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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
von Steinwolle, welche beispielsweise als Ausgangsmaterial
für wärme- und/oder schalldämmende Produkte dienen soll.
Genauer gesagt betrifft die Erfindung eine Verbesserung des
Verfahrens zur Zerfaserung eines ausziehfähigen Materials
mit hohem Schmelzpunkt, beispielsweise von der Art von
Basaltglas, Hochofenschlacken oder anderen gleichwertigen
Materialien, wonach das zu zerfasernde Material im
geschmolzenen Zustand auf den Umfangsstreifen von in
Drehung versetzten Schleuderrädern gegossen wird, von diesen
Rädern beschleunigt wird, sich unter der Einwirkung der
Fliehkraft von ihnen ablöst und teilweise in Fasern
umgewandelt wird, wobei ein auf den Umfangsstreifen der Räder
mit einer im wesentlichen zu den Drehachsen der Räder
parallelen Richtung abgegebener Gasstrom die derart
gebildeten Fasern auf eine Ablage hin fortträgt und sie von der
unzerfaserten Materie absondert.
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Das oben kurz angesprochene Zerfaserungsverfahren,
welches beispielsweise aus den europäischen Patentanmeldungen
EP-A-59 152 und 195 725 bekannt ist, wird als
ausschließlich freies Schleuderverfahren oder
Kaskadenschleuderverfahren bezeichnet, was ausdrückt, daß die Glasschmelze
weder in eine Reihe von Elementarsträngen aufgeteilt
(inneres Schleuderverfahren) noch einem Gasausziehen durch
einen Luftstrom mit hoher Temperatur und Geschwindigkeit
unterzogen wird. Dieses schon sehr alte
Zerfaserungsverfahren führt zu einem allgemein viel niedrigeren Ertrag und
einer schlechteren Qualität der erzeugten Fasern im
Vergleich zu den mit anderen Verfahren erhältlichen, bei denen
eventuell Zentrifugieren und Gasausziehen kombiniert
werden, dennoch ist es praktisch das einzige, das von einem
wirtschaftlichen Standpunkt aus unter Bedingungen verwendet
werden kann, die mit solchen Materialien wie
Basaltschlacken
von Interesse sind, welche sich durch viel höhere
Schmelztemperaturen als die üblichen Kalknatrongläser, eine
Viskositäts-Temperatur-Kurve mit starkem Gefälle, sowie
eine Tendenz zu äußerst schneller Entglasung auszeichnen,
die ein Arbeiten in einem sehr engen Temperaturbereich
erfordert.
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Da die Zentrifugierung der Glasschmelze deren starkes
Abkühlen herbeiführt, erwägt man, daß bei diesem freien
Schleuderverfahren die Fasern ausschließlich in einem durch
die Oberfläche des Schleuderrades und einen konzentrischen
Streifen in einem radialen Abstand von ca. 5-10 mm vom
Umfang des Rades begrenzten Bereich gebildet werden. Da das
Ausziehen der Fasern vor sich geht, wenn ihr Zusammenhang
mit der an dem Rad anhaftenden Bahn der Glasschmelze
unterbrochen wird, geht dieser Bruch in einem von Faser zu Faser
stark schwankenden Abstand vor sich, was erklärt, warum es
relativ schwierig ist, diesen "Streifen" genau zu
definieren.
