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Fusion de matières réfractaires.
La présente invention concerne en général la fusion de matières réfractaires et plus particulièrement la fu- sion de matières réfractaires pour la production de laine minérale, d'objets façonnés réfractaires, etc...
Les matériaux habituellement employés pour la fabri- cation de laine minérale sont la "roche de laine" naturelle (schiste calcaire ou pierre calcaire argileuse) le schiste commun, et les combinaisons de matières calcaires et sili- cieuses telles que les scories de fours métallurgiques.
Tous ces matériaux ont un ppint de fusion compris entre 815 et 1370 C, Lorsque la matière première a une température. de fusion dans la partie supérieure de ces limites on a l'ha-
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bitude d'ajouter des quantités variables d'un fondant tel que du calcaire, de la dolomite, du spath-fluor ou du feldspath pour abaisser le point de fusion du mélange à la valeur désirée.
La méthode usuelle de fabrication consiste à mélangea la ou les matières premières à du coke dans un cubilot vertical et à faire brûler le coke dans celui-ci avec une vitesse de combustion suffisante pour maintenir une température de zône de combustion suffisamment élevée pour fondre la matière première associée jusqu'à la fluidité nécessaire lorsqu'elle atteint cette section,, Des températures de zône de combustion du cubilot de 1630 C peu- vent être facilement maintenues dans un appareil de ce gen- re pendant de longues périodes de fonctionnement.
La mase fondue s'écoule hors du cubilot à une température habituelle- ment comprise entre 1150 et 1425 C. en un courant qui est réduit en fibres par différentes méthodes telles que le souf- flage du courant au moyen d'air ou de vapeur à grandesvites- se pour diviser la matière fondue en fibres de différentes longueurs.
Un des principaux emplois de la laine minérale du genre décrit est l'isolation thermique. La limite supérieure de température d'emploi pour cette matière est déterminée par la température à laquelle la recristallisation se produit dans celle-ci dans une mesure telle qu'il en résulte la fragilité et la perte de résistance des fibres. A cette température, appelée la température de "dévitrification" la matière change d'une structure vitreuse à une structure cristalline. Des essais faits sur les meilleures marques connues, dans le commerce, de laine minérale ont montré qu'aucune n'est dans un état satisfaisant après une exposi- tion de 24 heures à 730 C par suite de la recristallisation
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excessive à cette température.
Les limites supérieures de température d'emploi recommandées par les fabricants pour ces laines minérales dont par conséquent comprises entre 480 et 650 C.
Le but général de la présente invention est de fournir un procédé et un appareil pour fondre les matières réfrac- taires à haute température et plus particulièrement des matières minérales d'alumine et de silice comme les argiles réfractaires, les kaolins, la kyanite, la sillimanite et la topaze ayant un point de fusion dans les limites de 1595-1845 C. Un autre but plus particulier est de fournir une construction de cubilot comportant une disposition re- lative et une construction des tuyères de soufflage et de l'ouverture de sortie de la matière fondue spécialement destinées et adaptées à la fusion de matière réfractaire à haute température du genre décrit.
Un autre but parti- culier est la production d'une laine minérale ayant une températuré de dévitrification et une limite supérieure de température d'emploi dans la gamme de 815-1260 C. Un autre but particulier est la production d'objets façonnés réfractaires à haute température, caractérisés par leurs limites élevées de température d'emploi et la stabilité de volume améliorée.
Différentes caractéristiques de nouveauté de l'inven- tion son spécifiées en détail aux revendications annexées faisant partie de la présente description. Pour une meil- leure compréhension de l'invention, de ses avantéges de fonctionnement et des buts particuliers atteints par son emploi, on se reportera aux dessins annexés et à leur des- cription.
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Dans ces dessins :
La fig. 1 est une coupe verticale, en partie schématique, d'un cubilot construit conformément à l'in- vention, la coupe étant faite par la ligne 1-1 de la fig.
2.
La fige 2 est une coupe horizontale avec brisure faite par la ligne 2-2 de la fig. 1.
La fig. 3 est une vue en perspective avec brisure d'un filtre à gaz convenant pour l'emploi à haute tem- pérature.
