CN104261669A - 一种以工业固废为原料制备连续玄武岩纤维的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种连续玄武岩纤维的制备方法，该方法使用的原料包括粉煤灰和煤矸石。本发明以与玄武岩化学成分相似的工业固体废弃物为主要原料、以铁尾矿、含钛渣、氧化铝赤泥等为添加剂制备连续玄武岩纤维，对各成分用量进行合理配比，发挥各成分的协同作用，充分利用固废中的主要成分二氧化硅和氧化铝、铁尾矿所含的氧化铁、含钛渣所含的氧化钛和氧化铝赤泥所含的氧化铝，通过各种成分耦合制备而成的连续玄武岩纤维具有优于传统连续玄武岩纤维的性能，并有效实现了对固体废弃物的高效利用。

Description

一种以工业固废为原料制备连续玄武岩纤维的方法
技术领域
本发明属于连续玄武岩纤维制备技术领域，特别涉及一种以粉煤灰、煤矸石等工业固体废弃物为主要原料制备连续玄武岩纤维的方法。
背景技术
连续玄武岩纤维(Continuous Basalt Fiber,CBF)，是由单一的玄武岩石料为原料在高温下熔化和拉丝制造而成。其生产原料是天然存在的，同时由于玄武岩熔化过程中没有硼和其他碱金属氧化物排除，使得玄武岩连续纤维的制造过程为害较小。连续玄武岩纤维的材料强度、化学稳定性、电绝缘性能均较好，因此，广泛用于航空航天、石油化工、建筑、汽车等领域。
前苏联莫斯科玻璃和塑料研究院于1953～1954年开发出连续玄武岩纤维CBF。1959年，德国报道了有关玄武岩棉的生产装置。上个世纪60～70年代，全苏玻璃钢与玻璃纤维科研院乌克兰分院根据前苏联国防部的要求着手研制CBF，并于1985年研制成功并实现了CBF的工业化生产。在此期间，乌克兰、俄罗斯、美国等国家都陆续建立起了CBF制造工厂。近年来，美国、日本、德国等一些科技发达国家都加强了对CBF这一新型非金属无机纤维的研究开发，并取得了一系列新的应用研究成果。
我国开展CBF的研究较晚，发展迟缓；但近几年，随着对CBF需求的不断加大，CBF迎来了其发展的黄金时代。
根据熔融原料所使用的容器不同,CBF的制作方法包括坩埚法和池窑法。其中，坩埚法是把原料制成配合料加入球窑内，经过高温熔融、均化后形成熔球，再将熔球加入坩埚内重新熔融，熔体经坩埚底部的漏嘴流出后拉制成纤维；池窑法又称直接法，它是把原料制成配合料加入窑内，经过高温熔融、均匀化后，熔体直接经漏嘴流出，拉制成纤维。与坩埚法相比，池窑法具有节能、污染少、体积小、废丝少等优点。目前，我国工业化生产CBF普遍采用池窑法。
然而，国内、外对于制备玄武岩纤维的原料的研究较少，一般是开采天然的玄武岩作为制作连续玄武岩纤维的原料。玄武岩纤维的主要化学组如表1所示。
表1：玄武岩纤维的化学组成
成分 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO TiO2 其他
下限(％) 44 12 9 4 3 0.9 2.0
上限(％) 52 18 14 12 7 2.0 3.5
粉煤灰是工业固体废物的一种，是指煤燃烧所产生的烟气中的细灰，一般是指燃煤电厂从烟道气体中收集的细灰，又称飞灰、烟灰。我国是产煤大国，以煤炭为电力生产基本燃料。近年来，我国的能源工业稳步发展，发电能力年增长率为7.3％，电力工业的迅速发展，带来了粉煤灰排放量的急剧增加，燃煤热电厂每年所排放的粉煤灰总量逐年增加，给生态环境造成巨大压力。煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。同样，煤矸石也是一种大宗工业固废，其堆积对生态环境破坏严重，同时也是一种巨大的资源浪费。我国对以粉煤灰、煤等固体废物的综合利用已迫在眉睫
