JP2004508255A - 溶融材料を発泡するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

この発明は、溶融材料（１）を発泡するための方法および装置に関し、溶融材料が溶融膜（６）とされ、発泡剤（３）がこの溶融膜に混合され、この溶融膜は噴霧装置（１３）によって噴霧され、混合物（４）として、混合物が含泡材料へと発泡される発泡表面（１５）上に堆積される。

Description

【０００１】
この発明は、特許請求の範囲の定義に従う溶融材料を発泡するための方法および装置に関する。
【０００２】
ガラス形成材料からガラス発泡体を生成するためのさまざまな方法が公知である。たとえば貫通型炉において溶融温度に加熱することにより粉末状の母材が発泡ガスを放出する方法と、混合された発泡剤によるその冷却最中の溶融体がガスを放出しそれらが溶融体を発泡する方法とに分けられる。
【０００３】
ガラス溶融炉における最初のよく用いられている方法は、まず特殊ガラス混合物を製造する。冷却および凝固後のガラス混合物は、細かく粉砕され、発泡剤が混合され金型に充填され、第２の熱ステップにおいてガラスの溶融温度の範囲の温度に加熱され、ここでガラスは発泡剤の分解により発泡し始める。冷却後、絶縁の目的のために建設業において適用され得る製品ができる。この方法の不利益は、どちらの熱製造ステップからも生じる高額な製造コストにある。
【０００４】
製鉄業から公知の別の方法は、溶融体から製鉄スラグを直接発泡することに基づく。たとえば発泡剤としての水とともに同時に流体スラグが溝に導かれ、水は高いスラグ温度により蒸発し、スラグを凝固する途中でこのスラグを発泡させる。これにより、絶縁目的のために建設業において、または土木地下工事において砂利の代わりにも適用され得る、閉鎖気孔の軽石状の製品、いわゆる発泡スラグができる。この方法では、建築業および土木地下工事において今日使用され得る均一な気孔構成を備える真に高品質の製品を生成できないという不利益がある。したがって、２次反応において硫黄は水と混合しＨ_２Ｓとなるが、これは発泡スラグの製造および利用を大きく制限する。
【０００５】
大きな技術規模では価値が証明されていないさらなる方法では、ガスは溶融材料中に溶ける。この溶けたガスは材料が後に凝固すると、たとえば圧力低減により指定された態様で再び放出される。この方法の不利益は、ガスの溶解性が溶融体の成分に大きく依存し、溶融体の成分のこの変動が製品の品質に大きく影響し、かつ高温圧力下での溶融製品の扱いが非常に困難で複雑で危険であることにある。
【０００６】
さらに別の方法では、粉末状の発泡剤を溶融体に分散し、発泡剤から生じる発泡ガスを冷却相を超えて凝固された製品に保持しようとする。同時に、溶融体は発泡剤中で攪拌するために液体でなければならず、これは非常に高い溶融温度を必要とする。解決されるべき主な問題は、溶融体と接触直後の実際にはまさに高温下の発泡剤がガスを形成し始め、その後に、形成されている泡と発泡剤を混合することが非常に困難となることである。すなわち満足のいく気孔均質性を同時に低密度で達成するためには混合手順が非常に速く行なわれ、ガス形成の前に既に完結されなければならない。そのような遅延された発泡は、これまで公知の発泡剤で達成することができなかった。最後に、１２００℃を超える溶融体への粉末状発泡剤の攪拌は、依然として解決されるべき技術的課題となっている。
【０００７】
特許書類ＤＥ　２２　０６　４４８は、この発明が次に最も近い最新技術としてみなされるべき方法を記載する。この方法では、溶融体が噴霧され、発泡剤が溶融体のこうしてできた飛沫ミストに混合される。噴霧のために、たとえば空気または水蒸気などの気体噴霧剤が圧力下でセットされる。噴霧された溶融体は水平ベルト上にスプレーされ、ベルト上でそれは発泡剤と接触することにより発泡される。
【０００８】
これは不利益を伴う。ある不利益は、強度上の理由によりコンベアベルトを冷却しなければならないことから生じる。これにより、生成された泡の下側も冷却され、泡の下側ではガス気泡があまり形成されず、このことは製品の不規則な気孔分布をもたらす。さらなる不利益は、ガス気泡がその密度がより低くなるために溶融体中を上方に上昇しやすくなることにあり、これにより一方では、泡層上部において気泡の数が増え、より小さい気泡がより大きいものと接続し、これにより他方では気泡の不均質性を招く。さらなる不利益は、溶融体の飛沫ミストと発泡剤雲との均質な混合が、化学量論よりも薄い発泡剤の計測量でのみ可能であることにある。配分された発泡剤の一部は実際には制御されない態様で発泡装置に沈殿し、熱風がここに与えられる限りこれを発泡させるであろうが、これにより気孔均質性はさらに悪化する。
