FI104321B - Menetelmä mineraalivillan valmistamista varten ja niiden mukaisesti valmistettu mineraalivilla - Google Patents

Description

104321

Menetelmä mineraalivillan valmistamista varten ja sen mukaisesti valmistettu mineraalivilla 5 Esillä olevan keksinnön kohteena on mineraalivillan valmistaminen, joka käsittää termoplastisia, korkean sulamispisteen tai korkean likviduslämpötilan omaavia mineraalimateriaaleja, ja lähemmin sellaisen menetelmän, jossa käytetään kuidutus-prosessia, johon kuuluu ns. sulatetun mineraalimateriaalin 10 sisälinkous (internal centrifuging). Kyseessä olevat termoplastiset materiaalit ovat tarkemmin basalttimateriaaleja, joko luonnon tai modifioituja basaltteja, tai rauta- ja terästeollisuuden sivutuotteita, erityisesti puhallusmasuu-nikuonaa (scoriae). Keksintöä sovelletaan normaalisti minera-15 livillan, ns. kivivillan tuotantoon, joka on laajalti käytössä, erityisesti lämpö- ja äänieristysten alalla.

Nämä materiaalit on valittu toisaalta niiden huokean hinnan vuoksi ja toisaalta niiden ominaisuuksien vuoksi, erityisesti 20 niiden korkean lämmönkestävyyden johdosta. Mutta niiden tuotannossa ilmenee erityisiä ongelmia. Nämä ongelmat juontavat alkunsa erityisesti niistä olosuhteista, joissa materiaalit ovat muokattavissa.

25 Niiden korkea sulamislämpötila esittää jo itsessään vaikeutta. Sulamislämpötila on se lämpötila, johon raaka-aineet on kuumennettava sulamisen takaamiseksi. Ja edelleen, siellä missä tuotanto tapahtuu, se on se lämpötila, jonka yläpuolella materiaali on pidettävä, jotta se ei jähmety ennen sen muuttu-30 mistä kuiduiksi.

Toinen erityinen tekijä, joka erottaa nämä materiaalit niistä laseista, joita useimmiten käytetään lasivillan valmistamiseen, on yleensä se, että ne ovat hyvin juoksevia niissä 35 lämpötiloissa, jotka ovat lähellä niiden likviduslämpötiloja.

2 104321

Vaadituista korkeista lämpötiloista johtuen ne laitteet, jotka joutuvat kosketuksiin kuidutettavien materiaalien kanssa, joutuvat hyvin voimakkaalle syövyttävälle vaikutukselle alttiiksi. Näiden laitteiden toiminnallinen käyttöikä on ongelma 5 myöskin tavanomaisten lasien kohdalla. Tämä ongelma tulee vielä kriittisemmäksi hyvin juoksevien materiaalien kohdalla.

Näin ollen edellä mainitut vaikeudet tarkoittavat sitä, että vain tiettyjä kuidutustekniikoita voidaan soveltaa kyseessä 10 oleviin materiaaleihin. Tässä on oleellisesti kahden tyyppistä tekniikkaa: Se, joka käyttää sulatetun mineraalimateriaalin linkousta tai kehruuta, ja se, jossa materiaali syötetään kiinteän suuttimen läpi ja se ohenee kuiduiksi kaasuvirroissa, joita usein kiihdytetään yliääninopuksiin (puhallusveto-15 menetelmä) .

Kiinteitä suuttimia käyttävissä tekniikoissa on tärkeää käyttää suutinta, joka kestää sulatetun mineralimateriaalin syö-vytystä. Ne ovat perinteisesti platinasuuttimia, jotka ky-20 kenevät kestämään nämä syövytykset myöskin tällaisissa korkeissa lämpötiloissa. Mutta jokaisen suuttimen tuotantokapasiteetti on rajoitettu. Ja lisäksi tällaisten ohentavien kaasuvirtojen käyttö aiheuttaa suhteellisen suuret energiakustannukset .

25

Tekniikat, jotka käyttävät linkousta tai kehruuta, mahdollistavat huomattavat tuotantomäärät yksikköä kohden. Nämä tekniikat on koottu yleiseksi termiksi "ulkolinkous" (external centrifuging), jonka tarkoituksena on ilmaista se, että sula 30 kehruumateriaali pysyy kehruulaitteen ulkopuolella. Sula mineraalimateriaali saatetaan joko levyn etupinnalle tai yhden tahi useamman sylinterimäisen roottorin ympäryspinnalle. Näiden tekniikoiden etuna on laitteen niiden osien yksinkertaisuus, jotka joutuvat kosketukseen sulan mineraalimateriaa-35 Iin kanssa. Tästä suhteellisesta yksinkertaisuudesta johtuen ovat kyseessä olevat osat ja erityisesti kehruulaitteen reu-: naosat (spinner rims) suhteellisen huokeita ja ne voidaan 3 104321 vaihtaa lyhyessä ajassa. Tällaisten materiaalikustannusten osuus tuotannon kokonaiskustannuksista jää suhteellisen alhaiseksi. Se tosiasia, että nämä laitteen osat joutuvat tehokkaalle kulutuksella alttiiksi ollessaan kosketuksessa sulan 5 mineraalimateriaalin kanssa ei kuitenkaan muodostu miksikään esteeksi.

Ulkolinkoukseen perustuvan mineralivillan valmistuksen suurimpana haittana on se tosiasia, että lopullisen tuotteen ominai-10 suudet ovat huonommat kuin lasivillan vastaavat, joka valmistetaan normaalisti nk. "sisälinkouksen" avulla.

Ulkolinkouksessa materiaali lentää kehruupyörien päälle ja sinkoutuu niiltä pienten pisaroiden joukkona. Niiden sinkou-15 tuessa muotoontuu kuitu kehruulaitteen pinnan ja pienen pisaran väliin sen vetäessä kuitua perässään. Se on selvää, että tällaisella kuidutusmekanismilla jää huomattava määrä kehrätystä materiaalista kuituuntumattomienpartikkelien muotoon. Niiden osuus partikkelien koosta, joka on enemmän kuin 100 pm 20 voi olla niinkin suuri kuin 40 paino-% prosessiin toimitetusta materiaalista. Vaikka kuituuntumattoman materialin erottamiseksi on eri menetelmiä, ei viimaistelty mineraalivilla ole koskaan täysin vapaa sellaisista partikkeleista, joilla ei parhaimmillaankaan ole mitään käyttöä, ja joista on hyvin 25 suuri vaiva erityiskäyttöä varten.

