专利名称：石墨零件的抗冲击的氧化保护的制作方法
技术领域：
本发明涉及铝的精炼。更具体的是，它涉及防止用于铝精炼操作的石墨固定件被氧化。
在精炼铝时，通常用转动喷咀将精炼气体分散入盛在精炼容器中的铝熔体中。石墨转动件就是用于此目的的，而所述的石墨转动件载于一石墨轴上，并为之所驱动。而该石墨轴又固定在一金属轴上并为其驱动。这两支轴用螺纹连接固定在一起，这种螺纹连接是将该轴以正确的顺序固定，从而可使它们作为一个整体结构转动。
在Praxair，Inc.供应的市售Spinning Nozzle Inert Flotation SNIF 铝精炼系统中，石墨转动喷咀组件包括一在外部的石墨固定件以及一在内部的，其底端有一石墨转动件的石墨旋转轴。这种转动喷咀组件装在一精炼室中，其中充以熔铝直至无载界面。在精炼操作期间，熔铝的液面将升至较高的操作液面。然后将惰性处理气体供于在熔铝中分散气体并形成最终升至该溶铝表面气泡的转动喷咀转动件。然后此气体穿过该精炼室中的任何开口离去。由于这些开口保持细小，进入熔铝上方气体空间，即该精炼室的上空间的反扩散的空气很少，而且此气体空间是非常不活泼的。
在该精炼体系空运转时间，这可能是大部分时间，没有处理气体被供至此精炼室，但通常有少量惰性气流进入此上空间。然而，除非非常特殊而且代价很高，要小心密封所有开口，一般会有少量空气流入此上空间。这样，氧化气氛将进入其中。在某些场合下，这种气流是如此之大，以至此上空间中的氧含量大致与空气的氧含量相同。在这种情况下，尽管石墨固定件事先浸过最好的，所能得到的阻止氧化的材料，这种石墨固定件的暴露部分还是完全、迅速地氧化。在靠近无载空间的熔铝表面处这种氧化通常最快，因为暴露于此上空间中的部分固定件在此点是最热的，有时也因为进入上空间的热对流气流及其对固定件的冲撞在此部位最强烈。总埋在熔铝中的石墨固定件部分却不氧化，因为熔铝隔绝了石墨固定件浸入部分与上空间中的氧的接触。进一步穿过精炼室的顶部朝上延伸的，精炼室中的石墨固定件的上部，若不是一点不氧化的话，也是氧化得很慢的，因为精炼室的上部比靠近该室中熔铝无载线的此上空间下部要冷得多。
该上空间下部的氧化导致石墨固定件损坏。首先，处理气体经石墨固定件的天然孔隙的流出增加，因为氧化增加了这种孔隙。结果，这种氧化在此固定件的通常为接近于无载线的侧面产生了孔洞，而且全部处理气流经固定件中的这种孔隙损失掉。即使在这种处理气体的灾难性的损失发生之前，此石墨固定件也可能由于氧化过程而变得如此脆弱，以致在精炼系统的清理操作过程中破裂，而这种清理操作只要不受这类不希望的氧化，对固定件是无不利影响的。
已作了很多努力以对石墨固定件提供有效的氧化保护。这类尝试中的一些取得了部分成功，而另一些只在非常有限的情况下是完全成功的。薄的保护涂层，如几密耳厚，一直是不成功的，因为在此涂层上总是会有一些小的裂纹和孔隙区。尽管有惰性气体的逆流，但经这些小开口扩散的氧将缓慢地氧化期望有氧化保护的固定件的石墨材料。由于这种石墨的氧化产物是气体，即一氧化碳，那么这些石墨在此设想为保护性的涂层之下被侵蚀掉。然后在清理操作过程中，该涂层经轻轻的触动便从此石墨固定件上崩裂下来，或在精炼室中所进行的铝精炼期间，该涂层可从欲保护的石墨固定件上被铝熔体中的涡流带走。
