DE69218752T2 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von mineralfasern und mineralfasern alsohergestellt - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum herstellen von mineralfasern und mineralfasern alsohergestellt

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Fasern aus thermoplastischen mineralischen Materialien mit hohem Schmelzpunkt oder hoher Liquidustemperatur, sowie eine aus solcher Mineralwolle gebildete Mineralwollmatte und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Zerfaserungseinrichtung. Die Materialien umfassen Basalte, Gläser, wie sie ausgehend von Nebenprodukten der Eisen- und Stahlindustrie wie Hochofenschlacken gewonnen werden, oder ähnliche Rohstoffe, die im Vergleich zu Gläsern, wie sie für die Herstellung von Glaswolle verwendet werden, allesamt erheblich höhere Schmelz- oder Liquidustemperaturen und viel geringere Viskositäten bei der Liquidustemperatur aufweisen. Nachfolgend werden diese Rohstoffe der Einfachheit halber lediglich als "Material" bezeichnet.
  • Die in Rede stehenden Materialien werden in großem Umfange für die Herstellung von Mineralwolle verwendet, die insbesondere zur Wärme- und Schalldämmung bestimmt ist.
  • Die Wahl dieser Materialien hat ihren Grund einerseits in deren geringen Kosten und andererseits in deren Eigenschaften, insbesondere der großen Widerstandfähigkeit gegenüber hohen Temperaturen. Ihre Herstellung wirft jedoch besondere Probleme auf. Diese Probleme hängen insbesondere mit den Bedingungen zusammen, unter denen diese Materialien verarbeitet werden können.
  • Dabei stellt ihre hohe Schmelztemperatur selbst bereits eine Schwierigkeit dar. Bei der Schmelztemperatur handelt es sich um diejenige Temperatur, auf die die Rohstoffe gebracht werden müssen, um ihre Erschmelzung sicherzustellen. Es handelt sich dabei weiter, was die Produktion betrifft, um diejenige Temperatur, oberhalb der das Material gehalten werden muß, damit es die Zerfaserungseinrichtung durchströmen kann.
  • Weiterhin besteht eine Besonderheit gegenüber den für die Herstellung von Fasern üblicherweise verwendeten Gläsern darin, daß diese Materialien bei Temperaturen sehr nahe der Liquidustemperatur grundsätzlich sehr dünnflüssig sind. Die sich daraus ergebenden Schwierigkeiten werden anhand späterer Erläuterungen deutlich.
  • Ebenfalls aufgrund der erforderlichen hohen Temperaturen unterliegen die mit den zu zerfasernden Materialien in Kontakt kommenden Einrichtungen einer sehr intensiven Korrosion. Die Betriebslebensdauer dieser Einrichtungen stellt auch bei den gebräuchlichen Gläsern ein Problem dar. Dieses Problem tritt verschärft bei Materialien mit hoher Liquidustemperatur auf.
  • Die vorstehend dargestellten Schwierigkeiten haben bislang dazu geführt, daß nur bestimmte Zerfaserungstechniken bei den in Rede stehenden Materialien eingesetzt werden konnten. Diese Techniken sind im wesentlichen zweierlei: solche, die mit einer Zentrifugierung oder Abschleuderung der Schmelze arbeiten, und solche, bei denen das Material durch eine ortsfeste Blasdüse geführt und durch häufig auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigte Gasströme zu Fasern ausgezogen wird (Düsenblasverfahren).
  • Bei den Techniken mit feststehender Düse ist es erforderlich, eine Düse zu verwenden, die dem Angriff der Schmelze widersteht. Üblicherweise werden Düsen aus Platin verwendet, die diesen Angriffen selbst bei diesen hohen Temperaturen widerstehen. Die Produktionskapazität jeder Düse ist jedoch begrenzt. Darüber hinaus führen die hier erforderlichen Ausziehgasströme zu relativ hohen Energiekosten.
  • Die mit Zentrifugierung oder Abschleuderung arbeitenden Techniken ermöglichen erhebliche Produktionsmengen pro Aggregat. Es handelt sich dabei um Techniken, wie sie unter der Bezeichnung "äußere Zentrifugierung" zusammengefaßt werden, um anzuzeigen, daß die Schmelze außerhalb des Schleuderorgans bleibt. Die Schmelze wird entweder auf die Vorderfläche einer Scheibe oder auf die Umfangsfläche eines oder mehrerer zylindrischer Rotoren aufgegeben. Ein Vorteil dieser Techniken ist die Einfachheit der Vorrichtungsteile, die mit der Schmelze in Berührung treten. Mit Rücksicht auf diese relative Einfachheit sind die in Rede stehenden Teile, insbesondere die Felgen der Schleuderräder, relativ preisgünstig und erlauben daher eine Auswechselung in relativ kurzen Zeitabständen. Der Anteil der Materialkosten an den Gesamtproduktionskosten bleibt relativ gering. Daher erweist sich der Umstand, daß diese Vorrichtungsteile bei Berührung mit der Schmelze einem starken Verschleiß unterliegen, nicht als hinderlich.
  • Der Hauptnachteil der Mineralfaserproduktion durch äußere Zentrifugierung liegt darin, daß man ein Produkt erhält, dessen Eigenschaften bei gleicher Fasermenge nicht vergleichbar sind mit denjenigen von Glaswolle, die hauptsächlich durch sogenannte "innere Zentrifugierung" erzeugt wird.
  • Bei der externen Zentrifugierung wird das auf die Schleuderräder laufende Material in Form einer Vielzahl von Tröpfchen von diesen abgeschleudert. Die Faser scheint sich ausgehend von dieser Abschleuderung zwischen der Oberfläche des Schleuderorgans und dem Tröpfchen zu bilden, welches die Faser mit sich zieht. Es ist verständlich, daß bei einem solchen Zerfaserungsmechanismus ein erheblicher Teil des abgeschleuderten Materials in Form unzerfaserter Partikel verbleibt. Dieser Anteil kann, für eine Partikelgröße oberhalb von 100 µm, 40 Gew.-% des Ausgangsmaterials erreichen. Es stehen verschiedene Methoden zur Verfügung, die unzerfaserten Partikel abzutrennen, jedoch ist die erzeugte Mineralwolle nie gänzlich frei von solchen Partikeln, die bestenfalls keinen Nutzen bringen und für bestimmte Anwendungen sehr hinderlich sind.
  • Es ist darauf hinzuweisen, daß die Bildung von Tropfen nicht nur eine Folge der äußerer Zentrifugierung ist, sondern auch von den rheologischen Eigenschaften der in Rede stehenden Materialien abhängt. Die erfindungsgemäß verarbeiteten Materialien weisen generell eine relativ geringe Viskosität auf, selbst bei Temperaturen nur knapp oberhalb der Liquidustemperatur. Die Schmelze, die relativ dünnflüssig ist, ist insofern schwierig zu zerfasern, als die Fäden zum Abreißen und zur Bildung von Tropfen oder Perlen neigen. Die Technik der externen Zentrifugierung besteht in gewisser Weise in der Ausnutzung dieser Neigung, ohne jedoch deswegen deren Nachteile zu beseitigen.
  • Eine wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Erzeugung von Fasern aus einem Material mit hoher Liquidustemperatur und geringer Viskosität aufzuzeigen, welches bei hoher Ausbeute die Erzeugung von Mineralwolle ermöglicht, die weitgehend frei ist von unzerfaserten Partikeln.
  • Mit der Erfindung wird gezeigt, daß es möglich ist, Mineralfasern ausgehend von einem Material der in Rede stehenden Art dadurch zu erzeugen, daß die Schmelze mittels eines Schleuderorgans abgeschleudert wird, dessen Umfangswand eine große Anzahl von Durchtrittsöffnungen kleinen Durchmessers aufweist, wobei die Schmelze durch diese Öffnungen unter dem Einfluß der Fliehkraft in Form von Fäden vom Schleuderorgan abgeschleudert wird. Bei der erfindungsgemäßen Technik werden die von dem Schleuderorgan abgeschleuderten Fäden gegebenenfalls von einer Gasströmung erfaßt, welche die Fäden zusätzlich auszieht, wenn nicht ein anderes Zerfaserungsverfahren mit innerer Zentrifugierung benutzt wird, welches nicht mit einem Ausziehgasstrom arbeitet.
  • Eine Anwendung der Technik der inneren Zentrifugierung auf die in Rede stehenden Materialien ist bislang nicht in Betracht gezogen worden. Aus verschiedenen Gründen war man der Ansicht, daß diese Techniken der inneren Zentrifugierung für diese Materialien nicht geeignet sind. Es handelt sich vor allem um Probleme im Zusammenhang mit den Bedingungen, unter denen ein zufriedenstellendes Ausziehen der Fasern erreicht werden kann.
  • Die EP-A-0 194 606 offenbart zwar die Herstellung von Mineralfasern mit eine Dicke von mehr als 10 µm zur Herstellung von Basaltwolle mit einem geringen Perlenanteil, diese Druckschrift offenbart jedoch nicht ein mineralisches Material mit einer Viskosität unter 320 Pas (3200 Poise) und einer Liquidustemperatur über 1050ºC. Dagegen offenbart die EP-A-0 194 606 ein mineralisches Material, nämlich Basalt, mit einem modularen Viskositätsmodul von mindestens 1,5. Dieses modulare Viskositätsmodul vermittelt nur eine vage Vorstellung der Viskosität und hat keinerlei Beziehung zu der Liquidustemperatur des mineralischen Materials. Des weiteren beschreibt die EP-A- 0 194 606 eine Herstellung von Mineralfasern nach dem Düsenblasverfahren und nicht durch ein Verfahren, welches eine Vorrichtung zur inneren Zentrifugierung verwendet.
  • Die US-A-4 534 779 offenbart eine Vorrichtung zur Zerfaserung von mineralischem Schmelzematerial, welche ein Schleuderorgan mit einer perforierten Umfangswand umfaßt, durch welche das mineralische Schmelzematerial hindurchgeht, um Mineralfasern zu bilden, und einen Brenner, welcher so montiert ist, daß heiße Gase auf das Innere des Schleuderorgans gerichtet sind. Ein zweiter externer Brenner ist nicht offenbart. Der innere Brenner führt in eine begrenzte Zone, so daß die Verbrennungsgase durch eine Öffnung in der oberen Wandung ausströmen und an der Umfangswand des Schleuderorgans entlang strömen und so an dem Auszugsprozeß teilhaben. Dem Brenner wird eine Luft/Gas-Mischung zugeführt und es gibt keine Flammenhalter.