【０００９】
ここで、後述する方法を実証する。これまで適用された技術と異なるプロセス管理により、溶融体の融解からの発泡の不利益が軽減される。良質の泡を生成する安価な方法をこれから得る。
【００１０】
この発明の目的は、泡が溶融体から直接発泡され得る方法を発展させることであり、生成物は良好な気孔均質性を有しわずかな費用で生成され得る。この方法は、複数個の熱方法ステップや、生成物の不均一な気孔構造や、この方法によって生じる生成物の品質の変動や、高温圧力下での溶融生成物の扱いや、高温の粉末状発泡剤の攪拌などの前述の不利益を回避する装置で行なうことができるはずである。この方法は、共通の作業技術で行なうことができ、公知の装置に一体化できるはずである。
【００１１】
以下に示す図により、この発明の例示の方法の変形を詳細に論じる。
高温の溶融材料を噴霧するために、基本的に２つの解決策、すなわち具体的には遠心力を利用して噴霧装置を用いて噴霧すること、または、たとえば加圧された空気、蒸気または流体などの噴霧剤とともに、したがってたとえば２成分のノズルを用いて噴霧することが考えられる。この発明は、これらの２つの解決のうち第１のもの、すなわち遠心力を利用しながらの溶融材料の噴霧に基づく。
【００１２】
図１に従えば、溶融材料１は貯蔵容器１０から計量しながら供給される。貯蔵容器はたとえば、溶融材料が流出するための開口１２を備える溶融ユニットまたは裏打ちした材料容器である。有利には、スラグ、たとえば製鋼スラグ、高炉スラグまたは焼却装置からのスラグが使用される。もちろん、ガラスなどの他の溶融または高融点材料がこの発明の枠内で使用されてもよい。有利には、溶融材料は、炭素によって還元され得る酸化物を含み、ＣＯ_２またはＣＯなどのガスを放出する。
【００１３】
図１〜図３に従うこの発明の方法の変形において、第１のステップにおける供給容器から流出する材料の噴出は大きな表面を有する溶融体に加工される。溶融材料は、噴霧装置１３上にできるだけ連続して流れる。噴霧装置はいかなるものであってもよい。たとえば噴霧装置はディスク、ローラなどの形状を有する。図１に従えば、噴霧装置はたとえば１ｍ径の水平に回転するディスクである。流出する材料噴射は、問題なくそのような寸法のディスク上に導かれ得る。ディスクに行き渡る高い遠心力のために、ディスク上に置かれる溶融材料は、大きな外表面を有し、たとえば０．５〜１ｍｍの厚さの薄い溶融膜６に加工される。噴霧装置を加熱または冷却して、噴霧装置の温度の変動により溶融膜の粘性を設定してもよい。
【００１４】
この溶融膜の温度を材料溶融範囲内に設定し制御することは、たとえば熱風などの補助剤によりたとえば熱の供給により行なわれる。有利には、急速すぎる冷却を回避するために、装置全体を保温してもよい。噴霧装置も別個に、溶融膜の直接上をたとえばバーナにより加熱してもよい。たとえば溶融材料が高すぎる温度を有するために冷却が必要とされるならば、これは水または空気などの補助剤により非常に簡単に行なわれ得る。これは、溶融材料への混合および／または噴霧装置の別個の冷却、たとえば噴霧装置の裏側を冷却することにより行なわれる。これらの温度制御はすべて簡単に行なわれ得、さまざまな適用される材料の異なった大きな材料溶融範囲に適応し得る。基本的には、適用される材料の材料溶融範囲が大きくなればなるほど、この発明に従う方法の実行が簡単になる。
【００１５】
発泡剤３は噴霧装置に計量しながら供給される。たとえば粉末状の粒子の細かい発泡剤が計量手段２４により図１に従うディスク上に計量しながら供給され、広く行き渡っている遠心力のために溶融膜に混合される。発泡剤として、励起されるとガスを発生するようなすべての材料を使用してもよい。ガスを発生するためのそのような励起は、さまざまな方法および態様で行なわれ得る。たとえば、発泡剤を溶融材料と直接接触させて加熱することにより行なったり、発泡剤（たとえばＣａＣＯ_３）の熱分解または溶融材料との化学反応（たとえば（Ｃ＋Ｆｅ_２Ｏ_３→２ＦｅＯ＋ＣＯ_（ｇ））の反応に従う）により行なったりする。１２００℃を超える溶融温度の製鋼スラグのための発泡剤として、通常の粉砕された石灰石が考えられるが、これは約８５０度でＣａＯおよび気体ＣＯ_２に分解する。有利には、濃度の低い発泡剤が溶融膜に計量しながら供給される。溶融膜へのそのような計量供給は、たとえば約１％の濃度（溶融材料１ｋｇ当り１〜１０ｇの発泡剤）で行なわれる。有利には、発泡剤は炭素を含むので、０．２〜２ｇの炭素が１ｋｇの溶融材料に計量しながら供給される。
