CN117510082A - 一种包含煤矸石的玻璃纤维配方 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种包含煤矸石的玻璃纤维配方，按重量百分比计各原料包括：高岭土0～10wt％；生石灰0～20wt％；石灰石0～20wt％；叶蜡石60～70wt％；石英砂0～10wt％；煤矸石0.05～1.5wt％；白云石5～12wt％；纯碱0～1wt％。本发明将煤矸石应用于玻璃纤维的生产中，拓展了玻璃纤维的原料来源，有效地解决了优质低硫叶蜡石紧缺的问题，降低玻璃纤维的生产成本，改善玻璃纤维的性能，控制玻璃纤维的颜色，可操作性和调整性更适合玻璃纤维的高温熔化过程，同时，解决煤矸石的回收利用问题，具有较高的经济和社会效益。

Description

一种包含煤矸石的玻璃纤维配方

技术领域

本发明涉及玻璃纤维生产制造技术领域，尤其涉及一种包含煤矸石的玻璃纤维配方。

背景技术

玻璃纤维是一种无机非金属材料，具有原料资源丰富、高比强度，比表面积大、化学稳定性好、无二次污染以及一定程度的功能可设计性等优点，在交通、工业、建筑、环境等领域有着广泛的用途。

现有的玻璃纤维的生产工艺大多以叶腊石、石英砂、石灰石、白云石、硼钙石、硼镁石等矿石为原料，配合加入碳粉和芒硝，经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造而成，其中碳粉作为还原性剂防止玻璃配合料中在含有硫酸盐时形成硝水，将一部分硫酸盐为硫化物，适量的芒硝起着助熔和澄清的作用，玻璃液的澄清是玻璃熔制中很重要的一个过程，澄清的好坏对于玻璃液的质量及其能否适用于成型制品有着决定作用。

中国专利申请201711032970X中公开了一种复合玻璃纤维，由如下原料按重量份组成：叶蜡石60-66份、硼钙石20-22份、石灰石32-33份、高岭土10-14份、石英砂10-12份、萤火粉3-5份、芒硝3-4份、纯碱1-2份。为了保证生产的玻璃纤维性能，添加芒硝作为澄清剂。

又如，中国专利申请2017110813331中公开了一种玻璃纤维的生产工艺，包括如下步骤：原料配制；原料粉化；原料混合以及辅助原料添加；熔融；拉丝；冷却；连续热处理；分批热处理；表面化学处理。在其生产过程中需要增加辅助原料澄清剂，提高玻璃纤维的质量。

现有技术需要严格控制叶腊石中的含硫量，需要使用优质低硫叶腊石，其中氧化硫的含量≤0.30wt％，而低硫叶腊石紧缺且价格较高，且叶蜡石矿源日趋匮乏，叶蜡石的品质不断下降，加上玻璃纤维行业对优质叶蜡石的需求过大，如何控制叶腊石的品质降低而带来的局部成分不均匀，不利于炉内高温反应，进而对玻璃液的品质影响的困扰。如何降低叶蜡石的品质要求，扩大叶腊石的原料来源，有效地解决现有技术中优质低硫叶蜡石紧缺且价格高的问题，降低玻璃纤维的生产成本，使得制造的玻璃纤维保持稳定的性能，是本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种包含煤矸石的玻璃纤维配方，解决了现有技术中玻璃纤维的原料限制、成本高、玻璃纤维颜色不易控制、稳定性很差等问题。

为了达到以上目的，本发明公开了一种包含煤矸石的玻璃纤维配方，所述玻璃纤维的原料包括如下组分：

进一步的，所述玻璃纤维的原料包括如下组分：

进一步的，所述煤矸石中单质碳含量以重量百分比计，表示为：

C 2～6wt％。

进一步的，所述叶蜡石使用的有效组分以重量百分比计，表示如下：

进一步的，所述叶蜡石中氧化硫含量为0.6-1.35wt％。

进一步的，所述煤矸石加入量由玻璃纤维原料中的硫酸盐决定。

进一步的，所述玻璃纤维的原料中所述硫酸盐和单质碳的质量比为2-10。

进一步的，所述玻璃纤维的颜色为蓝绿色。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种包含煤矸石的玻璃纤维配方，拓展了玻璃纤维的原料来源，有效地解决了现有技术中优质低硫叶蜡石紧缺且价格高的问题，原料中可以使用氧化硫含量0.30～2.0wt％的高硫叶蜡石，有利于降低玻璃纤维的生产成本。

