CN1789187A - 玄武岩纤维的生产方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种玄武岩纤维的生产方法及设备。通过该生产方法和设备可以实现玄武岩矿石的熔化过程，按无定形程度和温度要求的熔融体质量均匀化过程，通过拉丝漏板直接生成纤维等过程结合并存，从而提高由玄武岩矿石生产玄武岩纤维的经济性。

Description

玄武岩纤维的生产方法及设备
技术领域
本发明涉及矿石纤维的生产方法及设备，更具体涉及玄武岩纤维的生产方法及其专用设备。
背景技术
玄武岩矿石是一种火山岩浆体的主要矿石，具有非常高的化学稳定性和热稳定性。
由玄武岩矿石生产的纤维，即玄武岩纤维具有较高的强度，良好的耐腐蚀稳定性及热稳定性和较好的电绝缘性能，使用寿命长。玄武岩纤维由于本身的优异性能使其在不同的工业领域具有广泛的应用前景，目前玄武岩纤维正广泛地用作隔音材料、高温化学稳定的过滤器、电绝缘和复合材料以及补强和结构材料产品。
玄武岩纤维的矿石原料丰富，应用广泛，但玄武纤维的广泛应用在一定程度上受到生产技术复杂等因素的限制，所以迫切需要开发和完善玄武岩纤维生产的工艺技术和设备。
中国专利ZL97199852.3公开了玄武岩纤维的生产方法和设备。该专利提供的熔化炉中，纤维成形区的喂料器与矿石熔化区之间的距离太大，因而该专利生产工艺和设备结构复杂且经济性不够好。
中国专利申请98114321.0介绍的玄武岩纤维生产方法的特点是将一定化学组成的玄武岩矿石破碎后加入熔化炉中，在熔化区内进行熔化，在澄清区内进行熔融体调制，然后直接通过喂料器进入纤维成形区，利用拉丝漏板制成纤维。该专利提供的设备采用由耐火砖和保温材料砌成的熔化炉体，熔化炉的结构分为矿石熔化区、熔化炉池澄清区、熔化炉喂料器和拉丝漏板纤维成形区。该方法和设备的不足之处在于在工艺上将熔化、质量均匀化和纤维成形等工艺过程分别设置在熔化炉的不同单元中进行，即分别在矿石熔化区、熔化炉池澄清区、熔化炉喂料器和拉丝漏板纤维成形区中进行。但这类工艺和结构方案无法满足玄武岩纤维的生产和经济性要求，并且由多个工艺区段构成的熔化炉结构比较复杂。
发明内容
本发明目的在于完善与简化玄武岩矿石的熔化与加工工艺和矿石熔化炉的结构，从而提高玄武岩纤维生产的熔融体加工和纤维成形工艺的经济性。
本发明通过对玄武岩矿石的熔化与加工工艺条件的控制以及对矿石熔化炉结构的改进完善实现了玄武岩矿石的熔化、熔融体质量均匀化和纤维成形等各加工工艺过程的结合并进，从而提高玄武岩矿石的熔化和加工的经济性。
本发明方法包括以下工艺步骤：加料、矿石熔化、熔融体质量均匀化、纤维成形、对初级纤维进行浸润剂涂层与拉伸缠绕。本发明对矿石熔化炉的特殊结构设计，可以将矿石的熔化、熔融体质量均匀化和纤维成形等过程结合并存进行，随后，通过浸润剂涂层设备和缠绕机对由熔融体通过拉丝漏板8孔眼所形成的初级纤维依次进行浸润剂涂层和拉伸缠绕。
本发明中，玄武岩矿石原料采用单组元矿石，应选择具有适宜于纤维成形的特性和加工性能的矿石，其化学组成(以重量计)如表1所示：
               表1玄武岩矿石的化学组成
  化学成分   SiO2   Al2O3   Fe2O3.FeO   TiO2   CaO   MgO.MnO   K2O   Na2O
