Способ получения минеральной ваты

Изобретение относится к производству теплоизоляционных материалов при плавлении сырья в печах-вагранках, а именно к производству минеральной ваты, используемой для тепло- и звукоизоляции. Техническая задача изобретения - повышение качества минеральной ваты, расширение сырьевой базы составов для получения минеральной ваты, удешевление процесса производства минеральной ваты. Способ получения минеральной ваты включает загрузку топлива, исходного минерального сырья в печь, плавление минерального сырья и выработку минеральной ваты. В качестве топлива используют смесь, состоящую из кокса, тощих углей и/или антрацитов при следующем соотношении компонентов, мас.%: кокс - 40-85, тощие угли и/или антрациты - 60-15. Тощие угли и/или антрациты характеризуются тем, что содержание летучих составляет не более 15%, содержание золы составляет не более 40%, термостойкость - не менее 70%. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

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.

Модуль кислотности представляет собой отношение суммы процентного содержания в сырье кислых окислов - кремнезема SiO₂ и глинозема Аl₂O₃ к сумме основных окислов кальция СаО и магния MgO:

М_к=(SiO₂+Аl₂O₃)/(СаО+MgO).

В соответствии с ГОСТ 4640-76 модуль кислотности М_к минеральной ваты должен быть не менее 1,2. Для минеральной ваты высшей категории качества модуль кислотности М_к - не менее 1,4.

Для того чтобы повысить модуль кислотности, в состав исходного сырья, загружаемого в вагранку, входят добавки, т.н. раскислители - продукты, имеющие повышенный модуль кислотности по сравнению с исходным минеральным сырьем. Использование раскислителей приводит к необходимости совершения дополнительных технологических операций перед загрузкой минерального сырья в вагранку, а именно: измельчение минерального сырья, используемого в качестве раскислителя, и смешение его с исходным минеральным сырьем. Недостаточно качественное смешение исходного минерального сырья с раскислителем приводит к тому, что в объеме сырья, загружаемого в вагранку и содержащего исходное минеральное сырье и раскислитель образуются зоны с различным содержанием раскислителя. Неравномерный состав сырья приводит к тому, что в процессе плавки получится продукт с неравномерным химическим составом, предопределяющим неравномерность и неоднородность физико-химических свойств конечного продукта - минеральной ваты, что в итоге приводит к снижению потребительских свойств минеральной ваты как изоляционного материала.

Чтобы иметь возможность получения минеральной ваты с гарантированными, заранее определенными однородными физико-химическими свойствами, обеспечивающими высокие потребительские свойства минеральной ваты как изоляционного материала, необходимо стремиться к снижению компонентов в составе минерального сырья, загружаемого в вагранку.

Известен способ (прототип) получения минеральной ваты (М.Ф. Сухарев и др. “Производство теплоизоляционных материалов”, “Высшая школа”, 1981 г., стр.32-59), включающий загрузку исходного минерального сырья 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 минерального сырья используется, например, доменный шлак. В качестве топлива используют литейные (или доменные крупностью более 40 мм) коксы.

При плавлении на химический состав продуктов плавки оказывают влияние (приводящее к изменению химического состава) минеральные примеси, содержащиеся в сжигаемом топливе - металлургическом коксе, имеющем более высокий модуль кислотности по сравнению с доменными шлаками. Получаемая известным способом минеральная вата имеет небольшой модуль кислотности - не более 1,2-1,25.

Использование известного способа получения минеральной ваты имеет основной недостаток, связанный с высоким расходом кокса, являющимся дорогостоящим компонентом. К недостаткам известного способа можно отнести и необходимость использования специальной раскисляющей добавки с относительно низким модулем кислотности, плавление и равномерное распределение (смешение) которой с основным компонентом плавки - расплавом доменного шлака представляет дополнительную проблему.

Недостатком способа также является небольшой модуль кислотности конечного продукта - минеральной ваты.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением - повышение качества минеральной ваты; расширение сырьевой базы составов для получения минеральной ваты; удешевление процесса производства минеральной ваты.

Достигаемый технический результат - повышение модуля кислотности минеральной ваты; сокращение количества добавок в исходное минеральное сырье; сокращение объемов использования дорогостоящих компонентов топлива - кокса.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения минеральной ваты, включающем 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 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

кокс - 40-85;

тощие угли и/или антрациты - 60-15.