专利文献CN101935159A公开了一种利用粉煤灰生产纤维棉的方法，其步骤为：1)原料粉煤灰合成造粒：粉煤灰通过成型机合成为颗粒状；2)原料混合：将钙石、白岩石或玄武岩，上述颗粒状的粉煤灰，及焦碳混合；3)高温加热熔化：将上述原料送入到高温熔炉内加热熔化；4)抽丝造纤：将上述熔化后的液体送入到高速离心抽丝机内抽丝，所抽出的丝为成为棉絮状的纤维棉；5)纤维固化：将上述棉絮状的纤维丝堆叠，再加入固化剂固化成块状或板状，即成为块状或板状的纤维棉。
专利文献CN101235555公开了以煤矸石灰渣为原料制造纤维的方法，该方法以煤矸石灰渣为主要原料，其特征在于，包括以下步骤：将煤矸石灰渣与软化剂、分散剂和水混合搅拌并造粒；在高温封闭式炉中加热熔化，控制稳定的熔体粘度，加压下由多孔喷丝板熔融喷出成丝；随后喷洒表面改性剂，即得到超细的无机钙纤维。此外，专利文献CN102719294公开了一种煤矸石综合利用方法，包括：将煤矸石粉碎至粒度小于或等于10mm，在沸腾炉中进行燃烧，燃烧产生的热量用于生活或工业供热；燃烧后的白色无机灰渣加入添加剂，在1500～2100℃下熔化，熔化后的熔融混合物经喷吹或甩丝制得无机纤维。
现有文献提供的技术局限于单独使用粉煤灰或煤矸石制备无机纤维，所述方法得到的纤维强度不高，无法达到玄武岩纤维的优异性能。由于粉煤灰和煤矸石的化学成分组成与玄武岩纤维相似，因此，可将二者作为原料合用于制备连续玄武岩纤维，并发挥其协同作用。目前，尚无将粉煤灰和煤矸石合用于制备连续玄武岩纤维的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种以工业固体废料为主要原料制备连续玄武岩纤维的方法。
本发明提供了一种连续玄武岩纤维的制备方法，该方法使用的原料包括：粉煤灰和煤矸石。
具体的，所述原料包括以下重量份的成分：粉煤灰10～70份，煤矸石5～15份。
优选地，所述原料包括以下重量份的成分：粉煤灰45～50份，煤矸石10～15份。
所述粉煤灰含有以下重量百分比的成分：SiO220～65％，Al2O310％～40％，Fe2O31～10％，CaO 2～16％，MgO 1～5％，TiO20.1～2％。
所述煤矸石含有以下重量百分比的成分：SiO252～65％，Al2O316～36％，Fe2O32.28～14.63％，CaO 0.42～2.32％，MgO 0.44～2.41％，TiO20.90～4％。
所述制备连续玄武岩纤维的原料还包括添加剂，其用量为20～45份，优选为38～41份。
所述添加剂选自铁尾矿、含钛渣或氧化铝赤泥中的一种或几种。
具体的，本发明提供的连续玄武岩纤维的制备方法中所述原料包括以下重量份的成分：粉煤灰10～70份，煤矸石5～15份，铁尾矿2～20份，含钛渣0～20份，氧化铝赤泥0～10份；
优选地，所述原料包括以下重量份的成分：粉煤灰45～50份，煤矸石10～15份，铁尾矿19～20份，含钛渣11～12份，氧化铝赤泥8～9份；
进一步优选地，所述原料包括以下重量份的成分：粉煤灰50份，煤矸石10份，铁尾矿20份，含钛渣11份，氧化铝赤泥9份。
上述连续玄武岩纤维中：
所述重量可以是μg、mg、g、kg等医药领域公知的重量单位，也可以是其倍数，如1/10、1/100、10倍、100倍等。
本发明提供了一种连续玄武岩纤维的制备方法，该方法包括以下步骤：原料预处理，加料，熔化，漏板拉丝，即得连续玄武岩纤维。
具体的，所述方法包括以下步骤：
1)原料预处理：将混合物原料在预熔炉里进行预熔化，形成均匀的熔体，熔化温度为1350～1550℃，熔化时间为4～8h；
