公路标记的工艺及设备的制作方法

专利名称：公路标记的工艺及设备的制作方法
公路标记的工艺及设备
背景技术：
在近三十年中，公路或道路标记上的"刷涂"线方法的改变很小。这 里，术语"刷涂"是指将涂层施加到道路表面以形成线或道路标记的任何 方法。在本发明之前，仅有三种在公路上刷涂线的方法得到广泛使用。最 常用的技术是将化学涂料喷涂在道路上并等待涂料干燥。喷涂涂料的设备 通常是"空气"或"无气"涂料机，其中涂料是由空气携带并喷射到道路 表面，或者涂料在很口压力下被迫使通过一个小孔并喷射到道路表面。"化 学喷涂"是在公路或道路标记上刷涂线的最广泛使用的系统。
在公路上刷涂线的第二种技术是在道路表面施加带，其中带是利用加
热或利用适合的化学物结合在道路表面。美国专利4162862披露一种"道 路条带形成设备及方法"，其中利用机器将带压入热的新鲜沥青中。美国专 利4236950披露另一种施加多层道路标记预制带材料的方法。
第三种技术是使用高速氧燃料(HV0F)热喷涂枪将熔化的粉末或陶瓷 粉末喷涂到基体上。这披露于美国专利5285967中。
在这三种涂料方法中，将化学物喷涂到道路表面并等待涂料干燥的第 一种方法是目前使用的主要方法。
刷涂线的历史表明，至少有三种"涂料"性能对于公路标记行业是重 要的(1)涂料干燥的速度；(2)涂料与道路表面的结合强度；以及(3) 涂料承受汽车、沙子、雨水、水等作用的耐用性。
如同美国专利3706684 (1972年12月19日)中披露的，第一传统交 通涂料基于干油醇酸树脂，其中加入诸如石油溶剂油或石脑油。涂料随着 溶剂蒸发排除而干燥。但是，涂料"干燥"(氧化)过程"继续进行并且膜 逐渐变硬，导致其变脆和耐磨性下降，造成膜开裂和剥落"。上面的专利披 露"不需要固化剂的快干的单包装环氧交通涂料成分"。
如同美国专利4765773中描述的
"乡村的道路和公路必须经常涂料标记，表示出分隔线、转弯道、人 行道和其它安全符号。虽然这些标记通常是以快干涂料的方式形成的，但
7涂料不能即时干燥。这样，必须将一部分道路或公路阻断一段时间使涂料 充分干燥。但这将导致堵塞。如果未将道路阻断足够的时间使涂料干燥， 则交通车辆能抹掉涂料使其看不到。而且在一些情况下，交通车辆将在一 定程度上损坏标记，使安全信息变得不清楚，导致事故发生"。
低沸点挥发性有机溶剂在将涂料施加到道路上之后快速蒸发，为新施 加的道路标记提供所需的快干特性。
专利4765773表示利用微波能量加速这种溶剂的涂料干燥过程。
虽然低沸点挥发性有机溶剂促进快速干燥，但"这种涂料配方容易使 工人暴露在有机溶剂蒸气中。由于这些缺点以及来自政府和团体的日益增 加的强烈环境要求，因此极需要开发更加环境友好的涂层或涂料，同时保 持快干性质和/或特征"(美国专利6475556)。
为了解决这个问题，已经利用水性而不是溶剂基的聚合物或树脂开发 出了涂料。美国专利6337106披露了一种制造快速固化水性涂料。但是， 水性涂料的干燥时间一般比那些有机溶剂基的涂层的时间长。另外，水性 涂料在使用过程中受到天气和环境条件的严重限制。通常，当道路表面湿 或当温度低于-l(TC时不能使用这种涂料。而且，干燥时间强烈取决于涂料 所应用环境的相对湿度。水性涂料在高湿度下可能需要几小时或更长时间 干燥。最近， 一般称为"基于橡胶的涂料"的水性涂料是由水分散聚合物 制成的。这些聚合物一般非常"软"，并且由于交通车辆、沙子和天气侵蚀 容易从道路表面磨去。
上述的专利都试图解决在使用"水性"涂料以及加速干燥过程时的涂 料干燥问题。本发明通过在"刷涂过程"中不使用任何溶剂解决干燥问题。
本发明密切涉及有关维修内衬耐火砖或铸件的焦炭炉、玻璃炉、均热 炉、再热炉等的工作。此过程现在称为"陶瓷焊接"。
美国专利3800983披露了一种通过投射至少一种可氧化的物质以及另 一种不可燃烧物质形成耐火块的方法，可氧化的物质与氧结合燃烧伴随热 量释放，不可燃烧物质在燃烧热量下熔化或部分熔化、并被投射到耐火砖。 本发明用于在炉子运行的同时原位修复炉的内衬层。通常，炉壁的温度超 过150(TC，并且所投射的粉末在投射到热表面时同时点燃。在此过程中， 可氧化的颗粒以及非燃烧颗粒在化学和热学上与炉子内衬匹配是极为重要 的。如果热性质不正确，则新的耐火块将由于材料的膨胀不同而从炉子内 衬上剥落。如果化学成分不正确，则新的耐火块将"损坏"炉内的熔体。
在专利3800983中，可氧化和不可氧化颗粒结合为一种粉状混合物。 接着，利用压力下的纯氧从粉末漏斗中将粉末吸入。接着将得到的粉末一 氧气混合物驱动经过柔性的供应管到达水冷喷头。使用喷头将粉末一氧气 混合物投射到待维修的炉子耐火内衬。粉末一氧气混合物在其碰到炉子热 表面时被同时引燃。
专利38000983以及其随后的专利的目的是粉末的成分匹配耐火内衬的 特性，并防止从喷头向后朝设备操作员的"回火"。"回火"是一个氧一粉 末流非常快地燃烧使火焰从氧—粉末沿相反方向行进，并导致设备损坏以 及对设备操作员的严重危害的过程。
美国专利4792468披露了类似于上述的过程，特别是给出在耐火内衬 上形成基本没有裂纹的耐火块所需的可氧化和耐火颗粒的化学和物理性 质。
美国专利4946806披露了一种基于专利3800893的过程，其中该发明 提出使用金属锌粉或金属镁粉或二者的混合物作为形成耐火块的热源。
美国专利5013499披露了一种火焰喷涂耐火材料(现在称为"陶瓷焊 接")的方法，用于原位维修炉子内衬，其中使用纯氧作为吸气气体，并且 也作为加速气体，高可燃物可以是没有回火的铬、铝、锆或镁。设备具有 非常高的材料沉积速率。
