抗裂的幹耐火材料的製作方法

2023-09-21 20:24:05 1

專利名稱：抗裂的幹耐火材料的製作方法
背景技術：
本發明涉及一種幹耐火材料(即，一種以乾粉形式安裝而不必添加水或液體化學粘合劑的整體耐火材料)，特別是一種適合於金屬包容應用的能提供優異抗裂紋擴展能力的幹耐火材料。
耐火材料被廣泛地用作金屬加工和相關領域中的工作襯裡和二級(安全)襯裡。這些耐火襯料在金屬加工和傳送容器中用於包容熔融金屬和爐渣。某些耐火襯料還用來包容與容器內的金屬加工操作相關的熱和氣體。在本文中，「金屬包容」應用是指其中包容熔融金屬和爐渣是首要的或甚至唯一重要的應用，而「金屬/熱包容」應用是指其中既考慮容器的熱包容(隔離)又考慮熔融金屬和爐渣的包容的應用。
用於金屬和熱/金屬包容應用的耐火襯裡一般是消耗性的。由於暴露於容器內部環境，它們腐蝕、破裂或經其它方式而被破壞。當耐火襯裡發生了一定量的消耗或破壞時，就需要對襯裡進行修補或更換。所述修補或更換會中斷金屬加工操作，有時時間會很長。某些中斷是料想不到的而有些是多少可預知的。因為修補或更換耐火襯裡會中斷操作，所以最好耐火襯裡以一種可預知的方式工作從而可以有計劃地而不是緊急地修補。
由於與腐蝕性的熔融金屬和爐渣接觸而產生的耐火襯裡磨蝕會導致耐火襯裡的逐漸消耗。磨蝕速率通常可以通過肉眼檢查容器襯裡的暴露部分或其它方法來預測。基於應用的金屬和熱包容特性以及過去的耐火材料消耗可以確定某種特定耐火襯裡的預計磨蝕速率。對於感應電爐，還可以通過電子儀表讀數隨時間的改變來確定磨蝕速率。
當粘合的脆性耐火材料受到熱應力和機械應力時，會導致耐火襯裡破裂。這些應力通常是由襯裡在熱環境的變化下發生膨脹和收縮所產生的。裂紋使得熔融金屬和爐渣可以滲入襯裡，在金屬加工或轉輸容器內產生分離的失效區域。由於裂紋而導致的耐火襯裡失效比由於腐蝕而導致的要更加不可預見。裂紋通常不會產生在耐火襯裡的暴露區域，因此肉眼檢查通常不能發現裂紋。形成於耐火襯裡中的裂紋的特性還可能會隨耐火材料的組成和熱狀態而改變。粘合力較弱的耐火襯裡在受力時易於形成微裂紋，而粘合力較強的耐火襯裡在受力時易於形成宏觀裂紋。宏觀裂紋是特別不希望有的，因為它是由高強度粘合的失效產生的。
除了不可預知之外，破裂失效還可能會是災難性的。從熱面到冷麵(例如金屬加工容器的鋼殼體一側)完全貫穿襯裡的宏觀裂紋可能會使得熔融金屬和/或爐渣通過穿過裂紋到達容器的外殼。當發生這種情況時，熔融材料可能會燒穿外殼，從而導致對設備的巨大損壞和/或傷到人。這類燒穿會引起長時間的意外操作延遲，以修復襯裡、鋼殼體和結構以及所有周圍設備。
耐火材料還可用於可能發生反覆熱衝擊的隔熱應用(在金屬加工或其它領域)。所述應用可能包括煙道壁構造和焚化爐。儘管對於特別是在腐蝕環境中的隔熱耐火材料應用來說也會發生腐蝕，但隔熱耐火材料的失效通常是由反覆的熱衝擊所引起的裂紋產生的。
幹耐火材料，和特別是在安裝時利用振動來壓緊幹耐火材料粉末的幹耐火材料，能提供比其它類型的普通耐火襯裡如可澆鑄材料、夯實材料、磚和耐火型材更好的抗裂紋擴展性。幹可振動耐火襯裡的出眾抗裂性是由一種容許這些襯裡在預定溫度範圍通過以受控的速率形成熱粘合來響應應用的熱狀態的獨特粘合系統產生的。例如，在金屬包容應用中，耐火襯裡響應相關熔融金屬容器的熱狀態和任何熔融金屬與爐渣向襯裡的侵入。還可以選擇用於金屬包容和熱/金屬包容應用的幹可振動耐火材料的化學和礦物組成以抵抗與具體方法相關的具體類型的金屬和爐渣。
安裝的幹可振動耐火材料最初以非粘合態存在。在此非粘合狀態下，它不顯示脆性。非粘合的幹耐火襯裡在經受外應力時不會破裂或斷裂而是會吸收和分散這些應力。不過，當非粘合的安裝的耐火襯裡受熱時，它開始形成熱粘合。離熱面最近的區域傾向於形成強熱粘合。強粘合的耐火材料變得緻密和堅硬，並在化學和物理上能抗熔融金屬和爐渣的侵入。
熱粘合的程度隨耐火材料組合物和存在於具體應用中的熱狀態而變化。在某些應用中，基本上所有的耐火材料是強粘合的並顯示脆性。在其它應用中，離熱面最遠的區域會保持非粘合或未燒結的狀態，而中間區域會形成弱熔結的熱粘合。熔結的和未燒結的區域中的耐火材料保持其流體特性並形成一個仍然能夠吸收機械和熱應力的封套。在此封套之內，最靠近熱面的強粘合的耐火材料可以顯示普通耐火材料組合物的典型脆性。不過，如果應用的熱狀態引起熔結的和未燒結的區域中的耐火材料的粘合，則此保護封套可能會被分解乃至消除。
熱粘合的特性同樣會隨耐火材料組合物和存在於具體應用中的熱狀態而變化。粘合力較弱的襯裡在受力時易於形成微裂紋，而粘合力較強的襯裡在受力時易於形成宏觀裂紋。當宏觀裂紋形成和熔融金屬與爐渣侵入耐火襯裡時，與裂紋相鄰的襯裡會響應熱狀態的改變並開始形成熱粘合。隨著此循環的繼續，顯示脆性的耐火襯裡的比例逐漸增加，將襯裡的熱平面向外殼推動。如果襯裡沒有由於腐蝕而先失效或被停止使用，則最後，可以用來吸收和分散應力的非粘合的和弱粘合的耐火材料的比例變得太小從而導致襯裡失效。
鑑於現有技術的缺陷，需要一種用於金屬包容應用的能提供更大的抗裂紋擴展能力、粘合時顯示更小的脆性並具有更長使用壽命的幹耐火材料。
本發明的一個目的在於提供一種用於金屬包容應用的能抗裂紋擴展和特別是抗宏觀裂紋的幹耐火材料。
本發明的另一個目的在於提供一種用於金屬包容應用的當安裝的耐火材料響應熱而形成強粘合時能顯示更少脆性的幹耐火材料。
本發明的再一個目的在於提供一種用於金屬包容應用的能提供更長的襯裡使用壽命的幹耐火材料。
發明概述上述目的是以一種含金屬纖維的幹耐火材料組合物實現的。本發明包括一種幹耐火材料組合物，它包含(1)一種包含20-100重量％的基質材料和0-80重量％的緻密耐火骨料的幹耐火材料混合物；和(2)佔幹耐火材料混合物0.5-15重量％的金屬纖維。所述基質材料的粒徑小於100目，且所述緻密耐火骨料的粒徑可以大於或等於100目。選擇基質材料和緻密耐火骨料，以使得當該組合物不添加水或液體化學粘合劑以粉末形式安裝在與熱源相鄰的空隙中時，至少靠近熱源的組合物的第一部分形成強熱粘合。
