(86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/FI01/01126 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (21) Numer zgłoszenia: (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/FI01/01126 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: , WO02/ PCT Gazette nr 27/02 (51) Int.Cl. C03C 13/06 ( ) (54) Wsad surowcowy do wytwarzania włókien mineralnych i sposób wytwarzania włókien mineralnych (30) Pierwszeństwo: ,FI, (73) Uprawniony z patentu: PAROC OY AB,Vantaa,FI (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 19/04 (72) Twórca(y) wynalazku: Jan Hakala,Turku,FI (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 03/08 (74) Pełnomocnik: Dorota Orlińska, POLSERVICE, Kancelaria Rzeczników Patentowych Sp. z o.o. PL B1 (57) 1. Wsad surowcowy do wytwarzania włókien mineralnych, znamienny tym, że zawiera skałę leukogabro, troktolit oraz dolomit, w następujących ilościach: 7. Sposób wytwarzania włókien mineralnych, znamienny tym, że wytwarza się stop ze wsadu surowcowego zawierającego skałę leukogabro, troktolit oraz dolomit, w następujących ilościach: - dolomit w ilości 5 do 30% wagowych, a następnie z tak otrzymanego stopu formuje się włókna.

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest wsad surowcowy do wytwarzania włókien mineralnych i sposób wytwarzania włókien mineralnych, przy czym w sposobie wykorzystuje się wsad według wynalazku. Wsad surowcowy może być stosowany zwłaszcza do wytwarzania włókien mineralnych o zwiększonej zawartości Al 2 O 3. Glin jest pożądanym składnikiem włókien wełny mineralnej, gdyż poprawia on wytrzymałość cieplną włókien mineralnych oraz wytworzonych z nich wyrobów z wełny mineralnej. Gdy glin jest włączony w ilości w przybliżeniu 15 do 25% wagowych w przeliczeniu na Al 2 O 3, to włókno takie wykazuje również poprawioną rozpuszczalność w płynach biologicznych. Tradycyjnie stosowano boksyt jako główne źródło glinu, gdy wytwarzano włókna mineralne w procesie produkcyjnym wełny mineralnej. Jednakże z punktu widzenia zachowania się przy topnieniu oraz charakterystyk topnienia, boksyt nie jest optymalnym surowcem dla wprowadzania glinu do stopu. W piecu do stapiania, boksyt nie stapia się jako taki, lecz ulega on kalcynacji, glin rozpuszcza się w stopie krzemianu poprzez pierwsze utworzenie tlenków. Jest to powolny i pochłaniający dużo energii proces. Leukogabro jest lekkim, zawierającym glin materiałem skalnym, który można znaleźć w wielu krajach na wszystkich kontynentach, większe jego pokłady można znaleźć na przykład w Kanadzie, Grenlandii, Norwegii oraz Finlandii. Tego typu skały zawierają zwykle od 25 do 35% wagowych Al 2 O 3. Głównym minerałem w leukogabro jest plagioklaz. Plagioklaz jest stałym roztworem krzemianu zawierającym glin, którego skład mineralny rozciąga się od albitu (NaAlSi 3 O 8 ) do anortytu (CaAl 2 Si 2 O 8 ), przy czym ten skład mineralny zawiera Al 2 O 3 w ilości mieszczącej się w zakresie od 20 do 36% wagowych. Wsady surowcowe do wytwarzania wełny mineralnej również zwykle zawierają tlenki żelaza w postaci dwuwartościowej i trójwartościowej, jak również tlenek magnezu. Żelazo i magnez mają korzystny wpływ na wytrzymałość cieplną włókna. Zwykle ilości wprowadzanego do włókna żelaza stanowią zawartości wynoszące do około 10% wagowych, lecz żelazo może w pewnym stopniu być zastępowane przez magnez. Troktolit jest materiałem skalnym bogatym w żelazo i magnez. Troktolit zwykle zawiera ponad 35% objętościowych minerału oliwinu bogatego w żelazo i magnez, przy czym pozostały minerał stanowi głównie plagioklaz, z mniejszymi ilościami