On a représenté aux dessins un cubilot 10 ayant une enveloppe d'acier 11 cylindrique à double paroi, allonge dans le sens vertical, formant une paroi à refroidisse:- . ment par un fluide pour une chambre cylindrique 12 de section transversale horizontale uniforme. La paroi ex- térieure de l'enveloppe comporte une admission 13 près du fond et une sortie 14 près du sommet en vue de la cir- culation dans l'enveloppe d'un fluide de refroidissement approprié tel que l'eau. L'enveloppe de cubilot repré- sentée est ouverte à son extrémité supérieure 15, qui sert d'ouverture de chargement à partir d'une plateforme de chargement 16 et également comme orifice de sortie pour les gaz. Le cubilot possède une section de fond con- sistant en un anneau circulaire 17 pourvu de brides su- périeure et inférieure 18 et 19 respectivement.
La bri- de supérieure 18 est fixée à une bride de fond correspon dante 20 de l'enveloppe 11. Une plaque d'acier annulaire 21, pourvue d'une ouverture centrale 22, est reliée de façon détachable à la bride inférieure 19. La plaque 21 sert de support pour une sole 23 en une matière appro- priée réfractaire à haute température, telle que de la bauxite ou de l'alumine, moulée de façon à avoir une
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surface supérieure 24 allant en pente vers le bas depuis le voisinage de l'enveloppe,sous un petit angle sur l'ho- rizontale, jusqu'à un trou de coulée central 25.
Le trou de coulée est avantageusement de courte longueur verticale et de petit diamètre, le diamètre étant sensiblement plus petit que celui de l'ouverture 22 de la plaque, en vue de fournir une quantité importante de matière réfractaire iso- lante de la, haute température entourant le trou de coulée sur toute sa hauteur.
Si par exemple la chambre 12 a 30 pouces de diamètre, le trou de coulée 25 doit avoir un dia- mètre d'environ 2 pouces et une hauteur d'environ 3 pouces
On a trouvé que la situation et la disposition habi- tuelle des tuyères de souflage d'air du cubilot, à une dis- tance notable au-dessus d'un trou de coulée de fond ou la- téral, ne sont pas du tout satisfaisantes pour la fusion de matière réfractaire à point de fusion élevé du genre décrit, vu que la matière devenant fondue dans la section à température élevée de la chambre 12 se solidifie bien avant qu'elle puisse atteindre le trou de coulée.
En confa- mité avec la présente invention un gaz contenant de l'o- xygène, tel que de l'air est envoyé à la charge de coke et de matière réfractaire dans la chambre 12 à partir d'une bôite à vent annulaire 30 entourant l'enveloppe 11 et pré- sentant une liaison d'alimentation tangentielle 31 venant d'une soufflerie non représentée ou d'une autre source ap- propriée d'air sous pression. La bêite à vent est reliée par des tuyaux 32 à une série circulaire de tuyères 33 dé- bouchant à travers l'anreau inférieur 17 en des points es- pacés angulairement.
Chacune de huit tuyères représentés est disposée avec son axe sensiblement tangentiel à un cer- cle ayant approximativement la moitié du diamètre de la
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chambre 12 et déchargeant l'éir dans le sens inverse du sens des aiguilles d'une montre, immédiatement au-dessus de la surface supérieure 24 de la sole. On a par exemple trouvé satisfaisant un niveau de l'axe de tuyère à 2-3 pouces au-dessus da fond du fourneau. Les extrémités de sortie des tuyères sont avantageusement protégées par une chemise d'eau 34.
Dans le mode de fonctionnement préféré, un lit de coke métallurgique de la grosseur d'un oeuf, d'environ 26-30 pouces de hauteur est allumé sur la sole et on le laisse brûler jusqu'à ce que le lit atteigne la température élev désirée. Le cubilot est alors chargé par/dessus 15 au moy- en de couches alternées de la matière réfractaire 40 à point de fusion élevé à fondre et de coke supplémentaire 4le dans un rapport de la matière réfractaire au coke d'en- viron 1,5:1 en poids. La matière à fondre est avantageuse- ment fournie sous la forme de morceaux agglomérés produits par calcination de la matière première dans un four rotatf pour éliminer l'eau de combinaison.