在一個優選實施方案中，選擇基質材料和緻密耐火骨料，以使當安裝了幹耐火材料組合物時，離熱源比組合物第一部分遠的組合物第二部分保持未燒結的形式。在另一優選實施方案中，基質材料的量為20-60重量％，而緻密耐火骨料的量為40-80重量％。幹耐火材料混合物中還可以包含0.1-8重量％的熱激活粘合劑或包含其含量足以控制在安裝組合物時的可見和可吸入灰塵的灰塵抑制劑。
上述組合物中的金屬纖維可以是不鏽鋼、碳鋼、鉻合金、銅合金、鋁合金、鈦合金或它們的混合物。金屬纖維的長度優選地為約1/2-約2英寸。
本發明還包括一種安裝的耐火材料組合物。上述組合物不添加水或液體化學粘合劑以粉末形式安裝在與熱源相鄰的空隙中，從而使至少靠近熱源的安裝組合物的第一部分形成強熱粘合。在一個優選實施方案中，離熱源比組合物的第一部分遠的組合物的第二部分仍保持未燒結的形式。
本發明還包括製造耐火材料組合物的方法。該方法的步驟包括選擇含20-100重量％的基質材料和0-80重量％的緻密耐火骨料的幹耐火材料混合物；選擇佔幹耐火材料混合物0.5-15重量％的金屬纖維；在不添加水或液體化學粘合劑的情況下摻混幹耐火材料混合物和金屬纖維。在此方法中，選擇基質材料和緻密耐火骨料，以使當混合的組合物不添加水或液體化學粘合劑以粉末形式安裝在與熱源相鄰的空隙中時，至少靠近熱源的組合物的第一部分形成強熱粘合。在一個優選實施方案中，該方法的步驟還包括選擇基質材料和緻密耐火骨料，以使當安裝了混合的組合物時，離熱源比組合物第一部分遠的組合物的第二部分保持未燒結的形式。
在上述方法的組合物中，金屬纖維選自不鏽鋼、碳鋼、鉻合金、銅合金、鋁合金、鈦合金或它們的組合。該方法的步驟可以包括選擇長度為約1/2-約2英寸的金屬纖維。
上述方法可以包括選擇一種佔幹耐火材料混合物0.1-8重量％的熱激活粘合劑並將該熱激活粘合劑與幹耐火材料混合物混合。該方法還可以包含選擇一種其量為足以控制在組合物安裝過程中的可見和可吸入灰塵的灰塵抑制劑，並將該灰塵抑制劑與幹耐火材料混合物混合。
本發明還包括一種安裝耐火襯裡的方法。此方法的步驟包括，選擇一種含20-100重量％用量的基質材料和0-80重量％用量的緻密耐火骨料的幹耐火材料混合物；選擇佔幹耐火材料混合物0.5-15重量％用量的金屬纖維；在無添加的水或液體化學粘合劑的情況下混合幹耐火材料混合物和金屬纖維；將粉末形式的混合組合物倒入與熱源相鄰的空隙；對注入的組合物脫氣；並加熱脫氣的組合物，使得至少靠近熱源的組合物的第一部分形成強熱粘合。本方法的步驟還可以包括選擇基質材料和緻密耐火骨料，以使當脫氣的組合物受熱時，離熱源比組合物的第一部分遠的第二部分保持未燒結的形式。上述組合物中的金屬纖維選自不鏽鋼、碳鋼、鉻合金、銅合金、鋁合金、鈦合金以及它們的組合。脫氣步驟可以同時包括壓緊組合物。
在本發明的範圍內還包括一種用於金屬接觸感應電爐的組合物和方法。本發明的一個優選實施方案是一種幹耐火材料組合物，它包含(1)一種包含20-100重量％量的基質材料和0-80重量％量的緻密耐火骨料的幹耐火材料混合物；和(2)佔幹耐火材料混合物0.5-15重量％量的金屬纖維。選擇基質材料和緻密耐火骨料，以使當幹耐火材料組合物不添加水或液體化學粘合劑以粉末形式安裝在與金屬接觸感應電爐的熱面相鄰的空隙中時，至少靠近熱面的組合物的第一部分形成強熱粘合。優選地，選擇基質材料和緻密耐火骨料，以使當安裝了幹耐火材料組合物時，離熱源熱面比組合物的第一部分遠的第二部分保持未燒結的形式。基質材料的量可以為20-60重量％，而緻密耐火骨料的量可以為40-80重量％。上述組合物中的耐火材料混合物可以包含0.1-8重量％的熱激活粘合劑。
所述金屬纖維選自不鏽鋼、碳鋼、鉻合金和它們的混合物。金屬纖維的長度可以為約1/2-約2英寸。
本發明另一優選實施方案是一種安裝的耐火材料組合物。上述組合物不添加水或液體化學粘合劑以粉末形式安裝在與金屬接觸感應電爐的熱面相鄰的空隙中，由此至少靠近熱面的組合物的第一部分形成強熱粘合。優選地，選擇基質材料和緻密耐火骨料，以使當安裝了幹耐火材料組合物時，離熱面比組合物的第一部分遠的第二部分保持未燒結的形式。
本發明的另一優選實施方案是一種安裝耐火襯裡的方法。此方法的步驟包括，選擇一種含20-100重量％量的基質材料和0-80重量％量的緻密耐火骨料的幹耐火材料混合物；選擇佔幹耐火材料混合物0.5-15重量％量的金屬纖維；在無添加的水或液體化學粘合劑的情況下混合幹耐火材料混合物和金屬纖維；將粉末形式的混合組合物倒入與金屬接觸感應電爐的熱面相鄰的空隙中；對注入的組合物脫氣；壓緊組合物；並加熱經脫氣的組合物，使得至少靠近熱面的組合物的第一部分形成強熱粘合。金屬纖維選自不鏽鋼、碳鋼、鉻合金和它們的混合物。優選地，該方法的步驟還包括選擇基質材料和緻密耐火骨料，以使經脫氣的組合物被加熱時，離熱面比組合物的第一部分遠的第二部分保持未燒結的形式。
從下面的詳細說明中，本發明的這些和其它目的將變得顯而易見。
附圖簡要說明

圖1是具有傳統的幹可振動耐火材料工作襯裡的金屬熔融容器的示意性橫截面圖。
圖2是圖1的耐火襯裡在加熱之前的局部示意圖。
圖3是圖1的耐火襯裡在預熱之後的局部示意圖。
圖4是圖3的耐火襯裡在襯裡已經使用到接近其使用壽命之後的局部示意圖。
圖5是圖3的耐火襯裡的局部示意圖，顯示襯裡對裂紋的反應。
圖6是一種安裝在圖1的容器內的含金屬纖維的耐火襯裡的局部示意圖，顯示襯裡對裂紋的反應。
圖7是傳統的幹可振動耐火材料的抗彎強度曲線。
圖8是含金屬纖維的幹可振動耐火材料的彎曲強度曲線。
優選實施方案詳細說明本發明的組合物是一種用於不必添加水或液體化學粘合劑以乾粉形式安裝的整體耐火材料。組合物中包括能降低安裝的組合物的粘合部分的脆性和抗裂性的金屬纖維。含金屬纖維的幹耐火材料組合物的試驗安裝顯示了比傳統幹可振動耐火材料長的使用壽命。
