SI9111153A - Procedure for producing of mineral fibres - Google Patents

Description

ISOVER SAINT-GOBAIN

Postopek za izdelovanje mineralnih vlaken

Izum obravnava postopke za izdelovanje mineralne volne, ki je npr. namenjena, da bo služila kot osnova za toplotno izolacijske in/ali akustične izdelke. Bolj natančno se izum nanaša na izpopolnitev postopka za vlečenje vlaken iz snovi, iz katere se da vleči vlakna pri visoki temperaturi taljenja, npr. bazaltnega stekla, žlinder iz plavžev ali drugih ekvivalentnih materialov, po katerem se snov, ki jo je treba pretvoriti v vlakna, izliva v raztaljenem stanju na obodnem traku centrifugirnih obročev, ki se vrtijo, se jo pospeši s temi obroči, se jo loči od njih in se jo delno pretvori v vlakna pod delovanjem centrifugalne sile, pri čemer plinski tok, ki se ga piha tangencialno na oboden pas obročev, potiska tako izdelana vlakna proti sprejemnemu mestu in jih ločuje od snovi, ki se ni pretvorila v vlakna.

Postopek vlečenja v vlakna, ki je bil na kratko opisan, je npr. poznan iz zahtev evropskih patentov 59 152 in 195 725 in se ga izključno imenuje postopek na prosto centrifugiranje, kar hkrati spominja, da staljeno steklo ni razdeljeno na vrsti elementarnih mrež (notranje centrifugiranje) niti podvrženo plinskemu vlečenju s pomočjo zračnega toka pri povišani temperaturi in hitrosti. Ta postopek vlečenja v vlakna je že zelo star in vodi do zmogljivosti in kakovosti izdelanih vlaken, ki sta na splošno precej slabši od le-teh, ki se jih lahko doseže po drugih postopkih, pri čemer se eventuelno kombinira centrifugiranje in plinsko vlečenje, vendarle je praktično edini, ki se ga lahko uporablja v pogojih, ki so zanimivi z ekonomskega stališča z materiali, kot so bazaltne žlindre, ki so značilne po mnogo višjih talilnih temperaturah kot natrijevokalcijeva običajna stekla, pri čemer se krivulja odvisnosti viskoznosti od temperature zelo močno vzpenja in obstoji težnja po izjemno hitrem razpadanju stekla, kar zahteva, da se dela v zelo ozkem temperaturnem področju.

Ker centrifugiranje raztaljenega stekla povzroča močno ohlajanje le-tega, se razume, da so v tem postopku prostega centrifugiranja vlakna izoblikovana izključno v področju, ki je omejeno s površino centrifugirnega obroča in robom, ki je nameščen koncentrično v radialni razdalji od oboda obroča, ki znaša okoli 5 do 10 mm. Vlečenje vlaken se konča, brž ko se prekine njihova povezava s pasom raztaljenega stekla, ki se drži obroča, pri čemer se to prekinjanje vrši na razdalji, ki se zelo močno spreminja od vlakna do vlakna, kar pojasnjuje, da je sorazmerno težko natančno določiti ta rob.

V tem postopku vlečenja vlaken se vlakna transportira izven neposredne bližine stroja za vlečenje vlaken s pomočjo plinskega toka, ki se ga piha tangencialno na obod centrifugirnih obročev v smeri, ki je v bistvu pravokotna na radialno smer izhajanja vlaken. Po stanju tehnike je ta tok sestavljen iz toka hladnega zraka ali pare, ki so bile ohlajene na temperaturo, ki je blizu okoliške temperature, s srednjo hitrostjo, kije npr. 100 m/s, pri čemer se ta temperatura lahko spreminja v zelo široki meri od priprave do priprave. Takšna srednja hitrost je dejansko precej manjša od hitrosti delcev, ki se niso spremenili v vlakna in zadevajo vlakna ter izhajajo od kapljic stekla, ki se odbijejo, potem ko so bile pospešene z vrtenjem obročev, ki pa se jih ne prilepijo, tako da ne more priti do nikakršnega vlečenja v vlakna; pospeševanje s centrifugirnimi obroči podeljuje tem delcem, ki se niso pretvorili v vlakna, zadostno hitrost, da oboden plinski tok nima znatnega vpliva na pot teh delcev, kar vodi do ločevanja od vlaken, ki pa se po drugi strani odklonijo zaradi svoje manjše gostote in manjše hitrosti.

