СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОЛОКОН И ЗАСЫПКА ДЛЯ ПЛАВИЛЬНОГО АГРЕГАТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО РАСПЛАВА
METHOD FOR MANUFACTURING OF INSULATION MATERIALS FROM MINERAL FIBERS AND FILL FOR MELTING APPARATUS FOR PRODUCTION OF MINERAL MELT

Изобретение относится к способу изготовления изоляционных материалов из минеральных волокон, в частности из стекловаты или минеральной ваты, при осуществлении которого плавильный агрегат, в частности вагранка, загружается расплавляемым исходным материалом для изготовления силикатного расплава и топливом, при этом топливо содержит первичный энергоноситель, в частности литейный кокс и заместитель, и полученный из исходного материала расплав подается в устройство для измельчения, в котором расплав измельчается преимущественно в микроволокна, и данные волокна накладываются на транспортирующее устройство в виде нетканого ваточного холста. Далее изобретение относится к засыпке для плавильного агрегата, в частности вагранки для получения минерального расплава, который подается в устройство для изготовления минеральных волокон, в частности минеральной ваты или волокон стекловаты, при этом минеральные волокна для изготовления ваточного холста из минеральных волокон накладываются на сборный транспортер, на котором размещается расплавляемый исходный материал и топливо, которое состоит из первичного энергоносителя, в частности литейного кокса и заместителя.
Изоляционные материалы из минеральных волокон изготовляют из силикатных расплавов. Для этой цели силикатный исходный материал, например стекло, природные или искусственные камни, подаются в плавильный агрегат, например вагранку или шахтную печь. Полученный из этого исходного материала силикатный расплав подается после этого в измельчающий агрегат, в котором силикатный расплав разделяется на микроскопические минеральные волокна. Направляемые после этого в сборную камеру минеральные волокна смачиваются, как правило, связующим или пропитывающим веществом и накладываются на расположенное под сборной камерой транспортирующее устройство, при этом, как правило, речь идет о ленточном транспортере. Смоченные связующим или пропитывающим веществом минеральные волокна образуют на транспортирующем средстве нетканый ваточный холст из минеральных волокон, который обрабатывается известным способом в подключенных термических и/или механических устройствах с целью изготовления изоляционных материалов в виде полотен, плит, формованных изделий или тому подобных изделий. Вследствие этого изоляционные материалы из минеральных волокон состоят из стекловидно отвердевших волокон, которые с помощью незначительного количества связующего вещества соединяются между собой в отдельных точках.
Изоляционные материалы из минеральных волокон подразделяют на материалы из стекловаты и из минеральной ваты. Изоляционные материалы из минеральных волокон, изготовленные из стекловаты, получают из силикатных расплавов с относительно высокими долями преобразователей сетчатой структуры, в частности щелочей и бора. Сырьевые материалы расплавляют в подовых печах, работающих на жидком топливе или на газовом топливе. Измельчение на волокна производится, например, с помощью так называемого TEL-способа, при осуществлении которого расплав под воздействием центробежных сил пропускается через отверстия в стенках вращающегося тела. С помощью этого способа получают относительно длинные и гладкие волокна.
Изоляционные материалы из минеральной ваты первоначально выплавляли из горных пород, например, диабаза, базальта, известняка и доломита. С течением времени все в большей мере данные природные горные породы начали заменять искусственными камнями или загружать их на переплавку вместе с искусственными камнями. Для изготовления данных искусственных камней используют, в частности, отходы производства, при этом отходы могут состоять также и из затвердевших расплавов, которые образуются при регулярном опоражнивании плавильного агрегата. Наряду с данными отходами перерабатывают также и забракованные производственные плавки. Отходы на первом этапе измельчают, затем смешивают с портландцементом в качестве связующего и щебнем из горной породы и затем прессуют для получения искусственных камней, или так называемых формованных камней.