美国专利5002805通过在混合物中添加"助熔剂"改进可氧化和不可 氧化粉末的化学成分。
美国专利5202090披露了一种类似于美国专利5013499中所示的设备。 在专利5202090中，具有有关混合粉末材料与氧气并将氧一粉末混合物输 送到喷头的机械装置。此设备还允许在没有回火的情况下非常高的耐火材 料沉积率。
美国专利5401698披露了一种改进的"陶瓷焊接粉末混合物"，用于前 面给出的专利中所示的设备中。此混合物需要至少两种金属作为燃料粉末， 耐火粉末至少含有氧化镁、氧化铝或氧化铬。
美国专利5686028披露了一种陶瓷焊接过程，其中耐火粉末包括至少 一种硅的化合物，而且非金属前驱体是从CaO、 Mg0或Fe203中选择的。美国专利5866049是对5686028中所示的陶瓷焊接粉末成分的进一步 改进。
美国专利6372288是对陶瓷焊接粉末的成分的进一步改进，其中粉末 至少含有一种增强耐火块中玻璃相生成的物质。

发明内容
本发明提供一种将耐火材料直接火焰喷涂到道路表面上从而给所述道 路表面提供高反射的、非常耐久的和立即干燥的"涂料"的方法和设备。 由于涂料不含溶剂并且火焰喷涂工艺在非常高的温度下运行，"涂料"可以 在变化广泛的温度和湿度条件下施加。
本发明利用陶瓷焊接工艺，其中一种或多种不可燃烧陶瓷粉末与金属 燃料和氧化剂混合。混合物被输送到燃烧室、被点燃并被喷射到道路表面。 另外，成分可以在燃烧室中混合。燃料通常是铝或硅粉，不可燃陶瓷粉通 常是二氧化硅、二氧化钛或其混合物，或其它以下描述的氧化物。氧化剂 通常是化学物粉末，但也可以是纯氧或空气。燃烧的热量熔化或部分熔化 陶瓷粉，形成喷射到道路表面的耐火物质，材料的温度使耐火物质长久地 粘附到表面上。
在本发明的另一个方面，硅或铝的金属粉末在燃烧室中燃烧，使二氧 化硅(Si02)、氧化钙(Ca0)和碳酸钠(Na2C03)的混合物熔化以产生钠钙 玻璃(Na2Si205)。燃烧产生的物质是液体碱石灰浆和结晶二氧化硅以及晶体 形式的CaSi03或Ca2Si04。此玻璃状的成分在大约1280K (1007。C或1845°F) 的温度下熔化，该温度比熔化二氧化硅所需的温度低得多。
铁粉可以用作金属燃料，并且在燃烧过程中形成Fe203， Fe203颜色是黄 色的、并可以作为道路标记的黄颜料。
燃烧室可以实施为逆涡流室，其中逆涡流沿室壁提供气体的隔热层， 防止燃烧的高温熔化或损坏室壁。
本发明的目的是提供一种在道路上"刷涂"线的方法，其中"涂料" 立即干燥、长久地附着在道路上、对磨损和腐蚀、风、沙子和雨水具有高 的抵抗力、并且对"回火"具有固有的安全性。此"涂料"可在任何温度 以及在潮湿和多雨水的条件下施加。燃烧室的运行温度通常为2000K (3623 °F)或更高。


在下面结合附图的详细说明中将更加详尽地描述本发明。在附图中
图1是根据本发明的设备的示意图2是根据本发明的设备的另一个实施例的示意图3是根据本发明的设备的再一个实施例的示意图4是本发明中使用的燃烧室的一个实施例的示意图5是本发明中使用的截头形逆涡流燃烧室的示意图6是图5的燃烧使用的多个喷嘴结构的一个实施例的剖视图7是本发明中使用的圆柱形形燃烧室的示意图8是另一种燃烧室的示意图9表示图8的燃烧室的一个变化；
图IO表示具有双容器结构的燃烧室的另一个实施例； 图ll是图IO的实施例的剖视图；以及 图12表示本发明中使用的螺旋进给器。
具体实施例方式
图1表示本发明使用的设备的一个典型实施例。第一漏斗1装有金属 燃料粉末2，通常是铝粉或硅粉。其它适合的可燃粉末包括锌、镁、锆、铁
和铬。也可以使用两种或多种可燃粉末的混合物。第二漏斗6装有粉末氧 化剂7，通常是硝酸铵、硝酸钾或硝酸钠。通常是二氧化硅、二氧化钛、或
者粉状或粉碎玻璃的不可燃陶瓷材料可以混在燃料粉末、化学氧化剂中，
或二者中都混入。每个漏斗在重力作用下通过第一空气/氧气源4和第二 空气/氧气源9输送到文氏管3和8。流过文氏管的气体由第一阀13或第 二阀14控制，并将粉末吸入空气流。来自第一和第二漏斗的空气流进入第 一供应管5和第二供应管10，并进入燃烧室11中汇合，空气流在燃烧室 11中混合并通常利用电弧12或输气标灯或等离子弧点燃。产生的燃烧至少 熔化不可燃物的表面，并且空气流将熔化的物质投射到道路表面。这些物 质形成长久附着在道路表面上的粘附陶瓷或耐火物质。
第一和第二供应管5、 10直接到达燃烧室11的顶部23。燃烧室11具 有三个有意义的区域金属燃料和氧化剂在其中混合的顶部23、燃料在其中点燃并且进行高温燃烧的中部24、以及是燃烧室11的最低温度部分并且
在其中发生二次燃烧作用的下部25。
在图1中，氧化剂可以是从空气/氧气源9供应并由第二阀14控制的 纯氧气。氧气通过第二供应管10直接到达燃烧室11。在这种情况下，不需 要粉末氧化剂7，并且不需要第二漏斗6。仅仅使用空气将金属燃料粉末2 从第一漏斗1吸到燃烧室11是重要的。使用空气吸入金属燃料粉末2消除 了对金属燃料粉末2 "回火"的可能性。
图2表示将纯氧注入燃烧室11的另一种方法。在此图中，金属燃料粉 末2被吸入第一供应管5，并朝燃烧室11驱动。在第一供应管5中靠近燃 烧室11的位置，将供应的氧气在位置16从氧气源17注入第一供应管5。 来自氧气源17的氧气加速燃料一空气混合物，并供应燃烧所需的氧气。在 靠近燃烧室11的位置注入氧气能防止"回火"，因为燃料由空气吸入直到 位置16。空气不足以维持金属燃料粉末2的燃烧。因此，粉末燃料一空气 混合物不能沿着朝第一漏斗1的相反方向燃烧。通过将氧气注入第一供应 管5，氧气有助于燃料和陶瓷粉末混合物朝道路表面的加速，也促进金属燃 料粉末2与氧气更好地混合。