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Bei diesem Zerfaserungsverfahren werden die Fasern von
einem Gasstrom mit einer im wesentlichen zu den Drehachsen
der Räder parallelen Richtung und in einer am Umfang der
Schleuderräder im wesentlichen zu der radialen
Faseremissionsrichtung senkrechten Richtung abgegebenen Gasstrom aus
der unmittelbaren Nachbarschaft der Zerfaserungseinheit
befördert. Gemäß dem Stand der Technik besteht dieser Strom
aus einem Strom von Kaltluft oder von Rauchgasen, die in
die Nähe der Umgebungstemperatur abgekühlt wurden, mit
einer mittleren Geschwindigkeit von beispielsweise 100 m/s,
wobei diese Temperatur in einem ziemlich hohen Maße von
einer Anlage zur anderen schwanken kann. Eine solche
mittlere Geschwindigkeit ist in Wirklichkeit viel niedriger als
die Geschwindigkeit der unzerfaserten Partikel, welche die
Fasern begleiten und ihrerseits auf Glaströpfchen beruhen,
welche abprallen, nachdem sie durch die Drehung der Räder
beschleunigt wurden, aber ohne dort anzuhaften, so daß
keine Zerfaserung erfolgt; die Beschleunigung durch die
Schleuderräder teilt diesen unzerfaserten Partikeln eine
ausreichend hohe Geschwindigkeit mit, damit der
Umfangsgasstrom keinen bedeutsamen Effekt auf die Flugbahn dieser
Partikel ausübt, was zu einer Absonderung von den Fasern
führt, die im Gegensatz hierzu aufgrund ihrer geringeren
Dichte und geringeren Geschwindigkeit abgelenkt werden.
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Bei anderen bekannten Verfahren zur Zerfaserung von
Glas oder einem anderen, gleichwertigen Material wird der
Umfangsgasstrom zu einem anderen Zweck abgegeben: man kann
zuerst einmal versuchen, die von dem Schleuderorgan (in
diesem Fall geht man im allgemeinen durch ein internes
Schleuderverfahren vor) erzeugten Fasern zu verfeinern; der
Gasstrom wird dann von einem Brenner mit hoher Temperatur
und Geschwindigkeit abgegeben, wobei die Temperatur der
Gase um einiges höher sein muß als der Erweichungspunkt des
Glases, um das Ausziehen der Fasern hervorzurufen (vgl.
z.B. US-A-2 577 204 oder US-A-2 949 632). Ein solches
Flammenausziehen setzt jedoch voraus, daß das auszuziehende
Material eine Viskositäts-Temperatur-Kurve mit schwachem
Gefälle aufweist, welche es erlaubt, es in einem relativ
breiten Temperaturbereich zu bearbeiten, eine Bedingung,
welche von Materialien wie Basaltgläsern oder
Hochofenschlacken, wie oben angedeutet wurde, nicht erfüllt wird.
Des weiteren ist ein warmer Gasstrom zum Flammenausziehen
per definitionem kostspieliger als ein Kaltluftstrom. In
weiteren Fällen verwendet man einen von einer Dauerblasdüse
mit einer relativ geringen Temperatur abgegebenen
Umfangsgasstrom (auf ca. 200ºC erwärmter Dampf oder Luft), welcher
ein sehr energisches und gleichförmiges Abschrecken der
Fasern bewirkt, mit dem Ergebnis, daß ihre mechanische
Qualität verbessert wird (FR-A-1 169 358); es sei angemerkt,
daß dieser Abschreckeffekt bei Materialien, welche durch
den einfachen Schleudereffekt schon unter ihren
Erweichungspunkt abgekühlt sind, bedeutungslos ist. Schließlich
ist aus FR-A-2 298 518 und FR-A-2 211 408 ein Verfahren
bekannt, nach dem man versucht, kontinuierliche Filamente
mit Hilfe eines senkrecht zu ihrer Bildungsrichtung
abgegebenen Umfangsgasstroms zu brechen, wobei der Strom eine
genügend niedrige Temperatur aufweist, um kein Ausziehen
der Fäden zu bewirken, normalerweise mit einer Temperatur
in der Nähe der Umgebungstemperatur von weniger als 150ºC
und vorzugsweise weniger als 65ºC.
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Bei all diesen bekannten Ansätzen ist also der an der
Peripherie der Schleuderorgane abgegebene Gasstrom entweder
sehr warm (mit Temperaturen typischerweise über 1000ºC)
oder kalt ist (mit einer Temperatur entweder in der
Größenordnung der Umgebung oder bei Verwendung von Dampf in der
Größenordnung von 150ºC - wie bei den ältesten Anlagen,
welche über keinen ausreichend starken Kompressor
verfügen).