  • Die EP-A-0 054 933 beschreibt eine andere Vorrichtung zum Zerfasern von geschmolzenem Glas, welche dem in der US- A-4 534 779 beschriebenen Schleuderorgan ähnelt. Diese Vorrichtung zum Zerfasern von geschmolzenem Glas umfaßt ein Schleuderorgan mit einer Vielzahl von radial gerichteten Öffnungen in dessen Seitenwand. Ein erster Heizbrenner ist vom oberen ringförmigen Flansch des Rotors radial nach innen angebracht, um den oberen Teil des Rotors zu erhitzen. Der innere Brenner nutzt ein Luft/Gas Gemisch, es gibt keine Flammenhalter. Der Brenner erhitzt nur die oberen und unteren Seiten des oberen, an dem Schleuderorgan angebrachten Kragens.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch das Verfahren nach Anspruch 1, worin ein mineralisches Material ausgewählt wird mit einer hohen Liquidustemperatur von mehr als 1050ºC und welches bei dieser Liquidustemperatur dünnflüssig ist, mit einer Viskosität von weniger als 320 Pas (3200 Poise) bei der Liquidustemperatur, wobei das mineralische Schmelzematerial einem Schleuderorgan zugeführt wird, dessen Umfangswand eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen geringen Durchmessers aufweist, durch welche hindurch die Schmelze in Form von Fäden abgeschleudert wird, die gegebenenfalls einer ergänzenden Ausziehwirkung eines Gasstromes unterworfen werden, der an der Umfangswand des Schleuderorganes entlang strömt, wobei das mineralische Schmelzematerial mit einer Temperatur von weniger als 1400ºC und mit einer Viskosität von mehr als 10 Pas (100 Poise) abgeschleudert wird, und das Schleuderorgan aus einem Material mit ausreichenden Wärmefestigkeitseigenschaften wie etwa Kriech- und Korrosionsfestigkeit bei der Zerfaserungstemperatur ausgebildet ist.
  • Die Erfindung stellt außerdem Mineralwollematten gemäß den Ansprüchen 10, 12, 13 und 14 zur verfügung und Zerfaserungsvorrichtungen gemäß den Ansprüchen 17 und 18.
  • Wie weiter oben ausgeführt ist, zeichnen sich die in Rede stehenden Materialien durch relativ hohe Liquidustemperaturen und dabei sehr geringe Viskositäten aus. Sie sind schon bei ihrer Schmelztemperatur vergleichsweise sehr dünnflüssig und weisen eine Viskosität beim Schmelzpunkt von weniger als 320 Pas (3200 Poise) auf. Dies unterscheidet sie von Gläsern, wie sie üblicherweise mit einem Verfahren der inneren Zentrifugierung verarbeitet werden. Diese Gläser weisen bei der Liquidustemperatur eine hohe Viskosität von 500 Pas (5000 Poise) auf, wobei auch bei ihrer Zerfaserung deutlich oberhalb der Liquidustemperatur noch eine Viskosität von 100 Pas (1000 Poise) oder mehr vorliegt. Erfindungsgemäß hingegen soll Material zerfasert werden, welches bereits bei Liquidustemperatur eine sehr geringe Viskosität aufweist. Überraschend hat sich gezeigt, daß eine perlenarme Zerfaserung dieses Materials mit innerer Zentrifugierung gelingt, wenn das Material danach ausgewählt wird, daß es im Arbeitsbereich, also insbesondere zwischen 1200ºC und 1400ºC eine Viskosität von wenigstens 10 Pas (100 Poise) aufweist, und wenn dieses Material bei einer Viskosität von mehr als 10 Pas (100 Poise) zerfasert wird.
  • Die erfindungsgemäß verwendeten Materialien gehen im allgemeinen erst bei einer Temperatur von über 1200ºC in den geschmolzenen Zustand über und sind bei ihrer jeweiligen Schmelztemperatur dünnflüssig; insbesondere ist ihre Viskosität µ in der Regel kleiner als 320 Pas (3200 Poise) (1g µ < 3,5) bei Liquidustemperatur, insbesondere sogar unter 100 Pas (1000 Poise) (1g µ < 3).
  • Die Techniken der inneren Zentrifugierung für die Herstellung von Glasfasern, wie sie im Stand der Technik beschrieben sind, enthalten relativ genaue Angaben über die Verfahrenstemperaturen. Sie sind weniger präzise mit Bezug auf die rheologischen Gesichtspunkte im Hinblick darauf, daß die üblichen Glaszusammensetzungen bei den betrachteten Temperaturen Viskositäten aufweisen, die dem Ausziehvorgang gut angepaßt sind. Die Viskosität bei der in der Praxis stets über der Liquidustemperatur liegenden Zerfaserungstemperatur üblichen Glases liegt nicht zu hoch, was ein Ausziehen der Fasern mit relativ geringen Kräften ermöglicht. Die Viskosität bei der Liquidustemperatur - und damit auch knapp darüber - ist andererseits bei üblichem Glas auch nicht zu gering, was unter dem Einfluß der Oberflächenspannung, die mit abnehmendem Faserdurchmesser immer weniger durch die Viskosität kompensiert wird, zu einem Abreißen und zu einer Bildung von Tröpfchen oder Perlen führen würde. Somit ist die Viskosität üblicher Glaszusammensetzungen in dem an die Liquidustemperatur nach oben anschließenden Bereich problemlos so zu wählen, daß während der Zerfaserung mit innerer Zentrifugierung eine hierfür günstige Viskosität von z.B. 100 Pas (1000 Poise) oder mehr vorliegt.
  • Wie bereits erläutert, sind die in Rede stehenden Materialien im Vergleich zu Gläsern schon bei der Liquidustemperatur derart dünnflüssig, daß ein zufriedenstellendes Ausziehen des geschmolzenen Materials mit "innerer Zentrifugierung" nicht erwartet werden kann.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird gezeigt, daß es überraschend möglich ist, Materialien mit hoher Liquidustemperatur und starker Dünnflüssigkeit mit "innerer Zentrifugierung" zu verarbeiten, wenn eine bestimmte Auswahl unter den insgesamt in Rede stehenden Materialien hinsichtlich deren Viskosität bei Liquidustemperatur getroffen wird und die Zerfaserung dieses Materials unter bestimmten Bedingungen durchgeführt wird.
  • Das Verfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zur Herstellung von Mineralfasern aus den in Rede stehenden Materialien besteht zunächst darin, solche der Materialien auszuwählen, deren Liquidustemperatur unter 1400ºC liegt und die im Temperaturbereich zwischen 1200ºC und 1400ºC eine Viskosität über 10 Pas (100 Poise), insbesondere zwischen 10 und 300 Pas (100 und 3000 Poise) aufweisen, und mit dieser Schmelze ein Schleuderorgan zu beschicken, dessen Umfangswand eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen für die Schmelze aufweist, aus denen Schmelzefäden mit einer auf über 10 Pas (100 Poise) eingestellten Viskosität abgeschleudert und zur Bildung der Fasern gegebenenfalls der Wirkung eines Ausziehgasstroms unterworfen werden. Zerfaserung findet dann in einem Arbeitsbereich zwischen 1200ºC und 1400ºC bei einer Viskosität von über 10 Pas (100 Poise) statt; die letztere obere Temperaturgrenze berücksichtigt die Problematik der Lebensdauer des Schleuderorgans.
  • Im Rahmen der zur vorliegenden Erfindung führenden Untersuchungen hat sich gezeigt, daß der Bereich der für die innere Zentrifugierung zu verwendenden Viskosität der in Rede stehenden Materialien in der Praxis über 10 Pas (100 Poise) liegen muß, während dieses Material bei äußerer Zentrifugierung mit einer wesentlich niedrigeren Viskosität von einigen -zig Poise der Zerfaserung unterworfen wird. Oberhalb von 300 Pas (3000 Poise) macht die Viskosität den Durchtritt des Materials durch die Öffnungen der Schleuderorganes und das Ausziehen der Fäden zu Fasern schwierig. Unterhalb von 10 Pas (100 Poise) ergibt sich die Schwierigkeit aus der Gefahr der mangelnden Faserbildung, wobei die Fäden reißen und Tropfen oder Perlen bilden können.
  • Die Schmelze im Schleuderorgan wird auf einer Temperatur gehalten, die ihre Verfestigung vermeidet. Es ist sogar erforderlich, eine höhere Temperatur aufrechtzuerhalten als die theoretisch anzunehmende Temperatur, um den kaum zu beherrschenden örtlichen Temperaturschwankungen Rechnung zu tragen. Um jegliches Risiko einer beginnenden Erstarrung des Materials im Schleuderorgan zu vermeiden, wird zweckmäßig mit einer Schwankungsbreite der Temperatur von etlichen -zig Grad gerechnet. Etwa 50ºC Sicherheitsabstand ist bevorzugt, was zu einer bevorzugten Auswahl solcher Materialien führt, deren Viskosität - in einer Temperaturzone von wenigstens 50ºC Breite - innerhalb des Gesamtbereiches zwischen 1200ºC und 1400ºC über 10 Pas (100 Poise) liegt. Somit sinkt die Viskosität bei Temperaturschwankungen innerhalb dieser Temperaturzone nicht unter 10 Pas (100 Poise) ab.
  • Die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbaren Materialien sind insbesondere natürliche Basalte, jedoch auch ähnliche Zusammensetzungen, wie sie erhalten werden, wenn einem Basalt Bestandteile zugegeben werden, die bestimmte seiner Eigenschaften beeinflussen sollen. Weiter verwendbar sind Zusammensetzungen, wie sie durch die Kombination von Materialien erhalten werden, welche die Haupteigenschaften der Basalte ebenfalls aufweisen, insbesondere ihr Temperaturverhalten und insbesondere die Eigenschaft, daß ihre Erschmelzung bei einer Temperatur erzielt wird, die regelmäßig nicht unterhalb 1200ºC liegt. Es sind dies auch mineralische Zusammensetzungen wie Hochofenschlacken oder alle diejenigen Zusammensetzungen, die für die Erzeugung sogenannter Steinwolle verwendet werden. Die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte können auch auf Zusammensetzungen angewandt werden, die als gläsern zu qualifizieren sind. In diesem letzteren Fall handelt es sich um sogenannte harte Gläser mit ebenfalls extrem geringer Viskosität bei Liquidustemperatur, wobei die Bezeichnung "hart" auf eine zudem relativ hoch liegende Liquidustemperatur hinweist, welche solche Gläser für Anwendungen bei relativ hohen Temperaturen geeignet macht.
  • Die Basalte und die im Rahmen der Erfindung zu verwendenden Steine zeichnen sich grundsätzlich gegenüber Glaszusammensetzungen durch einen relativ geringen Gehalt an Erdalkalimetallen aus. Dieser Gehalt liegt üblicherweise nicht über 10 Gew.-% und zumeist unter 5 Gew.-% an Alkalioxiden. Dieser geringe Gehalt an Alkalimetallen ist einer der Gründe dafür, daß die Erschmelzung erst bei einer relativ hohen Temperatur stattfindet. Umgekehrt ist der Gehalt an Erdalkalimetallen, insbesondere an CaO höher als bei Glaszusammensetzungen. Er ist normalerweise nicht geringer als 9 Gew.-%. Insgesamt kann der Gehalt an Erdalkalimetallen bei 35 Gew.-% oder mehr liegen. Bei den gebräuchlichsten Materialien der in Rede stehenden Art liegt dieser Gehalt zwischen 9 und 30 Gew.-%.
  • Was die Elemente der Struktur SiO&sub2; und Al&sub2;O&sub3; betrifft, sind die Basalte üblicherweise reicher an Aluminiumoxid und entsprechend weniger reich an Kieselerde als die Glaszusammensetzungen.
  • Die Basalte unterscheiden sich auch erheblich von den Glaszusammensetzungen durch den erhöhten Gehalt an Eisenoxiden. Dieser Gehalt liegt für die eigentlichen Basalte oberhalb von 3 Gew.-% und üblicherweise oberhalb von 6 Gew.-% an Oxiden.