含金屬纖維的幹耐火材料組合物可用於金屬包容、金屬/熱包容和隔熱應用。這些組合物可用於包括但不限於無鐵芯和管道感應電爐、用於煉鋼的高爐槽和鋼包的二級襯裡、熱處理爐底、碳烤爐、在鋁和鎂熔料中的濾箱、金屬加工容器上部(例如頂蓋)的特殊部位磚襯、豎爐、反射爐、金屬處理流槽系統和漏金屬坑等裝置。
本發明的耐火材料組合物尤其適用於金屬包容應用。而特別適於金屬/熱包容和隔熱應用的耐火材料組合物是我們在2003年2月7日提交的共同未決申請「Crack-Resistant Insulating Dry Refractory」的主題。
本發明的幹耐火材料組合物至少包含基質材料和金屬纖維。組合物中還可以包含其它耐火材料，特別是緻密耐火骨料。幹耐火材料組合物中還可以包含一種促進在組合物內部形成強粘合的熱激活粘合劑，一種控制組合物以乾粉形式安裝時的可見和可呼吸灰塵的灰塵抑制劑，或者既包含粘合劑又包含灰塵抑制劑。
金屬纖維或針可以是任何適合的鐵類或非鐵類材料的，包括但不限於不鏽鋼、碳鋼、鉻合金、銅合金、鋁合金、鈦合金或它們的組合。金屬纖維的組成、數量和尺寸可以根據容器的化學和熱環境來選擇。例如，無鎳的鉻合金而非不鏽鋼的纖維可以用於鎂加工操作的耐火材料以避免鎂被鎳汙染，而406系列合金的纖維可用於富氫環境容器的耐火材料。使用具有不同組成的纖維的組合可能產生更好的效果。
可用於實施本發明的金屬纖維的長度優選地為約1/2-約2英寸，更優選地為約1/2-約1英寸。使用不同纖維長度的組合，無論是單個金屬組合物還是不同金屬組成的組合物，都可能產生更好的結果。可商購的金屬針在截面尺寸和結構方面一般會有差異。金屬針可以用金屬片通過模衝來製造，產生變形的或未變形的窄片狀針的形式(slit sheetneedle forms)(例如，可由Fibercon International，Inc.，Evans City，PA獲得)，或者通過熔融萃取來製造，產生獨木舟形針的形式(例如，可由Ribbon Technology Corp，Gahanna，OH獲得)。一般，針的寬度為約1/100-約1/8英寸，針的長度為約1/2-約2英寸，長寬比為約4∶1-約200∶1。針的尺寸和結構在上述範圍之內變化並不會對所要求保護的耐火材料組合物的性能造成負面影響。
金屬纖維在組合物中的含量佔幹耐火材料混合物的約0.5-約15重量％。較重原料(如鋼)的纖維的優選含量為約3-約10重量％，更優選地為約4-約7重量％。較輕原料(如鋁合金)的纖維的含量優選地較小，例如約2-約5重量％，更優選地為約3-約5重量％，因為較低的重量就能提供足夠數量的針。金屬纖維通常在混合時加入幹耐火材料組合物的成分中。
對於某一具體應用，應當根據耐火材料混合物將要暴露的化學和熱環境設計或選擇幹耐火材料混合物。用於金屬包容應用的耐火材料混合物通常包含基質材料和緻密耐火骨料，而用於金屬/熱包容和隔熱應用的耐火材料混合物通常主要包含基質材料和輕質材料填料，而沒有緻密耐火骨料或很少。
對於金屬包容應用，其化學和熱環境可能會受以下因素影響(1)與外殼尺寸有關的邊界條件和熔融金屬池的期望容量，(2)金屬的種類和物理特性，以及(3)容器的預期操作環境，包括它的額定容量，吹氧、等離子火焰以及水或空氣冷卻裝置等特徵是否存在，期望的保溫值，連續操作時間，修補難易程度和材料成本。通常，耐火材料組合物的原料選擇應當使得組合物可以承受容器的熱環境，保持環繞容器的任何殼的結構完整性，並提供期望的保溫值。基於這些因素，使用了傳統的熱分析和襯裡設計技術來顯示容器的熱分布。
選擇基質材料以提高組合物在其一具體工作環境中的性能。例如，對於用在煉鐵、煉鋼和銅與鋁熔融金屬包容中的耐火材料，應當選擇不同的基質材料。基質材料是能夠在組合物的使用環境中提供優良的抗化學和抗熱性的天然或合成細顆粒耐火材料。細碎顆粒的高表面積和這些顆粒的礦物組成在顆粒受熱時能促進粘合。
適合的基質材料可以包括矽酸鹽、含礬土耐火材料、鋁矽酸鹽和鹼土金屬矽酸鋁。優選地，基質選自煅燒氧化鋁、熔融氧化鋁、燒結氧化鎂、熔融氧化鎂、矽粉(silica fume)、熔融石英、碳化矽、碳化硼、二硼化鈦、硼化鋯、氮化硼、氮化鋁、氮化矽、氮化矽鐵、賽綸陶瓷(矽鋁氮氧陶瓷)、二氧化鈦、硫酸鋇、鋯石、矽線石類礦物質、葉蠟石、耐火粘土、碳、矽灰石、氟化鈣(螢石)、尖晶石、氧化鉻、橄欖石、鋁酸鈣集料、矽酸鋁鋯、鉻鐵礦石(chromite)、氧化鈣、白雲石以及其它本領域已知的基質材料。如果需要也可能使用幾種基質材料的組合。
基質材料的類型和粒徑選擇可以取決於應用，對於非金屬包容應用應當選擇更經濟的材料以保持體積穩定性。一般，基質材料的粒徑小於約100目，更優選地小於約65目，不過也可以採用其它粒徑。基質材料的含量對於金屬包容應用來說為約20-約80重量％，對於金屬/熱包容和隔熱應用來說為約15-約50體積％。
根據應用以及其它耐火材料混合物組分的特性，組合物中可以包含緻密耐火材料骨料。緻密耐火材料骨料有助於組合物的結構完整性，並通常存在於要暴露於腐蝕性熔融金屬例如鋼鐵的耐火材料組合物中。優選地，在用於金屬/熱包容和隔熱應用的耐火材料組合物中至少存在少量緻密耐火骨料。緻密耐火骨料可以包括天然或合成礦物質，或者兩者的組合。其中的天然礦物質可以包括煅燒耐火粘土、煅燒熟料、矽線石類礦物質、煅燒鋁礬土、葉蠟石、矽石、鋯石、斜鋯石、鉻鐵礦石、白雲石和橄欖石。合成礦物質可以包括堇青石、碳化矽、燒結礬土(例如剛玉)、熔融氧化鋁、熔融石英、燒結莫來石、熔鑄莫來石、熔融氧化鋯、燒結氧化鋯莫來石、熔融氧化鋯莫來石、燒結氧化鎂、熔融氧化鎂、燒結尖晶石、熔融尖晶石、緻密耐火材料熟料、鉻礬土集料、鋁酸鈣集料和矽酸鋁鋯。為達到特定的效果也可以使用幾種緻密耐火骨料的組合。
一般，緻密耐火骨料的粒徑大於100目。緻密耐火骨料的含量對於金屬包容應用來說為約0-約80重量％，對於金屬/熱包容和隔熱應用來說為約0-約70體積％。