V drugih znanih postopkih za vlečenje vlaken iz stekla ali drugega ekvivalentnega materiala, se oboden plinski tok izpihava z dveh različnih namenov: najprej se lahko poskuša stanjšati vlakna, ki so bila izdelana v centrifugatorju (v tem primeru se na splošno postopa z notranjim centrifugiranjem); plinski tok se torej piha iz gorilnika pri povišani temperaturi in hitrosti, pri čemer mora biti temperatura plina znatno višja od zmehčišča stekla, da bi se povzročilo vlečenje vlaken (primerjaj z US-A-2 577

204 ali US-A-2 949 632 kot primeroma). Takšno vlečenje s plamenom pa predpostavlja, da ima material, ki ga je treba vleči šibko odvisnost viskoznosti od temperature, kar omogoča, da se dela v sorazmerno širokem temperaturnem območju, pri čemer pa ta pogoj ni izpolnjen pri materialih, kot so bazaltna stekla ali žlindre iz plavžev, kot je bilo predhodno nakazano. Vroč plinski tok za vlečenje s plamenom pa je sicer po definiciji dražji od toka hladnega zraka. V drugem pri meru se uporablja voden plinski tok, ki ga izpihava šoba in je neprekinjeno pri temperaturi, ki je sorazmerno nizka (para ali zrak, ki je segret na okoli 200°C), kar izvaja zelo močno in enakomerno kaljenje vlaken, posledica česar je izboljšanje njihove mehanske kakovosti (FR-A-1 169 358); ugotovimo, da ta učinek kaljenja nima pomena pri materialih, ki so bili že ohlajeni pod točko njihovega zmehčišča s pomočjo preprostega učinka centrifugiranja. Končno je iz FR-A-2 298 518 in FR-A-2 211 408 poznan postopek, po katerem se želi raztrgati neprekinjena vlakna s pomočjo obodnega plinskega toka, ki se ga piha pravokotno na njihovo smer tvorjenja, pri čemer je omenjeni tok pri temperaturi, ki je zadosti nizka, da ne povzroči vlečenja vlaken, to se pravi običajno pri temperaturi, ki je blizu okoliške temperature, ki je nižja od 150°C in prednostno 65°C.

V vseh teh znanih pristopih naj bo torej plinski tok, ki se ga piha proti obodu centrifugirnega organa, zelo vroč (s temperaturami, ki tipično presegajo 1000°C) bodisi hladen (s temperaturo bodisi reda velikosti okoliške temperature bodisi reda velikosti 150°C, ko je bila uporabljena para - zelo stare naprave ne razpolagajo z dovolj močnim kompresorjem).

Za razliko od teh pristopov so avtorji predloženega izuma postopali v vročem okolju, to se pravi s plinskim tokom, katerega temperatura je med 250 in 900°C, prednostno med 300 in 600°C in še bolj prednostno okoli 500°C. Z drugimi besedami, izum predlaga postopek za izdelovanje mineralnih vlaken, po katerem se material, ki ga je treba vleči v vlakna, izteka v raztaljenem stanju na obodni površini prve vrste centrifugirnih obročev, ki se vrtijo z veliko hitrostjo, se tam znatno pospeši in pošlje na drugi obroč, od koder se en del materiala pretvori v vlakna pod učinkom centrifugalne sile, preostali del pa se eventuelno pošlje proti naslednjemu obroču itd. in v katerem so vlakna, ki so izdelana z različnimi centrifugirnimi obroči, prijeta s plinskim tokom visoke hitrosti, ki obdaja vrsto centrifugirnih obročev in je izpihavan v neposredni bližini le-teh obročev v smeri, ki je v bistvu vzporedna z osmi sukanja teh obročev, in je predlagani postopek značilen po tem, da ima izpihavani plinski tok za vsaj enega izmed centrifugirnih obročev temperaturo med 250 in 900°C in prednostno med 300 in 600°C.

