加强的耐火容器
阅读：769发布：2023-02-10
专利汇可以提供加强的耐火容器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种加强的耐火容器具有：浇铸耐火容器，该浇铸耐火容器包括限定了内部容积的 侧壁 ，该侧壁具有内表面和外表面，该浇铸耐火容器由可浇注耐火组合物浇铸；以及缠绕的、连续的 纤维 拉伸加强结构，该加强结构与该浇铸耐火容器的侧壁成一体。还提供了一种制造加强的耐火容器的方法。，下面是加强的耐火容器专利的具体信息内容。
1.一种加强的耐火容器，包括：
(a)浇铸耐火容器，所述浇铸耐火容器具有限定了内部容积的侧壁，所述侧壁具有内表面和外表面，所述浇铸耐火容器由可浇注耐火组合物铸造；以及
(b)缠绕且连续的纤维拉伸加强结构，所述加强结构与所述浇铸耐火容器的侧壁成一体。
2.根据权利要求1所述的加强的耐火容器，其中，所述加强结构包括拉伸纤维预成形件，所述拉伸纤维预成形件至少部分地嵌入所述浇铸耐火容器的侧壁的外表面内。
3.根据权利要求1所述的加强的耐火容器，其中，所述加强结构包括拉伸纤维预成形件，所述拉伸纤维预成形件被包封在所述浇铸耐火容器的侧壁内。
4.根据权利要求3所述的加强的耐火容器，其中，所述拉伸纤维预成形件位于所述浇铸耐火容器的所述侧壁的外半部内。
5.根据权利要求4所述的加强的耐火容器，其中，所述浇铸耐火容器包括端部敞开的柱形环，所述柱形环具有外径DRR和侧壁厚度TRR，并且所述拉伸纤维预成形件包括管状部分，所述管状部分的高度小于等于所述柱形环的高度，并且所述管状部分的内径为DTB，其中：
(DRR-1/2TRR)≤DTB≤DRR。
6.根据任一前述权利要求所述的加强的耐火容器，其中，所述浇铸耐火容器包括下部，所述下部包括底壁和所述侧壁，所述侧壁和所述底壁一起限定所述内部容积，并且所述连续的纤维加强结构包括具有管状段以及位于所述管状段的一个端部处的底壁的纤维预成形件，其中，所述纤维预成形件的所述管状段与所述浇铸耐火容器的侧壁成一体并且所述纤维预成形件的底壁与所述浇铸耐火容器的底壁成一体。
7.根据权利要求6所述的加强的耐火容器，其中，所述浇铸耐火容器包括玻璃熔化罐。
8.根据权利要求6所述的加强的耐火容器，其中，所述纤维预成形件的所述管状段至少部分地嵌入所述浇铸耐火容器的侧壁的所述外表面内并且所述纤维预成形件的底壁至少部分地嵌入所述浇铸耐火容器的底壁内。
9.根据权利要求6所述的加强的耐火容器，其中，所述纤维预成形件的所述管状段被包封在所述浇铸耐火容器的侧壁内并且所述纤维预成形件的底壁被包封在所述浇铸耐火容器的底壁内。
10.根据任何前述的1所述的加强的耐火容器，其中，所述加强结构包括拉伸纤维预成形件，所述拉伸纤维预成形件具有一个或多个缠绕丝束的连续纤维，所述纤维从由碳纤维、玻璃纤维、SiC基纤维和氧化物纤维构成的组中选择。
11.根据权利要求10所述的加强的耐火容器，其中，所述丝束通过至少部分固化的结合剂而保持在适当位置中。
12.根据任一前述权利要求所述的加强的耐火容器，其中，所述缠绕且连续的纤维拉伸加强结构包括具有管状段的拉伸预成形件，所述管状端具有敞开式编织纤维壁。
13.一种制造加强的耐火容器的方法，所述方法包括：
(a)对一束或多束连续纤维进行纤维缠绕，以便形成具有管状段的纤维预成形件；
(b)将所述纤维预成形件的所述管状段定位在模具中，所述模具被配置成对耐火容器进行浇铸，所述耐火容器具有限定了内部容积的侧壁，所述侧壁具有内表面和外表面；以及(c)将可浇注耐火组合物添加到所述模具中并且允许所述组合物固化，使得所述纤维预成形件与所述耐火容器的所述侧壁成一体。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述纤维预成形件被设定尺寸并且被定位在所述模具内，使得所述纤维预成形件至少部分地嵌入所述耐火容器的所述侧壁的所述外表面内。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述纤维预成形件被设定尺寸并且被定位在所述模具内，使得所述纤维预成形件被包封在所述耐火容器的所述侧壁内。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中，所述一束或多束连续纤维围绕心轴以螺旋模式缠绕。
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 K.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℃，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。
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)的壁厚度以及数千磅的重量。
[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磅重量的罐。
[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。这些坩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
