CN102276142A

CN102276142A - 利用热态高炉渣制备无机矿渣纤维的设备及方法

Info

Publication number: CN102276142A
Application number: CN2011101837113A
Authority: CN
Inventors: 王习东; 张作泰; 刘丽丽; 赵大伟
Original assignee: Peking University
Current assignee: Lantian Yanyuan Technology Co ltd
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2031-06-30
Also published as: CN102276142B

Abstract

本发明提供一种利用热态高炉渣制备无机矿渣纤维的设备及方法。所述设备设计了添加物熔化炉装置，所述方法是使用该设备，将热态高炉渣与添加物分别熔融后，进行混匀，得到混匀的熔融液，再将所述混匀熔融液制成丝，即得到所述无机矿渣纤维。本发明利用新型设备，制备无机矿渣纤维的方法简单易行，实施方便，充分利用了原料中的显热，并实现了热态高炉渣等不同工业废料的综合利用，克服了熔固混匀的技术难题，制备出耐高温，抗腐蚀，强度高，比重轻，电绝缘性好，吸湿低，延伸小等具备诸多优良特性并且用途广泛的无机矿渣纤维。

Description

利用热态高炉渣制备无机矿渣纤维的设备及方法

技术领域

本发明属于无机非金属材料制备技术设备领域，具体地，涉及一种生产无机矿渣纤维的设备，特别涉及一种利用热态高炉渣制备无机矿渣纤维的设备，及其利用该设备制备无机矿渣纤维的方法。

背景技术

热态高炉渣是冶炼生铁时从高炉中排出的副产品，是我国现阶段最主要的冶炼废渣。在炼铁过程中，加入高炉的原料，除了铁矿石和燃料(焦炭)外，还需要加入相当数量的石灰石和白云石作为助熔剂。随着炉料熔融，矿石中的脉石、焦炭中的灰分、助溶剂及其他不能进入生铁中的杂质相互作用形成以硅酸盐和铝酸盐为主的浮在铁水上面的熔渣，即热态高炉渣。每生产1吨生铁热态高炉渣的排放量，随着矿石品位和冶炼方法不同而变化，一般每吨生铁产渣量为300～900kg，随着我国钢铁工业的发展，热态高炉渣的排放量日益增大。

热态高炉渣是直接从高炉炼铁中产生的高温废弃物，其温度可高达1500℃左右，其主要矿物组成有钙黄长石、镁黄长石、钙长石、疆辉石、硅灰石、二硅酸三钙等。一般来说，1吨热态熔渣，即热态高炉渣带有1600～1800MJ的热量，大约相当于55～61kg标准煤完全燃烧后产生的热量。如果按2005年全国工业熔渣生产量为3.5亿吨来算，这部分熔渣因为没有完全利用其显热，所浪费的热能大致相当于2800万吨原煤。

为了充分利用热态高炉渣中的显热，我国早在上世纪50年代，就在热态高炉渣沟末端，即在喷嘴中通以压缩空气或高压蒸汽作为喷吹介质，将未经任何调质、调温处理的熔融热态高炉渣直接喷吹成矿渣棉纤维。此法虽然利用了热态高炉渣的显热，但由于热态高炉渣含有氧化钙、氧化镁等碱性氧化物，碱度较高，高温液态黏度较大，不利于成丝，并不适合直接成纤。实验证明，以热态高炉渣为主要原料，通过加入其它物质(如粉煤灰等)进行调质，可以制备出优质的无机矿渣纤维，具有耐高温，抗腐蚀，强度高，比重轻，电绝缘性好，吸湿低，延伸小等优良特性，广泛用于各种工业部门及生活领域，具有广阔的应用前景。其中，提到的粉煤灰是指燃煤(低热值燃料)锅炉在燃烧过程中产生的固体颗粒物。2005年我国燃煤电厂的低热值电厂产生的粉煤灰量达3.3亿吨，占全国工业固体废弃物的40％。

加入的物质与热态高炉渣如何进行均匀混熔，是制约这项技术发展的关键问题。在1400℃到1500℃的高温情况下，向熔融态热态高炉渣中加入的粉煤灰等固态的调质物质，由于热空气运动和熔体结构等因素的影响，难以与热态高炉渣进行均匀的融合，进而难以制备质量均匀、优质的无机矿渣纤维。因此，熔固混匀的难题严重制约了利用热态高炉渣制备无机矿渣纤维技术的推广和应用，如何解决这一难题，制备出优质的无机矿渣纤维，进而实现对提高废弃物利用效率，充分利用废弃能源，促进我国的经济与社会，对人与自然的和谐发展，资源经济向循环经济的跨越都具有极其深远的意义。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种利用热态高炉渣制备无机矿渣纤维的设备，该设备针对熔固混匀的技术难题，设计了添加物熔化炉装置，从而实现均匀的熔固混匀。