Na nepričakovan način se potrdi, da samo ta ukrep vodi do zelo znatnega izboljšanja kakovosti izdelanih vlaken s pomočjo naprave ob znatno večji finoči in sicer z majhnim deležem zrn (izraz zrno je bil uporabljen za označevanje delcev, ki so večji od 100 μτη in ki se jih najde v končnem izdelku).

Tako je jasno, da je možno vplivati na vlečenje vlaken s plinskim tokom, katerega temperatura je vseeno zelo oddaljena od temperature, ki ustreza točki zmehčišča snovi, ki jo je treba vleči v vlakna; bazaltno steklo dejansko zapušča zaprt prostor za taljenje pri temperaturi, ki je npr. višja od 1500°C, torej a priori ne bi bilo vprašanja plinskega vlečenja s plinom pri temperaturi 500°C.

Zelo prednostno se lahko to vročo okolico dobi z minimalnimi stroški z izrabljanjem par iz zaprtega prostora za taljenje snovi, ki jo je treba vleči v vlakna, pri čemer te pare na splošno niso izkoriščane, ker so prej hladne, da bi se ekonomsko opravičilo recikliranje vsebovanih kalorij.

Pri sicer enakih vseh drugih pogojih ima mineralna volna, ki se jo dobi pri vroči okolici, nižjo toplotno prevodnost kot le-ta, ki se jo dobi pri okolici z nižjo temperaturo. To povišanje toplotne upornosti, ki se jo tako dobi, ustreza npr. povečaju za red velikosti 20 % hitrosti sukanja centrifugirnih obročev ali povečanju za več kot 50°C talilne temperature stekla, ki je razlito na prvem izmed obročev. Medtem ko je vroča okolica zelo malo spreminjajoča, sta ta dva postopka mnogo manj zanimiva, kajti povzročata mnogo višjo mehansko obrabo in zelo visok energijski strošek.

Hitrost plina v plinskem toku je prednostno večja od 50 m/s in prednostno večja tudi od 100 m/s, kar dopušča, da se optimizira pogoje vlečenja vlaken. S pogojem za vlečenje se tukaj razume tvorjenje turbulentnih področij, ki pomagajo ločevanju posameznih vlaken in omejevanju njihove težnje, da se ponovno združijo v zanke, ki se jih v stanju končnega izdelka najde kot vozle in škodujejo mehanski odpornosti letega.

Ta vpliv turbuletnih področij je verjetno večji, ko se postopa po izumu z vročo okolico, pri kateri fizika plinov razkrije, da ima za neposredno posledico višjo kinetično energijo okolnega plinskega toka. Tej prvi hipotezi se prav tako lahko doda hipoteza o viskozni disipaciji. Študije so dejansko pokazale, da vlečenje vlakna povzroča znatno oddajanje toplote zaradi dela razporeditve viskozne strukture, vendar pa to oddajanje toplote normalno ni zadostno samo po sebi, da bi vzdrževalo temperaturne pogoje, ki so potrebni za vlečenje, upoštevaje sicer močno ohlajevanje, ki so mu podrvžena vlakna zaradi centrifugiranja; torej ni narobe misliti, da bi vroča okolica po izumu lahko zaradi majhne termične vrstne pridobitve zadoščala, da se dobi praktično pojav samovzdrževanja pogojev vlečenja. Na vsak način gre to le za to, da nekateri poskusi teoretičnega tolmačenja pojava v široki meri ne razložijo in po izumu ima vroča okolica nesporno ugoden učinek, kar je s tehničnega stališča edina realno pomembna ugotovitev.

