СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СТЕКЛОВИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПУТЕМ ПЛАВЛЕНИЯ
PROCESS FOR MANUFACTURING VITRIFIED MATERIAL BY MELTING

Настоящее изобретение относится к способу производства стекловидных продуктов с использованием исключительно минеральных волокон в виде рециклированного сырья и/или отходов производства.
Расплавы в основном готовятся из смеси сырьевых материалов, например песка, известняка, кальцинированной соды, базальта, стеклянного боя и других компонентов, расплавленных в устройстве для плавления при температурах в диапазоне от 1250°C до 1500°C. Расплав затем подвергается операции формования, например для производства плоского стекла, полого стекла, неразрезных волокон армирующего назначения или волокон изолирующего назначения; до процесса формования может потребоваться операция осветления расплава. Химический состав расплава и его физические свойства выбраны в зависимости от предназначения и процесса формования.
В производстве изолирующих изделий из волокон минеральной ваты образуется определенное количество отходов, например при обрезке произведенных изделий до необходимого размера. Наличие органических материалов на волокнах, например связующего или смолы, затрудняет рециклирование таких отходов в процессе производства. Кроме того, возрастающее применение изолирующих материалов из волокон минеральной ваты в строительстве также ведет к возрастанию количества отходов изолирующего материала, образующегося в результате деструкции или восстановления.
Настоящее изобретение предлагает более эффективный способ производства стекловидного материала с использованием исключительно синтетических минеральных волокон в виде отходов или скрапа путем плавления твердого сырья.
Способ настоящего изобретения включает введение твердой сырьевой смеси, содержащей от 35 масс. % до 100 масс. % синтетических минеральных волокон, в устройство для плавления погружного горения и плавление твердой сырьевой смеси.
Устройства для плавления погружного горения имеют одну или несколько форсунок горелок, расположенных ниже поверхности расплава так, что пламя горелки и/или продукты сгорания, проходят через расплав.
Синтетические минеральные волокна могут содержать стекловолокна, волокна стекловаты и/или волокна каменной ваты; они могут быть отходами волокна, обрезками волокна и/или рециклированными волокнами. Синтетические минеральные волокна могут быть в виде хлопьев, точнее говоря в виде фрагментов минеральной ваты, которая содержит скопление отдельных волокон минеральной ваты, например размером от 5 мм до 30 мм в поперечном направлении.
Синтетические минеральные волокна могут содержать органические материалы, заметное количество органических материалов присутствует на поверхности волокон и/или на пересечениях волокон, например органические смолы или связующие. Органическое содержание синтетических минеральных волокон может быть по меньшей мере 1,5 масс. %, по меньшей мере 2 масс. %, по меньшей мере 2,5 масс. %, по меньшей мере 3 масс. %, по меньшей мере 3,5 масс. %; оно может быть от 2 масс. % до 18 масс. %, не более 12 масс. % или не более 10 масс. %. Органическое содержание синтетических минеральных волокон может быть определено как потеря при прокаливании (LOI), например посредством измерения первоначальной массы образца синтетических минеральных волокон, нагревания образца до температуры, достаточной для разложения и выделения органических соединений, например температуры около 530°C в течение 20 минут, и измерения массы образца после выделения органических соединений. Там, где органическое содержание представляет собой смолу или связующее, оно может быть не растворимым в воде.
Установлено, что синтетические минеральные волокна могут быть добавлены к расплаву в таких высоких концентрациях без потребности в продувке в устройство для плавления дополнительного кислорода или обогащенного кислородом воздуха, потому что погружное горение эффективно сжигает органические материалы, нанесенные на волокна, и переносит оставшиеся минеральные волокна в плавильную ванну, где они расплавляются. Это очень удивительно, хотя повторное плавление синтетических минеральных волокон уже предполагалось, но предполагалось, что только малые количества синтетических минеральных волокон могут быть повторно расплавлены таким образом.
