Herstellungsverfahren für endlose Mineralfasern

Die Erfindung betrifft die Herstellungsteclinologie endloser Mineralfasern, insbesondere aus Gestein, aus Gemengen auf dessen Basis, aus glashaltigen industriellen und technischen Ab- fallprodukten.

Es ist ein Herstellungsverfahren für Mineralfasern aus Gestein bekannt, welches das Herstellen einer Schmelze aus Rohmaterial in einem Schmelzofen, die Zufuhr der Schmelze in eine Verarbeitungszone (Verteilerkanal), aus der die Schmelze mit einer Speisevorrichtung ent- nommen und den Düsen zugeführt wird (Ukrainisches Patent Nr. 3, 1993, IPC C03B 37/00), umfasst, wobei sich die Entnahmeöffnungen des Fließspeisers auf einer Höhe von 0,8 bis 0,2 des Pegels der Schmelze in der Verarbeitungszone befinden.

Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass es nur die Vorgehensweise zur Bestim- mung eines optimalen (im Hinblick auf die zur Herstellung qualitativer Primärfasern notwendigen Eigenschaften der Schmelze) Entnahmebereichs in der Verarbeitungszone (Verteilerkanal) festlegt. Das bekannte Verfahren stimmt dabei die geometrischen Abmessungen des Entnahmebereichs weder mit den Parametern des Schmelzofens ab, in dem die Aufbereitung der Schmelze zur Zufuhr in die Verarbeitungszone (Verteilerkanal) stattfindet, noch mit den Para- metern des Systems zur Faserformung, bei dem es sich um einen Fließspeiser und ein Düsengefäß handelt, die hintereinander angeordnet und miteinander verbunden sind. Dies vermindert die Gesamtstabilität des Faserherstellungsprozesses, erlaubt jedoch die Herstellung endloser Mineralfasern aus viskosen und hochviskosen Schmelzen mit einer mittleren spezifischen Brüchigkeit von mindestens 0,7 Brüchen pro kg.

Es ist ein Herstellungsverfahren für Mineralfasern aus Gestein bekannt, welches das Herstellen einer Schmelze aus Rohmaterial in einem Schmelzofen, die Zufuhr der Schmelze in eine Verarbeitungszone (Verteilerkanal), aus der die Schmelze mit einer Speiseeinrichtung entnommen und den Düsen zugeführt wird (Europäisches Patent EP 1380552, 2002, IPC C03B 37/02), umfasst, wobei die öffnungen des Fließspeisers, durch welche die Entnahme der Schmelze erfolgt und die die Entnahmezone für die Entnahme der Schmelze bilden, dergestalt angeordnet sind, dass das Verhältnis der Höhe der Schmelze im Ofen zur Höhe des Entnahmebereichs für die Schmelze im Bereich von 1,4 bis 50 liegt. Außerdem muss gemäß

der bekannten technischen Lösung das Verhältnis des Schmelzenspiegels im Schmelzofen (der Schmelzwanne) zur Projektionsfläche des Entnalimebereichs für die Schmelze auf die Horizontalebene im Bereich von 10 bis 6000 liegen. Durch Einhaltung der genannten geometrischen Kriterien kann sichergestellt werden, dass die Schmelze aus dem Schmelzofen mit für die Herstellung von Fasern aus Basaltgestein optimalen Eigenschaften in den Verteilerkanal und den Entnahmebereich gelangt. Zwar stimmt das bekannte Verfahren die geometrischen Abmessungen des Entnahmebereichs mit den Parametern des Schmelzofens ab, in dem die Aufbereitung der Schmelze zur Zufuhr in die Verarbeitungszone (Verteilerkanal) stattfindet, doch stellt das bekannte Verfahren wie zuvor keine Verbindung zwischen der Geometrie des Entnahmebereichs für die Schmelze mit den Parametern des Systems zur Faserformung her, bei welchem es sich um einen Fließspeiser und ein Düsengefäß handelt, die hintereinander angeordnet und miteinander verbunden sind. Dies ermöglicht es nicht, eine hohe Gesamtstabilität des Faserherstellungsprozesses sicherzustellen, ermöglichte jedoch eine Verbesserung der Merkmale der Herstellung von endlosen Mineralfasern bis zu einer mittleren spezifischen Brüchigkeit von mindestens 0,5 Brüchen pro kg sowie einem Tagesdurchschnittsausstoß einer einzelnen Einheit von bis zu 170 kg.

