СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВАТЫ МИНЕРАЛЬНОЙ
METHOD OF PRODUCING MINERAL WOOL

Изобретение относится к производству теплоизоляционных материалов при плавлении сырья в печах-вагранках, а именно к производству минеральной ваты, используемой для тепло- и звукоизоляции.
Минеральная вата - волокнистый материал, получаемый из силикатных расплавов горных пород, металлургических шлаков и их смесей. Производство минеральной ваты состоит из следующих операций: подготовки сырьевых материалов, плавления сырья и получения расплава, переработки минерального расплава и волокна, осаждения ваты (волокон), формирования минераловатного ковра в камере волокноосаждения.
В технологии производства минеральной ваты, как в России, так и за рубежом, основным технологическим агрегатом, используемым для плавления сырья, является печь-вагранка, где в качестве топлива используется кокс (коксовая вагранка) (www.know-house.ru/cgi-bin/new/, раздел «Изделия из минеральной ваты»).
Основные свойства минеральной ваты определяются модулем кислотности. При высоких модулях кислотности возможно получение более тонкого волокна. В свою очередь, чем тоньше волокно, тем лучше изоляционные свойства минеральной ваты, выше ее упругость, пластичность.
к
к
В соответствии с ГОСТ 4640-76 модуль кислотности М минеральной ваты должен быть не менее 1,2. Для минеральной ваты высшей категории качества модуль кислотности М - не менее 1,4.
Известен способ получения минеральной ваты по патенту РФ №2248332 (принят за прототип), включающий загрузку в печь топлива, исходного минерального сырья, плавление минерального сырья и выработку минеральной ваты, в качестве топлива используют смесь, состоящую из кокса, тощих углей и/или антрацитов.
Недостатком известного решения является пониженное количество проплава и повышенный расход кокса.
Достигаемый технический результат - расширение сырьевой базы для получения минеральной ваты; сокращение объемов использования дорогостоящих компонентов топлива - кокса, повышение проплава и снижение расхода топлива.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения ваты минеральной, включающем загрузку в печь-вагранку топлива, исходного минерального сырья, раскисляющей добавки, плавление минерального сырья и выработку минеральной ваты, согласно изобретению в качестве топлива используют кокс, полученный из шихты, содержащей продукт с выходом летучих веществ от 14 до 25% в количестве (5-100) мас.%, при этом указанный продукт получают путем замедленного полукоксования тяжелых нефтяных остатков.
Поскольку заявляемый способ предназначен для получения минеральной ваты при плавлении сырья в печи-вагранке, для обеспечения хорошей гидравлики и «хода» вагранки гранулометрический состав тощих углей и/или антрацитов должен приближаться к гранулометрическому составу применяемого кокса, т.е. быть крупнее 40 мм, но не более 150 мм. Гранулометрический состав применяемого кокса на практике считается оптимальным, если диаметр частиц топлива приближается к 0,1 диаметра вагранки, а диаметр вагранки примерно равен 1250 мм.
В качестве исходного минерального сырья могут быть использованы отходы металлургического производства или горнодобывающей промышленности.
При загрузке минерального сырья в печь (вагранку) минеральное сырье попадает на слой топлива. В процессе плавки минеральное сырье, плавясь, опускается в нижнюю часть вагранки, смешиваясь с расплавленной минеральной частью топлива. В качестве топлива, как уже отмечалось, наиболее распространенным является использование кокса. Кокс - дорогостоящий продукт, получаемый из природного сырья в процессе технологической переработки. Поэтому в заявляемом способе дорогостоящий металлургический кокс заменен на кокс, полученный из шихты, содержащей продукт с выходом летучих веществ от 14 до 25% в количестве (5-100) мас.%, при этом указанный продукт получают путем замедленного полукоксования тяжелых нефтяных остатков.
Кокс, полученный из шихты, содержащей продукт (полученный путем замедленного полукоксования тяжелых нефтяных остатков) с выходом летучих веществ от 14 до 25% в количестве (5-100) мас.%, обладает свойствами, приведенными в Таблице 1.
Для удобства изложения продукт с выходом летучих веществ от 14 до 25%, полученный в результате замедленного полукоксования тяжелых нефтяных остатков, далее по тексту обозначен как добавка ДК.