基質材料和緻密耐火骨料的礦物組成可以相同，用同一種耐火材料實現提供耐火材料體或骨架以及提高組合物在工作環境中的性能的功能。較大的顆粒，一般大於約100目，主要用作提高組合物的結構完整性的緻密耐火骨料，而較小的顆粒，一般小於約100目，更優選地小於約65目，主要用作提供對使用組合物的化學和熱環境的優良抵抗性的基質材料。在約100目範圍的顆粒除了其基本功能之外還可以表現出一種輔助性能；即在此粒度範圍的某些緻密耐火骨料顆粒可以具有能提高抗化學性和抗熱性的粘合性能，而在此粒度範圍的某些基質材料顆粒可以提高結構完整性。
輕質填料材料包括能降低組合物的密度和提高它的隔熱性能的隔熱耐火材料集料。輕質填料材料可以是天然或合成材料，最典型地是一種耐火氧化物。更具體地說，輕質填料材料可以選自珍珠巖、蛭石、浮石、膨脹頁巖(例如，K T Pumice，Inc.的K T 200和K T 500)、膨脹耐火粘土(例如，C-E Minerals的CE Mulcoa 47LW，以及Whitfield Son Ltd.的Whi-Agg低鐵集料)、膨脹礬土矽石空心球體(例如，Trelleborg Fillite，Inc.的Fillite空心陶瓷微珠，以及A.P.GreenIndustries，Inc.的Veri-lite集料)、發泡氧化鋁(bubble alumina)、燒結多孔氧化鋁(例如，氧化鋁催化劑)、礬土尖晶石保溫集料、鋁酸鈣保溫集料(例如Alcoa超輕集料SLA-92)、膨脹莫來石、輕質鋁矽酸鹽、輕質熟料和鈣長石。也可以使用本領域已知的其它隔熱耐火材料集料或多孔性礦物質(包括合成性膨脹礦物質)。如果需要也可能使用幾種填料輕質材料的組合。
輕質填料材料的粒徑通常為約3/8英寸或更小。在金屬包容應用中輕質填料材料的含量通常是不存在，但在金屬/熱包容和隔熱應用中，含量為約15-約85體積％，優選地為約50-約80體積％。
輕質填料材料的特徵可以隨其應用而變化。在金屬/熱包容應用中，填料輕質的材料必須具有與該金屬相當的性能，例如在鐵包容應用中的鋁矽酸鹽絕熱集料，以及期望的熱包容性能。在隔熱應用中，輕質填料材料可以基於保溫值乃至低成本來進行選擇。通常優選具有微孔尺寸的輕質填料材料。在熱/金屬包容應用以及其它要求很高的應用中，在微孔尺寸輕質填料材料周圍較易形成粘合，結果形成更強的粘合框架。微孔尺寸的輕質填料材料還具有更高的保溫值。
安裝的耐火材料組合物的熱粘合可以通過基質材料和任何緻密耐火骨料響應於安裝組合物的熱環境的高溫陶瓷粘合來完成。例如，基質材料和任何緻密耐火骨料的陶瓷粘合都可以在那些要求直到組合物達到2000°F或以上才形成粘合的應用中提供充分的粘合。因此，對於幹耐火材料組合物的成功性能來說，分散的粘合劑的存在並不是必需的。
不過，如果需要，組合物中可以包含至少一種分散的熱激活粘合劑以控制材料強度和在向安裝的耐火材料組合物施加熱之後的粘合形成。所述粘合劑可以根據應用所要經受的溫度進行選擇，這樣在從低至約350°F到高達1800°F或以上粘合都是基本完全的。優選地，粘合劑在室溫下是非液體，不過在組合物的製備過程中(不是安裝過程中)添加霧化液體粘合劑也能產生可以接受的結果。當使用粘合劑時，通常它的含量對於金屬包容應用來說為約0.1-約8重量％，對於熱/金屬包容和隔熱應用來說為約0.1-約15體積％。
對於使用分散的熱激活粘合劑的應用來說，所述粘合劑可以是單一粘合劑或幾種粘合劑的組合。所述粘合劑可以是有機粘合劑、無機粘合劑或它們的組合。如上所述，即使存在一種分散的粘合劑，基質材料和任何緻密耐火骨料的陶瓷粘合也可能有助於安裝的耐火材料組合物的粘合。
有機粘合劑，通常用於低於約600°F的溫度，在此溫度範圍之內加熱時形成強度。包括酚醛清漆樹脂(一種乾熱固化苯酚-甲醛樹脂)在內的酚醛(苯酚-甲醛)樹脂是一種優選的有機粘合劑。特別優選低酚樹脂。其它適合的有機粘合劑包括呋喃樹脂、瀝青、硬瀝青、木素磺化鹽、糖、甲基/乙基纖維素、澱粉和草酸。
無機粘合劑一般用於在約600°F以上的溫度下形成粘合。它們在中等溫度範圍能促進形成玻璃粘合，而在更高的溫度範圍能促進形成陶瓷粘合。適合的無機粘合劑包括氧化硼、硼酸、冰晶石、非鈣氟化物鹽(例如氟化鋁或氟化鎂)、矽酸鹽化合物(例如矽酸鈉或矽酸鉀)、硼酸鹽化合物(例如硼酸鈉或氟硼酸鉀)、磷酸鹽化合物(例如正磷酸鹽乾粉末)、矽酸鈣水泥、鋁酸鈣水泥、氯化鎂、球粘土、高嶺土、硫酸鹽化合物(例如硫酸鋁、硫酸鈣或硫酸鎂)、金屬粉末(例如鋁或矽合金粉末)以及耐火玻璃料。也可以使用其它本領域已知的熱激活粘合劑。特別優選的無機粘合劑是氧化硼和硼酸，因為它們有效且便宜。耐火玻璃料(粒徑一般小於約200目)也是一種優選的無機粘合劑。要求低溫粘合的應用優選低熔點的玻璃料，而具有更高使用溫度極限的應用則優選高熔點的玻璃料。
粘合劑的粒徑一般小於約100目，更優選地小於約60目。較細的顆粒能提供更好的離散度，但較粗的顆粒更容易獲得或更容易以低成本獲得。
幹耐火材料混合物中還可以包含少量的灰塵抑制劑。灰塵抑制劑主要起減少可見灰塵以保持安裝環境清潔和便於使用的功能。它還將組合物材料中的空中浮遊可吸入灰塵水平保持在它們各自的暴露極限之下，儘管當可見灰塵存在時可吸入灰塵顆粒傾向於粘在更重的可見灰塵顆粒上。對於在容易導致形成大量灰塵的條件下安裝特別是大規模的安裝的組合物和那些沒有防塵通風系統的安裝來說，灰塵抑制劑通常是必需的。灰塵抑制劑對於令人滿意地包容熔融金屬或熱或提供隔熱不是必需的，因此灰塵抑制劑可以省略。當使用了灰塵抑制劑時，它的含量應當足以在組合物的安裝過程中控制可見和可呼吸灰塵，通常對於金屬包容應用來說為約0-約2重量％，對於金屬/熱包容和隔熱應用來說為約0-約3體積％。