Todettakoon tässä, että pisaramuoto ei ole vain ulkolinkouksen välttämätön tulos, vaan se riippuu myöskin kyseessä olevan materiaalin Teologisista ominaisuuksista. Materiaaleilla, 30 joita käsitellään keksinnön mukaisen prosessin mukaan, on suhteellisen alhaiset viskositeetit, myöskin niissä lämpötiloissa, jotka ovat vain hieman likviduslämpötilan yläpuolella. Sula mineraalimateriaali, joka on suhteellisen juoksevaa, on vaikea kuiduttaa, koska filamenteilla on taipumus murtua ja 35 muodostaa pisaroita tai helmiä. Ulkolinkouksen tekniikkaan liittyy tämä suuntaus, vaikka näitä haittapuolia eliminoi-: täisiinkin pois.

4 104321

Esillä olevan keksinnön eräs oleellinen tavoite on aikaansaada mineraalivillan tuottamista varten oleva prosessi, joka perustuu sellaiseen materialiin, jolla on kohotettu likviduslämpötila ja alhainen viskositeetti, esim. viskositeetin ollessa 5 alle 5000 poisia likviduslämpötilassa ja huomattavasti alle 3000 tai jopa 1000 poisia likviduslämpötilassa, ja sellaisissa olosuhteissa, että voidaan aikaansaada mineraalivillaa, joka suurimmaksi osaksi on vapaata kuituuntumattomista partikkeleista.

10

Keksinnön avulla on voitu esittää, että on mahdollista tuottaa mineraalivillaa sellaisesta materiaalista, jonka likvidusläm-pötilaa on kohotettu ja likviduslämpötilan ollessa erityisesti yli 1200 °C, ja jolloin sula materiaali kehrätään kehruulait-15 teessä, jossa on suuri määrä pienihalkaisijaisia reikiä sen ympärysseinällä, ja jossa kehruulämpörila pidetään toiminnan aikana sen lämpötilan alapuolella, jossa materiaali tukkii reiät kiteytymisestä johtuen, ja jossa kehruulaitteen ympärille aikaansaadaan kaasumainen ympäristö siten, että suurin osa 20 niiden kehruulaitteen rei'istä ulosvirtaavien kartiomaisten osien kärjistä, joiden pituudet voivat vaihdella toisistaan riippumatta, ja jolloin kaasuvirran isotermi on leikattu siten, että vastaa 100 poisin tai edullisesti 250 - 300 poisia, tai että muutoin saavutetaan sellaiseen lämpötilaan 25 jäähdytetty vyöhyke, joka vastaa yli 100 poisin tai edullisesti 250 - 300 poisia.

Materiaalin kuiduttamisen vuoksi on tällöin ehdottoman tarpeellista se, että se ei kiteydy kehruulaitteen sisäpuolella, 30 ja että sen viskositeetti sallii sen ohentumisen kuiduiksi. Yleisesti tunnettua on se, että yli 80 000 poisissa alkaa viskositeetti tehokkaasti ja ylipääsemättömästi estää kuitujen ohentumista, ja ainakin teollisissa olosuhteissa, mutta koskien keksinnön suoja-alaan kuuluvia materiaaleja, ei tätä arvoa 35 80 000 poisia voida hyödyntää käytännössä, koska paljon alhai semmasta viskositeetista peräisin oleva materiaali saa epämaa-: räisen viskositeettiarvon. Tällaisissa tapauksissa on vis- 5 104321 kositeetin ylin arvo se arvo, joka vastaa sitä alinta lämpötilaa, jossa materiaalin viskositeetti μ edelleen käyttäytyy nk. Vogel-Fulcher-Tammann yhtälön mukaan 5 lg μ = a + B/(T - C), jossa T on lämpötila °C:ssa ja A, B ja C ovat vakioita, jotka ovat tyypillisiä kyseessä olevalle materiaalille, ja jotka kalkyloidaan tästä materiaalista sinänsä tunnetulla tavalla 10 mittaamalla kolme paria arvoja μ ja T. Useimmissa tapauksissa on tämä huomioonotettava raja senhetkisesti luokkaa 3 500 tai jopa 3 000 poisia (so. lg μ:η arvo välillä 3.47 - 3.54; ja tätä varten seuraavassa annetaan se lämpötila, joka vastaa lg μ = 3,5). Tätä lukuunottamatta 3 000/3 500 poisin alapuolella 15 oleva viskositeetti vaikeuttaa materiaalin läpikulkua kehruu-laitteen reikien läpi.

Toisaalta materiaali ei saa olla liian juoksevaa sillä hetkellä kun se ohennetaan kuiduiksi. Alle 100 poisin arvolla (lg 20 μ = 2) ja joskus myös kokemuksellisesti alle 200 - 300/350 poisia (lg μ = 2,3 - lg μ = 2,5) muodostaa sula mineraalimate-riaali pieniä pisaroita, jotka esiintyvät tuotteen sisäpuolella helmien muodossa. Käytännön työssä on esillä olevalla keksinnöllä huomattu helmien määrän olevan alle 10 % (paino-%) 25 viskositeetin ollessa luokkaa 100 poisia ja helmien määrän olevan alle 5 % (paino-%) viskositeetin ylittäessä 320/350 poisia. Todettakoon tässä, että 100 poisin raja on suhteellisen korkea ja keksinnölle ominainen; ulkolinkouksessa materiaali työstetään niinkin alhaalla kuin muutaman kymmenen poisin 30 viskositeeteissa, ja kuten edellä on mainittu, joissa muodostuvien helmien määrä on hyvin tärkeää.

Mainittu ongelma materiaalin hajoamisessa pisaroiksi ja tuloksen antava 100/350 poisin raja eivät kohdistu ainoastaan 35 siihen hetkeen, jolloin materiaali kulkee kehruulaitteen reikien läpi, vaan myöskin koko sen kuiduksi ohentamisen : kestoajalle, mikä tapahtuu kehruulaitteen ulkopuolella. Tästä 6 104321 seuraa se, että kehruulaitetta ei saa sijoittaa äärimmäisen kuumaan ympäristöön, mikä saattaisi liikaa alentaa materiaalin viskositeettia.

