CN103803793A - 一种利用高炉熔渣直接喷吹制备无机纤维的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用高炉熔渣直接喷吹制备无机纤维的方法，属于无机非金属材料制备领域。本发明包括：将高炉生产的高温熔渣通过渣槽运输至高温调质炉，添加调质剂对液态熔渣进行高温调质，采用直接喷吹装置对调质高炉渣进行直接喷吹生产无机纤维。所述工艺包括熔渣在线动态调质及均质化、直接喷吹成纤二个关键工序，生产过程采用两套调质系统交替工作，一套进行调质的同时另一套则进行熔渣的浇注成纤，保证直接喷吹成纤过程连续化。本发明采用直接喷吹装置吹制无机纤维，克服传统的离心成纤系统设备复杂、对操作人员技术要求高、需要通水冷却、能耗高等缺点；同时直接利用高炉熔渣的显热，可达到工业原料以及废弃能源的合理利用，具有重要意义。

Description

一种利用高炉熔渣直接喷吹制备无机纤维的方法

技术领域：

本发明涉及一种高炉熔渣直接成纤的方法，属于无机非金属材料制备领域。 

背景技术：

高炉渣是钢铁冶炼过程的主要副产品，每生产1吨生铁可产生300～350kg的高炉渣，出渣温度达1400℃以上，每吨渣含有相当于60kg标准煤的热量。目前我国主要是把热熔渣直接水淬制粒，用于生产水泥和混凝土；其次是生产矿渣骨料，少量高炉渣经再熔化等工序生产膨珠和矿渣棉，综合利用率在85％左右。 

二十世纪五六十年代，我国就开始对高炉渣制备矿渣棉技术进行研究，但是当时是采用的是冷却以后的高炉渣，热态高炉渣所含60kg标准煤/t渣的热量大量散失，而在生产矿渣棉时还需要等当量的焦炭燃烧加热，能源消耗存在严重缺陷。另外从生产工艺角度来说，目前大多数生产企业多采取多辊离心吹制法，特点是产品产量大、质量较好、制取的纤维细长，但存在着熔渣成纤系统设备复杂、能耗高、需要通水冷却等缺点。 

由于现有高炉渣制备矿渣棉方法在能源消耗、制备工艺等方面存在不合理性，近年来国内外学者和企业开始对直接利用熔融高炉渣来生产矿渣棉技术进行探索研究，大连环保设计研究院2001年提出了利用高炉熔渣显热一步法生产矿渣棉的技术，对熔体温度控制和调质处理、熔体均化和矿渣棉质量控制等技术进行了相关研究。 

日本JFE对直接使用热态熔融高炉渣为主要原料制取岩棉的技术进行了研发，在熔融高炉渣中加入玄武岩和其它矿物，采用离心力、压缩空气喷吹等方法制成平均直径为3～5μm的人造矿物纤维。这种方法不仅可以有效回收高炉液态渣显热，而且生产的矿渣棉具有传统冲天炉矿渣棉的优点，显著降低了矿渣棉生产成本，具有较好的经济效益。 

对国内的矿棉生产及熔渣直接成纤相关专利进行检索，结果如下：专利技术(CN1031216A)是针对黄磷熔渣的直接成纤技术，专利技术(CN86104347A)是针对旋风炉熔渣生产矿棉，专利技术(CN101293731A)是针对镍铁熔渣生产矿棉，专利技术(CN102180593A)采用等离子气化炉处理固体废弃物生产矿棉的方法。由此可见，这些专利主要是利用不同种类的、与岩棉化学成分相近的高温熔渣制备矿棉的技术。专利技术(CN1418834A、CN101704631A、CN101792255A、CN102276142A、CN102745892A、CN103145342A、CN101289274A、CN102531375A)针对工业炉熔渣(包括普通铁矿冶炼形成的高炉渣、钒钛磁铁矿冶炼后形成的含钛高炉渣)提出了利用其显热，采用一步法制备矿棉的思路，主要包括如下方面的工作：向熔渣中加入适当辅助原料进行调质，辅助原料主要是含有二氧化硅、氧化铝等酸性氧化物的铁尾矿、粉煤灰等，调质剂的加入方式包括粉状或是熔化成液态形式，调质过程中主要采用烧嘴燃烧气体燃料进行补充热量，调制后炉渣采用离心甩丝法或多孔喷丝机成纤，但离心甩丝法、多辊离心吹制法一般需要设置三到四组金属辊，成纤过程中渣流直接浇注到金属辊表面，每个辊子由一个电机单独驱动，在辊子高速旋转过程中将熔渣冷却 并拉制成直径很小的矿棉纤维，为了保证熔渣能够成纤，需要系统设置每个辊子直径、相对位置、转速，同时还要通冷却水对辊子进行冷却以延长辊子寿命，而且设备复杂、能耗高，对操作人员技术要求高，但为了生产高质量矿物棉，目前多数企业仍采用这种方法。另外，由于调质过程处理炉渣量的大小不同，所需时间也各不一样，上述现有的调质方法在实际应用过程中，调质系统与熔渣成纤装置之间工艺布置采用的是一对一的生产组织方式，生产过程呈间断式，没有充分发挥熔渣成纤装置的生产能力。 