Большие куски горной породы и/или соответственно отформованные камни загружают вместе с крупнокусковым коксом в качестве первичного энергоносителя в плавильный агрегат, как правило, в вагранку. Далее загружают добавки со спектром гранулометрического состава примерно 80-200 мм. За счет воздействия снизу на столб, состоящий из сырьевого материала-кокса, то есть по принципу противотока с помощью необходимого для горения воздуха, кокс сгорает сверху над подом печи. В области поступления воздуха температура печи достигает такого высокого показателя, при котором плавится порода и добавки. При этом доля уже стекловидно затвердевших отходов повышает скорость плавления. По направлению вверх температура в печи понижается, так как тепловая энергия отбирается камнями и первичным энергоносителем. Одновременно происходит понижение содержания кислорода в печи.
С помощью дополнительного нагрева отходящего воздуха вредные соединения углерода преобразуются в менее вредные или безвредные соединения. Энергоресурс отходящего воздуха впоследствии с помощью теплообменников подается в воздух для горения.
Загруженные в плавильный агрегат расплавленные компоненты исходных материалов опускаются в нижнюю часть плавильного агрегата. При этом происходит ликвация, в которой на поду собирается восстановленное из горной породы железо, а необходимый для изготовления волокон расплав с меньшим удельным весом выпускается через расположенное сверху пода выпускное отверстие. Выпущенный здесь расплав подается в устройство для изготовления нитей. Из поданного в устройство для изготовления волокон расплава в волокна преобразуется только лишь 50% объема, более грубые неволокнистые компоненты отделяют от волокнистых компонентов с помощью воздушной классификации.
Собранное в области пода железо необходимо регулярно выпускать. Во время выпуска железа производство волокон прерывается. Содержащийся в этот момент времени в плавильном агрегате расплав при новом пуске плавильного агрегата уже непригодный для непосредственного изготовления изоляционных материалов и поэтому повторно перерабатывается и используется для производства.
При происходящем в большинстве случаев в вагранках процессе плавки существует сильная зависимость между вязкостью и температурой. Далее имеет место образование большого количества зародышей и таким образом склонность к кристаллизации. Эти характеристики при изготовлении минеральных волокон на так называемых каскадных прядильных машинах приводят к образованию относительно коротких и пневмосоединенных минеральных волокон. Отдельные минеральные волокна затвердевают в стекловидную форму. На основании их состава температуроустойчивость минеральных волокон из расплава горной породы более высокая по сравнению с изоляционными материалами из стекловолокна.
2
3
2
3
При изготовлении и оценке минеральных волокон имеет значение биологическая растворимость, то есть длительность пребывания минеральных волокон в человеческом организме. Биологическая растворимость изоляционных материалов из горной породы в значительной мере зависит от содержания АlО. С увеличением содержания АlО, с одной стороны, повышается температуроустойчивость волокон, а с другой стороны, неожиданным образом также и биологическая растворимость.
2
2
3
2
2
2
Типичный состав биологически растворимых минеральных волокон из минеральной ваты имеет долю SiO в пределах 35-43 мас.%, долю АlО в пределах 17,5-23,5 мас.%, долю TiO в пределах 0,1-3 мас.%, долю FeO в пределах 1,7-9,3 мас.%, долю СаО+MgO в пределах от 23,5 до 32 мас.%, и долю KO+NaO в пределах 1,3-7 мас.%.