Da bi bil vpliv vroče okolice na pogoje za izdelovanje vlaken senzibilen, je potrebno, da naj bo plinski tok izpihavan v neposredni bližini centrifugirnih obročev in naj zadeva ob njih. Po drugi strani pa je za popolnoma učinkovito analiziranje vlaken prednostno, da naj bo ovojnica plinskega toka v zadosti veliki razdalji od vroče. Pri približevanju teh dveh pogojev se razume, da morajo pretoki vročega zraka med 250°C in 900°C biti zelo visoki. Te pretoke pa se lahko znatno zniža, če se postopa z dvema plinskima tokoma, z glavnim plinskim tokom in s pomožnim plinskim tokom, ki se ga stvori v oddaljenosti od centrifugirnih obročev in ima v bistvu isto smer kot glavni, dotikajoči se plinski tok. V tem primeru pomožen plinski tok ni ogrevan, kar omogoča zanimiv energijski prihranek, v kolikor je lahko okoli 30 do 50 % celotnega pretoka plina, ki je vpihan v napravi, tega pomožnega plinskega toka.

Postopek za vlečenje vlaken po izumu se lahko izvaja na zelo preprost način s pomočjo vsake priprave za vlečenje mineralne volne s pomočjo prostega centrifugiranja. Ker temperature, ki so bile tukaj potrjene, ostajajo sorazmerno nizke, so potrebni le preprosti ukrepi, kot je ohlajanje določenih delov, pri čemer je seveda treba razumeti, da so vsi ukrepi običajno sprejeti v povezavi s povišano temperaturo staljenega stekla in jih je treba vzdrževati.

Glede na primere, zlasti če je količina vročega plina, ki je na razpolago, omejena, se lahko predvidi tok vročega zraka za vse ali le določene centrifugirne obroče, predvsem tiste, ki so nameščeni bolj zadaj glede na pot materiala. Prav tako je lahko prednostno, da se nekoliko bolj predgreje tok, ki je namenjen zadnjim obročem, katerim se dovaja relativno bolj hladno steklo.

Na prednosten način se uporablja pripravo, kot je opisana v francoski patentni prijavi 90 00420, kije bila vložena 16. januarja 1990 na ime prijaviteljice. Ta priprava obsega vrsto centrifugirnih obročev, ki so nameščeni v sklop, in se njihove obodne površine namesti drugo blizu drugi in jih motorji, ki so nameščeni s strani, hitro sučejo, in je izven sklopa, ki ga predstavlja vrsta obročev za centrifugiranje, in se omenjene obroče poganja s pomočjo mehanskih transmisijskih organov, ki so nameščeni tako, da omogočajo prehod zraka skozi vrsto centrifugirnih obročev, pri čemer se dva obroča, ki sta zaporedna na poti materiala, ki ga je treba vleči v vlakna, vrtita v nasprotnem smislu, in je dovajanje staljenega materiala izvedeno tako, da se le-ta material razliva po zunanji površini prvega centrifugirnega obroča, in prvi organ za pihanje povzroči okrog vrste centrifugirnih obročev vroč plinski tok pri temperaturi med 250°C in 900°C, ki je vzporeden z osjo sukanja omenjenih centrifugirnih obročev, in drugi organ za pihanje povzroči hladen pomožen plinski tok, ki je v razdalji od centrifugirnih obročev in v bistvu v isti smeri kot vroč plinski tok.

Druge podrobnosti in prednostne značilnosti izuma so opisane v nadaljnjem sklicujoč se na eno samo priloženo risbo, ki predstavlja na:

sliki 1 pogled na pripravo za vlečenje vlaken s pomočjo zunanjega centrifugiranja, ki obsega tri centrifugirne obroče.

