DK174100B1 - Varmeisolerende måtte eller plade samt anvendelse af sammenføjede fibre som varmeisolation - Google Patents

Description

i DK 174100 B1

Opfindelsen angår varmeisolerende måtter eller plader, som er fremstillet af fibre, der er fremstillet ud fra siliciumdioxid, calciumoxid, magnesiumoxid og eventuelt aluminiumoxid. Endvidere angår opfindelsen 5 anvendelsen af disse fibre.

I mange år har uorganiske fibre, der sædvanligvis indenfor industrien omtales som "mineraluldsfibre", været fremstillet ud fra slagge, bjergarter, flyveaske og andre biproduktråmaterialer. Disse fibre har næsten 10 ufravigeligt haft et vist indhold af aluminiumoxid, og har typisk været fremstillet ved smeltning af slaggerne, bjergarterne osv., som indeholder aluminiumoxid og andre oxider, såsom siliciumdioxid, hvorefter det smeltede materiale blæses, ved hjælp af gas eller damp, eller brin-15 ges til at støde mod hurtigt løbende rotorer, derefter opsamling af de opnåede blæste eller spundne fibre på en samleflade. Disse fibre anvendes dernæst i løs form eller i form af måtter, plader og lignende som højtemperaturisolatorer. Mens sådanne mineraluldsisoleringsproduk-20 ter har en vis kommerciel accept, har de imidlertid visse ulemper.

For det første kan slaggen, bjergarterne og andre materialer ud fra hvilke mineraluldsfibre sædvanligvis fremstilles indeholde relativt store mængder af uønske-25 de oxider og andre materialer, som ikke bibringer de fremstillede fibre en vis grad af ildfasthed og i mange tilfælde faktisk forringer den. Dette påvirker desuden fibrenes generelle brandresistensegenskaber i uheldig retning. Da slaggen, bjergarterne og andre biproduktrå-30 materialer varierer så meget i sammensætning, er det yderligere meget tidskrævende, beværligt og i mange tilfælde faktisk umuligt at forsøge at kontrollere de fremstillede fibres metaloxidindhold tilstrækkeligt, indenfor fastsatte grænser. Dette betyder beklageligvis, at 35 mineraluldsfibre anvendt i løs form eller i form af mat- DK 174100 B1 2 ter, plader eller lignende ikke reelt kan garantere en kontinuerlig anvendelsestemperatur. De ved fremstillingen og anvendelsen af traditionelle mineralulds fibre nævnte problemer viser, at der er behov for forbedrin- 5 ger.

Industrien har behov for en relativt billig og effektiv erstatning for tradionelle mineralulds fibre.

Det vil specielt være ønskeligt med en erstatningsfiber, der er let at fremstille og kontrollere sammensætningen 10 af indenfor fastsatte grænser, og som giver en kontinuerlig høj anvendelsestemperatur. Fibre med gode brandresistensegenskaber er desuden meget ønskelige og eftertragtede af industriens folk.

Ved den foreliggende opfindelse har man udviklet 15 en varmeisolerende måtte, som er fremstillet af uorganiske fibre, som er en økonomisk og effektiv erstatning for traditionelle mineraluldsfibre. Disse måtter og plader har en anvendelsestemperatur, der overstiger 650°C og er kendetegnet ved, at de er fremstillet af 20 uorganiske, refraktoriske fibre med sammensætningen (i vægt%):

0,1 - 3 0 % MgO

0 - 9,3% A1203, idet resten op til 100% udgøres af CaO, Si02 og ikke 25 mere end 2% tilfældige urenheder såsom eventuelle andre oxider. Det har vist sig, at de omhandlede måtter og plader ikke alene en høj anvendelsestemperatur, men at fibrene overraskende også har en høj opløselighed i visse væsker.

30 I en foretrukken udførelsesform har de nævnte fi bre en sammensætning, der i det væsentlige består af Si02, CaO, 0,1-30 vaegt% MgO og 0-8 vægt% Al203. Disse fibre har vist sig at have særlig gode ildfaste egenskaber .