此过程对"回火"具有固有的安全性，因为通常铝粉或硅粉燃料由空 气输送并与粉末氧化剂7分离，直到化学物在燃烧室ll中汇合。当由普通 的空气输送时几乎不可能导致铝或硅粉回火。另外，粉末氧化剂7在空气 中不能燃烧(或燃烧非常慢)，从而防止输送粉末氧化剂7的第二供应管10 中的任何回火。
另一个安全特征是铝或硅粉在空气中非常难以点燃。虽然在使用铝粉 方面有很多注意事项，但铝粉在空气中不能点燃，除非火焰温度(由火柴 等发出的)超过氧化铝的熔点(2313K)。本发明者已经用几种粒度的铝粉 进行了实验，即从1微米到100微米，使用丙烷火炬不能点燃任何一种粉 末。
另外，可以将不可燃的陶瓷粉末混入金属燃料粉末2或粉末氧化剂7 中。如果不可燃粉末混入金属粉末燃料2，则它将稀释粉末燃料的浓度，并 使回火或金属燃料粉末2偶然点燃的可能性最小。根据不同的陶瓷焊接专 利的公开内容，金属粉末燃料2的量通常小于不可燃陶瓷粉末重量的15%。
在其它情况下，在没有补充纯氧的情况下，单独的空气足以供应燃烧所需的氧气。在这种情况下，在图2的位置16将空气注入，使混合物朝表 面加速，并促进金属粉末燃料2与空气的更好混合。
图3更加详细地表示本发明使用的设备。第一漏斗1装有金属粉末燃 料2或者粉末氧化剂7。金属粉末燃料2和粉末氧化剂7是由螺旋输送器 18进给，螺旋输送器18由变速电机19驱动。螺旋输送器18进给到漏斗 20中，漏斗20与文氏管3流体相通，来自第一空气/氧气源4的空气流导 入文氏管3。空气流的流速受与第一空气/氧气源4串联的第一阀13控制。 文氏管3将金属粉末燃料2从漏斗20吸入第一供应管5，夹带的颗粒由此 输入到燃烧室11。耐火物质在表面上的沉积速率受表面与燃烧室11出口之 间的移动速率控制。变速电机与螺旋输送器18和第一阀13 —起形成一种 精确装置，用于将金属粉末燃料2和粉末氧化剂7分配到燃烧室11以及改 变燃烧速率和耐火物质在道路表面上的沉积速率。变速电机19和第一阀13 由测量"线刷涂机"相对道路表面的速度的装置控制。以这种方式，可以 与线刷涂机相对道路表面的速度无关地控制道路表面上的沉积厚度。在将 耐火物质喷射到表面之前，可以将表面预热。
粉末氧化剂7的选择对线刷涂工艺的安全性和经济性非常重要。粉末 氧化剂7必须成本低、容易获得、无毒、并且其燃烧的火焰温度高到足以 软化或熔化此工艺所用的陶瓷材料。考虑以下的化学物
高氯酸铵(NH4C104)
硝酸铵(NH4N03)
硝酸钾(KN03)
硝酸钠(NaN03)
高氯酸钾(KC104)
高氯酸钠(NaC104)
氯酸钾(Kcl03)
氯酸钠(NaC103)
空气
纯氧气
高氯酸铵是在固态火箭燃料中所用的一种公知的和得到很好表征的氧 化剂。它是航天飞机固体火箭推进剂的氧化剂。它相当贵并且在美国仅仅 由一家公司生产。燃料产物主要是N0和少量的N02、氯气和氯化氢(HCl)，所有这些都有毒。因此，作为本发明申请中的氧化剂，高氯酸铵被排除在 外。
硝酸铵(NH4N03)是一种较好的氧化剂，因为其不含氯，因此不产生HC1。 尽管与空气结合时的NO浓度可能非常低，但它可产生有毒量的NO。硝酸铵 也是公知的肥料，并广泛用于炸药中。它可以广泛地得到并且便宜。但是， 燃烧一磅铝需要4.45磅硝酸铵，因此，与其它可能的氧化剂相比，硝酸铵
所需的体积和重量较大。
硝酸钾(認03)和硝酸钠(NaN03)可以广泛得到，非常便宜并且也产 生有毒量的NO。再次说明，在本发明的操作过程中，希望外界空气可以非 常大地稀释NO。硝酸钾和硝酸钠都产生与空气反应形成氢氧化物的副产物。 这些氢氧化物可以溶解在水中，可能(或者不能)对耐火物质在道路表面 的沉积和附着产生问题。燃烧一磅铝仅仅需要2. 25磅KN03。因此，認03是 粉末氧化剂7很好的候选。
硝酸钠(NaN03)的性质非常类似于KN03。它易于获得、成本低，并且 燃烧一磅铝仅需要1. 89磅NaN03。
其它的高氯酸盐和氯酸盐在性能和燃烧性质方面类似于硝酸钠和硝酸 钾，并且也产生水溶性的副产物。它们比硝酸钠和硝酸钾贵并且不易获得。
空气是作为氧化剂的很好的候选。很明显，它容易得到并仅需要压縮 机。其中的问题是能将足够的空气注入设备中以便为燃烧提供充足的氧 气并且也不会带走太多的热量吗？
纯氧是氧化剂的优秀候选。使用纯氧将产生非常类似于陶瓷焊接的过 程。没有有毒副产物并且阀和控制装置便宜。纯氧很便宜并且容易得到。 如果使用压縮氧气(作为气体)，则容器与所贮存的氧气量相比很大且笨重。 而且，必须解决"回火"的问题。
液氧(LOX)是大量公路刷涂应用的很好候选。它很便宜并且可以广泛 得到。唯一问题是LOX的贮存和处理。
在此设备中作为"涂料颜料"可以考虑以下不可燃陶瓷材料
二氧化硅
二氧化钛
氧化铝
重熔颗粒砖得到的氧化铬氧化镁 氧化铁
粉碎的彩色玻璃 镁砂再生物
Corhart-Zac耐火材料 八1203-/铝钒土-再生物
选择"涂料颜料"的主要标准是成本和可获得性。二氧化钛是白色涂 料中使用的主要颜料，容易获得并且成本非常低。氧化铝也容易获得，但 比二氧化钛贵得多。二氧化硅通常称为"沙子"，是所有"涂料颜料"中最 便宜的。如果由重熔颗粒砖生产，氧化铬也是低成本的陶瓷材料，但在其 混合物中可能不一致。重熔颗粒砖可以购买到，例如，Cohart RFG或Cohart 104级。氧化镁可以少量使用，用以增强最终涂料产品的热性能。镁砂再生 物、Cohart-Zac耐火材料和铝矾土再生物是先前用于高温炉中的回收耐火 材料。还可以使用两种或多种不可燃陶瓷材料的混合物。