  含量％   45-55   12-18   5.5-14   2-3   5-12   3-8.5   1.5-3.5   2.0-4.5
为了实现玄武岩矿石的熔化、熔融体质量均匀化和纤维成形等各加工工艺过程的结合并进，本发明对加料、矿石熔化、熔融体质量均匀化及纤维成形过程的控制要求如下：
1、加料：将破碎了的玄武岩矿石通过矿石熔化炉顶盖以连续加料或定量而均等地按设定的时间间隔进行分批次加料的方式直接加到矿石熔化炉池5中，玄武岩矿石的加料速度应控制在前一批矿石料已完全熔化之后再加入第二批矿石料，并且在实施玄武岩矿石加料的过程中应使熔池中的熔融体稳定地保持在设定的水平，根据纤维成形的要求，该熔融体在矿石熔化炉池5中的设定水平为50-250mm，在熔化炉喂料器7中的设定水平为20-80mm。在实施玄武岩矿石加料的过程中，为了保证熔池中的熔融体稳定地保持在设定水平，采用连续加料时，加料速度可设定为0.5-2克/秒，采用分批次加料时，每批次加料量可设定为30-300克，加料间隔可设定为30-200秒。
2、矿石熔化、熔融体质量均匀化与纤维成形过程：
玄武岩矿石熔化过程的研究表明，玄武岩矿石的熔化过程和玻璃纤维生产的熔化过程不同，玄武岩矿石的熔化过程中不会产生硅酸盐玻璃体的生成阶段和澄清化阶段。玄武岩是一种单组元富集矿石，在远古火山作用下已经完成了化学组份的质量均匀化和熔化过程，火山岩浆融体在缓慢的冷凝过程中从非定型态转化成结晶态。因此，玄武岩矿石在熔化过程中必须从结晶态转化成具有设定的非定型程度的非定型态。本发明从技术角度考虑在矿石熔化炉中可以实现玄武岩矿石的熔化过程、熔融体的质量均匀化过程(达到设定的非定型程度和温度要求)结合并存进行，并保证熔融体在达到拉丝漏板纤维成形之前所需要的温度和粘度的技术参数。
本发明中，在矿石熔化炉中可以进行矿石的熔化，按熔融体非定型态程度和温度的要求进行质量均匀化和直接通过拉丝漏板8进行纤维成形。
在矿石熔化炉中，要求玄武岩矿石充分熔化，并从结晶态转化成无定形态，在纤维成形之前的按非定型程度要求达到质量均匀化。玄武岩矿石的熔化温度范围取决于矿石的化学组成和对熔融体非定型程度及粘度程度的要求，为1350-1550℃，熔化温度可通过调节燃气-空气混合气体的流量来控制。在该熔化温度范围下，熔融体非定型程度视不同的纤维而异：直径为6-21微米的连续纤维的非定型程度应达到96-90％；直径为1-3微米的超细纤维的非定型程度应不小于80％；4-10微米的细纤维的非定型程度应不小于75％。熔融体的非定型程度通过红外光谱法(测定在2.5-25μm处的吸收峰)或显微镜法测定。
按非定型程度要求的熔融体质量均匀化过程可以在矿石熔化炉池5中或在矿石熔化炉池5与熔化炉喂料器7中结合并存进行。
玄武岩熔融体在熔化炉喂料器7和拉丝漏板8处的加工温度的确定取决于矿石熔化炉的火焰空间温度、熔化炉喂料器7中熔融体的水平面和拉丝漏板8的温度。对热辐射而言，玄武岩熔融体温度和水平面之间的相互关系变化取决于其熔融体的不透明度。而拉丝漏板8温度的调控可依靠调节通过漏板的电流值。在拉丝漏板两端通过软铜排并接漏板变压器(连有软启动温控仪)，从而控制拉丝漏板的通电量。
