Настоящее изобретение относится к области искусственных минеральных волокон. Более конкретно, изобретение направлено на способ производства минеральной шерсти, предназначенной, в частности, для производства продуктов теплоизоляции и/или звукоизоляции.
Традиционно минеральную шерсть получают путем плавления смеси исходных материалов в плавильной печи, полученный таким образом расплавленный материал затем переливают в устройство волокнообразования, при помощи которого изготавливают минеральную шерсть. Исходные материалы, обычно натуральные, и их соотношение выбирают в зависимости от химического состава, которым должна обладать производимая минеральная шерсть. Оксид магния может входить в состав минеральной шерсти с целью придания ей определенных свойств или повышения технологичности. Доломит и магнезия являются основными источниками магния, используемыми при производстве минеральной шерсти. Однако, этим исходным материалам свойственны некоторые недостатки. Во время плавления смеси исходных материалов они могут вызывать такие явления, как взрывное растрескивание или «декрепитация». Это является причиной образование слоя, состоящего из обломков и пыли от декрепитации, на своде печи, что может быть вредным как для функционирования печи, так и для качества ванны расплавленного материала. Кроме этого, в силу своего химического состава, эти исходные материалы вносят существенных вклад к выделение СО2 во время плавления смеси исходных материалов.
Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков посредством рентабельного способа производства минеральной шерсти, содержащей оксид магния, при этом, обеспечивающего достаточную технологичность, сохранение и даже улучшение качества ванны расплава и свойств минеральной шерсти, а именно, в части устойчивости к высокой температуре, ослабляя воздействие на окружающую среду.
Таким образом, в первом аспекте изобретение направлено на способ производства минеральной шерсти, имеющей химический состав, выраженный как весовое процентное содержание оксидов, включающий:
SiO2 30-50%;
Al2O3 15-35%;
CaO 5-25%;
MgO 1-25%;
Fe2O3 2-15%;
Na2O+K2O >10%,
при этом, указанный способ включает стадии, на которых:
- обеспечивают смесь исходных материалов;
- расплавляют указанную смесь исходных материалов с целью получения расплавленного материала;
- превращают расплавленный материал в волокна;
отличающийся тем, что смесь исходных материалов содержит, по меньшей мере, 8,5% вес. рециркулируемого исходного материала, включающего, по меньшей мере, 3,5% магния в пересчете на вес оксида, при этом, указанный рециркулируемый исходный материал, по существу, не содержит карбонаты, и тем, что смесь исходных материалов не содержит доломит и магнезию.
Соответствующий изобретению способ направлен на производство минеральной шерсти, которая вследствие своего химического состава характеризуется повышенной температурой ликвидуса и высокой текучестью при температуре волокнообразования, связанной с повышенной температурой стеклования.
Содержание оксида кремния (SiO2) лежит в диапазоне от 30 до 50%, предпочтительно, от 35 до 48%, даже от 37 до 45%.
Содержание оксида алюминия (Al2O3) лежит в диапазоне от 15 до 35%, предпочтительно, от 18 до 30%, даже от 20 до 28%.
Содержание оксида кальция (СаО) лежит в диапазоне от 5 до 25%, предпочтительно, от 7 до 20%, даже от 8 до 18%.
Содержание оксида магния (MgO) лежит в диапазоне от 1 до 25%, предпочтительно, от 1 до 15%, даже от 1 до 10%.
Вообще, минеральная шерсть не содержит других оксидов щелочно-земельных элементов помимо СаО и MgO. Тем не менее, она может содержать небольшое количество BaO или SrO, при этом, их содержание может достигать 2%, даже 1%, 0,20% или даже 0,1%, так как эти оксиды могут присутствовать в качестве примесей в некоторых исходных материалах.
Общее содержание щелочных оксидов (R2O), а именно, оксида натрия (Na2O) и оксида калия (K2O) составляет более 10%, предпочтительно, от 10,2 до 20%, даже от 10,5 до 15%. Содержание Na2O обычно лежит в диапазоне от 4 до 20%, предпочтительно, от 5 до 15%, даже от 6 до 13%. Что касается содержания К2О, оно обычно составляет, самое большее, 20%, предпочтительно, от 1 до 15%, даже от 2 до 10%. Предпочтительно, минеральная шерсть не содержит других щелочных оксидов кроме Na2O и K2O. Тем не менее, она может содержать небольшое количество Li2O, иногда присутствующего в качестве примеси в некоторых исходных материалах, при этом, его содержание может достигать 0,5%, даже 0,2% или 0,1%.
Содержание оксида железа (всего железа, выраженного как Fe2O3) лежит в диапазоне от 2 до 15%, предпочтительно, от 2 до 12%, даже от 2,5 до 10%.
