FR3104568A1 - Procede de fabrication de laine minerale - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication de laine minérale ayant une composition chimique, exprimée en pourcentage pondéral d’oxydes, comprenant :SiO2 30-50%Al2O3 15-35%CaO 5-25%MgO 1-25%Fe2O3 2-15%Na2O+K2O >10%ledit procédé comprenant la fourniture d’un mélange de matières premières ; la fusion dudit mélange de matières premières pour obtenir une matière fondue ; et le fibrage de la matière fondue ; caractérisé en ce que le mélange de matières premières comprend au moins 8,5% en poids d’une matière première de recyclage comprenant au moins 3% de magnésium, exprimé en poids d’oxydes, ladite matière première de recyclage étant essentiellement exempte de carbonates, et en ce que le mélange de matières premières est exempt de dolomie et de magnésie.

Description

PROCEDE DE FABRICATION DE LAINE MINERALE
La présente invention concerne le domaine des fibres minérales artificielles. Elle vise plus particulièrement un procédé de fabrication de laine minérale, destinée notamment à la fabriquer des produits d’isolation thermique et/ou acoustique.
Les laines minérales sont traditionnellement obtenues par fusion d’un mélange de matières premières dans un four de fusion, la matière fondue ainsi obtenue étant ensuite déversée dans un dispositif de fibrage par lequel la laine minérale est formée. Les matières premières, en général naturelles, sont sélectionnées, et leurs proportions adaptées, en fonction de la composition chimique cible souhaitées pour la laine minérale. L’oxyde de magnésium peut entrer dans la composition de laines minérales dans le but de leur conférer certaines propriétés ou d’en améliorer la processabilité. La dolomie et la magnésie constituent les principaux porteurs de magnésium utilisés dans la fabrication de laines minérales. Ces matières premières présentent cependant certains désavantages. Elles peuvent en effet provoquer des phénomènes de fracturation explosive ou «décrépitation» au cours de la fusion du mélange de matières premières. Cela engendre la formation d’une couche formée de débris et poussières de décrépitation sur la voute du four, ce qui peut être nuisible à la fois au fonctionnement du four et à la qualité du bain de matière fondue. Par ailleurs, du fait de leurs compositions chimiques, ces matières premières contribuent de façon importante aux dégagements de CO2lors de la fusion du mélange de matières premières.
L’objectif de la présente invention est d’obvier aux inconvénients susmentionnés en proposant un procédé économique de fabrication de laine minérale comprenant de l’oxyde de magnésium tout en assurant une bonne processabilité, le maintien, voire l’amélioration, de la qualité du bain fondu et des propriétés de la laine minérale, notamment du point de vue de la résistance aux températures élevées, et en réduisant l’impact environnemental.
Ainsi, un premier aspect de la présente invention concerne un procédé de fabrication de laine minérale ayant une composition chimique, exprimée en pourcentage pondéral d’oxydes, comprenant:
SiO230-50%
Al2O3 15-35%
CaO 5-25%
MgO 1-25%
Fe2O32-15%
Na2O+K2O >10%
ledit procédé comprenant:
- la fourniture d’un mélange de matières premières;
- la fusion dudit mélange de matières premières pour obtenir une matière fondue;
- le fibrage de la matière fondue;
caractérisé en ce que le mélange de matières premières comprend au moins 8,5% en poids d’une matière première de recyclage comprenant au moins 3,5% de magnésium, exprimé en poids d’oxydes, ladite matière première de recyclage étant essentiellement exempte de carbonates, et en ce que le mélange de matières premières est exempt de dolomie et de magnésie.
Le procédé selon l’invention concerne la fabrication de laine minérale dont la composition chimique entraîne une température de liquidus élevée et une grande fluidité à la température de fibrage, associée à une température de transition vitreuse élevée.
La teneur en silice (SiO2) est comprise dans un domaine allant de 30 à 50%, de préférence 35 à 48%, voire 37 à 45%.
La teneur en alumine (Al2O3) est comprise dans un domaine allant de 15 à 35%, de préférence de 18 à 30 %, voire 20% à 28%.
La teneur en chaux (CaO) est comprise dans un domaine allant de 5 à 25%, de préférence de 7 à 20%, voire 8% à 18%.
La teneur en magnésie (MgO) est comprise dans un domaine allant de 1 à 25%, de préférence de 1 à 15%, voire 1 à 10%.
