NO324624B1

NO324624B1 - Process for making foam glass using an extrusion apparatus

Info

Publication number: NO324624B1
Application number: NO20012615A
Authority: NO
Inventors: Odd Bjornestad
Original assignee: Odd Bjornestad
Priority date: 2001-05-28
Filing date: 2001-05-28
Publication date: 2007-11-26
Also published as: NO20012615D0; NO20012615L

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte til fremstilling av skumglass ved bruk av en ekstruderingsapparatur. The invention relates to a method for the production of foam glass using an extrusion apparatus.

Fremstilling av skumglass ved en ekstrusjonsprosess vil gi fordeler i form av mindre maskinelt behov, mer kompakt produksjonsutstyr og færre arbeidsoperasjoner i forhold til dagens teknologi. Skumglass er i denne sammenheng glass som er ekspandert med gassfylte celler som hver for seg er tette hulrom. Skumglasset skal fortrinnsvis ha små celler av jevn størrelse og spesifikk egenvekt under 0,5 og optimalt for isolasjonsformål spesifikk egenvekt på mellom 0,08 og 0,2. Et slikt skumglass har mange anvendelser fordi det ikke opptar fuktighet, det har en meget god termisk isolasjonsevne, det er trykkfast og det er ikke brannfarlig. Disse egenskapene gir et stort anvendelsesområde som isolasjonsmateriale på oljebore-plattformer, skip, petrokjemisk industri, kabelgjennomføringer, brannskiller i bygninger, tunnelisolasjon og all annen isolasjon der krav til brannsikkerhet, trykkfasthet og lav eller ingen fuktopptak er viktig. Production of foam glass by an extrusion process will provide advantages in the form of less mechanical needs, more compact production equipment and fewer work operations compared to current technology. In this context, foam glass is glass that has been expanded with gas-filled cells that are individually sealed cavities. The foam glass should preferably have small cells of uniform size and specific specific gravity below 0.5 and optimally for insulation purposes specific specific gravity of between 0.08 and 0.2. Such foam glass has many applications because it does not absorb moisture, it has very good thermal insulation properties, it is pressure-resistant and it is not a fire hazard. These properties provide a large area of application as insulation material on oil drilling platforms, ships, the petrochemical industry, cable penetrations, fire barriers in buildings, tunnel insulation and all other insulation where requirements for fire safety, pressure resistance and low or no moisture absorption are important.

Et vesentlig potensiale for energibesparelse er tilstede når fremstillingen foregår ved ekstrusjon. Den lange utviklingstiden, som beskrevet i U.S. pat. 2,322,581, og det store arbeid som har vært lagt ned i ekstrusjonsteknologien for fremstilling av skumglass, viser imidlertid en rekke problemer. Arbeid som har vært gjort av oss bekrefter vanskelighetene, og det vises i denne forbindelse til norske patentsøknader 1997 4760 og 1999 4759. A significant potential for energy savings is present when production takes place by extrusion. The long development time, as described in the U.S. pat. 2,322,581, and the great work that has gone into the extrusion technology for the production of foam glass, however, shows a number of problems. Work that has been done by us confirms the difficulties, and reference is made in this connection to Norwegian patent applications 1997 4760 and 1999 4759.

Problemet med ekstremt stor friksjon av glasspulveret mot ekstrudervegg og den indre friksjon i glasspulver under trykk har vært hindrende for teknologien. Problemet med den høye friksjon i innfyllingsområdet ble delvis løst ved å gjøre innfyllingsrøret konet. Den store indre friksjon i glasspulveret ga imidlertid dårlig blanding i ekstruderrøret. Varmen som ble tilført gjennom ekstruderens yttervegg ble bare langsomt tilført den indre masse. Noen form for omrøring er vanskelig å utføre før en vesentlig del av pulveret er smeltet. Dette fører da til dårlig produksjonskapasitet i forhold til ekstruderrørets dimensjon. The problem of extremely high friction of the glass powder against the extruder wall and the internal friction in the glass powder under pressure has been a hindrance to the technology. The problem of the high friction in the filling area was partially solved by making the filling pipe tapered. However, the large internal friction in the glass powder produced poor mixing in the extruder tube. The heat supplied through the outer wall of the extruder was only slowly supplied to the inner mass. Any form of stirring is difficult to carry out before a significant part of the powder has melted. This then leads to poor production capacity in relation to the dimensions of the extruder tube.

