СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МИНЕРАЛЬНОЙ ВАТЫ
METHOD OF PRODUCING MINERAL WOOL

Изобретение относится к производству теплоизоляционных материалов при плавлении сырья в печах-вагранках, а именно к топливу для производства минеральной ваты, используемой для тепло- и звукоизоляции.
Известен способ ваграночной плавки чугуна и оксидных материалов на антраците, включающий загрузку материалов в шахту вагранки и подачу дутья в кислородную зону, позволяющий заменить кокс на антрацит (патент RU 2335718. МПК F27B 1/00, С21С 1/08, опуб. 10.10.2008.). Основной недостаток способа плавки на антраците - низкая термическая стойкость, вследствие чего он при быстром нагреве выше 800 градусов Цельсия в вагранке и большом давлении столба металлической шихты растрескивается на мелкие куски, которые уменьшают свободное сечение вагранки и приводят к нарушению хода плавки, и даже превращаются в пыль, забивают кислородные каналы вследствие чего может произойти погасание огня и застывание расплава, что приводит к выходу из строя всей вагранки, необходимо вручную выбивать изнутри застывший расплав.
Известен способ получения минеральной ваты (М.Ф. Сухарев и др. "Производство теплоизоляционных материалов", "Высшая школа", 1981 г., стр. 32-59), включающий загрузку исходного минерального сырья - доменного шлака, в вагранку. Для повышения модуля кислотности в состав минерального сырья добавлена корректирующая добавка - раскислитель (диорит), имеющая больший, чем у исходного минерального сырья, модуль кислотности. В качестве топлива используют литейные (или доменные крупностью более 40 мм) коксы. Недостатком известного способа является то, что минеральная вата имеет небольшой модуль кислотности - не более 1,2-1,25, а также высокий расход кокса, являющимся дорогостоящим компонентом. К недостаткам известного способа можно отнести и необходимость использования специальной раскисляющей добавки, плавление и равномерное смешение которой с основным компонентом плавки - расплавом доменного шлака представляет дополнительную проблему.
Известен способ ваграночной плавки чугуна и оксидных материалов на тощих углях, включающий загрузку шихтовых материалов и топлива в топливные колоши, подачу подогретого до 450-550°С дутья, в котором в качестве топлива используют смесь 40% березовых дров и 60% тощих углей при высоте загрузки материалов в вагранку 4,0-4,5 м. (Пат. РФ №2407804, МПК С21С 1/08, С03В 5/12, опуб. 27.12.2010.). Недостатком известного способа является его высокая реакционная способность, что связано с огромной пористостью (80-87%) тощих углей, что негативно сказывается на надежность работы, так как при температурах выше 800°С идет его быстрое прогорание или разрушение, что приводит закупориванию кислородных каналов шихты.
Известен способ получения ваты минеральной, (Пат. РФ №2439006, МПК С03С 13/06, опуб. 10.01.2012.), включающий загрузку в печь-вагранку исходного минерального сырья, топлива и раскисляющей добавки, плавление минерального сырья и выработку минеральной ваты, в качестве топлива используют кокс, полученный из шихты, содержащей продукт замедленного полукоксования тяжелых нефтяных остатков. Недостатком известного способа является появление на начальной стадии розжига едкого плотного дыма с выделением липких летучих веществ и низкой механической прочностью полукоксованных нефтяных остатков, что может привести к затвердеванию жидкого расплава в шихте вследствие его остывания.
Наиболее близким к заявляемому (прототипом) является способ получения минеральной ваты по патенту РФ №2248332 (МПК С03В 37/06, С03С 13/06, опуб. 20.03.2005.), включающий загрузку в печь исходного минерального сырья и топлива, плавление минерального сырья и выработку минеральной ваты, где в качестве топлива используют смесь, состоящую из кокса, тощих углей и/или антрацитов. Недостатком известного решения низкая механическая прочность, при температурах горения выше 800°С, а также небольшой модуль кислотности конечного продукта - минеральной ваты.
Стоит задача расширения сырьевой базы топлива для получения минеральной ваты, удешевление процесса производства, повышение теплоотдачи, утилизация отходов алюминиевого производства, уменьшения выброса вредных газов в атмосферу.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения минеральной ваты, включающем загрузку топлива, исходного минерального сырья в печь, плавление минерального сырья и выработку минеральной ваты, согласно изобретению, в качестве топлива используют огарки обожженных анодов или смесь огарков обожженных анодов с ломом угольной футеровки, или смесь огарков обожженных анодов с ломом угольной футеровки и коксом, или смесь лома угольной футеровки с коксом. Причем огарки обожженных анодов и лом угольной футеровки используют при соотношении компонентов от от 75 до 95 и от 5 до 25 мас. % соответственно. Или огарки обожженных анодов, лом угольной футеровки и кокс используют при соотношении компонентов от 45 до 90, от 5 до 30, и от 5 до 25 мас. % соответственно. Или лом угольной футеровки и кокс используют при соотношении компонентов от 5 до 50, и от 50 до 95 мас. % соответственно.
