DE3438733A1 - Verfahren zur herstellung temperaturbestaendiger gesteinsfasern - Google Patents

Description

Titel der Erfindung

Verfahren zur Herstellung temperaturbeständiger Gesteinsfasern

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Produktion anorganischer Faserprodukte für Wärmedämmzwecke, einsetzbar bis zu Anwendungsgrenztemperaturen (AGT) von mindestens 750 bis ca. max. 900" C, abhängig von deren Konfektionierung, der Einbauart sowie ihrer komplexen thermisch/chemisch/mechanischen Beanspruchung während der Ofenreise oder zur Substitution von Asbest in bestimmten asbesthaltigen Produkten, vorzugsweise mit thermischer Beanspruchung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Für energieintensive Wärmeanlagen aller Art kommen neben konventionellen schweren feuerfesten Bau- und Wärmedämmstoffen für hocheffektive moderne Teil- oder Ganzfaserzustellungen zunehmend folgende Faserprodukte zum Einsatz:

- Feuerfestfasern verschiedener Typen mit AGT = 1100° C, welche wegen~ihres hohen Preises nur beschränkt, d. h. an der Feuerseite eingesetzt werden können.

- Mineral- bzw. Schlacken- oder Gesteinsfasern, welche als Massenfasern mit produktiven Verfahren billig hergestellt und wegen ihrer mangelhaften Eigenschaften (schwankender Stoffbestand, heterogene Mikrostruktur und ungünstiges Sinter/Kristallisationsverhalten des Faserglases) nur bis zu AGT von ca.

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bis max. ca. 550° C eingesetzt werden kann.

"Wegen Fehlens preisgünstiger Faserdämmstoffe für den mittleren Temperaturbereich waren moderne Ganzfaserzustellungen bisher auf die Kombination Feuerfestfasern/Mineralwolle mit ACT max. ca. 550° C angewiesen, was den verstärkten Einsatz sehr teurer jreuerfestfaserprodukte auch für den mittleren Temperaturbereich wie etwa zu Schichtgrenzteraperaturen von ca. 550° C erforderlich machte. Aus ökonomischen Gründen wird daher angestrebt, preisgünstige Faserprodukte für den mittleren Temperaturbereich bis ca. 800° C AGT zu entwickeln, um den Einsatz teurer Feuerfestiaserprodukte zu reduzieren bzw. Kombinationen von Feuerdämmstoffen : Feuerfestfasern / Temperaturbeständige Gesteinsfasern mit AGT ca. 800° C / Mineralwolle einsetzen zu können und die Zu— stellkosten bei weitgehender Anwendung modernster hocheffektiver Ganzfaserzustellungen auf ökonomisch vertretbare Relationen zu senken.

- Gesteinsfasern mit AGT von ca. 800° C

Es sind z. Z. international nur wenige Faserprodukte für den genannten mittleren Temperaturbereich bekannt, welche meist aus konventionellen Schmelzrohstoffen und üblichen Verfahren zur Erzeugung von Massenfasern für Schall- und Wärmedämmzwecke hergestellt werden.

Die Ursachen für die relativ günstige Temperaturbeständigkeit von wenigen dieser Faserprodukte sind vermutlich durch die geringeren FeO-, höheren CaO+MgO- oder AIpO,.-Gehalte und/oder ein homogeneres Faserglas mit relativ günstiger Mikrostruktur gegeben. Der derzeitige Kenntnisstand ist unzureichend.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, anorganische Faserprodukte kostengünstig herzustellen, welche beim Einbau hinter feuerfesten Bauoder Wärmedämmstoffen oder in Direktkontakt mit den heißen Gasen von Wärmeanlagen der verschiedensten Art bis ca. 800° C AGT

temperaturbeständig üind, d. h. kein unvertretbares Sintern oder'Erweichen und auch kein Zerrieseln durch thermische Alterung oder Oxydation des FeO bzw» durch ungeeignete Kristallisation "des Faserglases zeigen. Das bedeutet, daß bei Dauereinsatz Form und vorhandene Faserstruktur des Wärmedämmstoffes weitgehend erhalten bleiben muß, damit keine Verschlechterung der Gebrauchseigenschaften -- insbesondere der Wärmedämmung - eintreten kann.

Die Anwendung der losen Fasern kann unmittelbar für Stopf- oder Spritzisolierungen ohne weitere Konfektionierungen erfolgen. Bei Einsatz als Platten, Matten oder Moduls ist eine entsprechende Konfektionierung unter Einsatz geeigneter Bindemittel nach bekannten Verfahren erforderlich.