Общее содержание SiO2, Al2O3, CaO, MgO, R2O и Fe2O3 составляет, предпочтительно, по меньшей мере, 95%, в частности, по меньшей мере, 97%, даже, по меньшей мере, 98% относительно веса композиции минеральной шерсти.
Химический состав минеральной шерсти также может включать Р2О5, в частности, его содержание может достигать 3%, даже 1,2%. Тем не менее, Р2О5, предпочтительно, отсутствует.
Химический состав минеральной шерсти также может включать другие элементы, в частности, присутствующие в качестве неизбежных примесей. Минеральная шерсть может содержать оксид титана (TiO2) и оксид циркония (ZrO2) в количестве, лежащем в диапазоне до 3%, в частности, от 0,1 до 2,0%, даже 1,0%.
Химический состав минеральной шерсти также, обычно, может включать менее 0,1% вес. галогена, в частности, фтора.
Разумеется, различные предпочтительные диапазоны, приведенные выше, могут свободно сочетаться друг с другом, при этом, все возможные сочетания не могут быть перечислены из соображений краткости.
В силу своего состава, минеральная шерсть может обладать выгодным сочетанием биорастворимости, то есть, способности быстро растворяться в физиологической среде, благодаря чему предотвращается любой риск патогенного воздействия, связанный с возможным накоплением в организме самых мелких волокон при вдыхании, и достаточной устойчивости к очень высокой температуре. Огнестойкость конструктивного элемента соответствует длительности периода, в течении которого элемент выполняет функцию несущего элемента, обеспечивая непроницаемость для пламени, и продолжает играть роль теплоизоляции. Стандартное испытание на огнестойкость, вообще, состоит в увеличении температуры согласно стандарта ISO 834, основанного на кривой температур горения целлюлозы.
Как правило, состав минеральной шерсти, описанный выше, получают путем составления и плавления смеси исходных материалов. Способ, соответствующий изобретению, включает стадию, на которой обеспечивают смесь исходных материалов, содержащую, по меньшей мере, 8,5% вес. рециркулируемого исходного материала, включающего, по меньшей мере, 3,5%, предпочтительно, по меньшей мере, 4%, даже, по меньшей мере, 5%, магния в пересчете на вес оксида. Использование такого исходного материала позволяет избавиться от доломита и магнезии и достичь более высокого качества плавления. Другие исходные материалы могут быть выбраны среди обычных исходных материалов, используемых при производстве минеральной шерсти, таких как известняк, фонолит, нефелин сиенит, полевой шпат, базальт, карбонат натрия, оксиды железа. Их содержание в смеси исходных материалов определяется специалистами в данной области в зависимости от их химического состава и целевого химического состава минеральной шерсти, которую нужно произвести. В частности, смесь исходных материалов содержит, предпочтительно, по меньшей мере, 1%, более предпочтительно, по меньшей мере, 2%, даже, по меньшей мере, 3% вес. боксита в качестве источника алюминия.
Рециркулируемый исходный материал может представлять собой побочный продукт обработки алюминиевого шлака (также именуемого salt slag (соляной шлак), black dross (черная окалина), white dross (дросс) или salt cake (соляной сгусток)), образующегося при производстве и/или повторном использовании металлического алюминия. При производстве алюминия шлак первой стадии обработки, образующийся на поверхности резервуаров, характеризуется высоким содержанием металлического алюминия. Поэтому этот шлак, как правило, подвергают обработке, например, во вращающихся печах с целью извлечения содержащегося в нем алюминия. В частности, в соответствии с некоторыми технологиями, на этой, второй стадии обработки могут быть добавлены технологические соли. Шлак второй стадии обработки, содержащий небольшую долю металлического алюминия, может быть, в свою очередь, подвергнут обработке, направленной на извлечение оставшегося металлического алюминия и рециркуляцию технологических солей. Некоторые побочные продукты этой стадии обработки, состоящие, преимущественно, из оксидов металлов и металлического остатка, могут быть использованы в качестве рециркулируемого исходного материала в способе, соответствующем изобретению. Перед использованием в способе, соответствующем изобретению, эти побочные продукты, в свою очередь, могут быть подвергнуты обработке (гранулированию, сушке, обжигу и т.д.). Помимо уменьшения количества остаточной воды и других летучих компонентов, таких как галогены и аммиак, обжиг, например, во вращающейся трубчатой печи позволяет улучшить гранулометрический состав. Однако, этими примерами рециркулируемый исходный материал не ограничивается.
