加强的耐火容器的制造方法
【专利说明】加强的耐火容器
[0001] 达娜·戈斯基（Dana G. Goski)
[0002] 道格拉斯· K ·多扎（Douglas Κ· Doza)
[0003] 安东尼· S ·迪萨亚（Anthony S. DiSaia)
[0004] 邓肯?劳里（Duncan Lawrie)
[0005] 背景
[0006] 铸造的（即，模制的）耐火容器被用于各种用途。例如并且如在本文进一步地讨 论，柱形的且端部敞开的耐火环被堆叠以产生内部容积，碳制品在该内部容积中被石墨化 (例如，通过感应加热）。其他类型的耐火陶瓷容器被用于各种其他的高温应用，包括通常 由各种陶瓷组合物制成的经常被称为"耐火坩埚"的那些高温应用。
[0007] 石墨和石墨复合材料制品被用于宽泛种类的产品和元件，部分是由于其电性质以 及其允许宽泛种类的复杂部件的制造的可机械加工性。然而，首先，由碳和碳复合材料形成 的制品必须在各种压力（包括真空）下且在高温（高达2, 750°C，或者甚至更高）下烧结 (石墨化）很长时间（有时为数天）。石墨化将碳转化成结晶形态，并且石墨化过程所需要 的温度取决于前体材料以及石墨制品所期望的最终性质。
[0008] 石墨化通常通过感应感受器加热而执行，经常使用无芯感应线圈。在这些工艺中， 热量间接地传递到碳制品。对于无芯感应线圈而言，耐火环被堆叠在水冷却感应线圈内部。 碳部件与感受器（通常由石墨制成）一起被包裹在耐火环内。感受器然后通过感应而加热， 其进而通过辐射热对待石墨化的部件进行加热。感应线圈可为非常大的（例如，高达直径 10英尺以及高15英尺，或者更大）。堆叠在感应线圈内部的耐火环的外径小于感应线圈的 内径，这是因为线圈通常不接触耐火环的外侧。针对感应线圈的尺寸和正在烧结的制品的 类型两者而使环确定尺寸。
[0009] 旧的耐火环通常使用机械加工的石墨环，这是因为感应线圈通常在直径上是非常 小的（例如，小于一英尺）。当感应炉的尺寸增大时，机械加工的石墨段被组装形成环，其直 径有时为10英尺。石墨的机械加工是非常昂贵的和耗时的，而锻制具有对于单块件的尺寸 限制。此外，分段的耐火环的使用允许组装的砖之间的热填充料泄漏，并且石墨将随着时间 的推移而氧化。
[0010] 近来，分段机械加工的石墨构件已经被预铸造的SiC(碳化硅）环替代。这种环通 常由与铝酸钙水泥结合的高SiC含量（80%或者更高）的可铸造耐火组合物制成。然而，在 使用期间，从环的内部到外部的陡峭的热梯度通常在使用期间出现，并且这些热梯度通常 引起在这些预铸造的环中的裂纹。为了防止这种裂纹，1%至10%的重量百分比的金属纤 维（例如，3/4"至1"，或者更长）被添加到耐火可铸造材料中作为裂缝扩展阻止物。这种 纤维通常由不锈钢（例如，304SS)制成。然而，由快速的升温进度和较高功率的感应过程施 加的热和机械应力超过了由金属纤维提供的阻止。此外，较高的金属纤维含量可消耗功率 并与感应场耦合，导致功率损耗并且在金属纤维本身中引起不期望的高的热膨胀。
[0011] 常用的另一个类型的耐火容器是通常由各种陶瓷组合物制成的耐火坩埚。耐火坩 埚例如用于在非常高的温度下熔化或以其他方式处理玻璃、金属或者需要高温处理的其他 物质。