En viss forbedring kan oppnås ved å sette inn statiske blandeelementer (static mixers) som da vil gi omrøring i det området som har smeltet masse. Dette er det tatt hensyn til i våre tidligere patentsøknader anført ovenfor. De høytemperatur-bestandige materialer med høyt nikkelinnhold (Inconel-lignende) har i tillegg dårlig varmeledningsevne. A certain improvement can be achieved by inserting static mixing elements (static mixers) which will then cause stirring in the area that has melted mass. This has been taken into account in our previous patent applications listed above. The high-temperature-resistant materials with a high nickel content (Inconel-like) also have poor thermal conductivity.

Oppfinnelsen som beskrives her unngår innfyllings- og varmeoverføringsproblemene. Likeledes gjør den her beskrevne oppfinnelse at kravet til finoppmaling av glasset i kulemølle blir borte. Tidligere ble glasspulveret malt opp til partikler med diameter på mellom 0,02 og 0,05 mm. Glass som anvendes i den foreliggende fremgangsmåten er avfallsglass av vanlig alkalieglass fra bl.a. innsamlet flaskeglass og vindusglass. The invention described here avoids the filling and heat transfer problems. Likewise, the invention described here eliminates the requirement for fine grinding of the glass in a ball mill. Previously, the glass powder was ground up to particles with a diameter of between 0.02 and 0.05 mm. Glass used in the present method is waste glass of normal alkali glass from, among other things collected bottle glass and window glass.

Fremgangsmåten for fremstilling av skumglass ved bruk av en ekstruderingsapparatur er kjennetegnet ved de karakteristiske trekkene i krav 1. The method for producing foam glass using an extrusion apparatus is characterized by the characteristic features in claim 1.

Foretrukne alternative utførelser av fremgangsmåten ifølge krav 1 er beskrevet i de uselvstendige kravene 2-11. Preferred alternative embodiments of the method according to claim 1 are described in the independent claims 2-11.

Grovt knust glass fra innsamlet avfallglass tilsatt en eller flere oksiderende substanser som til eksempel natriumsulfat, mangandioksid (i form av billig brunsten), boraks eller lignende, smeltes trykkløst etter vanlig kjent teknologi. De her nevnte oksiderende substanser har vist seg hensiktsmessige fordi de er billige og egnet i praksis på grunn av riktig spaltningstemperatur. Andre metalloksider kan anvendes dersom de foreligger lett tilgjengelige som industriavfall. Metalloksidene må da ikke gi vesentlig dårligere alkaliefasthet for skumglasset og heller ikke gi giftig eluat fra skumglasset. Metalloksider kan foreligge i overskudd i de oksiderende substanser, noe som vil bevirke en mer fullstendig forbrenning og derved et lysere skumglass. En tilsetning på 2 vektprosent av glasset er tilstrekkelig til å oppnå dette. Coarsely crushed glass from collected waste glass with one or more oxidising substances added such as sodium sulphate, manganese dioxide (in the form of cheap brownstone), borax or the like, is melted without pressure using commonly known technology. The oxidizing substances mentioned here have proven to be suitable because they are cheap and suitable in practice due to the correct cleavage temperature. Other metal oxides can be used if they are readily available as industrial waste. The metal oxides must then not significantly reduce the alkali resistance of the foam glass, nor must they produce a toxic eluate from the foam glass. Metal oxides can be present in excess in the oxidizing substances, which will cause a more complete combustion and thereby a lighter foam glass. An addition of 2 percent by weight of the glass is sufficient to achieve this.

Når glassblandingen smeltes ved atmosfæretrykk, så gjøres det på samme måte som under smelting for produksjon av flasker, ampuller, pressglass og vindusglass i såkalte "Wannenofen". Denne smeltede glassmassen presses under trykk inn i ekstrudersylinderen eller fortrinnsvis inn i et lite blandekammer foran selve ekstrudersylinderen. Trykket i ekstrudersylinderen må fortrinnsvis være på over 20 bar for å oppnå et skumglass som ikke synker sammen i dyseåpningen. When the glass mixture is melted at atmospheric pressure, it is done in the same way as during melting for the production of bottles, ampoules, pressed glass and window glass in so-called "Wannenofen". This molten glass mass is pressed under pressure into the extruder cylinder or preferably into a small mixing chamber in front of the extruder cylinder itself. The pressure in the extruder cylinder must preferably be above 20 bar to obtain a foam glass that does not collapse in the nozzle opening.