Угольная часть шихты приведена как один из частных случаев для примера. Возможны другие компоненты и комбинации шихт.
В Таблице 1 приведены показатели качества сырья.
В Таблице 2 приведены составы шихт.
В Таблице 3 приведены показатели качества кокса, полученного из шихт из Таблицы 2.
Показатели качества расшифровываются следующим образом:
d
daf
d
o,n
- показатель массовой доли общей влаги; A - зольность кокса в сухом состоянии; V - выход летучих веществ на сухое беззольное состояние кокса; S - содержание серы на сухое состояние кокса; Y - толщина пластического слоя; R - показатель отражения витринита.
Марки углей расшифровываются следующим образом:
ГЖ - газово-жирные угли; ГЖО - газово-жирные отощенные угли; КО - коксовые отощенные угли; КС - коксовые спекающие угли; Ж - жирные угли; ОС - отощенные спекающие угли.
Таблица 2
Компоненты шихты, марка угля
Долевое участие, %
Шихта произв.
Шихта 1
Шихта 2
Шихта 3
Шихта 4
Шихта 5
Шихта 6
1
2
3
4
5
6
7
8
ГЖ+ГЖО
36
30
30
40
40
20
0
КО+КС
13
7,5
10
6
0
10
0
Ж
10
10
10
8
10
10
0
КО+КС
10
10
10
6
0
0
0
ОС
10
7,5
10
10
10
0
0
ОС+КС
21
20
20
0
0
0
0
Нефтяной полукокс (добавка ДК)
-
5
10
30
40
50
100
Шихта производственная
100
Шихта 1
100
Шихта 2
100
Шихта 3
100
Шихта 4
100
Шихта 5
100
Шихта 6
100
Таблица 3
Компоненты шихты, марка угля
Показатели качества кокса
<img file="00000002.tif" he="7" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />, %
A<sup>d</sup>, %
V<sup>daf</sup>, %
S<sup>d</sup>, %
Д, мм
M25
M10
CRI
CSR
1
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Шихта производст-венная
5,8
12,1-13,0
0,6
0,58
62
87,6
9,5
36,7
44,3
Шихта 1
6,0
12,0
0,6
0,65
65
86,6
9,5
35,0
45,0
Шихта 2
6,5
11,5
0,65
0,75
70
87,5
9,7
35,0
45,0
Шихта 3
8,3
10,4
0,53
1,57
83
85,4
10,2
33,8
45,8
Шихта 4
8,9
8,7
0,50
2,05
85
87,0
10,2
33,4
48,0
Шихта 5
6,7
6,7
0,60
2,45
90
88,0
9,8
30,0
50,0
Шихта 6
7,5
1,32
0,52
3,75
95
88,7
9,5
24,0
70,1
CRI - показатель реакционной способность кокса; CSR - показатель послереакционной прочности кокса; M10 - показатель истираемости кокса; М25 - показатель прочности кокса.
Пример 7: шихта 7 составлена из 50 процентов нефтяного полукокса с выходом летучих веществ 14,2% и 50% нефтяного полукокса с выходом летучих веществ 24,8%, при этом получен кокс с показателями CSR=70,5%, CRI=23,8%. При испытании в плавке получены результаты, аналогичные результатам согласно примеру 6.
d
daf
d
Показатель  - показатель массовой доли общей влаги, A - зольность кокса в сухом состоянии; V - выход летучих веществ на сухое беззольное состояние кокса; S - содержание серы на сухое состояние кокса; CRI - показатель реакционной способность кокса; CSR - показатель послереакционной прочности кокса.
Испытания, результаты которых приведены в Таблицах 1-3, проводились на печи Николаева, показывают, что послереакционная прочность кокса из шихты с добавкой ДК выше, чем у кокса без добавки. Зависимость CSR кокса от содержания добавки в шихте близка к логарифмической: lgCSR=А+BlgC, где С - содержание добавки ДК в шихте.
Плавка с использованием кокса с добавкой ДК должна сопровождаться при сохранении ранее применяемых условий загрузки (величина колоши) более полным сгоранием (использованием химического потенциала) ввиду снижения высоты колоши, снижения поверхности кусков кокса, повышения газопроницаемости.
Ранее по статистическим данным авторов изобретения было установлено, что расход кокса крупнее 40 мм при плавке медьсодержащих материалов на 15% ниже по сравнению с расходом кокса крупнее 25 мм. Следовательно, расход более крупного кокса при прочих равных условиях должен снижаться.