Les kaolins ou l'argi de Chine sont préférés pour la matière réfractaire brute à cause de la pureté relativement élevée) de leur cuisson en couleur blanche et de leur disponibilité à un prix re- lativement bas. Les kaolins ont un point de fusion d'envi- ron 1785 C et un kaolin de Géorgie a par exemple la compo- sition chimique approximative suivante :
EMI6.1
<tb> Silice <SEP> 45,30
<tb>
<tb> Alumine <SEP> 39,14
<tb>
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> titanium <SEP> 1,54
<tb>
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> fer <SEP> 0,27
<tb>
<tb> Chaux <SEP> 0,13
<tb>
<tb> Magnésie <SEP> 0,04
<tb>
<tb> Potasse <SEP> 0,15
<tb>
<tb> soude <SEP> 0,10
<tb>
<tb> Perte <SEP> au <SEP> feu <SEP> 13,71
<tb>
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Le kaolin brut est chauffé dans un four rotatif à environ 1150 C et la masse résultante est employée dans le cubilot sans addition de fondant, ce qui évite'toute réduc- tion de sa température de fusion. La charge est grillée pen- dant une courte période pour élever sa température et le vent est alors mis en marche par les tuyères 33 à une vites- se déterminée.
La température dans la zône de combustion à haute température, qui avec la construction décrite est im- médiatement au-dessus de la sole, augmente sensiblement sous l'opération de souflage d'air jusqu'à une valeur (par exemple 1370 C) supérieure au point de fusion de la matière à fon- dre. Les gaz de combustion et l'air éventuellement non con- ,'sommé s'écoulent vers le haut à travers la charge du cubi- lot en venant en contact avec les couches alternées de masse cuite et de coke, ce qui donne une chaleur sensible à la masse cuite et au ooke avant que ces matières atteignent la zône de combustion. Lorsque le coke dans la couche infé- rieure est consumé et que la masse cuite est fondue, la par- tie restante de la charge descend par la pesanteur.
La char- ge peutêtre périodiquement comprimée, mécaniquement pour maintenir une formation compacte etempêcher la formation de ponts dans le cubilot. La masse fondue dans la zone de com- bustion s'écoule par-dessus le coke incandescent de celle-ci vers le trou de coulée 25. Des couches alternées supplémen- taires de matière cuite et de coke sont fournies'suivant les besoins pour maintenir le niveau de la charge dans le cubi- lot. La disposition et la construction relatives des tuyères 'et du trou de coulée maintiennent la zone de plus grande fluidité de fusion près du trou de coulée pour éviter le refroidissement de la matière fondue avant son évacuation.
Sensiblement toute la masse cuite est fondue pendant le temps qu'elle atteint un niveau à 12 pouces au-dessus du
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fondu niveau des tuyères. La proportion de kaolin/par rapport au coke au-dessus du niveau de 12 pouces diminue rapidement.
Tandis qu'un nombre relativement grand de tuyères est employa pour régler la vitesse de l'air soufflé, la vitesse est en- core suffisante pour former des canaux d'air dans la masse de kaolin fondu et de coke au niveau des tuyères, comme on l'a indiqué à la fig. 2, ces canaux étant disposés symétrique- ment par rapport à la nappe de kaolin fondu au-dessus et au- fondu tour du trou de coulée. Bien que le kaolin/soit suffisamment fluide pour*être divisé par un courant de soufflage en fines fibres, sa fluidité et la vitesse de d'écoulement sont nota- blement moindres que lorsque de la roche à laine est fondue dans le même appareil, par suite de la différence sensible dans leure température de fusion.
Le kaolin fondu s'évacuant par le trou 25 peut-être a- vantageusement utilisé pour la fabrication de différents produits réfractaires. Il s'est montré particulièrement avan- tégeux lorsqu'ils est transformé en une laine minérale à hau- te température par exemple par l'emploi d'un tuyau de souffla- ge 35 situé en-dessous du trou de coulée et qui envoie un courant de grande vitesse de vapeur ou d'air transversalement au courant descendant de matièref.ondue, de la manière usuel- le, pour séparer la masse fondue en fibres de longueurs dif- férentes et déposer les fibres produites dans une chambre collectrice 36. Tandis que le kaolin fondu forme, lorsqu'il est refroidi lentement, un aggrégat de verre de mullite-dili- ce, lorsqu'il est refroidi très rapidement dans l'air ou l'eau il forme un verre transparent ou translucide non cris- tallin.