En øvre grense for trykket er avhengig av de grenser som materialene for apparaturen setter. Ved høyere trykk oppnås en større ekspansjon uten at skumglasset faller sammen. Dette skjer på grunn av den avkjøling som finner sted ved gassutvidelsen. An upper limit for the pressure depends on the limits set by the materials for the apparatus. At higher pressures, a greater expansion is achieved without the foam glass collapsing. This happens because of the cooling that takes place during the gas expansion.

Den smeltede glassmassen kan under høyt trykk presses inn i ekstrudersylinderen enten ved en kontinuerlig arbeidende snekke laget av et høytemperaturbestandig materiale eller så kan innføringen skje ved hjelp av et eller flere stempel. Det høytemperaturbestandige materiale kan være stål med høyt nikkelinnhold eller et keramisk materiale. The molten glass mass can be pressed under high pressure into the extruder cylinder either by a continuously working screw made of a high-temperature-resistant material or the introduction can take place with the help of one or more pistons. The high temperature resistant material can be steel with a high nickel content or a ceramic material.

Ved innmating ved hjelp av et stempel er det viktig at trykket inne i ekstrudersylinderen ikke varierer i for stor grad. Dersom trykket pulserer vil det danne seg porer i massen som ikke absorberer igjen og dette danner da grunnlag for større porer under ekspansjonen utenfor dysen. When feeding using a piston, it is important that the pressure inside the extruder cylinder does not vary too much. If the pressure pulsates, pores will form in the mass which do not absorb again and this then forms the basis for larger pores during the expansion outside the nozzle.

Erfaringer fra dannelse av gassceller i viskøse medier som til eksempel skumplast viser at pulserende trykkforandringer gir større og ujevne celler. Experience from the formation of gas cells in viscous media such as foam plastic shows that pulsating pressure changes produce larger and uneven cells.

Ved en anordning med lite volum i den varierende matedel slik det er vist i fig. I vil volumvariasjonen i matefasen være liten og en enkel matesylinderenhet vil kunne nyttes. Ved svært høye krav til fin cellestruktur vil det være fordelaktig å nytte to alternerende matesylinderenheter eller å nytte en kontinuerlig arbeidende snekke. In the case of a device with a small volume in the varying feeding part as shown in fig. In this case, the volume variation in the feed phase will be small and a simple feed cylinder unit will be able to be used. In the case of very high requirements for a fine cell structure, it will be advantageous to use two alternating feeding cylinder units or to use a continuously working screw.

For at gassdannelse skal skje ifølge den foreliggende fremgangsmåten, er det nødvendig å tilføre en sekundær glassmelte inneholdende en eller flere substanser som kan bevirke reaksjon og derved gassdannelse sammen med den omtalte oksiderende tilsetning i glassmelten. Det er en fordel at innføringen av den sekundære glassmelten inneholdende substansen som skal bevirke reaksjon innføres i blandekammeret med lite volum sammen med den omtalte glassmelten. Dette vil gi den hurtigste sammenblandingen. In order for gas formation to occur according to the present method, it is necessary to add a secondary glass melt containing one or more substances which can cause reaction and thereby gas formation together with the mentioned oxidizing addition in the glass melt. It is an advantage that the introduction of the secondary glass melt containing the substance which is to cause reaction is introduced into the mixing chamber with a small volume together with the mentioned glass melt. This will give the fastest mixing.

Den reaktive substans som skal tilføres behøver bare å foreligge i en mengde av 0,2 til 5 vektprosent av den totale masse og foreligger som tilsetning til en sekundær glassmelte. Den reaktive substans kan være grafitt, silisiumkarbid, karbon i form av sot, eller en blanding derav, og fortrinnsvis en blanding av grafitt og silisiumkarbid. The reactive substance to be added need only be present in an amount of 0.2 to 5 percent by weight of the total mass and is present as an addition to a secondary glass melt. The reactive substance can be graphite, silicon carbide, carbon in the form of soot, or a mixture thereof, and preferably a mixture of graphite and silicon carbide.