Рециркулируемый исходный материал обычно имеет химический состав, выраженный как весовое процентное содержание оксидов, включающий:
Al2O3 от 50 до 80%, предпочтительно, от 60 до 75%;
SiO2 от 2 до 25%, предпочтительно, от 5 до 50%;
MgO от 3 до 20%, предпочтительно, от 5 до 15%;
Fe2O3 от 0,5 до 10%, предпочтительно, от 1 до 8%.
Типично, он включает менее 0,9%, предпочтительно, менее 0,6% вес. галогена, в частности, фтора и хлора. Действительно, присутствие галогенов требует наличия дорогостоящих установок обработки дымовых газов. В одном из конкретных вариантов осуществления изобретения рециркулируемый исходный материал, в частности, не содержит фтор, то есть, содержит менее 0,1% вес. фтора.
Предпочтительно, рециркулируемый исходный материал имеет такой химический состав, что массовое отношение Al203/MgО больше 8. Такое отношение особенно выгодно с точки зрения получения минеральной шерсти, соответствующей изобретению, без необходимости введения доломита.
Предпочтительно, рециркулируемый исходный материал не содержит металлических частиц, в частности, металлического алюминия. Тем не менее, небольшое количество металлического алюминия (обычно, до 2%, предпочтительно, до 1%, более предпочтительно, до 0,5% вес.) может присутствовать, в частности, когда рециркулируемый исходный материал является побочным продуктом обработки алюминиевого шлака. Так же может присутствовать небольшое количество нитрида алюминия (обычно, до 3%, предпочтительно, до 2%, более предпочтительно, до 1% вес.), в частности, когда рециркулируемый исходный материал является побочным продуктом обработки алюминиевого шлака.
С точки зрения минералогии, рециркулируемый исходный материал, по существу, не содержит карбонаты, то есть, он содержит, самое большее, 5%, предпочтительно, самое большее, 2%, более предпочтительно, самое большее, 1%, даже, самое большее, 0,5% вес. карбонатов. Он содержит, предпочтительно, по меньшей мере, 20%, даже, по меньшей мере, 30%, вообще, до 80%, даже до 60% вес. аморфной фазы. Существенная доля аморфной фазы благоприятствует плавлению. Он может содержать, по меньшей мере, 10%, даже, по меньшей мере, 20%, вообще, до 50% вес. кристаллической фазы типа шпинели, включающей магний (Mgl-xMxAl2-yM'yO4, где M и M' - переходные металлы).
Смесь исходных материалов обычно имеет порошкообразную форму. В частности, смесь исходных материалов, предпочтительно, не содержит брикетов.
Стадия плавления может быть осуществлена различными известными способами, в частности, путем плавления в пламенной печи или электроплавки. Обычно, ее не проводят в шахтной печи. Состав минеральных волокон, на производство которых направлено настоящее изобретение, плохо совместим с этим способом плавления, в частности, из-за относительно высокого содержания щелочных металлов. Смеси материалов, необходимые для достижения такого состава, имеют тенденцию быстро переходить из твердого состояния в жидкое, характеризующееся низкой вязкостью, в котором они могут покрывать частицы кокса и препятствовать горению. В шахтных печах также имеются благоприятные условия для испарения щелочных металлов, вызывающие не только потерю материала, но и проблемы, связанные с окружающей средой и безопасностью, из-за высокой реакционной способности этих веществ с другими испарившимися веществами, такими как сера.
Пламенная печь включает, по меньшей мере, горелку, воздушную (пламя расположено над ванной расплавленного материала, нагревая ее за счет излучения) или погружную (пламя поддерживается непосредственно внутри ванны расплавленного материала). В эту или в каждую горелку может быть подведено различное топливо, такое как природный газ или жидкое топливо.
Под «электроплавкой» понимается, что стеклуемую смесь плавят, используя эффект Джоуля, при помощи электродов, погруженных в ванну расплавленного материала, исключая использование всех других средств нагревания, таких как пламя. Обычно стеклуемую смесь гомогенно распределяют на поверхности ванны расплавленного материала при помощи механического устройства, таким образом, она образует термический экран, ограничивающий температуру над ванной расплавленного материала, так что наличие верхней конструкции не всегда нужно. Электроды могут быть подвешены так, чтобы погружаться в ванну расплавленного материала сверху, могут быть установлены в дне или же в боковых стенках резервуара. Два первых варианта, вообще, являются предпочтительными для резервуаров большого размера, так как позволяют лучше распределять тепло в ванне расплавленного материала. Предпочтительно, электроды изготовлены из молибдена, или же, в известных случаях, из оксида олова. Молибденовый электрод проходит сквозь дно, предпочтительно, посредством электрододержателя из стали, охлаждаемого водой.