輕質油例如礦物油是一種優選的灰塵抑制劑。油的重量越輕，要達到令人滿意的結果可能就需要越多量的灰塵抑制劑。例如，對於金屬/熱包容應用的幹耐火材料混合物的一個優選實施方案中可以包含約0.25-約1.6體積％的輕質油。也可以使用其它能減少灰塵而不妨礙耐火材料性能的物質，例如其它輕質油、煤油、二醇和粘性有機聚合物(優選地是非水配方)。如果需要，也可以使用幾種灰塵抑制劑的組合，例如使用輕質油和煤油的混合物。
一種用於金屬包容應用的幹耐火材料組合物描述如下(1)幹耐火材料混合物中包含以近似重量百分數給出的下列成分成分重量百分數基質材料 20-100緻密耐火骨料 0-80熱激活粘合劑 0-8灰塵抑制劑 0-2；以及(2)佔上述混合物0.5-15重量％的金屬針。
優選地，上述幹耐火材料混合物包含以近似重量百分數給出的下列成分成分重量百分數基質材料 20-60緻密耐火骨料 40-80熱激活粘合劑 0-5灰塵抑制劑 0-2。
一種用於金屬/熱包容和隔熱應用的幹耐火材料組合物描述如下(1)幹耐火材料混合物中包含以近似體積百分數給出的下列成分成分體積百分數基質材料 15-50輕質填料材料 15-85
緻密耐火骨料 0-70熱激活粘合劑 0-15灰塵抑制劑 0-3；以及(2)佔上述混合物0.5-15重量％的金屬針。
優選地，上述幹耐火材料混合物包含以近似體積百分數給出的下列成分成分體積百分數基質材料 15-35輕質填料材料 35-75緻密耐火骨料 0-65熱激活粘合劑 0-10灰塵抑制劑 0-3。
幹耐火材料組合物不含任何添加的水分或液體化學粘合劑。組合物在其安裝的狀態下是不含水分的。預計安裝的耐火材料組合物將含有小於約0.5重量％的由與耐火材料組分相關的結晶水產生的水和/或從環境中吸收水分，儘管此含量可能隨具體的耐火材料組合物以及存貯和安裝的環境條件而變化。
幹耐火材料組合物可以通過將可商購的幹耐火材料混合物的原材料(預先選擇期望的顆粒尺寸)與金屬纖維在混合器中混合來製備。原料被混合在一起以提供一種基本上連續的分布。混合方法和設備是已知的製造幹可振動耐火材料的方法中所用的那些典型混合方法和設備。灰塵抑制劑可以在混合過程中加入組合物。也可以將霧化灰塵抑制劑噴入組合物中。
所述耐火材料組合物可以使用與傳統的幹可振動耐火材料相同的方法安裝，將它倒入位置(例如倒入與熱源相鄰的空隙)，然後將其脫氣或壓實。這可以例如通過振動或打夯將組合物壓緊在原位來完成。對於緻密的組合物來說，脫氣也可以通過分流組合物(利用叉具或相似的裝置)以除去在倒入時夾雜的空氣。夾雜空氣的去除使顆粒彼此之間可以更好地接觸和提供了足以允許形成強粘合以及在粘合的耐火材料中產生承載能力(如果需要的話)的顆粒壓實。
安裝的傳統幹可振動耐火材料與安裝的含金屬纖維的耐火材料在示範性金屬包容應用中的差異可以參照圖1-6中看出。圖1是具有工作耐火襯裡12的金屬熔融槽10的示意橫截面圖。襯裡最靠近金屬熔池14的一側被稱作熱面16，而最靠近在襯裡被壓緊之前將其固定在原位的外殼18的一側被稱作冷麵20。在本實施例範圍內，容器10被假設為一種包容約1400°F的熔融鋁14的金屬接觸感應電爐。圖2是圖1的耐火襯裡12在加熱之前的局部示意圖，顯示了耐火材料的未燒結的形式。
在一個新裝襯裡或整修的容器10工作之前，襯裡12的溫度可以逐漸升高到工作溫度。在此升溫期間，在襯裡12內可以發生許多期望的和隨之發生的化學和物理反應。襯裡12不斷升高的溫度可以引發或促進這些反應，包括激活存在於組合物中的任何熱激活粘合劑。由於在安裝的幹耐火襯裡12中沒有水或液體化學粘合劑，所以在安裝和加熱之間不需要任何延長時間的乾燥步驟。
優選地選擇具有適合燒結溫度範圍的幹耐火材料組合物，此燒結溫度範圍使得可以在安裝的耐火物12的預定區域形成強熱粘合。在安裝之後，耐火襯裡12隨著暴露於熱，逐漸形成熱粘合。
圖3-5顯示了在傳統的安裝的幹可振動耐火襯裡12中粘合的逐漸形成，圖6顯示了在安裝的包含金屬纖維30的耐火襯裡12′中粘合的逐漸形成。襯裡12，12′上從熱面16到冷麵20的溫度梯度(又稱熱平面)顯示在各圖的底部。
圖3是圖1的耐火襯裡12在預熱之後的局部示意圖。襯裡12上與熱面16相鄰的區域22易於形成強粘合(即，對於鋁接觸感應電爐應用來說強度大於約1000p.s.i.的粘合)。強粘合的耐火材料22是緻密且硬的，並可以顯示脆性。襯裡12上離熱面16最遠並與殼18相鄰的區域24易於保持在未燒結的狀態(即對於鋁接觸感應電爐應用來說強度小於約200p.s.i.)。中間區域26易於形成弱熔結粘合(即對於鋁接觸感應電爐應用來說強度大於約200p.s.i.但小於約1000p.s.i.)。襯裡12的熔結區域26和未燒結區域24保留其流體特性並形成一個仍能吸收機械和熱應力的封套。為進行說明，用具有清楚邊界的分散區域來表示粘合強度不同的區域22、24和26。不過，如上所述，在襯裡12內由於響應熱而形成的粘合本質上是漸進的，因此從熱面16到未燒結的耐火材料24粘合強度是連續的。
圖4是圖3的耐火襯裡12在用到接近其使用壽命之後的局部示意圖。襯裡12已經被腐蝕離開熱面16的起始位置，限定出一個新的熱面16A並將襯裡12的熱平面向冷麵20移動。剩餘的耐火材料仍然包括強粘合區域22、熔結區域26和未燒結的區域24。
圖5是圖3的耐火襯裡12的局部示意圖，其中在強粘合脆性區域22已經形成了裂紋28，使得熔融金屬14可以深深滲入襯裡12。作為對由此滲入所產生的熱狀態的響應，耐火襯裡12逐漸地形成了與裂紋28相鄰的額外熱粘合22A、24A、26A，引起了襯裡12的熱平面的局部移動。裂紋28的擴展被新形成的強粘合22A阻止，其中新的強粘合22A提供了優良的抗熔融金屬滲入能力，但只剩下很薄一層未燒結的耐火材料24A來吸收和分配應力。
含金屬纖維30的耐火襯裡12′與圖2-4所示的傳統的幹可振動襯裡12具有相同的特徵但對裂紋的反應不同。圖6是一個安裝的含金屬纖維30的耐火襯裡12′的局部示意圖，顯示了襯裡12′對裂紋28′的反應。襯裡12′內的金屬纖維30能抵抗裂紋28′的擴展，以致於裂紋28′只鑽入強粘合區域22′一小段距離。即使裂紋擴展入襯裡12′達到與圖5所示相同的程度，以致只剩下很薄一層未燒結的耐火材料24′，襯裡12′也能更好地吸收和分散應力，因為強粘合區域22′比圖5所示的傳統的耐火襯裡12的脆性要小。