[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，而耐火容器(110)的下部(118)具有由侧壁(119)限定的卵形截面形状。由侧壁限定和包围的内部容积通常在相对的端部(其可为或者不可为敞开的(或者可为部分敞开的))之间延伸。在一些实例中，容器的两个相对的端部都是敞开的，比如在用于石墨化感应炉中的耐火环或者比如各种形式的管道支架的其他端部敞开的柱或者管道的情况下。其他容器(比如耐火坩埚)通常具有一个封闭端部(例如，杯形坩埚的底壁)和一个敞开端部(或者与可移除的盖子或者顶部/底部部分配合的端部)。在图11示出的实施例中，例如，耐火坩埚(110)具有由坩埚的下部(118)的侧壁(119)限定的卵形(例如，椭圆形)截面的内部容积(112)。该内部容积(112)在底部处由底壁(121)封闭，而该内部容积(112)的上端部是敞开的(但是正常地，在使用期间由可移除的盖子(116)覆盖)。如在本文使用的，其他形式的容器具有部分地封闭的一个或两个端部。此外，其他的容器被完全封闭，在一些实例中其具有可移除的盖子或者顶部部分，而在其他的实例中，其具有其他敞开的一个或多个进入孔以允许进入容器的内部容积。
[0037] 因此，如在本文使用的，耐火容器包括由耐火材料形成的多种结构，例如包括耐火环(在本领域中也被称为耐火衬里或者炉衬)、具有封闭端部和敞开端部的柱状物、高温容器、坩埚、罐、反应器、容器、槽、鼓、桶、管、管道、用于熔融材料或由热气体穿过进行传输或者输送的各种耐火形状(例如，灌注管、泵送支管和管道支架)以及本领域技术人员已知的或者此后研制出的各种其他的耐火容器。
[0038] 如前文讨论的，耐火容器通常承受高温、大范围的和/或重复的温度变化以及在容器的两个或更多部分之间的温度差，比如容器的内端面与外端面之间的温度差(即，温度梯度)。这些热应力经常导致耐火容器的失效，特别是导致在容器的一个或多个壁中和/或在相邻的壁之间的接缝处(例如，在侧壁与容器的底壁相交的转角处)的形成裂纹。在一些实例中，由于比如热冲击、热应力和/或机械应力以及穿过壁厚度的不均匀的热膨胀(例如，壁的外部分由于温度差而比内部分膨胀的更多)的因素，失效仅由耐火容器的正常使用引起。在其他的实例中，耐火容器由于沉重的耐火容器的这种重复的升降(其单独地或者与来自正常使用的热应力共同引起弯曲力矩或者其他的机械应力)所导致的机械损伤而过早地失效。在另外其他的实例中，耐火容器由于在制造期间出现的容器中的固有缺陷而过早地失效，其中，这种缺陷单独地或者与来自正常使用的机械损伤和/或热应力共同导致容器失效。
[0039] 例如，耐火环通常将在拉力面上失效。穿过环的厚度的温度差例如将在环的外部上产生机械拉力，该拉力由因温度梯度导致的在穿过壁厚度的热膨胀的大小上的差异所引起。过大的机械力在耐火环的外表面的方向上从内表面建立、超过耐火材料的抗拉强度并且导致环破裂。虽然添加短切金属纤维加强材料有助于防止这种环失效，但这些金属纤维增加了显著的重量到耐火环中并且仅提供了环失效的有限的防止或者延缓。
[0040] 申请人已经发现，可通过受拉的且缠绕的连续纤维加强结构与耐火容器结合而减小(例如，延缓，或者，在一些情况下，完全防止)耐火容器壁的失效。通过围绕心轴共同缠绕一条或多条连续的且未断裂的纤维丝束而形成预成形件。缠绕的纤维加强结构在本文中被称为“预成形件”，这是因为其与耐火容器分离地形成，然后其在耐火容器的浇铸(即，模塑)的期间与耐火容器成一体。在一些实施例中，纤维预成形件完全位于容器的一个或多个壁内，这样使得该纤维预成形件是不可见的，而在其他的实施例中，该预成形件被至少部分地嵌入容器的一个或多个外壁内。部分地嵌入意思是纤维丝束的至少一些部分向外延伸远离容器壁的外表面，而完全嵌入意思是容器的外表面是光滑的(纤维丝束未从耐火外表面突出)然而丝束的至少一部分是可见的。并且在另外的实施例中，纤维预成形件的部分可完全位于容器的一个或多个壁内，而其他的部分被嵌入在容器的一个或多个壁中。
[0041] 在一些实施例中，缠绕的连续的纤维预成形件包括管状部分，该管状部分具有总体上与耐火容器的至少一部分的截面形状(特别是由包围容器的内部容积的一个或多个连接侧壁所限定的截面形状)对应的截面形状。如在这里使用的，“管状”不限于具有圆形截面形状的结构。相反，预成形件的管状部分可被配置成具有总体上与耐火容器的至少一部分的截面形状对应的各种截面形状中的任一个，比如圆形、椭圆形、正方形(包括圆角正方形)、卵形或者其他规则的或不规则的形状。管状部分也可为直的或者锥形的，包括多锥形(例如，在中间处最窄的管状形状，类似于例如沙漏的形状)。
[0042] 缠绕纤维预成形件的一些实施例包括端口敞开的管状布置。例如，在一个特别的实施例中，纤维预成形件包括容器形状的、柱形的带(30)，比如图4和图5中所示出的。预成形件(30)包括具有敞开的上端部和下端部(32、34)的管状结构。纤维预成形件(30)被配置用于加强并支撑例如端部敞开的柱形耐火环(例如，如图1-图3中所示)。
[0043] 在本文描述的纤维预成形件的实施例被设定尺寸并被配置成使得需要加强时与耐火容器的尺寸(或者在一些情况下与耐火容器的一部分的尺寸)对应。这种加强不仅需要用于拉力加强(例如，以经受由温度梯度引起的弯曲力矩)，还需要用于多种其他原因，比如防止由损害、损伤或者在被铸造的耐火材料中的缺陷引起的机械失效。在制造之后，缠绕纤维预成形件总体上位于耐火容器的外部上或者位于容器的壁内(即，密封在耐火材料内)。在一些实施例中，拉伸的且缠绕的纤维预成形件位于耐火容器的壁的外面一半内，包括(在一些实例中)在外壁处。
