БРИКЕТЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МИНЕРАЛЬНОЙ ВАТЫ, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БРИКЕТОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МИНЕРАЛЬНОЙ ВАТЫ И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА МИНЕРАЛЬНОЙ ВАТЫ Российский патент 1997 года по МПК C03C1/00 C03B37/00 

Настоящее изобретение относится к брикетам для производства минеральной ваты, способу изготовления брикетов для производства минеральной ваты и способу производства минеральной ваты.

Известны брикеты из сырья для производства минеральной ваты [1] содержащие измельченное сырье и гидравлическое вяжущее вещество.

Известен способ изготовления брикетов из сырья для производства минеральной ваты [1] который включает смешивание измельченного сырья, гидравлического вяжущего и воды, формование полученной смеси и отверждение.

Известен способ изготовления минеральной ваты [1] который включает смешивание измельченного сырья, гидравлического вяжущего и воды, формование полученной смеси, отверждение, плавление изготовленных брикетов и формование волокон из расплава.

Минеральную вату производят путем расплавления минерального сырья в плавильной печи: в традиционной вагранке или в газовой вагранке, либо в электропечи. В печах различных типов применяют разные способы расплавления сырья: в традиционной вагранке минеральное сырье загружают вместе с топливом, обычно коксом, в газовой вагранке сырье расплавляют теплом сжигаемого газа или другого жидкого топлива, в электрических печах применяют электроды, которые находятся внутри печи.

Один из недостатков вагранок заключается в том, что в таких печах можно расплавлять только относительно грубый материал, поскольку более тонкодробленое сырье имеет тенденцию образовывать уплотненную массу в печи, что затрудняет прохождение топочных газов и воздуха через загрузку. Кроме того, тонкодробленый материал труднее перегружать, так как во время засыпки этого материала образуется много пыли (по этой же причине использование тонкодробленого материала затруднительно и в электрических печах). В связи с этим не представляется возможным использовать сырье из всех имеющихся источников, например отходы других производств, т.е. отходы волокна и остатки непереработанного сырья (комки, которые образуются в процессе производства минеральной ваты), некоторые виды шлака, промышленные отходы флотационных процессов или, например, самые тонкие фракции, остающиеся в отходах при дроблении грубых материалов. Такое положение не только ведет к экономическим потерям, но и ограничивает возможности использования различных видов сырья, например сырья, необходимого для изготовления специальных волокнистых материалов.

Недостатки сырья для вагранок пытались преодолеть путем формования тонкодробленого сырья в брикеты, например в брикеты, содержащие уголь и кокс. Согласно известным способам в качестве связующего для брикетирования сырья использовали гидравлические связующие, особенно портландцемент и глину. Использование портландцемента имеет тот недостаток, что брикеты обладают плохой теплопроводностью теряют прочность и крошатся уже при относительно низких температурах от 400 до 500 С, что не позволяет решить все проблемы, которые возникают в связи с присутствием измельченного материала в вагранке.

Целью настоящего изобретения является преодоление вышеуказанных недостатков и создание брикетов сырья, свойства которых обеспечат ряд преимуществ в процессе изготовления брикетов, т.е. экономичность, высокую прочность готового продукта, например стойкость при хранении, особенно влагостойкость, а также ряд преимуществ в процессе производства минеральной ваты, независимо от того, используются ли для этого вагранки или электропечи. Последнее требование означает, что брикеты не должны разрушаться при низких температурах в печи, т.е. при температурах ниже 1000^oC, и что поведение расплава будет носить строго определенный характер. Это означает, что, регулируя состав брикетов, можно будет в некоторой степени регулировать процесс расплавления в печи, например температуру плавления конкретной загрузки сырья. Брикеты позволяют также лучше использовать доступные источники сырья, особенно менее ценного сырья, что дает возможность использовать более экономичные виды сырья, такие как остатки и отходы различных промышленных процессов.

Вышеуказанные преимущества обеспечивают брикеты для производства минеральной ваты, включающие минеральное сырье и связующее, отличающиеся тем, что в качестве связующего они содержат измельченный до удельной поверхности более 200 м²/кг гранулированный доменный шлак, имеющий стекловидную структуру, активированный щелочным компонентом.