35 DK 174100 B1 3 I en anden foretrukken udførelsesform har de nævnte fibre en sammensætning, der i det væsentlige består af: 29-44 vægt% CaO, 55-64 vægt% Si02, 0,1-8 vægt% MgO og 0-4 vægt% Al2C>3. Disse fibre har særdeles gode 5 brandresistensegenskaber og gode ildfaste egenskaber.

Ved at fremstille nævnte fiberkomposition direkte fra en smelte af metaloxider frem for af råbiprodukt-materialer med meget varierende sammensætning, der kan indeholde relativt store mængder af andre materialer 10 end de ønskede metaloxider, elimineres de ovenstående problemer, der er forbundet med fremstillingen og anvendelsen af traditionelle mineraluldsfibre.

Eftersom de nævnte fibre fremstilles direkte ud fra oxidformen af de benyttede metaller, er det ikke 15 nødvendigt med tidskrævende og besværlige fremgangsmåder til formulering af den ønskede sammensætning indenfor et fastsat område. De nævnte fibre vil nu yderligere have en kontinuerlig anvendelsestemperatur, som garanterer deres anvendelighed i situationer, hvor der 20 behov for en sådan kontinuerlig anvendelsestemperatur.

De nævnte fibre har faktisk, som det vil fremgå i det efterfølgende, en kontinuerlig anvendelsestemperatur på helt op til 815°C. Eftersom de fleste af de uønskede komponenter fra slagge, bjergarter osv., som tidligere 25 fandtes i traditionelle mineraluldsfibre, ikke er til stede i de nævnte fibre, er de sidstnævnte meget ildfaste og kan således anvendes i det nedre anvendelsestemperaturområde for normale ildfaste fibre med et højt aluminiumoxidindhold, hvilket er tilbøjeligt til at gø-30 re dem relativt dyre.

Dette, andre aspekter og adskillige fordele ved opfindelsen vil fremgå af beskrivelsen og vedhæftede krav.

Opfindelsen angår endvidere anvendelse som var-35 meisolation med en anvendelsestemperatur på over 650°C

DK 174100 B1 4 af masse-, tæppe- eller pladeformer af sammenføjede uorganiske, refraktoriske fibre med følgende sammensætning (i vægt%) : 0,1 - 30% MgO; 0 - 9,3% A^O^, idet resten op til 100% udgøres af CaO, Si02 og højst 2% 5 tilfældige urenheder såsom eventuelle andre oxider. De nævnte fiberkompositioner kan fremstilles ud fra en smelte, der i det væsentlige består af Si02, CaO, 0,1-30 vægt% MgO og 0-9,3 vægt% A^O^. I en foretrukken udførelsesform fremstilles de nævnte fibre af en smelte, 10 der i det væsentlige består af SiC>2, CaO, 0,1-30 vægt%

MgO og 0-8 vægt% Al202. I en anden foretrukken udførelsesform fremstilles de nævnte fibre af en smelte, der i det væsentlige består af: 29-44 vægt% CaO, 55-64 vægt% Si02, 0,1-8 vægt% MgO og 0-4 vægt% Al2C>3 . De 15 nævnte fibre har en kontinuerlig anvendelsestemperatur helt op til området fra ca. 743°C til ca. 815°C.

Metaloxiderne til den nævnte komposition er tilgængelige i en relativ ren form fra mange kommercielle kilder. Fysiske variable, såsom partikelstørrelse, 20 kan vælges på basis af omkostninger, håndterberhed og lignende hensyn. De benyttede oxiders renhed skal holdes på et relativt højt niveau, således at der ikke findes mere end ca. 1% til 2% urenheder i form af andre oxider, organiske materialer og lignende i de færdige fibre, da 25 tilstedeværelsen af sådanne urenheder vil have ugunstige virkninger på fibrenes designtemperatur.

Som anvendt i denne beskrivelse er "anvendelsestemperaturen" for fibre bestemt af to parametre. Den første er den indlysende betingelse, at fibrene ikke må 30 smelte eller sintre ved den angivne temperatur. Det er dette kriterium, som udelukker anvendelsen af mange glas- og mineralulsf ibre ved temperaturer over ca.