在一个实施例中，至少两种不可燃物与至少一种金属燃料粉末2和氧 化剂混合。 一种不可燃物的熔点超过燃烧金属燃料粉末2和粉末氧化剂7 的火焰温度，第二不可燃物的熔点低于燃烧金属燃料粉末2和粉末氧化剂7 的火焰温度。点燃混合物，使可燃颗粒以放热反应方式与粉末氧化剂7反 应，并且释放足够的热量熔化低熔点的不可燃物但不足以熔化较高熔点的 不可燃物。然后，将这些物质喷射到表面上，低熔点不可燃物作为高熔点 不可燃物和燃烧产物的粘结剂，得到的耐火物质长久地附着在表面上。优 选地，高熔点的不可燃物包括二氧化钛、氧化铝、氧化镁、氧化铬、氧化 铁、氧化锆、氧化钨或者两种或多种这些物质的混合物。低熔点不可燃物 是二氧化硅或粉碎的玻璃(玻璃粉)，金属可燃物是硅或铝。
适合于刷涂道路表面的一些线刷涂成分包括包括二氧化钛和硅的成 分；包括二氧化钛、二氧化硅和硅的成分；包括氧化铝和硅的成分；包括 氧化铝、二氧化硅和硅的成分；包括氧化铁和硅的成分；包括氧化铁、二 氧化硅和硅的成分；包括氧化镁和硅的成分；以及包括氧化镁、二氧化硅 和硅的成分。在一些情况下，可以使用少量的铝促进混合物在燃烧室ll中 点燃。
另外可以使用玻璃状的刷涂成分。目前优选的成分包括二氧化硅(Si02)、氧化钙(CaO)和碳酸钠(Na2C03)。金属燃料粉末2通常是硅粉或 铝粉。二氧化钛(Ti02)可以用作颜料形成白色标记成分。空气作为优选的 氧化剂。燃烧的热量形成液体的钠钙玻璃以及晶体形式的二氧化硅和二氧 化钛的浆体。燃烧温度为IOOO'C，该温度明显低于熔化上述包括一种或多 种陶瓷材料的线刷涂成分中的二氧化硅所需的燃烧温度。
上述的陶瓷成分主要包括混入诸如用于白线的二氧化钛或用于黄线的 粉碎黄玻璃的颜料的二氧化硅(沙子)。颜料通常在混合物中占二氧化硅含 量的大约10%。必须提供充足的热量熔化二氧化硅，并形成具有颜料的浆体。 得到的浆体从燃烧室ll喷射到道路表面上，长久地结合在上面。二氧化硅 在约1900 —2000K (1727。C或3141°F)下熔化。如此高的温度将导致设计 燃烧室ll以及选择产生所需颜色的颜料困难。例如，黄色氧化铁在比二氧 化硅熔化温度低几百度的温度下分解。因此，如果燃烧过程的主要产物是 液体二氧化硅，黄色氧化铁不能作为产生黄色的颜料。
根据本发明，可以使用在更低的温度下熔化的玻璃状材料。作为一个 例子，二氧化硅(Si02)、氧化钙(CaO)和碳酸钠(NaC03)可以混合并通 过燃烧诸如硅或铝的金属燃料粉末2加热，以产生作为在大约1280K (1007 。C或1845°F)温度下熔化的液体的钠钙玻璃。得到的成分是具有晶体二氧 化硅和晶体形式的CaS:U或Ca2Si04的液体钠钙玻璃的浆体。玻璃浆体可以 在熔化二氧化硅所需温度的一半温度形成。玻璃浆体作为"粘结剂"将二 氧化硅和其它固体颗粒保持在公路表面，并改进涂料在公路表面上的附着 力。
二氧化钛可以作为颜料形成白色标记成分。可以使用铁作为金属燃料 粉末2，它在燃烧时形成黄色氧化铁(Fe203)，作为黄色公路标记线的黄色 颜料。其它颜料的使用如下所述。
玻璃类型的成分对于覆盖沥青的公路很好。温度较低的玻璃成分不会 很好地附着在与二氧化硅大体相同温度下熔化的混凝土上。
除了选择低成本的陶瓷或其它材料作为"涂料颜料"，还需要彩色物质 在道路表面产生黄色、蓝色和红色。这些彩色物质可以预先混合在陶瓷粉 末或粉末燃料中，或者可以通过单独的供应管加入燃烧室11。彩色物质可 以是例如钨、锆、粉碎的黄色或其它颜色玻璃、或者氧化铁(Fe203)。同样， 也可以加入向后反射的小珠。由于粉末氧化剂7容易吸湿，因此必须在粉末氧化剂7中加入"抗粘 结剂"，防止形成阻止粉末平稳流动的团块。"抗粘结剂"也称为"流动剂"。
典型的流动剂是TCP (三磷酸钙)，但本领域公知的还有其它物质。
图4表示燃烧室11的一个方面。由于设备在通常等于或大于2000K的 极高温度下运行，因此将燃烧室11设计成低成本并在高温下具有很长寿命 是重要的。燃烧室ll可以由适合的陶瓷材料、金属或内部涂有高温陶瓷涂 层的金属制成。图4表示在燃烧室11的侧面形成小的侧向喷管21。当燃烧 产物从燃烧室11喷射出去时，燃烧气体的速度在燃烧室11内表面产生局 部真空。较冷的空气吸入侧向喷管21，并沿燃烧室11的内表面22流动。 此空气同时冷却燃烧室11的内表面22，并减小残余产物在燃烧室11内侧 的积聚。
由于火焰喷涂作业具有很高温度，通常是2000K或更高，因此将燃烧 室11的壁与燃烧室11内的燃烧过程隔离是非常重要的。其中一种非常有 效的方法是在燃烧室11内形成"逆涡流"空气流。
图5表示一种形式的逆涡流燃烧室311。逆涡流燃烧室311形状形成为 截头圆锥体27，它是在窄末端切割的圆锥。截头圆锥体27的窄部分是逆涡 流燃烧室311的入口或封闭端，较宽部分28是逆涡流燃烧室311的出口或 开口端。出口孔通常位于开口端，火焰喷射由此喷出去。粉末燃料/陶瓷 混合物在26处注入逆涡流燃烧室311的封闭端，如图所示，并且沿着逆涡 流燃烧室311的轴线29A。点火器29可以位于逆涡流燃烧室311的侧面上 或者像燃料注射点一样沿着轴线29A。粉末燃料/陶瓷混合物的气体载体
(通常是空气)形成从逆涡流燃烧室311的封闭端到开口端的轴向流动。 作为另一种选择， 一部分粉末燃料/陶瓷混合物与作为逆涡流注入的空气 一起进入逆涡流燃烧室311，例如在第二涡流位置30。