5 Tällöin on otettava huomioon neljä sellaista vyöhykettä, joiden läpi materiaalin on kuljettava: - kehruulaitteen seinän lämpötila, joka on sama kuin reikien sisäpuolella olevan materiaalin lämpötila; - kaasujen lämpötila vyöhykkeellä, jonka paksuus on muutama 10 millimetri, ja joka on pyöreämuotoisen kehruulaitteen välittömässä läheisyydessä, ja joka on suunniteltu kehruulaitteen ympärillä olevaksi rajakerrokseksi; - kaasujen lämpötila vyöhykkeellä, joka ulottuu säteittäisesti ohennettavien kartiomaisten osien vapaasta kärjestä muutaman 15 millimetrin (5 - 10) päähän, jota voidaan kutsua "jäähdytys-vyöhykkeeksi" ; - välittömästi molemman edellä mainitun vyöhykkeen välissä oleva kaasun lämpötila, jota kutsutaan "ohennusvyöhykkeeksi". 1

Keksinnön mukaan on kehruulaitteen ulkopuolelle kehittyvien kaasuvirtausten ulkomuoto sellainen, että ohennusvyöhykkeellä ympäristön lämpötila ja siksi myös materiaalin lämpötila vastaavat ainakin 100 poisia ja edullisesti ainakin 250 - 350 poisia.

' 25 Tällainen lämpötilaprofiili voidaan aikaansaada kuuman, ren-kaanmuotoisen kaasusuihkun tai puhalluksen avulla, joka kehittyy perforoidulle kehruulaitteen seinälle, sen koko kehälle, ja tässä käytettävään materiaaliin liittyen pitää sitä 30 sellaisessa lämpötilassa, joka on sopivan korkealla kiteytymisen välttämiseksi, ja edelleen edullisen kylmän suihkun avulla, joka estää kuuman puhalluksen tapahtuvan sen koko kehällä, ja joka rajoittaa kuuman puhalluksen vaikutuksen perforoidun ympärysseinän välittömään läheisyyteen. Kuidutus-35 laitteen samankeskinen renkaanmuotoinen poltin kehittää kuuman kaasumaisen puhalluksen ja kylmä suihku aikaansaadaan puhalti- 7 104321 men avulla, joka on sovitettu samankeskisesti mainitun poltti-men suhteen, kuten jäljempänä selitetään.

Ohennusvyöhykkeiden rajojen epätarkasta sijoittamisesta joh-5 tuen, mikä on johdonmukaisesti seurausta eri lämpöisten puhalluksen ja suihkun sekoittumisesta, on näin ollen edullista voida vaikuttaa erikseen ohennettavien kartioiden pituuteen toisistaan riippumatta, ja sillä tarkoituksella, että ne, tai ainakin niistä suurin osa on sijoitettu mainitun ohennus-10 vyöhykkeen sisäpuolelle, mikä on määritetty kaasusuihkujen avulla niiden koko pituudella. Keksinnön mukaan saadaan kartioiden pituudet säädetyksi reikien halkaisijan ja/tai kehruu-laitteen pyörimisnopeuden avulla.

15 Puhaltimen aikaansaama kaasusuihku on edullisesti kylmää, so. lähellä ympäristön lämpötilaa, tai ei esimerkiksi ainakaan yli 250 °C. Näissä olosuhteissa puhallin edistää "kylmän" ympäristön aikaansaamista aina pienellä etäisyydellä kehruulaitteen ympärillä, so. juuri kuidun ohentamisvyöhykkeen sisäpuolelle. 20 Tästä järjestelystä on se etu, että se mahdollistaa viskoosin kestävyyssuhteen parantumista deformaatiota vastaan ja pintajännityksen luotettavuuden parantumista pisaran muodostumista vastaan. Näiden voimien välinen suhde on dimensiottoman luvun μν/σ funktio, jossa μ esittää materiaalin viskositeettia sen 25 reiästäpuristumishetkellä, V esittää sen nopeutta ja o esittää sen pintajännitystä. Tulon μν lisääntyessä, mikä on kylmäpu-haltimen aikaansaannosta, ja joka vaikuttaa viskositeettin ja siten myöskin sen nopeuteen puhalletun kylmän suihkun nopeuden ansiosta, on pisaroiden muodostumisen suuntaus vähentynyt ja 30 sen seurauksena oleva helmien muodostuminen on vähentynyt.

Jotta kehruulaitteen tasapainoarvo saadaan pysymään sopivassa arvossa kiteytymisen välttämiseksi, sitä on kuumennettava, vaikka sula mineraalimateriaali jo sisältääkin huomattavan 25 lämmönlähteen. Tätä tarkoitusta varten yhdistelmässä käytetään edullisesti erilaisia kuumennuslaitteita.

8 104321

Kehruulaitteen ulkopuolella on tätä varten erityisesti ren-kaanmuotoinen poltin, kuten (eräs) edellä jo mainittu, jonka sisässä palaminen tapahtuu edullisesti, ja joka tuottaa ren-kaanmuotoisen kaasuvirtauksen, jonka lämpötila on kohonnut, 5 kehruulaitteen ympärysseinän läheisyydessä. Kuuma kaasuvirtaus ei ole edullisesti suunnattu vain siten, että se kulkee kehruulaitteen ympärysseinää pitkin, vaan että se myöskin verhoaa osan yhdysvanteesta tai siitä "tulppaanista", joka yhdistää ympärysseinän sen laipan kanssa, jota käytetään yhdistämään 10 kehruulaite sen kannatinvarteen (pohjattoman kehruulaitteen tapauksessa), tai yläpuolisen vahvistusolakkeeseen (siinä tapauksessa, mikäli kehruulaitetta käytetään sen pohjaseinän kautta), ja siten, että myöskin nämä osat kuumennetaan.

