CN106396421A - 一种连续玄武岩纤维的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种连续玄武岩纤维的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：1）、选料：基于化学成分和矿物组分来综合确定用于生产连续玄武岩纤维的玄武岩原料，具体方法是：分析玄武岩化学成分中SiO2的含量，选取SiO2含量在48‑63%，且SiO2饱和或过饱和的玄武岩；分析玄武岩的矿物组分，去除含有橄榄石的玄武岩；选择矿物组分满足以下重量百分比的玄武岩：石英15‑27%、正长石10‑18%、斜长石30‑50%或斜长石45‑60%、辉石15‑30%；2）选出来的玄武岩原料经熔融工艺和纤维成型工艺，得到连续玄武岩纤维。本发明能够大大提高玄武岩选料的准确性，优化玄武岩熔体的熔制工艺和纤维成型工艺，使得玄武岩熔体容易均化，为连续玄武岩纤维的生产提供有效的依据和判据。

Description

一种连续玄武岩纤维的生产方法
技术领域
本发明涉及一种通过矿物组分优化连续玄武岩纤维生产工艺的方法，属于新型材料技术领域。
背景技术
连续玄武岩纤维(Continuous Basalt Fiber，简称CBF)是以玄武岩为原料，高温熔融后，通过漏板拉制而成的连续纤维。尽管玄武岩在世界上分布广泛，但并不是所有的玄武岩都可以用来生产连续玄武岩纤维，用于生产连续玄武岩纤维的矿石，有着严格的化学成分和矿物组成。玄武岩是由硅酸盐矿物组分和少量不定形态(玻璃态)组成的，其化学组成主要为SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MgO、CaO、Na2O、K2O、TiO2等，矿物组分主要为石英、长石、辉石、橄榄石、磁铁矿、钛铁矿等。玄武岩的矿物组分决定了玄武岩玻璃熔体的均质性、有无难熔矿物和均化难易，熔体的析晶性能。在玄武岩玻璃足够均质和均化的情况下，矿物熔体的物理化学性能取决于形成熔体的主要氧化物的浓度和比例。
以前的研究公开了基于玄武岩的化学成分种类和含量，选择制造连续玄武岩纤维的玄武岩矿石标准，如专利97199852.3公开了一种制造玄武岩纤维的方法，玄武岩熔化后，得到具有以下各基本组分关系的玻璃组成：
专利03147337.7公开了用玄武岩矿石制造连续纤维的方法，提出了选择适于制造连续玄武岩纤维的玄武岩矿石标准(以重量百分比计)：SiO2：45-60、Al2O3：12-19、Fe2O3+FeO：7-18、MgO:3-7、CaO:6-15、TiO2：0.9-2、Na2O+K2O：2.5-6、用PP表示的其他混合物：2-3.5，规定玄武岩矿石的熔化过程应在比其结晶温度上限高150-320℃的温度下进行。专利200410101966.0提出，连续玄武岩纤维生产中矿石化学组成(以重量百分比计)为：SiO2：45-55、Al2O3：12-18、Fe2O3+FeO：5.5-14、MgO+MnO:3-8.5、CaO:5-12、Na2O：2.0-4.5、K2O：1.5-3.5、TiO2：2-3；矿石的熔化温度为1350-1500℃。上述现有技术的不足在于：把玄武岩矿石的化学成分作为选择适于制造连续玄武岩纤维的玄武岩矿石的唯一标准，不够全面；没有考虑矿物组分对生产工艺的决定性作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种能够大大提高玄武岩熔体的均质性，保证连续玄武岩纤维稳定生产的一种连续玄武岩纤维的生产方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种连续玄武岩纤维的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)、选料：基于化学成分和矿物组分来综合确定用于生产连续玄武岩纤维的玄武岩原料，具体方法是：
11)、分析玄武岩化学成分中SiO2的含量，选取SiO2含量在48-63％，且SiO2饱和或过饱和的玄武岩；
12)、分析玄武岩的矿物组分，去除含有橄榄石的玄武岩；
13)、当玄武岩的主要矿物组分为石英、正长石和斜长石时，选择满足以下重量百分比的玄武岩：石英15-27％、正长石10-18％、斜长石30-50％；当玄武岩的主要矿物组分为斜长石和辉石时，选择满足以下重量百分比的玄武岩：斜长石45-60％、辉石15-30％；
