Спосіб і пристрій для виробництва мінеральних волокон

1. Спосіб виробництва мінеральних волокон, при якому: підготовлюють піч, завантажують піч мінеральними матеріалами, що містять оксиди заліза, плавлять завантажені мінеральні матеріали у відновній атмосфері, причому в печі є нижня зона, де збирають розплавлене залізо, і розплавозбірник над нижньою зоною, в якому збирають мінеральний розплав, виводять з печі мінеральний розплав і формують з нього мінеральні волокна, і виводять з нижньої зони печі розплавлене залізо, який відрізняється тим, що в ході даного процесу безпосередньо в нижню зону печі вводять добавку, причому добавка містить одну або більше речовин, вибраних з окислювальних агентів і невідновних газів. 2. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що добавка містить окислювальний агент. 3. Спосіб за п.1 або 2, який відрізняється тим, що добавка містить повітря або очищений кисень. 4. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що добавку подають безпосередньо в нижню зону печі. 5. Спосіб за п.4, який відрізняється тим, що добавку подають через пористу заглушку. 2 (19) 1 3 92686 4 вану в стінці печі, яка забезпечує сполучення між нижньою секцією і зовнішньою зоною печі. 16. Пристрій за п.15, який відрізняється тим, що заглушка є пористою або забезпечена каналами так, що через неї, від нижнього її кінця, розташованого зовні печі, до верхнього кінця, розташованого всередині нижньої секції печі, здійснюється подача матеріалу добавки. Даний винахід стосується способу виробництва мінеральних волокон і пристрою, який може бути використаний відповідно до такого способу. Добре відомо, що мінеральну вату виробляють, завантажуючи в піч суміш мінеральних матеріалів, які плавлять з утворенням мінерального розплаву, що згодом перетворюється у волокна. В одному конкретному типі подібного способу плавку початкових матеріалів здійснюють в печі, де, звичайно як наслідок використання палива певного типу, а саме, коксу, є відновна атмосфера. Одним з прикладів є вагранка. Відповідно до такого способу масив твердого мінерального матеріалу і палива, звичайно коксу, вводять через верхню частину печі. Паливо спалюють в зоні плавлення, внаслідок чого виділяється тепло, що витрачається на плавлення мінеральних матеріалів. Горіння палива можна інтенсифікувати, подаючи повітря для горіння через входи, розташовані в зоні плавлення, які звичайно називають фурми. Незважаючи на введення повітря через фурми, створюється стійка відновна атмосфера, тобто, оксиди заліза, що містяться в завантажених матеріалах, зазнають відновлення з утворенням розплавленого заліза. Воно збирається близько основи печі. Над розплавленим залізом, але нижче за зону плавлення, є розплавозбірник для мінерального розплаву. Мінеральний розплав виводять з печі і направляють в пристрій формування волокон. Оскільки початкові матеріали подають в піч безперервно, розплавлене залізо утворюється також безперервно, і його треба періодично відводити з печі. Це здійснюють шляхом «випущення» розплаву через отвір, що пробивається в основі печі, через який витікає розплавлене залізо. Відповідно до звичайного способу залізо необхідно випускати через регулярні інтервали, які визначаються деякими параметрами процесу, такими як підвищення тиску в печі, або просто через певний час відповідно до виробничого плану, наприклад, при переході на інший продукт. Хоч розплав може бути випущений під час експлуатації печі, бажано здійснювати випущення через можливо більш тривалі інтервали для максимальної зручності процесу. За умовами, що роблять необхідним випущення розплаву, такими як підвищення тиску, спостерігають, і випускають розплав у міру необхідності. На початку стандартний процес у вагранці може включати випущення через кожні 15-20 годин. Однак, згодом виникають проблеми, що викликають необхідність випускати розплавлене залізо через все більш короткі інтервали часу. Ці проблеми пов'язані із затвердженням матеріалу в нижній зоні. Матеріал, затверділий в ниж ній зоні, не можна вивести шляхом випущення. Це означає, що випущення не забезпечує бажаного ефекту в повній мірі, оскільки виводиться тільки невелика кількість розплавленого