CN1325408C - 矿石熔融的感应加热法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到对矿石进行加热、熔融并进而制造纤维的领域。一种采用中频感应加热法或高频感应加热法对硅酸盐类矿石进行加热和熔融的方法及装置，特别涉及采用中频和高频结合的中高频(1KHz～300KHz)感应加热法对玄武岩、辉绿岩等火山岩类矿石进行熔融，并进而用以生产各种不同直径和长度的纤维。该发明与传统的熔融技术及装置相比，具有热能均匀分布且利用率高、熔融温度高、连续加热和熔融的速度快、装置简单、成本低、熔融体温度和粘度容易实行自动化控制等特点，可用于对玄武岩进行加热、熔融，制造玄武岩纤维，也可用于对玻璃配料进行加热、熔融，制造特殊的玻璃纤维。

Description

矿石熔融的感应加热法及装置

技术领域  本发明涉及对硅酸盐类矿石进行加热、熔融的方法及生产装置。具体涉及采用中频150～10000Hz感应加热法或高频10～300KHz感应加热法对硅酸盐类矿石进行加热熔融，特别涉及采用中频和高频结合的中高频(1KHz～300KHz)感应加热法对玄武岩、辉绿岩等火山岩类矿石进行熔融，并进而用以生产各种不同直径和长度的纤维。

背景技术  目前国内外以硅酸盐类矿石(包括玄武岩等火山岩)为原料生产纤维，对原料进行加热、熔融的方法，主要有完全直接电加热法、天然气或液体(例如重油)燃烧法、或电加热与天然气燃烧法两者相结合的方法。用于加热、熔融的熔炉装置有竖式炉(冲天炉)、波歇炉、池窑、坩锅等。现有的方法和熔炉虽然已比较成熟并被普遍推广使用，但是热能的比耗量较高。由于硅酸盐类矿石，尤其是玄武岩、辉绿岩等火山岩含有较多的难熔成分，特别是含有氧化铁(包括FeO、Fe₂O₃)等成分，往往存在着热能损耗大、热能不能充分利用、熔体温度及粘度难以控制等方面的不足。玄武岩矿石与人工配料的玻璃不同，它是天然的硅酸盐熔体(岩浆)矿物质固化的产物。它的组成非常复杂，主要是硅酸盐的矿物化合物。当火山爆发岩浆形成过程中就未生成单独的矿物质，而是这一些氧化物的化合物，例如钠长石NaAlSi₃O₈、钙长石CaAl₂Si₂O₈、透辉石CaMg(Si₂O₆)、橄榄石(MgFe)2SiO₄、碱性普通辉石Ca(Mg.Fe)(Si₂O₆)等等。因此，该类矿石在熔融和转化过程中的各组分已不是SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO、Na₂O、CaO、MgO、TiO等矿物氧化物了，当这些化合物在熔化条件下生成平衡的熔融体过程中，是由一种相态转到另一种相态，而越过了硅酸盐的生成阶段。这是与玻璃配料熔化过程生成硅酸盐阶段所不同的。不同地区玄武岩根据其化学组成成分不同，从矿石生成熔融体的温度范围大约从1015～1070℃开始软化，在1450℃急剧熔化。我们知道，不同结构的熔融设备，其热功状态是不同的。一般来说，用来生产矿物纤维耗能的80％是用于原材料的熔融。因此，如何有效地减少熔融过程中热能的耗量比，降低其生产成本，选择与玄武岩矿石熔融最适宜的炉型是十分重要的。在过去以往的炉型中，有效热利用系数最高的是竖式炉(冲天炉)，但是这种炉型得到的熔融体常被焦炭或未熔融的配料组分所混杂。按照燃料利用效率衡量，仅次于冲天炉的熔炉是池窑式的熔炉。池窑式的熔炉是辐射式热交换炉型，通常使用天然气等气体燃料，也有采用气体与液体(例如重油)混合燃料加热，以及天然气燃烧与电能加热相结合。大容积的池窑式熔炉可以同时维持数吨、乃至数万吨玻璃配料的熔融材料，即使在生产能力波动较大的范围内也能保持稳定的熔融体的热功参数。然而，池窑熔炉熔融的工艺过程完全是依靠燃料燃烧或电能直接加热产生的热能，热能到达被熔物体表面90％以上主要是靠火焰和炽热的耐火砌砖的辐射，5％～10％是依靠热气流对流。因此，与冲天炉比，池窑式熔炉比耗能大大增高。能耗较高的原因是由于不断排出的气体导致热损失增加。当然回收这些已加热气体的热量也有可能降低能耗。由于玄武岩矿石熔融对池窑内温度的均一性要求较高，大容积熔融体均质化的难度较大，加热和熔化玄武岩矿石的时间周期也较长，因此，目前国内外熔融玄武岩的池窑都较小，单个池窑生产连续纤维的产量一般在年产80～500吨，大都是200～300吨左右。按国内外的有关文献数据，池窑式熔炉的熔融，生产矿物棉比生产效率大约在40～45kg/m².h，但是生产玄武岩纤维的生产率只能降低到9～10kg/m².h，由于玄武岩矿石导热性较差，导热系数一般不超过1.5～2.0W/(m.k)，在池窑中的热传导和热对流强度都太低，而且还要经过熔融体的均质化反应阶段，为此，玄武岩矿石与玻璃配料相比，在炉内平均停留的时间相应地延长4.5～5.5倍左右。所以，为了强化玄武岩矿石的熔融过程，常常采用天然气燃烧与电能加热相结合的加热熔融方式。迄今为止，国内外已发表的玄武岩矿石熔融生产纤维的方法及装置等发明专利，尚没有对玄武岩熔融的方法及装置有更新的突破，需要去寻找新的熔融方法和熔炉。