15 Tähän tarkoitukseen voidaan käyttää täydentäviä polttimia, joiden liekit on suunnattu "tulppaania" kohden. Toinen ratkaisu on järjestää ulkopuolella oleva poltin suuremmalle etäisyydelle ympärysseinän yläpinnasta, jolloin kaasuvirtaus on jotenkin laajentunut ennenkuin se saavuttaa kehruulaitteen 20 ja yltää merkittävään osaan "tulppaania". Mutta tässä olisi etäisyys pidettävä niin pienenä, että vaikuttavan virtauksen hyvä tarkkuus voidaan säilyttää. Keksinnön kolmannen vaihtoehdon mukaan voidaan käyttää renkaanmuotoista ulkopuolella olevaa poltinta, jonka sisäpuolisen kanavan seinän halkaisija 25 on pienempi kuin kehruulaitteen ulkohalkaisija. Tässä tapauksessa voidaan soveltaa esim. poltinta, jossa on pidennetyt viistot syöttöulokkeet kuumien kaasujen levenevän suihkun rajoittamiseksi. 1 2 3 4 5 6 Jälleen kehruulaitteen ulkopuolelle on edullisesti sovitettu 2 induktiokuumennin, jossa on renkaanmuotoinen magneetti sähkö 3 virran läpäisyä varten, korkealla tai edullisesti keskitaa- 4 juudella. Kuten sinänsä tunnettua, voidaan renkaanmuotoinen 5 magneetti sovittaa välittömästi kehruulaitteen alapuolelle ja 6 samankeskisesti sen suhteen. Näiden kahden kuumennuslaitteen yhdistelmä myötävaikuttaa olennaisesti kehruulaitteen lämpö-tasapainoon, ja todettakoon tässä, että näiden kuumennuslait- 9 104321 teiden tehokkus on sitä parempi mitä lähemmäksi kehruulaitetta ne on sovitettu, ja siten, että ulkopuolinen kuumennin pääasiallisesti kuumentaa kehruulaitteen lingon yläosaa, kun taas renkaanmuotoinen magneetti vuorostaan kuumentaa pää-5 asiallisesti kehruulaitteen pohjaosaa. Kuten on havaittu, on hyvin vaikeaa kuumentaa ympärysseinän yläpintaa kuumentamatta samalla kaikkia lähellä olevia metalliosia, joita erityisesti kuuma kaasuvirtaus verhoaa, jolloin selitetyllä kaksoiskuu-mennusjärjestelmällä voidaan välttää tekniset ongelmat.

10

Toinen oleellinen ero näiden kuumennuslaitteiden välillä on niiden kaasunlämpötilan tehokkuudessa kehruulaitteen läheisyydessä. Induktiokuumentimella ei tässä suhteessa ole mitään käytännön tehoa, eikä se siksi myötävaikuta ympäristön kuu-15 menemiseen, paitsi mitä kuumentumista hieman säteilemällä tapahtuu. Mutta toisaalta renkaanmuotoinen ympärillä oleva poltin kuumentaa väistämättä ympäristön merkitsevään lämpötilaan, vaikkakin toisioilma, jota kehruulaitteen pyörimisliike ja ympyränmuotoisen kaasuvirtauksen suuri nopeus imee mukaan-20 sa, vuorostaan tukahduttaa renkaanmuotoisesta ulkopuolisesta polttimesta ympäristöön tulevan kuumuuden tulon. Kuidun laadun optimoimiseksi, erityisesti mekaanisen kestävyyden kannalta ajatellen ei kuitenkaan ole edullista, mikäli kuidut puristetaan äärimmäisen kuumaan ympäristöön välittömästi kehruulait-25 teestä tapahtuvan ulosvirtauksen jälkeen. Näiden aspektien valossa on sen kaasun lämpötilaa edullisesti rajoitettu, joka tulee renkaanmuotoisesta ulkopuolisesta polttimesta ulos.

Puhaltimella on lisäksi aivan erilainen vaikutus kuidun ohen-?0 tamiseen. Ulkopuolella olevan polttimen identtisissä toimintaolosuhteissa puhaltimen kasvava paine mahdollistaa kuidun hienouden lisääntymisen. Toisaalta puhallin mahdollistaa ulkopuolella olevan polttimen puhalluspaineen alentamisen ja samalla säästää energiaa vastaavalla määrällä. Hyviä tuloksia 35 on saatu puhaltimen syöttöpaineiden ollessa välillä 0,5-4 bar ja edullisesti välillä 1-2 bar.

1G4321 10

Myöskään tällaisten parannuksen puitteissa ei ulkopuoliset kuumennuslaitteet kykene ylläpitämään kehruulaitteen lämpö-tasapainoa. Tämä puute voidan korvata lisäkuumennuslaitteilla, jotka sovitetaan kehruulaitteen sisäpuolelle. Tämä täydentävä 5 kuumuuden käyttöönotto saavutetaan edullisesti hajaannuttavan sisäpuolisen polttimen avulla, joka on sovitettu samankeski-sesti kehruulaitteen kannatinakselin suhteen, ja jonka liekit on suunnattu ympärysseinän sisäpuolelle. Polttoaineen/ilman suhde on järjestetty siten, että liekinjuuri on paikoitettu 10 sisäseinän välittömään läheisyyteen. Tietty määrä ulkonemia huolehtii siitä, että liekinsäilyttämislaitteet ovat edullisesti varustetut "tulppaanin" sisäseinälle. Hajaannuttava sisäpuolinen poltin myötävaikuttaa toiminnan aikana edullisesti 3 - 15 % välillä syötettävän lämmön suhteen, keskeytymät-15 tömässä toiminnassa - niin kauan kuin sitä ei ole johdettu pois sulasta mineraalimateriaalista. Tällä ilmiöllä on vain pieni myötävaikuttava merkitys, mutta tämä äärimmäisellä tarkkuudella toimiva kuumuuden syöttö voidaan sovittaa tarkoin haluttuun kohtaan ja se on siksi äärimmäisen tehokas.

20

Hajaannuttava sisäpuolinen poltin, jota hyödynnetään kuidu-tuksen aikana, täydentää edullisesti tekniikan tason tuntemaa keskeistä sisäpuolista poltinta, mutta se aiheuttaa äärimmäisen paljon työtä käynnistysvaiheen aikana ja se on peri-• 25 aatteessa tarkoitettu kuumentamaan kehruulaitteen pohjaseinää - tai jakelulaitetta, joka toimii pohjaseinänä, ja jota yleensä kutsutaan kupiksi, tai vielä yleisemmin kehruulaitteen keskialueeksi. Keskeinen sisäpuolinen poltin esikuumentaa kupin tai pohjaseinän ennenkuin sulan mineralin syöttö tapah-30 tuu. Keksinnön mukaan keskeinen poltin on edullisesti renkaan-muotoinen poltin, jossa on yhtenevä liekki, ja joka on sovitettu kehruulaitteen kannatinvarren ja hajaannuttavan keskeisen sisäpuolisen polttimen väliin.

