NL8100434A - PROCESS FOR THE CONTINUOUS AND CONTROLLED MELTING OF NON-METALLIC MATERIALS. - Google Patents

Description

9 ^ t 70 15039 ^ 70 1503

Werkwijze voor continu en beheerst smelten van niet metallische materialen._Method for continuous and controlled melting of non-metallic materials.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor continu en beheerst smelten van stoffen, die niet metallisch zijn, in het bijzonder anorganische cxyden, bestemd voor de vervaardiging van minerale of keramische vezels.The invention relates to a process for continuous and controlled melting of substances which are not metallic, in particular inorganic oxides, for the manufacture of mineral or ceramic fibers.

5 Minerale vezels worden op grote schaal gebruikt als isoltatiemate- riaal en ais versterkingsmateriaal voor produkten op basis van cement en gips. Hun kwaliteit en hun gedrag tijdens gebruik hangen sterk af van de constantheid van hun fysische en chemische eigenschappen en deze op hun beurt zijn vooral gebonden aan de homogeniteit van het smeltbad, waaruit 10 «is vezels worden gesponnen.5 Mineral fibers are widely used as insulating and reinforcing materials for cement and gypsum based products. Their quality and their behavior during use depend strongly on the constancy of their physical and chemical properties and these in turn are mainly tied to the homogeneity of the molten bath from which 10 fibers are spun.

Eet is bekend, dat reeds geringe afwijkingen in de homogeniteit van de samenstelling, of de temperatuur van het smeltbad, voldoende zijn om de kwaliteit van de verkregen vezels nadelig te beïnvloeden, en dan tevens het rendement van de spinapparatuur, die is opgesteld aan de uit-15 gang van de smeltoven.It is known that already slight deviations in the homogeneity of the composition, or the temperature of the weld pool, are sufficient to adversely affect the quality of the fibers obtained, and then also the efficiency of the spinning equipment, which is arranged on the -15 run of the melting furnace.

„ De bekende installaties om de uitgangsmaterialen voor minerale vezels te smelten zijn vooral koepelovens (95 %) en ovens met al dan niet ondergedompelde elektrische vlsmboog (5 %)· Inductieovens bevinden zich nog in het proefstadium. De gemeenschappelijke eigenschappen van de beken-20 de ovens en de daarmee verkregen smelten zijn, dat het volume van de smelt zeer gering is in verhouding tot het totale volume van de lading of het ovenvolume. Yoor koepelovens ligt deze verhouding tussen 1 : 10 en 1 : 50."The known installations for melting the starting materials for mineral fibers are mainly cupola furnaces (95%) and furnaces with immersed or non-immersed electric arc (5%). Induction furnaces are still in the trial stage. The common properties of the known furnaces and the melts obtained therewith are that the volume of the melt is very small in relation to the total volume of the load or the furnace volume. For cupola furnaces, this ratio is between 1:10 and 1:50.

Hu is een klein volume van de smelt zeer nadelig voor het onderhavige probleem, omdat geringe afwijkingen in de eigenschappen van de in 25 de oven gevoerde lading zich des te duidelijker uiten in de homogeniteit van de smelt, naarmate het volume van die smelt kleiner wordt.Hu, a small volume of the melt is very detrimental to the present problem, because small deviations in the properties of the charge fed into the oven are all the more evident in the homogeneity of the melt, as the volume of that melt decreases.

Continu smelten van organische ozyden is een zeer zorgvuldige bewerking, waarbij variaties in temperatuur of in chemische samenstelling en alle andere factoren, die invloed hebben op de homogeniteit van de gevorm-30 de smelt, in staat zijn een goed functioneren van de spininrichting te verstoren. Verder zal stoppen van deze spininrichting bijvoorbeeld omdat verstoppingen optreden door ontijdig stollen van de smelt, leiden tot storingen in de gehele produktieapparatuur.Continuous melting of organic oxides is a very careful operation, whereby variations in temperature or in chemical composition and all other factors influencing the homogeneity of the melt formed are capable of interfering with the proper functioning of the spinning device. Furthermore, stopping this spinning device, for example because blockages occur due to premature solidification of the melt, will lead to malfunctions in the entire production equipment.