发明内容：

本发明要解决的技术问题是高炉熔渣制备矿棉纤维的生产过程与高炉出渣在工序的衔接上不匹配，通过设置一个摆动流嘴、两套调质系统、一套直接喷吹成纤装置，在高炉出渣过程中，通过摆动流嘴实现两套调质系统交替操作，保证后续成纤装置连续工作，最大限度发挥设备的生产能力。在成纤工序，采用超音速复合喷吹装置代替传统的离心甩丝、多辊喷吹装置，具有设备结构简单，对操作人员技术要求低、能耗低、不需要通冷却水冷却等优点。 

本发明的目的是通过如下技术方案实现的： 

一种利用高炉熔渣直接喷吹制备无机纤维的方法，设置两套调质系统，从高炉出来的熔渣通过摆动流嘴分别进入两套调质系统，通过摆动流嘴实现两套调质系统的交替工作，保证调质系统与直接喷吹装置的生产过程呈连续状态，具体包括如下工序的步骤： 

(1)高温熔渣动态在线调质：当高温调质剂添加装置，调质剂与出炉的高温熔渣一同加入到调质炉中，同时启动加热保温装置，补偿调质过程所需热量，最后启动搅拌均质化装置，调质剂和炉渣在调质炉中实现均质化； 

(2)高温熔渣直接喷吹成纤：调质后的熔渣通过带保温及流量控制系统的溜槽流入直接喷吹装置，在超音速气流作用下，熔渣破碎成纤，同时通入冷态气流进行换热，通过控制换热载气的流量达到控制纤维的冷却速率及矿相的结晶过程的目的，保证纤维的晶体结构呈非晶态。 

进一步地，高炉与摆动流嘴之间、摆动流嘴与调质炉之间、调质炉与直接喷吹装置之间均采用渣槽连接；出炉熔渣首先进入摆动流嘴，通过摆动流嘴将出炉熔渣分配进入两套调质系统；调质后的熔渣进入直接喷吹装置吹制成纤。 

进一步地，调质剂的加入可以采取在高炉与调质炉之间的渣槽中加入、在调质炉顶部加入两种方式。 

进一步地，调质过程热量的补偿方式有两种，第一采用直流电弧炉加热；第二采用纯氧气与气体燃料混合通过烧嘴燃烧提供热量。 

进一步地，调质后炉渣的粘度1.0～10Pa·S、温度1400℃～1500℃、酸度系数1.2～1.4、黏度系数1.0～1.5、酸基比0.9～1.2、氢离子指数小于5。 