Es ist ein Verfahren zur Herstellung endloser Mineralfasern aus Gestein, insbesondere aus Basaltgestein (nachstehend „Basalt"), bekannt, bei welchem gemahlenes Gestein in einem Schmelzofen aufgeschmolzen wird, aus dem die Schmelze in eine Verarbeitungszone (Verteilerkanal) einströmt, von wo aus die Fließzufuhr der Schmelze zu den Düsen erfolgt, wo die Formung der Fasern stattfindet. („Osnovy proizvodstva bazal'tovyh volokon", D. D. Dzigiris, M. F. Mahova, Moskau: Teploenergetik, 2002, 416 S.). Dabei wird, wie in Fig. 3.7 (S. 107) gezeigt, der Entnahmebereich für die Entnahme der Schmelze zur Fließzufuhr an die Düsen durch eine Stirnöffnung des Fließspeisers und durch öffnungen auf der Seitenfläche des Fließspeisers ausgebildet. Das bekannte Verfahren legt die Funktion des Fließspeisers wie folgt fest: „Entnahme einer temperaturhomogenen Schmelze und stabilisierte Zufuhr derselben an den Düsenspeiser für die Verarbeitung zu Primärfaser" (S. 106).

Ausgehend von der Einhaltung des Prinzips eines kontinuierlichen Schmelzflusses sowie der Anwendbarkeit der Poiseuille-Hagen-Gleichung zur Berechnung des Massenstroms der Schmelze im System Fließspeiser-Düsengefäß legt die bekannte technische Lösung eine Verbindung (ein Verhältnis) zwischen dem Volumen des Fließspeisers und dem summarischen

Volumen der Düsen sowie der Höhe der Schmelzsäule im Düsengefäß (faktisch also der Höhe des Düsengefäßes) fest. Diese Berechnungen wurden unter der Annahme ausgeführt, dass das Verhältnis der kinematischen Viskosität der Schmelze im Fließspeiser zur kinematischen Viskosität der Schmelze im Düsengefäß 0,6 beträgt. Dieses Verhältnis zwischen den Viskositäten der Schmelze im Fließspeiser und im Düsengefäß hängt in erster Linie von der Temperatur der Schmelze selbst, die aus der Verarbeitungszone (Verteilerkanal) entnommen wird, sowie der Wände der genannten Einrichtungen ab, die in der Regel durch ohmsche Erwärmung bei Durchleitung elektrischen Stroms erhitzt werden. Berücksichtigt man jedoch, dass die Arbeitstemperaturen der Materialien, aus denen der Fließspeiser (das Düsengefäß) hergestellt sind, in der Regel auf einen Bereich von 1350 bis 1800 ⁰ C begrenzt sind, was nahe an der Schmelztemperatur des Gesteins liegt, so ist es - auch im Hinblick auf die niedrige Wärmeleitfähigkeit und Diathermansie von Basaltgesteinschmelzen - nicht möglich, den Fließspeiser (das Düsengefäß) zur effektiven Regelung der Eigenschaften der Schmelze, insbesondere zur Erhitzung der Schmelze auf optimale Temperaturen, einzusetzen. Wie oben angemerkt wurde, kommt dem Fließspeiser lediglich die Funktion einer „stabilisierten Zufuhr" der Schmelze mit optimalen Eigenschaften aus dem Entnahmebereich zum Düsengefäß (zu den Düsen) zur Faserformung zu. Die Entnahme von Schmelze mit optimalen Eigenschaften erfolgt dabei durch geeignete Wahl der Position, an der der Entnahmebereich angeordnet wird und die von den vorstehend beschriebenen bekannten technischen Lösungen festgelegt wird. Gleichzeitig ent- scheidet über die Möglichkeit einer „stabilisierten" Zufuhr unzweifelhaft das Verhältnis zwischen den geometrischen Abmessungen der Zone des Entnahmebereichs für die Schmelze (faktisch dem Volumen im Inneren des Fließspeisers, das begrenzt wird von der Ebene seiner Stirnöffnung und der Ebene, die die unteren bzw. untersten Ränder der auf der Seitenfläche des Fließspeisers angeordneten und in der Verarbeitungszone liegenden unteren öffnungen verbindet) und den geometrischen Abmessungen (faktisch dem Volumen) des Fließspeisers, des Düsengefäßes sowie dem summarischen Volumen der inneren Düsenöffnung. Leider finden sich in den bekannten technischen Lösungen keine Angaben über diese Verhältnisse.

Die Aufgabe, die von der vorliegenden Erfindung gelöst wird, besteht in der Steigerung der Stabilität und Effektivität der Herstellungstechnologie für Fasern aus Basaltgesteinschmelzen, Gemengen auf deren Basis, glashaltigen industriellen und technischen Abfallprodukten, was in einer Verringerung der mittleren spezifischen Brüchigkeit beim Ausziehen der Primärfäden

und einem Anstieg des spezifischen Ausstoßes einer einzelnen Produktionseinheit zum Ausdruck kommt.