  • Die erfindungsgemäß verwendbaren Basalte und Steine weisen Zusammensetzungen mit den folgenden Hauptbestandteilen auf:
  • - SiO&sub2; über 45 Gew.-%
  • - CaO + MgO zwischen 9 und 35 Gew.-%
  • - Na&sub2;O + K&sub2;O unter 10 Gew.-%
  • Erfindungsgemäß bevorzugte Zusammensetzungen insbesondere des Basalttyps weisen die in der nachfolgenden Tabelle dargestellten Zusammensetzungen auf. Die Angaben sind in Gew.-%, und selbstverständlich sind geringfügige Abweichungen der Zusammensetzungen von den nachfolgenden konkreten Zahlenangaben häufig ohne nachteiligen Einfluß.
  • oder
  • Bei derartigen Zusammensetzungen ist es erfindungsgemäß möglich, durch innere Zentrifugierungen eine Fasermatte zu erhalten, dessen Micronaire-Wert F/5g unterhalb von 6 und bevorzugt zwischen 2,5 und 4 liegt, bei einem Gehalt an Perlen oder unzerfaserten Bestandteilen mit einer Größe von über 100 µm von weniger als 10 Gew.-% und sogar weniger als 5 Gew.-%, was einen außerordentlich geringen Perlenanteil darstellt. Wie dies weiter oben bereits angesprochen ist, können auch die "harten" Gläser mit den erfindungsgemäßen Verfahrensschritten vorteilhaft verarbeitet werden, da sie ebenfalls sehr geringe Viskosität bei ihrer Liquidustemperatur aufweisen und demzufolge dieselben Bedingungen für ihre Zerfaserung benötigen. Ein Beispiel für eine solche Glaszusammensetzung ist etwa:
  • - SiO&sub2; 60,7 Gew.%
  • - CaO 16,5 Gew.%
  • - Na&sub2;O 15,4 Gew.%
  • - Al&sub2;O&sub3; 0,2% Gew.
  • - MgO 3,2% Gew.
  • - K&sub2;O 0,7% Gew.
  • - B&sub2;O&sub3; 3,3% Gew.
  • Andere den traditionell für die Steinwolleherstellung verwendeten Zusammensetzungen ähnliche Zusammensetzungen können ebenso verwendet werden; allerdings unter etwas schwierigeren Bedingungen; hier muß ein Perlenanteil von z.B. bis zu 10 Gewichtsprozent angenommen werden. Trotzdem kann gemäß dieser Erfindung eine Mineralwollmatte verwirklicht werden mit einem Micronaire Wert unter 6/5 g und einem Anteil an unzerfaserten Partikeln mit mehr als 100 µm Größe von weniger als 10 Gewichtsprozent, wobei die Zusammensetzung folgenden in Gewichtsprozent angegebenen Zusammensetzungen benachbart ist:
  • Für die Verarbeitung von Materialien mit hoher Liquidustemperatur und erheblicher Dünnflüssigkeit, wie sie erfindungsgemäß zu verwenden sind, eignen sich die üblichen Schleuderorgane häufig nicht. Wie weiter oben bereits erwähnt, weisen die üblichen hitzebeständigen Legierungen wie Nickelchromlegierungen eine zu geringe Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturen oberhalb von 1100ºC und sogar oberhalb von 1050ºC auf.
  • Die Anwendungsgrenzen sind verschiedener Natur.
  • Eine erste Grenze betrifft die Verformung unter Hitze. Die üblichen hitzebeständigen Legierungen besitzen eine Widerstandsfähigkeit gegen Kriechen, die oberhalb von 1100ºC unzureichend ist. Unter Berücksichtigung der Bedingungen, unter denen die Schleuderorgane arbeiten, führt eine unzulängliche Widerstandsfähigkeit insbesondere zu einer Verformung der Umfangswand. Diese baucht zunehmend aus und verändert merklich die Bedingungen, unter denen die Fasern entstehen und beeinträchtigt demzufolge die Gleichmäßigkeit und Homogenität des Endproduktes. Bei Temperaturen in der Größenordnung von 1050ºC können die üblichen Schleuderorgane ohne Beschädigung zwar einige hundert Stunden laufen, bei Temperaturen oberhalb von 1100ºC und noch mehr oberhalb von 1200ºC jedoch werden sie in wenigen Stunden verschlissen.
  • Ein anderer wichtiger Faktor in bezug auf die Schleuderorgane ist deren Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion. Von Bedeutung ist dabei, daß die Korrosion mit der Temperatur zunimmt.
  • Es hat sich im Rahmen der zur Erfindung führenden Arbeiten gezeigt, daß eine geeignete Wahl der Legierung für das Schleuderorgan es in großem Umfang gestattet, den Anforderungen an die Widerstandsfähigkeit dieses Materials selbst unter den extremen Bedingungen zu entsprechen, welche mit der Verarbeitung von Zusammensetzungen mit hoher Liquidustemperatur einhergehen.
  • Es hat sich gezeigt, daß mittels Legierungen, die durch dispergiertes Oxid verstärkt sind - abgekürzt "ODS" für "Oxide Dispersion Strengthened" - gleichzeitig die Widerstandsfähigkeit gegen Kriechverformung und die Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion erhöht werden kann, und dies bei Temperaturen, welche für die erfindungsgemäß zu zerfasernden Materialien erforderlich sind.
  • Die ODS-Legierungen sind bislang für industriell eingesetzte Schleuderorgane unter dem Blickpunkt einer Verbesserung der Betriebslebensdauer unter Einsatzbedingungen vorgeschlagen worden, wie sie der Produktion von üblicher Glaswolle entsprechen. Eine industrielle Anwendung ist jedoch, soweit bekannt, nicht erfolgt. Es ist anzunehmen, daß die durch die Verwendung derartiger Schleuderorgane für die Verarbeitung von Glaszusammensetzungen erzielten Vorteile die Zusatzkosten für die Wahl einer ODS-Legierung nicht aufwiegen.
  • Im übrigen genügt die Auswahl einer ODS-Legierung als solche nicht, um alle Anforderungen an eine zufriedenstellende Zerfaserung des in Rede stehenden Materials mit "innerer Zentrifugierung" zu erfüllen. Daher ist die Verwendung eines Schleuderorganes aus ODS-Legierung zur Verarbeitung von Zusammensetzungen mit hoher Liquidustemperatur eine hierzu auch nicht ohne weiteres in Betracht kommende Maßnahme.
  • Hierzu mußte sich im Rahmen der zur Erfindung führenden Arbeiten unter anderem erst zeigen, daß zur Erzielung der besten Widerstandfähigkeit gegen Kriechverformungen bei hohen Temperaturen und generell der Erzielung der besten hitzebeständigen Eigenschaften es erforderlich ist, ODS- Legierungen des ferritischen Typs zu verwenden.
  • Im Rahmen der zur Erfindung führenden Arbeiten hat sich weiter gezeigt, daß es bei der Wahl der ODS-Legierung auch erforderlich sein kann, der Art der zu verarbeitenden Zusammensetzung Rechnung zu tragen. Der Hauptunterschied bezüglich dieser Art der Zusammensetzung liegt in der Anwesenheit oder Abwesenheit eines erhöhten Eisengehaltes. So hat sich insbesondere gezeigt, daß die ferritischen Legierungen gute Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion gegenüber Zusammensetzungen zeigen, die einen relativ hohen Eisenoxidanteil haben, dieselben Legierungen jedoch schnell durch Glaszusammensetzungen angegriffen werden, welche praktisch kein Eisen enthalten.
  • In der Praxis sind die ferritischen Legierungen nicht vorteilhaft zur Verarbeitung von Zusammensetzungen mit weniger als 3 Gew.-% an Eisenoxid.
  • Für die an Eisen reichen Zusammensetzungen, wie dies die Basalte und generell Steine sind, bieten ferritische ODS-Legierungen den Vorteil einer guten Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion und eines mechanischen Verhaltens, welches einen Betrieb bei Temperaturen in der Größenordnung von 80 bis 100ºC oberhalb derjenigen Temperatur erlaubt, bei der andere ODS-Legierungen betrieben werden können, die selbst immer noch als außerordentlich hitzebeständig eingestuft sind. So erlauben ferritische ODS-Legierungen eine zufriedenstellende Verarbeitung bei Temperaturen, die 1400ºC erreichen können.
  • Für zu zerfasernde Zusammensetzungen, die keine extreme Verarbeitungstemperatur benötigen, nämlich solche, die beispielsweise bei 1300ºC bis 1350ºC oder weniger verarbeitet werden können, kann beispielsweise eine weniger hitzebeständige ODS-Legierung gewählt werden. In diesem Sinne können vorteilhaft Legierungen des austenitischen Typs auf der Basis von Nickel-Chrom verwendet werden. Diese Legierungen weisen darüber hinaus eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion sowie gegenüber eisenarmen wie eisenreichen Zusammensetzungen auf.
  • Die ferritischen ODS-Legierungen gemäß der Erfindung für die Verarbeitung bei höchsten Temperaturen weisen üblicherweise mehr als 65 Gew.-% an Eisen auf. Neben Eisen weisen diese Legierungen üblicherweise Chrom und Aluminium auf.
  • Das in der ODS-Legierung dispergierte Oxid ist vorzugsweise Yttriumoxid. Der Gehalt an Oxid ist in solchen Werkstoffen üblicherweise sehr gering. Normalerweise liegt er unter 1 Gew.-% der Legierung.
  • Die ferritischen ODS-Legierungen, die zur Herstellung von Schleuderorganen für die Zerfaserung insbesondere von eisenreichen Zusammensetzungen verwendet werden, weisen in ihrer Zusammensetzung die folgenden Hauptbestandteile auf:
  • - Cr von 13 bis 30 Gew.-%
  • - Al von 2 bis 7 Gew.-%
  • - Ti weniger als 1 Gew.-%
  • - Y&sub2;O&sub3; von 0,2 bis 1 Gew.-%
  • - Fe Rest
  • Eine bevorzugte Legierung besteht aus
  • - Fe 74,5 Gew.-%
  • - Cr 20 Gew.-%
  • - Al 4,5 Gew.-%
  • - Ti 0,5 Gew.-%
  • - Y&sub2;O&sub3; 0,5 Gew.-%
  • Die verwendeten austenitischen Legierungen sind praktisch eisenfrei. Sie weisen darüber hinaus praktisch kein Aluminium auf. Die Gehalte an Yttriumoxid liegen in derselben Größenordnung wie bei den ferritischen Legierungen.
  • Geeignete austenitische Legierungen weisen beispielsweise eine folgende Zusammensetzung auf:
  • - Cr 15 bis 35 Gew.-%
  • - C 0 bis 1 Gew.-%
  • - Al 0 bis 2 Gew.-%
  • - Ti 0 bis 3 Gew.-%
  • - Fe weniger als 2 Gew.-%
  • - Y&sub2;O&sub3;0,2 0,2 bis 1 Gew.-%
  • - Ni Rest
  • Die Herstellung der ODS-Legierungen und die Formung der Werkstücke ausgehend von diesen Legierungen erfolgen nach an sich bekannten Techniken.
