玄武巖短纖維製造方法與設備的製作方法
2023-10-08 12:52:04
專利名稱：玄武巖短纖維製造方法與設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及由玄武巖礦石熔融液製取短纖維的生產工藝和所使用的相關生產裝置。
玄武巖是處於火山巖漿產地的礦石，大自然使其生來具有很高的化學穩定性和熱穩定性。玄武巖礦石是大自然提供的單組分原料，它的熔煉精選及均勻化是火山巖活動的結果。
由玄武巖礦石製成的纖維(後簡稱玄武巖纖維)生來具有很高的初始強度，並耐多種活性介質的作用、而且熱穩定性高、壽命長。
玄武巖纖維在能源、冶金、機械製造、化工、農業、建材業等領域有著十分廣闊的應用前景。在聲熱絕緣材料、耐高溫且化學穩定性高的過濾器材、電絕緣材料、複合材料及其製品的製造中玄武巖纖維的應用尤其廣泛。
玄武巖纖維在強度、化學穩定性、使用溫度及吸溼性方面的參數優於玻璃纖維，它還是有致癌作用的石棉纖維材料的替代品。製造玄武巖纖維的原料幾乎不受限制，其原料產地廣泛且很多礦源易於開採。然而玄武巖纖維的廣泛應用也一直受到其相對複雜的生產工藝的制約。所以研究與完善玄武巖纖維的製造工藝具有極大的現實意義。
無論是製造聲熱絕緣材料、清理排除煙氣中粉塵顆粒的過濾器和汙水清理用的過濾器，還是製造無土水栽培材料和水土改良及土地灌溉所需要的材料都需要大量的玄武巖短纖維。表1中給出了玄武巖短纖維的分類以及玄武巖短纖維材料的應用領域。
表1.
本發明提供了製造玄武巖短纖維的較為完善的方法和設備。其中玄武巖短纖維的生產工藝方法中包含以下一些要點
1.礦物原料選擇，即生產玄武巖短纖維的玄武巖礦石所包含的各種化學成分的含量應在表2所給出的範圍之內。
表2.
適於製作玄武巖短纖維的玄武巖礦石中的三種矽酸鹽成分比例由說明書附
圖1的三角圖給出。此外，為製作玄武巖短纖維，玄武巖中的一些化學成分還應當滿足如下一些比例關係。
1.1.若按下式定義玄武巖礦石基本組分的關係模量Mc，即Mc＝(SiO2+Al2O3)/(Fe2O3+FeO+TiO2+CaO+MgO+K2O+Na2O)則製取玄武巖短纖維所用的礦石應滿足條件1.7＞Mc＞3.2.
上面給出的Mc的關係式決定了製造玄武巖短纖維時礦石熔融液的出絲特性。不同化學成分的玄武巖出絲特性評估表明，描述玄武巖礦石中基本氧化物和伴生氧化物比值關係的Mc在1.7～3.2之間會使熔融液的出絲特性最優。當Mc小於1.7時，從漏孔中出來的纖維易斷；而當Mc大於3.2時，玄武巖熔礦石熔化難度及熔融物的粘度增大，最終使出絲特性變壞。
1.2.如按下式定義玄武巖礦石中基本氧化物SiO2、Al2O3與鹼性氧化物CaO、MgO之比為玄武巖礦石的酸性模量Mκ，即Mκ＝(SiO2+Al2O3)/(CaO+MgO)則對生產玄武巖短纖維來說Mκ應滿足如下關係式7.2＞Mκ＞4.3。
Mκ既影響玄武巖熔融液的出絲特性，又決定玄武巖纖維的熱穩定性和化學穩定性。總體來說，增加鹼性氧化物CaO、MgO的含量會降低熔化溫度、熔融物的出絲能力及粘度，但會提高熔融物及纖維的結晶化傾向，這對所生產出的纖維強度及熱穩定性指標均有不良影響。
1.3.生產玄武巖短纖維所用礦石中SiO2和Al2O3的總含量應在54～80％之間。只有在該成分區間內，才能保證所需的拉絲溫度區間、熔融物所必需具有的出絲特性、粘度、表面張力和冷卻結晶速度。SiO2和Al2O3的總含量保障熔融物在由出絲噴吹短纖維過程中所必需的粘度。此外，SiO2和Al2O3的含量還決定玄武巖纖維的強度、溫度穩定性和化學穩定性。