【００１６】
発泡剤は溶融膜の表面に均一に組込まれ得るので、２つの媒材の完全な混合が達成され得る。発泡剤を溶融体飛沫ミストに混合する場合のように、発泡剤が過剰に局所的に計量供給されより大きな気泡を局所的に形成することがない。この発明の方法の変形に従えば、簡単な態様で、溶融材料中の、非常に均質な発泡剤分散を達成し得る。
【００１７】
遠心力の作用下になおある、溶融材料および計量供給され／混合された発泡剤のこの薄膜には遠心力が作用し同時に細かい飛沫に分解する。発泡剤の混合は、噴霧装置からの溶融膜の分離の後に初めて行なわれてもよいが、生成された膜が薄層のままでありまだ個々の飛沫に分解していないという条件で行なわれ得る。さもなくば、溶融体飛沫ミストでの噴霧と同様の問題が生じ、発泡剤の一部がミストに浸透すると同時に溶融体飛沫と接触し、ミスト中で熱接触で反応し凝結するはずである。大きな表面を有する溶融膜上への発泡剤の混合の態様は非常に効果的であり、わずかな発泡剤しか失われず、発泡剤をかなり節約する。この発明の知識により、当業者にはいくつかの幅広い変形の可能性が提示される。たとえば、発泡剤を噴霧装置上に別個に堆積することが可能である。図１に従う噴霧装置を用いるとき、溶融体にかかる遠心力が溶融体および発泡剤を細かく拡散させそれをディスクの端を超えて外方に遠心分離する。
【００１８】
溶融体および混合された発泡剤の細かい飛沫は、発泡表面１４上に集められ溶融材料および発泡剤の混合物４に加工される。溶融体と発泡剤とのさらなる追加の完全な混合が行なわれる。この混合物は、たとえば発泡表面上を重力の効果により下方に流れる。発泡表面は、いかなる弓形または平面の表面でもある。たとえば、発泡表面は管の内壁である。図１に従う実施例の形では、発泡表面は耐熱中空シリンダの垂直に立った内壁である。この中空シリンダは一種の反応チャンバを形成する。それは、漏斗のように上方または下方に広げられてもよい。それは断熱されてもよく、または加熱／冷却されて管の壁上での溶融材料および発泡剤の混合物の流速を増大または低減してもよい。この方法および態様ではまた、不均質な気孔形成とともに外部への熱損失が防がれる。このために、この発明の知識によれば、当業者には多くの変形の可能性が開かれている。たとえば、重力以外の力により密な混合物の除去も可能である。可能性のある力は遠心力である、すなわち発泡表面は水平または斜めに向けられた回転ディスクとして設計されてもよい。
【００１９】
発泡表面上への溶融体および発泡剤の媒材の接触後、ガス形成および含泡材料５への反応が起こる。そのような発泡のためには、溶融膜に混合される発泡剤の噴霧装置上での一時滞留では短すぎる。発泡は発泡表面上で初めて行われる。生じた気泡は、溶融材料とともに重力に従って下方に流れるか、または該当する場合には浮力の結果として、含泡材料の流れの方向と逆方向に上方に移動する。新しい混合物は一定して上方に流れ続けるので、発泡処理のために形成される気泡が生じた含泡材料を離れないことがある。反応チャンバの内側での反応を終えた後、均質な含泡材料がたとえばその重量のために中空シリンダを離れる。
【００２０】
泡の位置と比べて気泡の動きを観察すると、発泡表面としての管または垂直壁を使用することの利益は明らかである：もし水平表面上にスプレーすれば、冷却の結果としてのスキン層（ｏｕｔｅｒ ｓｋｉｎ）がまだそれほど硬くない場合には、化学反応のために生じた泡中の気泡が上昇しこれを離れる。これらの気泡は、発泡プロセスには有効でなくしたがって泡密度の増大に寄与する。対照的にスキン層が冷却されてしまったために気泡がもはやこれを浸透しないことがあれば、それらはスキン層の下に集まって気孔の大きい機械的に不安定な領域をもたらして泡の質を悪化させるかまたはかなりの不良率を招く。対照的に垂直壁にスプレーする場合には、作用力のために生じる気泡は、（水平表面上にスプレーした場合のように）泡のスキン層に変位されず実際には泡自体の中で上昇しこれを離れないであろう。これにより、泡密度は低減し泡は均質な気孔構造をあらゆる所で有する。さらに、すべての気泡は泡形成において生じるので、発泡剤の平均量が低減される。この壁がさらに背後から加熱される場合には、泡温度は、冷却された状態からまず粉砕し発泡する方法と同様に正確に制御され最適化され得る。対照的にそれが冷却される場合には、低い壁温度によって消滅し、目標とされるように直径を異ならせることができ、ある厚さに達すると、重力により下方に落下する、１〜１０ｃｍの径のドーナツ型のストランドが生じる。