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Im Unterschied zu diesen Ansätzen sind die Urheber der
vorliegenden Erfindung in einer warmen Umgebung
vorgegangen, d.h. mit einem Gasstrom mit einer Temperatur zwischen
250ºC und 900ºC, vorzugsweise zwischen 300 und 600ºC, und
insbesondere bevorzugt um 500ºC. Mit anderen Worten schlägt
die Erfindung ein Verfahren zur Bildung von Mineralfasern
vor, bei dem das zu zerfasernde Material im geschmolzenen
Zustand auf die Umfangsfläche des ersten einer Reihe von
mit hoher Geschwindigkeit drehenden Schleuderrädern
gegossen, dort wesentlich beschleunigt und auf das zweite Rad
weiterbefördert wird, wo ein Teil des Materials unter der
Einwirkung der Fliehkraft in Fasern umgewandelt wird, wobei
der Überschuß eventuell auf das nächstfolgende Rad
weiterbefördert wird usw., und bei dem die von den verschiedenen
Schleuderrädern gebildeten Fasern von einem Gasstrom mit
hoher Geschwindigkeit erfaßt werden, welcher die Reihe von
Schleuderrädern umgibt und in unmittelbarer Nähe der Räder
in einer zu den Drehachsen der Räder im wesentlichen
parallelen Richtung abgegeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß
der Gasstrom für mindestens eines der Schleuderräder mit
einer zwischen 250 und 900ºC und vorzugsweise zwischen 300
und 600ºC liegenden Temperatur abgegeben wird.
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Es zeigt sich überraschenderweise, daß diese einzige
Maßnahme zu einer sehr bedeutsamen Verbesserung der
Qualität der von der Anlage erzeugten Fasern führt, insbesondere
mit höherer Feinheit und des weiteren einem geringeren
Körneranteil (wobei der Ausdruck "Körner" verwendet wird, um
Partikel mit einer Größe über 100 um zu bezeichnen, welche
sich im Endprodukt wiederfinden).
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Es erscheint also, daß es möglich ist, das Ausziehen
der Fasern mit einem Gastrom zu beeinflussen, dessen
Temperatur dennoch weit von der dem Erweichungspunkt des zu
zerfasernden Materials entsprechenden Temperatur entfernt
liegt; ein Basaltglas tritt nämlich mit einer
beispielsweise über 1500ºC liegenden Temperatur aus dem Schmelzofen
aus, weshalb von vorneherein von einem Gasausziehen mit
Gasen bei 500ºC keine Rede sein könnte.
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Sehr vorteilhafterweise kann diese warme Umgebung mit
minimalen Kosten durch Ausnutzung der Rauchgase des Ofens
zum Schmelzen des zu zerfasernden Materials erhalten
werden, da diese Rauchgase, die zu "kalt" sind, um auf
wirtschaftliche Weise eine Rückführung der enthaltenen Kalorien
zu rechtfertigen, im allgemeinen nicht ausgenutzt werden.
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Bei anderweitig identischen Umständen weist die mit
einer warmen Umgebung hergestellt Steinwolle eine geringere
Wärmeleitfähigkeit auf als die mit einer kalten Umgebung
bei Umgebungstemperatur hergestellte. Der Zuwachs an
Wärmewiderstand, der auf diese Weise erhalten wird, ist
beispielsweise gleichwertig mit einer Erhöhung der
Geschwindigkeit der Schleuderräder um 20% oder einer Erhöhung der
Temperatur des auf das erste Rad gegossenen Glasflusses um
mehr als 50º. Während aber die warme Umgebung wenig
kostspielig ist, sind diese beiden Verfahren viel
uninteressanter,
da sie eine viel höhere mechanische Beanspruchung und
sehr hohe Energiekosten mit sich bringen.
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Die Geschwindigkeit der Gase des Gasstroms ist
vorzugsweise höher als 50 m/s und vorzugsweise sogar höher als
100 m/s, was es erlaubt, die Bedingungen des
Faserausziehens zu optimieren. Unter Bedingung des Faserausziehens
versteht man hier die Bildung von Wirbelzonen, welche die
Trennung der verbundenen Fasern unterstützen und ihre
Tendenz einschränken, sich in Strähnen anzusammeln, welche
sich im Endprodukt als Knoten wiederfinden und dessen
mechanischer Festigkeit abträglich sind.