35 Käynnistysvaiheen aikana tämä tarkoittaa sitä, että silloin käytetään ulkopuolisia kuumennuslaitteita. Mikäli tarpeen, voidaan täydentävinä kuumentimina hyödyntää myöskin liekki- 11 104321 peitsiä (flame lances) tai vastaavia laitteita. Hajaannuttavaa sisäpuolista poltinta käytetään tietysti kriittisen käynnistysvaiheen aikana, jolloin sulasta mineraalimateriaalista peräisin olevaa lämmöntuloa ei vielä ole saatavilla.

5

Keksinön mukaan käyttökelpoiset materiaalit ovat normaalisti luonnon basaltteja, mutta myös samanlaisia seoksia kuin ne saadaan joko lisäämällä basalttiin komposiitteja tarkoituksena vaikuttaa sen joihinkin ominaisuuksiin, tai materiaaliyhdis-10 telmillä, tehden siten mahdolliseksi palauttaa basaltin pääominaisuudet, ennenkaikkea sen lämpötilakäyttäytyminen ja erityisesti se tosiasia, että sulaminen tapahtuu yleensä yli 1 200 °C olevissa lämpötiloissa. Nämä ovat siis mineraalikom-posiitteja, kuten puhallusmasuunikuonia tai kaikkia niitä 15 komposiitteja, joita käytetään nk. kivivillan valmistamiseen. Kyseessä oleviin materiaaleihin kuuluu sellaiset komposiitit, jotka kelpuuttavat tuotteelle termin "lasimainen". Näitä jälkimmäisiä kutsutaan "kovaksi lasiksi" tarkoituksena kuvailla sitä vaikeutta, joka johtuu niiden sulamislämpötilois-20 ta.

Keksinnön muita yksityiskohtia ja piirteitä selitetään seu-raavassa viitaten oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää kaavamaisesti tekniikan tason tuntemaa linkoa * 25 (pitkittäisleikkaus la) ja toista keksinnön mukaista linkoa (pitkittäisleikkaus Ib); kuvio 2 esittää kaavamaisesti isotermeja, jotka esittävät keksinnön mukaisen puhaltimen vaikutusta; kuvio 3 esittää kaavamaisesti isotermejä, jotka esittävät 30 renkaanmuotoisen ulkopuolella olevan polttimen vaikutusta; , kuviot 4-7 esittävät kaavamaisesti isotermejä ja kuidutus- kartioita, jotka esittävät kuidun muodostumisprosessia.

Keksintöä selitetään kuvioiden la ja Ib avulla, jotka esittä-35 vät tekniikan tason mukaisia ja keksinnön mukaisia kuidutusyk-siköitä, tässä järjestyksessä.

12 104321

Kuidutusyksikkö on kehitetty laitteesta, jota aiemmin on käytetty sisälinkouksella tapahtuvaan lasivillan valmistukseen, ja jotka ovat olleet patenttijulkaisujen FR-B1-2443436 ja EP-Bl-91381 nimenomaisena selityksen kohteena. Tähän ta-5 vanomaiseen laitteeseen, joka on esitetty yksinkertaistetulla tavalla kuviossa la, kuuluu pääasiallisesti kehruulaite 1 ja ympärysseinä 2, jossa on suuri määrä syöttöreikiä. Ympärys-seinä 2 on yhdistetty laippaan 3 yhdysvanteen 4 avulla, jota kutsutaan "tulppaaniksi" sen muodon vuoksi. Kuten piirustuk-10 sessa on esitetty, ovat ympärysseinä 2, tulppaahi 4 ja laippa 3 muodostetut yhdeksi kokonaiseksi yhtenäiseksi kappaleeksi.

Laippa 3 on asennettu kannatusvarteen 5, joka tässä esitetyssä suoritusmuodossa on ontto, ja jonka onteloreiän läpi sula 15 mineraalimateriaali syötetään.

Kannatinvarsi 5 - tai myöskin laippa 3 - kantaa edelleen keskeistä jakelulaitetta 6, jota tavallisesti kutsutaan "kupiksi" tai "rummuksi". Jakelukuppi, jonka ympärysseinällä on 20 suhteellisen vähän verrattain suuren halkaisijan omaavia reikiä, toimii kehruulaitteen pohjaseinänä ja syöttää sulaa mineraalimateriaalia siten, että keskeltä syötetty sulan mineraalimateriaalin virta jakaantuu useammaksi pieneksi virraksi ja jakaantuu ympärysseinän 2 sisäkehälle.

25

Kehruulaitteen 1 ympärillä on erilaisia kuumennuslaitteita: induktiokuumentimen renkaanmuotoinen magneetti 7, joka erityisesti kuumentaa kehruulaitteen 1 pohjaosaa, ennenkaikkea tarkoituksena kompensoida ympäristön ilman jäähdyttävää kos-30 ketusta, ja jota huomattavat ilmamäärät jäähdyttävät voimak- . kaasti, joita kehruulaitteen 1 pyörimisliike ja vesijäähdyt teinen renkaanmuotoinen ulkopuolella oleva poltin 8 imevät. Ulkopuolella olevien kanavanseinien 9 ja 10 päät on sovitettu lyhyen matkan h päähän kehruulaitteesta 1, esim. luokkaa 5 mm, 35 kuten kuvion la vasemmassa yläkulmassa oleva yksinkertaistettu luonnosmalli osoittaa.

13 104321

Renkaanmuotoinen ulkopuolella oleva poltin 8 kehittää korkean lämpötilan ja suurinopeuksisen kaasuvirran, joka on olennaisesti suunnattu vertikaaliseen suuntaan, kulkien siten ympä-rysseinää 2 pitkin. Kaasuvirta hoitaa toisaalta kuumentamisen, 5 tai ylläpitää ympärysseinän 2 lämpötilaa, ja toisaalta edistää sulasta mineraalista kehrättyjen filamenttien ohentamista kuiduiksi.

