CN101616873A - 用于生产矿物纤维的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生产矿物纤维的方法以及能用于该方法中的设备。特别是，本发明的方法包括：提供熔炉；向熔炉中装填包括氧化铁的矿物材料；在还原气氛中熔融装填的矿物材料，以使熔炉中有一聚集熔融铁的底部区域和矿物熔体聚集的在底部区域上方的熔池；从炉中移走矿物熔体并将其转变为矿物纤维；以及从底部区域去除熔融铁；其特征在于，在生产过程中，将添加剂直接释放到熔炉的底部区域，其中，添加剂包括选自氧化剂和非还原气体的一种或多种物质。

Description

用于生产矿物纤维的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种生产矿物纤维的方法以及能够在这一方法中使用的设备。

背景技术

常规的生产矿棉的方法是往熔炉中装填矿物材料的混合物，并熔融这些材料以形成矿物熔体，矿物熔体随后转变成纤维。

一种特殊类型的方法涉及对熔炉中装料的熔融，通常由于所使用的燃料的类型，特别是焦炭，熔炉具有还原气氛。冲天炉就是个例子。

在这种方法中，大量的固体矿物材料和燃料(通常是焦炭)是通过熔炉的顶部引入到熔炉中。燃料在熔融区域燃烧，从而产生用于熔融矿物材料的热量。通过由设在熔融区域中的入口(通常称作鼓风口)输入助燃空气，可辅助燃料的燃烧。尽管通过鼓风口添加空气，但还是产生压倒性的还原气氛，这意味着装填材料中的氧化铁被还原并产生了熔融铁。熔融铁聚集在熔炉的底部。在熔融铁之上但在熔融区域之下有矿物熔体的熔池。从熔炉中移走矿物熔体并送给纤维形成设备。

因为装填料是连续地喂入到熔炉中的，所以连续地产生熔融铁，必须定期将熔融铁从熔炉移走。这是通过“出渣”完成的，所述“出渣”涉及在熔炉底部开一开口，熔融铁通过所述开口从熔炉中移走。

在传统的方法中，铁必须按规定的时间间隔进行出渣，所述时间间隔由一些工艺参数决定，例如熔炉内压力的升高；或适宜地在生产计划中的一定时间出渣，例如在产品变换时。尽管能够在熔炉被使用的时候执行出渣，但是还是希望在尽可能长的时间间隔执行出渣，以便使工艺中的方便性最大。对必须要出渣的条件(例如压力的升高)进行监测，并在需要的时候执行出渣。

最初，标准的冲天炉可以每15-20个小时进行一次出渣。然而，一段时间后冲天炉就会出现问题，从而有必要以不断缩短的间隔将熔融铁出渣。

这个问题与材料在底部区域中的凝固有关。底部区域已经凝固的材料不能通过出渣被移走。这意味着出渣没有达到完全理想的效果，因为只有少量的熔融铁被移走。而且，材料会凝固在通常用于出渣的孔上。这意味着操作者必须在凝固材料中进行开道疏导，以疏通熔融铁。这样特别不方便，而且还费时间。

在某些情况下，出渣之间的间隔可以在仅仅几天的进程中从最初的15-20个小时的间隔降低到仅2个小时的间隔。这对于操作者来说显然是不方便的。一旦凝固材料的高度已经增加到必须大约每4小时出渣的程度，就必须完全移走凝固的材料。这只有通过完全停止生产、人力地移除熔炉的底部以移走凝固的材料并在重新开始生产前更换底部来完成。

虽然在间歇的完全停产并移走凝固材料的情况下以不断缩短的间隔出渣的技术方案是不便利的，但是多年来这一直是解决上述问题的标准方法。

美国专利4,822,388讨论了被称为冲天炉炉底区域“硅质堆积”的问题，并认可了去除炉底以消除堆积的传统技术方案。这篇专利文献的目的是通过往冲天炉中加入诸如氟化物的化学添加剂来减少凝固材料的堆积。更具体的，使用氟含量非常高的材料，例如一直是在生产铝时使用的衬里，通常被称为“废槽衬”(spent potlining)，而不是使用普通的燃料。氟据说能通过降低熔体的粘度从而降低其凝固趋势来减少堆积。

