ES2201279T3

ES2201279T3 - Material aislante.

Info

Publication number: ES2201279T3
Application number: ES97913983T
Authority: ES
Inventors: Peter Waldemar Klatt; Mark William Townsend
Original assignee: Ricegrowers Co Operative Ltd
Current assignee: Ricegrowers Co Operative Ltd
Priority date: 1997-03-26
Filing date: 1997-03-26
Publication date: 2004-03-16
Anticipated expiration: 2017-03-26
Also published as: US6342088B1; EP1012124A1; CA2285079A1; KR20010005673A; DE69722965D1; JP2001517189A; KR100495884B1; EP1012124B1; DE69722965T2; EP1012124A4; AU724376B2; AU2143697A; WO1998042630A1

Abstract

Material granular de aislamiento térmico, que comprende: (a) 70 a 95% peso seco de ceniza de cascarilla de arroz; (b) 2 a 20% peso seco de ligante de arcilla cerámica; (c) 0, 1 a 10% peso seco de salvado de arroz; (d) 0, 1 a 10% peso seco de agente exfoliante; y (e) 1 a 10% en peso de agua; en el que, durante su utilización, el material aislante se exfolia formando un material particulado expandido al exponerlo a una temperatura de, como mínimo, 1000°C.

Description

Material aislante.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a material aislante adecuado para el aislamiento de metales fundidos en vasijas y artesas.

Técnica anterior

La ceniza de cascarilla de arroz ha sido ampliamente utilizada en acerías como cubierta aislante en artesas y vasijas que contienen acero fundido. La ceniza de cascarilla de arroz es un buen aislante porque no es caro, fluye y recubre bien la superficie del acero y ni se escorifica ni causa inclusiones metálicas durante su uso. La ceniza de cascarilla de arroz se produce en diversos procesos de combustión en todo el mundo. La ceniza de cascarilla de arroz más deseable contiene sílice, el cual es sustancialmente amorfo.

El problema principal que surge con la ceniza de cascarilla de arroz es que, debido a su baja densidad en masa y pequeño tamaño de partícula, algo de la ceniza pasa a estar en suspensión en el aire, al ponerse en contacto con metal caliente. El polvo resultante puede causar heridas oculares y ser una molestia en general en el sitio de trabajo inmediato. El polvo de sílice/carbono también causa peligros eléctricos en cuadros eléctricos de grúas situadas arriba y en filtros de sistemas de aire acondicionado.

Los intentos anteriores de mejorar las propiedades de la ceniza de cascarilla de arroz para el aislamiento del acero fundido han tenido un éxito limitado. Se han realizado intentos de producir productos aislantes de ceniza de cascarilla de arroz aglomerada en forma de pellets, briquetas o simplemente aglomerado con una variedad de ligantes. Entre los ligantes que se han propuesto se incluyen la arcilla bentonita y almidón, almidón, polvo de cemento con almidón, cal y melaza, harina de arroz y salvado de arroz, silicato sódico, pulpa de madera o papel, y lignosulfonatos. Se pueden encontrar ejemplos de varios tipos producidos de materiales aislantes de ceniza de cascarilla de arroz en las patentes U.S. nº 4.440.575 y nº 5.073.281.

Desafortunadamente, se manifestaron una serie de problemas en la técnica anterior debido a los ligantes utilizados. Entre estos problemas se incluyen un punto de fusión más bajo, el cual causa la escorificación, debido a la utilización de silicato sódico. El material aislante no se degrada durante su uso, lo que inhibe su extensión y reduce la efectividad del aislamiento. Algunos ligantes causan demasiado humo o incluso llama durante su utilización, lo que es especialmente no deseable. Otros ligantes introducen en el acero elementos no deseados, incluyendo elementos tal como el azufre. Muchos de los productos aislantes son de baja densidad, lo cual puede ser ideal para el aislamiento, pero provoca un incremento en el peso sobre ceniza de cascarilla de arroz neta, comportando costes de transporte más elevados.

