[发明专利]制造耐火材料的材料成分及其使用和耐火成型件及其制造方法

说明书

本申请是申请人为2009年5月14日、申请号为200980147685.X、发明创造名称为“制造耐火材料的材料成分及其使用和耐火成型件及其制造方法”的在先申请的分案申请。

本发明涉及一种制造耐火材料的材料成分以及这种材料成分的使用。此外本发明还涉及一种高温气体反应器的耐火成型件，尤其燃气轮机的热屏构件，以及一种制造耐火成型件的方法。

导引热燃气的高温气体反应器的壁，例如燃气轮机装置燃烧室的壁，要求热屏蔽其承载结构，防止接触热燃气。热屏蔽可例如通过置于原本的燃烧室壁前例如形式上为陶瓷热屏的热燃气衬里实现。这种热燃气衬里通常由一些金属或陶瓷的热屏构件构成，用它们为燃烧室壁面衬里。陶瓷材料与金属材料相比，基于其高耐热性、耐腐蚀性和低热导率，可理想地提供用于构建热燃气衬里。例如在EP0558540B1中介绍了一种陶瓷热屏。

由于材料典型的热膨胀特性及其在工作时出现的典型的温度差，例如在燃气轮机装置停止状态下的环境温度与满负荷时的最大温度之间的温度差，必须保证尤其陶瓷热屏随温度膨胀的受热运动的能力，由此不会因阻碍随温度的膨胀而产生损坏热屏的热应力。因此在各热屏构件之间存在膨胀间隙，以允许热屏构件热膨胀。出于可靠性的原因，膨胀间隙设计为，即使在热燃气最大温度时也决不会完全闭合。此时应当保证，热燃气不通过膨胀间隙到达承载的燃烧室壁结构。为了使膨胀间隙能阻止热燃气进入，它们频繁地用朝燃烧室内部的方向流动的阻隔气流冲刷。作为阻隔气流一般使用空气，它同时作为冷却空气用于冷却固持热屏构件的固定件，这尤其导致热屏构件边缘区产生温度梯度。基于用阻隔空气冲刷膨胀间隙，构成间隙边界的周缘侧与热屏构件的冷侧一样被冷却。另一方面在热屏构件的热侧，基于热燃气发生高的加热量。因此在热屏构件内部形成三维温度分布，其特征表现为从热侧到冷侧的温度降以及从热屏构件中心点向边缘方向出现的温度降。因此，尤其在陶瓷热屏构件的情况下，即使相邻热屏构件不接触也会在热侧造成应力，这导致形成裂纹并因而会对热屏构件的使用寿命带来负面影响。

典型地，在燃气轮机燃烧室内的热屏构件设计为扁平状以及平行于承载结构排列。在这里，只要对于在安装状态的陶瓷热屏构件可以不阻止朝燃烧室内部方向的向前弯曲，则垂直于承载结构方向的温度梯度仅导致比较低的热应力。

平行于承载结构方向的温度梯度，如从热屏构件周缘面出发朝热屏构件中心方向的那种温度梯度，基于板状几何结构的刚度，相关的平行于其最大投影面的变形迅速增大热应力。这导致周缘面的冷边，基于其与较热的遭受较大热膨胀的中心区相比较小的热膨胀，处于受拉力状态。这种拉力在超过材料强度时会导致形成裂纹，裂纹从热屏构件边缘起朝热屏构件中心区方向延伸。

裂纹使热屏构件的承载截面减小。裂纹越长，热屏构件剩余的承载截面越小。这些因热引起的裂纹可通过燃气轮机装置运行时产生的机械负荷加长，其结果是导致进一步减小剩余截面，以及可能有必要更换热屏构件。所述机械负荷例如在燃烧室壁振动加速的情况下产生，这些振动加速可由燃烧振动，亦即燃烧排气内的振荡引起。

为了降低对阻隔空气的需求，并因而减小在热屏构件内因热引起的应力，在EP1302723A1中建议，可在膨胀间隙中设流动屏障。它还可以导致减小在边缘区内的温度梯度。然而置入流动屏障并不总是毫无疑问可行的，而且增加热屏构件的复杂性。