[0012] 通过另一具体的实例，耐火坩埚通常用于熔化玻璃，并且其构造和形状在过去的 200年里几乎没有发生变化。例如，见1867年5月7日公布的美国专利第64,558号，其内 容通过引证结合于此。这种坩埚（或者耐火罐，如对熟悉本领域的人员而言它们已知是一 样的）以各种形状和尺寸来制造（包括柱形形状）。各种其他的截面形状也可使用，比如圆 形、椭圆形、卵形、正方形（包括圆角正方形）、矩形（包括圆角矩形）或者其他形状。耐火 罐通常具有封闭的底部和敞开的顶部，这类似于杯子形状。当从侧面观察时，在截面中，耐 火罐的底部可为平的、圆的、锥形的（例如，在底部与容器的内和/或外侧壁相交处）或者 前述形状的各种组合。
[0013] 一些耐火陶瓷坩埚被生产为小的单件结构，其具有人的拇指的尺寸。这些小的坩 埚例如通常在加热样本中使用，其中，重量损失与温度一起被监测。另一方面，在大规模生 产操作中，耐火陶瓷坩埚可为非常大的，比如10英尺高（或者更高）并具有4英尺宽（或 者更宽）的外径、高达数英寸（或者更大）的壁厚度以及数千镑的重量。
[0014] 耐火坩埚通过许多传统的和非传统的方法中的任一个而生产。这些方法包括：用 于由陶瓷氧化物或者碳化硅（必要时使用结合剂）制成的小坩埚的等静压成形；用于粘 土-石墨系统的旋坯成形；在传统的玻璃罐的情况下手工灌筑粘土；将陶瓷浆料流铸成用 于小的实验室坩埚的模具；或者将单件的可浇注耐火材料浇铸成数千镑重量的罐。
[0015] 一般存在两种类型的耐火坩埚：一种是旨在自支撑的坩埚；另一种是不进行自支 撑的坩埚。不进行自支撑的坩埚位于另一个容器内，比如插入感应炉内并且由备用耐火材 料围绕的坩埚。干的且可振动的耐火材料通常由在感应炉内的坩埚下方和周围的颗粒形式 压塑形成。待熔化的材料进而被容纳在坩埚内并进行加热。一种可替换的类型的坩埚是侧 壁完全自支撑的坩埚。这些自支撑的或者独立的坩埚可位于底座或者支撑基座上并且从坩 埚的外侧进行加热（比如在燃气炉结构中）。这些坩埚例如用于对坩埚的容纳物（比如玻 璃组合物）进行液化。
[0016] 自支撑耐火坩埚（或罐）（比如，用以熔化或处理锌、铝、铜、各种合金、其他金属或 者玻璃的坩埚）通常在尺寸上被限制。这些类型的小规模的且自支撑的耐火密闭容器的实 例由摩根热陶瓷和艾莫哈特玻璃制造公司（Morgan Thermal Ceramics and Emhart Glass Manufacturing, Inc.)制造。这些i甘埚通常在尺寸上被限制存在多种原因。例如，壁通常 需要是足够薄的以允许穿过壁的厚度的热传递，以便对坩埚的容纳物进行加热，同时保持 运行成本的经济性。具有较厚的壁的耐火坩埚需要更长时间加热，并且需要增大的热输入 (即，增大的运行成本）。虽然较薄的耐火坩埚壁可能需要较小的热输入，但其也可能对过 早失效更敏感。此外，耐火材料在工作温度下的强度可能不足以承受来自于熔融液体的重 量的头压力和来自于保持熔融液体容纳物的关联的应力，这样使得坩埚壁弯曲或者拉伸， 并且最终失效。另一方面，如果在这些自支撑设计中耐火陶瓷坩埚壁太厚，则坩埚壁由于不 同的热膨胀而变得对热冲击损害敏感，也产生失效。例如，从外部加热的玻璃罐将导致该罐 在外表面处比内表面更热，从而导致可引起应力裂纹的不均匀热膨胀。
[0017] 玻璃罐和其他自支撑耐火坩埚的共同的失效模式包括通过由热膨胀差异引起的 裂化导致的底部和侧壁的完整性的损失。在卵形的或者正方形截面形状的自支撑结构中， 在转角壁或者竖直壁处经常出现裂纹。在一些应用中，自支撑坩埚被预加热然后被移动到 适当位置，从而产生可导致裂纹形成和扩展的另一个热冲击情形。在其他的实例中，特别是 用在感应炉中的坩埚的情况下，裂纹通常由于机械损害或者损伤（例如，由用以将坩埚插 入炉中的升降机构引起，其在侧壁上施加弯曲力矩从而导致损伤）以及热冲击而出现。在 其他的实例中，在制造的期间产生的机械缺陷也可导致裂纹。