SiO2和Al2O3的總含量低於54％時會使出絲中斷並會增加非纖維夾雜物(「球珠「)的含量；而當它們的總量超過75～80％時會增加熔化溫度和出絲熔融物的粘度，這樣會增加短纖維生產的工藝難度，但會提高所生產出纖維的溫度穩定性。
1.4.製造玻璃的氧化物SiO2的含量應在42～60％之間，這樣才能保障用噴吹法製取玄武巖短纖維時所需的矽氧離子鍵。SiO2含量低於42％時會在出絲的熔融液中形成較弱的矽氧離子鍵，從而使出絲產生大量的斷頭，影響噴吹短纖維工藝的穩定性。而在可開採的玄武巖礦源地中很少遇見SiO2含量高於60％的情況。
1.5.玄武巖礦石中的Al2O3能夠調整熔融物的粘度並賦予纖維確定的溫度與化學穩定性。推薦玄武巖礦石中Al2O3的含量在12～20％之間。
CaO在一定程度上可以改善玄武巖熔融物的出絲特性。它可以降低熔化溫度和熔融物的粘度，但同時會降低纖維的使用溫度與化學穩定性。推薦玄武巖礦石中CaO的含量在4.5～12％之間。
FeO和Fe2O3同樣影響玄武巖纖維的溫度特性及化學穩定性。在玄武巖礦石中它們的含量在3.5～12％之間波動。
K2O和Na2O會大大降低礦石熔化溫度及熔融物的粘度，並降低纖維的溫度穩定性和化學穩定性。
MgO能提高纖維的使用溫度，但它會降低纖維的化學穩定性，推薦玄武巖礦石中MgO的含量在4.5～12％之間。
玄武巖礦石中TiO2含量不高，但它可以提高玄武巖纖維的溫度穩定性和化學穩定性。
玄武巖礦石成分的選取最終會決定所生產出的玄武巖纖維的性能及其玄武巖纖維製品的強度、使用溫度和化學穩定性。在玄武巖纖維實際生產當中，應當根據具體的應用領域的需求，按以上介紹的成分影響規律選定具有最優化學成分的玄武巖礦石原料。
1.6.表2給出的玄武巖礦石成分同樣適於製造建築行業所需要的耐火熱絕緣材料，即建築用的絕熱材料對玄武巖原料並沒有特殊的要求。生產熱絕緣材料用的玄武巖短纖維應當在有比較大的長度條件下(L＝30-70mm)具有最小的直徑(d＝5-9μm)。與此同時，為了降低玄武巖的熔化溫度並降低纖維的生產成本，玄武巖礦石中Fe2O3和FeO的含量可達16％，CaO含量可達12％，Na2O和K2O的含量可達6％。
1.7.製取絕熱材料、在600-700℃溫度下使用的煙塵過濾器材以及在1000℃以下一次性使用的防火系統材料所需選取的玄武巖礦石應具有表3所給出的化學成分表3.
生產上述製品所需要的玄武巖纖維應當具有足夠高的強度和高溫工作特性。所以玄武巖礦石中SiO2和Al2O3這些基本氧化物的含量應當在65～80％之間。
玄武巖礦石中FeO和Fe2O3的含量同樣影響纖維的溫度性能和化學穩定性。當纖維由500℃加熱到700℃時，由於氧化過程將使FeO轉變為Fe2O3，纖維此時會發生結晶化過程、形成粗晶粒的菱鎂體並呈現氧化鐵的褐紅顏色、纖維性能屆時將變脆並容易折斷破壞。所以製取在700℃下工作的玄武巖纖維時Fe2O3和FeO的含量比值Fe2O3/FeO應大於0.5，而它們的總體含量應不高於12％。
玄武巖礦石中TiO2的含量不高，但是它的存在會提高玄武巖纖維的熱穩定性和化學穩定性，因此推薦選取的玄武巖礦石應含有不低於1％的TiO2。
1.8.無論是製造城市農村生活廢水、化工石油業的排放液、土壤改良與灌溉所需的過濾器、還是製造建築中的纖維混凝土以及道路建設中瀝青混凝土表面的強化材料均需要選取能保證所生產出的纖維具有高的化學穩定性的玄武巖礦石。適於製造化學穩定性高的玄武巖纖維製品的玄武巖礦石成分在表4中列出。
表4
推薦選取的玄武巖礦石中K2O和Na2O的含量應不高於2.5％。