заліза. Крім того, матеріал може затвердівати в отворах, через які звичайно здійснюють випущення. Це означає, що оператор вимушений пробивати канал крізь затверділий матеріал, щоб досягнути розплавленого заліза. Це дуже незручно і вимагає багато часу. У деяких випадках інтервали між випущенням можуть меншати протягом усього декількох днів з початкових 15-20 годин до інтервалу всього в 2 години. Ясно, що це дуже незручне для операторів. Коли рівень затверділого матеріалу досягає такої величини, що треба здійснювати випущення, приблизно, кожні 4 години, стає необхідним видалити весь затверділий матеріал. Це може бути виконане тільки при повній зупинці виробництва шляхом фізичного зняття основи печі, видалення матеріалу і заміни основи перед поновленням виробництва. Хоч варіант випущення через постійно зменшувані інтервали часу з періодичною повною зупинкою для видалення затверділого матеріалу є незручним, вже багато років він є стандартною процедурою розв'язання вказаної проблеми. У патенті США №4822388 розглядається проблема так званого «накопичення крем'янистого матеріалу» в зоні поду вагранки, і підтверджується звичайний варіант видалення поду для усунення наросту. Задачею даного документа є зниження наростання затверділого матеріалу шляхом подачі у вагранку хімічних речовин, таких як фториди. Більш конкретно, крім звичайних палив використовують матеріали з дуже високим вмістом фтору, такі як облицювання, що досі використовується при виробництві алюмінію, що звичайно іменується як «витратне облицювання резервуара». Стверджується, що фтор зменшує наростання шляхом зниження в'язкості розплаву, тим самим, зменшуючи схильність до затвердіння. У цьому варіанті потрібна зміна палива, що використовується у вагранці, а саме, потрібне паливо з високим вмістом фтору, який може бути менш доступним. Основною проблемою, виникаючою при спаленні такого палива, є утворення шкідливих з екологічної точки зору газів, які перед скиданням в атмосферу необхідно піддавати додатковій обробці. Це дорого і незручно. Отже, як і раніше існує потреба в економічному і зручному варіанті розв'язання проблеми скорочення інтервалів випущення розплаву в ході виробництва мінеральних волокон. 5 Відповідно до першого аспекту даним винаходом забезпечується спосіб виробництва мінеральних волокон, що включає: забезпечення печі; завантаження печі мінеральними матеріалами, що містять оксиди заліза; плавлення завантажених мінеральних матеріалів у відновній атмосфері так, що в печі є нижня зона, де збирається розплавлене залізо, і розплавозбірник над нижньою зоною, в якому збирається мінеральний розплав; виведення з печі мінерального розплаву і формування з нього мінеральних волокон; виведення з нижньої зони печі розплавленого заліза; який характеризується тим, що в ході даного процесу безпосередньо в нижню зону печі вводять добавку, причому добавка містить одну або більше речовин, вибраних з окислювальних агентів і невідновних газів. Згідно з другим аспектом даного винаходу забезпечується пристрій для виробництва мінеральних волокон з мінеральних матеріалів, що містять оксид заліза, причому пристрій містить: піч, в якій є верхня секція, середня секція і нижня секція, де у верхній секції є вхід для мінерального матеріалу, в середній секції є вихід для мінерального розплаву, в нижній секції є випуск, через який може бути відведене розплавлене залізо, і інжекційний пристрій, за допомогою якого може бути введена добавка; пристрій волокноутворення, що сполучається по текучому середовищу з виходом для мінерального розплаву і призначений для перетворення мінерального розплаву в мінеральні волокна. Авторами винаходу виявлено, що при введенні такої добавки безпосередньо в нижню зону, може бути істотно знижена проблема скорочення інтервалів випущення. Було виявлено, що значно меншає і навіть, по суті, виключається затвердження матеріалу в нижній зоні. Це означає, що період часу, протягом якого піч може працювати безперервно, більше не обмежується інтервалами випущення. Величина інтервалів випущення може зберігатися, по суті, на початковому рівні, тобто, випущення розплаву через 15-20 годин. Це дуже значне удосконалення в