[0044] 在其他的实施例中，缠绕纤维预成形件在管状部分的一个或两个端部处包括端壁部分。例如，图8-图10中示出的预成形件(130)包括具有敞开上端部(136)和纤维网底壁(138)的管状段(133)，因此提供了通常具有杯形形状的缠绕纤维预成形件(130)。如在图8和图10中可见，管状段(133)具有卵形截面，并且成形为与图11-图14中所示的耐火容器(110)成一体。相比之下，不具有端壁的管状段通常将具有带的形状，比如具有缠绕纤维壁(例如，敞开式编织)的柱形带或环。
[0045] 如下文中进一步地讨论的，在本文描述的拉伸的、缠绕的连续纤维预成形件由一条或多条连续的纤维的丝束或者纱制成，比如碳、玻璃、SiC基(碳化硅基)或氧化物(例如，铝或铝硅酸盐基)纤维。如本领域技术人员已知的，碳纤维丝束或玻璃、SiC基或氧化物纤维纱包括许多单体的且连续的细丝，这些细丝被连接到一起以形成单个的且连续的线。实际上，碳纤维丝束例如通常包括(例如，使用结合剂)连接到一起的数以千计的个体的且连续的细丝。词语“丝束”通常用于多细丝碳纤维线，而“纱”用于玻璃、SiC基或氧化物纤维的多细丝线(通常为绞合线的形式)。为了简化本公开内容，除非上下文中相反地指明，丝束和纱在本申请中可互换地使用。因此，在使用术语“纱”的位置，应理解到也可使用“丝束”替代该纱，并且反之亦然。类似地，在使用比如短语“纱或丝束”的位置，应理解到也可使用纤维纱或纤维丝束中的任一个。
[0046] 在一个实施例中，拉伸的预成形件通过使用例如多轴纤维缠绕机围绕旋转心轴缠绕丝束而由纤维丝束形成。心轴的截面形状(垂直于心轴的旋转轴线)将总体上与纤维预成形件的管状段的期望截面形状对应，比如与耐火容器的截面形状对应，比如圆形、椭圆形、正方形(包括圆角正方形)、卵形或者其他规则的或不规则的形状。在期望为锥形预成形件的实施例中，心轴同样是锥形的。如果在预成形件(例如，图8中的预成形件(130))中期望有底壁和/或顶壁，则纤维丝束(多条纤维丝束)被缠绕在心轴的一个或两个端部上方。类似地，在一些实施例中，对于期望有预成形件的弯曲的底端壁和/或顶端壁而言，心轴的一个端部是弯曲的而不是平的。同样地，在其他的实施例中，心轴的一个端部在侧壁与心轴的一个端部之间是锥形的(直的或者弯曲的)以便提供预成形件(例如，图11-图14中的预成形件(230))的管状段与底壁或顶壁之间的锥形过渡。还将被理解到，在缠绕的期间拉力被施加到纤维丝束上，这样使得合成的预成形件的纤维丝束将处于张紧状态下。
[0047] 申请人对一体形成有拉伸的且连续的纤维的、缠绕的预成形件的耐火容器的测试已经证明这些预成形件在耐火结构的寿命上提供了显著的改善。例如，在石墨化炉中使用的未加强的耐火环通常在仅1个或2个石墨化产品的循环(例如，加热至石墨化温度、然后冷却以移除石墨化的产品的循环)之后就破裂。高百分比的短切不锈钢纤维的添加在失效(环壁破裂)之前提供了至多20个加热循环的使用。另一方面，当用比如图5中所示出的纤维预成形件加强时，耐火环在24和33个加热循环之后仍然在使用而没有破裂。纤维预成形件加强的和短切金属纤维加强的环具有相同的尺寸、使用类似的耐火组合物进行铸造、并且在可比较的工作条件下使用。然而，在本文描述的重量轻的、感应不可见的、拉伸的连续的纤维预成形件的添加显著地且令人意外地延长了耐火容器的使用寿命。
[0048] 申请人相信被在本文描述的拉伸的、连续的纤维的、缠绕的预成形件以多种方式防止或延缓了耐火容器的失效。首先，因为预成形件是通过围绕心轴缠绕连续的纤维(在一些情况下随后是固化)而形成，然后在容器的浇铸的期间将该预成形件与耐火容器结合成一体，所以模仿拉伸预成形件的容器形状保持环向应力并且提供压缩力，该压缩力在使用中抵消耐火容器的温度所引起的膨胀。在耐火环的情况下，例如，环在使用中经受显著的温度梯度。环的较热的、内部的部分将比最外部部分膨胀的更多，并且这个热梯度引起环弯曲力矩，该环弯曲力矩最后导致耐火环的失效。然而，即使耐火环在使用的期间将经历的较高温度的情况下，申请人的拉伸预成形件(例如，带(30))向壁提供了相当大的抗弯强度。
[0049] 此外，独立式的或无支撑的耐火容器(比如耐火坩埚、罐或者密闭容器)将通常在高温下、在使用中、在无论容纳有任何材料的负荷下发生蠕变。在本文描述的拉伸预成形件在升高的温度下提供了额外的强度，从而减小了在使用期间耐火容器壁的弯曲，而同时使由于容器的热的外壁和更冷的内壁(因为耐火容器在使用的期间从外部加热)之间的热应力导致的裂纹的扩展最小化。
[0050] 现在转向图1-图5中示出的具体的实施例，描述了耐火环(10A、10B)的堆叠(10)。耐火环(10A、10B)具有由环形侧壁(11)限定并包围的内部容积(12)。内部容积如本领域中典型的一样(虽然不是总是)，耐火环(10A、10B)具有大于其高度的直径。如图1中示出的，环通常在石墨化炉组件的感应线圈(未示出)的内部堆叠在彼此的顶部上。石墨感受器(未示出)定位在耐火环的内部内。当然任何数量的耐火环可被堆叠在彼此的顶部上以便提供期望的尺寸的炉，并且图1-图3中示出的二堆叠布置仅是示例性的。