  • Eine andere Kategorie verwendbarer Materialien für die Schleuderorgane sind keramische Werkstoffe. Als monolithisches Keramikmaterial kann insbesondere Siliziumnitrid des Typs RBSN (Reaction Bonded Silicon Nitrate, erhalten durch Reaktionssintern eines Siliziumpulvers unter Stickstoff), des Typs Si&sub3;N&sub4; oder des Typs SIALON beispielsweise der folgenden chemischen Zusammensetzung verwendet werden:
  • - Si 49,4 Gew.-%
  • - Al 4,2 Gew.-%
  • - Y 7,25 Gew.-%
  • - O 4,0 Gew.-%
  • - N 35,0 Gew.-%
  • - Fe < 2000 ppm
  • - Ca + Mg < 1000 ppm
  • Andere Siliziumnitride können ebenfalls verwendet werden. Das Werkstück kann beispielsweise durch Sinterung erhalten werden, wobei dieses Herstellungsverfahren auch die Verwirklichung relativ komplex geformter Werkstücke zuläßt und die Durchschnittsöffnungen im Rohzustand von Anfang an dadurch vorbereitet werden können, daß sie durch Stäbchen freigehalten werden, die nach der Ausformung des Werkstücks herausgezogen werden, wobei der Durchmesser der Öffnungen schließlich mit einem Diamantwerkzeug nachgearbeitet wird. Es werden bevorzugt nichtporöse Keramikwerkstoffe verwendet, deren Rohdichte so nahe wie möglich bei ihrer theoretischen Maximaldichte liegt, was zu weniger leicht korrodierenden Werkstücken führt. Diese Art von Werkstoff kann verwendet werden bis zu Temperaturen in der Umgebung von 1300ºC.
  • Eine andere Kategorie von Keramikwerkstoffen, die im Rahmen der Erfindung verwendet werden können, sind Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix und Faserverstärkungen, die gegenüber monolithischen Keramikwerkstoffen eine erheblich verstärkte Zähigkeit und Festigkeit besitzen. Hier eignen sich besonders Keramikwerkstoffe SiC-SiC oder SiC-C, die eine Matrix aus Siliziumkarbid aufweisen, welche durch Fasern verstärkt ist, die selbst aus Siliziumkarbid (SiC-SiC) oder aus Kohlenstoff (SiC-C) bestehen. Das Werkstück wird beispielsweise ausgehend von der Spaltung eines gasförmigen Vorprodukts, welches bei seiner Ablage in einer Vorform keramisiert wird, durch Imprägnierung einer eine Vorform bildenden Aufeinanderschichtung von einander berührenden Gewebelagen aus Siliziumkarbidfasern oder Kohlefasern hergestellt, wobei die Durchtrittsöffnungen in der Umfangswand bevorzugt durch Laserstrahlbohren erzeugt sind. Ein solcher Keramikwerkstoff kann unter nicht-oxidierenden Bedingungen bei einer Temperatur oberhalb von 1200ºC für SiC-SiC, und oberhalb von 1400ºC für SiC-C verwendet werden.
  • Die Erzielung bester Resultate für die Verarbeitung von Materialien mit hoher Liquidustemperatur und geringer Viskosität durch innere Zentrifugierung hängen, was das Zerfaserungsaggregat betrifft, nicht alleine von der Wahl einer bestimmten Legierung ab. Die erforderlichen Verarbeitungsbedingungen haben auch Auswirkungen in bezug auf alles, was den Weg der Schmelze und die Einrichtungen zur Sicherung der thermischen Bedingungen betrifft.
  • Die in Rede stehenden Materialien benötigen häufig von Anfang an, das heißt von der Erschmelzung der Rohstoffe an, spezielle Einrichtungen. Es soll hier nicht in die Erläuterungen der Schmelztechniken eingetreten werden, die nicht im Rahmen der Erfindung liegen. Diese Techniken sind in der Literatur sehr detalliert erläutert. Es muß dennoch unterstrichen werden, daß selbst bei der Vorbereitung der Schmelze die erreichbaren Temperaturen begrenzt sind, insbesondere durch die Widerstandsfähigkeit der Werkstoffe, welche den Schmelz- oder Läuterofen bilden. Aus diesen Gründen wird die Schmelze mit Temperaturen zur Verfügung gestellt, die generell nicht allzu hoch über denjenigen liegen, die für die Transformation erforderlich sind. Dies bedeutet, daß die Wärmeverluste der Schmelze während der Verfahrensschritte bis zur Transformation zu Fasern begrenzt werden müssen.
  • In der Praxis führt dies dazu, daß die Schmelze auf der Strecke zwischen dem Schmelzofen und dem Schleuderorgan wärmetechnisch isoliert wird und die Strecke kurzgehalten wird.
  • Wärmeverluste treten folgerichtig auch bei Berührung mit dem Schleuderorgan auf, wenn diesem nicht die Energie zugeführt wird, die erforderlich ist, um es auf Arbeitstemperatur zu halten. Um zu starke Wärmeübergänge zu vermeiden, werden verschiedene Maßnahmen beim Anlaufen der Anlage und für den Dauerbetrieb ergriffen.
  • Außerhalb des Schleuderorganes handelt es sich dabei vor allem um einen ringförmigen Außenbrenner mit vorzugsweise innerer Verbrennung, der in der Nachbarschaft der Oberseite der Umfangswand des Schleuderorganes einen ringförmigen Gasstrom erhöhter Temperatur erzeugt. Vorzugsweise wird der heiße Gasstrom nicht nur so gerichtet, daß er entlang der Umfangswand des Förderorgans verläuft, sondern so, daß er auch einen Teil des Anschlußbandes oder der "Tulpe" einhüllt, welches bzw. welche die Umfangswand mit dem Flansch verbindet, mit dem das Schleuderorgan an seiner Tragwelle befestigt ist (im Falle eines bodenlosen Schleuderorgans) oder mit dem oberen Verstärkungskragen (im Falle eines über seinen Boden angetriebenen Schleuderorganes), so daß auch diese Teile erwärmt werden.
  • Hierzu können Zusatzbrenner verwendet werden, deren Flammen auf das Anschlußband oder die "Tulpe" gerichtet sind. Eine andere Lösung besteht darin, den Außenbrenner in größeren Abstand von der Oberseite der Umfangswand zu bringen, so daß der Gasstrom bereits ein wenig auseinandergezogen ist, bevor er sich dem Schleuderorgan nähert und einen merklichen Teil der "Tulpe" erreicht. Hierbei soll der Abstand aber so gering gehalten werden, daß eine gute Genauigkeit der Strömungsbeaufschlagung erhalten bleibt. Gemäß einer dritten Variante der Erfindung kann ein ringförmiger Außenbrenner verwendet werden, dessen innere Kanalwand einen geringeren Durchmesser aufweist als der Außendurchmesser des Schleuderorgans. In diesem Fall kann beispielsweise ein Brenner mit verlängerten abgeschrägten Austrittslippen vorgesehen werden, welche einen konisch erweiterten Strahl der heißen Gase begrenzen.
  • Immer noch an der Außenseite des Schleuderorgans ist vorteilhaft eine Induktionsheizung vorgesehen, mit einem Ringmagneten, der von elektrischem Strom hoher oder vorzugsweise mittlerer Frequenz durchflossen ist. Wie dies an sich bekannt ist, kann der Ringmagnet unmittelbar unterhalb des Schleuderorganes konzentrisch zu diesem angeordnet werden. Diese beiden Heizeinrichtungen in Kombination tragen wesentlich zum thermischen Gleichgewicht des Schleuderorganes bei, wobei zu beachten ist, daß diese Heizeinrichtungen um so wirksamer sind, je näher sie am Schleuderorgan angeordnet sind, und daß auf diese Weise der Außenbrenner mehr das Oberteil der Zentrifuge oder des Schleuderorganes heizt, während der Ringmagnet seinerseits mehr das Unterteil des Schleuderorgans erwärmt. Da sich gezeigt hat, daß es sehr schwierig ist, die Oberseite der Umfangswand zu erwärmen, ohne alle anderen Metallteile zu erwärmen, die in der Nähe sind und insbesondere von der heißen Gasströmung mit eingehüllt werden, vermeidet diese geschilderte Doppelheizung technologische Probleme.
  • Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen diesen Heizeinrichtungen ist ihre Auswirkung auf die Temperatur in der Umgebung des Schleuderorgans. Die Induktionsheizung hat insoweit praktisch keine Auswirkung und leistet somit keinen Beitrag zur Aufheizung der Atmosphäre, außer einer geringen Aufheizung durch Strahlung. Demgegenüber muß der ringförmige Außenbrenner zwangsläufig diese Atmosphäre erheblich aufheizen, obgleich die insbesondere wegen der Drehbewegung des Schleuderorgans und der großen Geschwindigkeit der ringförmigen Gasströmung angesaugte Sekundärluft den Wärmeeintrag in die Atmosphäre durch den ringförmigen Außenbrenner wieder bremst. Für eine bestmögliche Faserqualität, insbesondere unter dem Gesichtspunkt ihrer mechanischen Widerstandsfähigkeit, ist es jedoch nicht vorteilhaft, wenn die Fasern unmittelbar nach ihrem Austritt aus dem Schleuderorgan einer zu heißen Umgebung ausgesetzt werden. Unter diesen Bedingungen wird die Austrittstemperatur des Gases des ringförmiger Außenbrenners vorzugsweise begrenzt.
  • Im übrigen ist es vorteilhaft, mit relativ hohen Drehgeschwindigkeiten des Schleuderorgans zu arbeiten. Man weiß, daß das Verhältnis der Widerstandskräfte gegen Viskoseverformungen zu den Kräften aus Oberflächenspannungen, welches für die Bildung von Tropfen oder Perlen verantwortlich ist, eine Funktion der dimensionslosen Zahl µxV/ , wobei µ die Viskosität des Materials bezeichnet, V seine Geschwindigkeit und er seine Oberflächenspannung. Eine Vergrößerung des Produktes µxV, sei es durch Verminderung der Temperatur zur Erhöhung der Viskosität, sei es durch Erhöhung der Bewegungsgeschwindigkeit des Materials, führt zu einer Verminderung der Tendenz zur Bildung unzerfaserter Partikel, wie Tropfen oder Perlen.
  • Bevorzugt ist darauf zu achten, daß die Umgebung im Umfeld des Schleuderorgans nicht zu stark aufgeheizt wird, jedoch kann diese Forderung zur Folge haben, daß die Außenheizungen nicht ausreichen, daß das thermische Gleichgewicht des Schleuderorgans ausreichend aufrechterhalten wird.
  • In einem solchen Falle können Heizeinrichtungen im Inneren des Schleuderorgans hinzukommen. Dieser ergänzende Wärmeeintrag wird bevorzugt mittels eines divergierenden Innenbrenners erhalten, der konzentrisch zur Tragwelle des Schleuderorgans angeordnet ist, und dessen Flammen auf die Innenseite der Umfangswand gerichtet sind. Bevorzugt wird das Gemischverhältnis Brennstoff/Luft so eingestellt, daß der Grund der Flamme in unmittelbarer Nachbarschaft der Innenwand angeordnet ist. Weiter ist vorteilhaft an der Innenwand der "Tulpe" oder des Anschlußbandes eine bestimmte Anzahl von Vorsprüngen vorgesehen, die als Flammenhalter dienen. Der divergierende Innenbrenner trägt im Dauerbetrieb vorzugsweise zwischen 3 und 15% des thermischen Eintrags - soweit dieser nicht von der Schmelze kommt - bei. Dies erscheint als Beitrag von nur untergeordneter Bedeutung, jedoch ist zu bedenken, daß dieser Wärmeeintrag außerordentlich präzise erfolgt, exakt dort angeordnet ist, wo er erforderlich ist, und daher von außerordentlich hoher Wirksamkeit ist.