Les fibres de kaolin fendu recueillies dans la cham- bre collectrice 36 ont donné l'analyse chimique suivante :
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EMI9.1
<tb> A12O3 <SEP> 45.24%
<tb>
<tb> SiO2 <SEP> 51.00
<tb>
<tb>
<tb> Fe2O3 <SEP> 1. <SEP> 06
<tb>
<tb>
<tb> TiO2 <SEP> 2. <SEP> 17
<tb>
<tb>
<tb> C <SEP> combiné <SEP> 0.14
<tb>
<tb>
<tb> CaO <SEP> + <SEP> MGO <SEP> 0.25 <SEP> (par <SEP> estimation)
<tb>
<tb>
<tb> Perte <SEP> au <SEP> feu <SEP> O.20
<tb>
La forte teneur en alumine est particulièrement avanta- geuse vu qu'une laine minérale à teneur élevée a en alumine est un meilleur isolant dans les conditions humides par sui- te de sa tendance moindre à absorber l'humidité de l'air.
Les verres à forte teneur en alumine tendent à résister à la chaleur) à la dévitrificaiton et à l'attaque chimique mieux que les verres usuels.
La majorité des fibres de kaolin fondu produites avaieit un dimaètre de 1-6 microns, tandis qu'un petit nombre avait un diamètre de 10-15 microns et plus. Le poids spécifique des fibres était approximativement de 2.62. L'indice de ré- fraction se trouvait entre 1550 et 1545. Des échantillons de la laine fondue ont été réchauffés à différentes température jusqu'à 1815 C. Aucune recristallisation ne s'est produite en-dessous de 1425 C. A des températures comprises entre 1285 C et 14258c, un certain changement dans la matière a eu lieu vu que les fibres les plus lourdes sont devenues vi- sibles sous des prismes de Nicol croisés, mais aucune recr tallisation n'a été remarquée.
Une recristallisation bien définie s'est produite pendant le chauffage à 1425 C mais les cristaux étaient trop petits pour être identifiés. La fusion s'est produite lorsque des fibres ont été chauffées à 1815 C et de grandes quantités de grands cristaux de mullite étaient présents. Les fibres ont été soumises à des essais
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de flexion et on a trouvé qu'elles conservent leur bo- ne élasticité après chauffage à des températures allant jusqu'à 1315 C pendant 5 heures. La présence de- grandes quantités de cristaux de Mullite à une température de fusion et la température de dévitrification notée prouvent que les fibres sont sensiblement du kaolin pur refroidi.
Avec les propriétés décrites, ces fibres peuvent être employées en toute sécurité à des températures allant jus- qu'à 1285 C comme isolation thermique, accoustique et élec- trique , filtres de gaz'à haute température et pour dès appli- cations analogues.
,Les laines minérales du genre décrit sont particulière- ment appropriées pour l'emploi comme matière filtrante pour des gaz à haute température par exemple dans la conduite d'échappement d'un moteur Diesel ou dans la conduite d'entre de gaz d'une turbine à gaz. On a représenté à la fig. 3 un filtre à gaz convenant pour séparer de la poussière de cata- lyseur de vapeurs d'hydrocarbures quittant une chambre de catalyseur dans le procédé Houdri.
Le filtre est formé par une enveloppe cylindrique 40 en alliage résistant à la cha- leur, fermée aux deux extrémités et présentant une connexion d'entrée 41 pour des gaz à haute température chargés de pous- sière. une unité filtrante remplaçable est formée par des or ganes espacés cylindriques 42 et 43 à petits trous en un al- liage analogue, entre lesquels on a placé une couche annulai- re 45 de la laine décrite de kaolin fondu. Un tuyau 46 de sortie dugaz débouche dans l'espace à l' intérieur de l'écran- intérieur 43. Avec cette construction, les gaz changés de poussière traversent la couche de laine minérale sur toute sa circonférence en déposant la poussière dans la mase fi- breuse suspendue.
La température élevée de dévitrification
EMI10.1
<tb> de <SEP> la <SEP> laine <SEP> minérale <SEP> lui <SEP> permet <SEP> de <SEP> résister <SEP> de <SEP> façon <SEP> sure <SEP> à
<tb> des <SEP> températures <SEP> du <SEP> gaz <SEP> de <SEP> 1100 C <SEP> indéfiniment.