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Dieser Einfluß der Wirbelzonen ist wahrscheinlich
stärker, wenn man erfindungsgemäß bei einer warmen Umgebung
vorgeht, von der die Gasphysik lehrt, daß sie eine höhere
kinetische Energie des Umgebungsgasstroms zur direkten
Folge hat. Zu dieser ersteren Hypothese kann man auch die
Hypothese eines Effektes visköser Dissipation hinzufügen.
Untersuchungen zeigten nämlich, daß das Ausziehen einer
Faser eine starke Freisetzung von Wärme hervorruft aufgrund
der Umordnungsarbeit der viskösen Struktur, aber diese
Freisetzung von Wärme ist normalerweise an sich ungenügend,
um die für ein Ausziehen erforderlichen
Temperaturbedingungen aufrechtzuerhalten in Anbetracht übrigens der von
diesen Fasern aufgrund der Zentrifugierung durchlaufenen
Abkühlung; es ist also nicht undenkbar, daß die
erfindungsgemäße Umgebungswärme - wegen dieses geringen eingebrachten
Wärmeeintrags - in der Praxis für die Herstellung eines
Phänomens der Selbsterhaltung von Ausziehbedingungen
ausreichen könnte. Auf jeden Fall handelt es sich hier nur um
einige Versuche zur theoretischen Erklärung für ein noch
weitgehend unerklärtes Phänomen, und es bleibt
nichtsdestoweniger, daß die erfindungsgemäße warme Umgebung
unbestritten einen begünstigenden Effekt aufweist, was vom
technischen Standpunkt aus der einzig wichtige Punkt ist.
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Damit der Einfluß der warmen Umgebung auf die
Bedingungen zur Faserbildung bemerkbar ist, ist es nötig, daß der
Gasstrom in unmittelbarer Nähe der Schleuderräder,
vorzugsweise diese bestreichend, abgegeben wird. Andererseits ist
es für eine vollkommen wirksame Kanalisation der Fasern
vorzuziehen, daß sich die Umhüllung durch den Gasstrom in
genügend großem Abstand von den Rädern befindet. Ein
Kompromiß aus diesen beiden Forderungen setzt sehr hohe
Durchsätze von Luft voraus, die auf zwischen 250 und 900ºC
erwärmt ist. Diese Durchsätze können stark reduziert
werden, wenn man mit zwei Gasströmen vorgeht, einem
Hauptgasstrom sowie einem Nebengasstrom, welcher im Abstand von den
Schleuderrädern erzeugt wird und in etwa in der gleichen
Richtung wie der sie streifende Hauptstrom verläuft. In
diesem Fall wird der Nebengasstrom nicht erwärmt, was
insofern eine starke Energieeinsparung erlaubt, als 30 bis 50%
des gesamten Durchsatzes des in die Vorrichtung geblasenen
Gases mittels dieses Nebengasstromes erwärmt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Zerfaserungsverfahren kann auf
sehr einfache Weise von jeder Vorrichtung zur Zerfaserung
von Mineralwolle mit freier Zentrifugierung durchgeführt
werden. Da die hier vorgeschlagenen Temperaturen relativ
niedrig bleiben, sind einzig einige einfache
Vorsichtsmaßnahmen erforderlich, wobei es verstanden sein sollte, daß
alle gewöhnlich im Zusammenhang mit der hohen Temperatur
der Glasschmelze getroffenen Vorsichtsmaßnahmen eingehalten
werden müssen.
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Je nach Fall, insbesondere wenn die verfügbare Menge
von warmem Gas begrenzt ist, kann man einen warmen
Luftstrom für alle oder nur für gewisse der Schleuderräder
vorsehen, insbesondere die auf der Bahn des Materials zuletzt
gelegenen. Es kann auch vorteilhaft sein, den für die mit
relativ kühlerem Glas beschickten letzten Räder
vorgesehenen Strom ein wenig stärker vorzuwärmen.