  • Der divergierende Innenbrenner, der während der Zerfaserung eingesetzt wird, ergänzt vorteilhaft einen zentralen Innenbrenner, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, dort jedoch ausschließlich in der Einfahrphase eingesetzt und im wesentlichen dazu bestimmt ist, den Boden des Schleuderorgans - oder des Verteilerorgans, welches als Boden dient, üblicherweise als Korb bezeichnet, oder allgemein ausgedrückt, den Mittelbereich des Schleuderorgans - aufzuheizen. Der zentrale Innenbrenner heizt den Korb oder den Boden vor, bevor der Einlauf der Schmelze erfolgt. Erfindungsgemäß ist der zentrale Brenner vorzugsweise ein Ringbrenner mit konvergierender Flamme, der zwischen der Tragwelle des Schleuderorgans und dem divergierenden Innenbrenner angeordnet ist.
  • In der Anlaufphase versteht es sich, daß auch die externen Heizeinrichtungen benutzt werden. Bei Bedarf können sogar Flammenlanzen oder ähnliche Einrichtungen als Zusatzheizung genutzt werden. Der divergierende Innenbrenner wird selbstverständlich in der kritischen Anlaufphase, in der man noch nicht mit dem thermischen Eintrag der Schmelze rechnen kann, ebenfalls benutzt. In der Anlaufphase werden die Innen- und Außenbrenner samt und sonders vorteilhaft benutzt. Die Innenbrenner sind möglicherweise von einer Art, wie sie auch bei Zerfaserungsaggregaten für die übliche Glasfaserproduktion angetroffen werden können. Bei solchen bekannten Zerfaserungsaggregaten ist der Brenner konzentrisch zur Tragwelle des Schleuderorgans angeordnet. Es sind auch andere Arten von Innenbrennern anwendbar, insbesondere, um der spezifischen Konstruktion des Schleuderorgans Rechnung zu tragen, wie dies weiter unten im Zusammenhang mit Ausführungsbeispielen näher erläutert wird.
  • Da die verarbeiteten Materialien in bestimmten Fällen niedrige Viskositäten im Vergleich zu den Viskositäten der üblicherweise durch innere Zentrifugierung verarbeiteten Gläser aufweisen, ist es erforderlich, die Durchflußleistung jeder Öffnung des Schleuderorgans dadurch einzustellen, daß die Abmessungen der entsprechenden Öffnungen angepaßt werden. So weisen die Öffnungen üblicherweise, um eine Durchflußleistung von etwa 1 kg pro Tag und pro Öffnung für Gläser mit einer Viskosität in der Größenordnung von 100 Pas (1000 Poise) aufrechtzuerhalten, einen Durchmesser zwischen 0,7 und 1,2 mm auf. Für Materialien, deren Viskosität unterhalb von 50 Pas (500 Poise) liegt, ist es bevorzugt, ein Schleuderorgan zu verwenden, dessen Öffnungsdurchmesser über 0,1 mm, besser über 0,15 mm und insbesondere über 0,2 mm jedoch unter 0,7 mm, besser unter 0,5 mm und insbesondere unter 0,4 mm liegt.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt
  • Fig. 1 bis 7 Schaubilder der Viskosität über der Temperatur für unterschiedliche Zusammensetzungen,
  • Fig. 8a in einem schematisch vereinfachten Längsschnitt eine im Stand der Technik bekannte Zerfaserungseinrichtung für die Produktion von Glasfasern,
  • Fig. 8b in einer Fig. 8a entsprechenden Darstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Zerfaserungseinrichtung,
  • Fig. 9 in einer Fig. 8b entsprechenden Darstellung eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zerfaserungseinrichtung.
  • Eine Reihe von Zusammensetzungen, wie sie für die Produktion von Mineralfasern verwendet werden können, ist in der am Ende der Beschreibung angefügten Tabelle veranschaulicht. Mit Ausnahme der Zusammensetzung O, die eine übliche Glaszusammensetzung wiedergibt, wie sie üblicherweise mit "innerer Zentrifugierung" zerfasert wird, weisen alle anderen Materialien eine erhöhte Liquidustemperatur und eine geringe Viskosität auf. Neben den Hauptbestandteilen der Zusammensetzungen zeigt die Tabelle die Liquidustemperatur, also den Wert des thermodynamischen Gleichgewichtes, die der niedrigsten Temperatur entspricht, für die man keine Kristalle im Gleichgewicht vorfindet. Um diese Temperatur zu bestimmen, wird eine Probe von gebrochenem Material in einem Platintiegel über eine solche Zeitspanne auf die Meßtemperatur erwärmt, die für die Herstellung eines Gleichgewichtszustandes ausreicht (in der Praxis 16 Stunden), sodann aus dem Ofen genommen und auf Umgebungstemperatur abgeschreckt, zu einem dünnen Plättchen geschliffen und im Mikroskop betrachtet; die Liquidustemperatur entspricht dann der Grenztemperatur zwischen dem oberen Temperaturbereich, in dem kein Kristall festgestellt werden konnte, und dem unteren Bereich, in dem die Gegenwart von Kristallen festgestellt wird.
  • Mit Ausnahme der Zusammensetzung Nr. 26, die als Glaszusammensetzung qualifiziert werden kann, entsprechen alle erfindungsgemäß verwendeten Zusammensetzungen in der Tabelle Materialien mit hohem Schmelzpunkt, typischerweise mit einer Liquidustemperatur zwischen 1200ºC und 1400ºC. In den Fig. 1 bis 7 sind die Viskositäts-Temperatur-Kurven für diese verschiedenen Zusammensetzungen angegeben. Wegen Einzelheiten der Eigenschaften der einzelnen Zusammensetzungen wird ausdrücklich auf die sich aus den Fig. 1 bis 7 ergebenden Verhältnisse verwiesen und Bezug genommen. Die Schaubilder weisen auf der Ordinate den Dezimallogarithmus (1g µ) der in Pas (Poise) ausgedrückten Viskosität µ und auf der Abszisse die Temperatur auf. Das linke Ende der Kurven entspricht (außer bei Glas 0) der niedrigsten Temperatur, für die die Viskosität mit einem Viskosimeter mit konzentrischen Rohren gemessen werden kann, wobei die Probe schrittweise abgekühlt wurde.
  • In den Diagrammen sind weiterhin die Anwendungsgrenzen für die Erfindung eingetragen und durch gestrichelte Linien kenntlich gemacht. Das Maximum der anwendbaren Temperatur hängt ab von der Widerstandsfähigkeit der Legierungen des Schleuderorgans. Für eine akzeptable Betriebslebensdauer der Legierungen des Typs ODS liegt die Obergrenze bei 1400ºC.
  • Der Wert von 1200ºC, der die untere Grenze darstellt, ist keine strikte Grenze, sondern dadurch begründet, daß die bekannten und üblichen Techniken der "inneren Zentrifugierung" diesen Wert als äußerste Grenze erreichen könnten, wenn neben anderen Nachteilen eine sehr kurze Betriebslebensdauer des Schleuderorgans akzeptiert wird. Unter industriellen Bedingungen ist dieser Wert durch die bekannten und üblichen Techniken der "inneren Zentrifugierung" wirtschaftlich bei weitem nicht erreichbar.
  • Jenseits von 300 Pas (3000 Poise) (1g µ = 3,47) kann die Zusammensetzung mit der in Rede stehenden Technik nicht mehr zufriedenstellend verarbeitet werden, da das Material nicht mehr in der erforderlichen Weise durch die Öffnungen hindurchströmt. Diese Obergrenze bedeutet insofern keine praktisch bedeutsame Einschränkung, als die betrachteten Zusammensetzungen in dem für die Erfindung vorgesehenen Temperaturbereich weit geringere Viskositäten aufweisen.
  • Die Untergrenze von 10 Pas (100 Poise) ist sehr wichtig. Wie weiter oben erwähnt ist, wird es jedenfalls unterhalb dieser Viskosität, häufig aber bereits bei Viskositäten von unter 200 Poise) (1g µ = ca. 2,3) oder gar 35 Pas (350 Poise) (1g µ= ca. 2,5) praktisch unmöglich, die aus den Durchtrittsöffnungen austretenden Fäden mit der in Rede stehenden Technik erfolgreich zu Fasern auszuziehen. Um einen vernünftigen Sicherheitsabstand zu diesen die Zerfaserung mit innerer Zentrifugierung nicht mehr ermöglichenden niedrigen Viskositäten zu erhalten, ist es bevorzugt, mit solchen Zusammensetzungen zu arbeiten, welche die Verarbeitung bei einer Viskosität von 30 bis 35 Pas (300 bis 350 Poise) gestatten.
  • Zur besseren Veranschaulichung des Problems bei der Verarbeitung eines Glases niedriger Viskosität sind Versuche mit einem Vergleichsglas durchgeführt worden, dessen Viskosität bei 950ºC derjenigen entspricht, welche der Basalt der Zusammensetzung Nr. 25 bei 1250ºC aufweist, und welches darüber hinaus eine Viskositäts-Temperatur- Kurve aufweist, welche derjenigen der Zusammensetzung Nr. 25 analog ist. Diese Versuche sind mit einem 200 mm- Schleuderorgan, wie aus der FR-A-2 443 436 bekannt ist, durchgeführt worden, wobei die Glasausströmmenge zwischen 0,2 und 0,65 kg pro Tag und Loch lag. Der vom ringförmigen Außenbrenner erzeugte Gasstrom wies eine Blastemperatur zwischen 700 und 1000ºC und einen Blasdruck zwischen 20 und 100 mm Wassersäule auf. Die erzielten Resultate sind in der nachfolgenden Tabelle wiedergegeben, in der die Viskosität in Pas (Poise) angegeben ist, und die Drehgeschwindigkeit des Schleuderorganes in Umdrehungen pro Minute. In der Spalte "Perlen" ist an erster Stelle der Prozentsatz in Gew.-% der unzerfaserten Partikel mit einer Große von mehr als 100 µm, und in Klammern derjenige der Partikel einer Größe von mehr als 40 µm angegeben. Die Faserfeinheit ist durch den Micronaire-Wert unter 5 g angegeben.
  • Wie die vorstehende Tabelle zeigt, liegt bei einer oberhalb von 35 Pas (350 Poise) eingestellten Viskosität der Perlenanteil unabhängig von der Drehgeschwindigkeit des Schleuderorgans deutlich unter 5 Gew.-%. In diesem Fall ist es möglich, die Faserfeinheit dadurch zu erhöhen, daß die Drehgeschwindigkeit des Schleuderorganes und/oder der Druck des Außenbrenners und/oder die Ausziehgastemperatur erhöht werden. Für eine Viskosität unter 10 Pas (100 Poise) wird selbst für hohe Drehgeschwindigkeiten des Schleuderorganes der Perlenanteil sehr erheblich, und weisen darüber hinaus die erhaltenen Fasern eine unzureichende Feinheit auf, was sie für eine Verwendung für Dämmzwecke praktisch ungeeignet werden läßt.
  • Zwischen 7 und 36 Pas (70 und 360 Poise) können qualitativ hochstehende Fasern erhalten werden, wenn mit hoher Drehgeschwindigkeit gearbeitet wird und ein Perlenanteil zwischen 5 und 10 Gew.-% hingenommen wird.
  • Damit eine Zusammensetzung im Rahmen der Erfindung verwendet werden kann, ist anzustreben, daß ein möglichst langer Abschnitt der Viskosität-Temperatur-Kurve in dem durch die weiter oben erläuterten Grenzen definierten Bereich liegt.