2)选出来的玄武岩原料经熔融工艺和纤维成型工艺，得到连续玄武岩纤维。
玄武岩为亚碱性火山岩。
亚碱性火山岩包括拉斑玄武岩、安山玄武岩、安山岩、粗安玄武岩、玄武粗安岩、粗安岩、粗面岩以及粗面英安岩。
熔融工艺的玄武岩的熔融温度范围为1200℃-1500℃，玄武岩的均化温度范围1500-1800℃；玄武岩在1450℃
纤维成型工艺的拉丝温度为1200-1350℃，纤维成型温度范围为1300-1400℃，析晶上限温度1250-1300℃，漏板温度高于析晶上限温度60-100℃。
本发明连续玄武岩纤维生产方法，通过化学组成和矿物组分相结合的方法确定生产连续玄武岩纤维的矿石，提高玄武岩选料的准确性及快速有效性。
本发明玄武岩连续纤维生成方法，选用的玄武岩矿石的主要矿物是指重量百分比大于10％的矿物，是相对于矿物组分含量少的磁铁矿、钛铁矿、刚玉等矿物来说的。矿石中不含橄榄石。根据鲍文反应系列，橄榄石是高温高压下产物，含橄榄石的火山岩矿石，因熔融温度高，熔融均化较难，且在火山岩玻璃熔体降温过程中，又最先析出，使得拉丝过程易断丝，不利于生产。玄武岩玻璃的熔化过程主要与其矿物组份有关，其熔化过程为：0-120℃，排除水分；350-400℃，磁铁矿、钛铁矿表面发生氧化反应；575℃左右，石英多晶转变反应：α-SiO2≒β-SiO2，550-680℃，极少量碳酸盐类的分解；980-1200℃，磁铁矿、钛铁矿发生氧化反应；1140-1220℃，正长石分解，硫酸盐的晶型转变或分解；1200-1300℃，斜长石、透辉石或共熔组分熔融，开始产生液相；1400-1500℃，其他矿物组分逐渐熔化，形成玄武岩玻璃熔体。1500℃以上，玄武岩玻璃熔体澄清、均化。玄武岩的熔制过程实质是其矿物组分(晶体)熔化，形成均一的无定型态的过程。熔制机理是玄武岩矿物组分(晶体)的晶格结构被破坏，形成三维空间发展的无规则玻璃网络结构。因此，本发明正是基于玄武岩玻璃的熔化、均质化以及析晶都与矿物组分有关这一特质，在选取玄武岩时，分析玄武岩的矿物组分和含量，从而大大提高了玄武岩在熔融工艺过程中熔体的均质性。
有益效果：
(1)通过化学成分和矿物组分相结合来确定适宜生产连续玄武岩纤维的玄武岩类矿石，比用单一的化学成分法更准确。
(2)根据玄武岩类矿石的矿物组分，选择不含难熔矿物的玄武岩，可以优化玄武岩的熔制特性；并根据矿物组分种类及含量进行熔制工艺，可以大大提高玄武岩熔体的均质性。
(3)SiO2不饱和的玄武岩矿石通常都含有难溶矿物，如橄榄石，因此本发明中明确规定SiO2饱和或过饱和。
(4)生产连续玄武岩纤维的玄武岩的主要矿物组分为石英、长石、斜长石或者是斜长石、辉石。石英、长石、斜长石为架状结构的硅酸盐矿物，它们能提高熔体粘度和熔化温度，降低析晶倾向。辉石为单链状结构的硅酸盐，它降低熔体粘度和熔化温度，增加析晶倾向。本发明中的石英、长石、斜长石以及辉石满足其重量百分比范围内，制得的连续玄武岩纤维满足生产工艺和物化性能要求。
(5)本发明通过选料优化了玄武岩的熔制工艺和纤维成型工艺，在此范围，玄武岩熔体容易均化，能够实现连续玄武岩纤维的稳定生产，并且为生产连续玄武岩纤维的窑炉设计和生产工艺提供依据。
具体实施方式
本发明采集国内4个不同地区的安山岩、玄武安山岩、拉斑玄武岩和碱性玄武岩。首先确定各玄武岩矿石CBF1、CBF2、CBF3以及CBF4的化学成分和矿物组分，然后制备玄武岩玻璃和单丝。最后确定熔融工艺参数、纤维成型工艺参数和拉伸强度。玄武岩的成分、熔融工艺参数和纤维成型工艺参数见表1和表2。
表1玄武岩的化学成分(wt％)
化学成分 CBF1 CBF2 CBF3 CBF4
SiO2 57.5 54.12 51.79 46.45
Al2O3 16.85 13.98 16.54 16.39
TiO2 1.16 0.9 1.63 1.91
Fe2O3 3.86 6.81 4.47 9.13
FeO 3.22 3.19 4.4 0.76
MgO 2.64 4.88 5.25 7.16
CaO 3.75 6 8.37 8.99
Na2O 3.27 3.24 2.29 6.6
K2O 2.58 2.85 0.9 2.2
其他 5.17 4.12 4.36 0.41