[0051] 耐火环(10A、10B)(也被称为耐火衬里或炉衬)通常包括由多种可浇注耐火材料和组合物中的任一种形成的端部敞开的、柱形的环铸件。为了对环(10A、10B)进行浇铸(即，模制)，可浇注耐火组合物被灌注或者以其他方式插入适宜地设定尺寸并成形的模具中。其后，环(10A、10B)被燃烧(即，加热)或以其他方式固化，以便形成适于用在感应炉中的相对刚性的、硬的结构。如果需要，两个或更多个耐火环(10A、10B)可堆叠在彼此的顶部上，然后在原位被燃烧。
[0052] 为了便于已完成的环的堆叠，耐火环(10A、10B)被模制成包括在环(10A、10B)的上端部表面上的向上延伸的、周界的凸缘(16)。凸缘(16)围绕上端部表面的整个周边并沿着其内边缘延伸。对应的配合肩部(18)设置在环(10A、10B)的底端部表面中，以便引导和帮助环进行堆叠。这个布置提供了堆叠的环之间的搭叠连接。当然，耐火环的其他实施例包括多种可替换的端壁特征，这些特征有助于已完成的环在彼此的顶部上的堆叠的。例如，圆形的或燕尾形的凸缘或唇部可设置在环的一个端壁上，并且配合成形的肩部或凹槽设置在环的另一个端壁上。作为再另一个替换方案，一个或多个凸起、导杆或者其他突出部可设置在环的一个端壁上，而一个或多个配合成形的凹槽、凹陷、孔、腔体或者特征设置在环的另一个端壁中。还应该理解的是，肩部(18)可从堆叠的最底下的耐火环的底端部表面省略。
[0053] 柱形带(30)的形状的拉伸预成形件由碳、玻璃、SiC基或氧化物(例如，铝或铝硅酸盐基)纤维丝束/纱制成。如本领域技术人员已知的，这种纤维丝束或者纱通常包括大量的个体的和连续的单丝，这些单丝连接到一起以形成单个的、连续的线(即，丝束或纱)。例如，碳纤维丝束通常包括(例如，使用树脂或者结合剂)连接到一起的数以千计的个体的、连续的单丝。拉伸带(30)通过使用例如本领域技术人员已知的多轴纤维缠绕机围绕柱形心轴缠绕一根或多跟丝束而由这些纤维丝束形成。任何数量的缠绕模式均可用于形成环形的、柱形的带(30)。拉伸带(30)具有的高度不大于耐火环(10A、10B)的高度。在图1-图5所示的实施例中，拉伸预成形件(30)稍微小于铸造的耐火环的高度，这样使得拉伸预成形件被完全地包封在耐火环(10A、10B)内。如图4-图5中也看到的，合成的拉伸带(30)具有端部敞开的柱形管的形状，器具有网状的壁(如在本文进一步描述的)。
[0054] 拉伸带(30)的直径通常基于耐火环(10A、10B)的尺寸而选择。特别地，拉伸带(30)通常位于耐火环的外表面处(图6)或位于环本身的壁内(即，被包封在耐火材料内)(图2和图7)。在图2和图7所示的特殊实施例中，拉伸带(30)位于耐火环的壁的外一半内。因此，当耐火环具有外径DRR和壁厚TRR时，拉伸带的直径DTB(作为内侧直径测量)满足下式：(DRR-1/2TRR)≤DTB≤DRR。
[0055] 在其他的实施例中，拉伸预成形件位于耐火容器的壁的外三分之一内。在这些实施例中，例如，并且依据具有如在前面的段中标定尺寸的耐火环和拉伸带，拉伸带的直径DTB(作为内侧直径而测量)满足下式：(DRR–1/3TRR)≤DTB≤DRR。
[0056] 在再另外的实施例中，拉伸预成形件位于耐火容器的壁的外四分之一内。在这些实施例中，例如，并且依据具有如在前面的段中标定的尺寸的耐火环和拉伸带，拉伸带的直径DTB(作为内侧直径而测量)满足下式：(DRR–1/4TRR)≤DTB≤DRR。可替换地，在其他的实施例中，拉伸预成形件位于耐火容器的壁的外五分之一或者甚至外十分之一内。
[0057] 当以绝对项测量时，在一些实施例中，拉伸预成形件的外径小于最终的耐火容器的外径不超过1英寸。在其他实施例中，拉伸预成形件的外径小于最终的耐火容器的外径不超过1/2。在后者的实施例(在1/2英寸内)中，拉伸预成形件(例如，带(30))将刚好位于耐火容器(例如，环(10A、10B))的外表面下方而不可见。使拉伸预成形件刚好位于耐火容器的外表面下方避免了在铸造的期间麻点的形成。换句话说，拉伸预成形件在一些实施例中是尽可能大的，同时仍然保证拉伸预成形件在最终的、加强的耐火容器中(至少围绕耐火容器的外周界)是不可见的。
[0058] 在另外的可替换的实施例中，拉伸预成形件位于耐火容器的外周界处，这样使得拉伸预成形件的外径(例如，拉伸带(30)的外径)与耐火容器(例如，耐火环(10A、10B))的外径大约相同，比如图7中描述的。在一些情况下，特别是当拉伸预成形件接近地缠绕使得在相邻绕组之间只有很小或者没有空间时，拉伸预成形件的外周界限定了耐火容器的外周界。在这些实施例中，拉伸带或其他纤维预成形件加强结构实质上用作用于浇铸耐火环或者其他耐火容器的模具或模具衬里，其中，很少或者没有(或者最小数量)可浇注耐火组合物透过该预成形件。另一方面，在敞开式编织的纤维绕组的情况下，一些可浇注的耐火材料透过丝束之间的空隙，这样使得纤维预成形件被嵌入在耐火容器的外表面中。
[0059] 在图4和图5所示的拉伸带(30)的特别的实施例中，带是感应地不可见的和机械地约束的(即，在张紧状态下)。如也被描述的，在制造期间丝束或纱围绕心轴缠绕，这样使得提供了带的敞开式编织的结构(在外观上类似于膨胀了的金属)。虽然具有多个连续的、单丝的线的单根丝束或纱可用于形成拉伸预成形件，但拉伸带(30)由围绕心轴缠绕到一起的多个丝束形成。这有效地增大了线的尺寸(即，增大了围绕心轴单式缠绕的细丝的数量)。因此，多个丝束或纱围绕心轴共缠绕以形成拉伸带(30)。
[0060] 例如，一个或多个碳纤维丝束(每个具有10K至50K连续的碳纤维细丝)围绕心轴共缠绕。在一些实施例中，随着结合剂的使用，不管预浸渍丝束、拉挤或者后缠绕应用，共缠绕的丝束沿着它们的长度彼此结合，以便实质上形成甚至更连续的细丝的丝束。