[0018] 因此，耐火容器（比如用在感应炉中的耐火环以及耐火坩埚）将通常因为各种原 因而过早地失效，这些原因包括极端温度、在使用的期间的宽温度变化、导致不均匀热膨胀 的大温度梯度、机械损伤、在制造期间出现的缺陷以及其他原因。虽然各种技术可存在以防 止或者延缓这种失效，或者以其他方式延长耐火容器的使用寿命（比如使用金属纤维而引 入加强物），但认为在发明人之前没有人制造或者使用如在本文描述的发明。
【附图说明】
[0019] 虽然本文包括以特别地指出并且清楚地主张本发明的权利要求，但认为从下文中 连同附图一起获得的一些实例的描述中能更好地理解本发明。在附图中，多个视图中相同 的标号表示相同的元件。
[0020] 图1示出了在例如石墨化感应炉中的堆叠在彼此顶部上的一对耐火环。
[0021] 图2示出了图1中的堆叠的耐火环的俯视图，其中，该堆叠的内部容积被表示为 (12)。
[0022] 图3示出了图2中的堆叠的耐火环沿着线3-3截取的截面图。
[0023] 图4示出了用在图1的耐火环中的纤维缠绕加强结构（或者预成形件）的一个实 施例的侧视图。
[0024] 图5示出了图4中的纤维预成形件的轴测图。
[0025] 图6示出了用于铸造图1的耐火环的模具的俯视图，其中，图4的纤维预成形件位 于其中。
[0026] 图7示出了与图6类似的视图，其中，更大直径的纤维预成形件位于其中。
[0027] 图8示出了用于例如图11所示的耐火容器（或者坩埚）中的纤维缠绕加强结构 (或者预成形件）的一个可替换的实施例的轴测图。
[0028] 图9示出了图8中的纤维预成形件的侧视图。
[0029] 图10示出了图8中的纤维预成形件的仰视图。
[0030] 图11示出了比如用于熔化玻璃的耐火坩埚（在本领域中也被称为玻璃罐）的轴 测图。
[0031] 图12是图11中的耐火坩埚的俯视图，其中，顶部被移除并且图8中的纤维预成形 件被以虚线显示在坩埚的下部的侧壁的内部。
[0032] 图13示出了图12中的耐火坩埚沿着线13-13截取的截面图。
[0033] 图14示出了图13中的耐火坩埚沿着线14-14截取的截面图。
[0034] 附图无论如何都不是限制性的，并且考虑到，本发明的各种实施例可以各种其他 的方式实施，包括无需描述在图中的实施例。并入且形成说明书一部分的附图示出了本发 明的多个方面，并且与说明书一起用来解释本发明的原理；但是应理解到，本发明发明不被 限制在所显示的精确布置上。
【具体实施方式】
[0035] 下文中的一些实例的描述不应该用于限制本发明的范围。本文公开的型式的其他 的特征、方面和优点对于本领域技术人员而言将从下文的描述中变得显而易见。如将认识 到，在本文描述的型式能够有其他的不同的和明显的方面，所有这些方面都不背离本发明。 因此，附图和说明书应该被认为本质上是说明性的，而不是限制性的。
[0036] 如在本文使用的，术语"容器"表示限定了内部容积的壁结构，其被配置成容纳有 一定质量或体积的材料（固体、液体和/或气体），无论静态地或者瞬态地（例如，端部敞 开的管道或者管），其中，内部容积由围绕该内部容积延伸的侧壁来限定和包围。例如，图1 中的耐火容器（10)具有由围绕内部容积（12)延伸的侧壁（11)限定的圆形截面形状，而耐 火