现已由两种方法形成了能将石墨固定件表面与氧隔绝的厚的氧化保护涂料的覆层。这种方法之一是预先做成一个可放在石墨固定件易损坏区上的耐火材料的套。另一法是在石墨固定件的易损坏部分通过施用耐火材料灰浆或水泥而形成一个相对厚的涂层。这种涂层可通过往其中加入一层或几层玻璃纤维布而被加强。这两种方法就形成了将石墨固定件的氧化抑制到可用程度的保护覆层，前提是只要这种保护覆层或套保持无损。然而在多种操作条件下，此保护涂层或套将会在精炼容器的清理操作过程中被撞坏或撞掉而脱离石墨固定件的表面。
因此，在铝精炼技术中确实需要一种改进的铝精炼系统的石墨固定件的氧化保护涂层。特别是需要基本上降低对固定件的破坏性氧化作用的，及在清理操作过程中抗破裂的保护石墨固定件的涂层或覆层，以便大大地提高石墨固定件的有效寿命。
铝精炼系统的石墨固定件或其它石墨件用在此石墨固定件或其它石墨件上原位形成的耐火材料套包围。纵向的槽，及环形槽或端部的突肩被用来将此耐火材料套固定于此石墨固定件或其它石墨件之上。此套耐冲击破坏的能力因此而大为提高。
下文将通过参考附图进一步叙述本发明，其中
图1是铝精炼室的侧剖视图，其中设有旋转喷咀组件;
图2是在相对刚硬的固体材料基体上形成的，耐火材料平涂层的侧剖视图;
图3是图2结构的侧剖视图，它受到打入所述涂层的錾子或带尖头工具的冲击;
图4是图2中结构的侧剖视图，它受到平的或园物体的冲击;
图5是本发明实施方案的侧剖视图，其中在相对坚硬的固体材料基体上形成了此涂层，该基体于其表面有槽形开口;
图6 是对其施以保护涂层之前的石墨材料的平面的俯视图，用于图示其中的槽的方格图形;
图7是涂有耐火材料涂层的未开槽的石墨柱形基体的横剖面图，它受到打入此涂层的錾子或带尖工具的冲击;
图8是有轴向槽及涂有耐火材料涂层的柱形石墨基体的横剖面图，它受到打入此涂层的錾子或带尖工具的冲击;
图9是如图8中所示的园柱形石墨基体的侧剖视图，它有轴向槽(未示)，其上涂有耐火材料涂层，它在其中心附近的A点和其一端附近的B点受到打入该涂层中的錾子或带尖工具的冲击;
图10是图8的园柱形石墨基体的侧剖视图，但在筒形涂层的每端，此石墨件上有突肩，在其一端它受到打入此涂层的錾子或带尖工具的冲击;
图11是本发明一实施方案的，其上设有间断轴向槽的园柱形石墨固定件的正视图;
图12是本发明另一实施方案中的，其中设有一系列轴向的和绕园周开槽的园柱形石墨固定件的正视图;且图13(A)、(B)、(C)、(D)、(E)和(F)是可用于本发明各实施方案的各种槽形的侧剖视图。
通过在石墨件原位形成氧化保护涂层，并通过一系列开在此石墨件上的槽以在清理受冲击时增强此氧化保护涂层耐破裂性而达到本发明的目的。本发明所提供的抗冲击性能使石墨固定件或其它石墨件的有效寿命大大提高而超过有氧化保护涂层而无这种抗冲击性能的石墨件的使用寿命。
采用旋转喷咀组件的铝精炼系统典型地如图1所示，其中精炼室表为数字1，所述的精炼室有盖或顶2，该喷咀组件包括石墨固定件3和石墨转动体4。精炼室1有用于进入该室的熔铝通道的入口5，及用于自其中放出熔铝的通道的出口6。在该精炼系统运行的不处理期间，熔铝处在不处理液面7存于精炼室1中，而氧化气氛存在于此不被处理熔铝液面之上的上空间中。在铝精炼操作期间，熔铝处于较高的操作液面8。当需要时，本发明对石墨固定件或其它石墨件，如挡板或隔板提供氧化保护。特别是对石墨固定件而言，本发明能使石墨固定件的上述不希望有的，过早的损坏得以克服，从而大大提高所述固定件的使用寿命，结果使整个精炼体系受益。