一种利用热态高炉渣制备无机矿渣纤维的设备，包括：高炉，用来贮存从高炉出渣口排出的热态高炉渣的渣包或渣辊车，熔化炉，混匀装置，其中渣包或渣辊车及熔化炉分别与混匀装置相连接。

所述设备可用来在无机矿渣纤维制备过程中，进行原料热态高炉渣和添加物的熔融与混匀。

其中，所述渣包或渣辊车是一种贮存运输熔融态热态高炉渣的装置，具有保温性和安全行。

其中，所述熔化炉里面设置一发热体，可用于熔化添加物。

其中，所述混匀装置具体可以是混匀炉，内有旋转混合叶片，用来混匀在所述渣包或渣辊车中熔融的热态高炉渣和在所述熔化炉中熔化的添加物，得到混匀熔融液。

其中，所述设备还包括一个引流装置，用来引流所述混匀熔融液，进入所述混匀装置中。

其中，所述设备还包括一个控温装置，用来将所述混匀熔融液加入其中，进行调温，从而控制所述熔融液的黏度与表面张力。所述控温装置可以是控温釜或终炉。

其中，所述设备还包括一个制丝设备，用来将所述混匀熔融液制成丝，即得到所述无机矿渣纤维。所述制丝设备可以是甩丝机或多孔喷丝机。

上述设备各部件的连接顺序是：渣包或渣辊车与熔化炉分别与引流装置相连接，引流装置后依次连接于混匀装置，控温装置和制丝设备。

其中，所述热态高炉渣包括高炉炼铁过程中排出的渣。所述热态高炉渣的成为包括：CaO 20～45％、SiO₂25～45％、Al₂O₃10～30％、MgO 8～20％等。其百分比的值都为重量百分比。

其中，所述添加物选自粉煤灰、铁尾矿、高铝土和铜尾矿中的一种或多种，加入添加物对热态高炉渣起改性的作用。

本发明的另一目的在于，提供一种采用上述设备，利用热态高炉渣制备无机矿渣纤维的方法。该方法充分利用了热态高炉渣中的显热，进行稳定高效的调质，实现了均匀的熔固混匀。

本发明提供的一种利用热态高炉渣制备无机矿渣纤维的方法，是将所述热态高炉渣与添加物分别熔融后，进行混匀，得到混匀的熔融液，再将所述混匀熔融液制成丝，即得到所述无机矿渣纤维。

其中，热态高炉渣的熔融是在本发明内容中所述设备的渣包或渣辊车中进行的；添加物的熔融是在所述设备的熔化炉中进行的；两种原料熔融后的混匀，是在所述设备的混匀装置中进行的。