表2玄武岩的矿物组分(wt％)
在四组玄武岩矿石中，SiO2的含量分别是(wt％)：57.5、54.12、51.79和46.45。第四组玄武岩矿石的SiO2的含量不在48-63％内。同时，第四组玄武岩矿石的组分中含有橄榄石，而其他三组不含。
为了说明本发明选料的合理性，申请人对上述四组矿石分别溶质和拉丝成型，然后对得到的产品性能进行测试。
在制备样品的过程中，CBF1玄武岩矿石在1600℃下保温6小时，制得玄武岩玻璃；玄武岩玻璃在1500℃下保温4小时，制得连续玄武岩纤维单丝。CBF2、CBF3和CBF4玄武岩矿石在1500℃下保温6小时，制得玄武岩玻璃；玄武岩玻璃在1500℃下保温4小时，制得连续玄武岩纤维单丝。表3中，纤维成型温度为拉丝温度与析晶上限温度的差值。产过程中，要求拉丝作业温度要高于析晶上限温度，否则，拉丝过程中就有可能产生析晶而影响拉丝作业。如果拉丝温度低于析晶上限温度，按照通常方法在拉丝温度下拉丝，该玄武岩玻璃就要析晶，无法正常作业，只有采取特殊的工艺方法才能拉丝制成连续纤维。
表3玄武岩的熔融工艺参数、纤维成型工艺参数和拉伸强度
CBF1 CBF2 CBF3 CBF4
初始液相温度/℃ 1275 1249 1260 1220
半球点温度/℃ 1470 1418 1393 1340
1450℃粘度/dPa·s - - 52.75 -
1400℃粘度/dPa·s 959.13 178.53 87.51 139.69
1300℃粘度/dPa·s 3191.34 557.92 269.75 405.32
拉丝温度/℃ 1397.5 1259.50 1203.40 1232.5
析晶上限温度/℃ 1250 1255.00 1269.00 1307
纤维成型温度/℃ 144.5 4.50 -65.60 -74.5
拉伸强度/MPa 2835.67 3063.35 2949.08 2138.06
结合表3，CBF1的析晶上限温度最低，纤维成型温度范围宽，但拉伸强度稍低于CBF2和CBF3，主要是因为CBF1的熔化和均化温度高，熔体均质化不充分，影响拉伸强度；不是成分影响拉伸强度。CBF1在提高熔融温度和延长熔融时间的情况下，能够得到均质的玄武岩玻璃液，提高纤维的拉伸强度。CBF2和CBF3的，析晶上限温度低，玄武岩熔体均质化程度高，拉伸强度高，适宜生产连续玄武岩纤维。CBF4的析晶上限温度最高，析晶上限温度远高于拉丝温度；且SiO2的含量少，成分对拉伸强度有不利影响，不适宜生产连续玄武岩纤维。

Claims (5)

1.一种连续玄武岩纤维的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）、选料：基于化学成分和矿物组分来综合确定用于生产连续玄武岩纤维的玄武岩原料，具体方法是：
11）、分析玄武岩化学成分中SiO2的含量，选取SiO2含量在48-63%，且SiO2饱和或过饱和的玄武岩；
12）、分析玄武岩的矿物组分，去除含有橄榄石的玄武岩；
13）、选择矿物组分满足以下重量百分比的玄武岩：
石英：正长石：斜长石为15-27%：10-18%：30-50%；
或
斜长石：辉石为：48-60%：15-30%；
2）选出来的玄武岩原料经熔融工艺和纤维成型工艺，得到连续玄武岩纤维。
2.根据权利要求1所述的连续玄武岩纤维的生产方法，其特征在于，熔融工艺的玄武岩的熔融温度范围为1200℃-1500℃，玄武岩的均化温度范围1500-1800℃；玄武岩在1450℃时的熔体粘度为30-350dPa·s，在1300℃时的熔体粘度为250-1600dPa·s。
3.根据权利要求2所述的连续玄武岩纤维的生产方法，其特征在于，纤维成型工艺的拉丝温度为1200-1400℃，析晶上限温度1200-1300℃，纤维成型温度范围为1300-1400℃，漏板温度高于析晶上限温度60-100℃。
4.根据权利要求1、2或3所述的连续玄武岩纤维的生产方法，其特征在于，玄武岩为亚碱性火山岩。
5.根据权利要求4所述的连续玄武岩纤维的生产方法，其特征在于，亚碱性火山岩包括拉斑玄武岩、安山玄武岩、安山岩、粗安玄武岩、玄武粗安岩、粗安岩、粗面岩以及粗面英安岩。
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