如果松动的在石墨柱上的耐火材料套在不紧密接触石墨的区域受到坚硬物体，如锤子的撞击，将会局部地产生弯曲力。裂纹将始于拉伸侧并经过及沿着此套漫延。然而，如果该套在石墨件上形成，使得在套和石墨件间的全部部位均有紧密的接触，则因对该表面的吹炼而产生的弯曲力将大为减少，受力被限于石墨被传于其的压力所破坏的程度以内。在此情况下，耐火套非常坚固，而且最终的破坏机制也大为不同，并且时间明显延长，结果避免了石墨件的过早损坏。
为说明上述内容，请注意在相对坚硬的，固体材料基体10上形成的陶瓷或其它耐火涂覆材料9的平层，见图2。如果錾子或带尖的工具11被打入此涂层，则其倾向于如图3所示那样地裂开，结果裂纹12在所述涂层9中发展。另一方面，当此涂层被平缓的或园的物体13击打时，冲击区中的耐火涂层材料被挤向基体10，如图4。这种冲击作用可切下一片楔形14的耐火涂层9，或它可将此楔形14的耐火涂层材料破碎成粉，以及在所述的楔形14之下开一裂口12。无论在何种情况下，当象图3中的实施例那样，被打入涂层9中的錾子或带尖工具11产生侧向力15和16时，产生的侧向力15和16会挤开涂层9。如果涂层牢固地附着于基体，则与仅略有接合的涂层相比，它将具有大得多的抗被切开的抗力。
然而，在铝精炼操作期间所处的操作温度和气氛下，在使用耐火材料或石墨时，这类可能产生的有益的附着将不会长时间存留。在界面上的很弱的石墨氧化和/或石墨与大部分研究中的耐火材料的热膨胀差将破坏原来存在的石墨和耐火材料间的结合。
现已发现，在往基体涂此耐火涂料之前，在至少于基体石墨件的暴露部位在该石墨基体表面上开出特定的槽，然后将耐火涂料在涂覆操作期间被强制输入这些槽时，冲击破坏的抗力大为提高，结果使石墨固定件或其它石墨件的使用寿命适当延长。
本发明的这种合乎需要的实施在图5中说明。石墨基体17带有开于其中的槽18被示出。耐火层19用其被挤入所述基体中的所述槽18中的耐火涂层材料形成于所述石墨基体17上。所述的槽18用于防止耐火层19在錾子或其它带尖工具被打入所述耐火层19时裂开是适宜的。从而在否则将倾向于使耐火层19裂开的这种冲击下的涂层的侧向力被所述槽18中的耐火涂层材料传至石墨基体17，这样就大大地提高了该涂层，即耐火层的冲击破坏的抗力。
在图2-5中图示的平表面的情况下，诸如图6中所示的槽的格子图形是很有效的。这样，在向其施以耐火层之前，在平表面22上形成槽21的方格图形，再将耐火材料施于所述平表面上，进入该槽中，作为该涂覆工序的特有部分。在将此原则移至在园柱形石墨件，如在石墨固定件上涂此耐火层时，这种要求和与平表面相关的要求略有不同。已发现，当未开槽的园柱形石墨件上的耐火材料涂层被足够严重地击打，或在同一处被时间足够长地击打而产生裂纹时，则所产生的裂纹总是固定不变地延轴向形成。因此，发现按轴向设置的槽的图形在耐火层中形成裂纹之前提高所要求的吹炼力方面是很有效的。当在裂纹形成后无槽的园柱形部件进一步被破坏时，涂层片很容易以图7中所示的方式被推离该石墨件，其中园柱形石墨基体以数字23表示，而耐火层24在其上形成。当带尖的工具25打入所述耐火层24中时，从而就在其中形成裂纹26，部分所述耐火层24倾向于被推离石墨基体23，结果在部分耐火层24和石墨基体23之间存有环形间隙27。另一方面，当在所述石墨基体24中开了轴向槽，即图8中所示的轴向槽28时，就发现持续地抵御将耐火涂层24从石墨基体23上被推开，即使由于带尖工具25被打入所述耐火涂层24中，而在该耐火层24中形成起始轴向裂纹26后也是如此。