Kuten piirustuksesta ilmenee, on ulkopuolella oleva poltin 8 10 edullisesti ympäröity kylmän ilman, esim. paineilman puhal-lusrenkaalla 11, jonka päätavoitteena on rajoittaa kuuman kaasuvirran säteittäistä laajenemista ja siten estää muodostuneita kuituja joutamista kosketukseen renkaanmuotoisen magneetin 7 kanssa.

15 Näitä ulkopuolella olevia kehruulaitteen 1 kuumentimia täydentää sisäpuolinen, kehruulaitteen sisäpuolella oleva renkaanmuotoinen poltin 12, joka on paikoitettu kannatinvarren 5 sisäpuolelle, ja jota hyödynnetään paremminkin kuidutusyksikön 20 käyntiinpanovaiheen aikana kupin 6 esikuumentamiseksi.

Kuten kuvio Ib esittää, kuuluu keksinnön mukaiseen kuidutus-laitteeseen samat komponentit, ja ainoastaan erot selitetään seuraavassa.

25

Merkityksellisin ero liittyy renkaanmuotoisen, ulkopuolella olevan polttimen 13 asemaan, johon kuuluu kanavanseinät 14 ja 15, joiden päät on sovitettu etäisyydelle d' kehruulaitteen 1 ympärysseinän 19 yläpuolelle, mikä on aivan erityisesti esi-30 tetty yksityiskohtaisemmin kuvion Ib oikeassa yläkulmassa.

«

Esimerkiksi luokkaa 15 - 30 mm, erityisesti luokkaa 20 - 25 mm oleva etäisyys h' sopii paljon paremmin sellaisena etäisyytenä, joka vielä sallii kaasun virtauksen korkean virtaustark-35 kuuden. Ja edelleen, sisäpuolisen kanavan 14 halkaisija on selvästi pienempi kuin ympäerysseinän 19 yläsivun halkaisija. Kaasun virtauksen emission ohjaamiseksi rajoittaa ulkopuolella 104321 14 olevan polttimen 13 poistoaukkoa kaksi viistoa pintaa 16 ja 17, jotka ovat suorassa kulmassa toistensa suhteen. Jotta voitaisiin rajoittaa niitä ongelmia, jotka syntyvät ulkopuolella olevasta polttimesta 13 tulevan kuuman kaasun levitessä 5 säteittäisesti, on ulompi viisto pinta 17 pituudeltaan vain puolet sisemmän viiston pinnan pituudesta ja se päättyy oleellisesti vertikaliseen seinään 18. Viisto pinta 16 ja seinä 18 päättyvät sellaisella korkeudella, joka on tavanomaisen ulkopuolisen polttimen emissiokanavanseinien korkeuden läheisyy-10 dessä.

Ulkopuolella olevan polttimen 13 tällaisella järjestelyllä kuumennetaan ei vain kehruulaitteen 1' ympärysseinää 19, vaan myöskin viitteellä 20 merkittyä tulppaania. Kaasunvirtauksen 15 ei kuitenkaan pitäisi nousta tulppaania 20 pitkin ja kuumentaa kehruulaitteen 1' kannatinvartta. Tämän välttämiseksi voi renkaanmuotoinen ulkonema 21 tai vastaava laite toimia tii-vistyselementtinä, kuten pyörivänä tiivistyselementtinä, sovittaa tässä esim. tulppanin puoleen korkeuteen, ja jolloin 20 se tässä asemassa määrittää tulppaanin 20 sen pituuden, jota renkaanmuotoinen kaasunvirtaus kuumentaa.

Tämän lisäksi on puhallin 24 lisätty ulkopuolella olevaan polttimeen 13. Väli d' (mitattu ulkopuolella olevan polttimen 25 ja detaljipiirustuksessa esitetyn puhaltimen keskiemissioak-selien suhteen) on hyvin pieni ja esimerkinomaisesti luokkaa 10 - 15 mm. Puhaltimen tarkoitus on esitetty yksityiskohtaisemmin kuviossa 2. Tämä kuvio esittää itse asiassa kehruu-laitteen ulkoseinää 19 yksinkertaistetussa muodossa, ulkopuo-30 lella olevaa poltinta 13 keksinnön mukaan modifioidussa muodossa ja puhallinta 24. 1 300 °C:n ja kolmen puhaltimen paineilman paineenarvojen (0,3 - 1 ja 1,6 bar) isotermit, jotka edustavat polttimen samaa dynaamista 350 mm H20:n painetta, on piirretty ympärysseinän lähelle. Puhaltimen paineen lisäys 35 aikaansaa sen, että isotermit liikkuvat lähemmäksi kehruu-laitteen seinää 19.

15 104321

Toisaalta polttimen paineen lisääminen aiheuttaa sen, että kaikki kehruulaitteen ympärysseinän isotermit siirtyvät hyvin selvästi kuvion 3 esittämiin kohtiin, joissa polttimen painetta on muunnettu 250, 350 - 450 mm H20 ja puhaltimen pai-5 neilman paineen ollessa 0,3 bar.

Kuvioista 2 ja 3 voidaan edelleen havaita se, että puhaltimen suuaukot eivät ole aivan pystyasennossa, vaan että ne ovat hieman kallistetut kehruulaitteen pohjaa kohden. Sen päätar-10 koitus on se, että renkaanmuotoisen ulkopuolella olevan polttimen vaikutus on kohdistettu ympärysseinän yläsivulle, ja jolloin seinän alasivulle kohdistuva jäähdytysteho on heikko. Mutta tätä jäähdytystehoa voidaan kuitenkin kompensoida ren-kaanmuotoisella magneetilla tapahtuvan kuumennuksen avulla.

15

Renkaanmuotoisen ulkopuolella olevan polttimen emittoimien kaasujen rajoittuneisuudesta huolimatta on puhaltimella suora vaikutus kehruulaitteen sinkoamien filamenttien venytykseen. Kuidun hienoutta voidaan ylläpitää alentamalla kuumien kaasu-20 jen puhalluspainetta ja kompensoimalla tätä alennusta lisäämällä kylmien puhallinkaasujen painetta. Mitä tulee helmipi-toisuuteen, voidaan siinä todeta huomattava alentuminen puhaltimen paineen kasvaessa.