2)加料：将预熔化炉中已均匀熔化的原料，通过耐高温导流装置，直接导入到熔化炉中；
3)熔化：经步骤2)导入的原料在电加热熔化炉中进行熔化，至混合熔体粘度为0.5～10Pa·s，熔化炉温度为1250～1550℃；
4)漏板拉丝：在温度为1250～1330℃的条件下，采用200孔铂铑合金漏板进行拉丝，即得连续玄武岩纤维。
优选地，所述方法包括以下步骤：
1)原料预处理：将原料在预熔炉里进行预熔化，形成均匀的熔体，熔化温度为1400℃，熔化时间为6h；
2)加料：将预熔化炉中已均匀熔化的原料，通过耐高温导流装置，直接导入到熔化炉中；
3)熔化：经步骤2)导入的原料在电加热熔化炉中进行熔化，至混合熔体粘度为3Pa·s，熔化炉温度为1400℃；
4)漏板拉丝：在温度为1320℃的条件下，采用200孔铂铑合金漏板进行拉丝，即得连续玄武岩纤维。
本发明所述制备方法还可以包括对所得连续玄武岩纤维进行浸润和缠绕，利于连续玄武岩纤维的保存；具体步骤为：
5)浸润剂涂层：添加浸润剂的过程和拉丝过程同步进行，纤维丝通过沾满浸润剂的小辊以均匀涂装；
6)缠绕：将拉丝成型并经过浸润剂涂层的连续玄武岩纤维连接到缠绕设备上进行缠绕保存。
其中：浸润剂为常规使用的浸润剂。
与现有技术相比，本发明有以下显著技术特征和效果：
1、本发明提供的连续玄武岩纤维制备方法以与玄武岩化学成分相似的工业固体废弃物粉煤灰、煤矸石为主要原料，以铁尾矿、含钛渣、氧化铝赤泥等成分为添加剂，对各成分含量进行合理配比，发挥各成分的协同作用，充分利用各类固废中的主要成分二氧化硅和氧化铝、铁尾矿所含的氧化铁、含钛渣中所含的氧化钛和氧化铝赤泥所含的氧化铝，有效实现了对固体废弃物的高效利用；
2、使用本发明提供的连续玄武岩纤维制备方法制成的连续玄武岩纤维具有优于传统连续玄武岩纤维的性能，扩展了玄武岩纤维生产工艺，具有明显的经济效益。
附图说明
图1，为实施例1所得连续玄武岩纤维实物图；
图2，为实施例2所得连续玄武岩纤维实物图；
图3，为实施例3所得连续玄武岩纤维实物图。
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。
粉煤灰取自山西朔州某热电厂，其含有以下重量百分比的成分：包括SiO240％，Al2O335％，Fe2O310％，CaO 13％，MgO 1％，TiO21％。
煤矸石取自山西省，其含有以下重量百分比的成分：SiO262％，Al2O330％，Fe2O33％，CaO 1％，MgO 2％，TiO22％。
实施例1：连续玄武岩纤维的制备
1、原料：混合物的组成见表2。
表2、混合物组成
成分 质量(kg)
粉煤灰 45
煤矸石 15
铁尾矿 19
含钛渣 12
氧化铝赤泥 8
2、制备：
1)原料预处理：将表2所述混合物原料在预熔炉里进行预熔化，形成均匀的熔体，熔化温度为1350℃，熔化时间为8h；
2)加料：将预熔化炉中已均匀熔化的原料，通过耐高温导流装置，直接导入到熔化炉中；
3)熔化：经步骤2)导入的原料在电加热熔化炉中进行熔化，至混合熔体粘度为10Pa·s，熔化炉温度为1550℃；
4)漏板拉丝：在温度为1330℃的条件下，采用200孔铂铑合金漏板进行拉丝；
5)浸润剂涂层：添加浸润剂的过程和拉丝过程同步进行；
6)缠绕：将拉丝成型并经过浸润剂涂层的连续玄武岩纤维连接到缠绕设备上进行缠绕保存，连续玄武岩纤维即得；所得连续玄武岩纤维实物见图1。
实施例2：连续玄武岩纤维的制备
1、原料：混合物的组成见表3。
表3：混合物组成
成分 质量(kg)
粉煤灰 45
煤矸石 15
铁尾矿 20
含钛渣 11
氧化铝赤泥 9
2、制备：
1)原料预处理：将表3所述混合物原料在预熔炉里进行预熔化，形成均匀的熔体，熔化温度为1550℃，熔化时间为4h；
