一种生产连续玄武岩纤维的玄武岩矿石成分及控制方法

技术领域

本发明涉及一种适用于电熔池窑法生产连续玄武岩纤维的玄武岩矿石成分及控制方法。

背景技术

玄武岩纤维是以一种或多种天然玄武岩矿石拉制的连续纤维，是玄武岩矿石在1450℃～1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维。玄武岩纤维是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成。玄武岩连续纤维不仅力学性能高，而且还具有电绝缘、耐腐蚀、耐高温等多种优异性能。此外，玄武岩纤维的生产工艺决定了其零排放、无固态废弃物，对环境友好，且产品废弃后可直接在环境中降解，无任何危害，因此是一种名副其实的绿色、环保材料。我国已把玄武岩纤维列为重点发展的四大(碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯、玄武岩纤维)高技术、高性能纤维之一，已经实现了工业化生产。玄武岩连续纤维已在纤维增强复合材料、道路工程、建设领域、摩擦材料、造船材料、隔热材料、汽车行业、高温过滤织物以及防护领域等多个方面得到了广泛的应用，是二十一世纪的工业材料。

玄武岩纤维成分中，Al

鉴于以上所述，目前玄武岩纤维的生产工艺多采用小规模生产工艺，窑炉加热方式或火焰加热、或电加热，均采用浅液面、单层墙体、不可推进的棒状或板状电极、水平熔化的工艺，拉丝漏板亦以400孔、200孔为主，单炉日产仅达0.3～0.4吨，导致污染严重(火焰加热)、成本高、产量低、炉龄短、性能不稳定、质量低劣等急需解决的问题，远低于市场对规模化生产的要求。

为此，本发明人在先申请的一个申请号为CN202110068680.0的发明专利《一种生产玄武岩纤维的电熔窑炉》，其公开一种生产连续玄武岩纤维的电熔窑炉，其包括炉体以及电熔控制装置，炉体内依次设置熔化池、料道、工作料道和工作室，熔化池的上方设有加料部，熔化池和料道之间设置挡砖；挡砖具有用于容置冷却装置的中心部以及包裹中心部的外围结构；挡砖的顶部固定于熔化池的顶部内壁，挡砖的底部与熔化池的底部具有用于导通熔体的预设高度。该专利通过上述结构，对现有技术中的流液洞和电极结构进行改进，挡板结构的加入使得熔化池炉底到料道的距离比流液洞缩结构短近4/5。单侧的电极设置使得加热更加均匀，两者的改进均降低了热量的损失，因此，不仅大大降低了电熔窑炉的建设成本，还减少了能耗的损失，提高了生产连续纤维的生产效率。可以实现低成本、高效率的玄武岩纤维生产。该发明使用采用电熔工艺的窑炉及拉丝技术，走出了一条规模化玄武岩纤维生产技术的新路。

玄武岩纤维与玻璃纤维具有属性相近、应用领域大部重合的特性。玄武岩纤维的发展必须实现生产规模化，从而导致成本的玻纤化，具备与玻纤的市场竞争力。达到这一目标必须实现制造工艺的池窑化。池窑化的目标必须包括工艺的稳定性、窑炉的长寿命、拉丝漏板的长寿命、矿石原料易于熔化、产品性能稳定、产品质量优异等要求。因此，在实际生产过程中，实现上述要求必须实现矿石原料的成分均质化，从而实现熔制工艺的优化、熔质的优化、产品性能的优化、产品质量的优化。而实际生产过程中，目前玄武岩纤维的生产用矿石原料，均采用天然原料，成分波动大、成分无法完全适合生产工艺要求，无法达到大规模工业生产的池窑工艺的要求。天然矿石的成分不标准，成分波动大一直是玄武岩纤维行业规模化发展的一个基础性技术瓶颈。实现上述要求必须实现矿石原料的成分标准化，从而实现熔制工艺的优化、熔质的优化、产品性能的优化、产品质量的优化。

发明内容

在下文中给出了关于本发明实施例的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，以下概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

根据本申请的一个方面，提供一种生产连续玄武岩纤维的玄武岩矿石成分，其由A种矿石和B种矿石混合而成，所述A种矿石为大粘度玄武岩矿石，所述B种矿石为低粘度矿石；

其中，以重量百分比计，A种矿石成分满足：SiO

以重量百分比计，B种矿石成分满足：SiO

本申请根据实际测得的A种矿石和B种矿石的具体成分来计算两种配合比例，然后按计算的比例进行混合以得到符合本申请要求的矿石配合料。其中A种矿石和B种矿石分别可由一种矿石实现，也可由多种矿石混合配制而成，与现有技术相比，本申请是采用二种或二种以上矿石原料的配比，达到本申请要求的成分，该方案尤其适用于天然矿石原料成分波动大、成分无法完全适合生产工艺要求的场景，可实现大规模工业生产。

