Способ производства минеральной ваты Российский патент 2023 года по МПК C03B37/04 C03C13/06 

Изобретение относится к области ресурсосберегающих технологий, а именно к технологии производства минеральной ваты, изготавливаемой из отходов доменного процесса.

Минеральную вату традиционно производят посредством получения расплава минерального сырья: в вагранке, газовой, или электропечи. При этом необходимы значительные энергозатраты на дробление исходного сырья, нагрев и плавление шихты поддержание рабочей температуры порядка 1450 – 1550 °C.

Известен способ производства минеральной ваты, способ изготовления брикетов и брикеты для производства минеральной ваты, сущность которого состоит в следующем: брикеты для производства минеральной ваты включают минеральное сырье, в состав которого входит доменный шлак, причем массовое соотношение доменного шлака и прочих видов минерального сырья составляет 1:100 - 1:1 и связующее - измельченный до удельной поверхности более 200 м²/кг гранулированный цементный шлак, имеющий стекловидную структуру, активированный щелочным компонентом [Патент RU 2090525, МПК C03C1/00, C03B37/00, 1997].

Недостатком способа является сложность и многостадийность технологического процесса приготовления брикетов, требующего тонкий помол и гомогенизацию компонентов, что в совокупности приводит к удорожанию конечного продукта.

Известна минеральная вата, получаемая на основе таких сырьевых компонентов как шлак, послепотребительский бетон, кирпичная крошка, состоящая из послепотребительской кирпичной крошки, послепромышленной кирпичной крошки или их комбинации; стеклобой, послепотребительский формовочный песок и их комбинации. Заявленная минеральная вата имеет модуль кислотности, равный от 1.0 до 1.5 по массе и содержит следующие компоненты, мас. %: SiO₂ – 36–44, Al₂O₃ – 8.0-14, MgO – 4-13, СаО – 32-44. Технический результат представленного изобретения заключается в расширении сырьевой базы [Патент RU 2575189, МПК C03C13/06, C03B37/06, 2016].

Недостатком способа являются: необходимость дробления и эффективного смешения выбранных продуктов, что требует применения энергоемкого помольного оборудования, удорожающего процесс; а также существенная зависимость состава от источника отхода, что обуславливает нестабильность качества при переходе на новые партии сырья.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ получения минеральной ваты и извлекаемого чугуна, получаемых путем плавления смеси материалов, таких как базальт, доменный шлак, кокс, и компонентов, необходимых для плавления, с добавкой, содержащей оксид алюминия, позволяющей регулировать содержание алюминия для получения минеральной ваты, имеющей следующий состав (в вес.%): Al₂O₃: 18-22; SiO₂: 40-50; CaO: 10-15; MgO: < 10; FeO < 2; Na₂O < 4; K₂O < 2. Достигаемым техническим результатом является получение в одну пирометаллургическую стадию шлака для производства минеральной ваты и легированного чугуна товарного качества [Патент RU 2732565, МПК C03B37/075, C03C1/002, C03C13/06, 2020].

Недостатком прототипа является использование вагранки и применение кокса, как основного топлива и восстанавливающего металл компонента, что приводит к высоким затратам на нагрев и плавление и значительным объемам парниковых газов, выделяемых на единицу производимой минеральной ваты.

Технический результат изобретения заключается в разработке способа изготовления минеральной ваты, позволяющего снизить энергозатраты и «углеродный след» при ее производстве, при сохранении качества и свойств получаемой минеральной ваты.

Потребительские свойства минеральной ваты, согласно заявленному изобретению, должны удовлетворять следующим параметрам:

- плотность 110 кг/м³,

- теплопроводность 0,03±0,005 Вт/(м*К),

- водопоглощение не более 0,3±0,1 кг/м³.

Технический результат достигается тем, что способ производства минеральной ваты, включает загрузку в печь шихты в виде огненно-жидкого доменного шлака с температурой не ниже 1200 ºС и природного песка при их соотношении, мас.%:

огненно-жидкий доменный шлак – 50-80;

природный песок – 20-50,

и суммарном содержании SiO₂ и Al₂O₃ в шихте 45-70 % и 5-15 % соответственно, последующую выдержку шихты в печи, во время которой осуществляют подвод электроэнергии с суммарной мощностью 400 – 700 кВт/т шихты, последующий выпуск полученного расплава и его центрифугирование.

Содержание SiO₂ в природном песке составляет не менее 93,0 % мас.

Расплав перед центрифугированием имеет модуль кислотности 1,3 – 1,7.

В печь природный песок подается с температурой не менее 80 ºС.

Сущность изобретения.