这个解决方案需要把冲天炉所使用的燃料改变为特别是很难获得的氟含量高的燃料。燃烧这种燃料的主要缺陷在于产生了对环境有害的气体，该有害的气体需要进一步处理才能被释放到大气中。这样费用就很高而且很不便利。

因此，仍然需要以成本有效和便利的方式来解决矿物纤维生产过程中出渣时间间隔缩短的问题。

发明内容

根据本发明的第一个方面，提供了一种生产矿物纤维的方法，其包括：

提供熔炉；

向熔炉中装填包含氧化铁的矿物材料；

在还原气氛中熔化装填的矿物材料，以使熔炉中有一熔融铁聚集的底部区域和在底部区域上方的矿物熔体聚集的熔池；

从熔炉中移走矿物熔体并将矿物熔体转变为矿物纤维；以及

从底部区域去除熔融铁；

其特征在于，在生产过程中，添加剂被直接释放到熔炉的底部区域，其中，添加剂包括选自氧化剂和非还原气体的一种或多种物质。

根据本发明的第二个方面，提供了用于由包含氧化铁的矿物材料来生产矿物纤维的设备，该设备包括：

包括顶部、中部和底部的熔炉，其中：

顶部包括矿物材料进口，

中部包括矿物熔体出口，和

底部包括出渣口和注入装置，熔融铁通过出渣口能被移走，添加剂通过注入装置能被注入；以及

纤维化装置，其设置成与矿物熔体出口流体连通，并且能够将矿物熔体转变成矿物纤维。

已发现，把这种添加剂直接提供到底部区域中可以显著减少出渣时间间隔缩短的问题。已经发现，底部区域材料的凝固大大减少，甚至基本消除。这意味着，熔炉能连续运行的时间不再受出渣间隔的限制。出渣间隔可以基本保持在初始的速率，即每15至20小时出渣。这对于现有技术是一个巨大的改进，而且可以在不改变燃料成分或装填材料的情况下就能实现。

向底部区域供应添加剂的效果被注意到，特别是当装填料的硅含量高时，和/或当条件是与底部区域中熔融铁结合的硅金属量相对较高时。

氧化剂可以是任何物理形式：固体、液体或气体。在优选实施例中，添加剂材料包括气体氧化剂。例如氧和臭氧，氧的形式比如空气或纯氧。因而，在这种情况下，添加剂包括单一的物质(氧气)，其既是氧化剂又是非还原气体。

令人惊讶的是，氧化剂和/或非还原气体的注入能对出渣间隔有这样的影响，尤其是在熔炉中压倒性气氛是还原性的并且添加剂被认为是不影响所产生熔融铁总量的情况时。

本发明涉及对生产矿物纤维的常规方法和设备进行的改进。

本发明适用于使用具有还原气氛的熔炉的任何方法，因为正是还原气氛将氧化铁还原成必须被出渣的熔融铁。本发明解决了在这种系统中已经被注意到的在使用过程中出渣间隔缩短的问题。

在熔化过程中形成还原气氛的任何熔炉都可以使用。一般来说，还原气氛的产生是熔炉中所使用燃料类型(例如焦炭)的结果。一个例子是冲天炉。另一个例子是鼓风炉。

矿物材料以常规的方式装填到熔炉中。矿物材料通常与诸如焦炭的燃料混合。当原料包括氧化铁时，出现了与出渣间隔时间缩短相关的问题。

已经发现，当在生产过程中相对较高比例的二氧化硅被还原成熔融硅时，特别是当聚集在底部区域的总的熔融材料中超过4％或5％、尤其是约6％的熔融材料为硅时，出渣时间间隔缩短的问题就特别明显。因此，当装填的材料包括氧化硅(通常称为硅石)时，本发明特别有效。