进一步的，A种矿石和B种矿石混合后的组分满足：SiO

进一步优选的，A种矿石和B种矿石混合后的组分满足：SiO

进一步优选的，A种矿石和B种矿石混合后的组分满足：Fe

进一步优选的，A种矿石和B种矿石混合后的组分满足：CaO+MgO：11～13％，R

进一步优选的，A种矿石和B种矿石混合后的组分满足：CaO+MgO+2R

进一步优选的，A种矿石和B种矿石混合后的组分满足：(SiO

根据本申请的另一方面，提供一种生产连续玄武岩纤维的玄武岩矿石成分的控制方法，该方法包括：

步骤1：选取A种矿石和B种矿石按照预设比例混合均化配置成初步混合原料，所述A种矿石为大粘度玄武岩矿石，所述B种矿石为低粘度矿石；所述初步混合原料的粒度为1-3mm；混合均化配置成初步混合原料的混合方法可采用常规的机械搅拌或物流混合法或气动混合法(气流法)实现；

其中，以重量百分比计，A种矿石成分满足：SiO

以重量百分比计，B种矿石成分满足：SiO

步骤2：取初步混合原料中五个样品，对每个样品进行破碎，加工制成微粉形成次级混合原料；其中，每个样品选取公斤数量级的；

步骤3：取次级混合原料中五个子样，分别计算子样中各氧化物的化学成分测试，所述氧化物是SiO

具体的，步骤3包括计算：

其中，A

进一步的，步骤3还包括：计算

B表示五个样品中某氧化物的平均值，f

针对目前玄武岩纤维的生产用天然矿石原料的成分波动大、成分无法完全适合生产工艺要求，无法达到大规模工业生产的池窑工艺的要求，本申请通过上述玄武岩矿石成分及其均化控制方法，采用大粘度玄武岩矿石和低粘度矿石混合得到上述原料成分，且采用多级均化控制方法来对矿石原料进行均化，无需测量矿石中Al

实际应用中，符合本专利上述要求的原料，配合电熔窑炉，可以实现在拉丝作业窗口拉丝作业的稳定性、连续性。拉丝作业窗口温度上限＜1350℃，析晶上限≤1250℃。拉丝漏板单孔流量控制在0.9～1.25Kg/日，可实现7～22μm规格的拉丝作业，原丝强度：2200～3300MPa，弹性模量86～96GPa。此外，通过上述方案，可以实现玄武岩纤维的规模化生产，实现年产量达到万吨以上，使规模化生产连续玄武岩纤维不再成为难以克服的技术难题。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：

图1为本发明实施例5的均化设备的结构示意图；

图2为本发明实施例5的部分机械均化机构示意图；

图3为本发明实施例6的均化设备的结构示意图；

图4为本发明实施例6的均化设备的重力均化进料部的分解示意图。

具体实施方式

下面将参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

实施例1

一种生产连续玄武岩纤维的玄武岩矿石成分，包括：SiO

实际应用中，由于目前玄武岩纤维的生产用天然矿石原料的成分波动大、成分无法完全适合生产工艺要求，对不符合上述要求的玄武岩矿石可采用A种矿石和B种矿石的配合，达到上述要求。具体的，A种矿石成分要求为：SiO

其中，A种矿石为大粘度玄武岩矿石，B种矿石为低粘度矿石，通过A种矿石、B种矿石的配合实现专利要求的成分特征。与现有技术相比，本申请采用二种或二种以上矿石原料的配比达到本申请要求的成分，该方案尤其适用于天然矿石原料成分波动大、成分无法完全适合生产工艺要求的场景，可实现大规模工业生产。

