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CN1237948A - 制造玄武岩纤维的方法和实现该方法的设备 - Google Patents

制造玄武岩纤维的方法和实现该方法的设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及由玄武岩类天然材料制造矿物纤维。本发明的方法包括将玄武岩加入到熔炉中使其熔化，使玻璃熔体于1250—1450℃的温度在喂入器中稳定化，用喂入装置制造纤维，通过喷丝头拉出纤维，给所得纤维上油，最后将其卷绕在绕线筒上。在将玄武岩加入到熔炉中之前将其在150—900℃的温度预热，同时将玻璃熔体保持在熔炉的稳定化区直至达到tmelt+(50～250℃)的纤维制造温度。实现该方法的设备包括以下装置：玄武岩称料装置、熔炉、喂入器、许多喷丝头及给纤维加油的装置和将纤维卷绕在绕线筒上的装置。称重装置中包括与熔炉的燃烧室连接的热交换器，而熔炉具有与喂入器连接的、内有玻璃熔体的稳定化区。该方法可用于缩短纤维的生产周期并提高纤维的耐化学侵蚀性能和耐热性能。

Description

制造玄武岩纤维的方法和实现该方法的设备
发明领域
本发明涉及用玄武岩类天然材料(玄武岩、安山玄武岩、安山岩、辉长岩等)制造可用于建筑、纺织和化学工业的矿物纤维。
发明背景
玄武岩类的岩石组成主要有三种类型。第一种类型：富含铁和钛的氧化物的岩石组成(～70％Fe2O3和20％TiO2)。第二种类型：富含铝和硅的氧化物的玄武岩(～±25％Al2O3和55％SiO2)。第三种类型：富含镁、钙和铁的氧化物的玄武岩(～12％MgO、20％CaO和10％Fe2O3)。
所有这些组成的岩石材料都可用于制造玄武岩纤维。但为得到高质量的耐高温、耐化学侵蚀的纤维，可使用的玄武岩组成的范围受其氧化物含量的限制。例如，为制造玄武岩纤维，已知含SiO2、Al2O3、TiO2、Fe2O3、FeO、MnO、CaO、MgO、K2O、Na2O、SO3、P2O5、Se2O3、ZnO且Al2O3/CaO+MgO＜2.0的玻璃才具有改善的耐酸性能和纤维制造温度范围(俄罗斯专利2039019,分类C03C13/02,1995)。
然而，已知的玻璃组成使其仅可在特定范围内得到高含量的氧化物Al2O3。这就限制了其它类型的和具有其它所含氧化物含量关系的玄武岩的使用，并排除了由这些玄武岩制造具有热稳定性高和耐酸耐碱性能良好的纤维。
由一定组成的玻璃物质制造纤维需要某些制造诀窍。
在技术本质上最接近本发明提出的方法和由此得到的结果，是采用下述制造玄武岩纤维的方法，该方法包括将玄武岩加入到炉内使其熔融，将玻璃熔体加入喂入器中使其稳定化，用喂入装置制造纤维，通过喷丝头拉出纤维，给所得纤维上油并将其卷绕在绕线筒上(俄罗斯专利2039715，分类C03B37/02,1995)。
最接近本发明提出的设备是下述制造玄武岩纤维的设备，包括玄武岩称料器、熔炉、带排料装置的喂入器、喂入装置、喷丝头、加油装置和将纤维卷绕在绕线筒上的装置(俄罗斯专利2039715，分类C03B37/02,1995)。
已知方法和设备的缺点是：所制得的纤维中优质产品所占的比率较低，由于需要准备玄武岩原料而使制造方法变得复杂，熔炉需要很高的温度范围，玻璃熔体稳定化的周期长，而这可能引起玻璃熔体中的结晶化并由此可能导致在喷丝头表面产生去玻璃化。
发明的公开
本发明的目的是，设计出一种由许多组成的玄武岩类岩石得到耐腐蚀、热稳定的连续纤维的方法和设备，并使该制造技术和装置简化。
实现本发明方法和设备的技术结果，就能扩大采用组成范围宽的玄武岩类岩石的技术可能性，并同时缩短制造周期，增加工艺过程的稳定性，改善所制纤维的强度、耐腐蚀性能和热稳定性能。
本发明的制造玄武岩纤维的方法包括：将玄武岩加入到熔炉中使其熔化，使玻璃熔体在喂入器中稳定化，用喂入装置制造纤维，通过喷丝头拉出纤维，给所得纤维上油并将其卷绕在绕线筒上。根据本发明，在将玄武岩加入到熔炉中之前将其加热，并将玻璃熔体保持在熔炉的稳定化区直至其达到纤维制造温度，然后在喂入器中使其稳定化，得到具有以下基本组分关系的玻璃组成 Al 2 O 3 + Si 2 CaO + MgO ≥ 3 - - - - FeO 2 F e 2 O 3 ≥ 0.5 2 A l 2 + Si O 2 2 Fe 2 O 3 + FeO + CaO + MgO + K 2 O + Na 2 O ≥ 1.5
本发明可以得到最佳结果，只要
-在将玄武岩加入到熔炉中之前，将其加热到150-900℃；
-将纤维制造温度保持在tmelt+(50-250℃)，其中，tmelt是玄武岩的熔化温度范围；
-在1250-1450℃的温度使玻璃熔体在喂入器中进行稳定化。
本发明的制造玄武岩纤维的设备包括玄武岩称料器、熔炉、带排料装置的喂入器、喂入装置、喷丝头、加油装置和将纤维卷绕在绕线筒上的装置。本发明的设备还具有将玄武岩称料器与熔炉加热空间连接的热交换器，且熔炉具有与喂入器连接的内有玻璃熔体的稳定化区。在本发明中，较好的是，稳定化区的高度为熔炉内空间高度的0.4-0.6。
在加入到熔炉之前将玄武岩岩石预行加热，并使其玻璃熔体稳定化，得到具有以下基本组分关系的玻璃组成 Al 2 O 3 + Si 2 CaO + MgO ≥ 3 - - - FeO 2 Fe 2 O 3 ≥ 0.5 2 A l 2 + Si O 2 2 Fe 2 O 3 + FeO + CaO + MgO + K 2 O + N a 2 O ≥ 1.5 采用这些措施可除去结晶水、气泡和泡沫，使玻璃熔体的体积稳定化，得到平整光滑的表面，并确保对纤维制造必不可少的温度范围和粘度的稳定性。在进料时，称料器中热交换器的存在确保了来自熔炉加热空间的炽热气流对玄武岩进料充分进行均匀加热。并能利用废气和降低燃料消耗。熔炉中玻璃熔体的稳定化区(其高度为炉内空间高度的0.4-0.6)的存在，有助于使熔体在离开具有特定温度的熔炉时的体积稳定化。稳定化区的高度取决于温度下降以及气体和泡沫消除后的熔体高度。
根据上面所公开的内容，申请人认为，本发明的方法和设备是一些技术特征的新的组合，符合“新颖性”和“创造性”的标准。
根据本发明，可提高熔炉的生产率并可减少燃料和动力的消耗。
这表明，本发明的方法和设备满足“可在工业上应用”的标准。
附图的简单说明
图1是用于制造玄武岩纤维的设备。
该设备具有用于玄武岩(2)加料的称料器(1)、与熔炉(5)的加热空间(4)连接的热交换器(3)。熔炉(5)具有稳定化区(6)，在该区中，玻璃熔体在达到纤维制造温度时其体积变得稳定。熔炉(5)和稳定化区(6)具有加热系统(7)。熔炉(5)的稳定化区(6)与喂入器(8)连接，在喂入器(8)中，熔体变得稳定，直至其组成均匀并保证组成中各组分的比例关系。喂入器(8)具有熔体排料装置(9)和将该熔体传输到喷丝头(11)中的喂入装置(10)，通过喷丝头(11)，玄武岩纤维(12)被拉伸，接着，将纤维(12)导向装置(13)，对其上油并将其卷绕在绕线筒(14)上。本发明的最佳实施方式
本发明的制造玄武岩纤维的方法如下。所用玄武岩的一些组成见表1-4。
先除去玄武岩岩石中的杂质，然后研磨成粉，通过称料器(1)将其送入熔炉(5)中。称料器(1)是与热交换器(3)连接的，在热交换器(3)中，来自熔炉(5)加热空间(4)的炽热空气将玄武岩粉料(2)加热至150-900℃。被加热的玄武岩粉料(2)进入熔炉(5)中。在熔炉(5)中，粉料在1450℃±50℃的温度熔化，直到形成玻璃熔体。然后，玻璃熔体进入熔炉(5)的稳定化区(6)，稳定化区(6)的有限高度确保了玻璃熔体的稳定化并使其温度降低至纤维的制造温度：tmelt+(50～250℃)。在稳定化区(6)中，玻璃熔体中的气泡和泡沫被逐出，其表面变得平整光滑。熔炉(5)及其稳定化区(6)都具有加热系统(7)，部分稳定化了的玻璃熔体进入喂入器(8)，喂入器(8)的作用是使熔体的组成均匀并得到制造纤维所必需的组成。喂入器(8)也具有加热系统(7)，使熔体保持在1350-1450℃的纤维制造温度范围和使玻璃熔体具有60-240Pa/s的粘度。