(2)本发明的一种包含煤矸石的玻璃纤维配方，解决了原料中必须单独加入芒硝或者澄清剂实现硫澄清的问题，同时在高温条件下，煤矸石中的单质碳和原料中的氧化硫反应的效果更好，可操作性和调整性更适合玻璃的高温熔化过程。

(3)本发明的一种包含煤矸石的玻璃纤维配方，有利于控制生成的玻璃颜色，玻璃纤维呈稳定的蓝绿色。

(4)本发明的一种包含煤矸石的玻璃纤维配方，煤矸石和原料中的硫酸盐发生硫化物反应，使原料中含有的硫在熔化过程的早期就以SO₂的形式从熔体中逸出，而且SO₂气泡不会在玻璃纤维表面积聚形成泡沫，因为玻璃纤维中的气泡量明显降低，改善制得的玻璃纤维的性能，有效控制窑炉内泡沫的层厚。

(5)本发明的一种包含煤矸石的玻璃纤维配方，有效解决固废煤矸石的回收利用问题，减少固废的排放，具有较高的经济和社会效益。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明提供了一种包含煤矸石的玻璃纤维配方，所述玻璃纤维的原料包括如下组分：高岭土0～10wt％；生石灰0～20wt％；石灰石0～20wt％；叶蜡石60～70wt％；石英砂0～10wt％；煤矸石0.05～1.5wt％；白云石5～12wt％；纯碱0～1wt％。

其中，煤矸石的组分以质量百分比计为：SiO₂：40～48wt％；AL₂O₃：25～32wt％；Fe₂O₃：0.5～1.2wt％；TiO₂：0.005～0.012wt％；K₂O：1.0～2.50wt％；Na₂O：0.5～2.5wt％；CaO：0.1～0.7wt％；MgO：0.1～0.7wt％；SO₃：0.1～0.5wt％；C：2～6wt％。需要注意的是，所述玻璃纤维原料中不需要再单独加入碳粉和芒硝。

根据本申请提供一种包含煤矸石的玻璃纤维的制备工艺：

步骤S101：生产前的原料选择，包括如下步骤：

1)实地调研、取样化验；

2)样品成分、稳定性分析；

3)确定用煤矸石产地、确定叶蜡石和煤矸石的配比；

4)煤矸石矿相分析，分析是否含生产有害物质；

5)煤矸石COD值测量分析，分析是否影响窑炉反应氛围；

6)应用到玻璃原料中进入生产。

步骤S102：粉料

选用直径小于30cm的煤矸石，通过矿石加工磨成200目全通的粉料。

步骤S103：配合料制备

将叶蜡石、石灰石、生石灰、高岭土、白云石、煤矸石在内的符合粒度要求的粉料按照配方组分称量、混合，输送到窑头仓。

步骤S104：窑炉熔制工艺

所谓玻璃的熔制过程是指配合料在高温下经过硅酸盐反应、熔化成均质玻璃液的过程。

将加热熔化后的混合组分进行澄清、均化，得到高温玻璃液。所谓澄清是指从熔融的玻璃中排除气泡的过程。

粉料通过高温(空间1600℃左右，玻璃液1400℃)，需严格控制玻璃液融化氛围(氧化或还原氛围)以及窑炉温度、压力、液位等重要工艺参数。

现有的玻璃纤维生产技术中，玻璃纤维原料中需要单独加入碳粉和芒硝，因为在玻璃纤维的原料中含有硫酸盐，需要加入还原性的物质，最常用方法是加入碳，以防止形成硝水。碳可以煤粉、石墨、焦炭、炭黑等原料引入，还原一部分硫酸盐为硫化物。适量的芒硝主要是在单质碳存在的情况下，利用芒硝的氧化性对硫澄清起着助熔和澄清的作用。