众所周知，难熔的氧化物在熔化条件下会表现出离子导电性。利用氧化物的这个特性，根据法拉第电磁感应定律和电流热效应的焦耳--楞茨定律，应用感应加热的原理，可以用中、高频感应加热法对诸如玄武岩、辉绿岩等基本由氧化物构成的矿石进行加热熔融。由实验得知，此类硅酸盐矿石在熔融条件下所具有的离子导电性约在10^-2～10^-3欧姆.米。当硅酸盐类矿石(包括玄武岩等火山岩)温度升高到400℃时其粘度、表面张力和电阻都开始降低，当温度由400℃升高到1250℃时其电阻差不多降低了一个数量级。此时其熔融体就变成了导电体了，从而应用感应加热原理在中、高频感应加热条件下，熔融体中会很快发生交换电流，这种交换电流会使熔体进一步加热和均质化，而随着温度的不断升高，其粘度也会不断降低，这样应用感应加热原理对熔融硅酸盐类矿石，尤其是对导热性差、熔点较高的玄武岩矿石进行加热熔融就不失为是一种行之有效的先进的熔融方法。这种感应加热法与如前所述的电加热或天然气燃烧或重油燃烧“直接”对矿石进行熔融的方法不同，它是一种“间接”对矿石进行感应加热熔融的方法。作为被熔融的矿石开始并不与电能直接接触加热，而是通过缠绕在坩锅或管道或矩型体槽上的感应线圈(即感应器)进行通电，将电磁能转化为热能，再将热传导给与矿石直接接触的感应加热体(即感应炉炉体材料)。感应加热体材料一般是采用导电性、导热性好且熔点较高的材料。我们的大量实验证明，感应加热电炉加热表现出来的三种综合效应(即集肤效应、邻近效应和圆环效应)同样符合于对硅酸盐类矿石的加热熔融。因此，与辐射式热交换炉型—池窑式熔炉不同，感应加热熔炉一般由感应加热电源、感应器、磁轭、炉体以及冷却水等部分组成。感应加热主要遵循电磁感应、三种综合效应(集肤效应、圆环效应、邻近效应)和热传导等基本原理。

众所周知，生产玻璃纤维用的配料是硅酸盐化合物的混合物，从加热配合料到熔制成玻璃液，其熔制过程可以分为硅酸盐形成、玻璃体形成、澄清(脱气)、均质化、冷却等阶段，每一阶段的完成都有其最佳的参数。而岩浆型矿石(例如玄武岩矿石)是由熔融的岩浆喷发冷凝后形成的，如前所述，它的组成非常复杂，主要是硅酸盐的矿物化合物。因此，该类矿石在熔融和转化过程中的各组分已不是SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO、Na₂O、CaO、MgO、TiO等矿物氧化物了，而是这一些氧化物的化合物。因此，一些可能生成气体的物质都已挥发了，对于在玻璃配料中发生的生成硅酸盐的一些化学反应已经停止了。所以，熔融矿石为生产纤维所需的熔融体可以分成以下几个阶段：玻璃化、澄清(脱气)、均质化、冷却。在以下的具体实施方式中将对这些阶段进行具体描述。