В качестве компонента сырьевой смеси (шихты) для производства минеральной ваты применяют доменный шлак, который вводится в печь, в которой происходит выплавка расплава для производства минеральной ваты, уже изначально в огненно-жидком виде (при температуре не ниже 1200 ℃). При более низких температурах значительная доля шлака переходит в твердое состояние и требуются большие энергетические затраты на расплавление шихты. При этом, чем фактическая температура шлака выше, тем ниже затраты на подогрев шихты и выше экономическая эффективность процесса. В частности, используется шлак непосредственно после слива из доменной печи или из шлаковозного ковша, с исключением, происходящих при традиционных схемах производства шлаковой и минеральной ваты, операций слива шлака на полигон размещения, охлаждения, дробления и повторного плавления.

Исключение промежуточных стадий обеспечивает дополнительное снижение себестоимости и упрощение технологического процесса.

После загрузки шихтовых материалов в печь осуществляют электродуговой нагрев. Подвод электроэнергии осуществляют с суммарной мощностью 400 – 700 кВт/т шихты. При подводе электроэнергии в количестве менее 400 кВт/т шихты, получаемый расплав характеризуется повышенной вязкостью, вследствие чего нарушается процесс получения минеральной ваты. Подвод электроэнергии в количестве более 700 кВт/т шихты приводит к чрезмерному перегреву расплава и, как следствие, повышенному износу оборудования и снижению качества минеральной ваты.

Содержание SiO₂ и Al₂O₃ определяется исходя из требований к качеству минеральной ваты, в частности, к значению ее модуля кислотности ((SiO₂+Al₂O₃)/(CaO+MgO), где оксиды выражены в % от массы), который должен быть 1,3 – 1,7.

Увеличение концентрации SiO₂ и Al₂O₃ более выбранных значений приводит к росту вязкости расплава и необходимости увеличения температуры центрифугирования, что связано с повышением расхода энергии на подогрев шихты и ускорением износа оборудования.

Снижение концентрации SiO₂ и Al₂O₃ приводит к снижению модуля кислотности и ухудшению влагостойкости и механических свойств минеральной ваты.

Модуль кислотности расплава перед центрифугированием должен соответствовать 1,3 – 1,7. При модуле кислотности менее 1,3 не обеспечивается требуемая водостойкость минеральной ваты. А также, минеральная вата будет обладать повышенной хрупкостью. При модуле кислотности более 1,7 повышаются энергозатраты на производство минеральной ваты и, как следствие, возрастает ее себестоимость.

Использование природного песка с содержанием основного компонента (SiO₂) менее 93,0 % мас. приводит к снижению свойств минеральной ваты из-за повышенного содержания в ней примесей.

В печь природный песок подается с температурой не менее 80 ºС. Подогрев осуществляется отходящими печными газами, проходящими через расходный бункер. Это позволяет удалить из него влагу и снизить энергозатраты на получение расплава. При этом, перегрев природного песка выше температуры 120 ºС ведет к повышенному износу оборудования тракта подачи сыпучих материалов.

Достижение заявляемого технического результата подтверждается следующими примерами.

Во всех примерах способ производства минеральной ваты осуществлялся следующим образом.

В доменной печи производилась выплавка чугуна и выпуск шлака. Доменный шлак сливался в ковш и далее, из ковша шлак в огненно-жидком состоянии, при температуре не менее 1200 ℃, сливался в печь для выплавки минеральной ваты, после чего в нее добавлялся песок, в требуемом соотношении. Далее производилась плавка, по окончании которой осуществляли выпуск полученного расплава, и выполнялся процесс производства минеральной ваты.

Пример 1.

Для приготовления расплава использовали огненно-жидкий доменный шлак с температурой 1320 ℃ и химическим составом согласно таблице 1 и карьерный песок с содержанием SiO₂ не менее 93,0 % мас.

Таблица 1

Состав огненно-жидкого доменного шлака

Компонент шлака % мас. SiO₂ 36,0-38,0 Al₂O₃ 12,0-14,0 Fe₃O₄ 0,3-0,6 CaO 35,0-37,0 MgO 10,0-12,0 Прочие примеси  1,0-4,0

Соотношение компонентов огненно-жидкий доменный шлак / песок составляло 50 / 50 мас. частей. Совмещение компонентов осуществляли введением песка в расплав шлака. Далее производили нагрев полученной смеси (шихты) в печи до 1450 ℃ и осуществляли выдержку в течение 60 минут (оптимальное время выдержки должно варьироваться от 30 до 80 мин). Расход электроэнергии составил 640 кВт/т шихты. Модуль кислотности расплава составил 1,65.

Полученный таким способом расплав центрифугировался на стандартном оборудовании для поучения минеральной ваты и формировался в плиты с применением полимерного связующего.

Результатом настоящего примера являлась минераловатная плита со средней плотностью материала, составляющей 110 кг/м³, теплопроводностью – 0,03±0,005 Вт/(м*К) и водопоглощением не более 0,28 кг/м³.

При соотношении огненно-жидкий доменный шлак / песок составляющем 50/50 мас. частей, экономия энергии, расходуемой на нагрев шихты, относительно нагрева аналогичного количества базальтового сырья взятого при комнатной температуре, составляет порядка 30 %.