[0061] 在一个实施例中，用结合剂(也被称为树脂或者“结合剂树脂”)将丝束预先浸渍(“预浸渍”)。在缠绕之后，结合剂被固化成使得丝束被固定在适当位置、通过结合剂实质上胶合到彼此上、并且保持在张紧状态下。这也保证了纤维预成形件将不会在与耐火容器成一体之前崩塌。在另一个实施例中，使用了拉挤，其中，丝束被拉动穿过树脂池并且被潮湿地缠绕到心轴上，并且在这之后，树脂在适当位置被固化以将丝束保持在一起。在再另一个实施例中，纤维丝束在不具有结合剂的情况下“整齐”地缠绕，并且进而在缠绕之后使用本领域技术人员已知的树脂传递过程将结合剂涂覆到丝束上。在这些不同实施例中的任一个中，当结合有纤维环的耐火环燃烧时，结合剂可被挥发，从而产生可逐步地渗出耐火材料或者在耐火材料内作为固体产物沉积的气态产物。在一些情况下，取决于操作条件，结合剂可起反应以形成残炭，或者甚至可原态保留在适当位置。在一些条件(例如，还原条件)下，结合剂或者结合剂的成分可完全地再沉积在耐火材料的微观结构中(其甚至可用作含碳耐火材料的额外的碳源)。
[0062] 用于拉伸预成形件的丝束的结合剂通常在该带与耐火环结合(例如，通过在加入可浇注耐火组合物之前将纤维环定位在模具中)之前至少部分地固化，并且在一些情况下被完全地固化。固化的结合剂将向拉伸预成形件提供一些刚度，其有助于将预成形件插入模具中。由于在大部分情况下一旦将预成形件结合到耐火容器中，则结合剂就没有功能用途，因此不是在所有情况下结合剂都需要被完全地固化。所有需要的是，足够的固化和/或为了在模具中的插入而将纤维缠绕预成形件保持在一起的足够刚性的固化的(或者部分固化的)结合剂以及当耐火材料被灌注进模具时保持预成形件的结构。适合的结合剂例如包括热固性环氧聚合物和酚醛原因。
[0063] 为了将拉伸纤维预成形件与耐火容器结合(包括，在一些实施例中，结合到耐火容器中)，预成形件围绕耐火环的外周边而固定。在其他的实施例中，耐火环被使用一种模具来浇铸，拉伸带在加入耐火组合物之前已经被插入到该模具中。图6和图7描述了在将耐火可浇注材料灌注进模具之前而定位在适于浇铸耐火环(10A、10B)的耐火环模具(40)中的拉伸带(30)的俯视图。拉伸带(30)具有的高度稍小于耐火环模具的高度。在拉伸纤维带(30)被制造和固化(如果期望或者需要)之后，带(30)被插入成形模具(40)中。在图6中示出的实施例中，拉伸带(30)的外径稍小于待使用模具(40)进行浇铸的耐火环(10A、
10B)的外径。(如所示出的，环形模具的厚度大约为耐火环壁的厚度。)
10B)的外径。(如所示出的，环形模具的厚度大约为耐火环壁的厚度。)
[0064] 在图7所示的可替换的实施例中，拉伸带(30)的外径与待使用模具(40)进行浇铸的耐火环(10A、10B)的外径大约相同。因此，拉伸带(30)抵靠模具内部的外壁(42)(图6和图7中的虚线指明了拉伸带在耐火环模具(40)的内部内的位置)而紧密地配合在模具(40)内。
[0065] 当拉伸带(或者其他拉伸预成形件的管状段)具有的外径小于耐火环(或者耐火容器的其他部分)的外径时，拉伸带(30)被到插入模具(40)中，这样使得拉伸带的外径与模具内部的外壁均匀地间隔(如图6中可见)。如果需要，带(30)可通过本领域技术人员已知的各种技术中的任一个而保持在成形模具(40)内的适当位置中(例如，使用保持纤维带与模具的内部壁之间的适合间距的隔片)。例如，当拉伸带被设定尺寸成定位在耐火环壁的外1/2内时，带(30)被定位在模具(40)中，这样使得带(30)从模具内部的外壁(42)向内间隔小于模具内部耐火环的径向厚度的1/2的距离，如图6中所示。
[0066] 取决于多种因素(例如，环的尺寸、细丝/丝束的材料和数量、在使用期间的预期温度、可浇注耐火材料的热膨胀性质，等等)，多种缠绕模式中的任一个可用于将纤维丝束缠绕在心轴上。因此，在这里示出的缠绕模式和预成形件构造仅是两个可能实施例的示例。
[0067] 为了制造图4和图5中所示的拉伸带(30)，连续纤维丝束与心轴的轴线成一定角度地围绕柱形心轴缠绕(也被称为螺旋缠绕)。如本领域技术人员已知的，旋转的心轴和/或纤维线轴(或者将纤维引导到心轴上的引导装置或其他装置)在缠绕期间在轴向方向上(即，平行于心轴的轴线)往复地运动，这样使得图4中所示的敞开式编织模式产生。心轴的旋转速度以及心轴和/或线轴(或者纤维引导装置)的往复轴向运动的速度被调节，以便提供期望的缠绕角度(相对于心轴的轴线)、相邻绕组之间的间距、相邻的和相交的绕组之间的敞开区域的尺寸以及拉伸预成形件的其他性质。缠绕角度可为恒定的或者变化的(例如，通过改变心轴和/或线轴的往复轴向运动的速度)。如本领域技术人员已知的，这些不同的缠绕参数允许调节拉伸预成形件的性质，包括例如拉伸预成形件的热膨胀性质、抗拉强度、弹性、处理完整性、重量以及甚至成本。拉伸预成形件的处理完整性指预成形件可被插入模具中而不具有崩塌或者变形的风险的容易性。处理完整性还通过将涂敷到丝束上的结合剂至少部分地固化而加强，以便提供额外的刚性并且维持预成形件中的环向应力。
[0068] 缠绕拉伸预成形件的敞开的间隙(即，连续的丝束的相邻部分之间的敞开空间)也允许可浇注耐火组合物在模塑期间流过该间隙，以包封该预成形件并且使气孔和其他的异常最小化。在图7所示的模塑布置的情况下，可浇注耐火组合物将流过该间隙到模具的内部外壁，这样使得纤维预成形件被嵌入加强的耐火容器的外壁中(其中，丝束的外周边从浇铸容器的外部可见)。