玻璃的组成和制造纤维的生产过程条件见表5和6。
出了喂入器(8)之后，通过分流喂入装置(9)，玻璃物质熔体经过喂入装置(10)送入喷丝头(11)中，拉出初级纤维细丝(12)，并被装置(13)上油和卷绕在绕线筒(14)上。
玄武岩纤维的物理机械性能见表7。工业上应用的可能性
从表7可知，使用本发明的方法和设备，可由许多组成的玄武类岩岩石制成高强度、耐腐蚀、对热稳定的连续纤维，并可使其制造技术简化。
                                            表1
组成编号                                            岩石基料的组成
   Na    Mg    Al    Si    K  Ca  Ti  Mn  Fe    P
    1  4.567   0.232  11.537  32.932  2.426  1.428  12.771  0.240  33.968    -
    2  0.415   13.552  1.153  51.318  0.184  21.752  1.320  0.309  9.999    -
    3  6.573   0.358  20.340  60.648  4.873  2.088  1.506  0.001  2.689  0.326
    4  3.513   4.067  11.235  44.778  2.670  7.883  5.325  0.474  19.651  0.454
    5  5.744   0.465  19.541  56.221  4.503  3.924  2.889  0.180  5.642  0.890
                                            表2
组成编号                                      大夹杂物的组成
  Na  Mg  Al  Si  K  Ca  Ti  Mn  Fe  P
    1  5.420  0.352  26.824  54.104  0.461  10.875  0.330  0.061  1.552  0.000
    2  6.672  0.000  20.207  64.108  6.410  1.540  0.300  0.024  0.489  0.248
    3  1.425  13.499  2.304  50.003  0.166  19.882  1.917  0.216  10.279  0.871
    4  0.984  0.685  24.053  56.660  4.568  8.310  2.847  0.031  1.992  0.000
    5  4.160  1.859  17.890  58.470  4.688  5.817  0.497  0.245  6.378  0.000
                                            表3
组成编号                                       小夹杂物的组成
   Na  Mg  Al  Si  K  Ca   Ti  Mn  Fe  P
    1  5.775  0.413  18.112  63.813  8.139  1.459   0.132  0.000  2.156  0.000
    2  11.614  2.263  22.164  55.601  0.260  2.243   0.159  0.098  3.819  1.776
    3  0.422  1.364  0.817  0.830  0.086  0.214   23.541  1.226  71.502  0.000
    4  0.371  2.138  1.035  0.627  0.095  0.060   20.530  0.796  72.217  0.134
    5  0.727  12.683  1.364  49.475  0.187  20.085   2.023  0.250  13.121  0.087
                                            表4
组成编号                       起始玄武岩类岩石的平均组成
   Na  Mg  Al  Si   K     Ca  Ti  Mn  Fe  P
    1  6.325  1.970  17.833  55.903   4.553   4.672  1.532  0.160  6.977  0.000
    2  5.058  7.932  14.127  46.164   2.320   4.697  1.343  0.396  16.461  1.512
    3  5.877  2.773  17.493  53.716   8.923   4.867  1.299  0.098  8.276  1.680
    4  4.587  3.187  17.660  52.501   3.927   5.515  1.701  0.155  8.541  1.953
    5  4.404  3.470  16.824  51.606   2.810   7.681  1.852  0.185  9.223  2.944
Figure A9719985200081
                                            表6
组成编号 结晶温度上限 纤维直径 制造纤维的加热温度   在Tfmhr的粘度范围
    Tculp℃     mcm   Tfmhr℃     PaC
    1     1290     8.2-12   1360-1400     104-62
    2     1275     7.0-13   1380-1440     112-64
    3     1240     7.0-11   1370-1450     188-64
    4     1250     7.0-12   1350-1440     235-96
    5     1245     7.0-12   1350-1430     235-104
                                            表7
组成编号                          纤维的强度和耐化学品性能
纤维直径 拉伸强度 三小时沸煮之后的耐化学侵蚀性能(％)
mcm MPa H2O NaOH HCl
0.5H 2H 2H
    1     10.2     2400     99.3     92.6     85.3     75.9
    2     10.0     3110     99.4     97.5     94.0     80.6
    3     9.0     2240     99.5     98.2     95.2     91.0
    4     9.5     3050     99.4     97.6     96.8     90.1
    5     9.5     3100     99.4     94.1     92.5     83.5