La laine minérale ne comprend généralement pas d’autres oxydes alcalino-terreux que CaO et MgO. Elle peut néanmoins contenir de faibles quantités de BaO ou SrO, à des teneurs pouvant aller jusqu’à 2%, voire 1%, 0,20%, ou même 0,1%, ces oxydes pouvant être présents en tant qu’impuretés dans certaines matières premières.
La teneur totale en oxydes alcalins (R2O), notamment soude (Na2O) et potasse (K2O) est supérieure à 10%, de préférence de 10,2 à 20%, voire de 10,5 à 15%. La teneur en Na2O est typiquement comprise dans un domaine allant de 4 à 20%, de préférence de 5 à 15%, voire 6 à 13%. La teneur en K2O est quant à elle typiquement d’au plus 20%, de préférence de 1 à 15%, voire 2 à 10. La laine minérale ne comprend de préférence pas d’autre oxyde alcalin que Na2O et K2O. Elle peut néanmoins contenir de faibles quantités de Li2O, parfois présent en tant qu’impuretés dans certaines matières premières, à des teneurs pouvant aller jusqu’à 0,5%, voire 0,2%, ou même 0,1%.
La teneur en oxyde de fer (fer total exprimé sous forme de F2O3) est comprise dans un domaine allant de 2 à 15%, de préférence 2 à 12%, voire 2,5 à 10%.
La somme des teneurs en SiO2, Al2O3, CaO, MgO, R2O et Fe2O3représente de préférence au moins 95%, notamment au moins 97%, voire au moins 98% en poids de la composition de laine minérale.
La composition chimique de la laine minérale peut également contenir du P2O5, notamment à des teneurs pouvant aller jusqu’à 3%, voire jusqu’à 1,2%. Elle est cependant de préférence exempte de P2O5.
La composition de la laine minérale peut également comprendre d’autres éléments présents notamment en tant qu’impuretés inévitables. Elle peut comprendre de l’oxyde de titane (TiO2) et de zircone (ZrO2) à des teneurs comprises dans un domaine allant jusqu’à 3%, notamment de 0,1 à 2,0%, voire 1,0%.
La composition chimique de la laine minérale comprend typiquement moins de 0,1% en poids d’halogène, notamment de fluor.
Il va de soi que les différentes plages préférées décrites ci-avant peuvent être combinées librement les unes avec les autres, les différentes combinaisons ne pouvant toutes êtres énumérées par soucis de concision.
Du fait de sa composition, la laine minérale peut présenter l’avantage d’être à la fois biosoluble, à savoir avoir la capacité de se dissoudre rapidement en milieu physiologique, en vue de prévenir tout risque pathogène potentiel lié à l’accumulation éventuelle des fibres les plus fines dans l’organisme par inhalation, et de présenter une bonne résistance à très haute température. La résistance au feu d’un élément de construction correspond à la durée pendant laquelle l’élément conserve sa fonction portante, garantit l’étanchéité aux flammes et conserve son rôle d’isolant thermique. Le test incendie standard consiste généralement en une montée en température suivant la norme ISO 834, basée sur la courbe des températures d’un feu cellulosique.
De façon conventionnelle, la composition de laine minérale telle que décrite ci-dessus est obtenue par la préparation et la fusion d’un mélange de matières premières. Le procédé selon l’invention comprend une étape de fourniture d’un mélange de matières premières comprenant au moins 8,5% en poids d’une matière première de recyclage comprenant au moins 3,5%, de préférence au moins 4%, voire au moins 5% de magnésium, exprimé en poids d’oxydes. L’utilisation d’une telle matière première permet de s’affranchir de de dolomie et de magnésie et permet une meilleure qualité de fusion. Les autres matières premières peuvent être choisies parmi les matières premières conventionnellement utilisée dans la fabrication de laines minérales telles que le calcaire, la phonolite, la néphéline syénite, le feldspath, le basalte, le carbonate de sodium, les oxydes de fer. Leurs proportions respectives dans le mélange de matières premières sont déterminées par l’homme du métier en fonction de leurs compositions chimiques et de la composition chimique cible de laine minérale à obtenir. En particulier, le mélange de matières premières comprend de préférence au moins 1%, plus préférentiellement, au moins 2%, voire au moins 3%, en poids de bauxite en tant que porteur d’alumine.