[0069] 在图4和图5的纤维带(30)的示例性实施例中，纤维丝束被相对于心轴的轴线成小于90度的角度围绕心轴缠绕(因此提供了螺旋缠绕)。在一个特别的实施例中，缠绕角度在大约60度至大约85度之间。但是，将理解到，其他的实施例使用各种缠绕角度中的任一个，包括通过改变心轴和/或线轴和/或引导装置在缠绕期间的往复轴向运动的速度而获得的各种缠绕角度。
[0070] 纤维材料的选择、共缠绕的丝束/纱的数量以及甚至编织模式也取决于多种其他因素，包括预期的操作温度和空气、与加强的耐火容器的终端使用过程的化学兼容性以及在纤维的温度下最终的机械强度。在许多实施例中，用于纤维丝束的树脂或结合剂的性质至少在被固化的状态下是不重要的，这是因为在燃烧期间或在耐火容器的使用期间结合剂通常将烧尽，并且预成形件被缠绕成使得纤维丝束通常将不会在它们自身的拉力下扯断。结合剂的主要目的只是向拉伸预成形件提供一些刚性，以便于将预成形件插入到模具中(或者以其他方式将预成形件与耐火容器结合)。
[0071] 如前文提到的，拉伸预成形件也没有被限制在预先浸渍(“预浸渍”)的纤维丝束或者热定形固化系统的使用上。虽然许多预浸渍的纤维丝束在缠绕之后被烤炉固化，但在一些实施例中使用室温固化预浸渍的纤维丝束。同样地，用于拉挤的热定形固化或室温固化结合剂也用于缠绕纤维预成形件的实施例中。此外，纤维预成形件没有被限制在任何特定的尺寸上，这是因为当需要或期望时几乎任何尺寸和形状的预成形件都可被制造。
[0072] 一般地，可使用适于纤维缠绕的任何非铁的连续的纤维丝束/纱，特别是碳、玻璃、SiC基或氧化物(例如，铝或铝硅酸盐基)纤维。在许多实施例中，纤维被选择成其具有的抗拉强度大于固化耐火组合物的抗拉强度。适合的连续纤维例如包括：
[0073] -碳纤维(高和低模量)，比如可从东丽(Toray)、赫氏(Hexcel)、氰特(Cytec)、东邦耐克丝(Tenax Toho)和三星(Mitsubushi)获得的碳纤维；
[0074] -E、R和S-玻璃纤维；
[0075] -可从欧文斯科宁(Owens Corning)获得的 玻璃纤维；
[0076] -硅石基连续玻璃纤维；
[0077] -铝和铝硅酸盐基连续纤维，比如可从3M获得的 纤维、可从三井矿业(Mitsui Mining)获得的 纤维以及比如可从巴萨特克斯(Basaltex)和苏达格拉
斯(Sudaglass)获得的玄武岩基纤维；和
斯(Sudaglass)获得的玄武岩基纤维；和
[0078] -SiC基连续纤维(例如，可从日本碳公司(Nippon Carbon)获得的 纤维)。
[0079] 如本领域技术人员已知的，上文中描述的纤维中的一些可包括各种核心或外包层(例如，具有非铁金属细丝核心的纤维)。
[0080] 与可增加相当大重量(例如，对于大耐火环高达100磅)的短切金属纤维添加到耐火环和其他耐火结构中相比，在这里描述的拉伸预成形件增加了相当小的重量。例如，当短切金属纤维增加多达100磅到大耐火环中时，纤维带(30)仅增加大约5-20磅的额外重量到相同尺寸的环。此外，不像这些短切金属纤维，拉伸预成形件的非铁(例如，碳或玻璃)纤维将不易感并且因此可有利地用于在高温(例如，大约2400华氏度或更高)下工作的高频感应炉中。短切金属纤维也可在工作温度(例如，高于大约2400华氏度)下熔化并且变得无用，或者可为完全不期望的或者化学不兼容的。在这里描述的缠绕纤维耐火环的实施例不会遭受这些缺点。然而，在不关注短切金属纤维缺点的一些实施例中，高达大约10％重量的金属纤维(长度上为3/4”至2”的短切不锈钢纤维)在模塑之前被可选地添加到可浇注组合物中，以便提供额外的强度并防止裂缝扩展。
[0081] 拉伸预成形件可用于任何已知的或者后来开发出的耐火可浇注材料和组合物中，包括需要用于流动的振动的组合物以及具有自流稠度的组合物。耐火可浇注材料是本领域技术人员已知的或者后来开发出的适于这种目的的任何材料。此外，如本领域技术人员已知的或者后来开发出的，可使用常规的模塑和燃烧过程和步骤。例如，在可浇注耐火材料被灌注进模具之后，可浇注材料可填充到拉伸预成形件上方的模具空间中，这样使得拉伸预成形件不再可见(例如，耐火环(10A、10B)的上端部表面将完全覆盖拉伸带(30)，如图1中所示)。
[0082] 用于可浇注耐火材料的适合的原材料包括本领域技术人员已知的任何材料，比如SiC、铝、硅石、氧化镁、石墨、铝硅酸盐、含锆石材料、镀铬铝(chrome aluminates)、铝酸镁和氧化铝-氧化锆硅酸盐。这些材料中的一个或多个可被包含在可浇注组合物中，包括稠密的和绝缘的组合物(即，传统的耐火骨料)。可浇注组合物也可包括本领域技术人员已知的各种有机烧尽纤维或者无机纤维。
[0083] 其他适合的可浇注材料包括在名称为整体石墨可浇注耐火材料的美国专利申请公布第20120052196号中描述的可浇注材料，其通过引证结合于此。耐火组合物与水混合然后被灌注、泵送、注射、喷溅或者以其他方式添加到容器模具中。