Из различных видов шлака предпочтительно использовать шлак доменных печей, который поступает в продажу в быстроохлажденном гранулированном виде и обладает стекловидной структурой, благодаря которой этот материал удобно использовать в качестве связующего шлак доменных печей легко можно активировать. Такой шлак достаточно однороден по свойствам, а его состав оптимален с точки зрения качества готовой продукции минеральной ваты. Обычный шлак доменных печей имеет следующий состав:
SiO₂ 35,1
TiO₂ 2,9
Al₂O₃ 7,6
Fe₂O₃ 0,4
MgO 12,2
CaO 38,1
Na₂O 1,3
K₂O 0,7
S 1,5
Шлак мелко измельчают (удельная поверхность более >200 м²/кг) и активируют с помощью добавки активатора до щелочной реакции в воде. В качестве щелочного вещества можно использовать любые щелочные соединения, пригодные для данной цели. Предпочтительными веществами являются соединения щелочных металлов и щелочноземельных металлов, такие как гидроксиды, карбонаты, гидрокарбонаты, силикаты и т.п. особенно соединения щелочных металлов, например гидроксид натрия, карбонат или силикат натрия, или комбинация этих соединений.

В тех случаях, когда требуется, чтобы брикеты обладали высокой прочностью и чтобы эта прочность быстро нарастала, а также, когда брикеты должны обладать хорошей совместимостью с другими минеральными материалами (сырьем), для активации следует применять ионогенные соединения щелочных металлов. Механизм действия гидроксидов щелочных металлов состоит в том, что высокие концентрации ионов ОН (высокое значение pH) вызывают быстрый гидролиз шлака. Если используются карбонаты или силикаты щелочных металлов, то желательно применять добавки (ускорители). Эти добавки вступают в реакцию посредством ионного обмена до выпадения в осадок гидрата кальция, силиката кальция и/или карбоната кальция, в результате чего высвобождаются ионы ОН, а после этого начинает действовать тот же механизм, что и при использовании гидроксидов щелочных металлов. Преимущество использования силикатов и/или карбонатов состоит в том, что мелкодисперсный осадок выступает в качестве зародыша непрерывной гидратации, что существенно ускоряет процесс отверждения. В качестве ускорителей подходят активированная известь, например, в виде CaO Ca(OH)₂ или портландцементный клинкер. Благодаря добавке ускорителя готовый брикет быстро приобретает высокую прочность в процессе брикетирования как при нормальной температуре, так и в условиях высокотемпературного отверждения.

Количество щелочного вещества вычисляют от количества других компонентов, подходящим является содержащие от 0,5 до 12 мас. от массы сухого шлака. В пересчете на NaO₂ количество щелочного вещества может составлять от 2 до 4 мас. Содержание ускорителя может составлять от 1 до 10 мас. от массы сухого шлака, предпочтительно от 2 до 5 мас. Ускоритель либо добавляют отдельно, либо измельчают его вместе со шлаком. Количество шлака может широко варьироваться в зависимости от реакционной способности сырья, но соотношение шлака и сырья для большинства видов сырья находится в пределах от 1:100 до 1:1, предпочтительно от 1:100 до 1:4.

Поскольку шлак по своему составу оптимально подходит для изготовления волокна, выбор остальных компонентов менее ограничен; шлак в качестве связующего позволяет использовать более низкосортные исходные материалы, например промышленные отходы флотационных процессов. Брикетирование с использованием шлаково-щелочных связующих позволяет существенно расширить выбор исходных материалов, поскольку эти связующие нечувствительны к загрязнителям и органическим компонентам, которые могут содержаться в перерабатываемых отходах производства минеральной ваты, а также в других перерабатываемых отходах, например в стеклянном бое. Кроме того, они допускают использование сырья любого сорта, т.е. включая самые мелкие пылеватые материалы, которые ранее было затруднительно загружать в плавильные печи.