Na sliki 1 je shematsko predstavljena priprava za vlečenje vlaken v stranskem pogledu na vlakna in v bistvu v skladu z nauki francoske patentne prijave 90 00420, ki je bila predhodno navedena. Ta priprava je sestavljena iz sklopa 1, ki obsega 3 centrifugirne obroče 2, 3, 4, ki so nameščeni tako, da so njihove obodne površine druga blizu druge. Ti obroči 2, 3, 4 so poganjanj s pomočjo motorskih blokov 5, 6, ki poganjajo preko transmisijskih jermenov 7, pri čemer sta dva obroča na desni poganjana npr. v smislu, ki je nasproten smislu urnega kazalca, medtem ko je obroč na levi gnan v nasprotnem smislu, tako da se dva obroča, ki si sledita po poti materiala (ki se spušča z višjega obroča 2 proti nižjemu obroču 4), ki ga je treba vleči v vlakna, vrtita v nasprotnem smislu.

Vrsta obročev 2, 3, 4 je obdana z obodnimi organi 10 za pihanje, ki jih sestavlja šoba za neprekinjeno pihanje, ki izpihava vroč plinski tok, ki je v bistvu vzporeden z rotacijskimi osmi centrifugirnih obročev, in ki je podvojena s skupino šob 11 velikega premera, ki izpihavajo curke hladnega zraka, ki so v bistvu prav tako vzporedni glavnemu plinskemu toku.

Sicer pa so sredstva, ki tukaj niso predstavljena, predvidena za v napraševanje zmesi veziv na izdelana vlakna.

Naprava te vrste s tremi obroči premera 300 mm je bila uporabljena za različne poskuse, ki so se razlikovali po temperaturi glavnega plinskega toka. Uporabljeno steklo je bazaltno steklo, ki ustreza naslednji sestavi (utežni procenti):

SiO₂ :44,50%

A1₂O₃ :14,70 %

Fe₂O₃ :12,50 %

CaO :10,50%

MgO : 8,90 %

Na₂O : 4,25 % ίςο : 0,95 %

TiO₂ : 2,60%

Razno: 1,10 %

Viskoznost tega stekla je okoli ΙΟ²,10^1,7 in 10¹ dPa.s za temperature 1235°C, 1300°C in 1483°C. Gre torej tipično za steklo, katerega krivulja odvisnosti viskoznosti od temperature je zelo strma v področju viskoznosti, ki ustreza vlečenju vlaken. Taljenje je bilo izvedeno pri 1540°C, kar ustreza na prvem centrifugirnem obroču temperaturi okoli 1280°C, ki se ji jo nadzira z optičnim pirometrom, pri čemer je pretok stekla okoli 350 kg/h.

Uporablja se pihani zrak s pretokom 2400 m³/h za glavni tok (pretok je bil računan pri 20°C) in 1000 m³/h za hladen pomožni tok.

Izhajajoč od takšne priprave se ji je spreminjalo temperaturo zraka v glavnem toku, pri Čemer se je izbralo hitrost sukanja centrifugirnih koles okoli 6000 vrtljajev na minuto. Nato se je merilo nastavitev za 5 g ustrezno različnim vzorcem tako izdelanih vlaken, pri čemer je nastavitev na normaliziran način definirana kot pretok plinskega toka, ki se ga izpiha pri dobro določenih pogojih in je merjen tako, da pusti iti mimo stisnjen vzorec za 5 g vlaken. Ne da bi se bolj natančno spuščali v podbrobnosti, je vzorec toliko boljše kakovosti, to se pravi toliko bolje izolira, kolikor je nastavitev večja.

Dobljeni so bili naslednji rezultati:

Temperatura pihanega zraka : 25°C Nastavitev : 280 : 250°C : 300 :500°C : 325 : 700°C : 335

Vlakna, ki se jih je izdelalo z vročim plinskim tokom, so torej jasno izboljšane kakovosti glede na vlakna, ki so bila dobljena pri temperaturi okolice, celo če se tok lahko obravnava še pri temperaturi, ki je sorazmerno nizka, npr. le okoli 250°C. Če se sicer primerja prednosti, ki se jih dobi pri 500°C in 700°C, se ugotovi določen vrh učinkovitosti. Obstoji torej optimum pri temperaturi okoli 500°C, pri čemer je interes, da se dela s temperaturami, ki so bolj nizke, torej bolj ekonomične, vendar dovolj visoke, da se dobi izboljšanje kakovosti vlaken.