发明内容  本发明的目的是，采用感应加热法对矿石进行加热、熔融。其主要特征在于采用中频感应加热法或高频感应加热法对硅酸盐类矿石进行加热熔融，特别涉及采用中频和高频结合的中高频(1KHz～300KHz)感应加热法对玄武岩、辉绿岩等火山岩进行熔融，并进而用以生产各种不同直径和长度的纤维。被熔融的矿石为硅酸盐类矿石，特别包括玄武岩、辉绿岩等火山岩类矿石。制造感应炉本身的材料是石墨，或是高熔点金属(包括：钨、钼、钽、铌、铂、铑等)，或含有上述高熔点金属元素不同成分组合的合金(例如钨钼合金、钨钽合金、铂铑合金等)，或是金属陶瓷复合材料。用感应加热法对玄武岩、辉绿岩等天然火山岩进行加热的熔融温度为1420～1450℃、连续纤维的成纤温度范围为1250～1300℃。感应加热的熔炉生产装置是坩锅或管道(槽)，坩锅呈圆柱体或圆锥体状或矩形体状。矿石生料预热区直接置于感应加热炉顶部，且与感应加热熔融区相连。玄武岩熔体澄清、均质化的温度为1380～1450℃。使用该方法和装置使矿石的熔融最高可以达到1450～1800℃的熔融温度，并可以在10～30分钟时间内形成玻璃体。成分比例不同的玄武岩熔融体在1400℃时的粘度为5～8.5牛顿.秒/米²，在1350℃时的粘度为5.5～12牛顿.秒/米²，在1300℃时的粘度为5～8.5牛顿.秒/米²，在1300℃时的粘度为6～18牛顿.秒/米²，在1250℃时的粘度为8～35牛顿.秒/米²。

附图说明  以下结合附图作进一步的说明。附图1是熔炉装置及工艺流程的示意图，由附图1可知，本发明的装置由矿石预热区(A)、感应加热熔融区(B)、纤维成型区(C)等三大部分组成。感应加热炉(见附图2)，其中：

1---感应炉，2---矿石生料，3---耐高温炉衬，4---感应加热体，5---中、高频电源，6---取液柱，7---感应器，8---取液孔，9---排气孔，10---输流管，

由附图2可知，感应加热炉由耐高温炉衬(3)、感应加热体(4)、中高频电源(5)、取液柱(6)、感应器(7)等组成。其中取液柱(6)圆周开有取液孔(8)，矿石熔化的熔融液体从这些取液孔中流入空心的取液柱内。感应器，即感应线圈(7)用冷水冷却，感应器铜管的长度及截面尺寸的选择与谐振电路的电感有关。感应器将电磁能转变成热能，使感应炉内的矿石熔化。感应器一般呈圆柱状，其几何尺寸与感应炉容量有关。

具体实施方式：

(一)熔融及玻璃体的形成

首先将已破碎的矿石生料加入感应炉(S1)中并加满。矿石生料预热区直接置于感应加热炉顶部，顶部与耐高温炉衬(3)部分是矿石生料的预热区，其外面并没有缠绕感应线圈，且与感应加热炉相连或通过热交换管道相连。感应加热体包围的部分为感应炉加热熔融区。启动中高频电源(5)，电流通过感应器即感应线卷(7)对感应加热体(4)进行感应加热(通常频率为1～66KHz)至炽热状态。感应加热体的材料一般是石墨或渗硅、硅化石墨或高熔点合金。实际上感应加热体是起到了“热交换体”的作用，通过它将热量传导到被熔融体—矿石中去。实验表明：在感应加热的条件下，表面层内电磁波提供的约有86％左右的热量供给了感应加热体。矿石大约从1015～1070℃开始软化，当温度达到1200～1400℃时，与感应炉内壁相接触的矿石首先开始熔化成玻璃体，并有气体生成物逸出，到1450～1480℃时急剧熔化。熔融过程没有经过硅酸盐生成阶段。玻璃体的生成应视为熔化的结果。在熔融体中已没有未被熔化的颗粒，但是其中仍然留有小气泡。按照感应加热的三种综合效应和流体静压及矿石冷料压力的作用，液态流动的熔融体液流首先沿着感应炉S1的内壁朝着空心的取液柱(6)圆周的若干取液孔(8)处流出，然后流入输流管(10)内，当熔体流入感应炉S2后，便完成了对矿石第一阶段的熔融。