innych minerałów. Oliwin jest stałym roztworem krzemianu zawierającym żelazo i/lub magnez, którego skład mineralny rozciąga się od forsterytu bogatego w magnez do fajalitu bogatego w żelazo. W zależności od rodzaju troktolitu, troktolit może zawierać postać żelaza w ilości większej od w przybliżeniu 10% wagowych, nawet do ilości tak wysokich jak w przybliżeniu 40% wagowych. Zawartość magnezu z kolei może zmieniać się od w przybliżeniu 5% wagowych nawet do w przybliżeniu 20% wagowych. Troktolit jest zatem potencjalnym źródłem żelaza i magnezu dla inkluzji we wsadzie mineralnym dla włókien mineralnych. Wsad surowcowy do wytwarzania włókien mineralnych zwykle zawiera również składniki topnikowe do kontrolowania i regulowania lepkości stopu mineralnego. Takie topniki zwykle stanowią związki zawierające wapń i magnez. Również skałę dolomitową stosuje się jako składnik topnikowy oraz jako źródło wapnia i magnezu. Jednakże dolomit posiada taką niedogodność, że gdy stosuje się go w dużych ilościach we wsadzie, to ma on skłonność do pienienia się, co nie jest cechą pożądaną w stopie w warunkach wytwarzania włókna. Dodatkowo dolomit powoduje wzrost emisji dwutlenku węgla ze stopu, który z punktu widzenia ochrony środowiska nie jest pożądany. Taka emisja nieodzownie oznacza również straty energii powstałe przy produkcji włókna. Istota wynalazku Celem wynalazku jest dostarczenie wsadu surowcowego do wytwarzania włókien mineralnych, który jest nie tylko optymalny z punktu widzenia składu chemicznego stopu i co za tym idzie składu chemicznego wytwarzanego włókna, zwłaszcza w odniesieniu do zawartości glinu oraz żelaza/magnezu, lecz który także zapewnia uzyskanie stopu o dobrym zachowaniu się podczas stapiania oraz o dobrych charakterystykach topienia. Kolejnym celem wynalazku jest zapewnienie wsadu surowcowego, w którym część dolomitu włączonego w celach topnikowych zastąpiono minerałami zawierającymi wapń i magnez, pozwalając na tworzenie stopu o mniejszych stratach energii i mniejszym obciążeniu środowiska. Alternatywnie, wynalazek pozwala na tworzenie stopu o zwiększonej zawartości wapnia i magnezu bez jednoczesnego zwiększania obciążenia środowiska w postaci zwiększonej emisji dwutlenku węgla.

3 PL B1 3 Powyższe cele osiągnięto dzięki wsadowi surowcowemu według wynalazku, który zawiera skałę leukogabro, troktolit oraz dolomit w następujących ilościach Szczegółowy opis wynalazku Bardziej szczegółowo, wsad surowcowy według wynalazku zawiera: - leukogabro w ilości 25 do 45% wagowych, - troktolit w ilości 5 do 20% wagowych, oraz Dodatkowo, wsad surowcowy może zawierać pewną ilość jednego lub więcej materiałów skalnych wybranych z grupy zasadowych lub ultrazasadowych skał obejmującej gabro, diabaz, bazalt oraz perydotyt. Zwykle wsad surowcowy według wynalazku zawiera 7 do 58% wagowych takich skał. W niniejszym opisie określenie leukogabro oznacza materiał skalny, który zawiera ponad 65% objętościowych minerału plagioklazu. Korzystnie zawartość anortytu w takim minerale plagioklazie powinna wynosić co najmniej 50% molowych. W niniejszym opisie określenie troktolit obejmuje wszelki materiał skalny troktolitu, który zawiera ponad 50% objętościowych minerału oliwinu. Korzystnie zawartość fajalitu w takim minerale oliwinie powinna wynosić co najmniej 35% molowych. Korzystnie zakres ten powinien wynosić od 35 do 65% molowych. Oprócz wyżej wymienionych głównych składników możliwe jest także włączenie do takiego wsadu surowcowego recyklowanych materiałów mineralnych, takich jak nadmiar włókien lub materiału nieuformowanego we włókna, tak zwane