔320内，正如在附图4A中示出的那样。适用的耐火材料可以包括本技术中那些熟练技术人员通常所知的任何耐火材料或者它们的组合，以及在本技术领域中那些熟练技术人员所公知的商品名称下通常作为完备配方或者混合物进行销售的任何耐火材料或者它们的组合。这种耐火材料配方比如在授权给Adams的美国专利No.5300144、授权给Rumpeltin等的美国专利No.5366944或者授权给Dody等的美国专利No.5602063中提供，所述美国专利均通过引用而结合入本发明中。型腔320对应于所需一次性耐火衬里的形状。换句话说，型芯300的尺寸和形状以及红外线加热元件350的排列布置和选取均与包括所需耐火衬里形状、耐火材料395的混合物或者组分、以及中间包310的内部几何形状在内的变量相对应。因此附图3A-3C仅描绘了一个根据本发明的型芯300的一个示例，并且不希望在任何方面造成限制。广义来说，本发明中的红外线加热设备和方法可以比如包括，一个呈圆筒形排布的红外线加热设备，其被构造成能够插入到一个基本上呈圆筒形的钢制容器或者桶中，用于处理其内的工作或者保护衬里。
在附图3A-3C中描绘出的型芯加热系统构造内，型芯300上端部的长度为144 7/8”，深度为29 9/16”，从基部开始的高度为29”，所述构造仅为本发明可以呈现的多个形式中的一个示例。型芯300的基部或者底部340的长度大约为111”，深度为15 1/2”。通常，中间包呈浅且窄的长槽形状，并且该中间包310的内壁315并不垂直于中间包310的内底部325，而是，大体上被定位成相对于中间包的内底部325成一个略微大于90度的钝角α。同样，型芯300也呈浅且窄的长槽形状，并且该型芯300的侧壁335被设置成基本上相对于型芯基部345成一个大于90度的相同钝角α。附图4A-4B示出了一个型芯300，该型芯300带有一个外盖400，该外盖400以一种本技术领域中那些熟练技术人员公知的方式固连在型芯300的顶部。轴耳410和提升环420被设置成能够通过它们将外盖独立地提升起来或者将外盖与型芯以连接状态提升起来。在外盖上设置有一个振动器430，来对型芯进行振动，使得耐火材料395密实地设置在型芯300与中间包310之间的间隙或者型腔320内，正如在附图4B中所示出的那样。
正如前面所指出的那样，红外线加热器350由各个独立的红外线加热元件组成，这些红外线加热元件被置于型芯350的内部，并且被定位成面对四个侧壁的内表面335和型芯的底部345。换句话说，红外线加热器350向外面对型芯300的内表面335和345，通过辐射对这些表面进行加热，正如在附图3A-3C和4A-4B中大体描绘出的那样。如同附图3C中所示，红外线加热器350可以被设置成平行于型芯300的侧壁，比如那些被设置成朝向型芯300顶部的红外线加热器，或者可以以一定的角度设置，来对型芯的一个以上的表面(比如334、345)进行辐射，比如那些被设置成朝向型芯底部的红外线加热器。正如在附图4A中所示出的那样，热量通过包括型芯底部在内的型芯壁传递和传送至耐火材料395，来对耐火材料395进行加热和处理。在处理操作结束之后，这主要取决于所采用的耐火材料395，型芯300被从完整的中间包工作衬里500中去除，正如在附图4C中描绘的那样。
在附图3A-3C中所描绘出的本发明的实施例内，在型芯300的内部设置有三十二个红外线电加热器。如同所示出的那样，共设置有八个34”×8”红外线加热器，十二个27 1/2”×8”红外线加热器，六个24”×8”红外线加热器，两个21”×8”红外线加热器，两个151/2”×8”红外线加热器，以及两个15 1/2”×4”红外线加热器。红外线加热器350被设置成与型芯侧壁的内表面335以及型芯底部345的距离为1”至24”。红外线加热器350与型芯侧壁的内表面335以及底部345的标称距离为3”至4”。