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Auf bevorzugte Weise verwendet man eine Vorrichtung,
welche mit der in der europäischen Patentanmeldung EP-A-
0 439 385 im Namen der gegenwärtigen Anmelderin
beschriebenen Vorrichtung übereinstimmt, welche am 31.07.1991
veröffentlicht wurde und mithin gemäß Art. 54, Paragraph 3 EPÜ
dem Stand der Technik zugehört. Diese Vorrichtung umfaßt
eine Reihe von Schleuderrädernin einer Anordnung, bei der
sich ihre Umfangsflächen in gegenseitiger Nähe befinden, in
schnelle Drehung versetzt von Motoren, die seitlich außen
an der aus der Reihe von Schleuderrädern bestehenden
Einheit angebracht sind und die Räder mittels mechanischer
Übertragungselemente antreiben, welche so angeordnet sind,
daß sie einen Luftstrom quer durch die Reihe von
Schleuderrädern erlauben, wobei sich zwei jeweils auf der Bahn des
zu zerfasernden Materials aufeinanderfolgende Räder
gegenläufig drehen, eine Schmelzezuführung derart angebracht
ist, daß sich das Material auf die Außenfläche des ersten
Schleuderrades ergießen kann, wobei ein erstes Gebläse um
die Reihe von Schleuderrädern einen warmen Gasstrom mit
einer Temperatur zwischen 250 und 900ºC um die Reihe von
Schleuderrädern erzeugt, der parallel zur Drehachse der
Schleuderräder ist, und ein zweites Gebläse einen kalten
Nebengasstrom im Abstand von den Schleuderrädern und in
etwa in der gleichen Richtung wie der heiße Gasstrom
erzeugt.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Merkmale der
Erfindung sind im folgenden unter Bezugnahme auf die
beigefügte einzige Zeichnung beschrieben.
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Es zeigt:
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Fig. 1 eine Vorderansicht einer Vorrichtung zur
Zerfaserung durch externes Zentrifugieren mit drei
Schleuderrädern.
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Fig. 1 ist eine schematische Vorderansicht einer von
der Seite der Fasern her gesehenen Zerfaserungsvorrichtung,
die im wesentlichen mit der Lehre der oben erwähnten
europäischen Patentanmeldung EP-A-0 439 385 übereinstimmt.
Diese Vorrichtung besteht aus einer Einheit 1 mit drei
Schleuderrädern 2, 3, 4 in einer Anordnung, bei der sich
ihre Umfangsflächen in gegenseitiger Nähe befinden. Diese
Räder 2, 3, 4 sind mittels Blockmotoren 5, 6 in Drehung
versetzt, welche über die Vermittlung von Getrieberiemen 7
wirken, wobei die beiden rechten Räder beispielsweise gegen
den Uhrzeigersinn angetrieben sind, während das linke Rad
in Gegenrichtung angetrieben ist, so daß jeweils zwei auf
dem Weg des zu zerfasernden Materials (der vom obersten Rad
2 zum untersten Rad 4 hinabführt) aufeinanderfolgende Räder
gegenläufig drehen.
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Die Reihe von Rädern 2, 3, 4 ist von einem aus einer
Dauerblasdüse bestehenden Umfangsgebläse 10 umgeben,
welches einen im wesentlichen parallel zu den Drehachsen der
Schleuderräder verlaufenden warmen Gasstrom abgibt,
unterstützt von einer Anordnung von Düsen 11 mit großen
Durchmessern, welche kalte Luftstrahlen ebenfalls im
wesentlichen parallel zum Hauptgasstrom abgeben.
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Des weiteren sind hier nicht näher dargestellte
Einrichtungen zum Versprühen einer Bindemittelzusammensetzung
auf die gebildeten Fasern vorgesehen.