[0084] 在一个实例中，使用了在美国专利申请公布第20120052196号中描述的类型的石墨基整体耐火可浇注材料。在一些实施例中，石墨是合成石墨，虽然其他类型的石墨可使用，例如包含捣碎的双致密石墨的超级石墨等等。石墨基整体耐火可浇注材料包括从大约25至大约80重量百分比的石墨，更特别地，使用从大约40到大约80重量百分比的石墨，或者，更特别地，使用从大约50到大约70重量百分比的石墨。除非相反地陈述，则在这里描述的重量百分比是基于整体耐火可浇注材料在与水混合之前的重量。石墨提供了具有良好导热性的组合物。在一个具体的实施例中，在使用这种石墨基可浇注材料浇铸耐火容器之后，容器被在焦炭中预烧。
[0085] 除了大约25到大约80重量百分比的石墨，可浇注材料也包括从大约1到大约15重量百分比的水可分散的、可固化的线性酚醛树脂以及从大约70到大约15重量百分比的一个或多个耐火骨料(基于整体耐火可浇注组合物在与水混合之前的重量)。适合的线性酚醛树脂是本领域中已知的并且例如可在 产品线下从翰森特殊化学品公司(Hexion SpecialtyChemicals)、即以前的波登化学公司获得。例如参见格伯(Gerber)的美国专利第6,046,252号，其描述了1000-1300的分子量和4000-8000的分子量(2:8重量比)的 水可分散混合物线性酚醛树脂。典型地，水可分散线性酚醛树脂通过含有
固化剂而可成为可固化的。一种适合的固化剂是乌洛托品(“六”)，其通常包含在商业可获得的线性酚醛树脂中，例如，基于树脂的重量以大约1-10重量百分比的量，或者，更特别地，基于树脂的重量以大约4-6重量百分比的量。树脂典型地以干粉形式使用并且以从线性酚醛树脂的重量的大约1到大约15重量百分比或者更特别地从大约5到大约10重量百分比的量包含在这里描述的可浇注组合物中。
固化剂而可成为可固化的。一种适合的固化剂是乌洛托品(“六”)，其通常包含在商业可获得的线性酚醛树脂中，例如，基于树脂的重量以大约1-10重量百分比的量，或者，更特别地，基于树脂的重量以大约4-6重量百分比的量。树脂典型地以干粉形式使用并且以从线性酚醛树脂的重量的大约1到大约15重量百分比或者更特别地从大约5到大约10重量百分比的量包含在这里描述的可浇注组合物中。
[0086] 上文中描述的整体耐火可浇注材料还包括一种或多种耐火骨料，以便提供(尤其是)抗磨性以及可选地其他的期望的性质。整体耐火可浇注材料通常包括从大约70到大约15重量百分比的一种或多种耐火骨料，或者更特别地从大约50到大约15重量百分比、或者更特别地从大约35到大约15重量百分比的一种或多种耐火骨料。在一个具体的实施例中，一种或多种耐火骨料包括炭黑、焦油(自然的和/或合成的)、SiC、Al2O3、Cr2O3、ZrO2、TiO2、Si3N4、B4C、TiC、CaO·6Al2O3、Si2ON2(氮氧化硅)、赛伦陶瓷(Sialon)(基于硅、铝、氧和氮的陶瓷合金)、铝金属粉末、铜金属片、或者硅金属粉末、或者其两种或更多种的混合物。在另一个具体实施例中，基于整体耐火可浇注材料(在与水混合之前)的重量，一种或多种耐火骨料包括从大约1到大约40重量百分比的SiC，以及从大约1到大约10重量百分比的炭黑、焦油、Al2O3、Cr2O3、ZrO2、SiO2、TiO2、Si3N4、CaO·6Al2O3、B4C、TiC、Si2ON2、赛伦陶瓷(Sialon)、铝金属粉末或者硅金属粉末、或者其两种或更多种的混合物。
[0087] 根据需要，这些整体耐火可浇注材料可选地还可包括为了已知的优点而常规地用在耐火材料中的其他材料。例如，整体耐火可浇注材料可包括高达大约10重量百分比的硅粉和/或高达大约10重量百分比的铝酸钙和/或氧化钙。可选地，整体耐火可浇注材料还可包括分散剂，有机的或无机的或者其混合物，以多达大约1重量百分比或者更特别地多达大约0.1重量百分比的量。
[0088] 添加足够量的水以呈现可浇注混合物。在一个实施例中，基于整体耐火可浇注材料的重量，整体耐火可浇注材料与从大约1到大约25重量百分比的水混合。在一个具体的实施例中，基于整体耐火可浇注材料的重量，整体耐火可浇注材料与从大约5到大约15重量百分比的水混合。
[0089] 在一个具体的实例中，制备了一种耐火可浇注材料，其包括(在重量基础上)大约64％的合成石墨、大约19％的碳化硅、大约6％的氧化铝、大约2％的氧化钙和大约9％的水可分散的且可固化的线性酚醛树脂。这种混合物进而与水混结合且被灌注进适合地成形的模具(类似于图6中所示的模具)中，该模具中具有拉伸预成形件(例如，纤维环(30))。
纤维环(30)例如包括两个或三个共缠绕的、连续的碳纤维丝束，其中，丝束结合剂在将该环(30)插入模具之前已被室温固化。在耐火组合物的固化之后，加强的耐火容器从模具中被移除并且例如在焦炭中被预烧(例如，到2200°F2小时)。在预烧期间，用在纤维带中的结合剂挥发。
纤维环(30)例如包括两个或三个共缠绕的、连续的碳纤维丝束，其中，丝束结合剂在将该环(30)插入模具之前已被室温固化。在耐火组合物的固化之后，加强的耐火容器从模具中被移除并且例如在焦炭中被预烧(例如，到2200°F2小时)。在预烧期间，用在纤维带中的结合剂挥发。
[0090] 可浇注耐火材料的选择将取决于各种因素，比如期望的工作温度、容器尺寸等等。此外，各种结合材料中的任一种被类似地包含在可浇注组合物的一些实施例中，包括铝酸钙水泥、胶态硅石、氧化铝、高表面积氧化铝、高表面积硅石、硫酸盐、树脂、磷酸盐和氮结合剂。实际上，由于拉伸预成形件提供了期望的环向应力，所以拉伸预成形件在结合材料和可浇注组合物的其他成分的选择上提供了更大的灵活性。