• 25 Kuvioden la ja Ib välillä suoritettava toinen vertailu esittää yhtä tärkeämpää eroa, joka ilmenee siinä, että siihen on sovitettu toinen sisäpuolinen poltin 25, joka on sovitettu samankeskisesti keskellä olevan sisäpuolisen renkaanmuotoisen polttimen 26 suhteen, ja joka kuten tavallista kuumentaa 30 kuppia 27. Sisäpuolinen poltin 25 on renkaanmuotoinen poltin, . jossa on hajaantuvat liekit, jotka on suunnattu ympärysseinän 19 ja tulppaanin 20 sisäpintaa vasten. Liekkien järjestely tapahtuu edullisesti tulppaanin 20 sisäsivulla olevien ul-konemien 27 avulla, jotka tällöin toimivat liekkien pidätys-35 laitteina.

16 104321

Toisaalta on kupissa 27 suhteellisen paksu pohjaseinä 28, joka on muotoiltu esim. keramiikkalevystä tai kuumuutta kestävästä betonista tarkoituksella välttää sulan mineraalimateriaalin aiheuttama nopea syöpymä. Lisäksi paksu pohjaseinä toimii 5 lämmöneristimenä ja estää siten kaasuvirran tai ilmavirran aiheuttaman pohjaseinän sisäpuolisen jäähtymisen, joka johtuu kehruulaitteen pyörimisen seurauksena sen alapinnalle aiheutuvasta kaasu- tai ilmavirrasta.

10 Kokeisiin liitettiin seuraavaa seosta vastaava kuidutettava materiaali (luvut paino-%:ssa):

Si02 51,5 %

Fe203 10, 1 % 15 A1203 18 %

MnO 0,19 %

CaO 8,9 %

MgO 6,4 %

Na20 3,5 % 20 K20 0, 61 %

Ti02 0, 66 % P205 0, 12 % Tämä seos käyttäytyy seuraavan Vogel-Fulcher-Tammannin yhtälön 25 mukaan: lg μ = -2,542 + 4769,86/(T-355,71)

Laitteen ominaisuudet ja toimintaolosuhteet on koottu yhteen 30 tämän selityksen lopussa olevaan taulukkoon

Nyt on muistettava se, että rekisteröidyt arvot vastaavat tasapainotilassa mitattuja arvoja, ainakin 15 minuuttia syötön jälkeen, ja jolloin kehruulaite sekä kuppi ovat esikuumennetut 35 kaikilla käytettävissä olevilla kuumennuslaitteilla (lukuunot tamatta ensimmäistä koetta varten olevaa hajaannuttavaa sisä-: puolista poltinta).

17 104321 Näissä kokeissa käytettävät kehruulaitteet on valmistettu austeniitti tyyppisestä nikkeliperusteisesta ODS-lejeeringis-tä, jossa on 30 % kromia, jonka sulamislämpötila on 1 380 °C, jolla on 130 MPa repäisylujuus 1 150 °C:ssa, jonka ryömyvastus 5 vastaa 70 MPa tai 55 MPa 1 150 °C:ssa ja 1 250°C:ssa, tässä järjestyksessä, 1 000 h jälkeen, ja jonka venyvyys on 5 % 1 250 °C:ssa.

Taulukossa on ulkopuolella olevan polttimen 13 paineilman 10 paine annettu arvona mm H20. Polttimien virtausnopeudet (sisäpuolisen polttimen IB-asemassa (IB-standing)) ovat normimVh.

Mitä tulee tuotettujen kuitujen laatuun, vastaa tällöin arvo F/5g mikronaire-lukemaa. Micronaire on standardimenetelmä 15 kuidun hienouden määrittämiseksi. Esimerkiksi lasivillan nk. vähäeristeiset tuotteet, joilla pääkriteerinä on lämmön kestävyys (rullatavaraa, jonka tiheys on alle 40 kg/m3), perustuvat usein kuituihin, joiden micronaire-lukema on 3, kun taas raskaammat tuotteet, joille on suunniteltu huomattava me-20 kaaninen kestävyys, perustuvat kuituihin, joiden micronaire-lukema on 4.

Parhaat tulokset saatiin kehruulaitteen lämpötilan ollessa 1 260 - 1 270 °C:n läheisyydessä (tätä seosta varten on vis-25 kositetti välillä 350 - 1 000 poisia lämpötilan ollessa välillä 1 300 - 1 216 °C); tämä on niinmuodoin hyvinkin kui-tuuntumisalueen sisäpuolella.

Edelleen oli mahdollista havaita, että parhaat tulokset saa-30 vutettiin tasapainottamalla lämmönsyötön eri lähteet, erityisesti toimittaessa sisäpuolisen polttimen kohdalla suhteellisen korkeilla kaasunvirtausnopeuksilla (mutta kuitenkin korkeintaan kymmenennellä osalla ulkopuolella olevan polttimen virtausnopeudesta) ja syötettäessä vastaava energiamäärä 35 renkaanmuotoiselle magneetille ja mieluummin puhaltimen korkealla paineella.

18 104321

Jotta helmien muodostumisilmiötä voitaisiin paremmin ymmärtää, toteutettiin tässä toisistaan riippumatta erilaisia lasin lämpötilan ja puhaltimen paineilman paineiden muunnoksia, ja tähän on piirretty erimuotoisia kaasuvirtojen isotermejä ja 5 kuidun muodostumiskartioita tyypillisinä reikärivijoukkoina.

Jäljempänä olevassa taulukossa on esitetty kokeiden olosuhteet ja saavutettujen kuitujen ominaisuudet.

10 Kuviot 4-7 esittävät kuidutuskartioiden ääriviivoja ja isotermien 800 - 1 000 - 1 300 - 1 400 - 1 500 ja 1 550 °C sijainteja puhaltimen paineilman paineen ollessa 0,3 bar (kuviot 4 ja 5) ja 1,6 bar (kuviot 6 ja 7), ja kaksi "sulan" virran lämpötilaa, yhden muodon, joka vastaa "kylmää sulaa" 15 (kuviot 5 ja 7) ja toisen muodon "kuumalle sulalle" (kuviot 4 ja 6) .

Tutkittaessa näiden eri muotojen kuituuntumattornien partikkelien pitoisuutta, voidaan todeta, että joka kerta kun joukko 20 ylempien rivien kartioita on täydellisesti verhoutunut kaasu-virtaan, jonka lämpötilat ylittävät 100 poisia (1 400 °C) vastaavan isotermisen viivan, on muodostunut huomattava määrä helmiä.