От прототипа заявляемый способ отличается тем, что в составе топлива при плавлении шихты в способе производства минеральной ваты используют огарки обожженных анодов и/или лом угольной футеровки - отходы алюминиевого производства, или в смеси между собой и с коксом.
Из уровня техники использование электродного боя в качестве добавки для вагранок известно, однако в известных технических решениях он выполняет функцию холостой колоши, то есть как насадка для пропуска кислорода. Например:
в патенте РФ №2186122 - электродный бой в количестве 15-25% используют в качестве огнеупорной насадки в газовых вагранках с огнеупорной насадкой, и используется как источник углерода для обогащения науглероживания чугуна, а не как топливо.
в патенте РФ №2044059 - графитовый материал в газовых вагранках используется для поддержания температуры выделяемой при сжигании газа в вагранке, то есть, как и в патенте РФ №2186122 не подразумевается использование электродного боя как самостоятельного топлива.
в патенте РФ2194230 - предлагает использование электродной стружки в составе подины газовой вагранки для повышения вязкости расплава, по средствам внедрения окиси алюминия через стружку и не подразумевает использования электродного боя как самостоятельное топливо.
в патенте РФ №2243465 - предлагают использовать как огнеупорная холостая колоша для повышения содержания углерода в чугуне, и не подразумевает использования электродного боя как самостоятельное топливо.
в патенте РФ №2219450 - в составе холостой огнеупорной колоши газовой вагранки используют коксовые брикеты и отходы механической обработки заготовок графитизированной продукции, спрессованных и спеченных при температуре спекания 1300-1350°С, но температура расплава минеральной ваты больше 1350°С, что в совокупности с механической нагрузкой приводит к разрушению брикетов, закупориванию воздушных каналов в вагранки и последующему затвердеванию расплава. Заявляемое изобретение лишено таких недостатков, так как не разрушается при механических нагрузках и температурах выше 1500°С.
Таким образом, в известных способах использование лома угольной футеровки и/или огарков обожженных анодов в качестве самостоятельного топлива неизвестно, то есть из уровня техники решений, имеющих признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о том, что заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Аноды - расходный материал электролизеров, в которых из глинозема выплавляется алюминий. Обожженные аноды отличаются от обыкновенных меньшим расходом энергии при плавке (плавка алюминия - самый энергозатратный процесс во всей металлургии), а также своей экологичностью, значительно уменьшая выбросы в атмосферу газов и крайне вредных смолистых веществ.
Огарки обожженных анодов получаются при отработке обожженных анодов в электролизерах алюминиевых заводов и имеют следующие свойства: физическое состояние - твердое; содержание углерода от 80%; содержание серы общей от 0,5% до 3%; содержание оксида алюминия от 0,5 до 2%; содержание золы до 20%; содержание железа от 0,05 до 0,4; влажностью от 0,3 до 2,5%; содержание прочих до 8%; размерность от 100 мм.
Лом угольной футеровки алюминиевых электролизеров получается при производстве первичного алюминия, в процессе которого при электролизе криолит - глиноземной шихты угольная часть катодной футеровки приходит в негодность. При капитальном ремонте катодного узла электролизера отработанную футеровку удаляют с помощью гидромолота из катодного кожуха и заменяют на новую.
Лом угольной футеровки состоит из: натрий - от 6 до 10%; алюминий от 1 до 8%; окись алюминия от 4 до 10%; углерод от 60 до 80,1%; кремний (диоксид) - от 3 до 7%; железо (оксид) - от 0,4 до 1,5%; прочие до 20%.
Оптимальной по гранулометрическому составу топливной смеси, поступающей в вагранку, является фракция (90÷240) мм, лещадностью не ниже 2 группы по ГОСТ 8267-93 в редакции №3 от 24.04.2002 г.
Заявляемый способ поясняется примерами, результаты которых приведены в таблицах.
Во время промышленных испытаний, для определения эффективности работы вагранки, дозировка кокса, лома угольной футеровки, огарков обожженных анодов повышалась от 5% до 100% в пропорциях с шагом 5%.
Характеристика и химический состав золы топлив и минеральных компонентов приведен в таблице 1.
В таблице 1 использованы следующие обозначения:
С - углерод, мас. %;
D - размер кусков топлива, мм.
Варианты примеров осуществления приведены ниже.
Режим 1 - существующий режим работы ваграночной печи производства минеральной ваты. В режимах 2, 3, 4, 5 приведены полученные результаты проведенных испытаний на действующих заводах, производящих минеральную вату. Замеры произведены с помощью автоматизированных комплексов, входящих в систему АСУ ТП завода.
Цель эксперимента: Снижение энергозатрат при получении тепловой энергии, за счет использования в качестве топлива отходов алюминиевого производства (лома угольной футеровки и огарков обожженных анодов) при минераловатном производстве.
Сырьем для получения минеральной ваты является габбро-диабаз, доломит, шлак.