2)加料：将预熔化炉中已均匀熔化的原料，通过耐高温导流装置，直接导入到熔化炉中；
3)熔化：经步骤2)导入的原料在电加热熔化炉中进行熔化，至混合熔体粘度为0.5Pa·s，熔化炉温度为1250℃；
4)漏板拉丝：在温度为1250℃的条件下，采用200孔铂铑合金漏板进行拉丝；
5)浸润剂涂层：添加浸润剂的过程和拉丝过程同步进行；
6)缠绕：将拉丝成型并经过浸润剂涂层的连续玄武岩纤维连接到缠绕设备上进行缠绕保存，连续玄武岩纤维即得；所得连续玄武岩纤维实物见图2。
实施例3：连续玄武岩纤维的制备
1、原料：混合物的组成见表4。
表4：混合物组成
成分 质量(kg)
粉煤灰 50
煤矸石 10
铁尾矿 20
含钛渣 11
氧化铝赤泥 9
2、制备：
1)原料预处理：将表4所述混合物原料在预熔炉里进行预熔化，形成均匀的熔体，熔化温度为1400℃，熔化时间为6h；
2)加料：将预熔化炉中已均匀熔化的原料，通过耐高温导流装置，直接导入到熔化炉中；
3)熔化：经步骤2)导入的原料在电加热熔化炉中进行熔化，至混合熔体粘度为3Pa·s，熔化炉温度为1400℃；
4)漏板拉丝：在温度为1320℃的条件下，采用200孔铂铑合金漏板进行拉丝；
5)浸润剂涂层：添加浸润剂的过程和拉丝过程同步进行；
6)缠绕：将拉丝成型并经过浸润剂涂层的连续玄武岩纤维连接到缠绕设备上进行缠绕保存，连续玄武岩纤维即得；所得连续玄武岩纤维实物见图3。
实施例4：连续玄武岩纤维的制备
1、原料：混合物的组成见表5。
表5：混合物组成
成分 质量(kg)
粉煤灰 70
煤矸石 5
铁尾矿 20
含钛渣 0
氧化铝赤泥 0
2、制备：
1)原料预处理：将表5所述混合物原料在预熔炉里进行预熔化，形成均匀的熔体，熔化温度为1400℃，熔化时间为6h；
2)加料：将预熔化炉中已均匀熔化的原料，通过耐高温导流装置，直接导入到熔化炉中；
3)熔化：经步骤2)导入的原料在电加热熔化炉中进行熔化，至混合熔体粘度为3Pa·s，熔化炉温度为1400℃；
4)漏板拉丝：在温度为1320℃的条件下，采用200孔铂铑合金漏板进行拉丝，即得连续玄武岩纤维。
实施例5：连续玄武岩纤维的制备
原料组成见表6，制备步骤同实施例3。
表6：混合物组成
成分 质量(kg)
粉煤灰 10
煤矸石 15
铁尾矿 2
含钛渣 20
氧化铝赤泥 10
2、制备：
1)原料预处理：将表3所述混合物原料在预熔炉里进行预熔化，形成均匀的熔体，熔化温度为1500℃，熔化时间为5h；
2)加料：将预熔化炉中已均匀熔化的原料，通过耐高温导流装置，直接导入到熔化炉中；
3)熔化：经步骤2)导入的原料在电加热熔化炉中进行熔化，至混合熔体粘度为2.0Pa·s，熔化炉温度为1300℃；
4)漏板拉丝：在温度为1300℃的条件下，采用200孔铂铑合金漏板进行拉丝，即得连续玄武岩纤维。
对比例1：
与实施例3相比，区别仅在于原料中的煤矸石由粉煤灰代替，即原料中不含煤矸石，粉煤灰用量为60kg。
对比例2：
与实施例3相比，区别仅在于原料中的粉煤灰由煤矸石代替，即原料中不含粉煤灰，煤矸石用量为60kg。。
实验例：
1、样品：市场购买的由200孔漏板拉丝工艺制成的普通连续玄武岩纤维、实施例1～5制备得到的连续玄武岩纤维和对比例1、2制备得到的连续玄武岩纤维。
2、检测方法：利用单丝强力机YG-004，测定玄武岩纤维的单丝拉伸强度。
3、检测结果：检测结果见表7。
表7：单丝拉伸强度
样品 拉伸强度(MPa) 百分比(％)
普通连续玄武岩纤维 2434 100
实施例1 2553 105
实施例2 2519 103
实施例3 2593 106