在拉丝漏板8上玄武岩纤维的成形温度为1215-1380℃，这取决于熔融体的成纤性能。玄武岩熔融体应具备下列纤维成形特性：
粘度为1-90(Pa·s)；纤维的成形温度范围为1215-1380℃，温度区间为30-60℃。
针对上述工艺特点与要求，本发明对常规的玄武岩纤维生产设备进行了改进，常规的玄武岩纤维生产设备由加料器、熔化炉、熔化炉喂料器、纤维成形拉丝漏板、浸润剂涂层和缠绕机构成。本发明玄武岩纤维生产设备在常规生产设备结构的基础上增加了如下单元：加料器计量器2、炉顶盖加料漏斗3、矿石熔化炉池5、熔化池门坎6、双通道烟气排放集气管9、换热器10、燃气一空气混合器11、烧嘴12。
如图1所示，本发明设备包括加料装置、矿石熔化炉4、加热装置、浸润剂涂层设备14和缠绕机15。其中加料装置包括玄武岩矿石加料器1、加料器计量器2和炉顶盖加料漏料3；矿石熔化炉4的单元组成为：矿石熔化炉池5、熔化池门坎6、带有拉丝漏板8的熔化炉喂料器7、双通道烟气排放集气管9；加热装置包括换热器10、燃气一空气混合器11和1-3个烧嘴12。矿石熔化炉4的炉体由耐火砖内衬和保温材料砌成，炉体顶部盖板安置位置较低，处在熔融体表面上部高度相当于炉池中熔融体水平面高度的1.5-3.5倍，矿石熔化炉池5与熔化炉喂料器7通过熔化池门坎6直接相连接，熔化炉喂料器7设置一个双通道烟气排放集气管9，在熔化炉喂料器7中安装拉丝漏板8，其中生产连续玄武岩纤维和超细纤维可使用多孔漏板，生产短切细纤维可使用单孔或双孔眼漏板。换热器10两侧分别与烟气排放集气管9及带有烧嘴12的燃气一空气混合器11相连接。
为提高玄武岩纤维的生产能力，降低生产成本，本发明矿石熔化炉还可以设置成2-4个带有拉丝漏板8的熔化炉喂料器7共用一个矿石熔化炉池5的结构，相应地需要配制2-4套加热装置和浸润剂涂层设备14及缠绕机15。
下面结合附图1来进一步阐述本发明设备的生产方式，但不限制本发明：
小块状的玄武岩矿石由玄武岩矿石加料器1进入加料器计量器2，将矿石通过炉顶盖加料漏料3直接加料到矿石熔化炉4的矿石熔化炉池5中，通过市售的加料器计量器2控制加料速度或单次加料量及加料间隔，从而保证新料在前一批矿料处于完全熔化状态后加入，而且矿石熔化炉池5中融熔体的水平面稳定地保持在设定位置。
加到矿石熔化炉中的矿石同时受到来自矿石熔化炉中的熔融体、烧嘴12的火焰、炉体顶部盖板和炉墙等各方辐射热能的作用。
矿石熔化炉的加热采用烧嘴，在矿石熔化炉顶部盖板处安置有1-3个烧嘴12，烧嘴12连通燃气一空气混合器11，在燃气一空气混合器11中预混的燃气(如天然气、液化气等)与空气的混合物在烧嘴12处燃烧形成火焰，燃料-空气混合器11必须将换热器10中加热的空气与气体燃料预先混合才可能保证有效地燃烧。供燃烧用的空气通入换热器10中，通过与排放气的热传递，加热到300-500℃后进入燃料—空气混合器11与燃气进行混合。烧嘴12的火焰直接对着熔化池熔融体上的镜面，而第一个烧嘴12安置在玄岩矿石加料器附近，其火焰直接对着加入的玄武岩矿石料区，这种烧嘴12的布置可以强化玄武岩矿石的熔化过程，藉助烧嘴火焰燃气—空气流的压力可使熔融体表层进行再次混合搅拌。