Определенное преимущество заключается в том, что синтетические минеральные волокна могут быть добавлены в количестве 40-100 масс. %, в предпочтительном исполнении 50-100 масс. %, в более предпочтительном исполнении 60-100 масс. % от сырьевой смеси, при этом оставшаяся часть представляет собой сырьевые материалы в других формах, например минеральное сырье в виде порошка и/или стеклобоя.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления погружное горение осуществляется так, что по существу в расплаве образуется тороидальная форма потока расплава по существу с вертикальной центральной осью вращения, представляющая собой сходящиеся внутри по центру основные потоки у поверхности расплава; расплав перемещается вниз вблизи вертикальной центральной оси вращения и поворачивается в восходящем движении назад к поверхности расплава, таким образом устанавливая по существу тороидальную форму потока.
Образование такой тороидальной формы потока гарантирует высоко эффективное смешивание и гомогенизацию расплава с точки зрения профиля температуры и состава. К тому же, это предоставляет возможность подходящего сжигания или разложения органических соединений, присутствующих на волокнах, и что примечательно без дополнительной инъекции кислорода, и требуемого переноса волокон в расплав, несмотря на свою низкую плотность.
Определенное преимущество обеспечивается тем, что операции плавления включают плавление твердого сырья, содержащего волокна от 35 масс. % до 100 масс. % от твердой сырьевой смеси, для образования расплава в устройстве для плавления погружного горения путем придания этому расплаву течения, которое, как показывает моделирование машинным методом динамики текучих сред, является по существу тороидальной формой течения расплава, представляющей собой векторы сходящегося к центру основного потока у поверхности расплава, с центральной осью вращения тороида, являющейся по существу вертикальной.
При вертикальной оси вращения указанной тороидальной формы потока, векторы потока имеют нисходящую координату, отражающую значительное нисходящее движение расплава вблизи указанной оси. В направлении к основанию устройства для плавления, векторы потока изменяют ориентацию, отображаемую координатами, направленными наружу, а затем вверх.
В предпочтительном исполнении динамическая модель текучей среды является кодом ANSYS R14.5, принимая во внимание многофазное поле потока, простирающееся от твердого сырья до жидкого расплава и газа, образуемого в процессе превращения, причем превращения сырье-расплав.
Полученный расплав может быть выведен для последующей обработки, например для производства плоского стекла, тарного стекла, армирующих волокон или волокон минеральной ваты, и что примечательно минеральной ваты для тепловой и/или акустической изоляции. В случае производства волокна минеральной ваты вывод предпочтительно осуществить из устройства для плавления погружного горения для волокнообразования без промежуточной стадии осветления.
Тороидальная форма потока расплава может получиться при применении горелок погружного горения, расположенных у основания устройства для плавления в по существу кольцевой зоне горелки, обеспечивающей по существу вертикально вверх направленную компоненту скорости газов сгорания. Определенное преимущество обеспечивается тем, что горелки расположены с расстоянием между смежными горелками около 250-1250 мм, в предпочтительном исполнении около 500-900 мм, в более предпочтительном исполнении около 600-800 мм, в еще более предпочтительном исполнении около 650-750 мм. Предпочтительно, чтобы смежные пламена не сливались.
Каждая ось горелки и/или вектор скорости расплава, движущейся вверх, над или смежно с погружными горелками, может быть слегка наклонена от вертикали, например на угол ≥1°, ≥2°, ≥3° или ≥5° и/или ≤30°, в предпочтительном исполнении ≤15°, в более предпочтительном исполнении ≤10°, исключительно в направлении к центру устройства для плавления. Такая конструкция может увеличивать поток расплава и направлять поток к периферии от выпускного патрубка и/или в направлении к центру устройства для плавления, таким образом, благоприятствуя тороидальному потоку и слиянию синтетических минеральных волокон в расплав.
В соответствии с одним из вариантов осуществления каждая центральная ось горелки наклонена на угол закрутки относительно вертикальной плоскости, проходящей через центральную вертикальную ось устройства для плавления и центра горелки. Угол закрутки может быть ≥1°, ≥2°, ≥3°, ≥5° и/или ≤30°, ≤20°, ≤15° или ≤10°. В предпочтительном исполнении угол закрутки каждой горелки примерно один и тот же. Схема расположения осей каждой горелки под углом закрутки придает небольшую тангенциальную компоненту скорости вертикального пламени, таким образом придавая вихревое движение расплава, в дополнение к тороидальной форме потока. Полученная форма потока расплава дополнительно улучшает вмешивание сырья в расплав и гомогенность расплава.