其它氧化物特别是磷的氧化物的还原也与出渣时间间隔缩短的问题有关。

当矿物熔体具有如下成分时(以氧化物的重量比计)，也注意到特定的问题：

SiO₂        32～48％，优选33～43％

Al₂O₃      10～30％，优选16～24％

CaO        10～30％，CaO+MgO优选23～33％

MgO        2～20％

FeO        2～15％，优选3～9％

Na₂O+K₂O   0～12％，优选1～8％

TiO₂       0～6％，优选0～3％

其它成分   0～15％

特别是，Al₂O₃含量优选至少16％。这些纤维是在使用中具有特别好的生物可降解性以及良好耐用性的类型。据认为特别高含量的氧化铝促成了出渣时间间隔缩短的倾向。

当矿物装填料包括硅和/或硅化合物(包括硅石和其它硅化合物)时，本发明特别有价值。

在熔炉中，燃料燃烧且装填的原料熔化，这些与传统的一样。一些存在的氧化铁被还原成熔融铁，熔融铁聚集在熔炉的底部。

熔融铁所聚集的熔炉底部区域被称为“底部区域”。聚集到底部区域的材料主要是铁，因为它是很容易被还原的，尽管如上所述，其它氧化物可能已被还原并与铁一起聚集到这个区域中。特别是，底部区域的材料通常包括至少70％或80％的铁(以重量计)。它也可以包括硅，通常小于10％(以重量计)，且硅的含量至少是1％或2％，例如约6％。它还可以包括磷和碳，通常总量不到10％(以重量计)。磷和碳各自含量至少为0.5％，例如各为2％或3％。通常，磷和碳各自的量不超过5％。

大多数装填的矿物材料被熔化而没有被还原，并形成被称为矿物熔体的熔融矿物材料混合物。矿物熔体的密度比熔融铁低，所以它浮在底部区域上方的熔池中。

矿物熔体从熔炉中被移走，并被喂入纤维化装置中，在纤维化装置中转变成矿物纤维。用于把矿物熔体制成矿棉纤维的设备是众所周知的，其包括通常水平或竖直布置的离心器(转子)。熔体被倒到离心器上，由于离心力，熔体从离心器上作为纤维被甩出。优选使用一系列的转子。适用于用矿物熔体形成矿物纤维的方法和设备都是众所周知的。

在一种已知类型的系统中，通过把矿物熔体浇注到被安装成绕水平轴线旋转的一个或多个转子的外表面上来形成纤维。一般有两个或两个以上的转子，浇到第一转子上的熔体被部分地作为纤维甩出第一转子并被部分地甩到下一个转子上，然后熔体又从该下一个转子被部分地作为更多纤维甩出并被部分地甩到第三个转子上，等等。最常见的有三个转子，或更特别的是有四个转子。这种系统被称为级联离心器。

设备的替代形式包括被安装成绕竖直轴线旋转的转子，例如离心杯。

熔融铁在通常被称为出渣的工艺中通常以一定间隔从熔炉中移走。通常在熔炉底部有一通道，所述通道能够被打开以允许熔融铁流走。熔融铁被收集，然后可在其它工艺中被使用。

本发明基本上涉及将添加剂释放到底部区域中，所述添加剂包括选自氧化剂和非还原气体中的至少一种物质。已经发现将这些添加剂引入到底部区域中大大减少或甚至消除了在常规系统中出现的出渣时间间隔缩短。

现在据信，引入底部区域有两个主要的效果。在所有情况下，注入底部区域引起熔融铁的紊流，并能产生用于搅动熔融铁的流动。以这种方式，底部区域中材料的热量分布更为均匀，从而降低材料凝固的趋势。当添加剂是气体时，这特别有效。

引入添加剂还有助于使存在于熔融铁中的杂质上升到矿物熔体中。这趋于降低熔融铁凝固的趋势，因为它去除了固体颗粒(铁会围绕固体颗粒周围沉淀)。它还可以降低底部区域中材料的熔点。

在添加剂包括氧化剂的情况下，它优先与铁中的杂质(例如硅)发生反应。硅生成二氧化硅的反应被认为是特别重要的。然后，产生的氧化物从熔融铁中出来上升到矿物熔体中。

任何存在于底部区域中的碳都可被氧化剂氧化成一氧化碳或二氧化碳。这是放热反应。除了热量以外，反应还产生引起紊流的气体。这两种效果都起到减少熔融铁凝固趋势的作用。

添加剂包括选自由氧化剂和非还原气体构成的组中的至少一种物质。因此，添加剂可包括一种或多种氧化剂，或一种或多种非还原气体，或一种或多种氧化剂与一种或多种非还原气体的组合。