某些园柱形石墨基体直径长，就将耐火材料涂层，即耐火层29施于图9所示的园柱形石墨基体30上，而所述的耐火层29就具有形成于其中的轴向槽(未示)。当这类涂层在所述涂层长度的中心附近，如A点被带尖工具31击打时，发现有对垂直于园柱形石墨基体30的轴的开裂的完全的抵御能力。这是因为裂纹的开放需要较长的园筒形涂层部分，在A点的任一侧或两侧作轴向扩展而形成裂纹。当耐火层29在近其一端，如B点被带尖工具31击打时，只有该园柱涂层24的一侧的小部分被迫作轴向移动，即稍向图9中所述的实施例的右侧移动，从而很小的冲击将引发裂纹32结果在耐火层29中出现开口。为抵御这类不希望的裂纹形成，则希望有抵御在所述耐火层29端部的沿轴向的这类耐火层29运动的能力。产生这种抵御力的常规方法是在耐火层29的两端设置突肩，即如图10所示的园柱形石墨基体30中的突肩33和34。当这种形成于在所述耐火层两端有突肩的园柱形基体上的耐火层受带尖工具31击打时，耐火层29的轴向滑动及其中的裂纹的不希望的开放均有效地被排除。应注意的是，在所述基体部分端部附近，在涂有耐火层的圆柱石墨基体上设置绕园周的槽来排除耐火材料的这种滑动也在本发明的范围之中。在涂覆工序的过程中，耐火材料将进入所述的绕园周的槽，从而形成其紧固部分，该部分以通过在园柱形石墨基体中设置突肩而达到的方式阻止了耐火层的轴向移动。在基体中的这类绕园周的槽在图9中于耐火层29的两端用数字35和36标出，可以理解的是在涂覆操作时，耐火层材料将填充这种绕园周的槽，并形成所需的抵御此耐火层，或其部分沿轴向运动的能力。在石墨园柱形基体的涂覆长度比此园柱形件的直径长数倍的情况下，在几个部位，即在涂覆区的中部以及在其端部设置附加的绕园周的槽是有益的。
可为本领域中普通技术人员理解的是可在本发明的细节上作出各种变更或修正而不超出所附的权利要求中所述的本发明的范围。因而，耐火涂层可以两种方向，以其它的槽的形状，如图11，12中所示的槽形状被设置于石墨件上。这样一来，轴向槽可如图11所示那样被断开，其中园柱形基体的部分表面以数字37表示，而端面38代表欲被涂覆的基体部分的端部。基体的轴向以39表示。在将耐火涂层施于基体的所需部位之前，在园柱形基体37中设置轴向槽40，如图11所示，从一轴向槽至另一者的轴向槽之间的间隙41最好是交错的，以便增强耐火层与此园柱形石墨基体间的固着。
在图12的实施方案中，一系列绕园周的槽被断开以便产生所需的涂层-基体间的固着作用。如其中所示，以44表示为轴向的有所需被涂部分的端部45的园柱形基体的部分表面43有连续的，未被断开的轴向槽46被设于其中。被断开的绕圆周的槽47设有小岛48，其位置能对被断开的绕园周槽提供较佳的间隔效果。
本领域中普通技术人员将清楚，出于本发明的目的，可在石墨基体上开出各种形状的槽。图13A中所描绘的形状很容易用标准的高速铣头开出，而它也是由于此原因而优选的。如果用单点状的工具开槽，则在某种程度上更易切削形成有稍微倾斜侧面的槽，这如图13B所示。图13C、13D和13E中所述的其它形状也是有效的，而且也可采用，但它们没有优于其它形状的特殊优点。图13F的V-型槽也可用，但可能不比没有如此陡峭的斜倾面的槽更有利。