Тощие угли и/или антрациты характеризуются тем, что содержание летучих составляет не более 15%, содержание золы составляет не более 40%, термостойкость - не менее 70%.

Заявляемый способ предполагает также использование тощих углей и/или антрацитов крупностью 40-150 мм.

Заявляемый способ может также предусматривать введение раскисляющей добавки в состав исходного минерального сырья.

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.

В качестве топлива можно использовать иные продукты, обеспечивающие необходимую температуру и длительность горения, например тощие угли и/или антрациты.

Тощие угли и антрациты - природное сырье, не требующее специальной технологической обработки (коксования) для того, чтобы быть пригодным к использованию их в качестве топлива. С этой точки зрения возможность замены части кокса тощими углями и антрацитами приведет к значительному удешевлению процесса получения минеральной ваты за счет сокращения объемов использования дорогостоящего компонента топлива - кокса. Расход топлива в процессе плавки минерального сырья значительный - 15-30% от объема минерального сырья, следовательно, сокращение объемов использования дорогостоящего компонента - кокса приведет к значительному удешевлению процесса получения минеральной ваты.

Замена части кокса тощими углями и антрацитами не приведет к ухудшению технологического режима плавки минерального сырья, т.к. низшая теплота сгорания тощих углей и/или антрацитов находится, как правило, в пределах от 6000 до 7400 ккал/кг, а металлургического кокса - 6300-6700 ккал/кг. Высшая теплота сгорания тощих углей и/или антрацитов выше, чем кокса, поэтому увеличение зольности топлива не будет влиять на тепловой режим процесса. Таким образом, при замене части кокса тощими углями и/или антрацитами обеспечивается тепловой режим, не худший, чем при использовании в качестве топлива только кокса.

Для сохранения технологического режима плавления минерального сырья при использовании в составе топлива смеси, состоящей из кокса, тощих углей и/или антрацитов, рекомендуется использовать тощие угли и/или антрациты при следующих характеристиках: - выход летучих - не более 15%, зольность - не более 40%. термостойкость - не менее 70%.

Соотношение компонентов топлива рекомендуется обеспечивать в следующих пределах, мас.%:

кокс - 40-85;

тощие угли и/или антрациты - 60-15.

Замена части кокса в топливе тощими углями и/или антрацитами позволяет не только сэкономить на дорогостоящих компонентах 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.

Тощие угли и антрациты так же, как исходное минеральное сырье, характеризуются модулем кислотности их минеральных составляющих, значение которого колеблется в диапазоне от 20 до 90. Т.е. класс тощих углей и антрацитов по модулю кислотности очень широкий. Модуль кислотности минеральной части тощих углей и антрацитов значительно превышает модуль кислотности стандартных раскислителей, модуль кислотности которых не превышает 3-30, а также шлакообразующих минеральных примесей кокса - 8-14.

В процессе плавления в вагранке исходное минеральное сырье, расплавляясь, начинает протекать через топливо, минеральные примеси которого также плавятся по мере сгорания топлива. Расплавленное исходное минеральное сырье смешивается с расплавленными минеральными примесями топлива, имеющими высокий модуль кислотности. Таким образом происходит смешивание исходного минерального сырья и минеральных примесей топлива. Смешение это очень равномерное (расплав однороден), т.к. смешиваются компоненты в жидком состоянии. В итоге, в нижней части вагранки образуется расплав, состоящий из расплавленного исходного минерального сырья и расплавленной минеральной части топлива, усредненный по химическому составу и модулю кислотности. Расплав далее поступает на дальнейшую технологическую обработку с целью получения минеральной ваты.

Однородность расплава предопределяет однородность, равномерность физико-химических свойств конечного продукта - минеральной ваты, что позволяет гарантированно получать минеральную вату с заданными изоляционными свойствами.

При смешении расплавленного исходного сырья и расплавленной минеральной части топлива, имеющей более высокий модуль кислотности, обеспечивается более высокий модуль кислотности конечного продукта - минеральной ваты.