型芯300的内部装配有一个用于支承红外线加热器350的框架、机架或者桁架(未示出)。框架的上端部可以被固定或者嵌固在型芯300的侧壁335的上边缘内，而该框架的下端部可以被固连在位于相邻的红外线加热器350之间的型芯底部345上。优选的是，所述框架不会延伸到型芯300的上表面上方，以便不会与型芯外盖400的匹配表面发生冲突干扰。当然，优选的还包括使得所述框架根据常规技术膨胀和收缩。为了有利于组装和日常维护，各个红外线电加热器350均在其侧面或者背面上包括有一个连接装置，这些连接装置包括双头螺栓、舌片、螺钉或者夹具卡持装置，但并非局限于此，用于将红外线加热器350安装到型芯300内部的框架上。红外线加热器350带有多根引线，这些引线在柔性金属导管中穿过或者环绕在框架周围，并且穿过型芯的外盖400。振动器430中最好包括有所有必需的电连接装置，来向红外线电加热器350提供能量，并且从设置于型芯300内部的热电偶或者其它传感器中接收输入信号。
在附图3A-3C中示出的红外线电加热器350被分成三个控制区顶部355、底部365和端部375。但是，也可以是任何数目的控制区。增加控制区能够更为精确地对型芯上的更小部分和与其外表面相邻的耐火材料的加热进行“隔离”和控制。当所述容器或者中间包的几何形状不均匀一致时，这一点尤为重要。因此，根据本发明最好设置有四个、五个、六个、八个、十个、二十个或者更多的区域。
优选的是，红外线加热器350是中等波长红外线电加热器，并且尤其是一个冲压而成的箔片式中等波长红外线电加热器或者其等效装置。冲压而成的箔片式中等波长红外线电加热器350是能够在5秒钟内变热和冷却的快速响应波纹式箔片加热器(fast responsesinuated foil type heaters)。由于在辐射体与待加热物体之间不存在石英或者其它材料，所以这些加热器的工作成本远低于相似用途中的大多数其它加热器。中等波长的红外线加热器350能够有益地对型芯300进行均匀加热、快速地变热和冷却、可以方便地由工厂工人以较低成本在现场进行维修，并且可以以任何实体布置进行工作。此外，红外线加热器350可以定制，以满足型芯300的特定形状，并且与某些其它类型的红外线加热器相比，中等波长的红外线加热器需要较少的电能量就能够提供所需的热量输出。
中等波长红外线加热器350产生出的辐射具有处于中间红外线范围内的波长，从1.5微米至5.6微米。包括波长处于约0.72微米至1.5微米之间的能量的近红外线和包括波长处于约5.6至1000微米的能量的远红外线，不会象中等波长红外线那样理想地适合于本申请，尽管具有这些波长的红外线加热器也可以使用。金属表面通常难以吸收短波辐射，尤其是高反射率的表面。为此，希望利用中等波长或者长波长红外线辐射对金属表面进行更为高效地加热。但是，可以对型芯的内部表面进行表面处理，来降低反射率并且提高吸收性和/或辐射系数，比如通过氧化或者涂敷诸如特殊面层或者涂料这样的耐高温材料。此外，也可以选取那些能够对特定范围内的波长高度吸收和辐射的公知材料，以允许使用近红外线或者远红外线辐射，所提供的这些材料也要满足在预期工艺温度下所需的材料或者化学特性。
正如在附图3A-3C中所描绘和所配置的那样，红外线加热器350当在100％功率负荷条件下(137安培(Amps)@480伏(V)，三相供电)工作时由一个连接其上的电力负载(power load)提供能量，该电力负荷提供至少为114kW至115kW。三个区域355、365、375的温度控制通过利用三个三相可控硅整流器(SCR)功率控制器改变电压而实现。在本发明所示出的方面，使用了一个30安培、60安培和一个100安培三相SCR功率控制器，并且利用新泽西州(New Jersey)Wayne公司生产的辐射能量系统(Radiant Energy System)提供能量。
由多个独立的中等波长红外线加热元件(未示出)构成的中等波长红外线加热器350可以采用附图5A-5C中示出的任何线路图，但并非局限于此。附图5A描绘了一种240V单相连接方式，所提供的加热器功率为240伏处的9.3千瓦(9.3kW@240V)，加热器电流为39安培，而功率密度(Watt density)为63.6W(瓦)/in(英寸)。附图5B描绘了一种240V三相连接方式，所提供的加热器功率为240伏处的9.3千瓦(9.3kW@240V)，加热器电流为22.4安培，而功率密度为63.6W/in。附图5C描绘了一种480V三相连接方式，所提供的加热器功率为240伏处的9.3千瓦(9.3kW@240V)，加热器电流为12安培，而功率密度为63.6W/in。对于480V的配置而言，最好将SCR的电压限制在约455V至460V，但并非必须如此。