650°C. Den anden parameter er, at et filt eller en plade fremstillet af fibrene ikke må udvise kraftig krympning 35 ved anvendelsestemperaturen. "Kraftig krympning" define- DK 174100 B1 5 res sædvanligvis til at være et maksimum på 5% lineær krympning efter langvarig udsættelse (sædvanligvis 24 timer) for anvendelsestemperaturen. Krympning af måtter eller plader anvendt som ovnforing og lignende er selv-5 følgelig et kritisk træk, for når måtterne eller pladerne krymper, kan der opstå spalter mellem dem, hvorigennem varmen kan strømme, hvorved formålet med isoleringen slår fejl. En fiber angivet som en "815°C fiber" vil således blive defineret som en der ikke smelter eller 10 sintrer, og som har en acceptabel krympning ved denne temperatur, men som begynder at være utilstrækkelig med hensyn til én eller begge standardparametrene ved temperaturer over ca. 815°C.

Fibrene dannes i almindeligt udstyr for uorgani-15 ske fibre og der benyttes standardmetoder til fremstilling af uorganiske fibre. Fremstillingen vil sædvanligvis ske ved elektrisk ovnsmeltning. De forskellige råmaterialer granuleres til en størrelse, der sædvanligvis anvendes til fibersmeltematerialer, eller de kan købes 20 allerede således granulerede. De granulerede råmaterialer sammenblandes og føres til den elektriske ovn, hvor de smeltes ved elektrisk modstandssmeltning. Smeltedannelsen kan være kontinuerlig eller batchvis smeltning, skønt den førstnævnte absolut foretrækkes. Den smeltede 25 blanding af oxider fødes dernæst til fiberdannende indretninger, såsom spindemaskiner eller blæsere. Forskellige typer af indretninger til fiberdannelse er velkendte og behøver ikke at blive beskrevet her. De således dannede fibre vil have en længde på fra 0,5 til 20 cm og 30 θη diameter i størrelsesordenen 0,5 til 10 ym med en gennemsnitlig fiberdiameter på fra ca. 1,5 til 3,5 ym.

Efter dannelsen af fibrene kan de opsamles i løs form eller føres ind i særskilte indretninger med det formål at forme fibrene til måtter, plader eller lignende 35 strukturer. De hidtil almindeligt anvendte teknikker til DK 174100 B1 6 dannelse af tilsvarende artikler af ildfaste højtemperatur aluminiumoxid-silicatfibre er ganske velegnede til anvendelse for fibrene, der anvendes i måtterne og pladerne ifølge opfindelsen.

5

Eksempel 1

En serie af fibre, der anvendes i måtterne og pladerne ifølge opfindelsen, fremstilledes i overenstem-melse med ovennævnte generaliserede fremgangsmåde. De-10 res respektive sammensætninger sammen med deres anvendelsestemperatur er angivet i Tabel I.

DK 174100 B1 7 O æ co in (Ti ^ iN i— r* 2: co in o Γ" i> ln co r- © σ> cr.

CO t- ^ r- in i£> o lo in co vo p- ^ m cm tn oo co LH cn <— ^ r^ ^ o on in vo oo n ro co r- μ o σ\ ιο lo o in CN r- r- EE o tv n 00 cn H in ro 00 Γ' r—f <u jQ O O Ν' ID O ^

<0 LO CN CN LD

EH r-

Cm o <3· m <r- r- in ro i— r- r- W o <- o σ\ o m ro r- 10 r- Q O i— O (Ti 00 m rj< 00 r- U o σι 00 ro o

r)* (N CN ID

Γ- ΡΟ o -¾1 cd id r- rr N< r— Γ- Γ ΟΟ < o ·** 10 o 00 (71 -tf N· 1— I—

C I

•Η W

C <D U

-p ω p tø -H 4-1 M O) cd c Td u M (D dP Π Cd) <D E -P O CN O) D( Λ E !J1 0)0 o o > e

r( I« s ri -H (OCTiCOU

fcw >< co υ S! << -p 0 DK 174100 B1 8

De ovenstående data viser tydeligt, at de nævnte fibre vil være meget nyttige indenfor høje temperaturområder, f-eks. fra 743°C til 8150C, mens det enten var faktisk umuligt eller meget vanskeligt at fremstille 5 traditionelle mineraluldsfibre, som kunne anvendes i dette område. Det skal bemærkes, at fiber H var særdeles hurtigt smeltende, og at fiber L havde særdeles gode fiberdannende egenskaber.