<tb>
<Desc/Clms Page number 11>
Le kaolin fondu produit de la manière décrite peut également être employé avantageusement à l'état de masse cuite ou d'aggrégat pour des objets façonnés moulés réfrac- taires. Pour cette application, la masse fondue est solide. fiée par refroidissement à l'eau ou par coulée en billettes et la masse résultante est broyée de façon à passer à tra- vers un tamis de 4 mailles. La masse cuite est alors mélan- gée à la; terre à briques et à de l'eau dans les proportions approximatives :
EMI11.1
<tb> Masse <SEP> du <SEP> cubilot <SEP> broyée <SEP> à <SEP> 4 <SEP> mailles <SEP> 67)5*en <SEP> poids
<tb>
<tb> Terre <SEP> à <SEP> briques <SEP> 33% <SEP> en <SEP> poids
<tb>
<tb>
<tb> Eau <SEP> 9% <SEP> en <SEP> poids
<tb>
<tb>
<tb> des <SEP> solides.
<tb>
La masse est moulée en barre de 9 pouces et les bar- res sont séchées à 105 C et cuites à 1662 C. Lorsqu'on a réchauffé des échantillons pendant 5 heures à 1600 C le re- trait de réchauffage a varié de plus 0,15 à moins 0,19% du volume, ce qui montre un état sensiblement stable. Ces bri- ques ont été trouvées supérieures à des briques de compo- sitions semblables, faites avec l'aggrégat usuel du four rotatif calciné à une température inférieure au point de fusion de la matière, par le fait qu'elles ont 10% de poides en moins par barre, un tiers du retrait linéaire et deux cinquièmes du retrait volumétrique.
Les propriétés améliorées d'une brique renfermant l'ag- grégat décrit du cubilot dont dues, croit-on, à la présen- ce d'une quantité petite mais effective de carbone qui sem- ble être partiellement en soution et partiellement en sus- pension dans l'aggrégat. Tandis que l'inclusion d'une pe- , tite quantité de carbone dans la matière fondue déchargée
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par le trou de coulée ne semble pas changer les propriétés physiques de la fibre résultante lorsque le courant est de- sintégré, la présence de' carbone en solution ou suspension dans la masse fondue a été trouvée trés importante lorsque la masse fondue est solidifiée et les morceaux broyés em- ployés comme aggrégat pour briques.
La teneur en carbone de l'aggrégat est de référence comprise entre 0,05 et 1 00% en poids de l'agrégat. En comparaison de briques cuites de façon semblable, faites avec des pourcentages semblabes d'aggrégation de four rotatif ou même de pur aggrégat de kao- lin fondu, la brique contenant l'agtgrégat de kaolin-carbone avait un retrait en volume notablement moindre.
R e v e n d i c a t i o n s.
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Fusion of refractory materials.
The present invention relates generally to the melting of refractory materials and more particularly to the melting of refractory materials for the production of mineral wool, refractory shaped articles, etc.
The materials usually used for the manufacture of mineral wool are natural "wool rock" (limestone or clay limestone), common shale, and combinations of limestone and silica materials such as slag from metallurgical furnaces.
All of these materials have a melting ppint of between 815 and 1370 C, when the raw material has a temperature. of fusion in the upper part of these limits we have the ha-
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Abitude to add varying amounts of a flux such as limestone, dolomite, fluorspar or feldspar to lower the melting point of the mixture to the desired value.
The usual method of manufacture is to mix the raw material (s) with coke in a vertical cupola and burn the coke therein with a sufficient combustion rate to maintain a combustion zone temperature high enough to melt the material. first associated to the necessary fluidity when it reaches this section, cupola combustion zone temperatures of 1630 C can be easily maintained in an apparatus of this kind for long periods of operation.
The molten mass flows out of the cupola at a temperature usually between 1150 and 1425 ° C in a stream which is reduced to fibers by various methods such as blowing the stream with air or steam. high speed to divide the melt into fibers of different lengths.
One of the main uses of mineral wool of the kind described is thermal insulation. The upper limit of temperature of use for this material is determined by the temperature at which recrystallization occurs therein to such an extent as to result in brittleness and loss of strength of the fibers. At this temperature, called the "devitrification" temperature, matter changes from a glassy structure to a crystalline structure. Tests on the best known brands of mineral wool have shown that none are in satisfactory condition after 24 hours exposure to 730 C as a result of recrystallization.