进一步地，采用超音速复合喷吹装置将熔融炉渣直接喷吹成纤，控制进入喷吹装置的熔渣流量和喷吹气流的压力、流量可获得不同直径及长度的纤维。 

进一步地，控制进入喷吹装置的熔渣温度1380℃～1480℃，喷吹载气为空气 或氮气、流量30～50m³/min、压力3～5MPa。 

进一步地，渣流进入直接喷吹装置后，渣流与喷吹载气的接触角度为0°～90°。 

进一步地，控制熔渣直接成纤过程中纤维的冷却速率大于1000K/S，保证纤维晶体结构呈非晶态。 

进一步地，所述无机纤维的直径在3～8μm的范围内，长径比在1～10000范围内。 

本发明采用高炉熔渣动态在线调质及超音速气流直接喷吹成纤技术。采用超音速气流直接喷吹成纤方法制备无机纤维，整个系统只有载气发生装置、流量控制及喷吹装置三大部分，并且喷吹装置不需要冷却，喷吹用载气的各项参数调整方便；在生产过程中各工序的衔接方面，本发明的整个生产流程中布置一个摆动流嘴和两套调质系统，出炉的熔渣通过渣槽进入到摆动流嘴，在摆动流嘴两端增设两条渣槽分别与两套调质系统连接，将熔渣分别导入两套调质系统，两套调质系统交替工作，一套调质系统调质的同时，另一套则将调质好的炉渣通过渣槽导入直接喷吹装置，保证喷吹成纤系统连续工作。本发明直接利用出炉熔渣的显热，采用直接喷吹成纤装置进行熔渣成纤，克服了离心甩丝法、多辊离心喷吹法等常见生产工艺的缺点，工艺流程简单易行，实施方便，实现了高炉渣等不同工业废料的综合利用，提高了高炉渣综合利用的附加值，具有良好的经济、社会和环境效益。 

附图说明：

图1是本发明实施例方法流程图 

图2是本发明实施例1制备得到的纤维的SEM照片 

具体实施方式

实施例1 

设置两套调质系统，调质系统由如下部分组成：调质剂添加装置、自动加热保温装置、机械搅拌装置、调质炉本体。 

从高炉出来的熔渣通过摆动流嘴分别进入两套调质系统，通过摆动流嘴实现两套调质系统的交替工作，保证调质系统与直接喷吹系统的生产过程呈连续状态，具体包括如下工序的步骤： 

(1)高温熔渣动态在线调质：当高温熔渣流经高炉与摆动流嘴、摆动流嘴与调质炉之间的渣槽进入调质炉时，启动调质剂添加装置，调质剂与出炉的高温熔渣一同加入到调质炉中，同时启动加热保温装置，补偿调质过程所需热量，最后启动搅拌均质化装置，调质剂和炉渣在调质炉中实现均质化； 

(2)高温熔渣直接喷吹成纤：调质后的熔渣通过带保温及流量控制系统的溜槽流入直接喷吹装置，在超音速气流作用下，熔渣破碎成纤，同时通入冷态气流进行换热，通过控制换热载气的流量达到控制纤维的冷却速率及矿相的结晶过程的目的，保证纤维的晶体结构呈非晶态。 

更具体地，高炉与摆动流嘴之间、摆动流嘴与调质炉之间、调质炉与直接喷吹装置之间均采用渣槽连接；出炉熔渣首先进入摆动流嘴，通过摆动流嘴将出炉熔渣分配进入两套调质系统；调质后的熔渣进入直接喷吹装置吹制成纤。 

高炉开始出渣后，将高温熔融态的高炉渣通过渣槽运输到摆动流嘴；启动摆动流嘴将熔渣通过后面连接的渣槽将熔渣导入第一套已经准备好的调质炉中；在渣流进入调质炉的过程中，同时启动调质系统上方的调质剂添加装置，调质剂的加入可以采取在高炉与调质炉之间的渣槽中加入、在调质炉项部加入两种方式。调质剂与高温熔渣接触后，利用渣流自身的热量及冲击力将调质剂逐步熔化并实现初步混合；当熔渣与调质剂全部进入到调质炉后，开启热量补偿装置，将熔渣温度调整到设定值1450℃，关闭热量补偿系统，其中，热量的补偿方式有两种，第一采用直流电弧炉加热；第二采用纯氧气与气体燃料混合通过烧嘴燃烧提供热量。启动机械搅拌装置，将熔渣体系搅拌均匀，实现熔渣与调质剂的均质化。控制熔渣中高炉渣的重量百分比约为80％，调质剂比例约为20％，炉渣的粘度1.1Pa·S、温度1450℃、酸度系数1.3、黏度系数1.1、酸基比1.0、氢离子指数3。 

待调质过程结束，开动调质炉的倾倒装置，将熔渣通过渣槽导入直接喷吹装置，同时启动喷吹载气发生装置，载气为空气或氮气，调整喷吹载气的压力为3MPa、流量为40m³/min，渣流与喷吹气体的接触角度为80°，在高速气流的作用下，熔渣破碎成纤。具体地，采用超音速复合喷吹装置将熔融炉渣直接喷吹成纤，控制进入喷吹装置的熔渣流量和喷吹气流的压力、流量可获得不同直径及长度的纤维。 

