Positiver Effekt der Thermobehandlung der Basaltschmelze auf die Qualität der Mineralwolle

Die Schmelzung der Basaltladung ist einer der wichtigsten Bestandteile im Produktionsprozess von Produkten aus Steinwolle, da die Qualität des Schmelzens im Wesentlichen die Eigenschaften der resultierenden Fasern und auch die Qualität des Endproduktes bestimmt.

Die Qualität der Mineralwolle kann mit folgenden Eigenschaften beschrieben werden:

· Dicke der Fasern,

· Länge der Fasern,

· Elastizität der Fasern,

· chemische Stabilität der Fasern,

· Vorhandensein von nicht-faserigen Formationen kristalliner Struktur (sog. Perlen),

· Wasserbeständigkeit.

In einer Reihe von Experimenten wurde festgestellt, dass die im Ofen erreichte Temperatur die Zähflüssigkeit der Schmelze und damit die Dicke und Länge der Faser bestimmt. Diese Eingeschalten beeinflussen wiederum die Grundeigenschaften des fertigen Materials (Wärmeleitfähigkeit, Festigkeit). Die durchgeführten Studien zu diesem Thema haben bereits die optimale Temperatur der Schmelze an der Zentrifuge definiert. Diese soll im Bereich 1420 – 1490 °C liegen (2). Bei genannter Temperatur erhält die Schmelze eine optimale Viskosität, und die Mineralfaser erhalten dadurch ihre amorphe Struktur, die erforderliche Elastizität und die optimalen geometrischen Abmessungen (Dicke und Länge).

Eine weitere wichtige Eigenschaft der Mineralwolle ist das Vorhandensein (oder genauer, die Abwesenheit) von nicht-faserigen kristallinen Formationen. Häufig beinhaltet die fertige Mineralwolle außer der amorphen Mineralfasern auch einen bestimmten Anteil von kugelförmigen Formationen kristalliner Struktur, sogenannten „Perlen“. Diese Partikeln stellen praktisch die "Brücken" für die Wärmeübertragung dar und erhöhen dadurch die Wärmeleitfähigkeit der Mineralwolle. Aus diesem Grund sollte der Anteil von diesen Partikeln in der Mineralwolle soweit möglich minimiert werden.

Abbildung 1: Nicht-faserige Formationen kristalliner Struktur (sog. Perlen) in der Mineralwolle aus Basalt

Für die entsprechende Problemlösung ist es wichtig, zuerst die Ursachen des Entstehens dieser Formationen zu verstehen. Hier scheint die Frage relevant zu sein: Warum wird bei gleicher chemischer Zusammensetzung und bei gleicher Gusstemperatur ein Teil der Schmelze zu Fasern gezogen, ein Teil jedoch in der Form von sog. „Perlen“ verbleibt?

Die Antwort liegt in der Ausbildung der Mikrostruktur, im Vorhandensein von schwer schmelzbaren Phasen und besonders in lokalen Anhäufungen dieser Phasen. Unter einer Phase wird hier ein thermodynamisch homogenes Teil eines Systems verstanden. In einem Mehrkomponentensystem können Phasen unterschiedliche Zusammensetzung und Struktur aufweisen. Im Laufe der Untersuchungen der Eigenschaften der Basaltschmelze wurde u.a. die Phasenanalyse erstellt sowie die qualitative und quantitative Zusammensetzung der Phasen definiert. Es wurde dabei festgestellt, dass das Gefüge vom untersuchten Basalt aus 6 Phasen besteht (1). Während der Untersuchung wurden die auftretenden Veränderungen während des Schmelzens des Rohstoffes und des Erhitzens der resultierenden Silikatschmelze beobachtet. So waren bis zu einer Temperatur von 1200 °C hauptsächlich kristalline Phasen vorhanden. Es wurde auch beobachtet, dass die Probe, die 1 Stunde lang bei 1200 °C behandelt wurde, stark kristallisierte Phasen enthielt. Die stabilsten Phasen (jene Phasen, die einen höheren Schmelzpunkt besitzen) im untersuchten Basalt-Rohstoff waren die Phasen auf der Basis von Eisenverbindungen (Magnetit und Hämatit).

Darüber hinaus existieren bereits Studien, die den Einfluss von Schmelztemperaturen auf die Struktur und physikalisch-chemische Parameter der Basaltschmelze feststellen (3). Bei diesen Untersuchungen wurden Tests mit unterschiedlich hergestelltem Basaltglas durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass das bei 2000ºC hergestellte Basaltglas deutlich weniger für Kristallisation anfällig ist. Dies liegt daran, dass bei hohen Temperaturen das Kristallgitter des Materials intensiver zerstört wird und weniger Zonen mit einer geordneten Struktur verbleiben (3). Weiter wurde im Rahmen der gleichen Studie ein Zusammenhang zwischen der Schmelztemperatur (thermischer Behandlung der Schmelze) und Faserqualität nachgewiesen. Insbesondere wurde belegt, dass die Fasern aus homogenen Hochtemperaturschmelzen (2000 °C) keine nicht-geschmolzenen Ladungsteilchen, Quarzeinschlüsse und Gasblasen enthalten und eine praktisch defektfreie Oberfläche aufweisen (3). Dies bedeutet, dass bei thermischer Behandlung der Schmelze, erstens, die Gleichmäßigkeit der Eigenschaften der Fasern und zweitens, die Minimierung der nicht-faserigen kugelförmigen Formationen kristalliner Struktur (der sog. Perlen) auftritt.

Das heißt, dass um die Qualität der Schmelze zu gewährleisten, sollten in einer Schmelzanlage unterschiedliche thermische Zonen vorhanden sein: erstens, die Schmelzzone (die Schmelzung des Basaltgesteines erfolgt schon bei einer Temperatur von ca. 1200°C); zweitens, die Zone der nachfolgenden Erhitzung auf eine Temperatur von ca. 1700 – 1750°C (um die homogene Phase der Schmelze zu erhalten) und drittens, die Zone der Abkühlung auf eine Temperatur von ca.1450 – 1490°C (Temperatur der optimalen Viskosität am Spinner). Es handelt sich dabei um unterschiedliche Vorgänge, deren Durchführung in einem herkömmlichen Ofen (ganz egal, ob in einem koksbetriebenen Kupolofen, Gasofen oder Elektroofen) prinzipiell nicht möglich ist. Um den durchgehenden Prozess mit den o.g. thermischen Vorgängen zu gestalten, ist eine rohrförmige Schmelzvorrichtung, aufgeteilt auf thermische Zonen, notwendig.

Angesichts der oben genannten Tatsachen und Erwägungen können die neuen technologischen Lösungen in der Anwendung der induktiven, konduktiven oder kombinierten Schmelztechnologien gefunden werden.

Literatur:

[1] IB Ingineering GmbH: Eigenschaften der Basaltschmelze, Teil 1; http://www.ibe.at/wp-content/uploads/2018/04/Eigenschaften-der-Basaltschmelze.pdf

[2] IB Ingineering GmbH: Eigenschaften der Basaltschmelze, Teil 2;

[3] N.N. Khodakowa, O.S. Tatarintseva, V.V. Samoilenko: Einfluss der Bedingungen für die Gewinnung von Basaltglas auf ihre Struktur und Eigenschaften, Polzunovskij Vestnik Nr. 4, T. 2, 2014; online abrufbar unter http://elib.altstu.ru/elib/books/Files/pv2014_04_2/pdf/148hodakova.pdf