Габбро-диабаз
- 58%
Доломит
- 13%
Шлак
- 29%
1. Для сравнения в ходе эксперимента в существующем режиме работы, взятый за контрольный, в качестве топлива использовалось:
Кокс
- 100%
2. При проведении промышленного эксперимента в качестве топлива был использован состав:
Кокс
- 50%
Лом угольной футеровки
- 50%
При внесении лома угольной футеровки в топливную составляющую шихты увеличивается температура расплава и температура газов на выходе.
3. Режим работы 3. При проведении промышленного эксперимента в качестве топлива был использован состав:
Кокс
- 25%
Лом угольной футеровки
- 30%
Огарки обожженных анодов
- 45%
4. При проведении промышленного эксперимента в качестве топлива были использованы
Огарки обожженных анодов
- 100%
При внесении огарков обожженных анодов в топливную составляющую шихты увеличивается температура расплава и температура газов на выходе.
5. При проведении промышленного эксперимента в качестве топлива был использован состав:
Лом угольной футеровки
- 25%
Огарки обожженных анодов
- 75%
Эксперимент показал, что возможно применение лома угольной футеровки и огарков обожженных анодов в минераловатном производстве. В ходе проведения эксперимента снижение производительности нет. Температура и вязкость расплава были в пределах заложенной технологической карты печи-вагранки получения минеральной ваты. Значения физико-механических показателей выпускаемой продукции соответствуют ТУ, расход топлива снизился до 23% при добавлении кокс + лом угольной футеровки + огарки, кокс + лом угольной футеровки, огарки обожженных анодов + лом угольной футеровки, огарки обожженных анодов с сохранением той же производительности.
Температура в горне не понижается. Воздух, поступающий через фурмы, взаимодействует с углеродом топлива по реакциям:
2
С + 0,5О = СО + 110964 кДж/моль;
2
2
С + O = CO + 395052 кДж/моль.
Образовавшаяся СО при наличии свободного кислорода догорает:
2
2
СО + 0,5О = CO + 248088 кДж/моль.
2
2
2
У поверхности кусков топлива повышается концентрация СО и температура газов. СО будет перемещаться в поток газов, где его концентрация мала. Частично СО взаимодействует с раскаленным углеродом топлива по реакции:
2
С + СО = 2СО - 173124 кДж/моль.
2
2
2
2
2
2
2
Имеется свободный кислород О который догорает до СО, т.е. поток газов обогащается СО и обедняется кислородом. Та зона вагранки, где имеется свободный кислород, называется кислородной зоной. В конце кислородной зоны температура газов достигает максимума, усиливается процесс восстановления CO с поглощением тепла и с увеличением содержания СО. Зона вагранки, где увеличивается концентрация СО в ваграночных газах, называется редукционной. Таким образом, активная часть вагранки, расположенной от фурм до зоны плавления, условно может быть разделена на две зоны: кислородную, где поток газов еще содержит O и горение завершается в основном образованием СО, и редукционную, где свободного кислорода практически нет, продукты горения обогащаются СО за счет восстановления СО. Эти факторы влияют и на процессы, протекающие в печи.
Лом угольной футеровки и огарки обожженных анодов необходимы для пополнения топливной части вагранки и снижения расхода топлива, так как они очень плотные и медленно горят, поэтому выгорание топлива в вагранке происходит медленнее, но при этом имеют большую теплоотдачу, что доказано экспериментом, этим самым уменьшается выход вредных газов в атмосферу и расход кокса по причине более высокой теплоотдачи. Можно работать на 100% огарке обожженных анодов, с подачей кислорода при температуре дутья не менее 630°С.
В таблице 2 приведены результаты мониторинга выбросов в атмосферу на действующих заводах, производящих минеральную вату. Замеры произведены с помощью автоматизированных комплексов, входящих в систему АСУ ТП завода.
При использовании в качестве топлива для печи-вагранки вместо кокса отходов алюминиевого производства наблюдается снижение вредных выбросов в атмосферу.
В отличие от коксовых угольных брикетов при достижении температур горения выше 1000 градусов Цельсия и внешних механических нагрузок, не происходит разрушения кусков отходов алюминиевого производства, а наоборот, идет равномерное и постепенное выгорание с поддержанием нужной температуры;
В отличие от кокса, отходы алюминиевого производства имеют более ромбовидную форму, выгорают дольше, дают большую температуру, что позволяет воздуху лучше и в больших количествах проходить через шихту, вследствие чего расплав минерального сырья идет быстрее.
Замена части кокса в топливе огарками обожженных анодов и/или ломом угольных электродов позволяет не только сэкономить на дорогостоящем литейном коксе для технологического процесса изготовления минеральной ваты, но и позволяет сократить количество добавок, используемых при составлении композиции минерального сырья, обеспечивающих необходимый модуль кислотности получаемого конечного продукта - минеральной каты, а также ликвидировать огромные полигоны отходов алюминиевого производства - огарков обожженных анодов и/или лома угольных электродов.
Заявляемое изобретение позволяет решить задачу расширения сырьевой базы топлива для получения минеральной ваты, удешевления процесса производства, повышения теплоотдачи, утилизации отходов алюминиевого производства, уменьшения выброса вредных газов в атмосферу.