Стадия плавления также может быть осуществлена с одновременным использованием плавления пламенем и электроплавки, например, при помощи пламенной печи, оборудованной установленными в боковых стенках электродами, ускоряющими плавление стеклуемой смеси.
Обычно, волокна минеральной шерсти типа, на который направлен способ настоящего изобретения, получают способами центрифугирования, именуемыми «внешними», например, в которых используется каскад центробежных колес, на которые при помощи статичного устройства распределения подают расплавленный материал, как описано, в частности, в патентах EP 0465310 или EP 0439385. Однако, состав минеральной шерсти, описанный выше, также позволяет проводить волокнообразование путем центрифугирования, именуемого «внутренним», то есть, с использованием центрифуг, вращающихся с большой скоростью и снабженных множеством отверстий, при котором значительно уменьшается доля не превращенного в волокна материала. В частности, этот способ описан в патентах EP 0189354 или EP 0519797. Таким образом, стадию волокнообразования, предпочтительно, проводят путем внутреннего центрифугирования.
Настоящее изобретение также относится к применению рециркулируемого исходного материала или смеси исходных материалов, содержащей, по меньшей мере, 8,5% вес. рециркулируемого исходного материала, для производства минеральной шерсти, имеющей химический состав, выраженный как весовое процентное содержание оксидов, включающий:
SiO2 30-50%;
Al2O3 15-35%;
CaO 5-25%;
MgO 1-25%;
Fe2O3 2-15%;
Na2O+K2O >10%,
отличающемуся тем, что рециркулируемый исходный материал содержит, по меньшей мере, 3,5% магния в пересчете на вес оксида и, по существу, не содержит карбонаты. Кроме того, смесь исходных материалов, предпочтительно, не содержит доломит и магнезию. Использование рециркулируемого исходного материала, описанного выше, и, в более общем смысле, содержащей его смеси исходных материалов позволяет значительно сократить выбросы диоксида углерода, образующиеся в ходе плавления исходных материалов.
Настоящее изобретение также направлено на минеральную шерсть, которая может быть получена описанным выше способом. Указанная минеральная шерсть содержит, по меньшей мере, 8,5% вес. рециркулируемого исходного материала, содержащего, по меньшей мере, 3% магния в пересчете на вес оксида, при этом, указанный рециркулируемый исходный материал, по существу, не содержит карбонаты и имеет химический состав, выраженный как весовое процентное содержание оксидов, включающий:
SiO2 30-50%;
Al2O3 15-35%;
CaO 5-25%;
MgO 1-25%;
Fe2O3 2-15%;
Na2O+K2O >10%.
Изобретение также направлено на продукт теплоизоляции, содержащий минеральную шерсть, описанную выше. В частности, такой продукт имеет форму рулона или панели. Он может быть использован, например, в строительстве, в промышленности или в транспортных средствах, в частности, железнодорожных или морских. Он особенно хорошо подходит для таких вариантов применения, в которых он может подвергаться воздействию повышенной температуры, постоянно (изоляция печей или сушилок в домашнем хозяйстве или в промышленности, трубопроводов для перекачивания текучих сред) или случайным образом, в роли защиты от пламени (противопожарные двери, изоляция на судах, в туннелях или платформах в прибрежной зоне и т.д.)
В более общем смысле, соответствующий изобретению продукт может быть применен для теплоизоляции зданий всех типов, относящихся к сфере обслуживания или жилых (общих или частных). Например, он может быть применен в системах наружной изоляции, для изоляции зданий с деревянным каркасом, в многослойных панелях, в вентиляционных каналах и т.д.
Признаки, описанные выше в связи со способом, соответствующим изобретению, в частности, касающиеся состава минеральной шерсти, смеси исходных материалов и рециркулируемого исходного материала, также применимы к другим аспектам изобретения (применению рециркулируемого исходного материала или содержащей его смеси исходных материалов, минеральной шерсти или изоляционному продукту), хотя и не описаны из соображений краткости.
Следующие ниже примеры поясняют изобретение, не являясь ограничительными.
ПРИМЕРЫ
Изготовление минеральной шерсти с целевым химическим составом, приведенным в таблице 1, осуществили, исходя из разных смесей материалов. Смесь исходных материалов сравнительного примера С1 представляла собой классическую смесь, содержащую в качестве источника магния доломит. В примере I1, соответствующем изобретению, доломит был полностью заменен на рециркулируемый материал согласно изобретению. Состав смесей исходных материалов приведен в таблице 2. В таблице 3 представлен химический состав рециркулируемого материала.