具体的化学反应过程如下：

Na₂SO₄+C→Na₂S+CO₂ Na₂SO₄+Na₂S→Na₂O+SO₂

硫酸钠与碱金属或碱土金属硫化物反应而化学分解，这种分解在温度较低(900℃)的情况下开始，而单独使用硫酸盐时，硫酸盐的热分解温度需要达约1288℃，因而硫酸盐的“表面活性剂”作用和界面湍动作用在初生熔体温度以上时都在起作用，并持续直至硫酸盐和硫化物反应完全为止。

高温下(900℃以上)单质碳与硫元素更容易反应产生二氧化碳与二氧化硫。加入煤矸石后，煤矸石和硫酸盐发生硫化物反应，使原料中含有的硫几乎全部都在熔化过程的早期就以SO₂的形式从熔体中逸出，因而使窑炉热点处的泡沫生产的可能性最小，主要是因残留硫酸盐分解而产生，或者使后期在澄清部产生二次气泡的可能性最小。即使熔体上部气氛中有SO₂时，因表面张力的影响，从而使上升的气泡一到达熔体表面就破裂，而不会在玻璃纤维表面积聚形成泡沫。通过利用廉价易得的煤矸石代替昂贵的碳粉，使熔化过程中泡沫的层厚减少了五分之一，泡沫层厚可以控制稳定在3-4厘米，同时制成的玻璃纤维中的气泡量明显降低，改善了玻璃玻璃纤维的性能。

为了使单质碳与硫酸盐反应产生的二氧化碳和二氧化硫气体从玻璃液中有效排出，加入的煤矸石和重量由玻璃纤维原料中的硫酸盐决定，通过调整硫酸盐和单质碳的含量比从而调整煤矸石和叶腊石的用量，所述玻璃纤维的原料中硫酸盐和单质碳质量比优选为2-10。

步骤S105：拉丝成型

熔化好的玻璃液自窑炉的熔化部流出后即进入主通路进行进一步澄清、均化和温度调理，然后进入分配通路和成型通路，再经流液槽进入铂铑合金漏板，经过冷却并涂覆浸润剂后，缠绕到拉丝机上，由拉丝机将玻璃液拉伸成一定细度的玻璃纤维。

实施例一

所述玻璃纤维的原料包括以下质量份的组分：高岭土：4.0wt％；生石灰：1.68wt％；石灰石：2.20wt％；叶蜡石：65.0wt％；石英砂：2.0wt％；白云石：11.40wt％；纯碱：0.13wt％；碳粉：0.008wt％；芒硝：0.1wt％。

其中，叶蜡石中氧化硫含量0.25wt％。

将上述玻璃纤维原料的组分混合，依次进行加热、澄清和均化，得到高温玻璃液。

在熔化过程中观测泡沫的层厚5-10厘米。

将所述高温玻璃液经漏板流出，依次进行冷却、浸润和卷绕，得到玻璃纤维。称取3-5克直径约2毫米左右的玻璃珠，在显微镜下观察气泡个数，换算成1千克玻璃中有气泡1169个。

实施例二

所述玻璃纤维的原料包括以下质量份的组分：高岭土：4.0wt％；生石灰：16.5wt％；石灰石：3.0wt％；叶蜡石：65.0wt％；石英砂：2.2wt％；煤矸石：0.2wt％；白云石：11.0wt％；纯碱：0.24wt％。

其中，叶蜡石中氧化硫含量0.50wt％，

将上述玻璃纤维原料的组分混合，依次进行加热、澄清和均化，得到高温玻璃液。

在熔化过程中观测泡沫的层厚4.2厘米。

将所述高温玻璃液经漏板流出，依次进行冷却、浸润和卷绕，得到玻璃纤维。称取3-5克直径约2毫米左右的玻璃珠，在显微镜下观察气泡个数，换算成1千克玻璃中有气泡427个。