在上述示例性應用中，熱梯度滿足在耐火襯裡12內粘合強度的連續性延伸穿過三個粘合強度各不相同的區域22、24和26。不過，並不是在每種應用中熱梯度都必須貫穿所有三個區域。根據幹耐火材料的設計性能和熱環境的不同，熱梯度可以是安裝的襯裡12隻在兩個區域甚至一個區域內顯示粘合強度。在具有淺熱梯度的應用中，安裝的襯裡可以由強粘合區域和熔塊區域構成，而基本上沒有未燒結的耐火材料存在。在具有更淺熱梯度的應用中，基本上所有安裝的耐火材料都可以是強粘合的。安裝的耐火襯裡還可以在預熱之後阻止在最接近熱面的區域形成強粘合併保持未燒結的形式(或熔塊與未燒結的形式的組合)，而只響應熱狀態的後來變化，例如熱氣體通過煙道的工作襯裡內的裂紋或接縫的滲入，才在最接近熱面的區域形成強粘合。形成在特定區域的粘合的強度也可以根據耐火材料組合物的特徵以及應用的熱環境而變化。
在特定應用中的粘合強度區域數甚至可以隨熱狀態而改變。在圖5中，裂紋18附近的未燒結的耐火材料24的量很少。進一步的裂紋擴展可能會使此區域的所有未燒結的耐火材料24粘合。
雖然不希望受理論束縛，但看起來耐火襯裡中的金屬纖維既會阻止裂紋的擴展又會降低耐火襯裡的強粘合區域的脆性性質(提高抗拉強度)。看來好像越短的纖維越有助於阻止裂紋擴展，而越長的纖維越有助於降低粘合的耐火襯裡的脆性性質。使用長、短纖維的組合可能會產生具有理想抗裂性的耐火襯裡。
含金屬纖維的耐火材料組合物對應力的響應性能與那些傳統的幹可振動材料的不同。傳統的幹耐火材料組合物和含金屬纖維的幹耐火材料組合物的抗彎強度曲線分別如圖7和圖8所示。通過壓緊幹可振動耐火材料，將其焙燒到1800°F的溫度再冷卻至室溫，製備了傳統的幹可振動耐火材料(Allied Mineral Products，Inc.Dri-Vibe 493A)的一個樣品。以同樣方法製備了含金屬纖維的幹可振動耐火材料(含約4.6重量％的無鎳的鉻合金纖維的改性Dri-Vibe 493A)的一個樣品。用一個3點斷裂模型裝置確定樣品在相同加載速率下的抗彎強度。如圖7所示，傳統樣品在中間斷開之前對載荷具有一般的線性響應曲線。如圖8所示，含金屬纖維的耐火材料樣品隨時間對載荷具有更無規律的反應並且一直彎曲卻不斷裂。此無規律的反應被認為是微裂紋和彎曲的表現。
適於具體應用的耐火材料組合物的實施例如下。
實施例1通過混合下列幹耐火材料混合物成分製備了一種鋁接觸無鐵芯感應電爐的幹耐火材料組合物成分重量百分數褐色熔融氧化鋁，5+10目 26.1褐色熔融氧化鋁，10+30目 27.1褐色熔融氧化鋁，-30目18.3褐色熔融氧化鋁，-100目 8.1白色熔融氧化鋁，-200目 8.1矽石，-200目 4.0煅燒氧化鋁，-325目 5.4
耐火玻璃料，-100目 2.9；其中含有佔幹耐火材料混合物約4.6％的不鏽鋼針。感應電爐行業的某些人認為這樣一種耐火材料組合物不適用於感應電爐，因為在耐火襯裡中存在電流。儘管如此，這種耐火材料組合物在安裝在鋁接觸感應電爐中時達到了令人滿意的結果，而沒發現與金屬纖維的電導率有關的任何問題。
實施例2通過混合下列幹耐火材料混合物成分製備了一種鎂接觸感應電爐的幹耐火材料組合物成分重量百分數褐色熔融氧化鋁，5+10目 18.7褐色熔融氧化鋁，10+30目 24.1褐色熔融氧化鋁，-30目 14.4白色熔融氧化鋁，-50目 5.3褐色熔融氧化鋁，-200目 18.6煅燒氧化鋁，-325目 10.9煅燒氧化鎂，-200目 4.8耐火玻璃料，-100目 3.2；其中含有佔幹耐火材料混合物約4.6％的無鎳的鉻合金針。
實施例3通過混合下列幹耐火材料混合物成分製備了一種在煙道壁中經受到反覆熱衝擊的隔熱二級襯裡用幹耐火材料組合物成分體積百分數煅燒硬質粘土，-4目 12.8矽線石類礦物質，-35目 4.8葉蠟石，-16目 3.0珍珠巖，-10目 77.0耐火粘土，-100目1.0耐火玻璃料，-100目 0.9礦物油 0.5；其中含有佔幹耐火材料混合物約5重量％的不鏽鋼針。
含金屬纖維的耐火材料組合物作為用於鋼精煉的澆注桶的二級襯裡，獲得了令人滿意的結果。一般地，澆注桶使用耐火磚作位於磚砌耐火襯裡之後的二級襯裡。儘管存在二級襯裡，但澆注桶的殼在使用時易於被熱和機械應力扭曲，使得在需要更換二級襯裡時很難將磚砌入且磚之間的縫隙會允許熔融金屬和礦渣滲入到殼中，造成進一步的扭曲。使用含金屬纖維的幹可振動耐火材料作澆注桶中的二級襯裡可以提供具有令人滿意的抗鋼水和爐渣能力的無縫襯裡，它可以用傳統的幹可振動方法安裝，消除了耗時的調整裝配二級襯裡中的磚的需要。使用含金屬纖維的幹耐火材料還通過減少特別是在拉出熱面期間與裂紋有關的失效而提高了二級襯裡的使用壽命。
在此說明書中，當對於本發明的某一具體特徵(例如，溫度，體積百分比等等)限定了一個條件範圍或一組物質時，本發明涉及並明確包括每個具體項以及其子範圍或子群的組合。任何指定的範圍或組都應被理解為涉及單獨的某一個範圍或組中的每一項以及包含在其中的每個可能的子範圍和子組的一種簡寫；以及類似地推及其任何子範圍或子組。
儘管在此已經詳細地描述了本發明的具體實施方案，但應理解地是，在不偏離本發明的精神或附加權利要求書的範圍內，本領域技術人員可以對其作出各種變化。特別是，在耐火材料組合物中非主要量的大小不在指定範圍內的幹耐火材料成分顆粒(例如，基質材料、緻密耐火骨料或填料輕質材料)的存在並不會破壞本發明的實用性。主要包含指定範圍內的幹耐火材料組合物粒子以及非主要量的指定範圍之外的幹耐火材料組合物粒子的混合物仍被認為是在本發明的範圍之內。
權利要求