Verder is gebleken, dat bij toepasssen van bekende smeltmethoden met 35 continue stroming, de vloeistofstraal, die uit de gietopeningen treedt, onregelmatig is door drukvariaties in de oven, welke werken op een betrekke- 8100434 ί -2- lijk klein volume gesmolten materiaal en door temperatuurvariaties, welke leiden tot variaties in de diameter van de gietopening. Dergelijke variaties stroomopwaarts van de gietopening zijn moeilijk te "beheersen omdat in dat gebied de vloeistofmassa heterogeen is.Furthermore, it has been found that when using known continuous flow melting methods, the liquid jet exiting the pouring holes is irregular due to pressure variations in the furnace acting on a relatively small volume of molten material and by temperature variations, which lead to variations in the diameter of the pouring opening. Such variations upstream of the pouring opening are difficult to control because the liquid mass in that region is heterogeneous.

5 Het doel van de uitvinding is daarom een werkwijze te verschaffen voor continu en beheerst smelten van anorganische oxyden, die vrij is van de nadelen, die optreden bij de bekende werkwijzen.The object of the invention is therefore to provide a process for continuous and controlled melting of inorganic oxides, which is free from the drawbacks that occur in the known processes.

Dit doel wordt bereikt met de werkwijze volgens de uitvinding, die is gekenmerkt door toepassen van een gesloten ruimte, voorzien van een . 30 vuurvaste bekleding, bijvoorbeeld op basis van koolstof en van elektrische verwarmingsmiddelen (bijvoorbeeld ondergedompelde elektroden), welke ruimte een smeltbad bevat met een massa van tenminste 8 ton, terwijl men continu uit dit bad een zodanige hoeveelheid smelt afvoert, dat per uur minder dan de helft van de totale hoeveelheid smelt wordt afgevoerd en aan 35 deze smelt een even grote hoeveelheid wordt toegevoerd.This object is achieved with the method according to the invention, which is characterized by using a closed space, provided with a. Refractory lining, for example on the basis of carbon and of electrical heating means (for instance immersed electrodes), which space contains a melting bath with a mass of at least 8 tons, while an amount of melt is continuously discharged from this bath, so that per hour less than the half of the total amount of melt is discharged and an equal amount is supplied to this melt.

De gedachte die aan deze uitvinding ten grondslag ligt wijkt af van het principe van smelten in koepelovens, waarbij men betrekkelijk geringe hoeveelheden smelt, die bestemd zijn om rechtstreeks te worden gegoten en omgezet in vezels en de uitvinding houdt rekening met de bijzondere eisen 2Q gesteld door het op te lossen probleem. De werkwijze volgens de uitvinding is dus gebaseerd op handhaven van een voldoend grote verblijftijd om de verschillende intermoleculaire en intramoleculaire reacties, die optreden tijdens het smelten van de uitgangsmaterialen, te doen aflopen en om het bad chemisch en thermisch homogeen te maken.The idea underlying this invention deviates from the principle of melting in cupola furnaces, whereby relatively small amounts of melt are intended for direct casting and converted into fibers and the invention takes into account the special requirements 2Q imposed by the problem to be solved. Thus, the process of the invention is based on maintaining a sufficiently long residence time to complete the various intermolecular and intramolecular reactions that occur during the melting of the starting materials and to render the bath chemically and thermally homogeneous.