  • Dadurch werden die Zusammensetzungen 22 und 23 ausgeschlossen, die als Beispiele für Zusammensetzungen aufgeführt sind, die mit der erfindungsgemäßen Lehre praktisch nicht zerfaserbar sind. Man erkennt weiterhin, daß die Zusammensetzung 21 einen nur sehr kleinen Abschnitt der Viskosität-Temperatur-Kurve in dem definierten Bereich aufweist und daher sehr schwer zu zerfasern ist. Die Zusammensetzungen 17, 18, 20, 24 und 25 sind im Grenzbereich der erforderlichen Bedingungen für die erfindungsgemäße Auswahl, da sie mit Viskositäten über 35 Pas (350 Poise) nicht verarbeitet werden können und somit relativ wenig befriedigende Produkte ergeben, die einen hohen Perlenanteil von beispielsweise mehr als 10 Gew.-% aufweisen.
  • Die Zusammensetzungen 3, 10, 11 und 14 weisen einen nur sehr kleinen Abschnitt der Viskositäts-Temperatur-Kurve in dem bevorzugten Bereich einer Viskosität von mehr als 30/35 Pas (300/350 Poise) auf, so daß es schwierig ist, an der gesamten Umfangswand des Schleuderorganes und im Dauerbetrieb eine konstante Temperatur innerhalb eines Bereiches von wenigstens 50ºC aufrechtzuerhalten.
  • Hinsichtlich der Zusammensetzungen 8 und 12 ist festzuhalten, daß sie ein sehr leistungsfähiges Schleuderorgan benötigen, welches eine Arbeitstemperatur oberhalb von 1300ºC zuläßt.
  • Die anderen Zusammensetzungen weisen einen Arbeitsbereich auf, der bei einer Viskosität des zu zerfasernden Materials zwischen 35 und 350 Pas (350 und 3500 Poise) mit einem Sicherheitsabstand von wenigstens 50ºC im Bereich zwischen 1200 und 1300ºC liegt. Sie weisen einen sehr weiten Arbeitsbereich auf, so daß ihre Verwendung bequem, über einige -zig Grad hinweg erfolgen kann, und sie sind leichter einsetzbar als die zuvor erläuterten Zusammensetzungen.
  • Die Zusammensetzung 26 kommt gar nicht in den definierten Arbeitsbereich, da sie einem Glas mit einer relativ niedrigeren Liquidustemperatur entspricht (obwohl man oberhalb von 1050 bis 1100ºC bereits von einer hohen Liquidustemperatur spricht; eine typischerweise verwendete Glaszusammensetzung wie die Zusammensetzung 0 weist eine Liquidustemperatur von lediglich 920ºC auf). Jedoch ermöglicht diese Zusammensetzung ebenfalls eine Ausnutzung der erfindungsgemäßen Vorteile, als sie bei ihrer Liquidustemperatur eine Viskosität von weniger als 350 Pas (3500 Poise) aufweist und dennoch mit "innerer Zentrifugierung" bei einer Viskosität von über 10 Pas (100 Poise) zerfasert werden kann.
  • Die Anwendung der vorliegenden Erfindung wird anhand der Fig. 8 und 9 nachfolgend näher erläutert, welche schematisch vereinfacht Zerfaserungsaggregate zeigen.
  • Die Fig. 8a und 8b zeigen ein Aggregat, welches im Grundaufbau dem Typ entspricht, der bislang im Stand der Technik für die Produktion von Glasfasern insbesondere für Dämmzwecke verwendet wurde. Dieser Typ einer Zerfaserungseinrichtung ist vielfach, so etwa in den FR-A-2 443 436 und EP-A-0 091 381 im einzelnen beschrieben worden, auf die wegen weiterer Einzelheiten insoweit ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen wird.
  • In der üblichen Weise, und wie dies im einzelnen in Fig. 8a veranschaulicht ist, besteht die Zerfaserungseinrichtung im wesentlichen aus einem Schleuderorgan 1, dessen Umfangswand 2 eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen aufweist. Die Umfangswand 2 ist über ein Anschlußband 4, welches nachfolgend aufgrund seiner Form als "Tulpe" bezeichnet werden wird, mit einem Flansch 3 verbunden. Wie die Zeichnung veranschaulicht, sind die Umfangswand 2, die Tulpe 4 und der Flansch 3 einstückig miteinander ausgebildet.
  • Der Flansch 3 ist an einer Tragwelle 5 befestigt, die bei der veranschaulichten Ausführungsform hohl ist, und durch deren Innenraum die Schmelze zugeführt wird.
  • Die Tragwelle 5 - oder auch der Flansch 3 - stützt weiterhin ein konzentrisches Verteilerorgan 6 ab, welches üblicherweise als "Korb" bezeichnet wird. Der Verteilerkorb 6, dessen Umfangswand eine relativ geringe Anzahl von Durchtrittsöffnungen mit vergleichsweise großem Durchmesser aufweist, dient als Boden des Schleuderorgans 1 und verteilt die Schmelze in der Weise, daß der zentral zugeführte Schmelzestrom in einer Mehrzahl von Teilströme aufgeteilt und auf den Umfang der Umfangswand 2 verteilt wird.
  • Das Schleuderorgan 1 ist von diversen Heizeinrichtungen umgeben: einem Ringmagneten 7 einer Induktionsheizung, der insbesondere den Unterteil des Schleuderorgans 1 aufheizt, vor allem um die Abkühlung in Kontakt mit der Umgebungsluft zu kompensieren, die durch die erheblichen Luftmengen stark abgekühlt ist, welche durch die Drehung des Schleuderorgans 1 und einen wassergekühlten ringförmigen Außenbrenner 8 angesaugt werden. Die Enden der Kanalwände 9 und 10 des Außenbrenners 8 sind in geringem vertikalem Abstand h beispielsweise in der Größenordnung von 5 mm vom Schleuderorgan 1 angeordnet, wie dies in der Skizze links oben an Fig. 8a schematisch noch weiter vereinfacht veranschaulicht ist.
  • Der ringförmige Außenbrenner 8 erzeugt einen Gasstrom von hoher Temperatur und Geschwindigkeit, der im wesentlichen vertikal nach unten gerichtet ist und so entlang der Umfangswand 2 verläuft. Der Gasstrom dient zum einen zur Erwärmung bzw. Aufrechterhaltung der Temperatur der Umfangswand 2, und trägt zum anderen zum Ausziehen des in Fäden abgeschleuderten Schmelzematerials zu Fasern bei.
  • Wie dies zeichnerisch dargestellt ist, ist der Außenbrenner 8 bevorzugt von einem Blasring 11 für kalte Luft, beispielsweise Druckluft, umgeben, deren Hauptaufgabe darin besteht, die radiale Expansion des heißen Gasstromes zu begrenzen, um so zu vermeiden, daß die gebildeten Fasern in Kontakt mit dem Ringmagneten 7 gelangen.
  • Diese Außenheizungen des Schleuderorganes 1 werden in seinem Inneren vervollständigt durch einen inneren Ringbrenner 12, der in der Tragwelle 7 angeordnet ist und lediglich in der Anlaufphase des Zerfaserungsaggregates zur Vorheizung des Korbes 6 genutzt wird.
  • Wie Fig. 8b veranschaulicht, ist eine erfindungsgemäße Zerfaserungseinrichtung aus den gleichen Elementen aufgebaut, und es wird nachfolgend lediglich auf die Unterschiede eingegangen.
  • Der am meisten ins Auge fallende Unterschied betrifft die Anordnung des hier mit 13 bezeichneten ringförmigen Außenbrenners, dessen Enden seiner Kanalwände 14 und 15 in einem Abstand h' oberhalb der hier mit 19 bezeichneten Umfangswand angeordnet sind, der deutlich größer ist als der Abstand h gemäß Fig. 8a. Auch diese Verhältnisse sind in der noch weiter schematisierten Skizze rechts oben zu Fig. 8b veranschaulicht. Im Beispielsfalle wird ein Abstand h' in der Größenordnung von 15 bis 30 mm, besonders in der Größenordnung von 20 bis 25 mm bevorzugt, da ein solcher Abstand immer noch eine hohe Strömungsgenauigkeit des austretenden Gasstromes erlaubt. Weiterhin weist die innere Kanalwand 14 einen Durchmesser auf, der merklich kleiner ist als der Durchmesser der Oberseite der Umfangswand 19. Um den Gasstrom bei seinem Austritt zu führen, ist der Austritt des Außenbrenner 13 durch zwei Schrägflächen 16 und 17 begrenzt, die im rechten Winkel zueinander stehen, im Beispielsfalle also um ca. 45º nach außen geneigt sind. Um die Probleme der radialen Expansion des heißen Gasstromes aus dem Außenbrenner 13 zu begrenzen, ist die äußere Schrägfläche 17 nur etwa halb so lang wie die innere Schrägfläche 16, und endet in einer im wesentlichen vertikalen Wand 18. Die Schrägfläche 16 und die Wand 18 enden in einer Höhe oberhalb des Schleuderorgans, die im wesentlichen dem vertikalen Abstand h der Enden der Kanalwände 9 und 10 eines üblichen Außenbrenners 8 entspricht (vgl. Fig. 8a).
  • Mit einer solchen Anordnung des Außenbrenners 13 wird nicht nur die Umfangswand 19 des Schleuderorganes 1 beheizt, sondern auch die hier mit 20 bezeichnete Tulpe. Jedoch soll der Gasstrom nicht entlang der Tulpe 20 nach oben steigen und die hier mit 22 bezeichnete Tragwelle des hier mit 1' bezeichneten Schleuderorgans aufheizen. Um dies zu vermeiden, kann ein Ringvorsprung 21 oder ein anderes drehendes Abdichtelement vorgesehen sein und beispielsweise auf halber Höhe der Tulpe 20 angeordnet werden, wobei diese Position die durch den ringförmigen Gasstrom beheizte Länge der Tulpe 20 bestimmt. Es ist auch möglich, den Spalt zwischen der Tragwelle 22 und einer Umfangswand 23 unter Überdruck zu setzen. Hierzu kann beispielsweise an der Oberseite der Tragwelle 22 kalte Luft eingeblasen werden, und zwar bevorzugt senkrecht zur Drehachse, da hierdurch lediglich eine Fluidsperre geschaffen werden soll, und nicht etwa eine Kaltluftströmung auf die Tulpe 20 gerichtet werden soll.
  • Ein Vergleich zwischen den Fig. 8a und 8b zeigt einen weiteren wesentlichen Unterschied, der darin besteht, daß ein zweiter Innenbrenner 25 vorgesehen ist, der konzentrisch um den hier mit 26 bezeichneten zentralen inneren Ringbrenner herum angeordnet ist, der wie üblich zur Heizung des hier mit 27 bezeichneten Korbes dient. Der zweite Innenbrenner 25 ist ein Ringbrenner mit divergierenden Flammen, die auf die Innenfläche der Umfangswand 19 sowie der Tulpe 20 gerichtet sind. Die Anordnung der Flammen wird vorzugsweise optimiert durch Vorsprünge 29 an der Innenseite der Tulpe 20, die als Flammenhalter dienen.
  • Der Korb 27 weist im Falle der Ausführung der Fig. 8b einen relativ dicken Boden 28 auf, der beispielsweise durch eine Keramikplatte oder hitzefesten Beton gebildet ist, um eine schnelle Erosion durch die Schmelze zu vermeiden. Darüber hinaus dient der dicke Boden 28 der Wärmedämmung und vermeidet so die Abkühlung der Innenseite des Bodens durch Gas- oder Luftströmungen, die durch die Drehung des Schleuderorgans 1' induziert oder angesaugt werden.
  • Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nachfolgend näher erläutert.
  • Vor der Aufnahme der Produktion erfolgt die Aufheizung des Korbes 27 und des Schleuderorgans 1' bis eine solche Temperatur erreicht ist, die sicherstellt, daß das Schmelzematerial nicht vor dem Austritt aus den Durchtrittsöffnungen des Schleuderorgans 1' verfestigt. Wenn die geeignete Temperatur erreicht ist, die im Idealfall möglichst wenig von der Temperatur im Dauerbetrieb abweicht, so daß ohne wesentliche Abkühlung der Schmelze schnellstmöglich der stationäre Betriebszustand erreicht wird, wird der Lauf der Schmelze in das Schleuderorgan 1' freigegeben.
  • Die Schmelze trifft auf den Boden 28 des Korbes 27, tritt durch die Öffnungen des Korbes 27 in seiner Umfangswand und wird auf die Innenseite der Umfangswand 19 des Schleuderorgans 1' geschleudert.
  • Die Verteilung der Schmelze durch den Korb 27 wird durch zwei gegensätzliche Anforderungen bestimmt. Einerseits ist es wünschenswert, die Anzahl der Öffnungen des Korbes 27 relativ klein zu halten, um eine erhebliche Abkühlung der Schmelze auf ihrem Weg vom Korb 27 zur Umfangswand 19 des Schleuderorgans 1' zu vermeiden. Wenn andererseits die Schmelze auf eine kleine Anzahl von Öffnungen des Korbes 27 konzentriert wird, so führt dies zu lokal engbegrenzten Auftreffpunkten auf die Innenfläche der Umfangswand 19 des Scheuderorganes 1' mit der Gefahr einer schnellen Erosion des Werkstoffes des Scheuderorgans 1' an diesen Stellen. Diese Gefahr wird weiter dadurch erhöht, daß, wie weiter unten noch nher ausgeführt wird, die "Reserve" von Schmelze im Schleuderorgan 1' stärker beschränkt ist, so daß das Auftreffen weniger durch diese Reserve, die als Kissen wirkt, gedämpft wird.
  • Der Durchtritt der Schmelze durch das Schleuderorgan 1' wird so kurz wie möglich gehalten, um die Gefahren einer Verfestigung zu minimieren. Hierzu ist - zusätzlich zur Verkürzung der Wegstrecke der Schmelze im Schleuderorgan 1' - anzustreben, die Menge von Schmelze so gering wie möglich zu halten, die vor ihrem Durchtritt durch die Durchtrittsöffnungen entlang der Innenseite der Umfangswand 19 verweilt.
  • Diese Reserve an Schmelze wird indirekt durch den Massefluß der aufgegebenen Schmelze, durch deren Temperatur und somit deren mehr oder weniger große Dünnflüssigkeit, und durch die Zentrifugalbeschleunigung bestimmt. Im Beispielsfalle möge die Menge der in dem Schleuderorgan 1' verweilenden Schmelze im Mittel die Produktionsmenge von einer Minute nicht übersteigen, vorzugsweise nicht diejenige von 30 Sekunden.
  • Die Aufrechterhaltung einer angemessenen Temperatur der Schmelze bis zu ihrer Abschleuderung vom Schleuderorgan bedarf ergänzender, insbesondere wärmetechnischer Bedingungen in der das Schleuderorgan umgebenden Atmosphäre derart, daß zugleich das Ausziehen der Fäden zu Fasern und die Verfestigung der ausgezogenen Fasern gewährleistet sind.
  • Die Temperatur der Schmelze soll schnell auf einen Wert geführt werden, der unterhalb desjenigen Wertes liegt, bei dem die Fasern verfestigt sind. Dennoch soll die Verfestigung nicht augenblicklich erfolgen, da andernfalls kein ausreichendes Ausziehen erfolgt.
  • Die hauptsächliche Steuerung der Temperatur erfolgt in diesem Stadium mittels einer Heizeinrichtung, die in der Umgebung des Schleuderorgans in derjenigen Zone wirkt, in der sich das Ausziehen der Fasern abspielt.
  • Bei der Auswahl der Temperatur muß natürlich denjenigen Werten Rechnung getragen werden, für die das Material ausziehbar und sodann verfestigbar ist. Es muß weiter der Tatsache Rechnung getragen werden, daß das aus dem Brenner austretende Gas sich mit der aus der Umgebung angesaugten Luft mischt.
  • In der Praxis wird das Ausziehen der Fasern innerhalb eines geringen Abstandes hinter der Abschleuderung vom Schleuderorgan erzielt.
  • Die Auströmmenge der Gase soll ausreichen, um die gewählten Bedingungen in der gesamten Zone der Umgebungsatmosphäre aufrechtzuerhalten, in der das Ausziehen der Fasern erfolgt.
  • Die in Fig. 9 wiedergegebene Anordnung unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 8 im wesentlichen dadurch, daß die Einspeisung der Schmelze nicht axial erfolgt, sondern direkt in das Schleuderorgan hinein ohne Durchtritt durch einen Verteilerkorb.
  • Die Anordnung gemäß Fig. 9 weist ein Schleuderorgan 31 auf, welches in der schematisch veranschaulichten Weise über einen Flansch 33 und einen Wellenbund an einer Tragwelle 32 befestigt ist. Die eigentlichen Befestigungsmittel sind nicht näher veranschaulicht.
  • Das Schleuderorgan 31 ist an seiner Oberseite offen. Über Schwerkraft wird die Schmelze 35 zugeführt, die in einem kontinuierlichen Strom ausgehend von der Schmelzwanne einströmt. Die Schmelze 35 ist auf ihrem Weg bis zum Eintritt in das Scheuderorgan 31 mittels einer Hülse 36 geschützt.
  • Die Anordnung weist wie im Falle derjenigen nach Fig. 8 verschiedene Einrichtungen auf, welche der Beherrschung der Temperatur der Schmelze und der Vorrichtung in den unterschiedlichen Arbeitsstadien dienen.
  • Dabei handelt es sich an der Außenseite des Schleuderorgans 31 vor allem um einen ringförmigen Außenbrenner 37 und einen Ringmagneten 38 als Induktionsheizung. Je nach den Erfordernissen des Einzelfalles können Ergänzungsbrenner beim Anlaufen der Produktion zeitweilig eingesetzt werden, um das Schleuderorgan 31 auf eine ausreichende Temperatur zu bringen, bevor die Schmelze in das Schleuderorgan 31 eingeführt wird. Diese Zusatzbrenner sind nicht näher veranschaulicht.
  • Im Innenraum des Schleuderorganes 31 kann, wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8, ein konzentrisch zur Tragwelle 32 angeordneter Innenbrenner 39 vorgesehen werden. Der Boden des Schleuderorgans 31 ist bevorzugt mit Durchtrittsöffnungen versehen, um einen Austritt der Gase zu ermöglichen.
  • Wenn die Schmelze 35 unmittelbar vor dem Durchtritt durch die Austrittsöffnungen des Schleuderorganes 31 erwärmt werden muß, so können hierzu Brenner verwendet werden, wie sie in Fig. 9 bei 40 schematisch veranschaulicht sind, welche eine Flamme auf die Innenfläche der Umfangswand des Scheuderorganes 31 richten. Anders, als es die zeichnerische Darstellung in Fig. 9 vermuten läßt, ist dabei bevorzugt, daß die Brenner 40 gegenüber dem Schmelzestrom 35 versetzt angeordnet sind, so daß sie die Schmelzeeinströmung nicht stören.
  • Wie im Falle der Ausführungsform gemäß Fig. 8, kann der divergierende Brenner 40 durch den zentralen Innenbrenner 39 ergänzt werden.
  • In Fig. 9 schematisch veranschaulichte Wände 41 können angeordnet werden, um den Innenraum des Schleuderorganes 31 bestmöglich gegenüber der Umgebungsatmosphäre zu schützen.
  • Die Schmelze 35 gelangt mit dem Schleuderorgan 31 in einem Bereich in Berührung, der einen Boden des Schleuderorganes 31 bildet. Von dort aus bedeckt die Schmelze durch Schleuderwirkung die Innenfläche der mit 42 bezeichneten Umfangswand des Schleuderorgans 31.
  • Es ist hervorzuheben, daß bei dieser Anordnung der Weg der Schmelze 35 in Kontakt mit dem Schleuderorgan 31 sehr kurz ist.
  • Wie bei der Einrichtung gemäß Fig. 8b, vermeidet der ringförmige Außenbrenner 37 mit innerer Verbrennung, dessen Hauptfunktion die Einstellung der thermischen Bedingungen in der Atmosphäre am Umfang des Schleuderorganes 31 ist, eine erhebliche Kühlung der Umfangswand 42 des Schleuderorganes 31 insbesondere in deren Oberteil. Ebenso wie beim vorherigen Ausführungsbeispiel, dient die Induktionsheizung des Ringmagneten 36 zur Erwärmung des Unterteiles des Scheuderorganes 31.
  • Versuchsweise sind, wie weiter oben angegeben, Fasern mit einem Schleuderorgan aus austhenitischem ODS-Stahl hergestellt worden. Das Schleuderorgan wies in diesem Falle einen Durchmesser von 200 mm auf und besaß 9000 Durchtrittsöffnungen an seinem Umfang. Der Durchmesser der Öffnungen betrug 0,5 mm. Die Durchtrittsöffnungen waren in 20 Reihen angeordnet. Die Anordnung war von der Art, wie sie in Fig. 8b dargestellt ist, auf die und deren Beschreibung zur Vermeidung von Wiederholungen verwiesen werden kann.
  • Die Versuchsbedingungen für die verschiedenen Zusammensetzungen waren geringfügig unterschiedlich. Beispielhaft sollen nachfolgend diejenigen Bedingungen wiedergegeben werden, die gute Ergebnisse für die oben erläuterte Zusammensetzung 2 ergaben.
  • Die Anfangstemperatur der Schmelze bei Zuführung zum Schleuderorgan betrug 1550ºC. Die Durchsatzmenge betrug 3000 kg/Tag.
  • Der Außenbrenner wurde zunächst so eingestellt, daß er eine Ausziehgasströmung bei 1400ºC unter einem Blasdruck von 345 mm Wassersäule zur Verfügung stellte.
  • Die Drehgeschwindigkeit des Schleuderorgans betrug 3000 U/min.
  • Unter diesen Bedingungen wurde Basaltwolle erzeugt, deren Faserfeinheit einen Micronaire-Wert von 3/5 g oder einen Faconnaire-Wert von 400/5 g aufwies (die Feststellung des Micronaire-Wertes und des Faconnaire-Wertes sind übliche Methoden zur Charakterisierung der Faserfeinheit, wie sie derzeit von den Mineralwolleproduzenten benutzt werden; hinsichtlich Einzelheiten insoweit wird auf die deutsche Industrienorm (DIN) 53941 "Bestimmung des Micronaire" bzw. auf die Norm ASTM D 1448 "Micronaire reading of cotton fibers" verwiesen und vollinhaltlich bezug genommen). Der Anteil unzerfaserter Materialien mit einem Durchmesser von 100 µm oder mehr lag unter 0,8 Gew.- %, was extrem gering ist im Vergleich zu Ergebnissen mit "äußerer Zentrifugierung". Die Qualität der Fasern ist insgesamt äußerst zufriedenstellend gewesen.