Пример 2.

Для приготовления расплава использовали огненно-жидкий доменный шлак (состав и температура соответствуют Примеру 1) и карьерный песок с содержанием SiO₂ не менее 93 % мас., при соотношении компонентов доменный шлак / песок 65/35 мас. частей.

Совмещение компонентов осуществляли введением песка в расплав шлака. Далее производили нагрев полученной смеси (шихты) в печи до 1480 ℃ и осуществляли выдержку в течение 55 минут. Расход электроэнергии составил 615 кВт/т шихты. Модуль кислотности расплава составил 1,45.

Полученный таким способом расплав центрифугировался на стандартном оборудовании для поучения минеральной ваты и формировался в плиты с применением полимерного связующего.

Результатом настоящего примера являлась минераловатная плита со средней плотностью материала, составляющей 110 кг/м³, теплопроводностью – 0,03±0,005 Вт/(м*К) и водопоглощением не более 0,25±0,05 кг/м³.

При соотношении огненно-жидкий доменный шлак / песок составляющем 65 / 35 мас. частей, экономия энергии, расходуемой на нагрев шихты, относительно нагрева аналогичного количества базальтового сырья, взятого при комнатной температуре, составляет порядка 40%.

Пример 3.

Для приготовления расплава использовали огненно-жидкий доменный шлак (состав соответствует Примеру 1, температура 1380 ℃) и карьерный песок при температуре 85 ℃ с содержанием SiO₂ не менее 93 % мас., при соотношении компонентов доменный шлак / песок 80 / 20 мас. частей.

Совмещение компонентов осуществляли введением песка в расплав шлака. Далее производили нагрев полученной смеси (шихты) в печи до 1490 ℃ и осуществляли выдержку в течение 40 минут. Расход электроэнергии составил 505 кВт/т шихты. Модуль кислотности расплава составил 1,35.

Полученный таким способом расплав центрифугировался на стандартном оборудовании для поучения минеральной ваты и формировался в плиты с применением полимерного связующего.

Результатом настоящего примера являлась минераловатная плита со средней плотностью материала, составляющей 110 кг/м³, теплопроводностью – 0,03±0,005 Вт/(м*К) и водопоглощением не более 0,3±0,1 кг/м³.

При соотношении огненно-жидкий доменный шлак / песок составляющем 80/20 мас. частей, экономия энергии, расходуемой на нагрев шихты, относительно нагрева аналогичного количества базальтового сырья, взятого при комнатной температуре, составляет порядка 50 %.

Таким образом, проведенные эксперименты показали, что применение заявленной шихты позволяет значительно снизить энергозатраты на производство минеральной ваты и как следствие, снизить «углеродный след» на ее производство, при этом качество получаемой минеральной ваты удовлетворяет требуемым потребительским свойствам.

Изобретение относится к области ресурсосберегающих технологий, а именно к технологии производства минеральной ваты, изготавливаемой из отходов доменного процесса. Технический результат изобретения заключается в разработке способа изготовления минеральной ваты, позволяющего снизить энергозатраты и «углеродный след» при ее производстве при сохранении качества и свойств получаемой минеральной ваты. Способ производства минеральной ваты включает загрузку в печь сырьевой смеси в виде огненно-жидкого доменного шлака с температурой не ниже 1200°С и природного песка, последующую выдержку шихты в печи, во время которой осуществляют подвод электроэнергии с суммарной мощностью 400–700 кВт/т шихты, последующий выпуск полученного расплава и его центрифугирование. Соотношение компонентов в сырьевой смеси составляет, мас.%: огненно-жидкий доменный шлак – 50-80; природный песок – 20-50, при суммарном содержании SiO₂ и Al₂O₃ в шихте 45-70 % и 5-15 % соответственно. Природный песок подается в печь, предпочтительно с температурой 80-120°С. Содержание SiO₂ в природном песке составляет не менее 93,0 мас.%. Расплав перед центрифугированием имеет модуль кислотности 1,3–1,7. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 пр.

1. Способ производства минеральной ваты, включающий загрузку в печь шихты в виде огненно-жидкого доменного шлака с температурой не ниже 1200°С и природного песка при их соотношении, мас.%:

огненно-жидкий доменный шлак – 50-80;

природный песок – 20-50,

и суммарном содержании SiO₂ и Al₂O₃ в шихте 45-70 % и 5-15 % соответственно, последующую выдержку шихты в печи, во время которой осуществляют подвод электроэнергии с суммарной мощностью 400–700 кВт/т шихты, последующий выпуск полученного расплава и его центрифугирование.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что содержание SiO₂ в природном песке составляет не менее 93,0 % мас.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расплав перед центрифугированием имеет модуль кислотности 1,3–1,7.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в печь природный песок подается с температурой не менее 80°С.