在本文中，“氧化剂”是指能够氧化通常在底部区域被发现与熔融铁在一起的化合物(例如硅、磷和碳)的任何材料。

添加剂可以是固体、液体或气体。适合的液体包括甘油和糖，它们是本发明上下文中的氧化剂。糖也可以以固体形式被使用。

添加剂优选包括氧化剂。它可以包括非气态氧化剂，例如FeO或CaCO₃(都是固体)，但优选是氧化气体，例如氧气或臭氧。

替代地或附加的，可以使用非还原气体。一些气体氧化剂也是非还原气体。但是，可以使用其它非氧化气体，例如氮气和氩气。

作为混合物的添加剂的一个例子是空气，它包括：氧化气体(氧气)，其也是非还原气体；和另外的非还原气体，包括氮气。

注入率取决于装填矿物的成分，但对于空气注入来说一般为每小时10kg至50kg。注入纯氧时，注入率优选为2～10公斤/小时。

气体优选被加压，例如0.5～8巴表压，优选约2巴表压，其中“巴表压”是绝对压力减去大气压(约是1个大气压)，也就是说，它是指气体从标准大气压起被加压程度的度量。使用巴表压是因为在生产过程中它很容易被确定，因为它可以直接从压力表读取。替代地，可以使用更低的压力，例如0.2～0.3巴表压，这足以实现所需结果。

在本发明中，添加剂直接释放到熔炉的底部区域。也就是，添加剂以这样一种方式被引入：当它处于活性形式时，它首先与底部区域中的熔融材料作用，而不是预先以活性形式与熔炉其它区域中的气氛或熔炉中的其它材料作用。

为了实现这一目的，优选把添加剂直接注入底部区域，所以根本不会通过熔炉的任何其它区域。这将在下文进行讨论。当添加剂是非还原气体时，通常是直接注入底部区域。

当添加剂是非气态氧化剂时，在优选实施例中，它也是直接注入底部区域。这意味着它可以以活性形式被使用，而不需要保护成免受熔炉其它区域的气氛影响。活性形式是指添加剂能够作为氧化剂来氧化底部区域中的杂质(例如硅、磷或碳)的形式。

但是，在替代实施例中，作为固体氧化剂的添加剂以这样一种形式提供，即，它能够被引入到熔炉中某个位置而不是直接引入到底部区域，而是当它经过其它区域时要进行保护，并且只有当它到达底部区域时才以活性形式释放。例如，添加剂可以包括封装物质，它能够例如以封装形式通过熔炉顶部并向下穿过熔炉的方式被引入。该封装材料是这样的，当它接触底部区域中的熔融材料时，它允许封装物质被释放。

替代的，添加剂可以以化学非活性形式(不能够在底部区域起到氧化剂作用的形式)引入到底部区域之外的区域。然后，该非活性形式的添加剂将在熔炉中反应，使得当它到达底部区域时它是活性形式的，并可以作为氧化剂来氧化铁中的杂质，例如硅、磷或碳。

在本发明中重要的是，添加剂(当它可作为添加剂时，即当它处于活性形式时)被直接释放到底部区域中。因此，添加剂在接触到底部区域中的熔融材料之前不与其它区域中的材料实质接触，并且优选根本不与其它区域中的材料发生任何接触。我们认为，如果添加剂注入到其它区域中，例如与装填的矿物材料一起注入，使得它形成装填料的一部分并与熔炉顶部和中部中的气氛接触，那么对解决出渣时间间隔缩短的问题不是有效的。

添加剂可以通过炉壁相关部分中的任何合适的开口被直接注入到底部区域。例如，可以在熔炉底部设置管道，通过所述管道可注入气态或固态添加剂。在使用管道的情况下，可以使用带喷嘴的或不带喷嘴的。

在生产过程中通常需要连续地注入添加剂，以确保注入口不会被熔融铁堵塞住。

在优选的实施例中，是使用塞子来注入添加剂。塞子优选由诸如陶瓷的耐热材料制成，并可以有多个贯穿塞子的通道。例如，塞子被布置成具有上端和下端，上端被定位在底部区域内，下端被定位在熔炉底部外。一个或多个通道从下端延伸到上端。例如，可以有两个或三个或甚至更多的通道。下端可以连接到与通道连通的入口导管上，以便能驱使材料通过入口导管，并进入和通过通道。