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Eine Anlage von dieser Art mit drei Rädern mit 300 mm
Durchmesser ist für verschiedene Versuche verwendet worden,
welche sich in der Temperatur der Gase des Hauptstromes
unterscheiden. Das eingesetzte Glas ist ein Basaltglas,
welches der folgenden Formulierung (in Gew.-%) entspricht:
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SiO&sub2; 44,50%
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Al&sub2;O&sub3; 14,70%
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Fe&sub2;O&sub3; 12,50%
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CaO 10,50%
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MgO 8,90%
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Na&sub2;O 4,25%
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K&sub2;O 0,95%
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TiO&sub2; 2,60%
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versch 1,10%
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Die Viskosität dieses Glases beträgt bei Temperaturen
von 1235, 1300 und 1483ºC jeweils 10², 101,7 bzw. 10¹ dPas.
Es handelt sich also typischerweise um ein Glas, dessen
Viskositäts-Temperatur-Kurve in dem für ein Ausziehen in
Fasern in Frage kommenden Viskositätsbereich ein sehr
starkes Gefälle aufweist. Der Schmelzefluß wurde bei 1540ºC
durchgeführt, was auf dem ersten Schleuderrad einer mit
einem optischen Pyrometer nachgeprüften Temperatur von
1280ºC entspricht, bei einem Glasdurchsatz von 350 kg/h.
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An Blasgas wurden 2400 m³/h für den Hauptstrom (bei
20ºC berechneter Durchsatz) und 1000 m³/h für den kalten
Nebenstrom verwendet.
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Ausgehend von einer solchen Anlage wurde die Temperatur
der Hauptstromluft variiert und eine Drehgeschwindigkeit
der Schleuderräder von 6000 U/min. gewählt. Dann wurde der
"Fasonaire" auf 5 g für verschiedene auf diese Art
hergestellte Faserproben gemessen, wobei der Fasonaire auf
normalisierte Art definiert ist als der Durchsatz eines unter
genau definierten Bedingungen abgegebenen Gasstroms,
welcher gemessen wird, indem man ihn durch eine komprimierte
Probe von 5 g Fasern führt. Ohne näher auf Einzelheiten
einzugehen, ist eine Probe von umso besserer Qualität, d.h.
besser dämmend, je höher ihr Fasonaire ist.
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Es wurden die folgenden Resultate erhalten:
Blastemperatur:
Fasonaire:
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Die mit einem warmen Gasstrom hergestellten Fasern sind
damit im Vergleich zu bei Umgebungstemperatur hergestellten
Fasern von deutlich verbesserter Qualität, selbst wenn der
Strom eine noch als relativ lau anzusehende Temperatur von
beispielsweise 250ºC hat. Wenn man des weiteren die bei 500
und 700ºC erhaltenen Werte vergleicht, stellt man eine
bestimmte Obergrenze der Leistungen fest. Es existiert also
um 500ºC ein Optimum, wobei das Interesse darin liegt, bei
den niedrigsten, d.h. den wirtschaftlichsten Temperaturen
zu arbeiten, welche aber ausreichend hoch sind, um eine
Verbesserung der Faserqualität zu erhalten.
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Die erzielte Erhöhung des Fasonaire ermöglicht es,
Endprodukte zur Verfügung zu stellen, deren Dichte im
Vergleich mit einem Produkt mit dem gleichen Dämmvermögen,
welches mit einem Gasstrom auf Umgebungstemperatur erhalten
wurde, um 10% verringert ist.
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Die Erhöhung ist gleichfalls beträchtlich im Hinblick
den Gesamtertrag des Verfahrens, wobei der Ertrag des
Verfahrens definiert ist als die in dem Endprodukt
zurückgewonnene Glasmasse im Verhältnis zu der auf das erste
Schleuderrad gegossenen Gesamtmasse. Ein Luftstrom mit
500ºC ermöglicht einen um ca. 5 bis 10% erhöhten Ertrag,
was umso beachtlicher ist, als auch der Körneranteil - d.h.
der Prozentanteil von im Produkt vorhandenen Partikeln mit
einer Größe von mehr als 100 um - eine sehr leichte Tendenz
zur Verringerung aufweist, was eine Verbesserung der
Produktqualität bedeutet.