2.原料粉碎，即將製取玄武巖短纖維用的玄武巖礦石搗碎至容易向熔化爐內裝填的細度(如將礦石加工到20～50mm的顆粒度或比這更高的顆粒度)，燃料裝填的份額以保證熔化爐內的熔融區熔融物水平面穩定為準。
3.玄武巖礦石在熔化爐內熔化後經導流槽流到供料器中，受化學成分不同的影響，玄武巖礦石的熔化溫度在1450～1550℃之間。玄武巖礦石熔融物位於供料器部位時的溫度約為1430～1490℃之間。
4.為保證熔融物具有拉絲及噴吹短纖維所需要的粘度，漏板供料器以射束形式的出絲過程要在1420～1480℃的溫度區間內進行。
5.玄武巖熔融物經過漏板供料器孔流出後，或者是以一股8～12mm直徑的射束流形式進入到噴吹纖維的部件中、或者是以若干股的射束流形式進入纖維噴吹部件中，而在纖維噴吹部件中將以壓縮空氣或過熱氣體為能量載體對玄武巖熔融物的射束流施加噴吹壓力。在纖維噴吹區的能量載體流的速度接近於聲速。在能量載體流的速度作用之下，將可以使玄武巖熔融物的射束變成玄武巖短纖維。
6.由纖維噴吹部件噴吹出來的短纖維先進入纖維沉積室，而後落到傳送帶上的粗布網上，此後再根據具體需要對落到傳送帶粗布網上的短纖維進行相應的後續加工。
生產玄武巖短纖維用的工藝裝置說明書附圖中的圖2。
按本發明所敘述方法製取短纖維的設備包括(1)定量添加玄武巖礦石的加料裝置，(2)礦石熔化爐，(3)熔化爐的熔池，(4)熔化爐的供料器，(5)燃燒器，(6)換熱器，(7)漏板，(8)噴吹頭，(9)纖維沉積室，(10)傳送帶，(11)真空室，(12)密封軸。
裝置工作原理說明裝置通過以下方式實現本發明所述的製取玄武巖短纖維的方法參見說明書附圖2，將玄武巖礦石粉碎至20～50mm的粒度或更粗的能藉助定量加料裝置(1)方便地向熔化爐內加料的粒度。用定量加料裝置(1)將玄武巖礦石原料加入到礦石熔爐中。礦石添加劑量以保證熔化爐內的玄武巖熔融物的平面穩定為準。堆砌著耐火隔熱材料的熔化爐(2)由熔化部分(即熔池(3))和拉絲部分(即供料器(4))組成。熔化爐依靠燃燒器(5)來加熱。為預先加熱送到燃燒器內的空氣，裝置中設置了換熱器(6)，它依靠所排放出的燃燒產物的熱量來加熱將要進入燃燒器的空氣。在加熱爐熔池(3)中，玄武巖礦石將在1450～1550℃的溫度區間內發生熔化。熔化的熔融物進入溫度在1430～1490℃的供料器空間。隨後熔融物經漏板(7)形成單股或多股熔融物射束。漏板(7)通過電流加熱。根據玄武巖礦石成分及熔融物的實際出絲的粘度需要必須保證漏板(7)的溫度穩定在1420～1480℃之間。
從漏板(7)流出的直徑為8～12mm的單股或多股射束流進入到纖維噴吹頭(8)之中，同時還要向噴吹頭(8)內送入能量載體—壓力為0.6～0.9MPa的壓縮空氣或過熱的氣體。在能量載體的作用之下，熔融物射束分散成單獨的熔滴，這些單獨的熔滴在能量載體的噴流作用下拉長而形成玄武巖短纖維。為噴吹出玄武巖短纖維，能量載體在噴吹頭噴管內的溫度要接近聲速。生產1公斤纖維所消耗的壓縮空氣大約要控制在8.0～11m3之間。
由噴吹頭(8)噴吹出來的短纖維進入到位於傳送帶(10)之上的纖維沉積室9之中。在傳送帶(10)之下有負壓真空室(11)，用排煙機不斷從負壓真空室中抽出空氣，以便建立能使纖維沉積室中的短纖維沉積在傳送帶之上並在傳送帶的網格上形成氈狀物所必需的負壓。玄武巖短纖維氈在隨著傳送帶運動的過程中被碾壓軸(12)碾壓而緻密化，隨後根據需要進入到加工聲熱絕緣粗布、墊子、厚板，加工其它生熱絕緣製品，加工過濾器等材料的工序當中。
權利要求
1.生產直徑在5～10μm或稍大一些的玄武巖短纖維時所需選取的玄武巖礦石應具有下表所示的成分範圍