25 Bij toepassen van een mengsel van hoogovenslak van 30 - 35 % SiO^ dient de verblijftijd te liggen bij ongeveer 2 uur, hetgeen mogelijk wordt met de werkwijze volgens de uitvinding (bij een nuttige massa van 8 ton wordt de capaciteit ongeveer ^ ton/uur). Behalve de homogeniteit van het bad, die verkregen wordt door een voldoend lange verblijftijd, verkrijgt 30 men ook een grote thermische homogeniteit, verkregen door de grote traagheid van het bad ten opzichte van ongewenste temperatuurvariaties. Deze traagheid maakt het mogelijk het voor verwarming toegevoerde vermogen op juiste wijze te regelen om daaidoor de thermische verliezen te compenseren, die worden veroorzaakt door continue toevoer van uitgangsmaterialen, welke 35 toevoer weer afhangt van de afvoer uit het bad via een regeling van de druk in de ovenruimte. Volgens de uitvinding past men een geheel luchtdichte ovenruimte toe, zodat men de druk zeer nauwkeurig kan regelen, bijvoorbeeld met een vlinderklep in de schoorsteen.When using a blast furnace slag mixture of 30 - 35% SiO4, the residence time should be about 2 hours, which is made possible by the method according to the invention (with a useful mass of 8 tons, the capacity becomes about ^ tons / hour ). In addition to the homogeneity of the bath, which is obtained by a sufficiently long residence time, a great thermal homogeneity is also obtained, obtained by the high inertia of the bath with regard to undesired temperature variations. This inertia makes it possible to properly control the power supplied for heating in order to compensate for the thermal losses caused by the continuous supply of raw materials, which supply in turn depends on the discharge from the bath via a control of the pressure in the oven cavity. According to the invention, a completely airtight oven space is used, so that the pressure can be controlled very accurately, for instance with a butterfly valve in the chimney.

81004348100434

Jr -3-Jr -3-

JJ

Volgens sen eerste uitvoeringsvorm van de uitvinding kan men boven de smelt een overdruk handhaven, hetzij door boven het niveau van dit bad een neuzraal of reducerend gas in te blazen, hetzij door een dergelijk gas of gasmengsel rechtstreeks in de massa van het bad te blazen door de bodem 5 van de ovenruimte of door een holle ondergedompelde elektrode. Om boven het bad een constante ovderdruk te hand·-haven is het dan voldoende, de vlinderklep te besturen, afhankelijk van het verschil tussen de gemeten druk en de gewenste druk. Ook kan men een constante overdruk handhaven door de uit het bad ontwijkende dampen opgesloten te houden in de oven-•30-ruimte en de klep zodanig te besturen, dat de druk constant 'wordt gehouden.According to the first embodiment of the invention, an overpressure can be maintained above the melt, either by blowing a nasal or reducing gas above the level of this bath, or by blowing such a gas or gas mixture directly into the mass of the bath by the bottom of the oven cavity or by a hollow immersed electrode. It is then sufficient to control the butterfly valve above the bath, depending on the difference between the measured pressure and the desired pressure. It is also possible to maintain a constant overpressure by keeping the vapors escaping from the bath enclosed in the oven space and controlling the valve so that the pressure is kept constant.

Volgens een tweede uitvoeringsvorm handhaaft men boven het bad een onderdruk. Daarvoor is het voldoende parallel op de schoorsteen een variabele luchtzuigponp aan te sluiten en de normale ontluchtingsopening hermetisch af te sluiten. Eet gebied waarover de druk volgens de uitvinding -35- variabel is, is van de grootteorde van 0,5 bar, hetgeen voldoende is om de stroomsnelheid door de gietopening te regelen als functie van de diepte van het bad in de oven en van de variatie in de diameter van de gietopening, zodat men een stroomsnelheid verkrijgt, die met de tijd niet varieert. Dit laatste is onmisbaar om een optimaal rendement te krijgen 20 voor de seininstallatie en een constante kwaliteit van de verkregen vezels. Voor de voeding van de oven kan men een continue of discontinue toevoer gebruiken van materialen, die ofwel vast zijn, ofwel tevoren zijn gesmolten, bijvoorbeeld hoogovenslak. Het is duidelijk, dat voeding met vloeibare stoffen het energieverbruik van de oven aanzienlijk zal vermin-25 deren, terwijl men dan ook de problemen vermijdt, die anders optreden bij opstarten van de installatie, uitgaande van een lading, die voor 100 % vast is.According to a second embodiment, an underpressure is maintained above the bath. For this it is sufficient to connect a variable air suction pump parallel to the chimney and to close the normal vent opening hermetically. The range over which the pressure according to the invention is variable is of the order of 0.5 bar, which is sufficient to control the flow rate through the pouring opening as a function of the depth of the bath in the oven and the variation in the diameter of the pouring opening, so that a flow rate is obtained which does not vary with time. The latter is indispensable to obtain an optimum efficiency for the signaling installation and a constant quality of the fibers obtained. For the feeding of the furnace, one can use a continuous or discontinuous supply of materials that are either solid or pre-melted, for example blast furnace slag. Clearly, liquid feed will significantly reduce the energy consumption of the furnace, while avoiding the problems otherwise encountered at plant start-up from a 100% solid load.