Desweiteren ist es das Ziel der Erfindung, durch die vorgeschlagenen Fasern Asbest in bestimmten asbe3thaltigen Produkten mit vorzugsweise thermischer Beanspruchung bis ca. 800° C aber auch mit kombinierter thermisch/chemisch/mechanischer Beanspruchung außer in extrem alkalischer Matrix zu ersetzen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Erfindungsgemäß wird die hohe Temperaturbeständigkeit dieses Faserproduktes dadurch erreicht, daß hauptsächlich das Mineral "Chlorit" enthaltende öchmelzrohstoffe zur Erzeugung der Schmelze und daraus herzustellender Fasern eingesetzt werden. Je nach Schmelzatmosphäre entstehen eisenreiche Gesteinsgläser mit FeO/ FeO+FepOo-Gehalten in den Verhältnisgrenzen von etwa 80 % bis 20 %.

Das Wirkprinzip der Erfindung ist im Aufbau der Chloritminerale begründet. Bei diesen wechseln 3-Schicht-Pakete (Talk- bzw. Pyrophyllitschichten) und zusätzliche Oktaederschichten (Brucit- oder Hydrargillit) einander ab. Die Chlorite bilden in hohem Maße isomorphe Mischungsreihen, wobei in der Brucitschicht ein Teil

2+

des Hg vor allem durch Fe (und Al) und in den Pyrophyllitschichten ein Teil des Al durch Fe und Mg isomorph ersetzt wird. Die vorgeschlagenen chlorithaltigen Rohstoffe garantieren demzufolge eine extrem hohe Dispersion der Fe - und Fe^ -Ionen in

der Schmelze und im Faserglas und in Verbindung mit einem geeigneten oxydierenden S'chmeTzregime auch ein optimales Verhältnis

2+ 3+

von Fe /Fe . Die für eine Keimbildung offensichtlich außerordentlich günstige statistische Verteilung und Koordination der o. g. Ionen in den chlorithaltigen Rohstoffen, in der Schmelze und im Faserglas, führt voraussichtlich über Mischkristalle (Spinelle) als Zwischenstufe, bei der Wiedererhitzung der hergestellten Fasern zu einer noch vor Sinterbeginn früh einsetzenden, regelmäßigen, allerfeinsten Volumenkristallisation. Dies bewirkt eine Blockierung und Verzögerung der Fasersinterung und u. a. durch den Versteifungseffekt der Kristallarmierung die angestrebte Erhöhung der Temperaturbeständigkeit der Faserprodukte. Es kommt zur Bildung allerfeinster Kristalle mit Durchmessern im mm-Bereichwas besonders wichtig ist, da gröbere Kristalldurchmesser im μπι-Bereich die Fasern von wenigen um Durchmesser zerstören würden.

Es wurde gefunden, daß die o. g. gleichmäßige und allerfeinste Volumenkristallisation im nm-Bereich nur eintritt, wenn das Faserglas eine hohe Keimkonzentration (- Bildungsgeschwindigkeit) aufweist, was nur bei den höher chlorithaltigen Rohstoffen erreicht _t, werden konnte.

Es wurde weiterhin gefunden, daß eine Verhältnis FeO/Feo+ FepO.-, von 20 bis 50 % im Faserglas zu einer optimalen Kristallisation im o. g. Sinne, d. h. zu besonders hoher Keimkonzentration— bzw. —bildungsgeschwindigkeit und zu besonders kleinen Kristallen führt. Dies hatte stets eine auffallend schonende Beanspruchung des Faserglases bei Wiedererhitzung bzw. bei der Oxydation des FeO zu.FepO- zur Folge. Die erläuterte optimale Kristallisation trat stets bei neutraler bis oxydierender Schmelze ein. Auch konnte festgestellt werden, daß es bei diesen Schmelzbedingungen in keinem Fall zu einer thermischen Alterung kam, welche wie o. a. weitere Ursachen zu einem Zerkrümeln der Faserprodukte bereits im Temperaturbereich von ca. 200 - 500° C beitragen kann.

Infolge der erheblichen Härteunterschiede der in Diabasgesteinen vorkommenden Minerale, kommt es beim Brechvorgang im Feinkorn (Brechsand) und ganz besonders im Feinstkorn bzw. den Stäuben

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welche in den Entstaubungsanlagen der DiabasschotterZ-splitt-'produktion anfallen, zu einer bedeutenden Anreicherung der -Minerale geringer Härte - insbesondere von Chlorit mit Härte ca. 2,5 - sowie andererseits zu einer rigerosen Reduzierung der Minerale größerer Härte wie Quarz, Feldspat u. a. Der Brechsand und insbesondere die Stäube besitzen demnach nicht nur einen gegenüber Diabasgesteinen qualitativ und quantitativ grundlegend verschiedenen Mineralaufbau, sondern sind auch gegenüber diesen durch sehr viel geringere Schwankungen der Mineralgehalte - insbesondere des Chlorit - gekennzeichnet. Genetisch bedingt ist dagegen bei Diabasgesteinen - etwa in Schottergröße aus den verschiedensten Lagerstätten mit großen Schwankungen der Mineralgehalte zu rechnen.