порівнянні з відомим рівнем техніки, яке може бути досягнуте без зміни складу палива або початкових матеріалів. Ефект введення добавки в нижню зону особливо очевидний, коли матеріал, що завантажується, містить велику кількість оксиду кремнію, і/або коли умови такі, що відносно велика кількість металевого кремнію змішується з розплавленим залізом в нижній зоні. Окислювальний агент може знаходитися в будь-якому фізичному стані -твердому, рідкому, газоподібному. У переважних варіантах здійснення винаходу матеріал добавки містить окислювальний агент в газоподібному стані. Це, наприклад, кисень, наприклад, в формі повітря або чистого кисню, і озон. Таким чином,в цьому випадку доба 92686 6 вка містить єдину речовину (газоподібний кисень), яка одночасно є і окислювальним агентом, і невідновним газом. Виявилося несподіваним, що введення окислювального агента і/або невідновного газу надає подібний ефект на інтервал випущення, особливо у випадку печі з стійкою відновною атмосферою, де малоймовірно, що добавка впливає на весь масив розплавленого заліза, що виробляється. Даний винахід стосується модифікації звичайних способу і пристрою для виробництва мінеральних волокон. Даний винахід застосовний до будь-якого процесу, в якому використовується піч з відновною атмосферою, оскільки саме завдяки наявності відновної атмосфери оксиди заліза відновлюються до розплавленого заліза, яке треба випускати. Винахід направлений на розв'язання проблеми скорочення інтервалів випущення в ході експлуатації, що спостерігається в подібних пристроях. Можливе використання будь-якої печі, в якій в ході плавки створюється відновна атмосфера. Як правило, відновну атмосферу отримують шляхом вибору відповідного типу палива, такого як кокс. Прикладом такої печі є вагранка. Інший приклад доменна піч. Мінеральні матеріали завантажують в піч звичайним чином. Як правило, їх змішують з паливом, таким як кокс. Проблеми, пов'язані з скороченням інтервалів випущення, виникають, коли початкові матеріали містять оксиди заліза. Було виявлено, що проблема скорочення інтервалів випущення є особливо гострою, якщо в ході процесу відновлюється відносно велика частка оксиду кремнію з утворенням розплавленого кремнію, зокрема, коли більше 4 або 5%, зокрема, близько 6% розплавленого матеріалу загалом, що збирається в нижній зоні, складає кремній. Отже, даний винахід особливо ефективний тоді, коли матеріали, що завантажуються, містять оксиди кремнію. Відновлення інших оксидів, зокрема, оксидів фосфору, також може мати зв'язок з проблемою скорочення інтервалів випуску. Особливі проблеми також спостерігаються, якщо мінеральний розплав має наступний склад, виражений через вагу оксидів: SiO2 32-48%, переважно, 33-43% Аl2О3 10-30%, переважно, 16-24% СаО 10-30%, CaO+MgO, переважно, 23-33% MgO 2-0% FeO 2-15%, переважно, 3-9% Na2O+К2О 0-12%, переважно, 1-8% ТіО2 0-6%, переважно, 0-3% Інші елементи 0-15%. Зокрема, вміст А12О3 складає, переважно, щонайменше, 16%. Ці волокна належать до типу, який особливо добре піддається біорозкладанню, а також довговічний у використанні. Вважають, що дуже високий вміст оксиду алюмінію сприяє тенденції скорочення інтервалів випущення. Даний винахід особливо цінний, коли мінеральна сировина містить кремній і/або сполуки крем 7 нію, включаючи оксид кремнію і інші сполуки кремнію. У печі паливо згоряє, а завантажені матеріали розплавляються, як в звичайному способі. Деяка кількість присутнього оксиду заліза відновлюється до розплавленого заліза, яке збирається у основи печі. Зону поблизу основи печі, в якій збирається розплавлене залізо, називають «нижньою зоною». Матеріал, який збирається в нижній зоні, являє собою, головним чином, залізо, оскільки воно легко піддається відновленню, хоча, як вказано вище, інші оксиди також можуть відновлюватися і разом із залізом збиратися в цій зоні. Зокрема, матеріал в нижній зоні звичайно містить, щонайменше, 70 або 80% ваг. залоза. Він також може містити кремній, звичайно менше 10% ваг., вміст кремнію може бути, щонайменше, 1% або 2%, наприклад, близько 6%. Він також може містити фосфор і вуглець загальною кількістю, звичайно, менше за 10% ваг. Фосфор і вуглець незалежно один