Зона горелок устанавливается в виде по существу кольцевой зоны. Возможны различные схемы расположения горелок, например по эллиптической или овальной линии, внутри релевантной зоны, но предпочтительно горелки располагать по существу на круговой линии горелок.
В предпочтительном исполнении форма потока содержит сходящийся к центру поток около поверхности расплава, следующий за нисходящим потоком вблизи центральной оси вращения тороида. Указанная центральная ось вращения, соответствующая вертикальной оси симметрии устройства для плавления, обладает преимуществом. Под осью симметрии подразумевается центральная ось симметрии и, если устройство для плавления показана в сечении, которое не имеет ни одной заданной оси симметрии, ось симметрии окружности, в которую заключено сечение устройства для плавления. Нисходящий поток следует за потоком, направленным наружу около основания устройства для плавления и по существу кольцевого восходящего потока вблизи горелок, отражающим обратное движение расплава к зоне горелок, а в восходящем движении - возврат к поверхности расплава, таким образом характеризующий по существу тороидальную форму потока.
Определенное преимущество заключается в том, что векторы сходящегося к центру потока у поверхности расплава показывают скорость 0,1-3 м/с.Векторы скорости нисходящего потока вблизи вертикальной центральной оси вращения имеют важное значение, отражающее относительно высокую скорость материала, текущего вниз. Нисходящие векторы скорости могут находиться в диапазоне 0,1-3 м/с.Расплав и/или сырьевые материалы внутри устройства для плавления, по меньшей мере на одном участке устройства для плавления и исключительно у поверхности расплава (в частности векторы сходящегося к центру потока у поверхности расплава) и/или около или непосредственно у вертикальной центральной оси вращения, может достичь скорости, которая ≥0,1 м/с, ≥0,2 м/с, ≥0,3 м/с, ≥0,5 м/с и/или которая ≤2,5 м/с, ≤2 м/с, ≤1,8 м/с, ≤1,5 м/с.
Предпочтительная тороидальная форма потока гарантирует высоко эффективное смешивание и гомогенизацию расплава с точки зрения распределения температуры и состава. Она также способствует погружению сырья в расплав и повышает передачу тепла в первичное сырье. Это уменьшает требуемое время пребывания расплава в устройстве для плавления до ее вывода для последующего формования, что исключает или по меньшей мере уменьшает риск прерывания сырьевым материалом циркуляции расплава.
В предпочтительном варианте осуществления горелки располагаются на расстоянии около 250-750 мм от боковой стенки указанной камеры плавления; Это содействует предпочтительному потоку, описанному выше, и исключению притяжения пламени к боковым стенкам плавильной камеры. Слишком малое расстояние между горелками и боковой стенкой может повредить или подвергнуть чрезмерному напряжению боковую стенку. Хотя определенный поток расплава между горелкой и стенкой не может быть разрушительным, а может быть даже и желательным, слишком большое расстояние способствует образованию нежелательных потоков расплава и может создать мертвые зоны, где смешивание с расплавом в центре устройства для плавления хуже, что приводит к ухудшению гомогенности расплава.
Определенное преимущество заключается в том, что расстояние между погружными горелками выбрано так, чтобы обеспечить заданную тороидальную форму потока внутри расплава, а также исключить слияние смежных пламен. Хотя это явление зависит от многих параметров, таких как температура и вязкость расплава, давление и другие характеристики горелок, обнаружено преимущество в выборе диаметра окружности, по которой расположены горелки, из диапазона около 1200-2000 мм. В зависимости от типа горелки, рабочего давления и других параметров слишком большой диаметр приведет к уширению пламени; слишком малый диаметр приведет к слиянию пламен.
Предпочтительно задействовать по меньшей мере 6 горелок, например с расположением горелок по окружности, более предпочтительно 6-10 горелок, наиболее предпочтительно 6-8 горелок, в зависимости от размеров устройства для плавления, размеров горелки, рабочего давления и других параметров проекта.
Каждая горелка или каждая из нескольких групп горелок, например встречные горелки, может управляться отдельно. Горелки, близко расположенные к месту подачи сырья, могут управляться по-другому, предпочтительно более высокими скоростями газа и/или давлениями, чем смежные горелки, таким образом предоставляя возможность для более эффективной передачи тепла первичному сырью, которое загружается в устройство для плавления. Более высокие скорости газа могут потребоваться только временно, это значит, что в случае загрузки первичного сырья по партиям только лишь на период времени, требуемый для погружения применяемой загрузки в расплав, содержащийся в устройстве для плавления.