Die- Konfektionierung der Stäube (ca. 70 % = 0,063 mm) fördert zusätzlich die Entstehung eines extrem homogenen Faserglases und einer optimalen Kristallisation bei Wiedererhitzung, was die stets maximalen Versuchsergebnisse der vorzugsweise aus Stäuben erzeugten Pasern erklären dürfte.

Es kann aus vorstehendem abgeleitet werden, daß die höheren Chloritgehalte der erfindungsgemäß vorgeschlagenen bzw. auch die Kornfeinheit und Stoffkonstanz der vorzugsweise eingesetzten Diabasstäube in Verbindung mit einem vorgeschriebenen Schmelzverfahren zur Erzielung optimaler FeO/FeO+Fe₂O^-Verhältnisse und allerfeinster Volumenkristallisation im nm-Bereich die wichtigsten Grundlagen und Voraussetzungen für das technisch ausnutzbare Wirkprinzip zur Produktion temperaturbeständiger Gesteinsfasern darstellen.

Ausführungsbeispiel

Es wird Diabasstaub (Kornfeinheit: 90 % kleiner 0,063 mm) mit einer chemischen Zusammensetzung von

SiO₂ 38,2 %

Al₀O,, 14,2 %

3,7 %

OaO 8,5 %

7,5 % 0 2,9 %

ca.	1	υ - <+:?
ca.		5 %
		5 %
ca.	1	0-15
	5 %
	5 %
	0 %

MnO 0,2 %

Ö als SO₃ _ 0,4 % GV ' 8,4 %

sowie einem Mineralbestand von

Chlorit
Hornblende
Quarz

Plagioklas
Calcit

quellfähige Minerale
Pyroxen

und Hüttenbims mit einer Zusammensetzung von ca. 38 % SiO₀, 9,3 % Al₀O.,, 0,5 % Fe₀O-,- _ββ, 37,3 % CaO, 8,6 % HgO, 1,8 % Ha₂0+K₂0

im Verhältnis 80 / 20 % gemischt und pelletisiert. Die Pellets mit Durchmessern von 15 - 35 mm wurden in einem Schachtwannenofen bei Temperaturen von ca. 1430° C oxydierend geschmolzen." Uie aus der Schmelze durch ein Blasverfahren hergestellten Faserprodukte (mittlerer Faserdurchmesser ca. 4-5 um) hatten folgende chemische Zusammensetzung: . .

SiO₂ :. : 40,9 %

Al₂O₃ 14,7 %

FeO 5,3 %

Fe₂O₃ 8,3 %

CaO 18,2 %

WgO 6,8 %

K₂C+Na₂O 3,3 %

MnO 0,2 %

TiO₂ 3,0 %

b als SO-, 0,1 %

Bei"laborativer und industrieller Langzeiterprobung erwiesen sich die erfindungsgemäß hergestellten Faserprodukte (lose Pasern und Platten) bis ca. 800 - 850° C temperaturbeständig.

Claims (4)

,..-r--Erf indungsanspruch

1. Verfahren zur Herstellung von Gesteinsfasern für thermische oder thermisch/chemisch/mechanische Beanspruchung für Anwendungsgrenztemperaturen von mind. 750° C bis ca. max.

--. 900° G (je nach Einbauart und komplexer Beanspruchung), dadurch gekennzeichnet,' daß diese aus einem chlorithaltigen Rohstoff mit Chloritgehalten = 35 %, vorzugsweise = 40 bis 45 % erschmolzen werden, wobei die Gehalte an Eisenoxiden zwischen 5 und 20 %, vorzugsweise jedoch zwischen ca. 10 und ca. 15 % liegen.

2. Verfahren zur Herstellung von Gesteinsfasern nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß als Schmelzrohstoffe vorzugsweise pelletisierte oder brikettierte Stäube aus den Entstaubungsanlagen der Diabasschotter/Splittproduktion, aber auch dort anfallender Brechsand sowie auch Gesteine aus geologischen Bildungen eingesetzt werden.

3. Verfahren zur Herstellung von Gesteinsfasern nach Anspruch und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze von nahezu neutral - z. B. im Elektroofen bis vorzugsweise oxydierend z. B. im Wannen- oder Schachtwannenofen erfolgt, und das Verhältnis FeO/FeO+FegCU im Paserglas von 20 bis 80 % vorzugsweise von 20 bis 50 % beträgt.

4. Verfahren zur Herstellung von Gesteinsfasern nach Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die genannten chlorithaltigen Rohstoffe zur Herabsetzung der Schmelztemperatur und Erhöhung der Schmelzleistung mit max. 30 % geeigneten basischen Gemengerohstoffen wie Hüttenbims, Zementflugstaub u. a. - virelche im Falle des vorzugsweisen Einsatzes von Diabasstäuben diesen feinkörnig vor der Stückigmachung unterzumischen sind - korrigiert werden können, wenn diese Korrekturrohstoffe das erläuterte effektive Kristallisationsverhalten des Faserglases mit Kristallgrößen im nm-Bereich nicht verachlechLern.