від одного можуть бути присутніми в кількості, щонайменше, 0,5% кожний, наприклад, 2 або 3% кожний. Звичайно, кількість фосфору і вуглецю не перевищує 5% кожного. Велика частина завантажених мінеральних матеріалів розплавляється без відновлення і утворює суміш розплавлених мінеральних матеріалів, яка називається мінеральний розплав. Мінеральний розплав володіє меншою густиною, ніж розплавлене залізо, тому він плаває в розплавозбірнике над нижньою зоною. Мінеральний розплав виводять з печі і подають в пристрій волокноутворення, де його перетворюють в мінеральні волокна. Пристрої для виготовлення волокон мінеральної вати добре відомі в даній галузі і включають прядильний ротор, який, звичайно, розташований вертикально або горизонтально. Розплав ллють на прядильний ротор, від якого він відкидається у вигляді волокон під дією відцентрових сил. Переважно використовувати декілька роторів. Спосіб і обладнання, придатні для формування мінеральних волокон з мінерального розплаву, добре відомі. В одному з відомих типів таких систем волокна формують шляхом виливання мінерального розплаву на зовнішню поверхню одного або більше роторів, що передбачає обертання навколо горизонтальної осі. Звичайно є два або більше ротори, і розплав, що наливається на перший ротор, відкидається від цього ротора частково у вигляді волокон і частково потрапляє на наступний ротор, від якого він відкидається у вигляді ще деякої кількості волокон, і частково потрапляє на третій ротор і т.д. Найчастіше використовується три або, особливо, чотири ротори. Подібні системи відомі як каскадні прядильні машини. Альтернативні пристрої включають ротори, що передбачають обертання навколо вертикальної осі, наприклад, прядильний кухоль. Розплавлене залізо виводять з печі, звичайно, через певні інтервали, користуючись прийомом, який звичайно називається випущення. У поді печі, звичайно, є канал, який може бути відкритий для забезпечення стоку розплавленого заліза. Розп 92686 8 лавлене залізо збирають і згодом використовують в інших процесах. Даний винахід, головним чином, полягає у введенні в нижню зону добавки, що містить, щонайменше, одну речовину, вибрану з групи окислювальних агентів і невідновних газів. Було виявлено, що введення таких добавок в нижню зону дозволяє ослабити або навіть виключити скорочення інтервалів випущення, що спостерігається в звичайних системах. У цей час вважають, що введення добавки в нижню зону пов'язане з двома основними ефектами. У будь-якому випадку, нагнітання створює турбулентність розплавленого заліза в нижній зоні і може сприяти формуванню потоків, завдяки яким залізо перемішується. Таким чином, тепло розподіляється по матеріалу, присутньому в нижній зоні, більш рівномірно, тому ослабляється схильність до затвердження матеріалу. Це особливо ефективне, якщо добавка є газоподібною. Введення добавки також інтенсифікує переміщення домішок, що є в розплавленому залізі, вгору в мінеральний розплав. Це впливає на схильність заліза до затвердження, оскільки видаляються тверді частинки, навколо яких може осідати залізо. Це також може сприяти пониженню температури плавлення матеріалу, що знаходиться в нижній зоні. Коли добавка містить окислювальний агент, він, переважно, вступає в реакцію з домішками, що є в залізі, такими як кремній. Передбачається, що особливо важлива реакція з кремнієм, що перетворюється в оксид кремнію. Оксиди, що утворюються, потім підіймаються з розплавленого заліза в мінеральний розплав. Будь-який вуглець, присутній в нижній зоні, може бути окислений окислювальним агентом до монооксиду вуглецю або діоксиду вуглецю. Ця реакція є екзотермічною. Крім тепла, в ході цієї реакції утворюється газ, що створює турбулентність. Обидва ці ефекти сприяють зменшенню схильності розплавленого заліза до затвердження. Вказана добавка містить, щонайменше, одну речовину, вибрану з групи, в яку входять окислювальний агент і невідновні гази. Таким чином, добавка може містити один або більше окислювальний агент або один або більше невідновний газ або поєднання одного або більше окислювального агента з одним або більш невідновним газом. У даному контексті «окислювальний агент» означає будь-який