Поскольку класс тощих углей и антрацитов по модулю кислотности, как уже отмечалось, очень широкий, это позволяет осуществить выбор требуемого класса (по модулю кислотности) тощих углей и антрацитов в зависимости от класса (по модулю кислотности) исходного минерального сырья, т.е. способ позволяет осуществлять гибкое регулирование модуля кислотности конечного продукта в зависимости от состава исходного минерального сырья. При этом подбором класса тощих углей и/или антрацитов регулируется модуль кислотности как минерального сырья, так и конечного продукта - минеральной ваты. Добавление раскисляющей добавки позволит корректировать в более тонком диапазоне модуль кислотности конечного продукта - минеральной ваты.

Следовательно, использование в составе топлива тощих углей и/или антрацитов позволяет значительно расширить класс возможного исходного минерального сырья для получения минеральной ваты в вагранках, что значительно расширяет функциональные возможности заявляемого способа по сравнению с известными.

Таким образом, заявляемый способ позволяет значительно удешевить процесс получения минеральной ваты в вагранках за счет сокращения использования дорогостоящего компонента - кокса; повысить качество получаемой минеральной ваты за счет сокращения количества добавок в исходное минеральное сырье; значительно расширить функциональные возможности способа за счет расширения класса исходного минерального сырья, которое может быть использовано для получения минеральной ваты.

Из уровня техники не выявлено способов получения минеральной ваты, характеризующихся заявленной совокупностью признаков, следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию патентоспособности - “новизна”.

Совокупность признаков изобретения позволяет достичь заявленный технический результат и решить поставленную задачу, достижение которых известными способами невозможно, следовательно, можно сделать вывод о том, что заявляемое изобретение соответствует критерию патентоспособности “изобретательский уровень”.

Заявляемый способ поясняется примерами, результаты которых приведены в таблицах.

Характеристика и химический состав золы топлив и минеральных компонентов приведен в таблице 1.

В таблице 1 использованы следующие обозначения:

А^d - зольность, мас.%;

V^d - выход летучих веществ, мас.%

М_к - модуль кислотности;

Т_р - термостойкость, мас.%;

D - размер кусков топлива, мм.

Варианты примеров осуществления приведены в таблице 2.

При этом компонент 1 (из таблицы 1) применяется во всех примерах осуществления.

Компонент 2 - в 1, 3, 5 примерах осуществления.

Компонент 3 - в 4 примере осуществления.

Компонент 5 - во 2 примере осуществления.

Компонент 6 - во всех примерах осуществления.

Компонент 7 - в 1, 2, 4, 5 примерах осуществления.

Компонент 8 - в 6, 7 примерах осуществления.

Заявляемый способ был проверен с использованием минераловатных вагранок типа СМ5232 диаметром 1250 мм.

Пример 1. Осуществлена замена 30,8% кокса антрацитом с модулем кислотности золообразующей части 91,6% и крупностью 40 - 150 мм с суммарным содержанием мелких фракций (менее 40 мм) и крупных фракций (более 150 мм) не более 15%. Получена минеральная вата с модулем кислотности 1,42.

В качестве раскисляющей добавки использован диорит.

Т.е. достигается модуль кислотности, более высокий по сравнению с прототипом при одновременном снижении количества используемого кокса.

Пример 2. Аналогичный результат достигнут путем замены 30,8% кокса тощими углями с модулем кислотности золообразующей части ок. 55.

Пример 3. Высокий модуль кислотности минерального волокна, равный 1,34, достигнут без корректирующей (раскисляющей) добавки - диорита. Часть кокса заменяется высокозольным антрацитом марки АК крупностью 40-150 мм с содержанием кусков 40-150 мм не менее 86%.

Пример 4. Часть кокса заменяется антрацитом марки АК с зольностью 20,5% и модулем кислотности шлакообразующей части минеральных примесей, равным 55. Осуществлена замена 30,8% кокса, при этом получена минеральная вата с модулем кислотности 1,35.

Пример 5. В качестве заменителя кокса использован антрацит марки АК с зольностью 33,8% и 2,5% и модулем кислотности шлакообразующей части 91,6 и 19,4 соответственно. Получена минеральная вата с модулем кислотности 1,45. Экономия кокса составляет 53,85%.