烧嘴12的火焰可展开形成一个园盘状火焰，并最终在矿石熔化炉池5中的熔融体表面上加热，使燃气一空气混合物在玄武岩熔融体表面上展开大面积燃烧，加热温度可达1350-1550℃。这样就可能使燃气一空气混合物的燃烧达到完全且经济有效，并可以加热整个矿石熔化炉池5和矿石熔化炉墙面，以后由熔融体表面的热辐射和反辐射到顶部盖板和墙面，同时，顶盖墙面的热辐射对熔融体池再进行了补充加热。由于降低了烧嘴火焰燃烧区的压力，熔融体表面上的燃烧可以改善玄武岩熔融体中气体的排出。
矿石熔化炉的顶部盖板安置在熔融体平面上部较低的位置，其位置相当于矿石熔化炉池5中熔融体水平面高度的1.5-3.5倍。这样可以改善热辐射能的反辐射，而且在玄武岩溶化温度条件下约有96％的热能在矿石熔化池5中的溶融体表面到顶部盖板往返再辐射。
在熔化炉喂料器7中设置一个双通道烟气排放集气管9，其进气孔处于靠近矿石熔化炉池5侧墙的熔化炉喂料器7的底部，该双通道最后合并为一个烟气排放集气管通道，而该通道又与换热器10相连接，这种烟气排放集气管9的结构可以保证喂料器区域整个表面的均匀加热，而排放气还可以补充加热熔化炉墙体和最冷的熔融体边缘部分，并可以保证熔化炉喂料器7的温度，使熔融体在直接进入拉丝漏板8成纤之前更好地进行玄武岩熔融体质量均匀化过程。
利用本发明设计的这种矿石熔化炉4的结构特点，即采用安置在熔融体上部的低位顶部盖板、双通道的烟气排放集气管9、燃气一空气混合器11、顶盖低位安装的烧嘴12和用于加热燃烧用空气的换热器10可以保证燃料燃烧的合理经济状态，在较小熔化炉火焰空间条件下的高效燃烧方式可以保证较快地使玄岩矿石进行熔化和熔融体按照非定型程度及温度要求在进入纤维成形区之前进行熔融体质量均匀化过程。
由于矿石含有FeO、Fe2O3等铁的氧化物和其它氧化物造成熔融体对热辐射的不透明性，致使矿石熔化炉池5的结构要保持较低的熔融体水平面，约为50-250mm。
玄武岩熔融体在矿石熔化炉池5中是一个独特的储能器，由于玄武岩熔融体热容量较大，它能很快地将直接加入到熔融体池中的玄武岩矿石熔化。在熔化过程中熔化炉床底部沉积一些未熔透的玄武岩颗粒或一些玄武岩矿石中存在的较难熔化的杂质(二氧化硅，钠长石，云母、玢岩)。与玄武岩熔融体相比，这些物质的密度很大，除此之外在熔化炉底部还会沉积一些铁的熔融体，这些杂质都会与玄武岩矿石一起进入炉中，在矿石熔化炉的喂料器区有一个熔化池门坎6，其作用是拦挡未熔化的玄武岩颗粒和杂质，避免这些物质落到铂一铑拉丝漏板8上，并可保证熔融体在熔化炉喂料器7中维持低水平的20-80mm，以及使熔融体完全烧透，并能保证熔融体进入到拉丝漏板8之前按其非定型程度要求进行最后的质量均匀化。熔化池门坎6可保证矿石熔化炉池5直接搭连到熔化炉喂料器7。因此，在矿石熔化炉中矿石熔化炉池5与熔化炉喂料器7是结合并存的，这样可保证玄武岩熔融体从熔化区流动到纤维成形区的热损失降到最低，而且大大简化了矿石熔化炉的结构。在熔化炉喂料器7安装拉丝漏板8，用于将玄武岩熔融体制成玄武岩纤维。生产连续玄武岩纤维和超细玄武岩纤维采用多孔眼拉丝漏板，而生产玄武岩短纤维可采用单孔或双孔的拉丝漏板。
玄武岩熔融体通过拉丝漏板8孔眼制成初级纤维13，在浸润剂涂层设备14中进行初级纤维的涂层。初级纤维13的拉伸和缠绕到卷茼上则采用缠绕机15，定时地从缠绕机轴上取下该卷茼(缠绕初级丝束)进行下一步的加工。