Claims (6)

1．一种制造玄武岩纤维的方法，该方法包括将玄武岩加入到熔炉中，使其熔化，使玻璃熔体在喂入器中稳定化，用喂入装置制造纤维，通过喷丝头拉出纤维，给所得纤维上油并将其卷绕在绕线筒上，其特征在于，在将玄武岩加入到熔炉中之前将其加热，并将玻璃熔体保持在熔炉的稳定化区中直至其达到纤维制造温度，然后在喂入器中使其稳定化，得到具有以下各基本组分关系的玻璃组成 Al 2 O 2 + Si 2 CaO + MgO ≥ 3 - - - - - - FeO 2 FeO 3 ≥ 0.5 2 Al 2 + SiO 2 2 Fe 2 O 2 + FeO + CaO + MgO + K 2 O + Na 2 O ≥ 1.5
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，在将玄武岩加入到熔炉中之前，将其加热至150-900℃。
3．如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将纤维制造温度保持在tmelt+(50～250℃)，其中，tmelt是玄武岩熔化的温度范围。
4．如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，在1250-1450℃的温度使玻璃熔体在喂入器中稳定化。
5．一种制造玄武岩纤维的设备，该设备包括玄武岩称料器、熔炉、带排料装置的喂入器、喂入装置、喷丝头、加油装置和将纤维卷绕在绕线筒上的装置，其特征在于，它还具有将玄武岩称料器与熔炉的加热空间连接的热交换器，且熔炉具有与喂入器连接的、内有玻璃熔体的稳定化区。
6．如权利要求5所述的设备，其特征在于，稳定化区的高度为熔炉内空间高度的0.4-0.6。
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