Сырье для получения минерального волокна

Сырье для получения минерального волокна

Реферат

Настоящее изобретение относится к сырью для получения минерального волокна, особенно минерального волокна, имеющего повышенное содержание Al₂O₃. Изобретение также относится к способу получения таких волокон, использующему сырье согласно изобретению.

Алюминий является желательным компонентом в волокне минеральной ваты, поскольку он улучшает температурную стойкость минерального волокна и изготовленной из него минеральной ваты. Когда алюминий включают в количестве примерно от 15 до 25% массовых, вычисленных по Al₂O₃, волокно также показывает улучшенную растворимость в биологических жидкостях. При изготовлении минерального волокна в процессе производства минеральной ваты в качестве главного источника алюминия традиционно использовали боксит. Однако с точки зрения поведения при плавлении и характеристик расплава боксит не является оптимальным сырьем для введения в расплав алюминия. В плавильной печи боксит как таковой не плавится, а обжигается, причем алюминий растворяется в силикатном расплаве, сначала образуя оксиды. Это медленный и расходующий много энергии процесс.

Лейкогаббро представляет собой легкую горную породу, содержащую алюминий, которую можно обнаружить во многий странах и на всех континентах; большие месторождения можно найти, например, в Канаде, Гренландии, Норвегии и Финляндии. Эти типы скальных пород типично содержат от 25 до 35% массовых Al₂O₃.

Главным минералом лейкогаббро является плагиоклаз. Плагиоклаз представляет собой содержащий алюминий твердый силикатный раствор, минеральный состав которого простирается от альбита (NaAlSi₃O₈) до анортита (CaAl₂Si₂O₈), причем минеральный состав содержит Al₂O₃ в количестве, находящемся в диапазоне от 20 до 36 масс.%.

Загрузки сырья для производства минеральной ваты также обычно содержат оксиды железа в двухвалентной и трехвалентной форме, а также оксид магния. Железо и магний обладают благоприятным действием на температурную устойчивость волокна. Типичные количества железа, которые необходимо включить в волокно, составляют примерно до 10 масс.%, но железо можно до некоторой степени заместить магнием.

Троктолит представляет собой горную породу, богатую железом и магнием. Троктолит типично содержит более чем 35 объемных % минерала оливина, богатого железом и магнием, причем оставшийся минерал главным образом представляет собой плагиоклаз с меньшими количествами других минералов. Оливин представляет собой твердый силикатный раствор, содержащий железо и/или магний, причем состав минерала простирается от богатого магнием форстерита до богатого железом фаялита. В зависимости от типа троктолита, троктолит может содержать железо в количестве, превышающем примерно 10 масс.% и даже более, примерно 40 масс.%. В свою очередь содержание магния может различаться примерно от 5 масс.% до 20 масс.%. Таким образом, троктолит является потенциальным источником железа и магния для включения в загрузку минералов для изготовления минерального волокна.

Загрузка сырья для производства минеральной ваты также обычно содержит компоненты флюса для контроля и регулирования вязкости минерального расплава. Такие флюсы обычно представляют собой соединения, содержащие кальций и магний. Кроме того, в качестве компонента флюса и в качестве источника кальция и магния используют доломитовую породу. Однако доломит имеет недостаток, заключающийся в том, что при использовании в больших количествах в загрузке он имеет тенденцию образовывать пену, что является нежелательной характеристикой в расплаве при условиях производства волокна. Кроме того, доломит приводит к выделению диоксида углерода из расплава, что нежелательно с точки зрения защиты окружающей среды. Более того, такое выделение также неизбежно означает потери энергии при производстве.

В патенте US 6156683 описаны полученные вручную волокна со специфическим составом, которые могут иметь низкие температуры ликвидуса с сохранением адекватной вязкости. Патент US 5932500 относится к MMV волокнам, которые обладают определенной скоростью растворимости при определенных значениях рН.

Цель настоящего изобретения заключается в предложении состава загрузки сырья для производства минерального волокна, которая не только оптимальна с точки зрения химического состава расплава и, следовательно, изготовленного волокна, особенно что касается содержания алюминия и железа/магния, но которая также дает расплав с хорошими свойствами плавления и характеристиками расплава. Другая цель изобретения состоит в предложении загрузки сырья, где некоторая часть доломита, включенного для целей образования флюса, замещена минералами, содержащими кальций и магний, давая возможность получения расплава с меньшим количеством подводимой энергии и меньшей нагрузкой на окружающую среду. В альтернативном варианте изобретение дает возможность получения расплава с увеличенным содержанием кальция и магния без одновременного увеличения нагрузки на окружающую среду в форме увеличенного выделения диоксида углерода.