матеріал, здатний окисляти сполуки, звичайно присутні в нижній зоні нарівні з розплавленим залізом, такі як кремній, фосфор і вуглець. Добавка може знаходитися в твердому, рідкому, газоподібному стані. До придатних рідин відносяться гліцерин і цукор, що є окислювальними агентами в контексті даного винаходу. Цукор може бути використаний в твердому стані. Добавка, переважно, містить окислювальний агент. Вона може містити негазоподібний окислювальний агент, такий як FeO або СаСО3 (обидва тверді), однак переважним є окислювальний газ, такий як кисень або озон. 9 Як альтернатива або додатково може бути використаний невідновний газ. Деякі газоподібні окислювальні агенти також є невідновними газами. Однак можуть бути використані інші неокислювальні гази, наприклад, азот і аргон. Одним з прикладів добавки, що являє собою суміш, є повітря, що містить окислювальний газ (кисень), що також є невідновним газом, і додаткові невідновні гази, включаючи азот. Витрата добавки, що вводиться, залежить від складу мінеральної сировини, однак, як правило, складає від 10 до 50кг на годину для повітря. Коли вводять чистий кисень, його витрата, переважно, складає від 2 до 10кг/год. Цей газ, переважно, подають під тиском, наприклад, від 0,5 до 8 бар над., переважно, близько 2 бар над., де бар надмірного тиску являє собою абсолютний тиск мінус атмосферний тиск (що дорівнює приблизно 1 атмосфері), тобто, вимірюється те, наскільки газ був стиснений, починаючи від нормального атмосферного тиску. Розмірність бар над. використовується через легкість вимірювання в процесі роботи, оскільки безпосередньо зчитується з датчика тиску. Як альтернатива, може бути використаний більш низький тиск, такий як 0,2-0,3 бар над., що адекватно з точки зору досягнення потрібного результату. Відповідно до даного винаходу, добавку вводять безпосередньо в нижню зону печі. Тобто, добавку вводять таким чином, щоб вона, знаходячись в активній формі, передусім контактувала з розплавленим матеріалом в нижній зоні, а не так, щоб добавка в активній формі раніше зазнавала впливу атмосфери в інших зонах печі або інших матеріалів, що знаходяться в печі. З цією метою добавку, переважно, вводять безпосередньо в нижню зону, тобто, не пропускають через яку-небудь іншу зону печі. Це додатково розглядається нижче. Коли добавка являє собою невідновний газ, її, звичайно, подають безпосередньо в нижню зону. Коли, в переважному варіанті здійснення винаходу, добавка являє собою невідновний окислювальний агент, її також вводять безпосередньо в нижню зону. Це означає, що добавка може бути використана в активній формі, і її не треба захищати від впливу атмосфери інших зон печі. Під активною формою розуміється, що добавка має форму, в якій вона діє на домішки, що знаходяться в нижній зоні, такі як кремній, фосфор або вуглець, як окислювальний агент і окисляє їх. Однак, в альтернативному варіанті здійснення винаходу, добавка, що являє собою твердий окислювальний агент, має форму, в якій вона може бути введена в піч інакше, ніж безпосередньо в нижню зону, оскільки захищена на час проходження через інші зони і вивільняється в активній формі тільки тоді, коли досягає нижньої зони. Наприклад, добавка може містити укладену в капсули речовину, що подається, наприклад, через верхню частину печі, що проходить по печі вниз в інкапсульованій формі. Матеріал капсул такий, що при контакті з розплавленим матеріалом в нижній зоні інкапсульований матеріал вивільняється. Як аль 92686 10 тернатива, добавка може бути введена в зони, відмінні від нижньої зони, в хімічно неактивній формі (формі, в якій вона не може діяти як окислювальний агент в нижній зоні). Добавка в неактивній формі вступає в реакції в печі, і коли вона досягає нижньої зони, вона має активну форму і може діяти як окислювальний агент на домішки заліза, такі як кремній, фосфор або вуглець. З точки зору даного винаходу важливо, що добавку (коли вона може діяти як добавка, тобто, знаходиться в активній формі) вводять безпосередньо в нижню зону. Отже, добавка не вступає у відчутний контакт з матеріалами, що знаходяться в інших зонах, раніше, чим з розплавленим матеріалом нижньої зони, і, переважно, взагалі не