根据区域的数目和各个区域的能量需求，也可以使用额外的SCR控制器，或者其它常规的控制器。例如，分别对应于60安培和100安培SCR功率控制器的两个区域365和355可以进一步细分为五个或者六个利用分开独立的30安培SCR功率控制器的区域。这些区域和红外线加热器，甚至是独立的加热元件均可以独立控制，或者可以被组合连接或者线连在一起，来同步接通和断开。
所述区域、红外线加热器以及独立的加热元件均可以根据特定的设定值进行单独控制，或者利用计算机程序的输出信号适应性地进行控制，所述计算机程序根据测定出的变量以及这些变量与工艺的预期结果之间的程式化经验关系，对作为输入信号的多个工艺变量进行分析，来调整一个或者多个区域、加热器、独立加热元件的热量输出。
正如在附图3A-3C中所描绘的那样，为各个区域355、365和375均设置有一个热电偶385。这些热电偶被设置在一个石英容器或者石英导管的内部，该石英容器或者导管又被安装在每个区域的一个红外线电加热器350中的辐射体耐火支撑材料内。尽管石英在测定温度时会引入了一个延迟时间，但是已经发现该延迟时间相对较小，不足以影响由根据本发明的方法和设备所执行的处理工艺。实际上，所述延迟时间仅增加了围绕设定值对温度高低所进行的调节的幅度。
优选的是，SCR功率控制器由一个闭合回路系统进行控制，其中，温度信号由位于各个指定温度区域内的一个或者多个热电偶提供给一个CPU230，随后，该CPU230向SCR功率控制器提供合适的控制信号，来对其输出进行调节。为了对红外线加热器350进行自动控制，优选的是闭合回路系统包括有一个高温切断开关，以防止对型芯300、红外线加热元件、仪器和线路、耐火材料或者机械组件或系统造成损害。用于所述加热系统的手动控制装置比如可以包括分度刻度盘和可变电势仪。
附图3A-3C中所描绘以及前面所描述的型芯加热系统构造，被设计成能够使得型芯300的温度从常温上升至250°F-300°F，并且保持温度在该范围内维持大约10分钟，随后，型芯加热系统使得型芯的温度上升至625°F-675°F，并且保持温度在该范围内维持长达60分钟左右。
附图6示出了与常规的气体加热/处理系统相比，在附图3A-3C中所描绘以及前面所描述的型芯加热系统的相对优点。也就是说，附图6针对本发明中的红外线加热系统和常规的气体加热系统，对在钢制型芯300与一种中间包衬里材料的交界处的温度(°F)与时间(t)的关系曲线进行了比较，其中，所述中间包衬里材料位于型芯与中间包310之间的间隙320内。在初始的10-15分钟预热之后，红外线电加热系统在全功率下(即大约137安培)仅工作大约两分钟，此后，功率下降至约半功率作用，维持58分钟。随后，在t大约等于75分钟处当型芯300与耐火材料395的交界处温度大约为560°F时，关掉红外线电加热器350，此后，型芯300冷却并且开始收缩，在t大约等于90分钟时使型芯脱离经过处理后的耐火中间包310的衬里。接着，在t大约等于120分钟处可以将型芯300从中间包310中拔出。相反，气体加热系统必须工作至t等于150分钟才能获得预期的温度和处理程度，并且直至t大约等于165分钟时才能将型芯拔出。
根据耐火材料395的组分、衬里的厚度、衬里的构造以及涂敷耐火材料的方法，型芯300与耐火材料395的界面处的温度和加热时间将明显发生变化，只列举几个变量。耐火材料可能仅需要500°F左右的温度就能硬化，或需要2000°F或者远高于此的温度才能熟化。处理时间也可能明显变化。本发明中的红外线电加热系统尤其适合于耐火材料395以及工艺变量的这种变化。为了说明这种变化是需要的，本发明中的红外线加热系统需要，至少改变由加热元件输出的功率(比如30％或者90％的功率)，来获得所需的温度或者处理效果，或者至多对红外线加热器350进行重新配置。这种重新配置比如包括，提高红外线加热器350的输出功率、缩小红外线加热器与型芯内表面335和345之间的距离、增大独立红外线加热元件的密度、或者增大型芯内部的隔热性能。