De continue of discontinue toevoer van vloeibare materialen kan doelmatig worden uitgevoerd, uitgaande van een gesloten houder, die vast is 30 opgesteld of verplaatsbaar kan zijn en die voorzien is van een isolerende bekleding en van verwarmingsmiddelen.The continuous or discontinuous supply of liquid materials can be efficiently carried out, starting from a closed container, which is fixedly arranged or can be moved and which is provided with an insulating coating and with heating means.

Het vervoer van tevoren gesmolten materialen uit deze houder naar de eigenlijke gietoven wordt uitgevoerd door een luchtdichte leiding, met een binnenwand van grafiet. Het vervoer van deze vloeistof kan plaatsvin-35 den door zwaartekracht, wanneer de plaats van de transporthouders ten opzichte van de oven dit mcgelijk maakt of, wanneer deze houder verplaatsbaar is, ook door de houder onder druk te brengen met een neutraal of reducerend gas en/of door in de oven een onderdruk tot stand te brengen.The transport of pre-melted materials from this container to the actual casting furnace is carried out through an airtight pipe, with an inner wall of graphite. The transport of this liquid can take place by gravity, if the position of the transport containers relative to the furnace makes it equal or, if this container is movable, also by pressurizing the container with a neutral or reducing gas and / or by creating a negative pressure in the oven.

8100434 i- -U-8100434 i- -U-

Bij een. tij zonder gunstige uitvoeringsvorm van de uitvinding homogeniseert men zovel de samenstelling als de temperatuur van het bad door langs de bodem of door elektroden een neutraal of reducerend gas door de smelt te laten borrelen.At one. In the absence of a favorable embodiment of the invention, the composition is homogenized as much as the temperature of the bath by bubbling a neutral or reducing gas through the melt along the bottom or by electrodes.

5 Omdat men volgens de uitvinding verkt in een beheerste atmosfeer, die neutraal is of reducerend, is het mogelijk, in de oven een bekleding toe te passen van koolstof of grafiet. Dit brengt tvee grote voordelen mee: Aan de ene kant vorden vuurvaste materialen op basis van koolstof niet bevochtigd door gesmolten minerale oxyden; ten tveede maken deze 10 vuurvaste materialen het mogelijk te verken bij temperaturen tot boven 2000°C zonder uitvendige koeling, vaardoor aanzienlijke onkosten vorden vermeden. Het zal duidelijk zijn, dat een eerste voorvaarde voor een lange levensduur van een vuurvast materiaal op basis van koolstof is de afvezigheid van zuurstof of andere stoffen, die in staat zijn zuurstof 15 te ontvikkelen tijdens hun thermische ontleding. Wanneer men daarom van plan is hoogovenslak als uitgangsmateriaal te gebruiken, moet men rekening houden met de eventuele aanwezigheid van in de slak achtergebleven hoeveelheden ijzeroxyde, welke.bij de verkvijze volgens de uitvinding niet vervaarloosd mogen vorden.Since the invention is in a controlled atmosphere which is neutral or reducing, it is possible to use a coating of carbon or graphite in the oven. This brings great advantages: On the one hand, carbon-based refractories are not wetted by molten mineral oxides; In addition, these 10 refractories allow exploration at temperatures above 2000 ° C without external cooling, avoiding significant expense. It will be understood that a first condition for a long life of a carbon refractory is the absence of oxygen or other substances capable of de-oxygenating during their thermal decomposition. Therefore, if one intends to use blast furnace slag as a starting material, one must take into account the possible presence of iron oxide residues in the slag, which must not be neglected in the process according to the invention.