Los presentes inventores han identificado la necesidad de un material de aislamiento térmico mejorado que tenga en cuenta muchas de las desventajas de los materiales de aislamiento de ceniza de cascarilla de arroz de la técnica anterior.

Exposición de la invención

En un primer aspecto, la presente invención consiste en un material granular de aislamiento térmico de ceniza de cascarilla de arroz, ligante de arcilla cerámica, salvado (preferentemente salvado de arroz), y un agente exfoliante, como se describe en la reivindicación 1.

El presente material granular de aislamiento térmico comprende ceniza de cascarilla de arroz, ligante de arcilla cerámica, salvado (preferentemente salvado de arroz), y un agente exfoliante, tal que, al exponer el material aislante a una temperatura de 1000ºC o superior, el material se exfolia, formando un material particulado expandido.

El material de aislamiento térmico tiene la forma de gránulos de un tamaño y forma que permite un empaquetamiento y transporte convenientes del material. Además, los gránulos se forman de tal manera que durante su utilización hay poca o ninguna dispersión por el aire del material, previamente a su expansión. Los gránulos tienen, preferentemente, la forma de pellets o discos.

La invención consiste, adicionalmente, en un material granular de aislamiento térmico que comprende 70 a 95%, preferentemente 85 a 95% peso seco, de ceniza de cascarilla de arroz, 2 a 20%, preferentemente 5 a 15% peso seco, de ligante de arcilla cerámica, 1 a 10%, preferentemente 2 a 7% en peso, de salvado (preferentemente salvado de arroz), 0,1 a 10%, preferentemente 0,2 a 5% peso seco, de agente exfoliante, y 1 a 10%, preferentemente 1 a 5% en peso, de agua.

Los ligantes de arcilla cerámica adecuados para la presente invención entran en la definición de "arcillas refractarias", con rangos adecuados de los siguientes elementos:

SiO_{2} < 55%, Al_{2}O_{3} > 20%, K_{2}O < 1%, Na_{2}O < 0,5%

Una arcilla cerámica adecuada es la bentonita. Otra arcilla cerámica que es adecuada para la presente invención es Clay Ceram^{TM}, fabricada por "Commercial Minerals Limited". En la Tabla 1 se muestra la fórmula típica de esta arcilla cerámica.

TABLA 1 Propiedades químicas y físicas típicas de Clay Ceram™

Componente	Fórmula	Contenido
Sílice	SiO_{2}	52,6%
Magnesio	MgO	0,4%
Alúmina	Al_{2}O_{3}	32,3%
Óxido férrico	Fe_{2}O_{3}	0,7%
Cal	CaO	0,1%
Potasa	K_{2}O	0,5%
Sosa	Na_{2}O	0,2%
Dióxido de titanio	TiO_{2}	1,0%
Pérdidas por ignición (1000ºC)	12,0%

El salvado se define generalmente como el recubrimiento externo de un grano de cereal. El salvado de arroz es especialmente adecuado para la presente invención y es la capa marrón que se retira del grano de arroz para producir arroz blanco. Aunque el salvado de arroz es de uso preferente en la presente invención, se apreciará que el salvado derivado de otros cereales también sería adecuado.

Se apreciará que cualquier agente exfoliante que cause la exfoliación (expansión o degradación) del material granular de aislamiento térmico en presencia de temperaturas de 1000ºC o superiores, y la formación de un material particulado más fino, sería adecuado. Entre los ejemplos de tales agentes exfoliantes se incluyen el grafito, la vermiculita y la perlita. El material preferido, sin embargo, es el grafito exfoliante. Cuando se utilicen vermiculita o perlita en la presente invención, se necesitarán aproximadamente cinco veces más de vermiculita o perlita que de grafito, ya que su actividad exfoliante no es tan grande como la del grafito.