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excessive at this temperature.
The upper temperature limits for use recommended by the manufacturers for these mineral wools are therefore between 480 and 650 C.
The general object of the present invention is to provide a process and an apparatus for melting refractory materials at high temperature and more particularly alumina and silica minerals such as refractory clays, kaolins, kyanite, sillimanite. and topaz having a melting point within the limits of 1595-1845 C. Another more particular object is to provide a cupola construction having a relative arrangement and a construction of the blow nozzles and the outlet opening of the cupola. the molten material specially intended and adapted for the melting of refractory material at high temperature of the kind described.
Another particular object is the production of a mineral wool having a devitrification temperature and an upper limit of use temperature in the range of 815-1260 C. Another particular object is the production of refractory shaped articles. high temperature, characterized by their high operating temperature limits and improved volume stability.
Various novelty features of the invention are specified in detail in the appended claims forming part of the present description. For a better understanding of the invention, of its operational advantages and of the particular objects achieved by its use, reference is made to the accompanying drawings and their description.
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In these drawings:
Fig. 1 is a vertical section, partly schematic, of a cupola constructed in accordance with the invention, the section being taken through line 1-1 of FIG.
2.
Fig 2 is a horizontal section with a break made by line 2-2 of fig. 1.
Fig. 3 is a perspective view, broken away, of a gas filter suitable for use at high temperature.
There is shown in the drawings a cupola 10 having a double-walled cylindrical steel casing 11, extending in the vertical direction, forming a wall to be cooled: -. ment by a fluid for a cylindrical chamber 12 of uniform horizontal cross section. The outer wall of the casing has an inlet 13 near the bottom and an outlet 14 near the top for circulation through the casing of a suitable coolant such as water. The cupola shell shown is open at its upper end 15, which serves as the loading opening from a loading platform 16 and also as an outlet for the gases. The cupola has a bottom section consisting of a circular ring 17 provided with upper and lower flanges 18 and 19 respectively.
The upper bracket 18 is attached to a corresponding bottom flange 20 of the casing 11. An annular steel plate 21, provided with a central opening 22, is detachably connected to the lower flange 19. The plate 21 serves as a support for a hearth 23 of a suitable high temperature refractory material, such as bauxite or alumina, molded so as to have a
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upper surface 24 sloping downward from the vicinity of the casing at a small angle to the horizontal to a central taphole 25.
The taphole is preferably of short vertical length and small diameter, the diameter being substantially smaller than that of the opening 22 of the plate, in order to provide a large amount of high temperature insulating refractory material. surrounding the taphole over its entire height.
If, for example, chamber 12 is 30 inches in diameter, taphole 25 should be about 2 inches in diameter and about 3 inches high.
It has been found that the location and usual arrangement of the cupola air blowing nozzles, at a significant distance above a bottom or side taphole, is not at all satisfactory. for melting high melting point refractory material of the kind described, as the material becoming molten in the high temperature section of chamber 12 solidifies well before it can reach the taphole.
In accordance with the present invention an oxygen-containing gas, such as air, is supplied to the charge of coke and refractory material in chamber 12 from a surrounding annular blast box 30. the casing 11 and having a tangential feed connection 31 coming from a blower, not shown, or from another suitable source of pressurized air. The wind box is connected by pipes 32 to a circular series of nozzles 33 opening through the lower aneau 17 at angularly spaced points.
Each of the eight nozzles shown is disposed with its axis substantially tangential to a circle having approximately half the diameter of the nozzle.
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chamber 12 and discharging the air in a counterclockwise direction immediately above the upper surface 24 of the hearth. For example, a level of the nozzle axis 2-3 inches above the bottom of the furnace has been found satisfactory. The outlet ends of the nozzles are advantageously protected by a water jacket 34.
In the preferred mode of operation, an egg-sized metallurgical coke bed about 26-30 inches high is ignited on the hearth and allowed to burn until the bed reaches elevated temperature. desired. The cupola is then loaded over / above by means of alternating layers of the high melting point refractory 40 to be melted and additional coke 4le in a refractory to coke ratio of about 1.5. : 1 by weight. The material to be melted is advantageously supplied in the form of agglomerated pieces produced by calcining the raw material in a rotary kiln to remove the combining water.