La matière première de recyclage peut être un sous-produit issu du traitement de scories d’aluminium (aussi appeléesalt slag,black dross,white drossousalt cake) provenant de la fabrication et/ou de recyclage d’aluminium métal. Dans la fabrication d’aluminium, les scories de première transformation qui se forment à la surface des cuves contiennent un pourcentage élevé d’aluminium métallique. Ces scories sont donc en général traitées, par exemple dans des fours rotatifs, pour récupérer l’aluminium qu’elles contiennent. En particulier, dans certaines technologies des sels de traitement peuvent être ajoutés lors de cette deuxième transformation. Les scories de deuxièmes transformation, qui contiennent de faibles proportions d’aluminium métallique, peuvent être à leur tour traitées pour en extraire l’aluminium métallique résiduel et recycler les sels de traitement. Certains sous-produits de ce traitement, constitués principalement de mélanges d’oxydes et essentiellement dépourvu de résidu métallique, peuvent être utilisés en tant que matière première de recyclage dans le procédé selon l’invention. Ces sous-produits peuvent à leur tour être soumis à certains traitements (granulation, séchage, calcination, etc) avant leur utilisation dans le procédé selon l’invention. Outre le fait de diminuer la quantité d’eau résiduelle et d’autres éléments volatils tels que les halogènes et l’ammoniac, la calcination, par exemple dans un four tubulaire rotatif, permet d’améliorer la distribution granulométrique. La matière première de recyclage n’est cependant pas limitée à ces exemples.
La matière première de recyclage a typiquement une composition chimique, exprimée en poids d’oxydes, comprenant:
Al2O350 à 80%, de préférence 60 à 75%;
SiO22 à 25%, de préférence 5 à 50%;
MgO 3 à 20%, de préférence 5 à 15%;
Fe2O30,5 à 10%, de préférence 1 à 8%.
Elle comprend typiquement moins de 0,9%, de préférence moins de 0,6%, en poids d’halogène, notamment fluor et chlore. La présence d’halogènes nécessite en effet des installations coûteuses de traitement des fumées. Dans un mode de réalisation particulier, la matière première de recyclage est notamment exempte de fluor, c’est-à-dire qu’elle comprend moins de 0,1% en poids de fluor.
La matière première de recyclage a de préférence une composition telle que le rapport massique Al2O3/MgO est supérieur à 8. Un tel rapport est particulièrement avantageux pour obtenir la laine minérale selon l’invention sans nécessiter d’ajout de dolomie
La matière première de recyclage est de préférence exempte de particules métalliques, notamment d’aluminium métallique. De faibles quantités d’aluminium métallique, (typiquement jusqu’à 2%, de préférence jusqu’à 1%, plus préférentiellement jusqu’à 0,5%, en poids) peuvent néanmoins être présentes, en particulier lorsque la matière première de recyclage est un sous-produit du traitement de scories d’aluminium. De même, de faibles quantités de nitrure d’aluminium (typiquement jusqu’à 3%, de préférence jusqu’à 2%, plus préférentiellement jusqu’à 1%, en poids) peuvent également être présentes, en particulier lorsque la matière première de recyclage est un sous-produit du traitement de scories d’aluminium.
D’un point de vue minéralogique, la matière première de recyclage est essentiellement exempte de carbonates, c’est-à-dire qu’elle comprend au plus 5%, de préférence au plus 2%, plus préférentiellement au plus 1%, voir au plus 0,5% en poids de carbonates. Elle comprend de préférence au moins 20%, voire au moins 30%, et généralement jusqu’à 80%, voire jusqu’à 60%, en poids de phase amorphe. Des proportions importantes de phase amorphe favorisent la fusion. Elle peut comprendre au moins 10%, voire au moins 20%, et généralement jusqu’à 50%, en poids de phase cristalline de type spinelle comprenant du magnésium (Mg1-xMxAl2-yM’yO4M et M’ étant des métaux de transition).
Le mélange de matières premières est typiquement sous forme pulvérulente. En particulier, le mélange de matières premières ne comprend de préférence pas de briquettes.
L’étape de fusion peut être réalisée de différentes manières connues, notamment par fusion dans un four à flammes ou par fusion électrique.
Le four à flammes comprend au moins un brûleur, aérien (les flammes sont disposées au-dessus du bain de matière fondue et le chauffent par rayonnement) ou immergé (les flammes sont créées directement au sein du bain de matière fondue). Le ou chaque brûleur peut être alimenté par divers combustibles tels que le gaz naturel ou le fioul.