具体来说，热态高炉渣和添加物先分别熔融后混匀，通过控制物料组成与所述熔融液温度，从而控制混匀熔融液的黏度与表面张力。

其中，所述热态高炉渣的重量百分比为30～90％。所述热态高炉渣的温度为1450～1550℃。

其中，所述添加物的重量百分比为10％～70％。添加物熔融的温度为1000℃～1900℃。

其中，所述混匀熔融液的温度为1100℃～1800℃。该温度是适宜制丝的温度。

其中，所述熔融液的黏度控制在：0.5～3.5Pa·S之内；表面张力控制在250～600N/m之间。

其中，所述热态高炉渣和添加物同本发明内容中所述利用热态高炉渣制备无机矿渣纤维的设备中使用的热态高炉渣和添加物。

其中，所述添加物粉煤灰中元素组成包括：O 40～47％、Si10～30％、Al 6～24％、Fe 1～20％和Ca 0～25％。

其中，所述添加物高铝土中Al₂O₃含量不少于40％。

其中，所述添加物铁尾矿中SiO₂含量不少于30％。

其中，所述添加物铜尾矿中SiO₂含量不少于30％。

上述制备方法中，将所述混匀熔融液制成丝是通过喷吹或甩丝制备得到丝，再将所述丝冷却，即得所述无机矿渣纤维。

其中，所述的喷吹是在加压下由多孔喷丝机将所述混匀熔融液喷出成丝，然后将得到的丝冷却，制得所述无机矿渣纤维。

其中，所述喷吹时的压力为0.75～1.2MPa。

其中，所述的甩丝是将所述混匀熔融液流入甩丝机，在甩丝辊离心力的作用下，根据不同的线速度使该液体形成长短不同的丝，将这些丝冷却即得到无机矿渣纤维。

其中，将所述混匀熔融液制成丝后，是通过通入气体进行冷却的，在此过程中，控制气体压力，可以获得不同温度气体。

其中，所述气体选自：压缩空气。

其中，所述气体压力可以为0.6～1.5MPa。

其中，所述气体温度为100～500℃。

具体地，使用本发明内容中给出的设备，利用热态高炉渣制备无机矿渣纤维的方法为：

首先，通过渣包或渣辊车将从高炉出渣口直接排出的热态高炉渣进行贮存，此过程可以同步进行温度调整。同时将添加物加入到熔化炉中，利用发热体进行加热使之熔化。然后，将渣包或渣辊车中的熔融热态高炉渣和熔化炉中的熔融添加物通过引流装置，进入混匀炉中。在混匀炉中，通过炉内的旋转混合叶片进行混匀，从而得到混匀的熔融液作为制备无机矿渣纤维的最终原料。最后，将所述混匀熔融液加入到控温装置中，进行调温。待调整到适宜制丝的温度，通过喷吹或甩丝得到丝，再将所述丝冷却，即得所述无机矿渣纤维。

其中，通入气体冷却纤维丝过程中，控制气体压力，可以获得不同温度气体，并通过热电联产设备进行气体发电或其他供热。

其中，所述气体及气体压力和温度，同本发明内容中所述的利用热态高炉渣制备无机矿渣纤维的方法中所述气体及气体压力和温度。

其中，所述热态高炉渣调整的温度为1450～1550℃。

其中，所述控温装置对混匀熔融液调整的温度为1400℃～1700℃。

本发明制得的无机矿渣纤维的直径为0.01mm～100mm，长径比为4～2000；元素成分包括：CaO 20～30％、SiO₂20～55％、Al₂O₃10～40％、MgO 8～30％等。其百分比的值都为重量百分比。

本领域技术人员可在本发明的指导下，通过比较在不同添加物使用量、混匀熔融液不同温度下制备的无机矿渣纤维的长径比之间的区别而得到最优的工艺条件。

和现有设备和方法相比，本发明具有下列优点：

本发明在进行充分研究论证的基础上，设计了一种利用热态高炉渣，并完成熔固混匀的新型设备，从而进行稳定高效的热态高炉渣的调质。同样地，本发明利用新型设备，制备无机矿渣纤维的方法也简单易行，实施方便，充分利用了原料中的显热，并实现了热态高炉渣等不同工业废料的综合利用，克服了熔固混匀的技术难题，制备出耐高温，抗腐蚀，比重轻，电绝缘性好，吸湿低，延伸小等具备诸多优良特性并且用途广泛的无机矿渣纤维，并且纤维强度远胜于传统的纤维；进而实现对提高废弃物利用效率，充分利用废弃能源，促进我国的经济与社会，对人与自然的和谐发展，资源经济向循环经济的跨越都具有极其深远的意义。

附图说明

图1是利用热态高炉渣制备无机矿渣纤维设备的示意图；其中，1为高炉，2为渣包或渣辊车，3为熔化炉，4为引流装置，5为混匀装置，6为控温装置，7为制丝设备。

图2是利用热态高炉渣制备无机矿渣纤维方法的流程图。

图3是本发明实施例1制备得到的无机矿渣纤维显微镜下形貌照片(100倍)。

图4是本方法实施例2制备得到的无机矿渣纤维的形貌照片。

图5是无机矿渣纤维力学性能测量操作示意图。

图6是无机矿渣纤维力学性能测量图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

下述实施例的制备方法流程如说明书附图中的图2所示，使用到的设备如图1所示：用来贮存从高炉1出渣口排出的热态高炉渣的渣包或渣辊车2与熔化炉3分别与引流装置4相连接，引流装置4后依次连接于混匀装置5，控温装置6和制丝设备7。

实施例1

通过渣包2将从高炉1出渣口直接排出的热态高炉渣(重量百分比70％)进行贮存，将热态高炉渣的温度调整为1450℃。同时将添加物粉煤灰(重量百分比为30％)加入到熔化炉3中，利用发热体进行加热使之熔化。然后，将渣包2中的熔融热态高炉渣和熔化炉3中的熔融添加物粉煤灰通过引流装置4，进入混匀炉5中。在混匀炉5中，通过炉内的旋转混合叶片进行混匀，从而得到混匀的熔融液作为制备无机矿渣纤维的最终原料。最后，将所述混匀熔融液加入到终炉6中，调温到1500℃。使熔融液流入甩丝机7中，在甩丝辊离心力的作用下，根据不同的线速度得到长短不同的无机矿渣纤维丝，同时喷吹压缩空气冷却得到的无机矿渣纤维丝，如图3所示。