25 Piirustukset, erityisesti kuviot 2-7 ovat ilmeisiä huomioon ottaen niissä esitetyt rakenteelliset ja toiminnalliset yksityiskohdat. Siksi viitataan erityisesti piirustuksiin, koskien polttimen 13 ja puhaltimen 24 järjestelyjen yksityiskohtien lisäinformaatiota ja kartioiden ulkomuotoa ja ympäröivän 30 kaasun lämpötilanjakaumaa. Kuviot 2-7 esittävät kehruulait-teen 1' ympärysseinän 19 asemaa kehruulaitteen "kuumassa" tilassa, sen asemaa eritavoin ympäröivässä lämpötilassa, kuten kuvioissa 2-7 olevilla heikoilla viivoituksilla esitetään.

35 Tämän keksinnön periaatteiden hyödyntäminen on erityisen edullista silloin, kun rinnakkaisen patenttihakemuksen kohteena olevaan aiheeseen "Menetelmä mineraalivillan valmistamista 19 104321 varten ja sen mukaan valmistettu mineraalivilla" (Method for Producing Mineral Wool, and Mineral Wool Thereby Produced) liittyen, jonka sama hakijayhtiö tai toimitsija, kumpikin erikseen, on jättänyt samana päivänä, sen koko sisältö yhdis-5 tetään tähän referenssejä hyväksi käyttämällä.

104321

TAULUKKO

KOE 1 KOE 2 KOE 3 KOE 4

Vetonopeus (kg/h) 270 250 270 250 5 Sulavirtaus (°C) 1,510 1,480 i,5io i,480

Kehruulaita:

Halkaisija (mm) 200 200 200 200

Lejeerinki ODS auateniittinan auetaniittinen farrii.tti.nan auataniittinan

Reikien määrä 9,000 9,ooo 9,000 9,000 10 Pyörimisnopeus (rpm) 2,820 3,500 2,820 3,500

Reiän halkaisija(mm) 0.3 0.3 0.3 0.3

Kuppi:

Halkaisija (mm) 70 70 70 70

Reikien määrä 2 x 50 2 x 50 2 x 50 2 x 50

Ulkopuolella oleva poltin:

Kanavan seinien väli 6.5 6.5 6.5 6.5 (mm)

Paine (mm H20) 345 350 355 355 Lämpötila (°C) 1,550 1,550 1,550 1,550 1 2 3 4 5 6

Puhallin: 2

Kanavan seinien väli o.8 0.8 0.8 0.8 3 (mm) 4

Paine (bar) 0.3 0.3 1.6 1.6 5 Lämpötila (°C) 25 25 25 25 6

Induktiokuumannin:

Voima (kW) 37.5 37.5 39 39.8

Hajaantuva IB (Nm7/h) 3 3 3 3.05

Kuvio 4567 F/5g 3.5 3.2 2.9 2.8 3C Helmet >40μπι: %(paino-%) 24.5 8.8 10.5 7

Helmet >100μπι: %(paino-%) 7.25 3.4 3.5 2 7

Claims (6)

1. Menetelmä mineraalivillan valmistamiseksi materiaalista, joka on hyvin juoksevaa kohotetussa, erityisesti yli 1 200 °C 5 olevassa likviduslämpötilassa, ja jonka viskositeetti on alle 5 000 poisia likviduslämpötilassa, jossa menetelmässä sula mineraalimateriaali syötetään kehruulaitteeseen, jonka ympä-rysseinässä on suuri määrä pienen halkaisijan omaavia reikiä, joiden läpi mainittu sula mineraalimateriaali lingotaan fila-10 menttien muodostamiseksi, jotka saatetaan kehruulaitetta pitkin virtaavan kaasuvirran muodostaman täydentävän venytyksen alaiseksi, jolloin mainitun kehruulaitteen ympärys-seinää kuumennetaan, jonka kuumennuskaasuvirran samankeskinen renkaanmuotoinen ulkopuolella oleva, samankeskisesti mainitun 15 kehruulaitteen suhteen sovitettu poltin kehittää, tun nettu siitä, että kehruulaitteen ympärille kehittyneet kartionpituudet ja siihen kehittyneiden kaasuvirtojen muodot ovat sellaiset, että suurin osa filamentin muodostavista kartioista, jotka virtaavat ulos kehruulaitteen rekistä, 20 leikkaavat 100 poisin viskositeettia vastaavan isotermin, tai muutoin ulottuvat sellaiselle alueelle, joka on jäähdytetty yli 100 poisin viskositeettia vastaavaan lämpötilaan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu 25 siitä, että kehruulaitteen ympärille kehittyneiden kaasuvir- tojen muodot ovat sellaiset, että suurin osa filamentin muodostavista kartioista, jotka virtaavat ulos kehruulaitteen rei'istä, leikkaavat 250 - 300 poisin viskositeettia vastaavan isotermin, tai muutoin ulottuvat sellaiselle alueelle, joka on 30 jäähdytetty yli 250 - 300 poisin viskositeettia vastaavaan lämpötilaan. 1 • · Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kartioiden pituudet säädetään muunta- 35 maila reikien halkaisijaa ja/tai muuntamalla kehruulaitteen pyörimisnopeutta sulan mineraalimaterialin syöttämistä varten. 22 104321

4. Jonkin edellä mainitun patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kehruulaitteen reikien sisäpuolella olevan sulan mineraalimateriaalin viskositeetti ylittää 100 poisia ja edullisesti 350 poisia. 5

5. Jonkin edellä mainitun patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että renkaanmuotoista ulkopuolella olevaa poltinta täydentää puhallin, joka emittoi ilmavirran, jonka lämpötila on alle 250 °C. 10

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että puhaltimen teho säädetään sen paineilman paineen avulla, joka valitaan alueelta välillä 0,5-4 bar ja edullisesti väliltä 1-2 bar. 15

7. Mineraalivillamatto, joka on aikaansaatavissa jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukaisen menetelmän avulla, tunnettu siitä, että yli 100 um kokoisten helmien määrä mineraalivilla-20 matossa on alle 10 painoprosenttia, ja - mineraalivillamaton mineraalimateriaalin viskositeetti on sen likviduslämpötilassa alle 500 Pas (5.000 poisea). 104321