Diese Aufgabe wird durch die vorgeschlagenen Herstellungsverfahren für Mineralfasern aus Gestein, Gemengen auf dessen Basis, glashaltigen industriellen und technischen Abfallprodukten gelöst, gemäß denen Materialien mit einer Teilchengröße von vorzugsweise nicht mehr als 80 mm in einem Schmelzofen aufgeschmolzen werden und die Schmelze Fließspeisern in der Verarbeitungszone (im Verteilerkanal) zugeführt wird, in der Verarbeitungszone ein Entnalimebereich für die Schmelze zur Fließzufuhr an die Düsen des Düsengefäßes, in dessen inneren öffnungen die primären Endlosfasem geformt werden, ausgebildet wird, wobei erfindungsgemäß das Verhältnis des Volumens des Entnahmebereichs für die Schmelze zur Fließzufuhr an die Düsen zum inneren Volumen des Fließspeisers im Bereich von 0,002 bis 0,09 liegt, das Verhältnis des Volumens des Entnahmebereichs für die Schmelze zur Fließzufuhr an die Düsen zum inneren Volumen des Düsengefäßes, das mit Schmelze gefüllt ist, im Bereich von 0,0005 bis 0,025 liegt und das Verhältnis des Volumens des Entnahmebereichs für die Schmelze zur Fließzufuhr zum summarischen inneren Volumen der Düsenöffnungen des Düsengefäßes im Bereich von 0,05 bis 2,8 liegt.

Der Verteilerkanal wird auch oft Speiserkanal oder Zufuhrleitung bzw. -becken bezeichnet.

Das Volumen im Entnalimebereich umfasst das innere Volumen der öffnung bzw. öffnungen im Bereich der Stirnseite des Fließspeisers und das innere Volumen der öffnungen, die sich auf den Seitenflächen des Fließspeisers befinden. Die Wandstärke des Fließspeisers ist gering, wobei diese aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,1 mm, vorzugsweise 0,5 mm, insbesondere 0,8 mm ausgewählt ist und einer oberen Grenze von 10 mm, vorzugsweise 5 mm, insbesondere 3 mm. Vorteilhaft erweisen sich Wandstärken aus einem Bereich von max. 1 mm. Somit ergeben sich sehr geringe Volumina. Das Gesamtvolumen der öffnungen in den Sei- tenbereichen des Fließspeisers ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 50 mm ³ , vorzugsweise 80 mm ³ , insbesondere 100 mm ³ , und einer oberen Grenze von 500 mm ³ , vor- zugsweise 300 mm , insbesondere 200 mm . Besonders vorteilhaft erweisen sich Volumina von 150 mm ³ bis 180 mm ³ . Hingegen das Gesamtvolumen der öffnung bzw. öffnungen im Stirnbereich des Fließspeisers ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1000 mm ³ , vorzugsweise 1500 mm ³ , insbesondere 2000 mm , und einer oberen Grenze von 10000 mm ³ ,

vorzugsweise 5000 mm ³ , insbesondere 4000 mm ³ , ausgewählt. Vorteilhaft erweisen sich Volumina von 3200 mm ³ bis 3800 mm ³ . Bereits sehr geringe Abweichungen der Volumina von einigen wenigen Prozenten können von großer Bedeutung für die Qualität der Mineralfasern sein.

Der Durchmesser der Stirnöffnung bzw. der Summe der Stirnöffnungen des Fließspeisers ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1 mm, vorzugsweise 5 mm, insbesondere 10 mm, und einer oberen Grenze von 100 mm, vorzugsweise 50 mm, insbesondere 30 mm, ausgewählt. Die Höhe, über welche die öffnungen an den Seitenflächen des Fließspeisers verteilt sind, ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,5 mm, vorzugsweise 2 mm, insbesondere 5 mm, und einer oberen Grenze von 200 mm, vorzugsweise 100 mm, insbesondere 50 mm, ausgewählt.

Das innere Volumen der Düsenöffnungen wird begrenzt durch die Ebene im Boden- und Stirnbereich der Düsenöffnung.

In der Regel ist das Düsengefäß vollständig mit Schmelze gefüllt um einen definierten statischen Druck zu erzeugen und aufrecht zu erhalten. Allerdings ist es auch möglich einen sehr geringen statischen Druck zur Herstellung von Mineralfasern zu verwenden, wobei das Dü- sengefäß auch nur teilweise mit Schmelze gefüllt sein braucht.