вступає в який-небудь контакт з матеріалами, що знаходяться в інших зонах. Автори винаходу вважають, що, якщо вводити добавку в інших зонах, наприклад, разом з матеріалами, що завантажуються, так, щоб вона становила частину початкової сировини і вступала в контакт з атмосферою верхньої і середньої секцій печі, вона не буде ефективною з точки зору розв'язання проблеми скорочення інтервалів випущення. Добавка може бути введена безпосередньо в нижню зону через будь-який відповідний отвір у відповідному місці стінки печі. Наприклад, в основі печі може бути передбачений трубопровід, через який можливе нагнітання газоподібних або твердих добавок. Якщо використовується трубопровід, він або забезпечений, або не забезпечений соплом. Звичайно, треба нагнітати добавку безперервно в ході процесу, щоб запобігти закупоренню нагнітального входу розплавленим залізом. У переважному варіанті здійснення винаходу добавку вводять через заглушку. Заглушку виготовляють, переважно, з жаростійкого матеріалу, такого як кераміка, крізь неї проходить декілька каналів. Наприклад, заглушку розташовують так, щоб у неї був верхній і нижній кінець, причому верхній кінець знаходиться всередині нижньої зони печі, а нижній кінець знаходиться зовні основи печі. Від нижнього до верхнього кінця проходить один або більше каналів. Наприклад, може бути два або три, або навіть більше, каналів. Нижній кінець може бути з'єднаний з підвідним трубопроводом, що з'єднується з каналом або каналами так, щоб нагнітати матеріал по трубопроводу через ці канали. Як альтернатива наявності одного або більше каналів, заглушка загалом може бути пористою. Це особливо корисно, якщо добавка є газоподібною. Звичайно, добавку пропускають крізь заглушку під тиском, щонайменше, 1,5 бар над., переважно, близько 2-3 бар над. Пористі заглушки, придатні для використання в контексті даного винаходу, відомі в галузі металургії. Приклади заглушок, придатних для використання в контексті даного винаходу, приведені в патентах США №5437435 і №5312092. Заглушка, переважно, має форму зрізаного конуса і розташована так, що кінець з меншим 11 92686 діаметром спрямований всередину печі. Як правило, основа печі облицьована вогнетривкою цеглою, і заглушку розташовують так, щоб вона проходила крізь облицювання. Цеглини, переважно, встановлені урівень з поверхнею заглушки. Так, вони можуть бути встановлені урівень з бічними поверхнями (похилі поверхні у випадку заглушки в формі зрізаного конуса) або з нижнім кінцем або і з тим, і з іншим. Це можуть бути ті ж цеглини, що і облицювальні (наприклад, з оксиду алюмінію або оксиду кремнію), або вони можуть бути виготовлені з інших матеріалів, таких як карбід кремнію. Заглушка може бути замінена, якщо внаслідок впливу проходячого крізь неї потоку добавки вона зносилася. Фіг. являє собою схему пристрою, придатного для використання в контексті даного винаходу. Далі з посиланням на цю фігуру описаний переважний варіант здійснення винаходу. У даний пристрій входить піч 1, в яку завантажують початкові матеріали 2 і паливо 3. Паливо згоряє в печі, початкові матеріали плавляться і перемішуються з утворенням мінерального розп Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 12 лаву 4. Оксиди заліза, що містяться в початкових матеріалах, відновлюються до розплавленого заліза 5 і збираються в нижній зоні 6 печі 1. Мінеральний розплав виводять з печі через вихід 7 і подають в пристрій волокноутворення (не показаний), що формує мінеральні волокна. Повітря для горіння подають в піч через систему подачі повітря 8 і фурми 9 в зону плавлення. Фурми 9 розташовані вище розплавозбірника мінерального розплаву, через них забезпечується подача повітря для горіння палива. У печі є вічко 10, через яку виводять рідку залізну суміш. Пориста заглушка 11 розташована в нижній зоні печі, через неї нагнітається повітря. Повітря підводять по трубопроводу 12. Датчики тиску 13 і 14 призначені для вимірювання тиску повітря. Також передбачені клапан з постійною витратою 15 і система вимірювання витрати 16, регулюючі витрату повітря або іншої добавки, яка може бути використана замість повітря. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601