其中，A、B二种矿石混合后的矿石成分满足：SiO

该矿石成分中，A、B矿石Fe

A种矿石和B种矿石混合后的组分满足：SiO

A种矿石和B种矿石混合后的组分满足：Fe

A种矿石和B种矿石混合后的组分满足：CaO+MgO：11～13％，R

A种矿石和B种矿石混合后的组分满足：CaO+MgO+2R

A种矿石和B种矿石混合后的组分满足：(SiO

实际应用中，A种矿石与B种矿石原料的配比可通过如下公式计算，(SiO

其中，A种矿石与B种矿石不得含有饱和石英相，不得混有其他矿物和杂质。在计算时需测定水分，以干燥原料分析数据为准。

实施例2

某种符合A种矿石的矿石组份如下：SiO

某符合B种矿石的矿石组份如下：SiO

经计算按4:6配合本例中A与B，得到成份如下：SiO

实施例3

某种符合A种矿石的矿石组份如下：SiO

某种符合B种矿石的矿石组份如下：SiO

经计算按4.5:5.5配合本例中A与B，得到成份如下：SiO

实施例4

本发明实施例还提供一种生产连续玄武岩纤维的玄武岩矿石成分的控制方法，该方法包括：

步骤1：选取A种矿石和B种矿石按照预设比例混合均化配置成初步混合原料，所述A种矿石为大粘度玄武岩矿石，所述B种矿石为低粘度矿石；所述初步混合原料的粒度为1-3mm；混合均化配置成初步混合原料的混合方法可采用常规的机械搅拌或物流混合法或气动混合法(气流法)实现；

其中，以重量百分比计，A种矿石成分满足：SiO

以重量百分比计，B种矿石成分满足：SiO

步骤2：取初步混合原料中五个样品，对每个样品进行破碎，加工制成微粉形成次级混合原料；其中，每个样品选取公斤数量级的；

步骤3：取次级混合原料中五个子样，分别计算子样中各氧化物的化学成分测试，所述氧化物是SiO

具体的，步骤3包括计算：

其中，A

具体的，步骤3还包括：计算

B表示五个样品中某氧化物的平均值，f

实际实现时，选取预设的多种矿石原料批量为140～210吨(批量计算按加窑炉型号、日产量计算20～30倍)，将所取得每个样品在小型机械搅拌或球磨搅拌机中充分搅拌、均化。均化过程完成后，随机取样五个，每个5～10Kg，并将样品破碎、研磨至粒度≤200目。将充分均化的五个样品随机取五个子样，并对子样进行化学成分测试，测定其SiO

五个样品中某氧化物的平均值进一步计算如下：

其中A

本申请结合电熔窑炉使用，可配制、拉制连续玄武岩纤维。使用时，每次配料批量以5吨以内、日产量的1/3，采用多次配料为宜。采用常规的机械搅拌或气动(空气流)均化方法。更换原料批次时，需按专利的要求重新计算配合料比例、重量。在计算时需测定水分含量，以干燥原料的重量为计算依据。上述方法中，将玄武岩矿石的粒度控制在0.5～3mm，是基于本专利结合电熔池窑工艺，适宜采用颗粒原料。粒度控制在0.5～3mm有利于原料的熔化，同时控制粉尘和便于自动投料。

符合本申请要求的原料，可以实现在拉丝作业窗口拉丝作业的稳定性、连续性。拉丝作业窗口温度上限＜1350℃，析晶上限≤1250℃。拉丝漏板单孔流量控制在0.9～1.25Kg/日，可实现7～22μm规格的拉丝作业，原丝强度：2200～3300MPa，弹性模量86～96GPa。

符合本申请要求的矿石原料，采用电熔池窑技术，熔化单耗≤0.9KWH/KG。符合本申请要求的矿石原料，采用电熔池窑技术，玄武岩矿石的熔化效果充分优化，熔体的缺陷(气泡、条纹、结石)易于控制在合理水平，产品一致性可以达到纤维线密度离散度≤5％。符合本申请要求的矿石原料，采用电熔池窑技术，拉丝作业窗口温度低(＜1350℃)，漏板工作寿命可达6～8个月。符合本申请要求的矿石原料，采用电熔池窑技术，熔制温度低、炉衬材料腐蚀性低，窑炉寿命可达3～4年，适应400～2400孔漏板作业，拉丝成品率≥92％，窑炉寿命3～4年。

实施例5

参见图1和图2，本发明实施例还提供一种对玄武岩矿石进行均化控制的玄武岩矿石均化设备，其包括外壳100，外壳100内设有机械均化机构，外壳100外设有驱动机械均化机构动作的驱动装置；外壳100的底部设有出料口101，外壳100的上部设有进料口102。

为提高机械均化的驱动效率，本实施例的驱动装置设有两个，记为第一驱动装置300和第二驱动装置400，第一驱动装置300和第二驱动装置400结构相同，分别对称设于外壳100的左右两侧。第一驱动装置300和第二驱动装置400可采用驱动电机实现。