10 Eksempel 2

Der fremstilledes en serie af fibre med sammensætninger som angivet i tabel II.

Hver fiber testedes dernæst for dens brandresistens i overensstemmelse med den efterfølgende simule-15 rede brandbestandighedstestprocedure:

Til afprøvningsformål fremstilledes en lille ovn med et elektrisk opvarmet fladt pladeelement på bagsiden af varmekilden. En 15 cm x 15 cm x 5 cm (tyk) prøve med en tæthed på 0,028 til 0,048 g/cm-^ af hver af de formu-20 lerede fibre anbragtes parallelt med elementet og 2,5 cm fra det. Termoelementer anbragtes dernæst i centrum af fiberprøveoverfladerne. Der benyttedes en computer til justering af strømmen via et simpelt til-fra relæsystem til varmeelementet. Relæets position baseredes på aflæs-25 ningen af det på prøvens overflade anbragte termoelement nærmest ved varmeelementet, og det programmerede brand-testopvarmningsskema.

Ovnen opvarmedes således, at en standard ASTM E-119 tid/temperatur-kurve fulgtes i en periode på hen-30 holdsvis 1 time og 2 timer. Ved den heri benyttede test anses fibersvigt at forekomme, når ovnen ikke er i stand til at holde standardtemperaturen pr. ASTM E-119, fordi fiberisoleringen er sintret så meget, at varme kan strømme gennem ovnvæggen.

35 Testresultaterne for hvert af fibrene er angivet i tabel II.

DK 174100 B1 9

W I >- Π (N

M - - - - I

O CN ID O CM

in ro

σι W O (N (N

an - - - - i

O 00 O O CM

in vi m o oo r- cn U - ' v k | o σ vi m cm m ro ro τ— nj Vi »—

CM - - - - I

t— in ro o Cm in ro r~ f\J io o og ·—

W - - - - I

H in in o σι Pm H in ro

iH

Φ

jQ

<d

E-ι o o o o ία - - - - I

in id i— oo Cm in ro «- oo r- o »- o ----1

o «— σ σ Cm .μ -P

\/ in ro tn tn <U QJ •P -P w tn Ό Ό Φ <u r- o oj æ «- js x: CQ - - - - I cn oo O vi ko O Cm -rH ·μ V m ro i— Ό t C C <β (ΰ P -P tn tn <u tu «— r- oo in η X) xi d, — — - - i ό Ό

O ID vi co Cm C C

V m co (0 (0

•P P P

P Cn XI XJ

Cn 0) *h mj

c -P -P > tn P

•h m tu w tu <u

C -P ·ιβ Pi E E

-P I—I -P (U Ή ·Η

B) P tn Λ -P +J

tn t n tu ή C Φ pq Cm r- cg μ <U dp co μ

<U E -P O (N -P II II II II

Xigcn omOOO tn

HtCirH-pmcnd) di Cm ^ m CMcn><wu2E-i DK 174100 B1 10

Dataene i tabel II viser fibrene G til I's klart overlegne brandresistens i sammenligning med fibrene A til F. Det er af særlig betydning, at disse kompositioner opnår deres brandbestandigheder (fire ratings) 5 ved rumtætheder af fiberdiametre, der er betydeligt mindre end ved almindelige mineraluldsfibre. Fibrene G til I opnåede de ønskede brandbestandigheder ved rumtætheder på fra 0,028 til 0,048 g/cm^ og fiberdiametre fra 1½ til 3½ ym. Til sammenligning opnår almindelige 10 mineraluldsfibre deres brandbestandigheder ved rumtætheder typisk fra 0,26 til 0,29 g/cm^ og fiberdiametre fra 4 til 6 ym.

Dataene viser således tydeligt, at de foretrukne nævnte fibre har overraskende overlegne varmebestan-15 dighedsegenskaber.