此外，加热器结构的紧凑性使得存在有可选择的结构配置，这些是在常规的气体加热处理系统中无法达到的。具体来说，所希望的是使得连续料流量施加漏斗(the mass flow applicationhopper)、型芯300以及红外线加热器350被结合成一个整体单元，来进一步减少起重机所需移动的次数，并且相应地提高了车间利用率。当使用气体作为热量源时，由于对成套气体装置(gas train)来说需要大量的设备，比如热空气管道和控制设备，并且它们需要设置在型芯外盖的周围，致使这种构造不可行。
就前述内容而言，一种根据本发明用于对耐火材料进行处理的方法，大体上包括下述步骤将一种耐火材料395送入到一个位于第一表面与第二表面之间的间隙325内；由一个红外线加热器350向第一表面辐射红外线热能，来加热该第一表面；以及利用通过第一表面传递至耐火材料上的热量对所述间隙内的耐火材料进行处理，来制取一个用于第二表面的耐火材料衬里500。最好，还至少对辐射的红外线热能、第一表面的温度、第二表面的温度以及耐火材料395的温度中之一加以控制。在处理操作结束之后，该方法还包括将第一表面从经过处理后的耐火材料衬里500中拔出的步骤。针对型芯300来说，所述第一表面比如是该型芯的外壁表面。同样，针对中间包来说，第二表面可以是中间包的内表面315。
根据前述内容，本发明的一个方面包括下述步骤将第一表面的温度从常温升高至一个位于约250°F至300°F之间的第一温度，并且保持第一表面的温度在该第一温度处维持大约10分钟，接着将第一表面的温度升高至一个位于约625°F至675°F之间的第二温度，并且保持第一表面在该第二温度处维持60分钟。
与常规的气体加热处理系统相比，本发明中的方法和设备还实现了成本节约。在气体装置中，系统每小时消耗1000立方英尺/小时的天然气能够输出1000000Btu/hr(英热量单位(262卡)/小时)。每1000立方英尺的天然气的平均价格是2.75美元，需要完全消耗或者完全燃烧大约140分钟，每次耐火衬里处理操作所需的天然气成本大约为7.00美元。此外，鼓风机电动马达，一般是以3600rpm(转/分钟)工作的1马力460V三相马达，每小时大约消耗$0.75(千瓦/小时)(kw/hr)的电能。整个工作时间大约需要200分钟，假设每千瓦的成本为0.05美元，那么2.5千瓦的成本为0.13美元，从而每次中间包衬里操作所需的总成本为7.13美元。另一方面，本发明中的红外线电加热系统每次中间包衬里操作的成本为3.10美元(以137安培在全功率下工作两分钟(0.20美元)+在半功率下工作58分钟(2.90美元))。仅从能量消耗方面来看，对于每年预计大约1282次中间包衬里操作来说，所述差值带来的结果是，每年净节省5166美元。
因此，本发明提供了一种具有极高的能量效率(即大约90％或者更多)并且能够快速加热和处理的系统，与常规的气体方式相比，该系统能够更为均匀地对耐火材料进行处理，并且与常规系统相比，能够以较短的时间生产出低温强度更为均匀的产品。所述方法和设备还带来了其它优点，包括减小了设备尺寸并且相应地增大了可利用的存储空间、避免了某些在常规处理技术中所必需的起重机移动、以及减少了在中间包区域产生的灰尘和烟雾。还有，与气体加热处理系统不同，实际上在红外线电处理系统工作的过程中不会产生热量和烟雾，并且安装到位的衬里的表面状况优良，几乎没有裂纹并且具有较高的强度。
应该明白的是，本发明能够应用于各种其它组合体和环境中，并且如同在这里所表明的那样，能够在本发明的范围内进行改变或改进。
权利要求
1.一种用于对耐火材料进行处理使其硬化的设备，包括一个型芯，该型芯具有一个由其内表面在其内部限定而成的开口，并且所述型芯的尺寸被加工成使其能够装配在一个容器内并在该型芯和该容器之间限定出一个间隙，该间隙的厚度对应于一个容器耐火衬里的预定厚度；和一个红外线加热器，该红外线加热器被设置在所述型芯的开口内，并且被定位成能够对型芯的内表面进行辐射。
2.根据权利要求1中所述用于对耐火材料进行处理使其硬化的设备，还包括有被设置于所述型芯上的开口内的多个红外线加热器，这些红外线加热器被定位成能够向型芯的至少一个内表面进行辐射。
3.根据权利要求2中所述用于对耐火材料进行处理使其硬化的设备，其特征在于所述多个红外线加热器分布在型芯开口内，以限定出多个温度控制区域，各个所述的温度控制区域均包括有至少一个用于输出温度信号的热电偶。