Данные цели достигаются согласно изобретению с помощью загрузки сырья по изобретению, которая содержит лейкогаббро, троктолит и доломит в следующих количествах

- лейкогаббро от 10 до 45 масс.%

- троктолит от 3 до 20 масс.% и

- доломит от 5 до 30 масс.%.

Более конкретно, загрузка сырья согласно изобретению содержит

- лейкогаббро от 25 до 45 масс.%

- троктолит от 5 до 20 масс.% и

- доломит от 5 до 30 масс.%.

Кроме того, загрузка сырья может содержать некоторое количество одной или нескольких горных пород материалов, выбранных из группы основных и ультраосновных пород, состоящих из габбро, диабаза, базальта и перидотита. Такое количество типично составляет от 7 до 58 % массовых.

В данном описании термин «лейкогаббро» обозначает горную породу, которая содержит более чем 65 объемных % минерала плагиоклаза. Предпочтительно, содержание анортита в минерале плагиоклазе должно быть, по меньшей мере, 50 мольных %.

Подразумевается, что используемый в данном изобретении термин «троктолит» включает любую троктолитовую породу, которая содержит более 50 объемных % материала оливина. Предпочтительно, содержание фаялита в оливиновом минерале должно быть, по меньшей мере, 35 мольных %. Предпочтительно, диапазон должен быть от 35 до 65 мольных %.

Кроме указанных выше основных компонентов, также можно включить в загрузку повторно используемые минеральные материалы, такие как избыточные волокна и не подвергнутый волокнообразованию материал, так называемые перлы или отходы различных промышленных процессов, таких как процессы флотации, шлак, стекло и/или цементирующие продукты и т.д.

Используя лейкогаббро в качестве источника алюминия получают лучшее поведение расплава загрузки сырья, например, более высокую вязкость и более низкое поверхностное натяжение по сравнению с использованием боксита в качестве источника алюминия. Это обусловлено фактом, что в лейкогаббро алюминий связан в виде соли с силикатом, т.е. в виде силиката алюминия. Поэтому нет необходимости подвергать сырье прокаливанию или образованию силиката, как в случае боксита, когда необходимо прокаливать гидроксид алюминия. Таким образом, содержащий алюминий минерал плавится более легко и с меньшими затратами энергии по сравнению с традиционными материалами.

Аналогичные преимущества в свойствах расплава также достигаются при использовании троктолита в качестве источника железа и магния вместо традиционных материалов. Особенно ценные преимущества получаются по сравнению с использованием в качестве единственного источника традиционных железосодержащих источников, таких как железные руды, где железо главным образом связано в форме гидроксидов и сульфидов. Такие включения без исключений означают потери в форме восстановленного металлического железа, которое собирается в нижней части печи, и/или потери энергии в форме выделения водяных паров, и/или нагрузку на окружающую среду в виде выбросов серы.

Таким образом, используя горные породы, представляющие собой лейкогаббро и троктолит, в комбинации с загрузкой сырья можно ввести в расплав, и таким образом в волокно, алюминий и железо/магний в желаемых количествах для данной цели. Кроме того, можно оказать влияние на свойства расплава минеральной загрузки, причем минералы, содержащие связанный в силикат металл, предоставлены для плавного процесса плавления, чтобы получить расплав с диапазоном вязкости, подходящим для прядения волокна. Кроме того, можно избежать потерь энергии.