Таким образом, шлаково-щелочные связующие дают положительный эффект на нескольких уровнях: с одной стороны они успешно играют роль связующего в процессе изготовления самих брикетов, а с другой позволяют оптимизировать процесс изготовления минеральной ваты в плавильных печах. Кроме того, эти связующие обеспечивают более широкий выбор сырья.

В процессе изготовления брикеты быстро отвердевают, образуя тепло- и хладостойкие брикеты, которые в отличие от брикетов, где в качестве связующего выступают цемент или глина, лучше выдерживают условия хранения при повышенной влажности, например на открытом воздухе. В процессе расплавления в плавильной печи шлаково-щелочное связующее образует цементирующий материал, который предохраняет брикет от разрушения, причем этот цементирующий материал "разрушается" (т.е. полностью переходит из твердого состояния в расплав) только при очень высоких температурах, обычно выше 1200-1300^oC. Это означает, что расплавление протекает гораздо более равномерно и намного лучше поддается регулированию, чем при использовании брикетов, в которых в качестве связующего использован цемент или глина. Повышение содержания активированного шлака дает возможность повысить температуру плавления, и эту температуру плавления можно регулировать по всей загрузке печи. В подобных случаях можно также вмешивать в материалы загрузки более тугоплавкие материалы, например оливин.

Используя шлаково-щелочное связующее по изобретению вместо цемента или глины, можно также свести к минимуму концентрации Fe и Al в расплаве и в готовом продукте.

Настоящее изобретение описывает также способ изготовления указанных брикетов сырья для производства минеральной ваты, включающий смешивание тонкоизмельченного минерального сырья, связующего и воды, формование полученной смеси в брикеты и отверждение, отличающийся тем, что в качестве связующего используют измельченный до удельной поверхности более 200 м²/кг гранулированный доменный шлак, имеющий стекловидную структуру, активированный щелочным компонентом.

Таким образом, изготовление брикетов по настоящему способу осуществляют следующим способом: сухие компоненты брикета перемешивают, добавляют воду и щелочной раствор в соответствующих количествах и полученную смесь формуют в брикеты одним из известных способов. Размеры брикетов могут варьироваться, но приблизительно брикеты изготавливают объемом от 0,5 до 1,0 м³.

Настоящее изобретение описывает также способ производства минеральной ваты, включающий смешивание тонкоизмельченного минерального сырья, связующего и воды, формование полученной смеси в брикеты и отверждение, плавление изготовленных брикетов и формование волокна из расплава, отличающийся тем, что в качестве связующего используют измельченный до удельной поверхности более 200 м²/кг гранулированный доменный шлак, имеющий стекловидную структуру, активированный щелочным компонентом.

Подразумевается, что в рамках настоящего изобретения можно использовать в качестве сырья указанные брикеты вместе с другим сырьем, например, в виде комков соответствующего размера, причем имеющееся сырье может использоваться для изготовления 100% минеральной ваты.

Пример
С целью определить характеристики брикетов, особенно прочность брикетов через 2 часа после их изготовления и окончательную прочность брикетов через 7 дней после изготовления, изготовили несколько брикетов, в которых в качестве связующего был использован активированный щелочью шлак, а также три вида брикетов, в которых в качестве связующего применялся портландцемент.

Брикеты изготавливали следующим образом: сухие компоненты перемешивали в бетономешалке, затем добавляли воду в таком количестве, чтобы получить густую смесь. После этого добавляли щелочь в виде раствора. Затем полученную массу формовали прессованием или вибрационным прессованием в брикеты; брикеты подвергали испытаниям на прочность через два часа после изготовления, чтобы установить их пригодность к транспортировке, а также через 7 дней после изготовления чтобы установить их окончательную прочность.

Испытания на прочность проводили известными стандартными способами.

В нижеследующей таблице приведены составы брикетов, изготовленных известными способами, и брикетов, изготовленных по настоящему изобретению, а также данные по прочности этих брикетов.

Результаты испытаний показывают, что брикеты по изобретению имели более высокую прочность, чем брикеты, в которых в качестве связующего использовался портландцемент. Особенно хорошие результаты получены в отношении окончательной прочности брикетов по изобретению.