塞子整体可以是多孔的，而不是具有一个或多个通道。当添加剂是气态时，这将特别有价值。

添加剂通常在至少1.5巴表压、优选大约2～3巴表压的压力下通过塞子。

适用在本发明中的多孔塞子在冶金加工领域是众所周知的。适用在本发明中的塞子的例子在US5437435和US5312092中给出。

优选地，塞子的形状是截头圆锥体的，并被定位成使得直径较小的一端朝向炉内。一般，熔炉的底部衬有耐火砖，塞子装置被定位成穿过该内衬。优选地，砖与塞子表面齐平。因此，它们可以与侧表面(在截头圆锥体塞子的情况下是倾斜面)或下端齐平，或与两者都齐平。它们可以是与炉衬砖相同的砖(例如矾土或硅石)，或可以是用其它材料制成的，例如碳化硅。

如果由于添加剂穿过的作用而造成塞子磨损，可以更换塞子。

附图说明

图1是适用于本发明的设备的图。下面参考附图介绍本发明的优选实施例。

具体实施方式

该设备包括熔炉1，原料2和燃料3被装填于熔炉内。燃料在熔炉内燃烧，原料熔融并混合在一起形成矿物熔体4。原料中的氧化铁被还原成熔融铁5并聚集到熔炉1的底部区域6。

通过出口7将矿物熔体从熔炉中移走，并输送到用于形成矿物纤维的纤维化设备(未示出)。

助燃空气是由助燃空气系统8供给，并通过鼓风口9输送到熔炉的熔化区域。鼓风口9设置在矿物熔池之上，并提供空气以辅助燃料的燃烧。

熔炉包括出渣口10，液态铁混合物通过出渣口10被移走。

多孔塞11设在熔炉底部区域，通过所述多孔塞注入空气。通过管道12提供空气。压力表13和14用于测量空气的压力。恒流量阀15连同流量测量系统16一起提供以调节空气的流量，或调节可替代空气使用的另一添加剂的流量。

Claims (16)

1、一种生产矿物纤维的方法，其包括：

提供熔炉；

向熔炉中装填包括氧化铁的矿物材料；

在还原气氛中熔融装填的矿物材料，以使熔炉中有一熔融铁聚集的底部区域和矿物熔体聚集的在底部区域上方的熔池；

从熔炉中移走矿物熔体并将其转变为矿物纤维；以及

从底部区域去除熔融铁；

其特征在于，在生产过程中，将添加剂直接释放到熔炉的底部区域，其中，该添加剂包括选自于氧化剂和非还原气体的一种或多种物质。

2、如权利要求1所述的方法，其中，添加剂包括氧化剂。

3、如权利要求1或2所述的方法，其中，添加剂包括空气或纯氧。

4、如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，添加剂直接注入到熔炉的底部区域中。

5、如权利要求4所述的方法，其中，添加剂通过多孔塞子注入。

6、如权利要求5所述的方法，其中，多孔塞子是陶瓷的，并且在0.2～0.3巴表压的压力下通过多孔塞子注入添加剂。

7、如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，添加剂是非还原气体。

8、如权利要求1或2所述的方法，其中，添加剂包括液体形式的物质。

9、如权利要求8所述的方法，其中，添加剂包括液态或溶液形式的甘油或糖。

10、如权利要求1或2所述的方法，其中，添加剂包括固态物质。

11、如权利要求10所述的方法，其中，添加剂是固态的FeO或糖。

12、如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，装填到熔炉中的矿物材料包括选自于硅石、其它硅化合物和硅的材料。

13、如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，矿物熔体具有如下成分，以氧化物的重量比计：

SiO₂         33～43％

Al₂O₃        16～24％

CaO+MgO      23～33％

FeO          3～9％

Na₂O+K₂O     1～8％

TiO₂         0～3％

其它成分     0～15％。

14、一种用于由包括氧化铁的矿物材料生产矿物纤维的设备，其包括：

包括顶部、中部和底部的熔炉，其中，

顶部包括矿物材料进口，

中部包括矿物熔体出口，和

底部包括出渣口和注入装置，熔融铁通过出渣口能被移走，添加剂通过注入装置能被注入；以及

纤维化装置，其被安置成与矿物熔体出口流体连通，并且能够将矿物熔体转变成矿物纤维。

15、如权利要求14所述的设备，其中，注入装置包括塞子，所述塞子定位在炉壁中，以便在熔炉底部和熔炉外部之间提供连通。

16、如权利要求15所述的设备，其中，塞子是多孔的，或者塞子具有多个通道，以便能够将添加剂材料从设在熔炉外的下端移到设在熔炉底部内的上端。

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