Kaolins or Chinese argi are preferred for the crude refractory because of the relatively high purity, their firing in white color and their availability at a relatively low cost. Kaolins have a melting point of about 1785 C and a Georgia kaolin, for example, has the following approximate chemical composition:
EMI6.1
<tb> Silica <SEP> 45.30
<tb>
<tb> Alumina <SEP> 39.14
<tb>
<tb> Oxide <SEP> of <SEP> titanium <SEP> 1.54
<tb>
<tb> Oxide <SEP> of <SEP> iron <SEP> 0.27
<tb>
<tb> Lime <SEP> 0.13
<tb>
<tb> Magnesia <SEP> 0.04
<tb>
<tb> Potash <SEP> 0.15
<tb>
<tb> soda <SEP> 0.10
<tb>
<tb> Loss <SEP> at <SEP> fire <SEP> 13.71
<tb>
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The raw kaolin is heated in a rotary kiln to about 1150 C and the resulting mass is used in the cupola without the addition of flux, which prevents any reduction in its melting temperature. The charge is burned out for a short time to raise its temperature and the wind is then started by the nozzles 33 at a determined rate.
The temperature in the high temperature combustion zone, which with the construction described is immediately above the hearth, increases appreciably under the air blowing operation to a higher value (for example 1370 C). at the melting point of the material to be melted. Combustion gases and possibly unconsumed air flow upwardly through the cubicle charge, coming into contact with the alternating layers of massecuite and coke, resulting in sensible heat. massecuite and ooke before these materials reach the combustion zone. When the coke in the bottom layer is consumed and the cooked mass is melted, the remaining part of the charge descends by gravity.
The load may be periodically compressed, mechanically to maintain a compact formation and prevent the formation of bridges in the cupola. The melt in the combustion zone flows over the glowing coke therein to the taphole 25. Additional alternating layers of baked material and coke are provided as needed to maintain the level of the load in the cubicle. The relative arrangement and construction of the nozzles and the taphole maintains the zone of greatest melt flow near the taphole to prevent cooling of the molten material prior to discharge.
Substantially all of the cooked mass is melted by the time it reaches a level 12 inches above the
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fade level of the nozzles. The proportion of kaolin / to coke above the 12 inch level decreases rapidly.
While a relatively large number of nozzles are employed to control the velocity of the blown air, the velocity is still sufficient to form channels of air in the mass of molten kaolin and coke at the nozzles, such as it has been indicated in fig. 2, these channels being arranged symmetrically with respect to the sheet of molten kaolin above and below the taphole. Although kaolin / is sufficiently fluid to * be divided by a blowing stream into fine fibers, its fluidity and the flow rate are noticeably slower than when wool rock is melted in the same apparatus, for example. result of the significant difference in their melting temperature.
The molten kaolin discharging through hole 25 can be advantageously used for the manufacture of various refractory products. It has been shown to be particularly advantageous when it is processed into mineral wool at high temperature, for example by the use of a blowing pipe 35 located below the taphole and which sends a high velocity stream of vapor or air transverse to the downward stream of molten material, in the usual manner, to separate the melt into fibers of different lengths and deposit the produced fibers in a collecting chamber 36. While that molten kaolin forms, when cooled slowly, an aggregate of mullite-dili- ce glass, when cooled very rapidly in air or water it forms a transparent or translucent non-crystalline glass .
The split kaolin fibers collected in collecting chamber 36 gave the following chemical analysis:
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EMI9.1
<tb> A12O3 <SEP> 45.24%
<tb>
<tb> SiO2 <SEP> 51.00
<tb>
<tb>
<tb> Fe2O3 <SEP> 1. <SEP> 06
<tb>
<tb>
<tb> TiO2 <SEP> 2. <SEP> 17
<tb>
<tb>
<tb> C <SEP> combined <SEP> 0.14
<tb>
<tb>
<tb> CaO <SEP> + <SEP> MGO <SEP> 0.25 <SEP> (by <SEP> estimate)
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<tb>
<tb> Loss <SEP> at <SEP> fire <SEP> O.20
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The high alumina content is particularly beneficial since mineral wool with a high alumina content is a better insulator in humid conditions due to its less tendency to absorb moisture from the air.
Glasses with a high alumina content tend to resist heat, devitrification and chemical attack better than conventional glasses.