2
3
Для экономичности используемых в качестве массового продукта изоляционных материалов из минеральной ваты имеет важное значение использование исходных материалов, которые содержат большую долю АlО. Природная горная порода хотя и содержит большую долю алюмосиликатов, однако они все же присутствуют не в требуемой концентрации или только вместе с нежелательными минералами. Кальцинированные бокситы в противоположность этому относительно дорогостоящие. По этой причине в большом количестве используют отходы, которые до сих пор часто вывозили на свалку и которые из-за большого содержания растворимых веществ представляли несущественную опасность для окружающей среды. Одновременно эти отходы, которые образовывались, например, при изготовлении минеральной ваты в виде остатков расплава, отделенных, неволокнистых частиц, уловленной фильтром пыли, бракованных изделий или т.п. почти полностью снова перерабатывались в первичном цикле отходов. Эти отходы перед их переработкой подвергали подготовке в соответствии с требованиями машинного оборудования, в частности плавильных агрегатов. Так, например, отходы для использования измельчали и перемешивали различные гранулометрические составы между собой или с другими осколочными исходными материалами, добавляли в них вяжущее, например, цемент и прессовали в виде формованных изделий достаточно большого размера перед загрузкой этих формованных тел в виде крупного кускового исходного сырья в шахтную печь или вагранку. Так, например, из описания изобретения к заявке № ЕР 0765295 С1 известно, что соответствующие формованные изделия из мелкозернистого исходного сырья связывали также с помощью лигнина. В заявке WO 94/12007 описаны соответствующие формованные изделия, скрепленные с помощью содержащего молассы связующего вещества.
Как уже упоминалось, в качестве первичного энергоносителя используется кокс. Необходимая для расплавления исходного сырья первичная энергия составляет 2 Мегаватт на тонну расплава. В зависимости от происхождения используемого для коксования угля содержание неорганических компонентов кокса (содержание золы) составляет в промежутке 6-10 мас.%.
В качестве особо приемлемого первичного энергоносителя оказался литейный кокс. Литейный кокс обладает высокой теплотворной способностью примерно 30000 кДж/кг при незначительном содержании воды менее 5 мас.%. Кроме того, литейный кокс содержит незначительное количество золы менее 10 мас.%, отличается незначительным содержанием серы в количестве менее 1 мас.%, а также незначительным содержанием летучих компонентов в количестве менее 1 мас.% при одновременно высокой прочности по испытанию в барабане М80 более 75%. При этом необходимо принимать во внимание то обстоятельство, что не горючие компоненты кокса поглощаются в силикатном расплаве. По этой причине требуются такие виды горючего, в которых доля не горючих компонентов является незначительной и не оказывает отрицательного влияния на конечный продукт.
Из описания изобретения к патенту США №4822388 известна замена кокса, по крайней мере, за счет печной футеровки печей для изготовления алюминия. При этом полная замена кокса описана как целесообразная, при этом, однако, по крайней мере, 60% первичного энергоносителя должно состоять из остатков футеровки печи.
Далее из ЕР 1241395 А2 известно использование при изготовлении изоляционных материалов из минеральных волокон первичного энергоносителя, состоящего из минимум 50 мас.% кокса и смеси из углеродного носителя и огнеупорных камней, при этом смесь получают из футеровки печи, в частности из катодной футеровки печей по производству алюминия. Этот известный способ оправдал себя на практике, так как при его осуществлении используются новые источники энергии для изготовления изоляционных материалов из минеральных волокон, которые значительно дешевле по сравнению с коксом.
Исходя из данного уровня техники, в основу изобретения положена задача усовершенствовать способ согласно данному изобретению таким образом, чтобы осуществление способа согласно данному изобретению происходило экономичным образом за счет освоения дополнительных источников первичного сырья. Однако при этом одновременно должны приниматься во внимание обычные параметры способа для изготовления соответствующего расплава, так чтобы с помощью способа достигались хорошие результаты плавки без загрязнений расплава. Далее задачей изобретения является получение не требующей больших затрат загрузки, с помощью которой получают не требующий больших затрат расплав для переработки в минеральные волокна для изоляционных материалов, так что производство изоляционных материалов осуществляется с повышенной экономичностью при равномерном качестве продукта.
Для решения поставленной задачи в родовом способе предусмотрено добавление в топливо в качестве заместителя израсходованных, использованных при электролизе расплава анодов в количестве, по крайней мере, 15% от общего количества топлива. Для решения поставленной задачи далее в загрузке для плавильного агрегата предусмотрено, чтобы заместитель состоял из израсходованных, применяемых при электролизе расплава анодов, доля которых в топливе составляет, по крайней мере, 15% от общего количества топлива.