当将易用空气涂布的耐火灰浆涂料施于石墨基体上时，约1/8-1/4英寸的涂层厚度一般来说是合适的。用这种厚度范围的涂层，则槽宽一般应为约1/16-1/4英寸，槽深为约1/4-1/2英寸。槽间的“小岛”或间隔一般应在槽宽的约1/2-3倍的数量级上。从上述内容本领域的普通技术人员可以理解，比上述更大或更小的槽也可采用，而且在特殊的应用上可能是符合要求的。所用的槽数可以变化，视产生所需的将特定的耐火层固着于石墨基体的效果的要求与方便，而用更多或更少的槽。
所用的涂料可用任何的耐火浆料或水泥制成，这些材料可在待保护的石墨件周围形成涂层而且有适合于这种目的用途的性能。当然现已发现，用空气涂布的，经干燥就变硬的耐火浆料比其它类型的水泥或浆料更易操作。虽然其它的市售耐火水泥或浆料也可用，但对本发明的目的而言，Carborundum Co 提供的Fraxbond 3000浆料是特别有用的。
实施本发明所用的耐火涂料也可为玻璃纤维芯或布，或氧化铝-二氧化硅纤维芯或布(如3MCo提供的Nextel )增强的耐火水泥或浆料，但这些增强物对本发明而言不是实质性的。当采用玻璃纤维芯或布时，当用于熔铝精炼，在工作一段时间后，用它使涂层大量增加强度未必可靠。在室温下使这种材料大为增强的很少的纤维在熔铝精炼的温度下常烧结或熔化在一起，结果使多-纤维芯转变成单个的玻璃棒。然而，这种增强确实增加了对于室温下的抗冲击破坏的能力，因此就避免在将石墨固定件或其它石墨件在熔铝精炼系统的精炼室中就位前的搬运安装损坏而言是有效的。这种增强有助于控制石墨件上的耐火涂层干燥或养护期间的收缩裂纹。
本发明将以代表铝精炼技术方面和明显进步而为人瞩目。通过在石墨基体上提供耐火层，由于在搬运安装，使用和清理工序中增强了所述耐火层抗冲击破坏的能力，本发明明显地起到了减少在如搬运安装，使用和清理工序期间常出现的耐火层破裂的作用。因此，本发明解决了在铝精炼操作中常遇到的石墨固定件或其它零件过早损坏的严重问题。
权利要求
1.一种适用于铝精炼系统的精炼室中的，而且具有对因其氧化而过早损坏的保护性能的经改进的石墨件，它包括(a)一适于放置在该精炼室中的基体石墨件，所述的基体石墨件或其部分在所述的铝精炼系统运行时的不处理期间暴露于氧化气氛中，至少在所述的基体石墨件的该暴露部分具有位于其上的，用以在其上涂覆耐火材料涂层时充以耐火涂覆材料的槽；(b)位于该基体石墨件的所述暴露部分上的耐火涂层，该耐火涂料充填着所述基体石墨件中的槽，所述的槽及其中的耐火涂料被放置得使此耐火涂层固着在该基体石墨件上，借此消除该耐火涂层在该基体石墨件表面上的不希望有的移动，从而在检修，及在该精炼室中的安装和在铝精炼工序的使用以及在清理操作期间使该耐火涂层有增强的抗冲击，将对其的损坏减至最小的能力，借此提高该石墨件的使用寿命并防止其过早的破坏。
2.权利要求1的石墨件，其中该基体石墨件的暴露部分是一平表面，所述的槽基本上以方格图形布置，借此，将对该耐火涂层的冲击的侧向力传至该平的基体石墨件上，从而大大提高了该耐火涂层的冲击破坏抗性。
3.权利要求1的石墨件，其中该基体石墨件的暴露部分为一园柱形表面，所述的槽沿轴向排列，借此将对此耐火涂层的冲击的侧向力传至此园柱形基体石墨件上，从而大大地增加了此冲击力或冲击次数，结果生成了在该耐火涂层中的裂纹并大大提高了此耐火涂层对被推离该基体石墨件的所述园柱形表面的该表面的抗性。