[0091] 图8-图10描述了可使用上文中描述的任一材料而如上文中描述的制造的缠绕纤维预成形件(130)的再另一个实施例。纤维预成形件(130)被配置成一体结合到图11-图14所示的耐火坩埚(110)中。耐火坩埚(110)适于在玻璃熔化中使用，并且该耐火坩埚包括具有椭圆形截面形状(见图12)的下部(118)和可移除的盖子(116)(在图11中以截面示出)。下部(118)的侧壁(119)限定了内部容器(112)，该内部容器可用于例如在高温下熔化玻璃、金属或者其他材料。图13-图15描述了拉伸预成形件(130)在耐火坩埚(110)中的定位，其中，在图12中以虚线示出了拉伸预成形件。
[0092] 比如图11所示的耐火坩埚可用于例如熔化或处理金属(例如，锌、铝、铜等等)或者玻璃。词语坩埚也旨在宽泛地解释以便包含各种罐、器皿和用于保持被加热到高温的材料的类似类型的容器中的任一种。整体耐火坩埚(在这里可互换地称为罐或者容器)通常包括单个端部敞开的柱形容器或者器皿。意图容纳数百磅的用于加热处理的物质的器皿可由多种可浇注耐火材料浇铸，并且可使用在这里描述的拉伸预成形件进行加强。耐火坩埚和类似的耐火器皿通常具有的高度比其宽度大数倍，并且典型地是柱形的，但其在形状上也可为卵形至正方形。由于所使用的高温，器皿的内部和外部之间的大温度差由于一侧加热方法的性质而通常在使用期间出现。因此，这些器皿在自支撑坩埚的情况下将经常在拉力面上失效，或者在比如无芯感应炉的受约束环境中在坩埚的内部热壁上失效。再次，穿过容器壁的厚度的温度差例如将在陶瓷耐火形状上产生机械拉力。在从内部向外加热的坩埚的情况下，过大的机械力可从内表面建立，或者在外坩埚壁上的过大的机械力可由于高温蠕变和无支撑的或独立式的耐火容纳器皿的加载而出现。两种情况都导致裂纹扩展和器皿的失效。虽然短切金属纤维加强材料的添加有助于防止裂纹扩展和器皿失效，但这些金属纤维显著地增加了重量、可在高于大约2400华氏度的高工作温度下熔化并且失效，在这种温度或更高温度工作的高频无芯炉的情况下是易感的，或者是完全不期望的或者化学不兼容的(例如，在例如玻璃熔化的情况下)。
[0093] 在无支撑设计中或者在设计成容纳在无芯感应炉和类似物中的器皿中，在这里描述的拉伸预成形件可减小、延缓或者甚至防止容器壁失效。
[0094] 纤维预成形件(130)包括容器形状的管状段(133)、端壁部分(138)和敞开的上端部(136)。纤维预成形件(130)被配置成用于加强和支撑耐火坩埚(110)。纤维预成形件(130)被设定尺寸并且被配置成配合在坩埚(110)的下部(118)的侧壁(119)内或周围。由于在下部(118)的前上端部处延伸穿过坩埚侧壁的敞开(120)，预成形件(130)的管状段(133)具有的高度H小于坩埚的下部(118)的高度(见图13)。如前文所述，预成形件(130)位于侧壁内。在制造之后，缠绕的纤维预成形件通常位于耐火容器的外部上或者位于容器的壁内(即，包封在耐火材料内)。在一些实施例中，拉伸的、缠绕的纤维预成形件位于耐火坩埚(110)的下部(118)的侧壁(119)的外一半、外三分之一、外四分之一、外五分之一或者甚至外十分之一内。
[0095] 预成形件(130)不仅包括具有敞开的上端部(136)的管状段(133)，也具有纤维网底壁(138)，因此提供了通常具有杯形形状的缠绕的纤维预成形件(130)。预成形件的底壁(138)被定位在坩埚的下段(118)的底壁(121)内，定位在与在侧壁(119)(例如，底壁(121)的底部一半)内的预成形件的管状段(133)相同或不同的深度处。管状段(133)具有的椭圆形截面与坩埚的下部(119)的椭圆形截面形状匹配。
[0096] 如前文所述，拉伸预成形件(130)通过使用例如多轴纤维缠绕机绕旋转芯轴缠绕丝束而由纤维丝束形成。在这种情况下，心轴具有椭圆形的截面形状，并且丝束(多个丝束)也围绕心轴的一个端部缠绕以在预成形件(130)上提供底壁(138)。可使用各种缠绕模式中的任一种，并且所示出的仅是一个示例性的实施例。成角度的过渡段设置在心轴的外周界与其端部之间，这样使得成角度的(即，锥形的)过渡段(135)设置在预成形件的管状段(133)与底端部(138)之间以便配合坩埚的成角度的底部边缘(见图13)。
[0097] 虽然已经在上文中详细讨论了多个装置及其部件，但是应该理解的是，所讨论的部件、特征、构造和使用该装置的方法没有被限制在上文提供内容中。特别地，在上下文中讨论的该装置中的一个的部件、特征、构造和使用方法可并入任何其他装置中。而且，不限制下文中提供的进一步的说明，额外的且可替换的适合的部件、特征、构造和使用该装置的方法以及本文的教导可组合和互换的各种方法将根据本文的教导而对于本领域技术人员是显而易见的。
[0098] 虽然在本公开内容中已经示出并描述了各种型式，但在本文描述的方法和系统的另外的适应性可由本领域普通技术人员通过适当的修改实现而不背离本发明的范围。已经提到了多种可能的修改，并且其他的修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的。例如，上文中讨论的实例、型式、几何图形、材料、尺寸、比率、步骤等等是说明性的并且不是必需的。因此，本发明的范围应依据下文中的权利要求而考虑并且被理解为不被限制在由说明书和附图中示出并描述的结构和操作的细节上。
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