Grafitt er tungt oksiderbart og avgir derved langsomt gass i smeiten. Det samme gjelder i enda høyere grad silisiumkarbid som i luft først spaltes i silisium og karbon over ca. 1600°C. Graphite is highly oxidizable and thereby slowly emits gas in the smelting process. The same applies to an even greater extent to silicon carbide, which in air first splits into silicon and carbon over approx. 1600°C.

I den alkaliske glassmelten spaltes silisiumkarbid langsomt over ca. 800X. En blanding med grafitt er også viktig for å få en lav friksjonskoeffisient. Den sekundære masse kan ytterligere beskyttes mot oksidasjon ved at luften over massen erstattes helt eller delvis av inert gass som for eksempel nitrogen, eller at den eventuelt er tilsatt karbondioksid, over massen ved innføring i doseringsstempel eller mate-snekke. Også her vil en kontinuerlig innføring av karbonholdig glassmelte ved hjelp av en høytemperaturbestandig snekke være fordelaktig. Forsøk med glasspulver med tilsetning av SiC og Mn02 i lukkede rør i laboratorieovn indikerer at høyt trykk gir senere spalting og at dette skjer ved en høyere temperatur av SiC. Dette gir en ønsket langsommere avspaltning av drivgassen C02. In the alkaline glass melt, silicon carbide slowly decomposes over approx. 800X. A mixture with graphite is also important to obtain a low coefficient of friction. The secondary mass can be further protected against oxidation by replacing the air above the mass in whole or in part with inert gas such as nitrogen, or by optionally adding carbon dioxide above the mass when introduced into a dosing piston or feed screw. Here, too, a continuous introduction of carbonaceous glass melt using a high-temperature-resistant screw would be advantageous. Experiments with glass powder with the addition of SiC and Mn02 in closed tubes in a laboratory furnace indicate that high pressure causes later cleavage and that this occurs at a higher temperature of SiC. This results in a desired slower release of the propellant gas C02.

Fig. I viser en ekstruderingsapparatur. Det er lagt vekt på at oppbyggingen skal være så enkel som mulig og at mest mulig runde, dreiete og borete elementer er benyttet. Materialvalg gjøres med henblikk på den høye temperatur og høy alkalitet med tilsetning av oksiderende bestanddeler. Ved en anordning med lite volum i den volumvarierende mateenhet som vist i fig. I vil det pulserende volum være lite og derved kan et enkelt matesylindersystem benyttes. Fig. I shows an extrusion apparatus. Emphasis has been placed on the structure being as simple as possible and that as many round, turned and drilled elements as possible are used. Material selection is made with a view to the high temperature and high alkalinity with the addition of oxidizing components. In the case of a device with a small volume in the volume-varying feed unit as shown in fig. In this, the pulsating volume will be small and thus a simple feeding cylinder system can be used.

Det følgende illustrerer oppfinnelsen uten å begrense dens ramme og anvendelse. The following illustrates the invention without limiting its scope and application.