perły, lub też materiały odpadowe z różnych procesów przemysłowych, takie jak procesy flotacyjne, żużel, szkło, i/lub wyroby cementowe, itd. Dzięki zastosowaniu leukogabro jako źródło glinu, uzyskuje się lepsze zachowanie się stopu tworzonego ze wsadu surowcowego według wynalazku, na przykład większą lepkość oraz niższe napięcie powierzchniowe, w porównaniu z zastosowaniem boksytu jako źródła glinu. Jest to spowodowane faktem, iż w leukogabro glin związany jest jako sól z krzemianem, to znaczy jako krzemian glinu. W konsekwencji tego nie ma potrzeby aby surowiec poddawać kalcynacji lub wytwarzaniu krzemianu, tak jak ma to miejsce w przypadku boksytu, który musi być kalcynowany z wodorotlenku glinowego. A zatem ten właśnie minerał zawierający glin stapia się łatwiej i potrzebuje na to mniej energii, niż materiały tradycyjne. Podobne korzyści w odniesieniu do zachowania się stopu można także uzyskać poprzez zastosowanie jako źródło żelaza i magnezu raczej troktolitu niż materiałów tradycyjnych. Szczególnie cenne korzyści można uzyskać w porównaniu do zastosowania tradycyjnych źródeł zawierających żelazo, takich jak rudy żelaza, w których żelazo głównie związane jest w postaci wodorotlenków i siarczanów, jako jedynego źródła. Takie inkluzje niezmiennie oznaczają straty w postaci zredukowanego żelaza metalicznego, który zbiera się na dnie pieca, i/lub straty energii w postaci emisji pary wodnej, i/lub obciążenia dla środowiska w postaci emisji siarki. A zatem poprzez zastosowanie materiałów skalnych leukogabro oraz troktolitu w połączeniu ze wsadem surowcowym, możliwe jest wprowadzenie do stopu, a tym samym do włókna, glinu oraz żelaza/magnezu w pożądanych ilościach w wyżej rozważanym celu. Poza tym, możliwe jest wpływanie na zachowanie się tego wsadu surowcowego podczas stapiania, gdyż minerały metaliczne związane z krzemianem ułatwiają proces stapiania i nadają stopowi lepkość w zakresie odpowiednim dla tworzenia włókien. Dodatkowo można uniknąć strat energii. Dzięki zastosowaniu wsadu surowcowego według wynalazku możliwe jest wytwarzanie włókien mineralnych posiadających zwykle następujący skład wyrażony w procentach wagowych: SiO Al 2 O CaO MgO 5-20 FeO 4-12 Na 2 O + K 2 O 0-4 TiO inne 0-4

4 4 PL B1 Bardziej szczegółowo włókna takie mogą posiadać następujący skład wyrażony w procentach wagowych: SiO Al 2 O CaO MgO 5-20 FeO 4-12 Na 2 O + K 2 O 0-4 TiO inne 0-4 Wsad surowcowy według wynalazku może być wprowadzany do pieca elektrycznego, gdzie jest stapiany z zastosowaniem elektrod, które sięgają do wnętrza tego wsadu. Alternatywnie wsad surowcowy według wynalazku może być wprowadzany do pieca typu żeliwiak, gdzie zwykle jako paliwo stosuje się koks. Zwykle surowiec wprowadza się do pieca w postaci stałych cząstek, przy czym rozmiar cząstek zwykle mieści się w zakresie od kilku milimetrów do przykładowo piętnastu centymetrów. Zgodnie z jednym z przykładów wykonania wynalazku, co najmniej część surowca jest w postaci stałych cząstek, lecz dopuszcza się także stosowanie części surowca w postaci brył. Szczególnie korzystnie troktolit bogaty w fajalit można stosować w postaci brył, bez pojawiania się żadnych poważniejszy problemów ze stapianiem w piecu do stapiania. Zgodnie z jednym z przykładów wykonania wynalazku, surowiec doprowadza się do postaci stałych cząstek, a następnie stałe cząstki surowca prasuje się do postaci brykietów o pożądanych rozmiarach i kształtach, stosując tradycyjne techniki i wyposażenie do brykietowania, takie jak techniki prasowania wibracyjnego. Brykiety korzystnie zawierają środek wiążący dla