综上所述，本发明提供的玄武岩纤维的生产方法和专用设备从工艺技术上和设备结构上实现将玄武岩矿石的熔化过程，熔融体进入纤维成形区之前按无定型程度和温度要求进行质量均匀化过程，熔融体水平面，熔融体的温度，粘度和通过拉丝漏板直接形成纤维的稳定化等过程结合并存，保证于玄武岩纤维的生产。
利用本发明方法和设备生产的熔融体可用于制造6-21微米的连续玄武岩纤维、1-3微米的短切超细纤维和4-10微米的细纤维。
附图说明
图1为含单个喂料器矿石熔化炉结构的玄武岩生产设备图。其中1为玄武岩加料器，2为加料器计量器，3为炉顶盖加料漏料，4为矿石熔化炉，5为矿石熔化炉池，6为熔化池门坎，7为熔化炉喂料器，8为拉丝漏板，9为双通道烟气排放集气管，10为换热器，11为燃气一空气混合器，12为烧嘴，13为初级纤维，14为浸润剂涂层设备，15为缠绕机。
图2为含双喂料器矿石熔化炉结构的玄武岩生产设备图。
有益效果：
本发明提供的玄武岩纤维的生产方法及其专用设备实现了玄武岩矿石的熔化过程和熔融体质量均匀化过程，以及纤维的成形过程结合并存在一个工艺过程和设备(矿石熔化炉)中来实施，从而提高纤维生产熔融体加工工艺的经济性，并提高玄武岩纤维成形生产的经济性。
具体实施方式：
下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但不限制本发明。
实施例：利用图1所示设备生产连续玄武岩纤维
玄武岩矿石原料的化学组成(以重量计)为：SiO248.7％、Al2O313.37％、Fe2O37.15％、FeO 5.55％、TiO22.94％、CaO 7.9％、MgO 3.94％、MnO 0.3％、K2O2.1％、Na2O 2.4％。
本生产装置采用200孔拉丝漏板，其对纤维直径为12-14微米及15-19微米的连续玄武岩纤维的生产能力分别为8kg/h-12kg/h。
将玄武岩矿石破碎、过筛(筛份范围为3-20mm)，通过熔化炉顶盖加料漏斗3直接送入矿石熔化炉池5中，加料量通过加料器计量器2控制，其加料参数设定为在30-90秒期间加入30-100克矿石。矿石熔化池5中的融熔体水平高度稳定在120-190mm，熔化炉喂料器7中的融熔体水平高度稳定在30-80mm。加热熔化玄武岩矿石所用的燃气-空气混合物采用比例为1∶10(V/V)的天然气和空气的混合气体，天然气的消耗量控制在6.5-7.5M3/h。矿石熔化炉池5中，矿石的熔化温度为1430-1450℃，在拉丝漏板处，纤维成形温度为1260-1290℃，纤维成形温度通过依靠调节通过漏板的电流值来控制，在本设备中，调控拉丝漏板通电量的采用浙江大学附属变压器厂生产的软铜排、漏板变压器及软启动温控仪。玄武岩矿石加料器和加料器计量器由浙江大学附属变压器厂生产(LD-10B)。玄武岩熔融体通过拉丝漏板8孔眼制成的初级纤维13，在浸润剂涂层设备14中进行初级纤维的涂层后通过缠绕机15进行拉伸和缠绕。

Claims (10)

1.一种玄武岩纤维的生产方法，包括加料、矿石熔化、熔融体质量均匀化、纤维成形、对初级纤维进行浸润剂涂层与拉伸缠绕的工艺步骤，其特征在于矿石的熔化过程、熔融体的质量均匀化过程和通过拉丝漏板直接纤维成形过程在矿石熔化炉中结合并进。