Поэтому согласно изобретению предусмотрено, чтобы при осуществлении способа для изготовления изоляционных материалов из минеральных волокон, в частности из стекловаты и/или минеральной ваты, при осуществлении которого плавильный агрегат, в частности, вагранка загружается плавящимся исходным материалом для получения силикатного расплава и топливом, при этом топливо наряду с первичным энергоносителем, например литейным коксом, содержит заместитель, к которому примешивают израсходованные, применяемые при электролизе расплава аноды, в частности их остатки, доля которых составляет, по крайней мере, 15% от общего количества топлива. Согласно еще одному отличительному признаку изобретения предусмотрено, чтобы в топливо добавляли долю заместителя до 70% от общего количества топлива. Аноды представляют собой, в частности, остатки анодов из электролиза расплава. Аноды изготовляют по так называемому способу приготовления электролизера с обожженными анодами и состоят из углеродистых блоков, которые прессуют из высоковязкого кальцинированного нефтяного кокса, каменноугольного пека и остатков анодов и подвергают обжигу. При этом нефтяной кокс представляет собой продукт из области петрохимии, который образуется при рафинировании нефти. Каменноугольный пек представляет собой побочный продукт коксования каменного угля на коксохимических заводах черной металлургии. Следовательно, такие аноды изготовлены в основном из подвергающихся повторной переработке остатков других отраслей промышленности.
2
Аноды изготовляют в виде блоков и используют при электролизе расплава, например, для получения алюминия. При этом на катоде, например на катодной футеровке плавильной печи, образуется алюминий. На аноде плавильной печи образуется кислород. Таким образом, анод подвергается процессу израсходования, в течение которого он окисляется до СО. В конце процесса израсходования остается остаток израсходованного анода, который до сих пор повторно использовался исключительно только при изготовлении соответствующих анодов. Соответствующие аноды представляют собой очень твердый углеродистый продукт, который обладает теплотворной способностью примерно 33000 кДж/кг при содержании золы в количестве максимум 4 мас.%, углерода в количестве максимум 99 мас.%, содержании натрия в количестве максимум 0,8 мас.%, содержании серы в количестве максимум 1,5 мас.%, содержании алюминия в количестве максимум 1 мас.% и содержании фтора в количестве максимум 1,8 мас.%.
В связи с их химическим составом и особо высоким содержанием углерода было неожиданно установлено, что остатки анодов можно использовать в качестве первичных энергоносителей в сочетании с обычно используемыми компонентами топлива, а именно, например, литейным коксом для изготовления изоляционных материалов из минеральных волокон, в частности, из стекловаты и/или минеральной ваты в плавильном агрегате.
Согласно еще одному отличительному признаку изобретения предусмотрено, что аноды и соответственно остатки анода перед добавлением в топливо подвергают чистке. Производят, в частности, механический способ чистки, при осуществлении которого удаляют приставшие остатки расплава на поверхности анодов или остатки анода, так что остаток анода, содержащий по возможности высокое количество углерода добавляется в топливо в качестве заместителя доли первичного энергоносителя.
Для использования анодов в вагранке, которая согласно данному изобретению рассматривается как предпочтительный плавильный агрегат, аноды в зависимости от размеров вагранки должны иметь соответствующий класс частиц, чтобы достигнуть оптимального соотношения перемешивания и горения засыпки вагранки. При этом компоненты засыпки должны образовывать рыхлую засыпку, которая имеет достаточные открытые поры, так что возникающие при горении в нижней области вагранки газы диффундируют через засыпку при высокой температуре и могут нагревать засыпку. Поэтому в стандартных вагранках оказалось целесообразным подвергать измельчению аноды перед загрузкой плавильного агрегата до класса частиц среднего размера в пределах между 50 и 200 мм.
Согласно еще одному отличительному признаку изобретения предусмотрено, чтобы исходный материал и топливо, включая заместитель, образовывали засыпку для плавильного агрегата, которая содержит до 30% топлива, включая заместители, и остаток, расплавляемый исходный материал. В соответствии с этим расплавляемый исходный материал включает до 70% засыпки.