20 Volgens de uitvinding kan men de vuurvaste bekleding op basis van koolstof beschermen tegen oxydatie door poedervormige reductiemiddelen in het bad te blazen samen met het doorborrelende gas of door deze poeders toe te voegen aan de toegevoerde materialen; dergelijke poedervormige materialen zijn bijvoorbeeld koolstof, petroleumkooks, grafiet of 25 teer. Inblazen volgens de uitvinding van koolstof bevattende materialen, bij voorkeur teer of een mengsel van teer met grafiet, maakt het enerzijds mogelijk op de ovenvanden een herstellende bekledingslaag aan te brengen en anderzijds om continu reducerende gassen te produceren, die gevenst zijn bij de onderhavige verkvijze, terwijl men dan tegelijk het 30 verbruik aan neutraal gas (stikstof, argon) aanzienlijk kan verminderen; deze laatste gassen zijn betrekkelijk duur en bij toepassing van teer kunnen ze in extreme gevallen zelfs geheel overbodig vorden. In gevallen, vaarin men een betrekkelijk groot restgehalte aan ijzeroxyde venst (bijvoorbeeld 8 - 10 %) is het doelmatig de koolstofbekleding te vervangen 35 door een bekleding met chroomoxyde of met chroom-magnesiumoxyde.According to the invention, the carbon-based refractory coating can be protected from oxidation by blowing powdered reducing agents into the bath together with the bubbling gas or by adding these powders to the materials supplied; such powdered materials are, for example, carbon, petroleum coke, graphite or tar. Blowing according to the invention of carbon-containing materials, preferably tar or a mixture of tar with graphite, makes it possible on the one hand to apply a recovering coating layer on the furnace walls and on the other hand to produce continuously reducing gases which are advantageous in the present process, while at the same time the consumption of neutral gas (nitrogen, argon) can be considerably reduced; the latter gases are relatively expensive and when tar is used, in extreme cases they may even become superfluous. In cases where a relatively large residual iron oxide window content (eg 8-10%) is preferred, it is expedient to replace the carbon coating with a coating with chromium oxide or with chromium-magnesium oxide.

Men kan ook samen met de doorborrelende gassen een gewenste hoe»' veelheid toeslagen in het bad brengen, die in staat zijn bij de hoge temperaturen te ontleden onder vorming van neutrale of reducerende gassen.It is also possible to add a desired amount of additives to the bath together with the bubbling gases, which are capable of decomposing at high temperatures to form neutral or reducing gases.

81004348100434

Claims (10)