机械均化机构包括主轴210、大螺带220和小螺带230，大螺带220和小螺带230围绕主轴210做同轴转动，主轴210贯穿外壳100的左右两侧，并分别与外壳100的左右两侧的第一驱动装置300和第二驱动装置400连接，小螺带230与第一驱动装置300连接，大螺带220与第二驱动装置400连接。本申请的驱动装置设有两个，并通过带动多螺带进行转动，在转动过程中实现对重力均化后的原料进行不断的翻滚搅拌，均化均匀，不仅提高了均化效果和均化效率，而且使得均化装置的搅拌量更大，且更节能环保。

本实施例中，主轴210包括同轴且水平横卧设置的空心外轴211和内轴212，空心外轴211包括左空心外轴2111和右空心外轴2112；左空心外轴2111通过连接件固定在外壳的左侧壁内，右空心外轴2112通过连接件固定在外壳的右侧壁内。

第二驱动装置包括大螺带传动杆240以及电机等部件，第一驱动装置包括小螺带传动杆250以及电机等部件，大螺带传动杆240包括左大螺带传动杆241和右大螺带传动杆242，大螺带220设置在左大螺带传动杆241和右大螺带传动杆242之间，大螺带传动杆240转动即可带动大螺带220转动，右空心外轴2112与第二驱动装置400传动连接，左大螺带传动杆241和右大螺带传动杆242分别由左空心外轴2111和右空心外轴2112带动并进行旋转动作。

对应的，小螺带传动杆250包括左小螺带传动杆251和右小螺带传动杆252，小螺带230设置在左小螺带传动杆251和右小螺带传动杆252之间，小螺带传动杆250转动即可带着小螺带230转动；左小螺带传动杆251和右小螺带传动杆252分别由内轴212的左右两侧带动并进行旋转动作。

参见图1，为提高机械均化的驱动效率，第一驱动装置300和外壳的连接处设有第一密封装置510。第一密封装置510和第一驱动装置300之间通过第一轴承310连接。同样的，第二驱动装置400和外壳的连接处设有第二密封装置520，同时，第二驱动装置400和第二密封装置520之间通过第二轴承320连接。

实施例6

本实施例中，与实施例1不同的是，参见图3和图4，外壳100的上方还可拆卸的设置了重力均化进料部。

参见图3和图4，重力均化进料部包括可拆卸的支撑板110、位于支撑板110上侧的重力均化仓120以及位于支撑板110下侧的底部放料区130，支撑板110的中部开设有通孔111，重力均化仓120的底部安装在通孔111上；底部放料区130的底部具有活动封口131。本申请通过可拆卸的重力均化进料部的设计，且重力均化进料部的支撑板110、重力均化仓120以及底部放料区130可拆卸设计，使大颗粒的原料可通过重力均化仓120方便的进行重力均化，同时可拆卸的设计还可方便的实现多次重力均化，然后再通过机械均化机构进行机械均化，可使得均化后的原料成分的波动为原来的1/20，大大提高了均化效率。

本实施例中，参见图4，重力均化仓120包括筒体121，筒体121的底部具有仓斗122，筒体121的内部具有套仓123。

底部放料区130的内壁沿活动封口131自下而上其直径逐渐增大设置，使其为倒锥形结构。该倒锥形结构的底部放料区130的设计，使得经过重力均化仓120到达底部放料区130的原料的散热速度大大加快，无论是进行下一次的重力均化还是进行下个流程的机械均化，都无需再等待。

此外，底部放料区130的侧壁采用铝型材散热板实现，进一步起到了散热效果。

参见图4，底部放料区130的顶部宽度L1与底部放料区130的高度L2的关系为：6＜L1/L2＜9，本实施例中，L1/L2≈8。同时，底部放料区130的高度L2大于底部的活动封口131的直径。该设计得到的倒锥形结构的容积以及散热效果最佳。

综上，符合本申请要求的矿石原料成分，可结合实施例4的矿石均化控制方法，配合本申请人独特设计的实施例5或者实施例6的原料均匀性控制的玄武岩电熔窑炉，可以改变目前玄武岩纤维的窘境，实现玄武岩纤维的规模化生产，实现年产量达到万吨以上。

此外，本发明的方法不限于按照说明书中描述的时间顺序来执行，也可以按照其他的时间顺序地、并行地或独立地执行。因此，本说明书中描述的方法的执行顺序不对本发明的技术范围构成限制。

尽管上面已经通过对本发明的具体实施例的描述对本发明进行了披露，但是，应该理解，上述的所有实施例和示例均是示例性的，而非限制性的。本领域的技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本发明的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本发明的保护范围内。