实施例三

所述玻璃纤维的原料包括以下质量份的组分：高岭土：3.0wt％；生石灰：16.84wt％；石灰石：2.2wt％；叶蜡石：66.16wt％；石英砂：2.2wt％；煤矸石：0.24wt％；白云石：11.40wt％；纯碱：0.24wt％。

其中，叶蜡石中氧化硫含量0.6wt％，

将上述玻璃纤维原料的组分混合，依次进行加热、澄清和均化，得到高温玻璃液。

在熔化过程中观测泡沫的层厚3.9厘米。

将所述高温玻璃液经漏板流出，依次进行冷却、浸润和卷绕，得到玻璃纤维。称取3-5克直径约2毫米左右的玻璃珠，在显微镜下观察气泡个数，换算成1千克玻璃中有气泡288个。

实施例四

所述玻璃纤维的原料包括以下质量份的组分：高岭土：3.6wt％；生石灰：17.7wt％；石灰石：0wt％；叶蜡石：66.2wt％；石英砂：4.35wt％；煤矸石：0.28wt％；白云石：11.9wt％；纯碱：0.32wt％。

其中，叶蜡石中氧化硫含量0.67wt％，

将上述玻璃纤维原料的组分混合，依次进行加热、澄清和均化，得到高温玻璃液。

在熔化过程中观测泡沫的层厚3.8厘米。

将所述高温玻璃液经漏板流出，依次进行冷却、浸润和卷绕，得到玻璃纤维。称取3-5克直径约2毫米左右的玻璃珠，在显微镜下观察气泡个数，换算成1千克玻璃中有气泡256个。

实际生产中效果最佳时在实施例三和实施例四之间，反应容易控制，并且一般叶蜡石的氧化硫含量都可接受，或通过多矿点搭配保证硫含量稳定在该水平或该水平以下。

实施例五

所述玻璃纤维的原料包括以下质量份的组分：高岭土：3.4wt％；生石灰：17.7wt％；石灰石：0wt％；叶蜡石：66.26wt％；石英砂：4.4wt％；煤矸石：0.32wt％；白云石：12.0wt％；纯碱：0.32wt％。

其中，叶蜡石中氧化硫含量1.35wt％，

将上述玻璃纤维原料的组分混合，依次进行加热、澄清和均化，得到高温玻璃液。

在熔化过程中观测泡沫的层厚3.5厘米。

将所述高温玻璃液经漏板流出，依次进行冷却、浸润和卷绕，得到玻璃纤维。称取3-5克直径约2毫米左右的玻璃珠，在显微镜下观察气泡个数，换算成1千克玻璃中有气泡178个。

实施例六

所述玻璃纤维的原料包括以下质量份的组分：高岭土：3.28wt％；生石灰：17.8wt％；石灰石：0wt％；叶蜡石：66.2wt％；石英砂：4.5wt％；煤矸石：0.4wt％；白云石：12.0wt％；纯碱：0.32wt％。

其中，叶蜡石中氧化硫含量1.59wt％，

将上述玻璃纤维原料的组分混合，依次进行加热、澄清和均化，得到高温玻璃液。

在熔化过程中观测泡沫的层厚3.4厘米。

将所述高温玻璃液经漏板流出，依次进行冷却、浸润和卷绕，得到玻璃纤维。称取3-5克直径约2毫米左右的玻璃珠，在显微镜下观察气泡个数，换算成1千克玻璃中有气泡108个。

实施例七

所述玻璃纤维的原料包括以下质量份的组分：高岭土：3.15wt％；生石灰：18wt％；石灰石：0wt％；叶蜡石：66.5wt％；石英砂：4.3wt％；煤矸石：0.5wt％；白云石：12.0wt％；纯碱：0.32wt％。