surowca, taki jak cement, glina, szkło wodne, lub organiczne środki wiążące takie jak melasa. Sposób wytwarzania brykietów jako taki jest dobrze znany specjalistom biegłym w stanie techniki. Przedmiotem wynalazku jest także sposób wytwarzania włókien mineralnych, charakteryzujący się tym, że wytwarza się stop ze wsadu surowcowego zawierającego skałę leukogabro, troktolit oraz dolomit, w następujących ilościach: - dolomit w ilości 5 do 30% wagowych, a następnie z tak otrzymanego stopu formuje się włókna. Jako metodę formowania włókien można tutaj zastosować dowolną metodę znaną ze stanu techniki odpowiednią do formowania włókien ze stopu mineralnego. Jedna z odpowiednich metod stosuje układ do przędzenia włókien typu kaskadowego. W metodzie tej wytwarza się strumień stopionego materiału mineralnego w celu dostarczenia go, seryjnie, do wielu kolejnych rotorów przędzalniczych. Podczas tego procesu stopiony stop jest skutecznie wyciągany do postaci włókien o odpowiedniej długości i grubości. W sposobie tym korzystnie stosuje się wsad surowcowy zawierający: - leukogabro w ilości 25 do 45% wagowych, - troktolit w ilości 5 do 20% wagowych, oraz Ponadto, w sposobie tym stosuje się wsad surowcowy, który może zawierać 7 do 58% wagowych jednego lub więcej zasadowych lub ultrazasadowych materiałów skalnych wybranych z grupy obejmującej gabro, diabaz, bazalt oraz perydotyt. Wynalazek zostanie poniżej opisany w odniesieniu do następujących przykładów, które jednak w żadnym razie nie powinny ograniczać jego zakresu. P r z y k ł a d 1 Przygotowano wsady surowcowe poprzez drobne rozdrobnienie i zmieszanie ze sobą materiałów skalnych wymienionych w Tabelach 1, 2 oraz 3, we wskazanych ilościach wyrażonych jako procenty wagowe.

5 PL B1 5 T a b e l a 1 Wsad % wagowe % wagowe % wagowe % wagowe % wagowe leukogabro ,5 35,5 34,5 perydotyt 30,5 17, ,5 troktolit 13, ,5 13,5 13 gabro dolomit 16 22, suma 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 T a b e l a 2 Wsad % wagowe % wagowe % wagowe leukogabro 28 28,5 28,5 troktolit 9,5 14,5 13,5 diabaz 37,5 15,5 32,5 dolomit 25 13,5 25,5 odpady z wirowania cement - 6,4 - oliwin - 4,4 - suma 100,0 100,0 100,0 T a b e l a 3 Wsad % wagowe % wagowe % wagowe IV % wagowe V % wagowe VI leukogabro bazalt 28,5 28, troktolit metagabro gabro 16 15, dolomit 18, perydotyt suma 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 Przeprowadzono następne próby, w których przygotowano trzy wsady według wynalazku (wsady oznaczone I, II oraz III), jak również wsad porównawczy (oznaczony Comp. ), w którym jako źródło glinu zastosowano boksyt zamiast leukogabro. Mierzono lepkości uzyskanych stopów, zapisana wartość dla wsadu I była wartość średnia z dwóch pomiarów, a dla wsadów II oraz III była to wartość średnia z ośmiu oraz z sześciu pomiarów, odpowiednio. Wartości dla wsadu boraksowego Comp. były wyliczane jako średnia z 18 pomiarów. Wyniki przedstawiono w Tabeli 4. W tym przypadku pomiary wiskozymetrem dają tylko względne wartości lepkości przy porównywaniu lepkości między różnymi stopami. Pomiary te przeprowadzono w prostym urządzeniu, które składało się ze zbiornika w kształcie stożka do odbierania stopu, który to zbiornik otwierał się w pionowy wał załączony do jego dna. Stop najpierw przepływał krótką odległość przez ten pionowy wał, a następnie wpływał do poziomej rury załączonej do otworu w pionowym wale. W zależności od lepkości