Также может быть необходимо управлять горелками, которые расположены близко к месту выпуска расплава, при более низкой скорости газа/давлении, чтобы не нарушить выпуск расплава.
Плавильная камера в предпочтительном исполнении по существу является цилиндрической в поперечном сечении; однако она может иметь эллиптическое сечение или многоугольное сечение с более чем 4 сторонами, в предпочтительном исполнении более чем 5 сторонами.
Сырье может быть загружено через окно в стенке устройства для плавления выше поверхности расплава. Указанное окно может открываться и закрываться, например поршнем, чтобы свести к минимуму отвод тепла и отходящих газов. Сырье может готовиться и загружаться в промежуточный лоток, а затем впадать в устройство для плавления на поверхность расплава в противоположном направлении от места удаления отходящих газов.
Расплав может быть удален из устройства для плавления непрерывно или по партиям. В том случае, когда сырьевой материал загружается близко к стенке устройства для плавления, выпуск расплава предпочтительно располагать напротив впуска материала. В случае дискретного спуска расплава спускное отверстие может управляться, например, керамическим поршнем.
Погружные горелки в предпочтительном исполнении вводят струи продуктов сгорания в расплав под высоким давлением, которое достаточно для преодоления давления жидкости и создания принудительного восходящего движения пламени и продуктов сгорания. Скорость сгорания и/или скорость горючих газов, причем на выходе из форсунки (-нок), может быть ≥60 м/с, ≥100 м/с или ≥120 м/с и/или ≤350 м/с, ≤330 м/с, ≤300 м/с или ≤200 м/с. В предпочтительном исполнении скорость газов сгорания находится в области от около 60 м/с до 300 м/с, предпочтительно от 100 м/с до 200 м/с, более предпочтительно от 110 м/с до 160 м/с.
Температура расплава может быть в диапазоне от 1100°C до 1600°C; Она мог быть не меньше 1200°C или 1250°C и/или не более 1600°C, 1500°C или 1450°C.
Высота плавильной ванны в устройстве для плавления, особенно когда плавильная камера является по существу цилиндрической, с внутренним диаметром плавильной камеры предпочтительно от 1,5 м до 3 м, а более предпочтительно от 1,75 м до 2,25 м, может быть: ≥ около 0,75 м, ≥ около 0,8 м, ≥ около 0,85 м, или ≥ около 0,9 м, и/или ≤ около 2,2 м, ≤ около 2 м, ≤ около 1,8 м, или ≤ около 1,6 м.
Плавильные стенки камеры могут состоять из двойных стальных стенок, разделенных циркулирующей охлаждающей жидкостью, предпочтительно водой. В частности, в случае цилиндрической плавильной камеры такой узел относительно легко собирается и способен выдержать высокие механические напряжения. Цилиндрическая форма устройства для плавления способствует балансу механических напряжений на внешней стенке. Поскольку стенки охлаждаются, например охлаждаемой водой, расплав в предпочтительном исполнении отверждается и образует защитный слой на внутренней стороне стенки устройства для плавления. Рабочий узел устройства для плавления может и не потребовать никакую внутреннюю футеровку, а, следовательно, потребует менее сложное или менее дорогостоящее техническое обслуживание. Кроме того, расплав не загрязняется нежелательными компонентами огнеупорного материала, обычно попадающими в результате изнашивания из внутренней футеровки. Определенное преимущество заключается в том, что внутренняя поверхность стенки устройства для плавления может быть оснащена выступами или гранулами или другими малыми элементами, выступающими во внутрь устройства для плавления. Они могут помочь в образовании и фиксации слоя отвержденного расплава на внутренней стенке устройства для плавления, создающего футеровку, обладающую термостойкостью и уменьшающую передачу тепла охлаждающей жидкости в двойных стенках устройства для плавления.
Устройство для плавления может быть оборудовано рекуператором тепла. Горячие отходящие газы из устройства для плавления можно использовать для предварительного нагрева сырья или тепловую энергию, содержащуюся в них, можно рекуперировать. Аналогично тепловая энергия, заключенная в охлаждающей жидкости, циркулирующей между двумя стенками устройства для плавления, может быть также возвращена для нагревания или других целей.