1.一種幹耐火材料組合物，包含一種幹耐火材料混合物，它包含20-100重量％粒徑小於100目的基質材料，所述基質材料選自煅燒氧化鋁、熔融氧化鋁、燒結氧化鎂、熔融氧化鎂、矽粉、熔融石英、碳化矽、碳化硼、二硼化鈦、硼化鋯、氮化硼、氮化鋁、氮化矽、氮化矽鐵、賽綸陶瓷、二氧化鈦、硫酸鋇、鋯石、矽線石類礦物質、葉蠟石、耐火粘土、碳、矽灰石、氟化鈣、尖晶石、氧化鉻、橄欖石、鋁酸鈣集料、矽酸鋁鋯、鉻鐵礦石、氧化鈣、白雲石以及它們的混合物；和80重量％粒徑大於或等於100目的緻密耐火骨料；所述緻密耐火骨料選自煅燒耐火粘土、煅燒熟料、矽線石類礦物質、煅燒鋁礬土、葉蠟石、矽石、鋯石、斜鋯石、鉻鐵礦石、白雲石、橄欖石、堇青石、碳化矽、燒結礬土、熔融氧化鋁、熔融石英、燒結莫來石、熔鑄莫來石、熔融氧化鋯、燒結氧化鋯莫來石、熔融氧化鋯莫來石、燒結氧化鎂、熔融氧化鎂、燒結尖晶石、熔融尖晶石、緻密耐火材料熟料、鉻礬土集料、鋁酸鈣集料、矽酸鋁鋯和它們的混合物；選擇所述基質材料和緻密耐火骨料，以使得當幹耐火材料組合物不添加水或液體化學粘合劑而以粉末形式安裝在與熱源相鄰的空隙中時，至少靠近熱源的組合物的第一部分形成強熱粘合；和佔幹耐火材料混合物0.5-15重量％的金屬纖維。
2.權利要求1的幹耐火材料組合物，其中所述金屬纖維選自不鏽鋼、碳鋼、鉻合金、銅合金、鋁合金、鈦合金或它們的混合物。
3.權利要求2的幹耐火材料組合物，其中所述金屬纖維的長度為約1/2-約2英寸。
4.權利要求1的幹耐火材料組合物，其中選擇基質材料和緻密耐火骨料，以使當安裝了幹耐火材料組合物時，離熱源比組合物的第一部分遠的第二部分保持未燒結的形式。
5.權利要求1的幹耐火材料組合物，其中所述幹耐火材料混合物進一步包含0.1-8重量％的熱激活粘合劑。
6.權利要求5的幹耐火材料組合物，其中所述熱激活粘合劑選自氧化硼、硼酸、冰晶石、非鈣氟化物鹽、矽酸鹽化合物、硼酸鹽化合物、磷酸鹽化合物、矽酸鈣水泥、鋁酸鈣水泥、氯化鎂、球粘土、高嶺土、硫酸鹽化合物、金屬粉末、耐火玻璃料、酚醛樹脂、呋喃樹脂、瀝青、硬瀝青、木素磺化鹽、糖、甲基/乙基纖維素、澱粉、草酸和它們的混合物。
7.權利要求1的幹耐火材料組合物，其中所述幹耐火材料混合物進一步包含灰塵抑制劑，其量為足以控制安裝組成時的可見和可吸入灰塵。
8.權利要求7的幹耐火材料組合物，其中所述灰塵抑制劑選自輕質油、煤油、二醇、粘性有機聚合物和它們的混合物。
9.權利要求1的幹耐火材料組合物，其中所述幹耐火材料混合物包括含量為20-60重量％的基質材料和含量為40-80重量％的緻密耐火骨料。
10.一種安裝的耐火材料組合物，包括無需添加水或液體化學粘合劑而以粉末形式安裝在與熱源相鄰的空隙中的權利要求1的幹耐火材料組合物，至少靠近熱源的所述安裝的組合物的第一部分形成強熱粘合。
11.權利要求10的安裝的耐火材料組合物，其中離熱源比組合物的第一部分遠的第二部分保持未燒結的形式。
12.一種製造耐火材料組合物的方法，包括選擇一種幹耐火材料混合物，它包含20-100重量％粒徑小於100目的基質材料，所述基質材料選自煅燒氧化鋁、熔融氧化鋁、燒結氧化鎂、熔融氧化鎂、矽粉、熔融石英、碳化矽、碳化硼、二硼化鈦、硼化鋯、氮化硼、氮化鋁、氮化矽、氮化矽鐵、賽綸陶瓷、二氧化鈦、硫酸鋇、鋯石、矽線石類礦物質、葉蠟石、耐火粘土、碳、矽灰石、氟化鈣、尖晶石、氧化鉻、橄欖石、鋁酸鈣集料、矽酸鋁鋯、鉻鐵礦石、氧化鈣、白雲石和它們的混合物；和80重量％粒徑大於或等於100目的緻密耐火骨料；所述緻密耐火骨料選自煅燒耐火粘土、煅燒熟料、矽線石類礦物質、煅燒鋁礬土、葉蠟石、矽石、鋯石、斜鋯石、鉻鐵礦石、白雲石、橄欖石、堇青石、碳化矽、燒結礬土、熔融氧化鋁、熔融石英、燒結莫來石、熔鑄莫來石、熔融氧化鋯、燒結氧化鋯莫來石、熔融氧化鋯莫來石、燒結氧化鎂、熔融氧化鎂、燒結尖晶石、熔融尖晶石、緻密耐火材料熟料、鉻礬土集料、鋁酸鈣集料、矽酸鋁鋯和它們的混合物；選擇所述基質材料和緻密耐火骨料，以使得當經混合的組合物無需添加水或液體化學粘合劑而以粉末形式安裝在與熱源相鄰的空隙中時，至少靠近熱源的組合物的第一部分而形成強熱粘合；選擇佔幹耐火材料混合物0.5-15重量％的金屬纖維，所述金屬纖維選自不鏽鋼、碳鋼、鉻合金、銅合金、鋁合金、鈦合金和它們的混合物；和在沒有添加的水或液體化學粘結劑的情況下混合所述幹耐火材料混合物和金屬纖維。
13.權利要求12的方法，進一步包括下列步驟選擇長度為約1/2-約2英寸的金屬纖維。
14.權利要求12的方法，進一步包括下列步驟選擇基質材料和緻密耐火骨料，以使當安裝了經混合的組合物時，離熱源比組合物的第一部分遠的第二部分保持未燒結的形式。
15.權利要求12的方法，進一步包括下列步驟選擇一種佔幹耐火材料混合物0.1-8重量％的熱激活粘合劑，所述熱激活粘合劑選自氧化硼、硼酸、冰晶石、非鈣氟化物鹽、矽酸鹽化合物、硼酸鹽化合物、磷酸鹽化合物、矽酸鈣水泥、鋁酸鈣水泥、氯化鎂、球粘土、高嶺土、硫酸鹽化合物、金屬粉末、耐火玻璃料、酚醛樹脂、呋喃樹脂、瀝青、硬瀝青、木素磺化鹽、糖、甲基/乙基纖維素、澱粉、草酸和它們的混合物；和將所述熱激活粘合劑與幹耐火材料混合物混合。
16.權利要求12的方法，進一步包括下列步驟選擇一種其量足以控制安裝組合物時的可見和可吸入灰塵的灰塵抑制劑，該灰塵抑制劑選自輕質油、煤油、二醇、粘性有機聚合物和它們的混合物；和將所述灰塵抑制劑與幹耐火材料混合物混合。