【００２１】
図２は、図１に従う装置の噴霧装置の実施例の形の一部である。粘性の高い溶融体では、たとえば融点付近の温度を有する溶融体では、溶融体の内力は非常に大きいのでそれらは膜を形成することなしに大きな飛沫で遠心力により外方に遠心分離される。（そのような飛沫形成を防ぐために）溶融膜の形成の促進は、ディスクの表面または噴霧装置上に少なくとも１つの同心円状の１段高い段８を組込むことにより行なわれる。溶融材料はたとえば図２および図３の外側位置ＩＩに計量供給される。溶融体は少なくとも１段を乗越えなければならないので、段の垂直壁においてそれは逃げる可能性なしに大きな表面を有する薄膜に遠心力により加工され得る。
【００２２】
ガラスまたはスラグを発泡するために、発泡剤として炭化ケイ素（ＳｉＣ）を使用してもよい。これは溶融体の酸化物と反応すると同時に気体ＣＯまたはＣＯ_２を形成する。
【００２３】
可能な反応は同時にＦｅ_２Ｏ_３と生じ得る：
ＳｉＣ＋３Ｆｅ_２Ｏ_３→ＳｉＯ_２＋６ＦｅＯ＋ＣＯ_（ｇ）
ある種の状況下では、溶融体は十分な量の発泡剤のための反応の相手（ここではＦｅ_２Ｏ_３）を受取らない。たとえば、高炉スラグは実際にはＦｅ_２Ｏ_３を含まない。したがって上記反応が生じるべきものであるならば、これがさらに溶融体に混合されなければならない。
【００２４】
噴霧装置として回転ディスクを用いるとき、ディスクは発泡剤を混合するためだけでなく少なくとも１つのさらなる反応剤を混合するためのミキサとしても適用され得る。たとえばこれは内側から外側であって、まず溶融された材料がディスク上に（図２および図３の位置Ｉ）に計量しながら供給され、たとえばＦｅ_２Ｏ_３などの粉末状の反応剤が、生成された溶融膜の上に（図２および図３の位置ＩＩ）に堆積され、その上に発泡剤が溶融体／Ｆｅ_２Ｏ_３混合物（図２および図３の位置ＩＩＩ）に計量しながら供給される。たとえばさらなる反応剤がディスクのある段において溶融体に混合される。たとえば発泡されるべき混合物が２〜２０％のＦｅ_２Ｏ_３を含むほどの多さのさらなる反応剤が供給される。ディスクの内側から外側に、計量供給位置は以下のように配置される：溶融体、Ｆｅ_２Ｏ_３、発泡剤。
【００２５】
図３は、図１に従う装置の噴霧装置の第２の実施の形の一部である。溶融体の膜の形成を促進するために、かつ、回転ディスクの同心円状の段上でのディスク上の溶融体の一時滞留時間を増大させるために、回転の中心に向かって少なくとも１つの同心円状の溝９が開いている。この溝は、溶融体で充填され、ディスク上の溶融体の一時滞留時間が増大する。導入部２０上の溶融体の、溝の方への径方向の動きにより、強い混合効果を有する、溝内の乱流が形成され、それによりＦｅ_２Ｏ_３は理想的に溶融体と混ざり溶融される。そのような手段により、溶融体およびＦｅ_２Ｏ_３を混合するための前もったさらなる混合ユニットを節約することができる。
【００２６】
含泡材料は冷えて凝固したとえば収集容器に集められる。このために、連続走行ベルトが使用されてもよく、必要であればこれは冷却されるか、または耐熱の態様で被覆されるか、もしくは一定して堆積されるべき砂などの保護材料で覆われる。そのようなコンベアベルトは、発泡した溶融体が連続的に輸送されていくことを可能にする。このさらなる処理のための多くの可能性が当業者には利用可能である。したがって、より大きなまたはより小さな寸法の不規則な形状の材料塊を製造することが可能である。しかしながら同様に、均一な金型に含泡材料を保持し、たとえば含泡材料板を加工することも可能である。含泡材料は次に断熱レンガにさらに加工されてもよい。
【００２７】