Eksempel 3

En serie af fibre med forskellige formuleringer angivet i tabel III afprøvedes for opløselighed i en 20 saltopløsning i overensstemmelse med den efterfølgende fremgangsmåde: En pufferindstillet saltopløsning frem stilledes ved til 6 liter destilleret vand at sætte de efterfølgende bestanddele i de angivne koncentrationer: Bestanddel Koncentration, g/1 25 MgCl2.6H20 0,160

NaCl 6,171 KC1 0,311

Na2HP04 0,149

Na2SC>4 0,079 30 CaCl2.2H20 0,060

NaHCOg 1,942

NaC2H302 1,066 1 g af hver prøve af fibrene angivet i tabel III anbragtes dernæst i adskilte lukkede plastflasker sam-35 men med 300 cm^ af den fremstillede saltopløsning og overføres til et ultralydsbad i 5 timer. Ultralydsvibrations- DK 174100 B1 11 kilden indstilledes til at give en temperatur på 40°C ved afslutning af 5 timers perioden. Ved afslutningen af testperioden analyseredes hver saltopløsning indeholdende fibrene kemisk for SiC>2-indhold. Koncentrationen af 5 SiC>2 i saltopløsningen anvendtes som et mål for mængden af fibre, som opløstes under den 5 timer lange testperiode. Desuden måltes den kontinuerlige anvendelsestemperatur for hvert af fibrene. Resultaterne er angivet i tabel III.

10 Tabel III

Fi- Fibersammensætning vægt% Si02 koncen- Kontinuer-ber AI2O3 SiC>2 CaO MgO Andet i saltopløs- anvendel- ning efter sestempe- __5 timer vægt% ratur 15 A 46 54 — — — 0,6 1315 B 40 50 6 4 0,5 871 C 23 60 3 14 — 0,7 754 D 22 48 17 13 — 0,5 749 E 10,7 52 22 16 — 0,7 743 20 F 10,2 52 21 15 — 0,5 743 G 8,9 52 22 16 — 1,2 743 H 8,7 52 22 16 — 1,7 743 I 8,0 56 30 7 — 5,1 754 J 9,1 40 37 11 2,6 7,7 649 25 K 9,3 39 38 14 — 13,0 749 LO 49 28 23 — 67,0 749 temperatur for 3% maksimal lineær krympning i 24 timer.

Figuren viser grafisk forholdet mellem aluminium-oxidindholdet i hver fiber og dens siliciumdioxideks-30 traktion (dvs. opløselighed) i den fremstillede saltopløsning.

Figuren viser tydeligt, at de ' nævnte fibre G-L, som indeholder 10 vægt% eller mindre aluminiumoxid klart har en overraskende højere opløselighed i den 35 fremstillede saltopløsning end fibrene A-F, som ikke er i overensstemmelse med opfindelsen og har større alu- DK 174100 B1 12 miniumoxidindhold. Det overraskende ifølge opfindelsen fremgår tydeligt, idet der er en udpræget forskel i opløselighed mellem fiberen F sammenlignet med fiberen G, som anvendes til måtterne eller pladerne ifølge opfin-5 delsen, skønt deres forskel i aluminiumoxidindhold er relativt lille (dvs. 10,2 vægt% mod 8,9 vægt%).

Ligeledes viser fiberen J, som har et indhold på 2,6% urenheder, at et indhold på mere end 2% urenheder nedsætter fiberens anvendelsestemperatur til under 10 650°C.

Fiberen L"s særdeles høje opløselighed skal især bemærkes.

Rimelige variationer og modifikationer af ovenstående er mulige uden at afvige fra det tilsigtede ifølge 15 opfindelsen.

Claims (10)

1. Varmeisolerende måtte eller plade med en anvendelsestemperatur, der overstiger 650°C, kendetegnet ved, at den er fremstillet af uorga- 5 niske, refraktoriske fibre med sammensætningen (i vaegt%) : 0,1 - 30% MgO 0 - 9,3% A1203, idet resten op til 100% udgøres af CaO, Si02 og ikke 10 mere end 2% tilfældige urenheder såsom eventuelle andre oxider.