其中，叶蜡石中氧化硫含量1.94wt％，

将上述玻璃纤维原料的组分混合，依次进行加热、澄清和均化，得到高温玻璃液。

在熔化过程中观测泡沫的层厚3.1厘米。

将所述高温玻璃液经漏板流出，依次进行冷却、浸润和卷绕，得到玻璃纤维。称取3-5克直径约2毫米左右的玻璃珠，在显微镜下观察气泡个数，换算成1千克玻璃中有气泡0个。

本发明中，为了达到最佳的生产效果，所述包含煤矸石的玻璃纤维配方，按重量百分比计，各原料优选为：高岭土：3.0-4.0wt％；生石灰：16.5-18.0wt％；石灰石：0-3.0wt％；叶蜡石：65.0-66.5wt％；石英砂：0-4.5wt％；煤矸石：0.2-0.5wt％；白云石：11.0-12.0wt％；纯碱：0.14-0.32wt％。

其中，叶蜡石中氧化硫含量优选为0.6-1.35wt％，为了保证能烟气脱硫正常运行，避免脱硫压力过大，叶蜡石中氧化硫含量更优选为0.67wt％。

本发明中，将煤矸石应用于玻璃纤维的生产中，通过分析煤矸石的化学成分，加入煤矸石后，其成分中的氧化硅和氧化铝还可以作为玻璃生产原料引入，氧化铁、氧化钾、氧化钠、氧化钛作为杂质成分并不会影响玻璃纤维原料的熔化，也不会影响制得玻璃的性能。其中引入的单质碳作为还原性物质可以和具有氧化性质的其他原料中的氧化硫反应，消除氧化硫的影响。氧化硫作为有害元素普遍存在于玻璃纤维的原料中，消除掉氧化硫的影响可以拓展原料的来源，加入煤矸石后叶蜡石中的氧化硫的含量提高到0.30～2wt％，能够有效地解决优质低硫叶蜡石紧缺的问题，玻璃纤维的生产中可以使用低价高硫叶腊石，有利于降低玻璃纤维的生产成本。

煤矸石属于煤矿开采的废弃物，占用大量的土地存放，经过试验，将煤矸石应用于玻璃纤维生产中，就不再需要在原材料中单独加入碳粉和芒硝来实现硫澄清，在高温条件下，煤矸石中的单质碳比直接采用高纯的碳粉和原料中的氧化硫反应效果更好，可操作性和调整性更适合玻璃纤维原料的高温熔化过程。

通过矿相分析有无有害杂质，COD值测量计算是否影响窑炉反应氛围，根据分析其中的有机物和氧化硫的反应机理，还可以消除叶蜡石中氧化硫对窑炉熔制的不利影响，转变为有利因素，提高玻璃纤维原料熔化质量，通过煤矸石将原有生产技术中呈不稳定的黄色的玻璃纤维，调整达到稳定可控的状态，玻璃纤维颜色为稳定的蓝绿色。

综上，本发明提供的一种包含煤矸的玻璃纤维配方，能有效解决玻璃纤维过程中存在的技术问题，有助于玻纤生产降低成本；还可以解决煤矸石固体废弃物面临的环保问题，具有较高的经济和社会效益。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种包含煤矸石的玻璃纤维配方，其特征在于，所述玻璃纤维的原料包括如下组分：

2.根据权利要求1所述的一种包含煤矸石的玻璃纤维配方，其特征在于，所述玻璃纤维的原料包括如下组分：

3.根据权利要求1所述的一种包含煤矸石的玻璃纤维配方，其特征在于，所述煤矸石中单质碳含量以重量百分比计，表示为：

C 2～6wt％。

4.根据权利要求1所述的一种包含煤矸石的玻璃纤维配方，其特征在于，所述叶蜡石使用的有效组分以重量百分比计，表示如下：

5.根据权利要求4所述的一种包含煤矸石的玻璃纤维配方，其特征在于，所述叶蜡石中氧化硫含量为0.6-1.35wt％。

6.根据权利要求1所述的一种包含煤矸石的玻璃纤维配方，其特征在于，所述煤矸石加入量由玻璃纤维原料中的硫酸盐决定。

7.根据权利要求6所述的一种包含煤矸石的玻璃纤维配方，其特征在于，所述玻璃纤维的原料中所述硫酸盐和单质碳的质量比为2-10。

8.根据权利要求7所述的一种包含煤矸石的玻璃纤维配方，其特征在于，所述玻璃纤维的颜色为蓝绿色。