En una forma más preferible, el material granular de aislamiento térmico comprende, aproximadamente, 85% peso seco, de ceniza de cascarilla de arroz, aproximadamente 5% peso seco, de ligante de arcilla cerámica, 5% de salvado de arroz, aproximadamente 0,35% peso seco de grafito exfoliante, y aproximadamente 4% en peso de agua.

El método para la producción del material granular de aislamiento térmico comprende las etapas siguientes:

(a): mezcla de ceniza de cascarilla de arroz, ligante de arcilla cerámica, salvado (preferentemente salvado de arroz), y agente exfoliante;

(b): adición de agua a la mezcla para formar una pulpa;

(c): formación de gránulos a partir de la mezcla pulposa; y

(d): secado sustancial del material.

En una realización preferida del segundo aspecto de la presente invención, en la etapa (b) se añade entre 25 y 50% del peso de la mezcla, de agua. Más preferentemente, se añade entre 30 a 35% del peso de la mezcla final, de agua, previamente a la granulación. Las etapas (a) y (b) se llevan a cabo, preferentemente, en el mismo aparato, pero pueden llevarse a cabo de cualquier manera conocida en la técnica. Un aparato especialmente adecuado para la mezcla de componentes y formación de la pulpa es una licuadora de cinta lenta.

La etapa de granulación (c) puede llevarse a cabo con cualquier sistema conocido para este procedimiento. Entre los ejemplos se incluyen las briqueteadoras, peletizadoras de discos y prensas extrusoras de pellets.

Preferentemente, los gránulos son pellets cilíndricos de diámetro aproximado entre 4 y 12 mm. El diámetro de pellet de mayor preferencia es de 8 mm, con una longitud entre 4 y 20 mm. Se apreciará que los gránulos pueden ser de cualquier tamaño que sea adecuado para su empaquetamiento y utilización en el recubrimiento de metales fundidos.

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La etapa de secado (d) puede llevarse a cabo con cualquier sistema de secado conocido. Sin embargo, con el fin de reducir la incidencia de generación de finos, se prefiere que el proceso de secado sea gradual. A este respecto, se ha descubierto que las temperaturas de 100ºC a 130ºC son adecuadas. Preferentemente, el secado resulta en un material granular de aislamiento térmico con menos de, aproximadamente, 5% en peso de agua retenida.

En un segundo aspecto, la presente invención consiste en un método de aislamiento de acero o metal fundido, el cual comprende la adición al acero o metal fundido de un material granular de aislamiento térmico de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención, de tal manera que se causa que el material de aislamiento se exfolie (expanda o degrade) al exponerlo a temperaturas de 1000ºC o mayores, procedentes del acero o metal fundido, formando de esta manera, una capa de aislamiento térmico sobre el metal o acero fundido.

La presente invención consiste, adicionalmente, en la utilización de un material granular de aislamiento térmico de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención para el aislamiento de acero o metal fundido.

El material de aislamiento es útil en su aplicación a la industria del acero, incluyendo artesas, vasijas, canales, vasijas "torpedo" y placas para moldes de lingotes. En la industria de la fundición, el material de aislamiento es adecuado para su utilización en moldes y canales, y en diversas otras industrias metalíferas, tal como en el fundido del cobre.

Con el fin de que la presente invención se entienda con mayor claridad, se describirán las formas preferidas con referencia a los siguientes Ejemplos.

Modos de llevar a cabo la invención

La adición de un ligante de arcilla cerámica, salvado de arroz y un agente exfoliante de la ceniza de cascarilla de arroz, previamente a la peletización, crea un gránulo o pellet de alta densidad, el cual se exfolia (expande o degrada) durante el calentamiento, formando un excelente material de aislamiento sin ninguno de los inconvenientes de los materiales de aislamiento de la técnica anterior.