  • Generell kann gesagt werden, daß bei geeigneter Wahl der Betriebsbedingungen das erfindungsgemäße Verfahren zu Mineralwollematten führt auf der Basis von Basalt, Stein oder ähnlichem, die weniger als 5 Gew.-% unzerfaserter Partikel (Perlen) mit einem Durchmesser von über 100 µm aufweisen.
  • Nichtsdestotrotz ist es außerordentlich wichtig, die Temperaturverteilung gut zu beherrschen.
  • Wie weiter oben bereits erwähnt ist, führt eine merkliche Erhöhung der Temperatur, beispielsweise durch Erhöhung der Brennertemperatur auf 1600ºC, zu einem merklichen Anwachsen des Anteils der unzerfaserten Partikel.
  • Umgekehrt kann eine Absenkung der Temperatur des Schleuderorganes zu einem Zusetzen von dessen umfangsseitigen Durchtrittsöffnungen führen.
  • Die mit den anderen Zusammensetzungen durchgeführten Versuche bestätigen die obigen Ergebnisse.

Claims (30)

1. Verfahren zur Erzeugung von Mineralwolle aus einem Material mit einer hohen Liquidustemperatur von mehr als 1050ºC, welches bei dieser Liquidustemperatur dünnflüssig ist, mit einer Viskosität von weniger als 320 Pas (3200 Poise) bei der Liquidustemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß das mineralische Schmelzematerial einem Schleuderorgan (1'; 31) zugeführt wird, dessen Umfangswand (19; 42) eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen geringen Durchmessers aufweist, durch welche hindurch die Schmelze in Form von Fäden abgeschleudert wird, die gegebenenfalls einer ergänzenden Ausziehwirkung eines Gasstromes unterworfen werden, der an der Umf angswand (19; 42) des Schleuderorganes (1'; 31) entlangströmt, wobei das mineralische Schmelzematerial mit einer Temperatur von weniger als 1400ºC und mit einer Viskosität von mehr als 10 Pas (100 Poise) abgeschleudert wird, und das Schleuderorgan (1'; 31) aus einem Material mit ausreichenden Wärmefestigkeitseigenschaften wie etwa Kriech- und Korrosionsfestigkeit bei der Zerfaserungstemperatur ausgebildet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Liquidustemperatur des zu zerfasernden Materials bei mehr als 1200ºC liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das zu zerfasernde Material vorzugsweise im Temperaturbereich zwischen 1200ºC und 1400ºC einen Arbeitsbereich auf weist, in dem seine Viskosität bei mehr als 20 Pas (100 Poise) liegt, und bei wenigstens dieser Viskosität zerfasert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Viskosität im Arbeitsbereich bei mehr als 35 Pas (350 Poise) liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem sich der Arbeitsbereich über eine Temperaturspanne von wenigstens 50ºC erstreckt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Durchmesser der Durchtrittsöffnungen des Schleuderorgans mit mehr als 0,15 mm und insbesondere mehr als 0,2 mm gewählt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Durchmesser der Durchtrittsöffnungen des Schleuderorgans mit weniger als 0,7 mm, vorzugsweise weniger als 0,5 mm und insbesondere weniger als 0,4 mm gewählt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem als Werkstoff des Schleuderorganes eine mit dispergiertem Oxid verstärkte Legierung (ODS) gewählt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem als Werkstoff des Schleuderorganes ein Keramikmaterial gewählt wird.
10. Mineralwollematte, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Material mit hoher Liquidustemperatur von mehr als 1050ºC und mit einer Viskosität von weniger als 320 Pas (3200 Poise) bei der Liquidustemperatur hergestellt ist, und daß sie einen Gehalt an unzerfaserten Partikeln mit einer Partikelgröße von mehr als 100 µm unterhalb von 10 Gew.-% und insbesondere unterhalb von 5 Gew.-% aufweist.
11. Mineralwollematte nach Anspruch 10, bei der das Material einen Gehalt an Erdalkalioxiden von wenigstens 9 Gew.-% und bevorzugt einen Gehalt an Eisen von wenigstens 3 Gew.-% aufweist.
12. Mineralwollematte, deren Gehalt an unzerfaserten Partikeln mit einer Partikelgröße von über 100 µm unter 10 Gew.-% liegt, aus Material der folgenden Zusammensetzung:
- SiO&sub2; 60,7 Gew.-%
- CaO 16,5 Gew.-%
- Na&sub2;O 15,4 Gew.-%
- Al&sub2;O&sub3; 0,2 Gew.-%
- MgO 3,2 Gew.-%
- K&sub2;O 0,7 Gew.-%
- B&sub2;O&sub3; 3,3 Gew.-%
13. Mineralwollematte, deren Gehalt an unzerfaserten Partikeln mit einer Partikelgröße von über 100 µm unter 10 Gew.-% liegt, aus Material mit einer Zusammensetzung ähnlich den folgenden Zusammensetzungen (in Gew.- %):
14. Mineralwollematte, deren Gehalt an unzerfaserten Partikeln mit einer Partikelgröße von über 100 µm unter 10 Gew.-% liegt, aus Material mit einer Zusammensetzung ähnlich den folgenden Zusammensetzungen (in Gew.- %):
15. Mineralwollematte nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei der die Faserfeinheit bei einem Micronaire-Wert von weniger als 6/59 liegt.
16. Mineralwollematte nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei der der Gehalt an unzerfaserten Partikeln mit einer Partikelgröße von über 100 µm unter 5 Gew.-% liegt
17. Vorrichtung zur Zerfaserung eines Materials mit einer hohen Liquidustemperatur von mehr als 1050ºC, welches bei dieser Liquidustemperatur dünnflüssig ist, insbesondere mit einer Viskosität von weniger als 320 Pas (3200 Poise) bei der Liquidustemperatur, mittels innerer Zentrifugierung mit einem Schleuderorgan (1'; 31), dessen Umfangswand (19; 42) eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen geringen Durchmessers aufweist, durch welche hindurch die Schmelze in der Form von Fäden abgeschleudert wird, welche gegebenenfalls der ergänzenden Ausziehwirkung eines Gasstromes unterzogen werden, der an der Umfangswand (19; 42) des Schleuderorganes entlangströmt und von einem ringförmigen Außenbrenner (13; 37) erzeugt wird, welcher konzentrisch zum Schleuderorgan (1'; 31) angeordnet ist, und mit einer zum Betrieb während der laufenden Zerfaserung bestimmten divergierenden inneren Heizeinrichtung (25; 40),
dadurch gekennzeichnet, daß
die divergierende innere Heizeinrichtung (25) als Ringbrenner ausgebildet ist, und daß die Flammen des divergierenden inneren Ringbrenners in der Nachbarschaft der Innenfläche der Umfangswand (19) des Schleuderorgans (1') durch Flammenhalter (29) gehalten sind, die an der Innenfläche der tulpenförmigen Abdeckwand (20) des Schleuderorgans (1') angeordnet sind, und
das Schleuderorgan aus einem Material mit ausreichenden Wärmefestigkeitseigenschaften wie etwa Kriech- und Korrosionsfestigkeit bei der Zerfaserungstemperatur ausgebildet ist.
18. Vorrichtung zur Zerfaserung eines Materials mit einer hohen Liquidustemperatur von mehr als 1050ºC, welches bei dieser Liquidustemperatur dünnflüssig ist, insbesondere mit einer Viskosität von weniger als 320 Pas (3200 Poise) bei der Liquidustemperatur, mittels innerer Zentrifugierung mit einem Schleuderorgan (1'; 31), dessen Umfangswand (19; 42) eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen geringen Durchmessers aufweist, durch welche hindurch die Schmelze in der Form von Fäden abgeschleudert wird, welche der ergänzenden Ausziehwirkung eines Gasstromes unterzogen werden, der an der Umfangswand (19; 42) des Schleuderorganes entlangströmt und von einem ringförmigen Außenbrenner (13; 37) erzeugt wird, welcher konzentrisch zum Schleuderorgan (1'; 31) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
der ringförmige Außenbrenner (13; 37) in einem Abstand (h') über der Umfangswand (19; 42) des Schleuderorgans (1'; 31) angeordnet ist, der in der Größenordnung zwischen 15 und 20 mm liegt,
der ringförmige Außenbrenner (13; 37) eine Austrittskanalwand (14) aufweist, deren Durchmesser geringer ist als der Durchmesser der Oberseite der Umfangswand (19; 42) des Schleuderorganes (1'; 31), und
das Schleuderorgan aus einem Material mit ausreichenden Wärmefestigkeitseigenschaften wie etwa Kriech- und Korrosionsfestigkeit bei der Zerfaserungstemperatur ausgebildet ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, bei der der ringförmige Außenbrenner (13) Austrittskanalwände (14, 15) für die heiße Gasströmung aufweist, die durch Schrägwände (16, 17) verlängert sind, welche eine sich kegelförmig verbreiternde Austrittsströmung der heißen Gase begrenzen.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der eine Rückströmung der heißen Gase entlang der Tragwelle (22) für das Schleuderorgan (1') durch einen Dichtvorsprung (21) oder eine Drehdichtung verhindert ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der eine Rückströmung der heißen Gase entlang der Tragwelle (22) für das Schleuderorgan (1') durch eine Fluiddichtung verhindert ist, die am freien Ende der Tragwelle (22) erzeugt wird.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, bei der das Schleuderorgan (1'; 31) weiter mittels einer ringförmigen Induktionsheizung (7; 38) erwärmbar ist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 22, bei der das mineralische Schmelzematerial einem Verteilorgan (Verteilerkorb 27) zugeführt wird, dessen Boden mit einer Platte (28) aus hitzefestem Dämmaterial, insbesondere auf der Basis von Keramik oder hitzefestem Beton, abgeschirmt ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 23, bei der der Durchmesser der Durchtrittsöffnungen des Schleuderorgans (1'; 31) zwischen 0,15 und 0,4 mm liegt.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 24, bei der das Schleuderorgan aus einer mit dispergiertem Oxid verstärkten Legierung (ODS) besteht.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, bei der das Schleuderorgan aus einer austenitischen Legierung besteht, deren Hauptbestandteile wie folgt sind:
- Cr 15 bis 35 Gew.-%
- C 0 bis 1 Gew.-%
- Al 0 bis 2 Gew.-%
- Ti 0 bis 3 Gew.-%
- Fe weniger als 2 Gew.-%
- Y&sub2;O&sub3; 0,2 bis 1 Gew.-%
- Ni Rest
27. Vorrichtung nach Anspruch 25, bei der das Schleuderorgan aus einer ferritischen Legierung besteht, deren Hauptbestandteile wie folgt sind:
- Cr 13 bis 30 Gew.-%
- Al 2 bis 7 Gew.-%
- Ti weniger als 1 Gew.-%
- Y&sub2;O&sub3; 0,2 bis 1 Gew.-%
- Fe Rest
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 25, bei der das Schleuderorgan aus Keramikmaterial besteht.
29. Vorrichtung nach Anspruch 28, bei der das Schleuderorgan aus Keramikmaterial des Typs Siliciumnitrid besteht.
30. Vorrichtung nach Anspruch 28, bei der das Schleuderorgan aus Keramikmaterial des Typs SiC-SiC oder SiC-C besteht.
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