含泡材料の気孔の構成、その発泡の程度は、発泡剤に対する材料粒子の率を設定するだけで設定され得る。溶融材料の種類、加えられる発泡剤の種類、装置への供給量の大きさ（たとえば２〜１０トン／ｈ）ならびに普及温度および温度勾配は、均質な気孔構成を有する含泡材料の制御された製造のためのさらなるパラメータである。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶融材料を噴霧し発泡剤と混合し混合物を発泡するための装置の例示の方法の変形を示す概略図である。
【図２】図１に従う装置の第１の実施の形の部分図である。
【図３】図１に従う装置のさらなる実施の形の部分図である。

Claims (18)

1. 溶融材料が噴霧装置（１３）上で溶融膜とされ、発泡剤（３）がこの溶融膜に混合され、この溶融膜（６）が噴霧装置によって噴霧され、混合物（４）として、混合物が、含泡材料（５）に発泡する発泡表面（１５）上に、堆積されることを特徴とする、溶融材料（１）を発泡するための方法。
2. 発泡剤は、大きな表面を有する溶融膜に計量供給される態様で混合されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 加熱によりガスを放出する発泡剤が使用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 炭素を含む発泡剤（たとえばＳｉＣ）が使用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 溶融材料１ｋｇ当り０．２〜２ｇの炭素を含む発泡剤を使用することを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 溶融材料は酸化物を含み、前記酸化物は発泡剤の炭素によって還元され、気体ＣＯ_２またはＣＯを放出することを特徴とする、請求項４に記載の方法。
7. 発泡剤とは別に、少なくとも１つのさらなる反応剤が溶融膜に計量しながら供給されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
8. さらなる反応剤としてＦｅ_２Ｏ_３が使用されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 噴霧装置は加熱または冷却され、溶融膜の粘性は、噴霧装置の温度の変動により設定されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
10. 噴霧装置は補助剤により加熱または冷却されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 中空シリンダの垂直に立った内壁が発泡表面として使用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
12. 発泡表面は加熱または冷却され、混合物のまたは含泡材料の流速は中空シリンダの温度の変動により設定されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. スラグ、ガラス、高炉スラグまたは廃棄物焼却スラグが溶融材料として使用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
14. 溶融膜（６）への溶融材料の連続処理のための噴霧装置（１３）と、発泡剤（３）をこの溶融膜に計量しながら供給するための計量供給手段（２４）と、発泡剤と混合された溶融膜を噴霧するための噴霧装置と、混合物を収容し含泡材料（５）に発泡するための発泡表面（１５）とを備える、溶融材料（１）を発泡するための装置。
15. 噴霧装置は、ディスク上の遠心力のために溶融材料を溶融膜に加工し噴霧する水平回転ディスクであることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
16. ディスクは、少なくとも１つの同心円状の段（８）または回転中心の方へ開いている少なくとも１つの同心円状の溝（９）を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の装置。
17. 発泡表面は、混合物または含泡材料が重力により流れ去る、垂直に立った中空シリンダであることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
18. 中空シリンダは漏斗のように上部または下部に向かって広げられることを特徴とする、請求項１７に記載の装置。