Durante la preparación del material de aislamiento, es importante que se mezclen adecuadamente los ingredientes. Debido a la naturaleza extremadamente abrasiva de la ceniza de cascarilla de arroz, todo el procedimiento de mezcla debería ser, preferentemente, lo más lento posible, con el fin de limitar el desgaste por uso de la maquinaria.

En los Ejemplos que se describen posteriormente, la mezcla se lleva acabo en dos etapas.

La Etapa 1 es una mezcla concienzuda en seco con un mezclador lento de cinta, pero preferentemente en un tornillo sinfín largo (5 a 10 minutos de tiempo de residencia) con rosca segmentada y solapada en forma de media luna.

Aproximadamente dos tercios del tornillo sinfín se dedican a la mezcla en seco. El tercio final del mezclador de tornillo se destina a la mezcla en húmedo, se añade una cantidad medida de agua, en etapas para permitir la mezcla uniforme. La adición de agua proporciona 20 a 50% en peso y, preferentemente, 30 a 35% en peso de la mezcla final, previamente a la peletización, de agua.

En la etapa 2, se alimenta el producto mezclado al procedimiento deseado de aglomeración, tal como una briqueteadora tipo Robinson, un peletizador de discos o, preferentemente, una prensa extrusora estándar de pellets (producida por muchos fabricantes). Con la correcta cantidad de agua, el control preciso de temperatura, y la forma correcta de orificio en el cabezal de extrusión, tal prensa de pellets puede operar exitosamente sin inyección de vapor. Esto produce pellets cilíndricos con diámetros aproximados de 4 a 12 mm, diámetro preferido de 8 mm, con una longitud de 4 a 20 mm, y de alta densidad.

En la etapa 3, a continuación se secan los pellets, en cualquier número de secadores patentados, a una temperatura entre 100ºC y 130ºC. El énfasis principal de esta etapa es que el proceso de secado debería ser gradual para reducir la incidencia de generación de finos. A continuación, se tamizan los pellets para extraer los finos, con el fin de conseguir un producto que contenga menos del 5% en peso de finos que pasen un tamiz de 1 mm. Se reciclan los finos, se rellenan entonces paquetes adecuados con los pellets de acuerdo con los requisitos de los clientes.

La presente invención se describe adicionalmente en los siguientes Ejemplos.

Ejemplo 1

Se produce ceniza de cascarilla de arroz en continuo con un horno adecuado (en este ejemplo, un reactor K C), a una tasa de 500 Kg/hora. El ligante de arcilla cerámica utilizado, Clay Ceram™ (Tabla 1), fabricado por Commercial Minerals Ltd., se dosifica en un tornillo sinfín mezclador a través de un tornillo calibrado de alimentación. Se dosifica granito exfoliante en el tornillo sinfín mezclador a través de un alimentador vibrante calibrado. A aproximadamente dos tercios de este tornillo sinfín mezclador se añade agua, a través de una bomba dosificadora calibrada. Se consigue una mezcla suficiente mediante el diseño cuidadoso del tornillo mezclador de rosca de media luna, el cual opera a velocidades bajas para evitar el desgaste excesivo.

Se alimenta entonces el producto mezclado a una prensa peletizadora de tipo extrusión California Pellet Mill (CPM) estándar (aunque muchos otros extrusores serían adecuados), en la cual se produce una mezcla adicional previamente a la compactación y extrusión a través del cabezal. Pueden producirse pellets cilíndricos de diámetro aproximado entre 4 y 12 mm, el diámetro preferido de 8 mm alcanza un compromiso óptimo entre eficiencia de secado, eficiencia de producción y las preferencias del cliente.

La formulación es: 1000 g de ceniza de cascarilla de arroz, 50 g de Clay Ceram™, 50 g de salvado de arroz, 350 g de agua, y 4 g de grafito exfoliante. La cantidad de Clay Ceram™ puede variar entre 25 y 200 g, o más, y el grafito, entre 1 a 10 g, o más, dependiendo de las características finales requeridas por el cliente, las cuales se relacionan con la cobertura, capacidad retentiva del calor y uso final.