Согласно еще одному отличительному признаку изобретения исходный материал включает до 50% природной породы, в частности диабаза и/или базальта, и остаток - искусственные формованные камни, при этом формованные камни состоят, в частности, на 70% из вторично используемых минеральных волокон из производственного процесса и остатка из обратно используемых изоляционных материалов из минеральных волокон.
Вторично используемый минеральный материал из производственного процесса состоит, например, из отрезков или некачественных продуктов, которые отбраковывают из производственного процесса. Формованные камни прессуют из мелкозернистого материала и необходимых для формованных камней твердых материалов вместо с используемой в качестве опорной фракции горной породой с латентными гидравлическими веществами и получают, таким образом, крупные камни. В качестве латентных гидравлических веществ можно использовать, например, портландцемент или другое вяжущее, обладающее подобным эффектом, в то время как в качестве опорной фракции используют, например, мелкий щебень горной породы.
В плавильном агрегате, в частности в вагранке, подготовленная таким образом засыпка располагается в виде столба, при этом засыпка содержит сырье, а именно способный расплавляться исходный материал и топливо в виде первичного энергоносителя и заместителя. В засыпку подают по принципу противотока необходимый для горения воздух, так что первичный энергоноситель вверху пода шахты плавильного агрегата сгорает. В области подачи необходимого для горения воздуха атмосфера в плавильном агрегате достигает температуры, которая достаточна для расплавления способного расплавляться исходного материала. Способный расплавляться исходный материал выпускается в виде расплава через отверстие и подается в устройство для измельчения на нити, которое содержит, как правило, несколько приводимых во вращательное движение дисков, на наружную боковую поверхность которых поступает расплав, и под действием вращательного движения он разделяется на отдельные минеральные волокна, которые впоследствии подвергаются воздействию вяжущего или пропиточного материала и укладываются на сборную ленту.
3
6
При производстве алюминия окись алюминия с использованием флюсующей добавки, например криолита (NаАlF), расплавляется в электролитической ванне и восстанавливается до металлического алюминия. Для этого используют электролизные ванны, которые состоят из стальной, футерованной огнеупорными кирпичами ванны, например шамотными кирпичами и/или кирпичами из окиси алюминия. На этом керамическом слое располагают слой электрических проводящих углеродных или графитовых кирпичей и/или масс, которые образуют катодную часть.
Катодная футеровка электролизных ванн подвергается расходованию таким же образом, как описанные выше и используемые согласно данному изобретению аноды, в результате чего в среднем через каждые 5 лет необходимо производить проверку. При этом осмотре необходимо выводить из строя электролитическую ванну и обновлять катодную футеровку. Отработанная футеровка состоит из смеси, которая содержит наполовину графит и наполовину огнеупорный кирпич. Полное разделение при разборке произвести невозможно, однако при этом можно произвести технически целесообразную сортировку.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрено, чтобы в топливо наряду с анодами в качестве других заместителей добавлялись содержащие большое количество углеродов отходы, в частности бывшая в использовании катодная футеровка плавильных агрегатов для производства алюминия. В частности, предусмотрено, чтобы количество различных заместителей в зависимости от количества или содержания углерода были идентичными для различных заместителей. В соответствии с этим в топливо добавляют, по меньшей мере, два заместителя в соответствующем количестве или в зависимости от содержания в них углерода в различных количествах. По этой причине при таком способе действия требуется сначала определить содержание углерода в заместителе и затем рассчитать количественное соотношение, так что добавляемые заместители имеют определенное содержание углерода. При этом производят смешивание большего количества заместителя с меньшим содержанием углерода с меньшим количеством заместителя с большим содержанием углерода. При этом целесообразным оказалось, что использованную катодную футеровку электролитической ванны в сочетании с анодами в качестве первичного энергоносителя можно с высокой степенью экономичности использовать при изготовлении минеральной ваты.