4.根据权利要求3中所述用于对耐火材料进行处理使其硬化的设备，其特征在于各个热电偶均向一个基于计算机的闭合回路控制系统输出温度信号，并且所述多个红外线加热器中的每一个均被链接到基于计算机的闭合回路控制系统上，并能够由该基于计算机的闭合回路控制系统进行控制。
5.根据权利要求4中所述用于对耐火材料进行处理使其硬化的设备，其特征在于所述型芯基本上呈浅且窄的长槽形。
6.根据权利要求4中所述用于对耐火材料进行处理使其硬化的设备，其特征在于所述多个红外线加热器是中等波长的红外线电加热器。
7.根据权利要求6中所述用于对耐火材料进行处理使其硬化的设备，其特征在于所述多个红外线加热器是冲压而成的箔片式中等波长红外线电加热器。
8.根据权利要求7中所述用于对耐火材料进行处理使其硬化的设备，其特征在于所述多个红外线加热器被设置成与型芯上的所述至少一个内表面间隔约3”至4”。
9.根据权利要求5中所述用于对耐火材料进行处理使其硬化的设备，还包括有一个隔热外盖，该隔热外盖被构造成能够封闭住所述型芯上的开口。
10.根据权利要求2中所述用于对耐火材料进行处理使其硬化的设备，其特征在于所述型芯的所述至少一个内表面上带有涂层，以增加对红外线辐射的吸收能力。
11.一种用于对耐火材料进行处理使其硬化的方法，包括下述步骤将一种耐火材料送入到一个位于第一表面与第二表面之间的间隙内；由一个红外线加热器向第一表面辐射红外线热能，来加热该第一表面；利用通过第一表面传递至耐火材料上的热量对所述间隙内的耐火材料进行处理，来成型一个用于第二表面的耐火材料衬里。
12.根据权利要求11中所述用于对耐火材料进行处理使其硬化的方法，还包括下述步骤至少对辐射的红外线热能、第一表面的温度、第二表面的温度以及耐火材料的温度中之一进行控制。
13.根据权利要求12中所述用于对耐火材料进行处理使其硬化的方法，还包括下述步骤将第一表面从经过处理后的耐火材料衬里中拔出。
14.根据权利要求12中所述用于对耐火材料进行处理使其硬化的方法，还包括下述步骤将第一表面的温度从常温升高至一个位于约250°F至300°F之间的第一温度；保持第一表面在第一温度处维持大约10分钟；将第一表面的温度升高至一个位于约625°F至675°F之间的第二温度；保持第一表面在第二温度处维持大约60分钟。
15.一种用于对耐火材料进行处理使其硬化的方法，包括下述步骤将一种耐火材料送入到一个位于一型芯与一中间包之间的间隙内；由多个红外线加热元件向型芯的内表面辐射红外线热能，来加热该型芯；利用通过型芯传递至耐火材料上的热量对所述间隙内的耐火材料进行处理，来成型一个用于所述中间包的耐火材料衬里。
16.根据权利要求15中所述用于对耐火材料进行处理使其硬化的方法，还包括下述步骤至少对辐射的红外线热能、型芯的温度、中间包的温度以及耐火材料的温度中之一进行控制。
17.根据权利要求16中所述用于对耐火材料进行处理使其硬化的方法，还包括下述步骤将型芯从经过处理后的耐火材料衬里中拔出。
18.根据权利要求17中所述用于对耐火材料进行处理使其硬化的方法，还包括下述步骤将型芯的温度从常温升高至一个位于为250°F至300°F之间的第一温度；保持型芯在第一温度处维持大约10分钟；将型芯的温度升高至一个位于约625°F至675°F之间的第二温度；保持型芯在第二温度处维持大约60分钟。
全文摘要
本发明提供了一种用于对耐火材料进行处理使其硬化的方法和设备。所述设备包括一个型芯，该型芯具有一个由其内表面在其内部限定而成的开口，其中，该型芯的尺寸被加工使该型芯成能够装配到一个容器内并且在它们之间限定出一个间隙，该间隙的厚度对应于一个容器耐火衬里的预定厚度。一个红外线加热器被置于型芯上的开口内，并且被定向设置成对型芯的内表面进行辐射。所述用于对耐火材料进行处理使其硬化的方法包括，将一种耐火材料送入到一个位于一型芯与一中间包之间的间隙内，由多个红外线加热元件向型芯的内表面辐射红外线热能，利用通过型芯传递至耐火材料上的热量对所述间隙内的耐火材料进行处理，来成型一个用于所述中间包的耐火材料衬里。
文档编号F27D99/00GK1441754SQ01812596
公开日2003年9月10日 申请日期2001年7月12日 优先权日2000年7月12日
发明者马克·D·科秋克 申请人:密执安特种矿石公司