需要说明的是：随着熔融体从感应炉(S1)取液柱(6)流出的同时，感应炉S1顶部已预热的矿石生料也落到坩埚内进行熔融，由此循环往复形成了一个热平衡和矿石生料与熔体置换的“投入产出”平衡。坩埚内上升的热气体预热了放置于感应加热炉顶部的矿石生料(2)，预热的最高温度可达到900～1000℃。此外，在矿石加热和熔化过程中二价铁(Fe⁺²)氧化变成三价铁(Fe⁺³)是非常重要的。所以为使化学平衡反应向Fe⁺³转化，会本质上影响熔融体粘度的降低，熔融速度也会加快。

还有必要特别说明的是：石墨坩埚感应炉熔融玄武岩矿石时会发生氧化铁的还原反应，化学反应式为：

4C+3O₂→2CO₂+2CO

Fe₂O₃+3C→2Fe+3CO

SiO₂+2C→Si+2CO

因此，为了降低石墨高温氧化(600℃即开始高温氧化)的程度和防止铁在石墨坩埚中的聚集，这是实施该发明需要解决的两个关键问题。

(二)脱气和均质化

承前所述，以下继续说明熔融体第二阶段脱气和均质化的具体实施方式：熔体流入感应炉S2后，继续进行熔体的澄清，脱除熔融过程中产生的气态物质，并使熔体均质化。加速熔融体脱气和均质化的有效措施之一是提高温度。一般情况下应将温度提高到1450℃，这时熔融体中的微小气泡过渡成可见气泡，并通过感应炉顶盖上的排气孔(9)被出。感应加热时感应炉中的感应加热体(4)的表面或与加热体接触的熔融体表面最高温度可以达到2000～2100℃，熔融体液流温度可达1700℃。根据矿石化学组成不同和成纤过程对熔体粘度要求的不同，为了调整熔体的粘度，可调节中、高频电源的输出功率。譬如，为了降低熔体的粘度，可将熔融温度提高到1450℃以上，乃至1700～1800℃。感应炉S2也可以用直径梯变的管道或矩形槽替代(见附图3)。由于每段管道(槽)直径(或口径)大小不同形成的落差，构成回流区，导致熔体液流产生对流，伴随着电磁搅拌的作用将进一步加强其均质化，最后熔体液流流入进料器，进行纤维的成型。

进入澄清、均质化阶段的熔融体已经具有离子的导电性。被熔化的熔体受电磁力的作用产生较为强烈的电磁搅拌，如附图4所示。还需要指出的是，这种电磁搅拌在感应炉S1中也同样存在，只是强度表现有所不同而已。熔融体在电磁搅拌下趋于均质化。

(三)冷却

熔融体粘度是加工成纤维的重要指标。该指标决定于矿石的矿物学组份和化学组成。玄武岩熔融体的碱性物质具有较高的结晶性能。根据其组成不同结晶上限温度为1230～1275℃。因此，为了创造连续纤维所需的熔体粘度，熔融体的温度要由1450℃降低100～120℃。对于用喷吹法生产微细纤维和超细纤维而言(见附图5)，为了降低熔体所需要的粘度，还需要将熔体的温度提高到1450～1800℃。至此，将符合温度、粘度和均质化要求的成纤熔体送到进料粘度和均质化要求的成纤熔体送到进料器进入纤维成型区，便可供给后道工序用于生产各种不同直径和长度的纤维，包括用高速热气流鼓风法(喷吹法)生产微细纤维(￠小于0.6微米)、超高细纤维(￠为0.6～1微米)和超细纤维(￠1.0～3.0微米)；或将熔体送到有喷嘴漏板装置的熔炉上制成连续纤维等，例如织物用纤维(￠15.0～25.0微米)和其它连续纤维(￠9.0～15.0微米)；此外，采用本发明或如前所述的方法和装置，也可以熔融生产玻璃纤维所用的混合物配料，生产一些特殊的玻璃纤维。

由以上可知，本发明熔融矿石的感应加热法及装置，其主要特征在于采用中频感应加热法或高频感应加热法对硅酸盐类矿石进行加热熔融，特别涉及采用中频和高频结合的中高频(1KHz～300KHz)感应加热法对玄武岩、辉绿岩等火山岩矿石进行熔融。显然实现这一方法的核心装置是选用了中频电源或高频电源，特别涉及采用中频和高频结合的中高频(1KHz～300KHz)电源。以下对该类电源作出说明：