6 6 PL B1 stopu, stop przepływa tę odległość wewnątrz pionowego wału dopóki stop ten nie zestali się po schłodzeniu. Im mniejsza jest lepkość takiego stopu, tym dalej wewnątrz poziomej rury stop przepływa przed zastygnięciem. Pozioma rura posiada na swoim drugim końcu patyczek do mierzenia, który można wsunąć do jej wnętrza poprzez otwór rury. Odległość jaką przebył stop do momentu jego zestalenia jest zatem mierzona jako głębokość na jaką można wsunąć ten patyczek do mierzenia do wnętrz rury dopóki nie osiągnie on zestalonego stopu. A zatem, wyższa wartość dla głębokości wsunięcia patyczka w mm oznacza wyższą lepkość stopu, i na odwrót. T a b e l a 4 Wsad (% wagowe) I II III Comp. perydotyt metagabro 9 14, dolomit ,5 leukogabro troktolit 16 14, żużel wielkopiecowy boksyt ,5 lepkość (mm) 100 mm 108 mm 98 mm 80 mm Z uzyskanych wyników można zobaczyć, że poprzez zastosowanie jako źródła glinu raczej leukogabro niż boksytu, można otrzymać stosunkowo wysoki wzrost lepkości, przy czym składy poszczególnych wsadów I, II oraz III są względnie do siebie podobne. W poniższej Tabeli 5 przedstawiono dane dotyczące kompozycji wsadów I, II oraz III, jak również wsadu porównawczego oznaczonego Comp.. Oprócz tego włączono tutaj także dane dotyczące kompozycji włókien wykonanych ze wsadów IV, V oraz VI przedstawionych w Tabeli 3. Skład (% wagowe) T a b e l a 5 I II III Comp. IV V VI SiO 2 42,1 42,2 42,2 42,2 46,2 45,5 43,7 Al 2 O 3 17,2 16,7 16,9 16,6 14,2 15,1 16,0 CaO 17,1 17,3 17,9 17,5 15,6 16,2 17,1 MgO 13,3 13,4 13,2 12,5 12,9 12,4 12,7 FeO 6,9 6,9 6,5 6,8 7,0 6,9 6,8 Na 2 O + K 2 O 2,1 2,1 2,1 2,6 2,8 2,6 2,4 TiO 2 1,1 1,1 1,0 1,2 1,1 1,1 1,1 inne 0,2 0,3 0,2 0,4 0,2 0,2 0,2 Zastrzeżenia patentowe 1. Wsad surowcowy do wytwarzania włókien mineralnych, znamienny tym, że zawiera skałę leukogabro, troktolit oraz dolomit, w następujących ilościach:

7 PL B Wsad surowcowy według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera: - leukogabro w ilości 25 do 45% wagowych, - troktolit w ilości 5 do 20% wagowych, oraz 3. Wsad surowcowy według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że zawiera 7 do 58% wagowych jednego lub więcej materiałów skalnych wybranych z grupy obejmującej gabro, diabaz, bazalt oraz perydotyt. 4. Wsad surowcowy według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienny tym, że minerał plagioklaz w leukogabro zawiera co najmniej 50% molowych skalenia wapniowego - anortytu. 5. Wsad surowcowy według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, znamienny tym, że minerał oliwin w troktolicie zawiera co najmniej 35% molowych fajalitu. 6. Wsad surowcowy według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, albo 5, znamienny tym, że wsad ten co najmniej częściowo jest w postaci brykietów sprasowanych ze stałych cząstek surowca. 7. Sposób wytwarzania włókien mineralnych, znamienny tym, że wytwarza się stop ze wsadu surowcowego zawierającego skałę leukogabro, troktolit oraz dolomit, w następujących ilościach: - dolomit w ilości 5 do 30% wagowych, a następnie z tak otrzymanego stopu formuje się włókna. 8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że stosuje się wsad surowcowy zawierający: - leukogabro w ilości 25 do 45% wagowych, - troktolit w ilości 5 do 20% wagowych, oraz 9. Sposób według zastrz. 7 albo 8, znamienny tym, że stosuje się wsad surowcowy zawierający 7 do 58% wagowych jednego lub więcej materiałów skalnych wybranych z grupy obejmującej gabro, diabaz, bazalt oraz perydotyt. 10. Sposób według zastrz. 7 albo 8, albo 9, znamienny tym, że stosuje się wsad surowcowy, który co najmniej częściowo jest w postaci brykietów sprasowanych ze stałych cząstek surowca.

8 8 PL B1 Departament Wydawnictw UP RP Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.