实施例4 2483 102
实施例5 2531 104
对比例1 2385 98
对比例2 2288 94
由实验结果可知，与普通连续玄武岩纤维相比，实施例1～5提供的连续玄武岩纤维单丝拉伸强度分别提高了5％、3％、6％、2％和4％；对比例1和2提供的连续玄武岩单丝拉伸强度均显著低于实施例1～5，且低于购买的普通连续玄武岩纤维。综上所述，本发明提供的方法制备得到的玄武岩纤维性能优于普通的玄武岩纤维，且显著优于对比例。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，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 (10)

1.一种连续玄武岩纤维的制备方法，其特征在于，所用原料包括以下成分：粉煤灰和煤矸石。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述原料包括以下重量份的成分：粉煤灰10～70份，煤矸石5～15份。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述原料包括以下重量份的成分：粉煤灰45～50份，煤矸石10～15份。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述粉煤灰含有以下重量百分比的成分：SiO220～65％，Al2O310％～40％，Fe2O31～10％，CaO 2～16％，MgO 1～5％，TiO20.1～2％；
所述煤矸石含有以下重量百分比的成分：SiO252～65％，Al2O316～36％，Fe2O32.28～14.63％，CaO 0.42～2.32％，MgO 0.44～2.41％，TiO20.90～4％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述原料还包括添加剂20～45份。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述原料还包括添加剂38～41份。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述添加剂选自铁尾矿、含钛渣或氧化铝赤泥中的一种或几种。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述原料包括以下重量份的成分：粉煤灰10～70份，煤矸石5～15份，铁尾矿2～20份，含钛渣0～20份，氧化铝赤泥0～10份。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述原料包括以下重量份的成分：粉煤灰45～50份，煤矸石10～15份，铁尾矿19～20份，含钛渣11～12份，氧化铝赤泥8～9份。
10.根据权利要求1～9任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)原料预处理：将混合物原料在预熔炉里进行预熔化，形成均匀的熔体，熔化温度为1350～1550℃，熔化时间为4～8h；
2)加料：将预熔化炉中已均匀熔化的原料，通过耐高温导流装置，直接导入到熔化炉中；
3)熔化：经步骤2)导入的原料在电加热熔化炉中进行熔化，至混合熔体粘度为0.5～10Pa·s，熔化炉温度为1250～1550℃；
4)漏板拉丝：在温度为1250～1330℃的条件下，采用200孔铂铑合金漏板进行拉丝，即得连续玄武岩纤维。
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