1. Werkwijze om niet metallische materialen continu en "beheerst te smelten, in het "bijzonder anorganische oxyden, bestemd voor fabricage van minerale vezels, met het kenmerk, dat men een luchtdichte ovenruimte toepast, die is voorzien van een vuurvaste bekleding bij voorkeur op ba-5 sis van koolstof en van elektrische verwarmingsmiddelen welke een vloei-stofbad bevat met een massa van tenminste 8 ton, terwijl men uit dit bad continu een zodanige hoeveelheid vloeistof af voert, dat de af voer per uur kleiner is dam de helft van de in het bad aanwezige massa en het bad aanvult met een hoeveelheid, die gelijk is aan de afvoer.Process for the continuous and "controlled melting" of non-metallic materials, in particular "inorganic oxides, for the manufacture of mineral fibers, characterized in that an airtight oven space is provided, which is provided with a refractory lining, preferably on ba -5 sis of carbon and of electric heating means which contains a liquid bath with a mass of at least 8 tons, while an amount of liquid is continuously discharged from this bath, so that the discharge per hour is smaller than half of the mass present in the bath and replenish the bath with an amount equal to the discharge. 2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat men de afvoer uit het bad regelt door regelen van de druk boven het vloeistofniveau.A method according to claim 1, characterized in that the discharge from the bath is controlled by controlling the pressure above the liquid level. 3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat men boven het vloeistofniveau een overdruk handhaaft. k. Werkwijze volgens conclusies 1 - 3,.met het kenmerk, dat men boven 15 het oppervlak van het bad een neutraal of reducerend gas of gasmengsel inblaast om boven het bad een overdruk te handhaven.Method according to claim 1 or 2, characterized in that an overpressure is maintained above the liquid level. k. Process according to claims 1-3, characterized in that a neutral or reducing gas or gas mixture is blown in above the surface of the bath in order to maintain an overpressure above the bath. 5. Werkwijze volgens conclusies 1-3, met het kenmerk, dat men in het bad een neutraal of reducerend gas of gasmengsel inblaast om boven het bad een constante druk te handhaven.5. Process according to claims 1-3, characterized in that a neutral or reducing gas or gas mixture is blown into the bath in order to maintain a constant pressure above the bath. 6. Werkwijze volgens conclusies 1-3, met het kenmerk, dat men een gedeelte van de dampen zodanig uit de ovenruimte afvoert, dat boven het bad een constante druk wordt gehandhaafd.6. Process according to claims 1-3, characterized in that a part of the vapors is discharged from the oven space in such a way that a constant pressure is maintained above the bath. 7. Werkwijze volgens conclusies 1-2, met het kenmerk, dat men boven het bad een onderdruk handhaaft.Method according to claims 1-2, characterized in that an underpressure is maintained above the bath. 8. Werkwijze volgens conclusies 1 en 7, met het kenmerk, dat men on der invloed van de onderdruk vloeibaar toevoermateriaal afzuigt naar de ovenruimte uit een daarvan gescheiden houder.Method according to claims 1 and 7, characterized in that, under the influence of the underpressure, liquid feed material is extracted to the oven space from a container separated therefrom. 9· Werkwijze volgens conclusies 1-8, met het kenmerk, dat men liet bad homogeniseert door via de bodem of door holle elektroden een neutraal 30 of reducerend gas door de smelt te laten borrelen.9. Process according to claims 1-8, characterized in that the bath is homogenized by bubbling a neutral or reducing gas through the melt through the bottom or through hollow electrodes. 10. Werkwijze volgens conclusies 1 - 9, met het kenmerk, dat men bin nen de oven een reducerende atmosfeer handhaaft door in het bad samen met de doorborrelende gassen een gewenste hoeveelheid poedervormige reducerende stoffen in te blazen, bijvoorbeeld koolstof of petroleumkooks. 8100434 i- -6- 11„ Werkwijze volgens conclusies 1 — 10, .met het kenmerk, dat men tijdens het smelten op de vuurvaste bekleding van de oven een herstellende bekledingslaag aahbrengt door samen met de doorborrelende gassen een gekozen hoeveelheid poedervormige toevoegsels in te blazen, bijvoorbeeld 5 grafiet, teer of teer en grafiet.Process according to claims 1 to 9, characterized in that a reducing atmosphere is maintained inside the oven by blowing a desired amount of powdered reducing substances into the bath together with the bubbling gases, for example carbon or petroleum coke. 8100434 1-6- Process according to Claims 1 to 10, characterized in that a recovering coating is applied to the refractory lining of the furnace during melting by blowing a chosen amount of powdered additives together with the bubbling gases. , for example, graphite, tar or tar and graphite. 12. Werkwijze volgens conclusies 1-11, met het kenmerk, dat men samen met de doorborrelende gassen een gekozen hoeveelheid toevoegsels inblaast, welke bij thermische ontleding neutrale of reducerende gassen vormen. 8 1 0 0 4 3 412. Process according to claims 1-11, characterized in that, together with the bubbling gases, a chosen quantity of additives is blown in, which form neutral or reducing gases on thermal decomposition. 8 1 0 0 4 3 4