Авторами были проведены испытания и были определены показатели восстановительной плавки медьсодержащих материалов согласно заявленному способу с коксом из шихты с содержанием добавки ДК в количестве от 5 до 100 мас.%.
В Таблице 4 приведены сравнительные характеристики металлургического кокса (базовый период) и коксов, полученных из угольных шихт с добавкой ДК при различном количестве добавки ДК в шихтах.
Таблица 4
№ п/п
Вид топлива
Зольность, мас.%
Выход летучих веществ, мас.%
Содержание серы, мас.%
Крупность, мм
Теплота сгорания, ккал/кг
Кокс металлургический крупнее 40 мм (базовый период)
12,5
0,5-1,0
0,58
62
6600
Кокс из угольных шихт с добавкой ДК:
1
Кокс из шихты с 5% Ж
12,0
0,60
0,70
65
6660
2
Кокс из шихты с 10% ДК
11,5
0,65
0,75
70
6720
3
Кокс из шихты с 30% Ж
10,4
0,53
1,57
80
6960
4
Кокс из шихты с 50% ДК
6,7
0,55
2,45
90
7200
5
Кокс из шихты с 100% ДК
1,32
0,52
3,75
90
7800
Как видно из Таблицы 4, теплота сгорания коксов с добавкой ДК выше, чем у металлургического кокса. Также чем больше содержание добавки ДК, тем меньше зольность.
Авторами были проведены испытания получения минеральной ваты согласно заявляемому способу.
Испытания проводились с использованием минераловатной вагранки с внутренним диаметром 1,6 м с горячим дутьем. Рабочее пространство вагранки представляет собой вертикальную водоохлаждаемую цилиндрическую трубу с внутренним диаметром 1600 мм. В нижней части печи располагается один ряд фурм для подачи горячего воздушного дутья диаметром 90 мм в количестве 11 штук. Высота ее горновой части составляет около 1000 мм. Общая высота слоя от подины до завалочного окна равна 5000 мм. Вагранка относится к агрегатам с закрытым от окружающей среды рабочим пространством. Сбор расплава производится на подине с последующим перетеканием его в стационарный сифон и далее на центрифугу. Удаление газообразных продуктов плавки осуществляется через отдельный газовый патрубок, расположенный между шахтой подачи шихты и основной шахтой вагранки.
В качестве исходного сырья был использован базальт, доменный шлак и раскислитель - известняк.
В Таблице 5 приведены значения химического состава применяемых видов минерального сырья и золы коксов для производства минеральной ваты согласно заявляемому способу.
2
Гранит также содержит TiO в количестве 0,4%.
к
В колонке 14 указаны значения потерь при прокаливании; в колонке 15 указаны значения модуля кислотности М.
В Таблице 6 приведены примеры осуществления заявляемого способа.
Авторами были проведены также исследования, при которых в качестве минерального сырья брался только доменный шлак, а в качестве раскисляющей добавки - гранит.
В качестве кокса в базовом варианте (база сравнения) используется металлургический кокс крупнее 40 мм, средний размер куска 62 мм. Характеристики металлургического кокса приведены в Таблицах 3 (кокс из шихты производственной) и 4 (металлургический кокс).
В качестве кокса по предлагаемому изобретению используется кокс из угольной шихты с добавкой нефтяного полукокса 50% (характеристики кокса с 50% ДК приведены в Таблицах 3 и 4), средний размер куска 90 мм.
В качестве минерального сырья используется доменный шлак; в качестве раскисляющей добавки используется гранит, химический состав которых указан в Таблице 5.
Плавки осуществлялись на типовой вагранке диаметром 1250 мм с тремя уровнями дутья.
Расход кокса при использовании в качестве минерального сырья доменного шлака, раскисляющей добавки - гранита, а в качестве топлива - металлургического кокса составлял 130 кг. Расход доменного шлака - 700 кг, расход гранита - 40 кг. Модуль кислотности получаемого минерального волокна составлял 1,3.
Расход кокса при использовании в качестве минерального сырья доменного шлака, раскисляющей добавки - гранита, а в качестве топлива - кокса из угольной шихты с 50% ДК составлял 115 кг. Расход доменного шлака - 700 кг, расход гранита - 40 кг. Модуль кислотности получаемого минерального волокна составлял 1,3.