启动冷却系统，通入冷态气体进行强化换热，保证纤维的冷却速率。控制熔渣直接成纤过程中纤维的冷却速率大于1000K/S，保证纤维晶体结构呈非晶态。 

在第一套调质系统装满熔渣开始调质时，开动摆动流嘴，将炉渣导入另外一套准备好的调质系统中，当第一套调质系统调质结束开始浇注成纤时，启动第二套调质系统按上述操作进行调质操作，第一套调质系统即将浇注完成时，开动第二套的调质炉的倾倒装置，进行浇注成纤操作，生产过程所需时间与现场高炉出渣的时间相同。 

上述操作在高炉出渣周期内是交替进行的，两套调质系统既作为调质用，又能起到缓冲池的作用。 

浇注成纤过程，每座调质炉内的熔渣不能全部放出，需要预留一部分保护炉底。 

最后启动纤维收集系统收集吹制出来的矿棉纤维，最后得到的纤维如图2所示，平均直径为3.5μm，长径比约为100。 

本领域技术人员可在本发明方法的指导下，通过改变熔渣调质条件、喷吹条件制备长径比不同的纤维，近而得到最优的工艺条件。 

本发明制得的无机纤维可制备建筑保温材料，工业窑炉的隔热材料，管道保温材料，超细纤维还可用于造纸，代替树木纤维，还可通过尾气回收使热能得到充分利用。 

Claims (10)

1.一种利用高炉熔渣直接喷吹制备无机纤维的方法，设置两套调质系统，从高炉出来的熔渣通过摆动流嘴分别进入两套调质系统，通过摆动流嘴实现两套调质系统的交替工作，保证调质系统与直接喷吹系统的生产过程呈连续状态，具体包括如下工序的步骤：

(1)高温熔渣动态在线调质：当高温熔渣流经高炉与摆动流嘴、摆动流嘴与调质炉之间的渣槽进入调质炉时，启动调质剂添加装置，调质剂与出炉的高温熔渣一同加入到调质炉中，同时启动加热保温装置，补偿调质过程所需热量，最后启动搅拌均质化装置，调质剂和炉渣在调质炉中实现均质化；

(2)高温熔渣直接喷吹成纤：调质后的熔渣通过带保温及流量控制系统的渣槽流入直接喷吹装置，在超音速气流作用下，熔渣破碎成纤，同时通入冷态气流进行换热，通过控制换热载气的流量达到控制纤维的冷却速率及矿相的结晶过程的目的，保证纤维的晶体结构呈非晶态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：高炉与摆动流嘴之间、摆动流嘴与调质炉之间、调质炉与直接喷吹装置之间均采用渣槽连接；出炉熔渣首先进入摆动流嘴，通过摆动流嘴将出炉熔渣分配进入两套调质系统；调质后的熔渣进入直接喷吹装置吹制成纤。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：调质剂的加入可以采取在高炉与调质炉之间的渣槽中加入、在调质炉顶部加入两种方式。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：调质过程热量的补偿方式有两种，第一采用直流电弧炉加热；第二采用纯氧气与气体燃料混合通过烧嘴燃烧提供热量。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：调质后炉渣的粘度1.0～10Pa·S、温度1400℃～1500℃、酸度系数1.2～1.4、黏度系数1.0～1.5、酸基比0.9～1.2、氢离子指数小于5。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：采用超音速复合喷吹装置将熔融炉渣直接喷吹成纤，控制进入喷吹装置的熔渣流量和喷吹气流的压力、流量可获得不同直径及长度的纤维。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：控制进入喷吹装置的熔渣温度1380℃～1480℃，喷吹载气为空气或氮气、流量30～50m³/min、压力3～5MPa。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：渣流进入直接喷吹装置后，渣流与喷吹载气的接触角度为0°～90°。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：控制熔渣直接成纤过程中纤维的冷却速率大于1000K/S，保证纤维晶体结构呈非晶态。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无机纤维的直径在3～8μm的范围内，长径比在1～10000范围内。

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