2.根据权利要求1所述的武岩纤维的生产方法，其特征在于采用单组元玄武岩矿石，其化学组成为(以重量计)：SiO245-55％、Al2O312-18％、Fe2O3·FeO5.5-14％、TiO22-3％、CaO5-12％、MgO.MnO3-8.5％、K2O1.5-3.5％、Na2O2.0-4.5％。
3.根据权利要求1所述的武岩纤维的生产方法，其特征在于玄武岩矿石破碎后以连续加料或分批次加料的方式加入到矿石熔化炉池中，新料在前一批矿料处于完全熔化状态，而且熔化炉融熔体保持在设定水平后加入，矿石的熔化温度为1350-1500℃，所说的融熔体的设定水平指矿石熔化池中的融熔体水平为50-250mm，熔化炉喂料器中的融熔体水平为20-80mm。
4.根据权利要求3所述的武岩纤维的生产方法，其特征在于采用连续加料时，加料速度可设定为0.5-2克/秒，采用分批次加料时，每批次加料量可设定为30-300克，加料间隔可设定为30-200秒。
5.根据权利要求1所述的武岩纤维的生产方法，其特征在于生产直径6-21微米的连续玄武岩纤维时，熔融体的无定形程度为96-90％，生产直径1-3微米的超细玄武纤维时，熔融体的无定形程度应不小于85％，生产直径6-10微米的短纤维时，熔融体的无定形程度应不小于75％。
6.根据权利要求1所述的武岩纤维的生产方法，其特征在于玄武岩熔融体应具备的纤维成形特性包括熔融体的粘度为1Pa·s-90Pa·s，纤维成形的温度范围为1215-1380℃，纤维成形的温度区间30-60℃。
7.权利要求1所述的武岩纤维的生产方法的专用设备，其特征在于由加料装置、矿石熔化炉、加热装置、浸润剂涂层设备和缠绕机构成，其中加料装置包括玄武岩矿石加料器、加料器计量器和炉顶盖加料漏料；矿石熔化炉的单元组成为：矿石熔化炉池、熔化池门坎、带有拉丝漏板的熔化炉喂料器、双通道烟气排放集气管；加热装置包括换热器、燃气一空气混合器和1-3个烧嘴。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于矿石熔化炉体由耐火砖内衬和保温材料砌成，炉体顶部盖板按置位置较低，处在熔融体表面上部高度相当于炉池中熔融体水平面高度的1.5-3.5倍，矿石熔化炉池与熔化炉喂料器通过熔化炉门坎直接相连接，熔化炉喂料器设置一个双通道烟气排放集气管，在熔化炉喂料器中安装拉丝漏板，其中生产连续玄武岩纤维和超细纤维可使用多孔漏板，生产短切细纤维可使用单孔或双孔眼漏板，换热器两侧分别与烟气排放集气管及带烧嘴的燃气一空气混合器相连接。
9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于2-4个带有拉丝漏板的熔化炉喂料器共用一个矿石熔化炉池，相应地一个熔化炉池配制2-4套加热装置、浸润剂涂层设备和缠绕机。
10.根据权利要求7所述的设备，其特征在于烧嘴安置在矿石熔化炉顶部盖板处，烧嘴的火焰直接对准熔化炉中熔融体镜面，第一个烧嘴安置在玄岩矿石加料器附近，其火焰直接对着加入的玄武岩矿石料区；烧嘴连通燃气一空气混合器，在燃气一空气混合器中预混的燃气与空气的混合物在烧嘴处燃烧形成火焰；供燃烧用的空气通入换热器中，加热到300-500℃后进入燃料—空气混合器与燃气进行混合。
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