在逆涡流燃烧室311的开口端附近，空气在一个或多个第二涡流位置 30沿切向注入。这产生与截头圆锥体27的壁相切的第一切向气流31。空 气较慢地从逆涡流燃烧室311的开口端流到封闭端。由于切向空气流从逆 涡流燃烧室311的开口端流到封闭端，因此它称为"逆"涡流。已经证明， 逆涡流起到很好的热隔离器的作用，防止沿逆涡流燃烧室311的轴线的高 温燃烧熔化逆涡流燃烧室311的壁(参见"Insulation of Plasma in Reverse Vortex Flow"， 作者A. Gutsol博士， Institute of Chemistry andTechnology, Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences) (还可参见公开的专利申请W02005 / 004556)。可选择的是，在逆涡流燃烧 室311封闭端附近，可以在一个或多个第一涡流位置32输入第二切向气流 33。第二切向气流33的方向使绕逆涡流燃烧室311轴线的旋转方向与在第 二涡流位置30输入的空气产生的方向相同。此第二切向气流33促进较快 的逆涡流，并促进燃料/空气混合物的更好混合。
图6表示多个喷嘴结构的剖视图，其中气体通过连接到高压室36的四 个喷嘴35在34处沿切向进入燃烧室11，从而形成与燃烧室11出口壁相切 的气流。这产生从燃烧室11的开口端向封闭端逐渐运动的具有大的周向速 度分量的涡流气流。
图7表示圆柱形燃烧室411形状的另一种形式的燃烧室11。如前所述， 粉末燃料/空气混合物26沿圆柱形的轴线29A在封闭端31注入燃烧室11。 空气在第二涡流位置30和/或第一涡流位置32沿切向注入，形成从圆柱 形燃烧室411的开口端28到封闭端31的逆涡流。圆柱形燃烧室411的出 口可以具有限制孔或特殊形状的喷嘴。
图5所示的截头圆锥体27的结构能改进逆涡流燃烧室311的运行。例 如，粉末燃料/陶瓷混合物可以直接注入逆涡流燃烧室311的第二涡流位 置30，从而改进空气与粉末燃料/陶瓷混合物的混合。另外，粉末燃料/ 陶瓷混合物从燃烧室311中心吸收辐射热量，从而预热粉末燃料/陶瓷混 合物，同时将逆涡流燃烧室311的壁与燃烧热隔离。
如果所选的燃料是硅粉，就存在额外的优点。硅粉像煤粉一样是黑色 的，成为完美的"黑体"吸收剂。这将明显改进燃料/空气混合物的预热 以及燃烧室ll、 311、 411的壁的冷却。
如果粉末燃料/陶瓷混合物注入第一涡流位置32，则点火器29可以居 中地位于逆涡流燃烧室311的轴线29A上处于封闭端。同样，图7所示的 圆柱形燃烧室411可以采用相同的方法。在这种情况下，粉末燃料/陶瓷 混合物与空气流一起注入第二涡流位置30，支撑燃烧并冷却圆柱形燃烧室 411的壁。在这种情况下，点火器29处于圆柱形燃烧室411的封闭端的中 心。
图8表示本发明的另一个重要方面，表示圆柱形燃烧室62具有弯曲端 64，以及可选择的向内延伸的圆锥部分66。逆涡流空气流表示为60，并且
18如上所述由第二涡流位置30注入的空气或氧气形成。空气流沿燃烧室62 内壁以初始旋转角速度流动。当空气流接近圆柱形燃烧室62的弯曲端64 时，圆柱形燃烧室62的直径根据弯曲端64的特殊形状而减小。逆涡流空 气流60的速度保持基本不变，因此空气流的角速度随圆柱形燃烧室62的 直径减小而增大。
弯曲端64的形状也使逆涡流空气流60的方向相反，并流到圆柱形燃 烧室62的开口端并进入圆柱形燃烧室62的轴线中心。由圆柱形燃烧室62 的弯曲端64的形状导致的更高角速度改善了燃料/空气/陶瓷的混合，从 而改进燃烧以及对不可燃粉末的热传递。另外，空气流的角旋转增大圆柱 形燃烧室62的有效长度，从而增大圆柱形燃烧室62的留存或停留时间。 圆柱形燃烧室62的弯曲端64形状可以设计成，当逆涡流空气流从圆柱形 燃烧室62的弯曲端流到开口端时将逆涡流空气流"聚焦"。燃料/粉末混 合物可以在第二涡流位置30和/或其它位置流入圆柱形燃烧室62，如上所 述。
根据本发明的燃烧室11的另一个实施例如图9所示。燃烧室70是圆 柱形形状，具有圆锥部分72末端以及弯曲的过渡部分74,过渡部分74连 接可选的向内延伸的圆锥部分76。在圆锥部分76的环状区域的封闭端装有 一对同心管，即内管78和外管80。内管80是等离子点火器的一部分。外 管78用于将空气和粉末燃料/陶瓷混合物注入燃烧室70。像上面的实施例 一样，少量的粉末燃料/陶瓷混合物可以在第二涡流位置30随大量的空气 引入燃烧室70。燃烧室70的开口端具有孔82，孔82与喷嘴84连通，用 于给工作表面提供等离子喷射。喷嘴84不是所有应用都需要的。对于不需 要喷嘴84的应用，等离子喷射从燃烧室的孔82喷出。
图lO表示燃烧室ll的另一个实施例，其中表示出双壁燃烧室711。双 壁燃烧室711具有圆柱形陶瓷内衬90，陶瓷内衬90具有弯曲结构的封闭端， 类似于图9所示的实施例，封闭端终止于可选的向内延伸的圆锥部分。此 封闭端的形状用于改变逆涡流的方向。另外，双壁燃烧室711的封闭端可 以是平的。双壁燃烧室711具有外壳92，通常由钢或钛制成。通过在其开 口或出口附近穿过双壁燃烧室711的壁形成的孔或开口 96，陶瓷内衬90与 外壳92之间的空间94与双壁燃烧室711内部流体相通。开口 96优选地与 双壁燃烧室711的内表面相切地定向，并且朝向双壁燃烧室711的封闭端。开口96成大约20。的切向角度定向。