В качестве сырья для изготовления брикетов использовали также песчаник и комковатый шлак, причем в качестве связующего в одном случае применяли портландцемент, а в другом шлак доменных печей вместе с пылью, которую собирают на фильтрах цементных заводов и которая содержит большие количества CaO и щелочных соединений. В нижеследующей таблице приведены весовые пропорции различных компонентов. Композиции сопоставимы в отношении количества и типа сырья, но в качестве связующего они содержат либо цемент, либо активированный шлак. Количество связующего в соответствующих композициях одно и то же. Брикеты по изобретению содержат, кроме того, небольшие количества CaO в качестве ускорителя.

Вышеприведенные результаты опять говорят о том, что брикеты по изобретению обладают повышенной прочностью по сравнению с брикетами, где в качестве связующего использовали цемент.

Использование: изготовление брикетов для производства минеральной ваты, производство минеральной ваты. Сущность: брикеты для производства минеральной ваты включают минеральное сырье и связующее - измельченный до удельной поверхности более 200 м²/кг гранулированный цементный шлак, имеющий стекловидную структуру, активированный щелочным компонентом; способ изготовления брикетов для производства минеральной ваты включает смешивание тонкоизмельченного минерального сырья, охарактеризованного выше связующего и воды, формирование полученной смеси в брикеты и отверждение; способ производства минеральной ваты включает смешивание тонкоизмельченного минерального сырья, охарактеризованного выше связующего и воды, формование полученной смеси в брикеты и отверждение, плавление изготовленных брикетов и формование волокна из расплава, причем в качестве щелочного компонента используют соединение щелочного металла, предпочтительно карбонат, гидроксид или силикат в количестве 0,5-12% от массы шлака, массовое соотношение доменного шлака и прочих видов минерального сырья составляет 1:100 - 1:1; возможно введение добавки CaO Ca(OH)₂ или портландцементного клинкера в количестве 1-10% от массы шлака. Получаемые брикеты характеризуются высокой прочностью, стойкостью при хранении, не разрушаются в плавильной печи при температурах до 1000^oC. 3 с. и 6 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Брикеты для производства минеральной ваты, включающие минеральное сырье и связующее, отличающиеся тем, что в качестве связующего они содержат измельченный до удельной поверхности более 200 м²/кг гранулированный доменный шлак, имеющий стекловидную структуру, активированный щелочным компонентом. 2. Брикеты по п. 1, отличающиеся тем, что в качестве щелочного компонента используют соединение щелочного металла, предпочтительно карбонат, гидроксид или силикат. 3. Брикеты по п. 1 или 2, отличающиеся тем, что массовое отношение доменного шлака к прочим видам минерального сырья составляет от 1:100 до 1:1. 4. Способ изготовления брикетов для производства минеральной ваты, включающий смешивание тонкоизмельченного минерального сырья, связующего и воды, формирование полученной смеси в брикеты и отверждение, отличающийся тем, что в качестве связующего используют измельченный до удельной поверхности более 200 м²/кг гранулированный доменный шлак, имеющий стекловидную структуру, активированный щелочным компонентом. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что в качестве щелочного компонента используют соединение щелочного металла, предпочтительно из группы гидроксид, карбонат или силикат в количестве 0,5 12% от массы шлака. 6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что в смесь минерального сырья и связующего вводят добавку CаО, или Са(ОН)₂, или портландцементного клинкера в количестве 1 10% от массы шлака. 7. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что добавку CаО, или Са(ОН)₂, или портландцементного клинкера вводят при совместном измельчении с гранулированным доменным шлаком в количестве 1 10% от массы шлака. 8. Способ по пп.4 7, отличающийся тем, что в качестве минерального сырья используют тонкоизмельченный отход производства минеральной ваты, отход флотации или отход производства стекла. 9. Способ производства минеральной ваты, включающий смешивание тонкоизмельченного минерального сырья, связующего и воды, формирование полученной смеси в брикеты, отверждение, плавление изготовленных брикетов и формование волокна из расплава, отличающийся тем, что в качестве связующего используют измельченный до удельной поверхности более 200 м²/кг гранулированный доменный шлак, имеющий стекловидную структуру, активированный щелочным компонентом.