17.一種安裝耐火襯裡的方法，包括以下步驟選擇一種幹耐火材料混合物，該混合物包含20-100重量％粒徑小於100目的基質材料，所述基質材料選自煅燒氧化鋁、熔融氧化鋁、燒結氧化鎂、熔融氧化鎂、矽粉、熔融石英、碳化矽、碳化硼、二硼化鈦、硼化鋯、氮化硼、氮化鋁、氮化矽、氮化矽鐵、賽綸陶瓷、二氧化鈦、硫酸鋇、鋯石、矽線石類礦物質、葉蠟石、耐火粘土、碳、矽灰石、氟化鈣、尖晶石、氧化鉻、橄欖石、鋁酸鈣集料、矽酸鋁鋯、鉻鐵礦石、氧化鈣、白雲石和它們的混合物；和80重量％粒徑大於或等於100目的緻密耐火骨料；所述緻密耐火骨料選自煅燒耐火粘土、煅燒熟料、矽線石類礦物質、煅燒鋁礬土、葉蠟石、矽石、鋯石、斜鋯石、鉻鐵礦石、白雲石、橄欖石、堇青石、碳化矽、燒結礬土、熔融氧化鋁、熔融石英、燒結莫來石、熔鑄莫來石、熔融氧化鋯、燒結氧化鋯莫來石、熔融氧化鋯莫來石、燒結氧化鎂、熔融氧化鎂、燒結尖晶石、熔融尖晶石、緻密耐火材料熟料、鉻礬土集料、鋁酸鈣集料、矽酸鋁鋯和它們的混合物；選擇佔幹耐火材料混合物0.5-15重量％的金屬纖維，所述金屬纖維選自不鏽鋼、碳鋼、鉻合金、銅合金、鋁合金、鈦合金和它們的混合物；在沒有添加的水或液體化學粘結劑的情況下混合幹耐火材料混合物和金屬纖維；將混合的組合物以粉末形式倒入與熱源相鄰的空隙；對倒入的組合物脫氣；和加熱脫氣的組合物，使得至少靠近熱源的組合物的第一部分形成強熱粘合。
18.權利要求17的方法，其中脫氣步驟進一步包括下面的步驟壓緊組合物。
19.權利要求17的方法，進一步包括下面的步驟選擇基質材料和緻密耐火骨料，以使當加熱脫氣的組合物時，離熱源比組合物的第一部分遠的第二部分保持未燒結的形式。
20.一種幹耐火材料組合物，包括一種幹耐火材料混合物，它包含20-100重量％粒徑小於100目的基質材料，所述基質材料選自煅燒氧化鋁、熔融氧化鋁、燒結氧化鎂、熔融氧化鎂、矽粉、熔融石英、碳化矽、碳化硼、二硼化鈦、硼化鋯、氮化硼、氮化鋁、氮化矽、氮化矽鐵、賽綸陶瓷、二氧化鈦、硫酸鋇、鋯石、矽線石類礦物質、葉蠟石、耐火粘土、碳、矽灰石、氟化鈣、尖晶石、氧化鉻、橄欖石、鋁酸鈣集料、矽酸鋁鋯、鉻鐵礦石、氧化鈣、白雲石和它們的混合物；和80重量％粒徑大於或等於100目的緻密耐火骨料；所述緻密耐火骨料選自煅燒耐火粘土、煅燒熟料、矽線石類礦物質、煅燒鋁礬土、葉蠟石、矽石、鋯石、斜鋯石、鉻鐵礦石、白雲石、橄欖石、堇青石、碳化矽、燒結礬土、熔融氧化鋁、熔融石英、燒結莫來石、熔鑄莫來石、熔融氧化鋯、燒結氧化鋯莫來石、熔融氧化鋯莫來石、燒結氧化鎂、熔融氧化鎂、燒結尖晶石、熔融尖晶石、緻密耐火材料熟料、鉻礬土集料、鋁酸鈣集料、矽酸鋁鋯和它們的混合物；選擇所述基質材料和緻密耐火骨料，以使得當幹耐火材料組合物不添加水或液體化學粘合劑而以粉末形式安裝在與金屬接觸感應電爐的熱面相鄰的空隙中時，至少靠近熱面的組合物的第一部分形成強熱粘合；和佔幹耐火材料混合物0.5-15重量％的金屬纖維，所述金屬纖維選自不鏽鋼、碳鋼、鉻合金和它們的混合物。
21.權利要求20的幹耐火材料組合物，其中所述金屬纖維的長度為約1/2-約2英寸。
22.權利要求20的幹耐火材料組合物，其中選擇所述基質材料和緻密耐火骨料，以使當安裝了幹耐火材料組合物時，離熱面比組合物的第一部分遠的第二部分保持未燒結的形式。
23.權利要求20的幹耐火材料組合物，其中所述幹耐火材料混合物中進一步包含一種含量為0.1-8重量％的熱激活粘合劑，所述熱激活粘合劑選自氧化硼、硼酸、冰晶石、非鈣氟化物鹽、矽酸鹽化合物、硼酸鹽化合物、磷酸鹽化合物、矽酸鈣水泥、鋁酸鈣水泥、氯化鎂、球粘土、高嶺土、硫酸鹽化合物、金屬粉末、耐火玻璃料、酚醛樹脂、呋喃樹脂、瀝青、硬瀝青、木素磺化鹽、糖、甲基/乙基纖維素、澱粉、草酸和它們的混合物。
24.根據權利要求20的幹耐火材料組合物，其中所述幹耐火材料混合物包括含量為20-60重量％的基質材料和含量為40-80重量％的緻密耐火骨料。
25.一種安裝的耐火材料組合物，包括不添加水或液體化學粘合劑而以粉末形式安裝在與金屬接觸感應電爐的熱面相鄰的空隙中的權利要求20的幹耐火材料組合物，至少靠近熱面的安裝的組合物的第一部分形成強熱粘合。
26.權利要求25的安裝的耐火材料組合物，其中選擇所述基質材料和緻密耐火骨料，以使當安裝了幹耐火材料組合物時，離熱面比組合物的第一部分遠的第二部分保持未燒結的形式。
27.一種安裝耐火襯裡的方法，包括以下步驟選擇一種幹耐火材料混合物，它包含20-100重量％粒徑小於100目的基質材料，所述基質材料選自煅燒氧化鋁、熔融氧化鋁、燒結氧化鎂、熔融氧化鎂、矽粉、熔融石英、碳化矽、碳化硼、二硼化鈦、硼化鋯、氮化硼、氮化鋁、氮化矽、氮化矽鐵、賽綸陶瓷、二氧化鈦、硫酸鋇、鋯石、矽線石類礦物質、葉蠟石、耐火粘土、碳、矽灰石、氟化鈣、尖晶石、氧化鉻、橄欖石、鋁酸鈣集料、矽酸鋁鋯、鉻鐵礦石、氧化鈣、白雲石和它們的混合物；和80重量％粒徑大於或等於100目的緻密耐火骨料；所述緻密耐火骨料選自煅燒耐火粘土、煅燒熟料、矽線石類礦物質、煅燒鋁礬土、葉蠟石、矽石、鋯石、斜鋯石、煅鉻鐵礦石、白雲石、橄欖石、堇青石、碳化矽、燒結礬土、熔融氧化鋁、熔融石英、燒結莫來石、熔鑄莫來石、熔融氧化鋯、燒結氧化鋯莫來石、熔融氧化鋯莫來石、燒結氧化鎂、熔融氧化鎂、燒結尖晶石、熔融尖晶石、緻密耐火材料熟料、鉻礬土集料、鋁酸鈣集料、矽酸鋁鋯和它們的混合物；選擇佔幹耐火材料混合物0.5-15重量％的金屬纖維，所述金屬纖維選自不鏽鋼、碳鋼、鉻合金和它們的混合物；在沒有添加的水或液體化學粘結劑的情況下混合幹耐火材料混合物和金屬纖維；將混合的組合物以粉末形式倒入與金屬接觸感應電爐的熱面相鄰的空隙；對倒入的組合物脫氣；壓緊組合物；和加熱脫氣的組合物，使得至少靠近熱面的組合物的第一部分形成強熱粘合。
28.權利要求27的方法，進一步包括下面的步驟選擇所述基質材料和緻密耐火骨料，以使當加熱脫氣的組合物時，離熱面比組合物的第一部分遠的第二部分保持未燒結的形式。
全文摘要
一種具有優異抗裂紋擴展能力的幹耐火材料組合物。所述幹耐火材料組合物至少包含基質材料和金屬纖維。所述組合物還可以包含緻密耐火骨料。所述幹耐火材料組合物尤其適用於金屬包容應用。
文檔編號F27D1/10GK1761635SQ03826266
公開日2006年4月19日 申請日期2003年6月13日 優先權日2003年2月7日
發明者D·K·多扎, D·G·戈斯基, Y·馬 申請人:聯合礦物產品公司