Используя загрузку сырья согласно изобретению можно изготовить минеральное волокно, типично имеющее следующий состав, масс.%:

SiO2	38-48
Al2O3	12-20
CaO	10-20
MgO	5-20
FeO	4-12
Na2O+К2О	0-4
TiO2	0-4
Другие компоненты	0-4

Более конкретно такие волокна могут иметь следующий состав, масс.%:

SiO2	42-46
Al2O3	14-17
CaO	10-20
MgO	5-20
FeO	4-12
Na2O+К2О	0-4
TiO2	0-4
Другие компоненты	0-4

Загрузку сырья можно поместить в электрическую печь, где она плавится с использованием электродов, которые вводятся в загрузку. Альтернативно, загрузку сырья можно поместить в вагранку, где в качестве топлива типично используют кокс. Обычно сырье загружают в печь в сыпучей форме, причем размер частиц типично находится в диапазоне от нескольких миллиметров до, например, пятнадцати сантиметров. По одному варианту осуществления изобретения, по меньшей мере, некоторая часть сырья находится в сыпучей форме, но также предполагается, что некоторая часть сырья может находиться в форме кусков. В особенности, преимущественно можно использовать богатый фаялитом троктолит в форме кусков, без каких-либо серьезных проблем плавления в плавильной печи.

По одному варианту осуществления изобретения сырье приводят в сыпучую форму и прессуют в брикеты подходящей формы и размера, используя традиционные методы и оборудование для брикетирования, например метод прессования под вибрацией. Предпочтительно, брикеты содержат связующее для сырья, такое как цемент, глина, жидкое стекло, или органические связующие вещества, такие как меласса. Способ изготовления брикетов, по существу, известен специалисту в данной области.

Настоящее изобретение также относится к способу получения минерального волокна, включающему получение расплава из загрузки сырья, включающей лейкогаббро, троктолит и доломит в следующих количествах

- лейкогаббро от 10 до 45 масс.%

- троктолит от 3 до 20 масс.% и

- доломит от 5 до 30 масс.%

и формированию волокон из полученного таким образом расплава.

Способ получения волокна может быть любым способом формования волокна из минерального расплава, известным из уровня техники. Один подходящий способ использует прядильную установку каскадного типа. В данном способе изготавливают поток расплавленного минерального материала для последовательной подачи в ряд следующих друг за другом прядильных роторов. В течение данного процесса расплавленную массу эффективно вытягивают в волокно подходящей длины и толщины.

Предпочтительно загрузка сырья включает

- лейкогаббро от 25 до 45 масс.%

- троктолит от 5 до 20 масс.% и

- доломит от 5 до 30 масс.%.

Кроме того, загрузка сырья может включать от 7 до 58 масс.% одной или нескольких основных и ультраосновных пород, выбранных из группы, состоящей из габбро, диабаза, базальта и перидотита.

Изобретение будет далее описано со ссылкой на следующие ниже примеры, которые ни коим образом не будут ограничивать изобретение.

ПРИМЕР 1

Загрузки сырья делают из мелко измельченных и перемешанных горных пород, указанных в следующих далее таблицах 1, 2 и 3, в показанных количествах, выраженных в виде % массовых.

Таблица 1
Загрузка	Масс.%	Масс.%	Масс.%	Масс.%	Масс.%
Лейкогаббро	40	31	32,5	35,5	34,5
Перидотит	30,5	17.5		32	33,5
Троктолит	13,5	13	14,5	13,5	13
Габбро		16	25
Доломит	16	22,5	28	19	19
Сумма	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0

Таблица 2
Загрузка	Масс.%	Масс.%	Масс.%
Лейкогаббро	28	28,5	28,5
Троктолит	9,5	14,7	13,5
Диабаз	37,5	15,5	32,5
Доломит	25	13,5	25,5
Отходы центрифуги		17
Цемент		6,4
Оливин		4,4
Сумма	100,0	100,0	100,0

Таблица 3
Загрузка	Масс%	Масс%	Масс% IV	Масс% V	Масс% VI
Лейкогаббро	25	25	10	15	25
Базальт	28,5	28,5
Троктолит	12	13	4	6	10
Метагаббро			45	45	31
Габбро	16	15,5
Доломит	18,5	18	16	17	19
Перидотит			25	17	15
Сумма	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0

Проводят дополнительные тесты, где делают три загрузки согласно изобретению (загрузки I, II и III), а также загрузку (сравнения), где в качестве источника алюминия вместо лейкогаббро используют боксит. Измеряют вязкости расплавов, причем значение для загрузки I является средним из двух измерений, а значения для загрузок II и III являются средним восьми и шести измерений соответственно. Значения для загрузки боксита основано на среднем значении 18 измерений. Результаты представлены в следующей ниже таблице 4.