实施例2

采用和实施例1相同的制备方法，其区别在于，在终炉6中调温到1600℃，最后得到的无机矿渣纤维，如图4所示。所得纤维平均直径为6.1μm。

实施例3

采用和实施例1相同的制备方法，其区别在于，在控温釜6中调温到1700℃结束后，得到熔融液流，并使用多孔喷丝机7喷制成丝，喷吹压力为1.2MPa，冷却后获得无机矿渣纤维。所得纤维平均直径为5.5μm。

实施例4

采用和实施例1相似的制备方法，其区别在于，添加物为铁尾矿，热态高炉渣重量百分比为50％，铁尾矿重量百分比为50％，在终炉6中调温到1600℃，使用多孔喷丝机7喷制成丝，喷吹压力为0.80Mpa，最后得到的无机矿渣纤维，其平均直径为5.6μm。

实施例5

采用和实施例1相似的制备方法，其区别在于，添加物为铁尾矿，热态高炉渣重量百分比为40％，铁尾矿重量百分比为60％，在终炉6中调温到1500℃，使熔融液流入甩丝机7中，利用甩丝法，制备无机矿渣纤维。制得纤维平均直径为5.9μm。

实施例6

纤维的力学性能对纤维的使用影响很大，本实验采用JSF08高精度短纤维力学性能测试仪来测量所制纤维的力学性能。

实验测量了热态高炉渣配比为70％(即实施例1)时获得的无机矿渣纤维的力学性能。选取长度在6-8mm之间的纤维，在显微镜下利用酚醛树脂球固定两端，将纤维置于拉伸仪器的卡具中，如图5所示。操作仪器缓慢拉伸纤维直至产生5.0mN/tex的预张力为止。测量时采用50mm/min的拉伸速度，试验断裂后，记录断裂清理、断裂伸长和断裂时间，测量结果如图6和下表所示：

图6横轴为纤维直径，纵轴为纤维的拉伸力，从图中可以看出，本发明获得的无机矿纤维的拉伸力最大超过了200mN。

上表显示了不同直径的纤维力学性能测量结果。相对而言，纤维直径越小，其单丝拉伸强度越高。本发明实验获得纤维拉伸强度位于276～2188MPa之间，平均值为1085MPa。尼龙的拉伸强度为490～680MPa，人造丝的拉伸强度为340～440MPa，E玻璃纤维的拉伸强度为175～250MPa，玄武岩纤维的拉伸强度为170～210MPa。由此可见本发明获得的纤维强度远胜于上述纤维。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种利用热态高炉渣制备无机矿渣纤维的设备，包括：高炉(1)，用来贮存从高炉(1)出渣口排出的热态高炉渣的渣包或渣辊车(2)，混匀装置(5)，其特征在于：所述设备还包括熔化炉(3)，所述渣包或渣辊车(2)及所述熔化炉(3)分别与所述混匀装置(5)相连接。

2.根据权利要求1所述的利用热态高炉渣制备无机矿渣纤维的设备，其特征在于：在所述设备中还包括引流装置(4)和控温装置(6)，所述渣包或渣辊车(2)与熔化炉(3)分别与引流装置(4)相连接，引流装置(4)后依次连接于混匀装置(5)和控温装置(6)。

3.包含权利要求1或2所述的利用热态高炉渣制备无机矿渣纤维的设备在熔融并混匀热态高炉渣和添加物中的应用。

4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述添加物选自：粉煤灰、铁尾矿、高铝土和铜尾矿中的一种或多种。

5.采用权利要求1所述的设备，利用热态高炉渣制备无机矿渣纤维的方法，其特征在于：所述热态高炉渣与添加物分别熔融后，进行混匀，得到混匀的熔融液，再将所述混匀熔融液制成丝，即得到所述无机矿渣纤维。

6.根据权利要求5所述的利用热态高炉渣制备无机矿渣纤维的方法，其特征在于，所述添加物选自：粉煤灰、铁尾矿、高铝土和铜尾矿中的一种或多种。

7.根据权利要求5或6所述的利用热态高炉渣制备无机矿渣纤维的方法，其特征在于：所述热态高炉渣的重量百分比为30～90％；所述添加物的重量百分比为10％～70％。

8.根据权利要求5或6所述的利用热态高炉渣制备无机矿渣纤维的方法，其特征在于：所述混匀熔融液的温度为1100℃～1800℃。

9.根据权利要求书8所述的利用热态高炉渣制备无机矿渣纤维的方法，其特征在于，所述将混匀熔融液制成丝的方法为：喷吹或甩丝；其中喷吹时的压力为0.75～1.2兆帕。

10.采用权利要求1或2所述的设备制得的无机矿渣纤维，其特征在于：所述无机矿渣纤维的直径为0.01mm～100mm，长径为4～2000；元素成分包括：CaO 20～30％、SiO₂ 20～55％、Al₂O₃ 10～40％和MgO 8～30％。