在图IO所示的燃烧室的一种形式中，在双壁燃烧室711的封闭端具有 两根同心管，即内管78和外管80。如同图9的描述，内管80通常设计成 高温等离子点火器，外管78用作粉末燃料/陶瓷混合物以及空气/氧气混 合物的进入口。如下所述，点火器和进入口也可以位于别处。
在双壁燃烧室711的一种形式中，粉末燃料/空气混合物在一个或多 个位置98注入陶瓷内衬90和外壳92之间的空间94。空气与外壳92的内 壁相切地注入，形成在空间94中朝双壁燃烧室711开口端旋转的空气/燃 料的正涡流。正涡流冷却陶瓷内衬的表面，并使外壳92与陶瓷内衬热隔离、 以及在混合物在开口 96注入双壁燃烧室711之前预热空气/燃料混合物。 由于空间94是密闭的，压力在此空间中增大，迫使空气/燃料混合物通过 开口 96并进入双壁燃烧室711。开口 96的定向导致双壁燃烧室711内部形 成以螺旋方式从室的开口端朝封闭端流动的逆涡流。
等离子点火器100穿过外壳92和陶瓷内衬的壁延伸到双壁燃烧室711 的出口部分，如图所示。等离子点火器100将其点燃等离子切向引导到双 壁燃烧室711并略微朝双壁燃烧室711的封闭端倾斜。等离子点火器100 导致燃料/空气混合物大致在位置110处点燃，火焰以逆涡流方式朝双壁 燃烧室711的封闭端传播。如上所述，双壁燃烧室711的封闭端的形状优 选地使燃烧逆涡流的方向相反，并增大朝双壁燃烧室711的开口端向前传 播的所得到涡流的切向速度。
燃料/空气混合物在逆涡流在双壁燃烧室711的行进过程中燃烧以及 混合物在涡流向前传播时的继续燃烧的结果延长了在双壁燃烧室711内部 进行燃烧的时间。此停留时间是使燃料充分燃烧以及最大量的热能传递到 与可燃金属粉末混合的不可燃陶瓷粉末的一个重要因素。双壁燃烧室711 的出口孔112可以明显小于双壁燃烧室711的内径。此扼流的双壁燃烧室 711用于增大燃烧混合物在双壁燃烧室711中的停留时间，以增大双壁燃烧 室711中的压力并增大从双壁燃烧室711排出的速度。熔化陶瓷颗粒的排 出速度对于颗粒在所要涂覆的表面上的附着非常重要。可选择的，可以在 双壁燃烧室711的出口安装排出喷嘴114。
图11表示图10的实施例的剖视图。箭头120表示空间94中的空气/ 燃料混合物朝双壁燃烧室711的开口端的旋转和螺旋流动。由于从空间94的仅有排出穿过双壁燃烧室711壁的开口 96，因此迫使燃料/空气混合物 以切向方式穿过这些开口 96，并且到达双壁燃烧室711的内表面。在双壁 燃烧室711内形成的逆涡流如上所述通过等离子点火器100点燃，导致箭 头122所示的燃烧逆涡流火焰传播图案。
在双壁燃烧室711的另一种形式中，仅仅一部分粉末燃料/空气混合 物在一个或多个位置98处注入陶瓷内衬90和外壳92之间的空间94。粉末 燃料/空气混合物设计成不足以维持燃烧的贫混合物。此混合物沿切向注 入到外壳92的内壁，并导致在空间94中朝双壁燃烧室711的开口端螺旋 前进的空气/燃料的正涡流。正涡流冷却陶瓷内衬的表面并且将外壳与陶 瓷内衬热隔离，以及在空气/燃料混合物在开口 96被注入双壁燃烧室711 之前将其预热。由于空间94是密闭的，压力在此空间94中增大，迫使空 气Z燃料混合物穿过开口 96并迸入双壁燃烧室711。开口 96的定向使以螺 旋方式从双壁燃烧室711的开口端流到封闭端的逆涡流在双壁燃烧室711 内侧上形成。
在这种情况下，等离子点火器100通常处于双壁燃烧室711的中心轴 线上并在封闭端，像内管80所示的一样。粉末燃料/陶瓷混合物、空气/ 氧气混合物的大部分通过处于双壁燃烧室711封闭端的外管78被注入双壁 燃烧室711。当与来自逆涡流的贫混合物混合时，得到的燃料/空气混合物 此时维持燃烧。
通常，燃烧室形成为模制或机加工的陶瓷容器，可以是一个单独的可 替换单元。典型的陶瓷材料是氧化铝，其熔点是3762。F。由于典型的可燃 金属燃料是硅，典型的不可燃物是二氧化硅，则燃烧室设计成在二氧化硅 的熔点一一大约3110。F温度下工作。
外壳92通常由钢或钛制成，此外壳92通过在内和外壳之间流动的空 气和粉末燃料的正涡流与陶瓷燃烧室内侧极高温度隔离。
在这里所述的燃烧室的实施例中，可以理解的是，空气或氧气可以在 一个或多个不同位置进入燃烧室，并且燃料和/或粉末也可以与空气/氧 气分开或在一起在一个或多个位置进入燃烧室。点火器也可以装在不同位 置，以点燃室内的混合物。
图12表示粉末进给器。粉末进给器包括螺旋输送器130，螺旋输送器 130具有槽131和螺旋进给器132，螺旋进给器将装在漏斗133或其它容器中的可燃和不可燃粉末通过进给管134输送到作为燃烧室供应管的管道或
软管136。管道或软管136根据特殊的安装可以是柔性的或刚性的。空气或 氧气注入管138中，与通过螺旋输送器130提供的粉末燃料/陶瓷混合物 混合。管138可以通过管145与漏斗133流体相通。在这种情况下，漏斗 133通过盖与正常的大气压隔离。管145用于使螺旋进给器132两端均衡压 力，并防止粉末通过进给管134被向后驱动到漏斗133。空气/氧气与粉末 燃料/陶瓷混合物的比例可以独立控制，以便提供所需量的空气/氧气与 粉末燃料/陶瓷混合物的精确混合。电机140通过带轮和带组件142以及 减速器144驱动螺旋输送器130。在其它实施例中可以使用其它的驱动装置。 本发明并不受特殊图示和描述的内容限制，而是包含权利要求的全部 精神和范围。
权利要求