Ejemplo 2

Se sigue, en gran parte, el procedimiento descrito en el Ejemplo 1; en este ejemplo se alimenta el producto mezclado a una prensa briqueteadora tipo Robinson, produciendo un tamaño preferido de briqueta en forma de "almohada" que mide, aproximadamente, 20 mm x 15 mm x 10 mm. El rendimiento de estas briquetas sobre el acero fundido no es distinguible del de los pellets del Ejemplo 1.

Ejemplo 3

Se sigue, en gran parte, el procedimiento descrito en el Ejemplo 1; en este ejemplo se alimenta el producto mezclado a un "peletizador de discos" estándar, en el que un disco rota lentamente, estando inclinado el disco a aproximadamente 30º sobre la horizontal.

Los pellets se convierten, con este procedimiento, en esencialmente esféricos. Cuando se ha conseguido un diámetro medio de 5 mm, se retiran en continuo los pellets y se sustituyen con ceniza fresca premezclada.

Estos pellets no alcanzan la alta densidad de los dos Ejemplos anteriores y, habitualmente, sólo requieren la siguiente mezcla preferida de productos:

: 1000 g de ceniza de cascarilla de arroz

: 50 g de Clay Ceram™

: 50 g de salvado de arroz

: 300 g de agua

: 1 g de grafito exfoliante

Sin embargo, el rendimiento final de estos pellets, de utilización en la producción de metal caliente, es extremadamente satisfactorio. En esencia, el procedimiento de peletización de "discos" es, habitualmente, menos capital intensivo y, por tanto, más adecuado cuando el transporte hasta el cliente es más corto y se requieren menores costes.

Ejemplo 4

Ensayos adicionales han indicado que la vermiculita no expandida (silicatos hidratados en lámina) pueden utilizarse para sustituir al grafito exfoliante en los Ejemplos 1 a 3, en una proporción de 5 a 1 de vermiculita a grafito.

El rendimiento a temperaturas elevadas, >1500ºC, es algo menor. Este producto, sin embargo, es totalmente satisfactorio para su uso en fundiciones de hierro y otras industrias metalíferas que operan a menos de 1500ºC.

Ejemplo 5

El procedimiento descrito en los Ejemplos 1 a 4 puede incorporar cualquier tipo de ceniza de cascarilla de arroz de alto contenido en carbono, 40% en masa, hasta menos de un 1% en masa de carbono.

En este ejemplo, una ceniza de cascarilla de arroz preferida es una ceniza que contiene 35 a 40% de carbono, el material de aislamiento de artesa resultante es altamente exotérmico, y contribuye aproximadamente 6 MJ/Kg de producto peletizado acabado, a la capacidad de aislamiento del producto.

En los casos en los que el uso final es sensible al contenido de carbono, puede sustituirse por una ceniza de cascarilla de arroz de bajo contenido en carbono.

Ejemplo 6

En este ejemplo se sigue en gran parte el procedimiento descrito en los Ejemplos 1 a 5, y el Clay Ceram™ se sustituye por arcilla blanca ("clay plas").

Ejemplo 7

En este ejemplo se sigue en gran parte el procedimiento descrito en los Ejemplos 1 a 5, y el Clay Ceram™ se sustituye por bentonita (modificada con sodio) hasta menos del 0,5%.

En la Tabla 2 se muestran los resultados de los ensayos con diversos materiales de aislamiento.

TABLA 2 Resultados comparativos de diversos materiales de aislamiento. Ensayos por Refractories Centre Austalia y siguiendo AS 1774.10.