2. Varmeisolerende måtte eller plade ifølge krav 1, kendetegnet ved, at fiberen er opløselig i en saltopløsning fremstillet ved at sætte nedenstå- 15 ende ingredienser til destilleret vand til opnåelse af de angivne koncentrationer: Ingrediens Koncentration, g/1 MgCl2, 6H20 0,160 NaCl 6,171

20 KC1 0,311 Na2HP04 0,149 Na2S04 0,079 CaCl2, 2H20 0,060 NaHC03 1,942

25 NaC2H302 1,066

3. Varmeisolerende måtte eller plade ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at fiberen har en sammensætning omfattende mindst 22 vægt% CaO.

4. Varmeisolerende måtte eller plade ifølge krav 30 3, kendetegnet ved, at fiberen har en sammensætning omfattende: a) 0,1 - 8 vægt% MgO; b) 0-4 vægt% Al203; c) 55 - 64 vægt% Si02; og 35 d) 29 -44 vægt% CaO. DK 174100 B1

5. Varmeisolerende måtte eller plade ifølge et hvilket som helst af kravene 1 til 4, kendeteg -net ved, at den har en anvendelsestemperatur på 743°C eller derover.

6. Varmeisolerende måtte eller plade ifølge et hvilket som helst af kravene 1 til 5, kendetegne t ved, at fiberen har en opløselighed i en saltopløsning fremstillet ved at sætte nedenstående ingredienser til destilleret vand til opnåelse af de angivne 10 koncentrationer: Ingrediens Koncentration, g/1 MgCl2, 6H20 0,160 NaCl 6,171 KC1 0,311

15 Na2HP04 0,149 Na2S04 0,079 CaCl2, 2H20 0,060 NaHC03 1,942 NaC2H302 1,066 20 på 1,2 ppm Si02 eller derover efter 5 timers forløb.

7. Anvendelse som varmeisolation med en anvendelsestemperatur på over 650°C af masse-, tæppe- eller pladeformer af sammenføjede uorganiske, refraktoriske fibre med følgende sammensætning (i vægt%): 25 0,1 - 30% MgO 0 - 9,3% A1203, idet resten op til 100% udgøres af CaO, SiC>2 og højst 2% tilfældige urenheder såsom eventuelle andre oxider. 30 35 DK 174100 B1

8. Anvendelse ifølge krav 7, kendetegnet ved, at fiberen er valgt baseret på egenskaben at være opløselig i en saltopløsning fremstillet ved at sætte nedenstående ingredienser til destilleret vand 5 til opnåelse af de angivne koncentrationer: Ingrediens Koncentration, g/1 MgCl2, 6H20 0,160 NaCl 6,171 KC1 0,311

10 Na2HP04 0,149 Na2S04 0,079 CaCl2, 2H20 0,060 NaHC03 1,942 NaC2H302 1,066

9. Anvendelse ifølge krav 7 eller 8, kende tegnet ved, at fiberen har en sammensætning omfattende mindst 22 vægt% CaO.

10. Anvendelse ifølge krav 9, kendetegnet ved, at fiberen har en sammensætning omfattende: 20 a) 0,1-8 vægt% MgO; b) 0-4 vægt% Al203; c) 55 - 64 vægt% Si02; og d) 29 - 44 vægt% CaO.

11. Anvendelse ifølge et hvilket som helst af 25 kravene 7 til 10, kendetegnet ved, at isolationen på masse-, måtte- eller pladeform har en anvendelsestemperatur på 743°C eller derover. 30 35 DK 174100 B1

12. Anvendelse ifølge et hvilket som helst af kravene 7 til 11, kendetegnet ved, at fiberen har en opløselighed i en saltopløsning fremstillet ved at sætte nedenstående ingredienser til destilleret 5 vand til opnåelse af de angivne koncentrationer: Ingrediens Koncentration, g/1 MgCl2, 6H20 0,160 NaCl 6,171 KC1 0,311

10 Na2HP04 0,149 Na2S04 0,079 CaCl2, 2H20 0,060 NaHC03 1,942 NaC2H302 1,066 15 på 1,2 ppm SiC>2 eller derover efter 5 timers forløb.