Ved svært høye krav til fin og jevn cellestruktur vil det være fordelaktig å benytte et dobbelt matesystem eller mating ved hjelp av snekke slik at innmatingen hele tiden blir helt jevn. Fig. I viser en ekstruderingsapparatur hvor 1 er selve ekstrudersylinderen, 2 er en ekstrusjonsdyse, og 3 er et lukkestempel for et blandekammer 4. Når lukkestempelet 3 trekkes tilbake, vil et doseringstempel 5 for oksiderende glassmelte 6 presse smeiten 6 med stor hastighet inn i blandekammeret 4. Samtidig vil et doseringsstempel 7, som kan være anordnet på diametralt motsatt side, presse ut en sekundær masse 8 i form av en glassmelte. Ved at den oksiderende glassmelten og den sekundære massen presses mot hverandre og må avbøyes i blandekammer 4 for deretter å strømme inn i ekstrudersylinderen 1, oppstår en turbulent strøm som fører til effektiv blanding. Fra andre viskøse media er det kjent at statiske blandeelementer gir god blanding, og i ekstruderkammeret 1 vil de statiske blandeelementene som kan være plassert her også sikre en jevn kontrollerbar temperatur i massen. Dette er også viktig fordi oksidasjonen er eksoterm. Når doseringstemplene er tømt, trekkes de tilbake til utgangspunktet og fylles gjennom åpninger på toppen med nye masser samtidig som lukkestemplet 3 opprettholder trykket i ekstruderkammeret 1 ved å stenge samtidig som doseringstemplene trekkes tilbake. Dersom man benytter en innmatningssnekke, eller innmatningssnekker, kan lukkestemplet 3 sløyfes. If there are very high requirements for a fine and uniform cell structure, it will be advantageous to use a double feeding system or feeding with the aid of an auger so that the feeding is completely uniform at all times. Fig. I shows an extrusion apparatus where 1 is the extruder cylinder itself, 2 is an extrusion nozzle, and 3 is a closing piston for a mixing chamber 4. When the closing piston 3 is pulled back, a dosing piston 5 for oxidizing glass melt 6 will push the melt 6 at high speed into the mixing chamber 4. At the same time, a dosing piston 7, which can be arranged on the diametrically opposite side, will push out a secondary mass 8 in the form of a molten glass. As the oxidizing glass melt and the secondary mass are pressed against each other and must be deflected in the mixing chamber 4 to then flow into the extruder cylinder 1, a turbulent flow occurs which leads to efficient mixing. It is known from other viscous media that static mixing elements provide good mixing, and in the extruder chamber 1, the static mixing elements that can be placed here will also ensure a uniform, controllable temperature in the mass. This is also important because the oxidation is exothermic. When the dosing pistons are emptied, they are withdrawn to the starting point and filled through openings at the top with new masses at the same time that the closing piston 3 maintains the pressure in the extruder chamber 1 by closing at the same time as the dosing pistons are withdrawn. If one uses an infeed auger, or infeed augers, the closing piston 3 can be looped.

Fig. II viser en utførelse hvor matestemplene er erstattet med kontinuerlig arbeidende snekker, 5 og 7. Blandekammeret 4 er nå åpent mot ekstrudersylinderen der materialtilførselen for åpningene 6 og 8 skjer kontinuerlig. Fig. II shows an embodiment where the feed pistons have been replaced with continuously working hoppers, 5 and 7. The mixing chamber 4 is now open towards the extruder cylinder where the material supply for the openings 6 and 8 takes place continuously.

Claims

1. Method for the production of foam glass using an extrusion apparatus, characterized in that at least two glass substances in a molten state, each of which has one or more reactive ingredients added, are brought together to form a mixture of the glass substances and gas is formed from the reaction between the reactive the ingredients in the mixture, and the resulting foam glass is fed out of the extrusion equipment.

2. Method as stated in claim 1, characterized in that a primary and a secondary glass melt are fed into a mixing chamber using a piston and/or a screw.

3. Method as stated in claim 2, characterized in that a first dosing piston for the primary glass melt, and a second dosing piston for the secondary glass melt, press the respective glass melts into a mixing chamber by a closing piston being withdrawn, and that the mixture of glass melt then flows into an extruder cylinder by means of the closing piston.

4. Method as stated in claim 2, characterized in that a feed screw or feed screws are used.

5. Method as stated in claims 1-4, characterized in that a primary oxidizing glass melt is added to an oxidizing substance selected from manganese dioxide, borax, sodium sulfate, and combinations thereof.

6. Method as stated in claim 5, characterized in that the oxidizing substance is manganese dioxide.

7. Method as stated in claims 5-6, characterized in that a secondary glass melt has added graphite, carbon, silicon carbide, or a mixture thereof.

8. Method as stated in claim 7, characterized in that the secondary glass melt is added to a mixture of graphite and silicon carbide.

9. Method as stated in claims 7-8, characterized in that the reactive ingredients in the secondary glass melt are present in an amount of 0.2 - 5 percent by weight of the total mass.

10. Method as stated in claims 7-9, characterized in that it further comprises the addition of an inert gas of nitrogen, or possibly carbon dioxide, over the secondary glass melt.

11. Method as specified in claims 1-10, characterized in that glass substances are used which are in the form of molten glass powder.