Par «fusion électrique», on entend que le mélange vitrifiable est fondu par effet Joule, au moyen d’électrodes immergées dans le bain de matière fondue, à l’exclusion de toute utilisation d’autres moyens de chauffage, tels que des flammes. Le mélange vitrifiable est normalement réparti de manière homogène sur la surface du bain de matière fondue à l’aide d’un dispositif mécanique, et constitue ainsi un écran thermique limitant la température au-dessus du bain de matière fondue, si bien que la présence d’une superstructure n’est pas toujours nécessaire. Les électrodes peuvent être suspendues de manière à plonger dans le bain de matière fondue par le dessus, être installées dans la sole, ou encore être installées dans les parois latérales de la cuve. Les deux premières options sont généralement préférées pour les cuves de grandes dimensions afin de répartir au mieux le chauffage du bain de matière fondue. Les électrodes sont de préférence en molybdène, voire éventuellement en oxyde d’étain. Le passage de l’électrode en molybdène à travers la sole se fait de préférence par l’intermédiaire d’un porte-électrode en acier refroidi à l’eau.
L’étape de fusion peut également mettre en œuvre à la fois une fusion flammes et une fusion électrique, par exemple en employant un four à flammes également muni d’électrodes en parois latérales servant à accélérer la fusion du mélange vitrifiable.
Conventionnellement, le type de laine minérale visé par le procédé selon l’invention est fibré par des procédés de centrifugation dits «externes», par exemple du type de ceux utilisant une cascade de roues de centrifugation alimentées en matière fondue par un dispositif de distribution statique, comme décrit notamment dans les brevets EP0465310 ou EP0439385. La composition de laine minérale décrite ci-dessus permet cependant également un fibrage par centrifugation dit «interne», c’est-à-dire ayant recours à des centrifugeurs tournant à grande vitesse et percés d’orifices, réduisant significativement la quantité d’infibrés. Ce procédé est notamment décrit dans les brevets EP0189354 ou EP0519797. L’étape de fibrage est ainsi de préférence réalisée par centrifugation interne.
La présente invention concerne également l’utilisation d’une matière première de recyclage, ou d’un mélange de matières premières comprenant comprend au moins 8,5% en poids de celle-ci, pour la fabrication de laine minérale ayant une composition chimique, exprimée en pourcentage pondéral d’oxydes, comprenant:
SiO230-50%
Al2O315-35%
CaO 5-25%
MgO 1-25%
Fe2O32-15%
Na2O+K2O >10%
caractérisée en ce que la matière première de recyclage comprend au moins 3,5% de magnésium, exprimé en poids d’oxydes, et est essentiellement exempte de carbonates. Le mélange de matières premières est par ailleurs de préférence exempt de dolomie et de magnésie. L’utilisation de la matière première de recyclage telle que décrite ci-dessus, et plus généralement d’un mélange de matières premières comprenant celle-ci, permet de réduire significativement les émissions de dioxyde de carbone provenant de la fusion des matières premières.
La présente invention a également pour objet une laine minérale susceptible d’être obtenue par le procédé décrit ci-dessus. Une telle laine minérale comprend au moins 8,5% en poids d’une matière première de recyclage comprenant au moins 3% de magnésium, exprimé en poids d’oxydes, ladite matière première de recyclage étant essentiellement exempte de carbonates, et présente une composition chimique, exprimée en pourcentage pondéral d’oxydes, comprenant:
SiO230-50%
Al2O315-35%
CaO 5-25%
MgO 1-25%
Fe2O32-15%
Na2O+K2O >10%.
L’invention a également pour objet un produit d’isolation thermique comprenant une laine minérale telle que décrite ci-dessus. Un tel produit se présente notamment sous la forme de rouleaux ou de panneaux. Il peut être employé par exemple dans des bâtiments, dans l’industrie ou dans des moyens de transport, notamment ferroviaire ou maritime. Il est particulièrement adapté à des applications dans lesquelles il peut être amené à subir des températures élevées, soit en continu (isolation de fours ou étuves domestiques ou industriels, de conduites de transport de fluides) soit de manière accidentelle, dans un rôle de protection contre le feu (portes anti-feu, isolation de navires, de tunnels ou de plateformes off-shore…). Plus généralement, le produit selon l’invention peut être employé pour isoler thermiquement tout type de bâtiments, tertiaires ou d’habitation (collective ou individuelle). Il peut par exemple être utilisé dans des systèmes d’isolation par l’extérieur, pour l’isolation de maisons à ossature bois, dans des panneaux sandwichs, dans des conduits de ventilation etc…
Les caractéristiques décrites ci-dessus en relation avec le procédé selon l’invention, notamment concernant la composition de laine minérale, le mélange de matières premières et la matière première de recyclage, s’appliquent également aux autres aspects de l’invention (utilisations de la matière première de recyclage ou du mélange de matières premières comprenant celle-ci, la laine minérale ou le produit d’isolation) bien que celles-ci ne soient pas répétées par soucis de concision.