1.一种用于在道路表面上形成粘附耐火物质的设备，所述设备包括适于设置在所述表面上的燃烧室；用于保持一种或多种金属燃料粉末以及一种或多种不可燃陶瓷材料的容器；用于将所述一种或多种金属燃料粉末、所述一种或多种不可燃陶瓷材料以及氧化剂输送到燃烧室的第一供应管；第二供应管，用于将至少一种气体载体供应到燃烧室以便提供氧气，帮助耐火物质从燃烧室喷出并冷却燃烧室；以及点火器，用于点燃所述燃烧室中的所述一种或多种金属燃料粉末、所述一种或多种不可燃陶瓷材料以及所述氧化剂，使所述一种或多种金属燃料粉末与氧气反应并释放热量，以形成附着到所述表面上的耐火物质。
2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述耐火物质在所述表 面上的沉积速率受所述表面与所述燃烧室的出口之间的移动速率控制。
3. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，燃烧室具有多个开口， 气体注入所述开口，以防止燃烧产物与燃烧室内表面接触。
4. 根据权利要求l所述的设备，其特征在于，第二供应管导致逆涡流 形成在燃烧室内部。
5. 根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述燃烧室大体是截头 圆锥体。
6. 根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述燃烧室大体是圆柱体。
7. 根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述燃烧室具有封闭端 和开口端，所述第一供应管将所述一种或多种金属燃料粉末、所述一种或 多种不可燃陶瓷材料和所述氧化剂大体沿着截头圆锥体的轴线注入所述燃 烧室的封闭端。
8. 根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述燃烧室具有封闭端 和开口端，所述第一供应管将所述一种或多种金属燃料粉末、所述一种或 多种不可燃陶瓷材料和所述氧化剂大体沿着圆柱体的轴线注入圆柱体的封 闭端。
9. 根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述设备包括至少一种 气体载体流，所述气体载体流大体沿所述燃烧室内表面周向流动、并从所 述燃烧室的开口端行进到封闭端。
10. 根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述设备包括一个或 多个入口喷嘴，所述入口喷嘴相对所述燃烧室内壁大体相切地定向。
11. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述点火器相对所述 燃烧室的轴线定位。
12. 根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述燃烧室具有封闭 端，所述封闭端形状成形为当所述至少一种气体载体从逆涡流改变方向成 为正涡流时增大所述至少一种气体载体的速度。
13. 根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述燃烧室具有封闭 端，所述封闭端形状成形为当所述至少一种气体载体从逆涡流改变方向成 为正涡流时增大所述至少一种气体载体的速度。
14. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述容器是螺旋输送器。
15. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述一种或多种金属 燃料粉末和所述一种或多种不可燃陶瓷材料的输送速率通过螺旋输送器的 速度控制。
16. 根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述螺旋输送器的输出与所述容器流体相通。
17. 根据权利要求14所述的设备，其特征在于，所述容器与大气密封隔离。
18. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述燃烧室大体是圆 柱形的、并由至少两个同心壳形成，所述至少两个同心壳之间的空间与所 述燃烧室流体相通。
19. 根据权利要求18所述的设备，其特征在于，所述燃烧室的第一末 端是封闭的以阻止燃烧产物，第二末端是开口的以允许燃烧产物通过。
20. 根据权利要求19所述的设备，其特征在于，所述第二供应管将所 述一种或多种金属燃料粉末、所述一种或多种不可燃陶瓷材料和所述氧化 剂注入所述至少两个同心壳之间的空间，使正涡流形成在至少两个同心壳 之间的空间中，其中，所述正涡流沿着从第一末端到第二末端的方向行进。
21. 根据权利要求20所述的设备，其特征在于，所述正涡流与燃烧室 的中心部分流体相通，使逆涡流大体沿所述燃烧室中心部分的内表面大体 周向地流动、并沿着从第二末端到第一末端的方向行进。
22. 根据权利要求19所述的设备，其特征在于，所述第二供应管将所 述至少一种气体载体注入所述燃烧室的所述至少两个同心壳之间的空间， 使正涡流形成在所述燃烧室的所述至少两个同心壳之间的空间中，其中， 所述正涡流沿着从第一末端到第二末端的方向行进。
23. 根据权利要求22所述的设备，其特征在于，所述正涡流与所述燃 烧室的中心部分流体相通，使逆涡流大体沿所述燃烧室中心部分的内表面 大体周向地流动、并沿着从第二末端到第一末端的方向行进。