Пример 6. В качестве заменителя применяется антрацит марки АК с зольностью 33,8% и модулем кислотности шлакообразующей части, равным 91,6, а также тощий уголь марки ТК с зольностью 25,3 мас.%, кислотность - 54,6. Получена минеральная вата с кислотностью 1,43.

Пример 7. В качестве заменителя применяется антрацит марки АК с зольностью 20,5% и модулем кислотности шлакообразующей части, равным 55. Получена минеральная вата с модулем кислотности 1,43; экономия кокса составляет 25%.

В качестве базы сравнения в таблице 2 приведены данные по прототипу и данные по существующей (известной) технологии.

В соответствии с прототипом и примером 1 возможно получение, например, минераловатных теплоизоляционных плит ППЖ - ГОСТ 22950-95.

Пример 2 и пример 3 позволяют получать, например, минераловатные теплоизоляционные плиты - ГОСТ 9573-96 марок П-125, П-75.

В соответствии с примерами 4-6 возможно получение, например, прошивных матов марок 75 и 100.

Данные таблицы 2 наглядно подтверждают, что замена в топливе части кокса тощими углями и/или антрацитами позволяет значительно поднять модуль кислотности конечного продукта - минеральной ваты (примеры 1-6) по сравнению с прототипом и существующей технологией.

Напротив, при неиспользовании в составе топлива тощих углей и/или антрацитов конечный продукт - минеральная вата получается с более низким модулем кислотности (прототип и существующая технология).

Анализ результатов показывает, что изобретение позволяет:

1) получить минеральную вату высокого качества с более высоким модулем кислотности по сравнению с прототипом;

2) удешевить процесс получения минеральной ваты при плавке сырья в печах-вагранках за счет сокращения использования дорогостоящего компонента топлива - кокса и замены его дешевыми антрацитами и/или тощими углями;

3) значительно расширить базу исходного минерального сырья.

Кроме того, обширная гамма различных классов тощих углей и антрацитов позволяет очень гибко в необходимых значениях регулировать величину модуля кислотности без использования корректирующих (раскисляющих) добавок.

Таблица 1
Наименование компонентов	Ad	Vd	Химический состав золы топлив и минеральных компонентов, мас.%	Мк	Тр	D
			SiO2	Аl2O3	Fe2O3	CaO	MgO	TiO2	Na2O+К2О	SO3
1. Кокс	12,0	0,6	52,5	26,5	7,1	5,5	1,3	0,8	4,1	1,2	11,6	ок. 100	более 40
2. Антрацит марки АК	33,8	4,9	60,2	31,4	2,1	0,5	0.5	1,6	2,1	1,0	91,6	80,5	40-150 более 85%
3. Антрацит марки АК	20,5	4,1	59,6	28,4	3,9	0,9	0,7	1,7	1,9	0,6	55,0	81,3	40-150 более 85%
4. Антрацит марки АК	2,5	2,5	51,1	28,5	11,4	2,8	1,3	0,9	2,9	1,7	19,4	91,0	40-150 более 85%
5. Тощий уголь марки ТК	25,3	12,3	53,5	28,4	10,5	0,8	0,7	0,9	2,3	1,1	54,6	76,8	50-150 более 85%
6.Доменный шлак			38,1	12,9	3,1	33,5	8,5				1,21
7. Диорит			49,4	7,4	4,1	13,4	4,0				3,26
8. Гранит (щебень)			70,2	14,5	1,6	2,0	0,9	0,4	7,6		29,2

1. Способ получения минеральной ваты, включающий загрузку топлива, исходного минерального сырья в печь, плавление минерального сырья и выработку минеральной ваты, отличающийся тем, что в качестве топлива используют смесь, состоящую из кокса, тощих углей и/или антрацитов при следующем соотношении компонентов, мас.%:

кокс 40-85;

тощие угли и/или антрациты 60-15;

тощие угли и/или антрациты характеризуются тем, что содержание летучих составляет не более 15%, содержание золы составляет не более 40%, термостойкость -не менее 70%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют тощие угли и/или антрациты крупностью 40-100 мм.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в печь загружают шихту, содержащую одновременно кокс, тощие угли и/или антрациты.

4. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что в состав исходного минерального сырья вводят раскисляющую добавку.