4.权利要求3的石墨件，它包括在所述的基体石墨件中的，在有所述耐火涂层位于其上的其暴露部分的每一端处的突肩部分，借此提高了所述耐火涂层在靠近所述耐火涂层的任一轴向端的冲击下沿轴向移动的抗性。
5.权利要求3的石墨件，它包括在所述基体件中的，在其具有积于其上的耐火涂层的暴露部分的各端的绕园周的槽，借此提高所述耐火涂层对其任一轴向端附近的冲击下的轴向移动的抗性。
6.权利要求5的石墨件，它包括一个或多个在所述基体石墨件中的，位于所述基体石墨件的暴露部分各端间的中间部位的附加的绕园周的槽。
7.权利要求3的石墨件，其中所述的轴向槽是断开的，以便在所述槽中沿轴向设置间隔。
8.权利要求7的石墨件，其中所述的该轴向槽的断开部分间的间隔从一个轴向槽至下一轴向槽交错排列。
9.权利要求5的石墨件，其中所述的绕园周的槽是断开的，从而提供了所述的沿绕园周方向的槽的间隔。
10.权利要求9的石墨件，其中所述的轴向槽是断开的，以便向所述的沿轴向的槽提供间隔。
11.权利要求3的石墨件，其中所述的石墨件包括石墨固定件。
12.适用于铝精炼系统的精炼室中的经改进和基体石墨件，它包含适于置于该精炼室中的所述基体石墨件，所述的基体石墨件，或其部分，在所述精炼系统运行中的不作处理期间被暴露于一种氧化气氛中，所述基体石墨件的此暴露部分有用于在往其上涂覆耐火涂层时充填耐火涂料的槽，所述的槽被这样布置，以至在往其上沉积所述耐火层而用耐火涂料往其中充填时可使该耐火涂层被固着于该基体石墨件，借此消除该耐火涂层在该基体石墨件表面上的不希望的移动，从而使沉积在所述基体石墨件上的耐火涂层具有了在检修、安装及在该精炼室中的铝精炼工序及清理工序中的使用期间增强的抗冲击和将对其的破坏减至最少的能力，借此提高了该石墨件的使用寿命并防止了其过早损坏。
13.权利要求12的基体石墨件，其中该基体石墨件的暴露部分是一平表面，所述的槽大致以方格图形布置，借此将对该基体石墨件暴露部分上沉积的耐火涂层冲击的侧向力传至该平的基体石墨件，从而大大地提高了该耐火涂层对冲击破坏的抗性。
14.权利要求12的基体石墨件，其中该基体石墨件的暴露部分是一园柱形表面，所述的槽按轴向布置。
15.权利要求14的基体石墨件，它包括所述基体石墨件的，在其欲涂耐火涂层的暴露部分的每端处的突肩部分。
16.权利要求14的基体石墨件，它包括在所述基体石墨件中的，于其欲涂耐火涂层的暴露部分的每一端处的绕园周的槽。
17.权利要求14的基体石墨件，其中所述的轴向槽是断开的，从而在所述槽间沿轴向形成了间隔。
18.权利要求17的基体石墨件，其中在该轴向槽的断开部分间的所述间隔自一个轴向槽至另一轴向槽被错开排列。
19.权利要求16的基体石墨件，其中所述的绕园周槽是断开的，从而在所述槽中沿绕园周方向形成间隔。
20.权利要求14的基体石墨件，其中所述的基体石墨件包括石墨固定件。
全文摘要
用于铝精炼系统中的石墨固定件及其它石墨件的氧化通过采用涂于其上的耐火涂层而减少。在该石墨件上形成槽以便将该耐火涂层固着于该石墨件上，从而增强了冲击抗性。
文档编号C22B21/06GK1112609SQ9510189
公开日1995年11月29日 申请日期1995年1月26日 优先权日1994年1月27日
发明者J·F·佩尔顿 申请人:普拉塞尔技术有限公司