24. 根据权利要求19所述的设备，其特征在于，所述第一供应管将所 述一种或多种金属燃料粉末、所述一种或多种不可燃陶瓷材料和所述氧化 剂注入所述第一末端。
25. 根据权利要求19所述的设备，其特征在于，所述点火器处于所述 燃烧室的轴线和第一末端之一上。
26. —种在道路表面上形成粘附耐火物质的设备，所述设备包括 适于设置在所述表面上的燃烧室；用于保持一种或多种金属燃料粉末以及一种或多种不可燃陶瓷材料的 容器；将所述一种或多种金属燃料粉末、所述一种或多种不可燃陶瓷材料以 及氧化剂输送到所述燃烧室的供应管；以及点火器，用于点燃所述燃烧室中的所述一种或多种金属燃料粉末、所 述一种或多种不可燃陶瓷材料以及所述氧化剂，使所述一种或多种金属燃 料粉末与所述氧化剂反应并释放热量，以形成附着到所述表面上的耐火物 质。
27. 根据权利要求26所述的设备，其特征在于，所述燃烧室的第一末 端是封闭的以阻止燃烧产物，第二末端是开口的以排出燃烧产物。
28. 根据权利要求26所述的设备，其特征在于，所述一种或多种金属 燃料粉末和所述一种或多种不可燃陶瓷材料的输送速率通过螺旋输送器控 制。
29. 根据权利要求26所述的设备，其特征在于，所述供应管使逆涡流形成在燃烧室内部。
30.根据权利要求26所述的设备，其特征在于，所述燃烧室大体是圆 柱体。
31 根据权利要求27所述的设备，其特征在于，所述供应管将所述一 种或多种金属燃料粉末、所述一种或多种不可燃陶瓷材料以及所述氧化剂 大体沿着所述燃烧室的轴线注入所述燃烧室的封闭端。
32. 根据权利要求29所述的设备，其特征在于，所述设备包括至少一 种气体载体流，所述气体载体流大体沿所述燃烧室内表面周向地流动、并 从所述燃烧室的开口端行进到封闭端。
33. 根据权利要求29所述的设备，其特征在于，所述设备包括一个或 多个入口喷嘴，所述入口喷嘴相对所述燃烧室内壁大体相切地定向。
34. 根据权利要求26所述的设备，其特征在于，所述点火器相对所述 燃烧室的轴线定位。
35. 根据权利要求27所述的设备，其特征在于，所述供应管在燃烧室 开口端的位置注入所述一种或多种金属燃料粉末、所述一种或多种不可燃 陶瓷材料和所述氧化剂，并使逆涡流形成在燃烧室内部。
36. 根据权利要求27所述的设备，其特征在于，所述燃烧室的封闭端 形状成形为当所述至少一种气体载体从逆涡流改变方向成为正涡流时增大 所述至少一种气体载体的速度。
37. 根据权利要求26所述的设备，其特征在于，所述容器是螺旋输送器。
38. 根据权利要求37所述的设备，其特征在于，所述一种或多种金属 燃料粉末和所述一种或多种不可燃陶瓷材料的所述速率通过所述螺旋输送 器的速度控制。
39. 根据权利要求37所述的设备，其特征在于，螺旋输送器的输出与 所述容器流体相通。
40. 根据权利要求37所述的设备，其特征在于，所述容器与大气密封 隔离。
41. 根据权利要求26所述的设备，其特征在于，所述燃烧室大体是圆 柱形的、并由至少两个同心壳形成，在所述至少两个同心壳之间的空间与 所述燃烧室流体相通。
42. 根据权利要求41所述的设备，其特征在于，燃烧室的第一末端是 封闭的以阻止燃烧产物，第二末端是开口的以允许燃烧产物通过。
43. 根据权利要求42所述的设备，其特征在于，所述供应管将所述一 种或多种金属燃料粉末、所述一种或多种不可燃陶瓷材料和所述氧化剂注 入所述至少两个同心壳之间的空间，使正涡流形成在至少两个同心壳之间 的空间中，其中，所述正涡流沿着从第一末端到第二末端的方向行进。
44. 根据权利要求43所述的设备，其特征在于，所述正涡流与燃烧室 的中心部分流体相通，使逆涡流大体沿所述燃烧室中心部分的内表面大体 周向地流动、并沿着从第二末端到第一末端的方向行进。
45. 根据权利要求42所述的设备，其特征在于，所述供应管将所述一 种或多种金属燃料粉末、所述一种或多种不可燃陶瓷材料和所述氧化剂的 第一部分注入所述燃烧室的第一末端，并将所述一种或多种金属燃料粉末、 所述一种或多种不可燃陶瓷材料和所述氧化剂的第二部分注入所述至少两 个同心壳之间的空间。
46. 根据权利要求45所述的设备，其特征在于，所述第二部分导致大 体从第一末端朝第二末端周向地流动的正涡流。
47. —种在道路表面上形成粘附耐火物质的方法，所述方法包括如下步骤提供包括一种或多种金属燃料粉末和一种或多种粉末氧化剂的成分； 将所述成分输送到燃烧室；点燃所述燃烧室中的所述成分，使所述一种或多种金属燃料粉末与所 述一种或多种氧化剂反应并释放热量，以形成耐火物质；以及将所述耐火物质喷射到所述表面上，使所述耐火物质附着到所述表面上。
48. 根据权利要求47所述的方法，其特征在于，所述一种或多种粉末 氧化剂被至少一种气体代替。
49. 根据权利要求47所述的方法，其特征在于，燃烧温度足以熔化钠 钙玻璃，但不足以熔化二氧化硅。
50. 根据权利要求47所述的方法，其特征在于，所述提供步骤还包括 包含铝的步骤。
全文摘要
一种在道路表面上形成粘附耐火物质的工艺及设备，其中，一种或多种不可燃材料与一种或多种金属可燃粉末以及氧化剂混合，点燃混合物，使可燃金属颗粒与氧化剂以放热反应方式反应并释放足够的热量，在燃烧的热量作用下形成粘附物并将此物质喷射到道路表面，使得所述物质长久地附着到道路表面上。燃烧室可以逆涡流运行，以便冷却燃烧室壁。
文档编号G08B1/00GK101297331SQ200680039511
公开日2008年10月29日 申请日期2006年10月24日 优先权日2005年11月22日
发明者乔治·杰伊·利希特布劳 申请人:乔治·杰伊·利希特布劳