Der Durchmesser der Düsenöffnungen ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,5 mm, vorzugsweise 1 mm, insbesondere 1,5 mm, und einer oberen Grenze von 50 mm, vorzugsweise 20 mm, insbesondere 10 mm, ausgewählt. Besonders vorteilhaft erweisen sich öffnungen mit einem durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von 1 mm bis 5 mm.

Auf diese Weise schafft die vorliegende Erfindung optimale Verhältnisse des Volumens des Entnahmebereichs für die Schmelze zu den inneren Volumina des Fließspeisers und des Düsengefäßes und außerdem dem summarischen inneren Volumen der inneren öffnungen der Düsen des Düsengefäßes.

Dies verleiht dem Prozess der Faserformung durch die Düsen Stabilität und verringert die mittlere spezifische Brüchigkeit der endlosen Mineralfasern in Bezug auf den zuvor erziel

baren Wert auf 0,5 Brüche je kg für das gesamte Spektrum bekannter Zusammensetzungen von zur Herstellung von Mineralfasern geeignetem Basaltgestein. Ein stabiler Formungspro- zess der Fasern durch die Düsen erlaubt seinerseits eine Steigerung des mittleren täglichen Ausstoßes einer einzelnen Einheit auf mindestens 170 kg.

Bei Verhältnissen des Volumens des Entnahmebereichs für die Schmelze, das faktisch gleich dem Volumen im Inneren des Fließspeisers ist, das von der Ebene der Stirnöffnung des Fließspeisers und der Fläche begrenzt wird, die die unteren Ränder der auf der Seitenfläche des Fließspeisers angeordneten und in der Verarbeitungszone liegenden unteren öffnungen ver- bindet, zu den inneren Volumina des Fließspeichers, des Düsengefäßes und der Düsenöffnungen von jeweils weniger als 0,02, 0,0005 bzw. 0,05 ist die Menge an Schmelze, die in das Formungssystem gelangt, nicht ausreichend, und es kann zu Verletzungen des Prinzips des kontinuierlichen Flusses der Schmelze, die in die inneren Düsenöffnungen einströmt, kommen. Dies führt seinerseits offensichtlich zu einem Anstieg der spezifischen Brüchigkeit der Primärfasern und einer Absenkung der spezifischen Produktion des Faserformungssystems. Bei Verhältnissen des Volumens des Entnahmebereichs für die Schmelze zu den inneren Volumina des Fließspeichers, des Düsengefäßes und der Düsenöffnungen von jeweils mehr als 0,09, 0,025 bzw. 2,8 strömt in den Fließspeiser Schmelze mit unterschiedlichen Temperaturen (aus der Literatur ist bekannt, dass die Temperatur der Schmelze bei der Erhitzung von der Oberfläche ausgehend im Mittel alle 10 mm um 15 bis 17 °C abnimmt) und einer Viskosität, die nicht mit Hilfe der Wärme stabilisiert werden kann, die von den Wänden des Fließspeisers abgegeben wird, welche zum Beispiel durch Durchleitung elektrischen Stroms erwärmt werden (die erwähnte Wärmemenge wird durch das Arbeitsintervall der Materialien, aus denen der Fließspeiser hergestellt ist, begrenzt). Auf diese Weise strömt in das Düsengefäß und die inneren öffnungen der Düsen eine Schmelze ein, die nicht die optimalen Eigenschaften aufweist, was zu einem Anstieg der spezifischen Brüchigkeit der Primärfasern und einer Absenkung der spezifischen Produktion des Faserformungssystems führt. Die Möglichkeiten zu einer effektiven Regelung der Eigenschaften der Schmelze sind außerdem durch die Eigenschaften der Materialien eingeschränkt, aus denen das Düsengefäß hergestellt ist, wie oben- stehend beschrieben wurde.

Das Verfahren wird anhand der folgenden Beispiele veranschaulicht.