除此之外，生產玄武巖短纖維用的玄武巖礦石的化學組分之間還應當滿足一下關係1.7＞Mc＞3.2.[Mc＝(SiO2+Al2O3)/(Fe2O3+FeO+TiO2+CaO+MgO+K2O+Na2O)]7.2＞Mκ＞4.3[Mκ＝(SiO2+Al2O3)/(CaO+MgO)]在生產玄武巖短纖維用的礦石中SiO2和Al2O3總體含量應在54～80％之間。生產玄武巖短纖維用的礦石中SiO2的含量應該在42～60％之間。上面提供的成分表格同樣適合於選配製作建築用隔熱材料的玄武巖礦石，但為降低玄武巖礦石的熔化溫度及降低纖維的製作成本，可以將礦石中難容氧化物的含量加以提高，即Fe2O3和FeO的含量可達16％，CaO含量可達12％，Na2O和K2O的含量可達6％。為製取絕熱材料、在600-700℃溫度下使用的煙塵過濾器材以及在1000℃以下一次性使用的防火系統材料需要選取成分如下表所示的玄武巖礦石
生產上述製品所需要的玄武巖纖維應當具有足夠高的強度和高溫工作特性。所以玄武巖礦石中SiO2和Al2O3這些基本氧化物的含量應當在65～80％之間。製造城市農村生活廢水、化工石油業的排放液、土壤改良與灌溉所需的過濾器以及製造建築中的纖維混凝土以及道路建設中瀝青混凝土表面的強化材料均需要選取能保證所生產出的纖維具有高的化學穩定性的玄武巖礦石。適於製造化學穩定性高的玄武巖纖維製品的玄武巖礦石成分由下表列出。
2.玄武巖礦石搗碎至容易向熔化爐內裝填的細度以及燃料裝填的份額以保證熔化爐內的熔融區熔融物水平面穩定為準的原料加工及裝填劑量的準則。
3.玄武巖礦石在熔化爐內熔化後經導流槽流到供料器中，受化學成分不同的影響，玄武巖礦石所需控制的熔化溫度(即在1450～1550℃之間)以及玄武巖礦石熔融物位於供料器部位時所需控制的溫度範圍(即1430～1490℃之間)。
4.為保證熔融物具有拉絲及噴吹短纖維所需要的粘度，漏板供料器以射束形式的出絲過程要在1420～1480℃的溫度區間內進行。
5.玄武巖熔融物經過漏板供料器孔流出後形成的射束流要進入到噴吹纖維的部件中，而在纖維噴吹部件中將以壓縮空氣或過熱氣體為能量載體對玄武巖熔融物的射束流所施加的噴吹壓力(即0.6～0.9MPa)。在纖維噴吹區的能量載體流所要達到的速度(即接近於聲速)。在能量載體流的速度作用之下，將玄武巖熔融物的射束散滴變成玄武巖短纖維。
6.由纖維噴吹部件噴吹出來的短纖維先進入纖維沉積室，而後落到傳送帶上的粗布網上，此後再根據具體需要對落到傳送帶粗布網上的短纖維進行相應的後續加工。
7.按本發明所敘述方法製取短纖維的設備應包括(1)定量添加玄武巖礦石的加料裝置，(2)礦石熔化爐，(3)熔化爐的熔池，(4)熔化爐的供料器，(5)燃燒器，(6)換熱器，(7)漏板，(8)噴吹頭，(9)纖維沉積室，(10)傳送帶，(11)真空室，(12)密封軸。
全文摘要
本發明涉及由玄武巖礦石熔融液製取短纖維的生產工藝和所使用的相關生產裝置。本發明提供了針對不同應用領域的玄武巖礦石原料的選取原則；給出了礦石熔融溫度控制範圍(1450～1550℃)、熔融物位於供料器部位時所需控制的溫度範圍(1430～1490℃)以及熔融物以射束形式出絲過程所應保障的溫度區間(1420～1480℃)；給定了噴吹短纖維的噴吹壓力值和噴吹氣流速度的範圍；明確了玄武巖短纖維生產設備的構成。
文檔編號C03B37/06GK1609024SQ20031011777
公開日2005年4月27日 申請日期2003年12月31日 優先權日2003年9月2日
發明者奧斯諾斯·謝爾蓋·彼德洛維奇, 李中郢 申請人:深圳國際技術創新研究院