Таким образом, расход топлива снижается примерно на 11%. Проплав увеличен на 10%.
Следует отметить, что в указанном примере используемое минеральное сырье отличается от минерального сырья, используемого в примерах, приведенных в Таблице 6.
При использовании в качестве минерального сырья базальта и доменного шлака, а в качестве раскислителя - известняка, получают минеральное волокно с высокой температурой плавления (более 1400°С).
При использовании в качестве минерального сырья только доменного шлака, а в качестве раскислителя - гранита, получают минеральное волокно с более низкой температурой плавления (около 1300°С).
Таким образом, заявляемый способ эффективен как при получении минерального волокна (минеральной ваты) с высокой температурой плавления, так и с более низкой температурой плавления.
В обоих случаях наблюдается снижение удельного расхода топлива, а также увеличивается проплав.
Это объясняется тем, что показатели плавки при получении минеральной ваты обусловлены главным образом особенностями используемого при плавке топлива.
3
3
3
Исследования показателей работы минераловатной вагранки в исследуемый период показали, что при переходе на кокс согласно заявляемому способу наблюдается улучшение газодинамики слоя шихты. Это выражается в понижении давления воздуха в распределительном коллекторе с 47,62 Мбар до 42,0 Мбар, т.е. на 11,8 отн.%, а также увеличением общего расхода воздуха на вагранку с 4867 нм/час до 5300 нм/час, т.е. на 433 м/час или на 8,9%. Что позволяет сделать вывод о том, что при плавке минерального сырья согласно заявляемому способу вагранка получает существенный резерв по производительности.
Соответственно можно сделать вывод, что при переходе на кокс согласно заявляемому способу в зависимости от содержания добавки ДК в шихте для получения кокса будет наблюдаться повышение производительности вагранки по исходным материалам на 2-17,7 отн.%.
Показатели работы вагранки позволяют также отметить повышение средней температуры получаемого расплава с 1462°С до 1510°С, т.е. на 48°С или на 3,28 отн.%. Это указывает на более эффективное сжигание кокса в рабочем пространстве вагранки.
Модуль кислотности получаемой согласно заявляемому способу минеральной ваты составляет в пределах 1,5-1,7. Высокий модуль кислотности и температура расплава в пределах от 1470 до 1510°С обеспечивают высокую подвижность расплава (низкую вязкость), следовательно, расплав распыляется в более тонкое волокно.
Таким образом, заявляемый способ позволяет получать минеральную вату с высоким модулем кислотности (не ниже, чем у лучших аналогов), позволяет повысить производительность вагранки, а также позволяет расширить минеральную базу сырья (в том числе топлива), используемого при производстве минеральной ваты.
Кроме того, заявляемый способ позволяет снизить расход кокса и увеличить проплав.
Сокращение расхода кокса, получаемого из угольсодержащих шихт с добавкой ДК, происходит по двум причинам. Во-первых, у кокса с добавкой ДК ниже зольность (следовательно, выше теплота сгорания - теплотворная способность, см. Таблицу 3), а во-вторых, выше крупность кусков кокса. Показатель зольности приведен в Таблице 1. Промышленная проверка производства кокса из шихты с содержанием добавки ДК в количестве от 5 до 100 мас.% показала, что средний размер кусков такого кокса при содержании добавки ДК в количестве 40% составляет 90 мм. При этом средние размеры металлургического кокса составляют 55-65 мм.
3
3
3
3
Кроме того, кокс с добавкой ДК имеет повышенную плотность - 1,25 г/см, против 1,00 г/см у кокса без добавки ДК, а также более высокую истинную плотность 1,830-1,840 г/см против 1,790-1,815 г/см для коксов из шихт без добавки ДК.
Расход крупного кокса всегда ниже при одинаковых температурных режимах и рациональной технологии загрузки, за счет более полного горения углерода кокса (полного использования химического потенциала, т.е. дожигания СО). Одновременно улучшаются экологические условия за счет снижения расхода топлива и его более полного химического сжигания (снижение выбросов СО).
Следует также отметить, что с ростом содержания добавки ДК в шихте снижается стоимость кокса, следовательно, удешевляется процесс производства минеральной ваты.