Beispiel 1

Basaltgestein, das eine viskose Schmelze ergibt, mit der folgenden Zusammensetzung (Gew.-%): 52,8 bis 53,7 SiO ₂ , 0,5 bis 0,6 TIO ₂ , 17,3 bis 19,7 Al ₂ O ₃ , 9,8 bis 10,6 Fe ₂ O ₃ + FeO, 3,1 bis 6,3 MgO, 7,1 bis 8,0 CaO, 2,8 Na ₂ 0, 1,6 K ₂ O, andere - 1,8, wurde zu Teilchengrößen von 10 bis 20 mm zermahlen, mechanisch sortiert und in einen Schmelzofen eingebracht, wo mit Hilfe der Verbrennungsenergie des Gas-Luft-Gemisches eine Temperatur von 1450 ± 10 ⁰ C aufrechterhalten wurde, um eine homogene Schmelze herzustellen. Im weiteren Verlaufe gelangte die Schmelze selbstfließend in die Verarbeitungszone - den Verteilerkanal, auf deren Boden Fließspeiserröhren angeordnet waren, die in der Stirnfläche sowie auf der Seitenfläche in der Nähe der Stirnfläche öffnungen aufwiesen. Die Temperatur der Schmelze im Verteilerkanal wurde im Bereich von 1300 bis 1350 ⁰ C gehalten. Im Verteilerkanal wurde ein Entnahmebereich ausgebildet, wobei die Tiefe des Verteilerkanals die Höhe des Entnahmebereichs um das 3,5-fache überstieg. Mit Hilfe der Fließspeiser wurde die Schmelze aus der Verarbeitungszone an das Düsengefäß geleitet, wo in den inneren Düsenöffnungen die Formung der Fasern stattfand. Die Verhältnisse des Volumens des Entnahmebereichs für die Schmelze zu den inneren Volumina des Fließspeisers, des Düsengefäßes und der Düsenöffnungen betrugen jeweils 0,025, 0,006 bzw. 0,45. Unter Produktionsbedingungen wurde eine mittlere spezifische Brüchigkeit der Endlosfasern aus Basalt von 0,45 Brüchen pro kg und ein mittlerer Ausstoß einer einzelnen Einheit von 177 kg pro 24 h erzielt.

Beispiel 2

Zur Begründung der beanspruchten Grenzwerte, die in den Ansprüchen angegeben sind, wur- den endlose Mineralfasern unter Bedingungen hergestellt, die sich teilweise von den für Beispiel 1 angegebenen Bedingungen unterschieden. So wurden mit Hilfe einer erzwungen Verschweißung der öffnungen auf der Seitenfläche des Fließspeisers und/oder der Düsen des Düsengefäßes sowie durch Variation der geometrischen Abmessungen des Fließspeisers und des Düsengefäßes die Verhältnisse des Volumens des Entnahmebereichs für die Schmelze zu den inneren Volumina des Fließspeisers, des Düsengefäßes und der Düsenöffnungen in den Bereichen von jeweils 0,001 bis 0,1, von 0,0004 bis 0,03 bzw. von 0,04 bis 3,0 variiert. Die Ergebnisse, die sich bei der Variation der genannten Parameter ergaben, sind in Tabelle 1 angeführt.

Tabelle 1. Varianten des Herstellungsprozesses für endlose Mineralfasern

Beispiel 3

Erfindungsgemäß wurden aus Kraftwerksasche, der Kalkspat (CaCO ₃ ) zugesetzt wurde, Mineralfasern gemäß der für Beispiel 1 beschriebenen Technologie hergestellt.

Die Asche war aus den folgenden Komponenten zusammengesetzt (Gew.-%): 43,6 SiO ₂ , 16,2 Al ₂ O ₃ , 1,6 Fe ₂ O ₃ , 5,25 FeO, 0,7 Li ₂ O, 26,7 CaO, 3,11 MgO, 0,67 K ₂ O und 2,17 andere Bestandteile.

Aus 63 % Asche gemäß der angegebenen Zusammensetzung, die mit Kalkspatgranulat aufgefüllt wurde, wurden Mineralfasern hergestellt; der mittlere Ausstoß einer einzelnen Einheit betrug dabei 160 kg pro 24 h.

Beispiel 4

Gemäß der für Beispiel 1 beschriebenen Technik wurden bei einer Temperatur von 1300 ± 30 °C im Schmelzofen und 1100 bis 1270 °C im Verteilerkanal erfindungsgemäß Mineralfasern aus glashaltigen technischen Abfallprodukten (Leuchtstoffröhren) hergestellt.

Die glashaltigen technischen Abfallprodukte setzten sich aus den folgenden Komponenten zusammen (Gew.-%): 72,0 SiO ₂ , 2,0 Al ₂ O ₃ , < 0,01 FeO, 19,5 bis 18 (Na ₂ O + K ₂ O), 8,0 (CaO + MgO + BaO), Spuren von PbO, Sb ₂ O ₃ , As ₂ O ₃ , Cd-Oxid, Ti und andere Bestandteile.

Unter experimentellen Bedingungen wurden Mineralfasern mit einem mittleren Ausstoß einer einzelnen Einheit von 163 kg pro 24 h hergestellt.