本发明装置采用小型大功率逆变中、高频磁感应加热电源。它由桥式逆变电路、感应加热器、主控集成电路、零压驱动集成电路等组成。本发明装置采用大功率电力电子器件一绝缘双极型晶体管(简称IGBT管)或大功率场效应管作为开关执行元件，采用零电压开启全桥交换结构，在控制电路的操作下实行开关逆变过程。本发明电磁感应加热装置使用的中高频电源，有一种功率振荡器，它克服了现有高频电磁感应加热设备体积庞大可靠性差的缺陷，并巧妙地将中频电路和高频电路结合在一起。除了上述核心电路外，本发明装置使用电源还设置了感应电流、频率显示电路、工作状态显示电路、外围程序控制电路、感应电流调节电路、水冷却保护开关等，并具有启动、停止及输出调节接口可供与其它仪表和自控元件相驳接，以便实现大规模生产的自动化控制(自动化流程示意图见附图6)。

由上述发明说明可知，与传统矿石熔融的方法比较，采用感应加热法具有如下优点：(1)熔融速度快，对相同容量的矿石来说，感应炉比其它各种类型熔炉具有更高的单位产量。(2)节约能源，由于其热能利用率高，加之使用超小型的中高频电源，相对来说比其它各种类型熔炉的能耗更低，同样的电能消耗，熔融速率要提高至少50％～100％。(3)设备的运转费用较低，由于熔炉装置是小容量的坩埚或管道(槽)型可以将大规模生产线分成若干个单元组合和电源控制，因此，对每一个单元的维修和保养变得简单易行，且不会影响整个生产线的停产。(4)加强均质化，电磁搅拌的作用可以加强单位时间熔融体的均质化，从而提高生产效率和成纤质量。(5)温度和粘度的调节控制变得简单易行，由于熔炉单位容积小，各区段熔融使用的电源可以采用不同功率进行调节和控制，因此，有利于对熔融体的温度和熔体液流的粘度实行更有效方便的控制。(6)熔融温度高，感应加热体表面最高温度可达2000～2100℃，这是池窑式熔炉难以实现的，从而可以降低熔体液流的粘度，为生产超细纤维或细纤维提供了可能。(7)容易实行自动化控制，由于熔融工作状态的各种参数可以从电源端口与自控元件相驳接，因此，便于即时反映各单元的工作状况，通过软件程序的设计和自动调节，使生产效率和产品质量比较稳定，自动化控制变得简单易行。

但是，本发明装置与传统熔炉相比也有其需要完善之处：一是需要解决石墨或钨钼合金在高温条件下的抗氧化问题，否则会影响生产的长期连续运行和增加炉体材料的更换成本。二是熔炉的单位容积较小，与大池窑相比，规模生产的产量受到限制，因此，本发明装置比较适合玄武岩的熔融成纤和特殊品种玻璃纤维的生产。三是采用石墨坩埚或管道(槽)，在高温及空气气氛条件下容易产生石墨氧化，并伴随氧化铁的还原反应，容易在熔融体中产生杂质，并可能造成铂铑合金喷嘴漏板的“中毒”和增加铂铑合金的消耗，但是采用热空气鼓风法生产超细纤维不存在此类问题。

Claims (8)

1、一种采用感应加热法对火山岩类矿石连续进行加热、熔融的方法，其特征在于采用中频150～10000Hz感应加热法或高频10～300KHz感应加热法或采用中频和高频结合的中高频1KHz～300KHz感应加热法对火山岩类矿石进行加热和熔融，并进而用以生产各种不同直径和长度的纤维。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于制造感应炉本身的材料是石墨，或是高熔点金属钨、钼、钽、铌、铂、铑，或含有上述高熔点金属元素不同成分组合的合金，或是金属陶瓷复合材料。

3、权利要求1所述的方法，其特征在于感应加热时感应炉中的加热体表面或与加热体接触的熔融体表面最高温度可以达到2000～2100℃，熔融体液流温度可达到1700℃。

4、权利要求1所述的方法，其特征在于感应加热的生产装置是坩锅或管道。

5、权利要求1所述的方法，其特征在于矿石的熔融温度可以达到1450～1800℃，并可以在10～30分钟时间内形成玻璃体。

6、权利要求1所述的方法，其特征在于火山岩类矿石为化学成分组成比例不同的玄武岩，其熔融体在1400℃时的粘度为5～8.5牛顿·秒/米²，在1350℃时的粘度为5.5～12牛顿·秒/米²，在1300℃时的粘度为6～18牛顿·秒/米²，在1250℃时的粘度为8～35牛顿·秒/米²。

7、权利要求1所述的方法，其特征在于矿石生料预热区直接置于感应加热炉顶部，且与感应加热炉相连或通过热交换管道相连。

8、根据权利要求4所述的方法，其特征在于坩锅呈圆柱体或圆锥体状或矩形体状。

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