Dvig pri nastavitvi, ki je bila dobljena, omogoča, da se oblikuje končne izdelke, ki imajo volumsko maso zmanjšano za okoli 10 % glede na izdelek iste izolacijske sposobnosti, kije dobljen s plinskim tokom pri temperaturi okolice.

Dvig je prav tako občutljiv na to, kar se tiče celotne zmogljivosti postopka, pri čemer je zmogljivost postopka definirana kot masa stekla, ki se vdela v končen produkt, glede na celotno zlito maso na prvem centrifugirnem obroču. Zračni tok pri temperaturi 500°C omogoča, da se izboljša zmogljivost za okoli 5 do 10 %; dvig, ki je toliko bolj značilen, kot delež zrn - to se pravi procent delcev, ki presegajo 100 μτη in so prisotni v izdelku - ima zelo rahlo tendenco, da zmanjšuje to, kar pomeni izboljšanje kakovosti izdelka.

Claims (7)

1. PATENTNI ZAHTEVKI

   1. Postopek za izdelovanje mineralnih vlaken, po katerem se material, ki ga je treba predelati v vlakna, razlije v raztaljenem stanju po bodni površini prvega v vrsti centrifugirnih obročev, ki se vrtijo z veliko hitrostjo, se tam bistveno pospeši in se prenese na drugi obroč, od koder se del materiala pretvori v vlakna pod učinkovanjem centrifugalne sile, preostali del pa se eventuelno prenese proti sledečemu obroču in tako naprej in v katerem vlakna, ki so stvorjena na različnih centrifugirnih obročih, zgrabi plinski tok, ki obdaja vrsto centrifugirnih obročev in se ga izpihava v neposredni bližini omenjenih obročev v smeri, ki je v bistvu vzporedna z osmi sukanja obročev, označen s tem, da ima pri vsaj enem izmed centrifugirnih obročev plinski tok temperaturo med 250 in 900°C, prednostno med 300°C in 600°C ter še bolj prednostno okoli 500°C.
2. 2. Postopek za izdelovanje mineralnih vlaken po zahtevku 1, označen s tem, da se izpihava plinski tok s hitrostjo, ki presega 50 m/s.
3. 3. Postopek za izdelovanje mineralnih vlaken po zahtevku 2, označen s tem, da se izpihava plinski tok s hitrostjo, ki presega 100 m/s.
4. 4. Postopek za izdelovanje mineralnih vlaken po enem izmed predhodnih zahtevkov, označen s tem, da se pri temperaturi okolice stvori pomožen tok, ki je oddaljen od centrifugirnih oboročev, pri čemer ima omenjeni pomožni plinski tok v bistvu isto smer kot glavni plinski tok.
5. 5. Postopek za izdelovanje mineralnih vlaken po enem izmed predhodnih zahtevkov, označen s tem, da je omenjeni vroči plinski tok izpihavan enakomerno po obodu obročev, ki so nameščeni nazadnje na poti materiala, ki ga je treba pretvoriti v vlakna.
6. 6. Postopek za izdelovanje mineralnih vlaken po enem izmed zahtevkov 1 do 4, označen s tem, da je temperatura omenjenega vročega plinskega toka toliko višja, kot je omenjeni tok izpihavan v bližini enega izmed obročev, in so nameščeni bolj navzdoljnje ob poti materiala, ki ga je treba pretvoriti v vlakna.
7. 7. Postopek za izdelovanje mineralnih vlaken po enem izmed predhodnih zahtevkov, označen s tem, da se omenjeni vroči plinski tok ogreje s parami, ki izhajajo iz zaprtega prostora za taljenje materiala, ki ga je treba pretvoriti v vlakna.