Muestra	Tipo de ligante cerámico	Tasa de	Salvado	Temperatura de fusión
		inclusión%	de arroz%	Grados C
1	Bentonita (1)	10	0	1540
2	Bentonita (1)	7,5	2,5	1555
3	Bentonita (1)	5	5	1575
4	Bentonita (1)	2,5	7,5	1580
5	Bentonita (1)	0	10	1600
6	Clay Ceram™	5	0	1565
7	Clay Ceram™	7,5	0	1555
8	Clay Ceram™	10	0	1550
9	Arcilla blanca	5	0	1500
10	Arcilla blanca	7,5	0	1500
11	Arcilla blanca	10	0	1500
Nota: - La bentonita (1) está modificada con sodio Na < 0,5%

Es deseable una temperatura de fusión más alta, junto con un producto que no forme sustancialmente polvo durante su utilización. El producto preferido, fabricado de acuerdo con la presente invención, contenía Bentonita y salvado de arroz. La muestra 5 tenía una temperatura elevada de fusión pero tendía a formar polvo durante su utilización y, por tanto, no era ideal.

Los expertos en la materia apreciarán que pueden realizarse numerosas variaciones y/o modificaciones a la invención tal como se muestra en las realizaciones específicas, sin apartarse por ello del alcance de las reivindicaciones. Las presentes realizaciones, por tanto, deben considerarse, en todos los respectos, como ilustrativas y no limitativas.

Claims

1. Material granular de aislamiento térmico, que comprende:

: (a) 70 a 95% peso seco de ceniza de cascarilla de arroz;

: (b) 2 a 20% peso seco de ligante de arcilla cerámica;

: (c) 0,1 a 10% peso seco de salvado de arroz;

: (d) 0,1 a 10% peso seco de agente exfoliante; y

: (e) 1 a 10% en peso de agua;

en el que, durante su utilización, el material aislante se exfolia formando un material particulado expandido al exponerlo a una temperatura de, como mínimo, 1000ºC.

2. Material aislante según la reivindicación 1, que comprende:

: (a) 85 a 95% peso seco de ceniza de cascarilla de arroz;

: (b) 5 a 15% peso seco de ligante de arcilla cerámica;

: (c) 2 a 5% en peso de salvado de arroz;

: (d) 0,2 a 5% peso seco de agente exfoliante; y

: (e) 1 a 5% en peso de agua

3. Material aislante según la reivindicación 2, que comprende:

: (a) 85% peso seco de ceniza de cascarilla de arroz;

: (b) 5% peso seco de ligante de arcilla cerámica;

: (c) 5% en peso de salvado de arroz;

: (d) 0,35% peso seco de agente exfoliante; y

: (e) 4% del peso total de agua

4. Material aislante según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el ligante de arcilla cerámica es una arcilla refractaria que incluye los rangos de los componentes siguientes:

SiO_{2} < 55%, Al_{2}O_{3} > 20%, K_{2}O < 1%, Na_{2}O < 0,5%

5. Material aislante según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que se selecciona el agente exfoliante de entre el grupo que consiste en grafito, vermiculita y perlita no expandidos.

6. Material aislante según la reivindicación 5, en el que el agente exfoliante es grafito exfoliante.

7. Material aislante según la reivindicación 6, que comprende, aproximadamente, 85% peso seco de ceniza de cascarilla de arroz, aproximadamente 5% peso seco de ligante de arcilla cerámica, 5% peso seco de salvado de arroz, aproximadamente 0,35% peso seco de grafito exfoliante, y aproximadamente, 4% del peso total de agua.

8. Material aislante según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que los gránulos tienen forma de pellets, discos, esferas o gránulos.

9. Método de aislamiento de acero o metal fundido que comprende la adición al acero o metal fundido de un material granular de aislamiento térmico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, de tal manera que se causa que el material aislante se exfolie al exponerlo a una temperatura de 1000ºC o mayor procedente del acero o metal fundido, formando de este modo, una capa de aislamiento térmico sobre el acero o metal fundido.

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10. Utilización de un material granular de aislamiento térmico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 para el aislamiento de acero o metal fundido.