Les exemples qui suivent illustrent l’invention de manière non-limitative.
Exemples
Des productions de laine minérale ayant une composition chimique cible telle que présentée au tableau1 ont été réalisées à partir de différents mélanges de matières. Le mélange de matières premières de l’exemple comparatif C1 est un mélange classique comprenant de la dolomie comme porteur de magnésium. Dans l’exemple I1 selon l’invention, la dolomie a été totalement substituée par une matière de recyclage selon l’invention. Les compositions des mélanges de matières premières sont détaillées au tableau 2. Le tableau 3 présente la composition chimique de la matière de recyclage.
SiO2 Al2O3 CaO MgO Fe2O3 Na2O K2O TiO2 Autre
% en poids 42,7 22,9 14,4 1,7 5,6 6,7 4,0 1,0 1,0
Composition du mélange de matières premières
(kg)		 C1 I1
Dolomie 63 -
Matière première de recyclage - 100
Bauxite 135,4 45
Calcaire 209 238,4
Phonolite 606 606
Néphéline Syénite 65 65
Oxyde de fer 37,5 34,7
Carbonate de sodium 36 33
SiO2 Al2O3 CaO MgO Fe2O3 Na2O Cl F Autre
% en poids 11,3 68,8 3,2 7,5 4 1,7 0,05 0 3,4
Lors des différentes campagnes de production, il n’a pas été observé de décrépitation au cours des fusions de mélanges de matières premières de l’exemple I1. Cela a pour effet une réduction importante de la quantité d’envol et du risque d’obstruction des régénérateurs par rapport à l’utilisation d’un mélange de matières premières de l’exemple C1. La stabilité de la composition du bain fondu est également améliorée par rapport à l’exemple C1. Enfin il a également été observé une diminution de 2 à 5% des émissions de CO2 lors de la fusion de mélanges de matières première de l’exemple I1 par rapport à celui de l’exemple C1.

Claims (10)

  1. Procédé de fabrication de laine minérale ayant une composition chimique, exprimée en pourcentage pondéral d’oxydes, comprenant:
    SiO230-50%
    Al2O315-35%
    CaO 5-25%
    MgO 1-25%
    Fe2O32-15%
    Na2O+K2O >10%
    ledit procédé comprenant:
    - la fourniture d’un mélange de matières premières;
    - la fusion dudit mélange de matières premières pour obtenir une matière fondue;
    - le fibrage de la matière fondue;
    caractérisé en ce que le mélange de matières premières comprend au moins 8,5% en poids d’une matière première de recyclage comprenant au moins 3% de magnésium, exprimé en poids d’oxydes, ladite matière première de recyclage étant essentiellement exempte de carbonates, et en ce que le mélange de matières premières est exempt de dolomie et de magnésie.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la composition chimique de la laine minérale comprend moins de 0,1% en poids d’halogène.
  3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière première de recyclage comprend moins de 0,9%, de préférence moins de 0,6%, en poids d’halogène.
  4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la matière première de recyclage est exempt de fluor.
  5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la matière première de recyclage comprend jusqu’à 2% en poids d’aluminium métallique.
  6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la matière première de recyclage a une composition chimique, exprimée en poids d’oxydes, comprenant:
    Al2O350 à 80%;
    SiO22 à 25%;
    MgO 3 à 20%;
    Fe2O30,5 à 10%.
  7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la matière première de recyclage présente une composition chimique, exprimée en poids d’oxydes, dont le rapport massique Al2O3/MgO est supérieur à 8.
  8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7; caractérisé en ce que le mélange de matières premières ne comprend pas de briquettes.
  9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le mélange de matières premières comprend au moins 1% en poids de bauxite.
  10. Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la fusion du mélange de matières premières est mise en œuvre dans un four à flamme, notamment un four à brûleurs immergés, et/ou par fusion électrique.
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