Таблица 1
Таблица 2
Таблица 3
В ходе различных производственных циклов не наблюдалось декрепитации во время плавления смесей исходных материалов примера I1. Следствием этого является значительное уменьшение количества испарений и риска закупорки регенераторов по сравнению с использованием смеси исходных материалов примера С1. Также по сравнению с примером С1 улучшена стабильность состава ванны расплава. Наконец, наблюдалось уменьшение на 2-5% выбросов СО2 во время плавления смесей исходных материалов примера I1 по сравнению с примером С1.
Изобретение относится к способу производства минеральной шерсти. Указанный способ включает стадии, на которых обеспечивают смесь исходных материалов; расплавляют указанную смесь исходных материалов с целью получения расплавленного материала; и превращают расплавленный материал в волокна. Химический состав минеральной шерсти включает, % вес.: SiO2 30-50, Al2O3 15-35, CaO 5-25, MgO 1-25, Fe2O3 2-15, Na2O+K2O >10. При этом смесь исходных материалов присутствует в порошкообразной форме и содержит, по меньшей мере, 8,5% вес. рециркулируемого исходного материала, включающего, по меньшей мере, 3% вес. магния в пересчете на вес оксида, и самое большое 5% вес. карбонатов. Технический результат – улучшение технологичности процесса, качества ванны расплава и свойств минеральной шерсти, снижение выбросов CO2. 10 з.п. ф-лы, 3 табл., пр.
1. Способ производства минеральной шерсти, имеющей химический состав, выраженный как содержание оксидов, включающий, % вес.:
SiO2 30-50;
Al2O3 15-35;
CaO 5-25;
MgO 1-25;
Fe2O3 2-15;
Na2O+K2O >10,
при этом указанный способ включает стадии, на которых:
- обеспечивают смесь исходных материалов;
- расплавляют указанную смесь исходных материалов с целью получения расплавленного материала;
- превращают расплавленный материал в волокна;
отличающийся тем, что смесь исходных материалов присутствует в порошкообразной форме, исходные материалы выбирают из известняка, фонолита, нефелина сиенита, полевого шпата, базальта, боксита, карбоната натрия, оксидов железа, и указанная смесь содержит, по меньшей мере, 8,5% вес. рециркулируемого исходного материала, включающего, по меньшей мере, 3% вес. магния в пересчете на вес оксида, и самое большое 5% вес. карбонатов.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в химический состав минеральной шерсти входит менее 0,1% вес. галогена.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рециркулируемый исходный материал содержит менее 0,9% вес., предпочтительно менее 0,6% вес. галогена.
4. Способ по одному из пп. 1-3, отличающийся тем, что рециркулируемый исходный материал не содержит фтор.
5. Способ по одному из пп. 1-4, отличающийся тем, что рециркулируемый исходный материал содержит до 2% вес. металлического алюминия.
6. Способ по одному из пп. 1-5, отличающийся тем, что рециркулируемый исходный материал имеет химический состав, выраженный как содержание оксидов, включающий, % вес.:
Al2O3 от 50 до 80;
SiO2 от 2 до 25;
MgO от 3 до 20;
Fe2O3 от 0,5 до 10.
7. Способ по одному из пп. 1-6, отличающийся тем, что рециркулируемый исходный материал имеет химический состав, выраженный как весовое процентное содержание оксидов, в котором массовое отношение Al2O3/MgO больше 8.
8. Способ по одному из пп. 1-7, отличающийся тем, что смесь исходных материалов не содержит брикеты.
9. Способ по одному из пп. 1-8, отличающийся тем, что смесь исходных материалов содержит, по меньшей мере, 1% вес. боксита.
10. Способ по одному из пп. 1-9, отличающийся тем, что плавление смеси исходных материалов осуществляют в пламенной печи, в частности в печи с погружными горелками, и/или путем электроплавки.
11. Способ по одному из пп. 1-10, отличающийся тем, что волокнообразование осуществляют путем внутреннего центрифугирования.
| WO 9928252 А1, 10.06.1999 | |||
| WO 9928251 A1, 10.06.1999 | |||
| Горелка для автогенной сварки | 1927 |
|
SU7616A1 |
| Прибор для разделения сыпучих веществ на равные части | 1927 |
|
SU8100A1 |
| МИНЕРАЛЬНАЯ ВАТА, ИЗОЛЯЦИОННЫЙ ПРОДУКТ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ | 2006 |
|
RU2396223C2 |
| КОМПОЗИТ, СОДЕРЖАЩИЙ МИНЕРАЛЬНУЮ ШЕРСТЬ, СОДЕРЖАЩУЮ САХАР | 2015 |
|
RU2690985C2 |