Вискозиметр в данном случае измеряет только относительные вязкости для сравнения вязкостей различных расплавов. Измерения проводят в простом устройстве, которое включает резервуар конической формы для получения расплава, причем резервуар сообщается с вертикальным стволом, присоединенным к его донной части. Сперва расплав протекает короткое расстояние через вертикальный ствол и затем втекает в горизонтальную трубу, присоединенную к вертикальному стволу и сообщающуюся с ним. В зависимости от вязкости расплава, расплав протекает на такое расстояние в горизонтальном стволе, пока не затвердеет при охлаждении. Чем ниже вязкость расплава, тем дальше в трубу раствор затекает до охлаждения. Горизонтальная труба имеет на своем другом конце измеряющий стержень, который может вставляться в отверстие трубы. Затем измеряют расстояние, пройденное расплавом до затвердения, как глубину введения измеряющего стержня в трубу, пока он не натолкнется на затвердевший расплав. Таким образом, более высокое значение глубины введения в мм означает более высокую вязкость расплава и наоборот.

Таблица 4
Загрузка (масс.%)	I	II	III	Сравнения
Перидотит	18	17	17	21
Метагаббро	9	14,5	16	46
Доломит	19	20	21	15,5
Лейкогаббро	38	34	34
Троктолит	16	14.5	12
Доменный шлак				10
Боксит				7,5
Вязкость	100 мм	108 мм	98 мм	80 мм

Из результатов можно заметить, что при использовании в качестве источника алюминия лейкогаббро вместо боксита получают относительно значимое увеличение вязкости, в то время как загрузки I, II и III являются относительно одинаковыми.

В следующей далее таблице 5 показаны составы загрузок I, II и III, а также состав загрузки сравнения. Кроме того, включены составы волокон, изготовленных из загрузок IV, V и VI из таблицы 3.

Таблица 5
Состав (масс.%)	I	II	III	Сравнения	IV	V	VI
SiO2	42,1	42,2	42,2	42,4	46,2	45,5	43,7
Al2O3	17,2	16,7	16,9	16,6	14,2	15,1	16,0
СаО	17,1	17,3	17,9	17,5	15,6	16,2	17,1
MgO	13,3	13,4	13,2	12,5	12,9	12,4	12,7
FeO	6,9	6,9	6,5	6,8	7,0	6,9	6,8
Na2O+K2O	2,1	2,1	2,1	2,6	2,8	2,6	2,4
TiO2	1,1	1,1	1,0	1,2	1,1	1,1	1,1
Другие компоненты	0,2	0,3	0,2	0,4	0,2	0,2	0,2

1. Загрузка сырья для получения минерального волокна, включающая лейкогаббро, троктолит и доломит в следующих количествах, мас.%:

Лейкогаббро	10 - 45
Троктолит	3 - 20
Доломит	5 - 30

а также от 7 до 58 мас.% одной или нескольких горных пород, выбранных из группы, состоящей из габбро, диабаза, базальта и перидотита.

2. Загрузка сырья по п.1, включающая, мас.%:

Лейкогаббро	25 - 45
Троктолит	5 - 20
Доломит	5 - 30

3. Загрузка сырья по любому из предшествующих пунктов, в которой минерал плагиоклаз в лейкогаббро содержит, по меньшей мере, приблизительно 50 мол.% анортита.

4. Загрузка сырья по любому из предшествующих пунктов, в которой оливиновый минерал в троктолите содержит, по меньшей мере, приблизительно 35 мол.% фаялита.

5. Загрузка сырья по любому из предшествующих пунктов, по меньшей мере частично, находящаяся в форме брикетов, спрессованных из сыпучего сырья.

6. Способ получения минерального волокна, включающий получение расплава из загрузки сырья, содержащей лейкогаббро, троктолит и доломит в следующих количествах, мас.%:

Лейкогаббро	10 - 45
Троктолит	3 - 20
Доломит	5 - 30

а также от 7 до 58 мас.% одной или нескольких горных пород, выбранных из группы, состоящей из габбро, диабаза, базальта и перидотита, и формирование волокон из полученного расплава.

7. Способ по п.6, при котором загрузка включает, мас.%:

Лейкогаббро	25 - 45
Троктолит	5 - 20
Доломит	5 - 30

8. Способ по любому из пп.6 и 7, при котором загрузка, по меньшей мере частично, находится в форме брикетов, спрессованных из сыпучего сырья.