2
2
3
2
3
2
3
Обычно богатая на содержание углерода фракция катодной футеровки, которая используется согласно данному изобретению, содержит 40-60 мас.% углерода, а также 4-12 мас.% SiO, 26-56 мас.% АlО, 6-14 мас.% FeO/FeO, 21-41 мас.% NaO и 1,8-3,6 мас.% SO.
При использовании катодной футеровки в сочетании с анодами в качестве части первичного энергоносителя содержащиеся в футеровке цианистые соединения во время процесса плавления разрушаются и превращаются в менее вредные, по крайней мере, нетоксичные соединения азота. Следовательно, образующиеся при этом остатки можно значительно более простым образом и тем самым при более низких затратах устранить без нанесения вредного воздействия на окружающую среду, отправлять на свалку или хранилище.
Другие отличительные признаки способа согласно данному изобретению и расплава согласно данному изобретению вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения и следующего ниже описания соответствующего чертежа, на которой схематически показана засыпка в вагранке. Далее другие отличительные признаки вытекают из следующего ниже описания примера осуществления изобретения.
На чертеже схематически изображена вагранка 1, в которой размещена засыпка 2 для приготовления минерального расплава 3, который загружается в устройство для изготовления минеральных волокон (не показано), при этом минеральные волокна для получения нетканого ваточного холста из минеральных волокон укладываются на сборную ленту.
Вагранка 1 состоит из цилиндрического корпуса с подом 5 и боковой стенки 6, которая в нижней области, а именно повернутой к поду 5 области, имеет выпускное отверстие 7, через которое расплав 3 выпускается из вагранки 1. Над выпускным отверстием 7 расположен кольцевой воздухопровод 8, который снабжен распределенными на равных расстояниях по периметру боковой стены 6 входными соплами, через которые первичный воздух нагнетается в вагранку 1.
Засыпка 2 состоит из топлива, которое содержит первичный энергоноситель в виде литейного кокса 10 и заместителя 11, состоящего из анода электролиза расплава.
Топливо содержит 70 мас.% литейного кокса и 10-30 мас.% заместителя 11. Наряду с топливом составной частью засыпки является расплавляемый исходный материал 12. Расплавляемый исходный материал 12 состоит на 40 мас.% их природной породы, а именно диабаза и базальта, и на 60 мас.% из искусственных формованных камней, которые, в свою очередь, на 60 мас.% состоят из повторно используемого материала, образованного из производственного процесса, и на 40 мас.% из бывшего в употреблении изоляционного материала из минеральных волокон. Кроме того, эти формованные камни содержат скрытые гидравлические материалы, а именно портландцемент и крошку горной породы в качестве несущей фракции, при этом эти составные части позволяют осуществлять и облегчают процесс прессования искусственных формованных камней.
В вагранке 1 в нижней части над подом 5 имеется копильник 13 из коксовой постели 14, при этом коксовая постель 14 включает копильник 13 и область пода со слоем 15 из восстановленного железа. Копильник 13 - это область в вагранке, в которой минеральный расплав 3 находится вместе с горючим. Над копильником 13 в области кольцевого воздухопровода 8 расположена часть коксовой постели 14, в которой находится только исключительно топливо, которое в этом участке сгорает и устанавливает необходимую для плавления исходного материала 12 температуру плавления. Сверху коксовой постели расположена зона плавления 16, в которой плавится расплавляемый исходный материал 12, стекающий после этого в копильник и при достижении определенного, зависимого от выпускного отверстия 7 уровня, вытекает через выпускное отверстие 7.
Засыпка 2 в соответствии со стрелкой 17 поступает в корпус 4 вагранки 1, при этом компоненты засыпки 2 загружаются попеременно, как правило, по предварительно установленной схеме. Однако можно также предусмотреть, чтобы компоненты засыпки 2, а именно исходный материал 12 и топливо, состоящее из литейного кокса 10 и заместителя 11, перед загрузкой в вагранку 1 перемешивались.
Образующиеся при сгорании топлива дымовые газы отводятся в верхней части вагранки 1 по стрелке 18 и при необходимости используются для нагрева вагранки.