Состав полученного расплава может содержать одно или несколько соединений из следующей таблицы:
Один или несколько аспектов, описанных в следующих патентных заявках, которые также относятся к плавлению и/или устройствам для плавления погружного горения, могут быть применены к изобретениям настоящей патентной заявки, и каждая из следующих патентных заявок включена в данный документ посредством ссылки:
Ниже описан вариант осуществления устройства для плавления, пригодный для использования по настоящему изобретению, со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:
- на фиг. 1а и 1b схематично представлена тороидальная форма потока;
- на фиг. 2 показан вертикальный разрез через устройство для плавления; и
- на фиг. 3 схематично представлена компоновка горелок.
На фиг. 1а и 1b представлена предпочтительная тороидальная форма потока, в которой расплав следует по восходящему направлению вблизи погружных горелок 21, 22, 23, 24, 25, 26, которые располагаются на круговой линии 27 горелок, течет внутри в направлении к центру круговой линии горелок у поверхности расплава и далее вниз вблизи упомянутого центра. Тороидальный поток создает бурное движение в расплаве, гарантирует хорошее размешивание расплава, эффективное сгорание органических материалов, присутствующих вместе с синтетическими минеральными волокнами применяемых сырьевых материалов, и погружение волокон и любого другого сырьевого материала в расплав.
Иллюстрируемое устройство для плавления 1 содержит: цилиндрическую плавильную камеру 3 с внутренним диаметром около 2,0 м, которая содержит расплав; верхнюю камеру 5; и трубу для удаления отходящих газов и паров. Верхняя камера 5 снабжена перегородками 7, которые предотвращают любые выбросы с поверхности 18 расплава, увлекаемые отходящими газами и парами. Загрузчик 10 сырья расположен в верхней камере 5 и предназначен для загрузки первичного сырья, включающего искусственные минеральные волокна, в устройство для плавления 1 в точке 11, расположенной над поверхностью 18 расплава вблизи боковой стенки устройства для плавления. Загрузчик 10 содержит горизонтальное подающее устройство, например подающий шнек, которое переносит сырьевую смесь в бункер, прикрепленный к устройству для плавления, нижняя часть которого может открываться и закрываться посредством вертикального поршня. В нижней части плавильной камеры находятся шесть погружных горелок 21, 22, 23, 24, 25, 26, расположенных на круговой линии 27 горелок, ось которой совпадает с осью устройства для плавления, а диаметр равен около 1,4 м. Расплав может выводиться из плавильной камеры 3 через управляемое выходное отверстие 9, расположенное в боковой стенке плавильной камеры у нижней части устройства для плавления по существу напротив загрузчика 10.
Температура внутри расплава может находиться между 1100°C и 1600°C, или 1200°C и 1500°C, или 1200°C и 1450°C, предпочтительно между 1250°C и 1400°C, в зависимости от состава расплава, заданной вязкости и других параметров. В предпочтительном исполнении стенка устройства для плавления является двойной стальной стенкой, охлаждаемой охлаждающей жидкостью, предпочтительно водой. Разводка охлаждающей воды, предусмотренная на внешней стенке устройства для плавления, предоставляет возможность потоку выводить надлежащее количество энергии от внутренней поверхности стенки для того, чтобы расплав мог затвердеть на внутренней стенке, а охлаждающая жидкость, в данном случае вода, не вскипеть.
Устройство для плавления 1 может быть смонтировано на демпферах, адаптированных для поглощения вибрации.
Погружные горелки представляют собой концентричные трубчатые горелки, работающие при газовых потоках 100-200 м/с, предпочтительно 110-160 м/с и образующие сгорание топливного газа и кислорода, представляющего собой газ внутри расплава. Сгорание и газы сгорания образуют бурное движение внутри расплава перед тем, как они покинут верхнюю камеру и уйдут через вытяжную трубу. Эти горячие газы могут быть использованы для предварительного нагрева сырьевого материала и/или топливного газа и/или окисляющего газа (напр. кислород, технический кислород содержит не менее 95% кислорода по весу или обогащенный кислородом воздух), применяемых в горелках. Отходящие газы в предпочтительном исполнении фильтруются перед выбросом в окружающую среду, при необходимости разбавляются с окружающим воздухом для уменьшения температуры перед фильтрацией.