The majority of the molten kaolin fibers produced had a diameter of 1-6 microns, while a small number had a diameter of 10-15 microns and more. The specific gravity of the fibers was approximately 2.62. The refractive index was between 1550 and 1545. Samples of the molten wool were warmed at different temperatures up to 1815 C. No recrystallization occurred below 1425 C. At temperatures between between 1285 C and 14258c some change in material took place as the heavier fibers became visible under crossed Nicol prisms, but no recrystallization was noted.
Well-defined recrystallization occurred during heating to 1425 C but the crystals were too small to identify. Melting occurred when fibers were heated to 1815 C and large amounts of large mullite crystals were present. The fibers have been tested
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flexural strength and have been found to retain good elasticity after heating at temperatures up to 1315 C for 5 hours. The presence of large amounts of mullite crystals at a melting temperature and the noted devitrification temperature prove that the fibers are substantially pure chilled kaolin.
With the properties described, these fibers can be safely employed at temperatures up to 1285 ° C as thermal, acoustic and electrical insulation, high temperature gas filters and the like.
Mineral wools of the kind described are particularly suitable for use as a filter material for gases at high temperature, for example in the exhaust line of a diesel engine or in the gas inlet line of a diesel engine. gas turbine. There is shown in FIG. 3 a gas filter suitable for separating catalyst dust from hydrocarbon vapors leaving a catalyst chamber in the Houdri process.
The filter is formed by a cylindrical shell 40 of heat resistant alloy, closed at both ends and having an inlet connection 41 for high temperature dust laden gases. a replaceable filter unit is formed by cylindrical spaced apart members 42 and 43 of a like alloy, between which an annulus 45 of the described wool of molten kaolin has been placed. A gas outlet pipe 46 opens into the space inside the inner screen 43. With this construction, the gases changed from dust pass through the layer of mineral wool over its entire circumference, depositing the dust in the mase fi - breuse suspended.
The high temperature of devitrification
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<tb> of <SEP> the <SEP> wool <SEP> mineral <SEP> him <SEP> allows <SEP> of <SEP> to resist <SEP> of <SEP> way <SEP> sure <SEP> to
<tb> <SEP> temperatures <SEP> of <SEP> gas <SEP> of <SEP> 1100 C <SEP> indefinitely.
<tb>
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The molten kaolin produced as described can also be used advantageously in the massecuite or aggregate state for refractory molded articles. For this application, the melt is solid. bonded by water cooling or by casting into billets and the resulting mass is ground so as to pass through a 4 mesh sieve. The massecuite is then mixed with the; brick earth and water in the approximate proportions:
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<tb> Mass <SEP> of the <SEP> cupola <SEP> crushed <SEP> to <SEP> 4 <SEP> meshes <SEP> 67) 5 * in <SEP> weight
<tb>
<tb> Earth <SEP> to <SEP> bricks <SEP> 33% <SEP> in <SEP> weight
<tb>
<tb>
<tb> Water <SEP> 9% <SEP> in <SEP> weight
<tb>
<tb>
<tb> solid <SEP>.
<tb>
The mass is molded into a 9 inch bar and the bars are dried at 105 C and fired at 1662 C. When samples were warmed for 5 hours at 1600 C the reheat shrinkage varied by plus 0. 15 to minus 0.19% by volume, showing a substantially stable state. These bricks were found to be superior to bricks of similar composition, made with the usual aggregate of the rotary kiln calcined at a temperature below the melting point of the material, in that they have 10% weight. less per bar, one third of the linear shrinkage and two fifths of the volumetric shrinkage.
The improved properties of a brick containing the described cupola aggregate are believed to be due to the presence of a small but effective amount of carbon which appears to be partially sustaining and partially suspending. pension in the aggregate. While the inclusion of a small amount of carbon in the melt discharged
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by the taphole does not appear to change the physical properties of the resulting fiber when the stream is broken down, the presence of carbon in solution or suspension in the melt has been found to be very important when the melt is solidified and crushed pieces used as aggregate for bricks.
The carbon content of the aggregate is of reference between 0.05 and 100% by weight of the aggregate. As compared to similarly fired bricks made with similar percentages of rotary kiln aggregate or even pure molten kaolin aggregate, the brick containing the kaolin-carbon aggregate had significantly less volume shrinkage.
R e v e n d i c a t i o n s.