连续玄武岩纤维的工业化生产(精)

玄武岩粉料 预热池 通路作业 质量检验 称量混料 高温熔制 拉丝成型 包装入库 图1 工艺流程 自动喂料加料机 澄清池 烘干退解
Fig. 1 The process f low chart
玄武岩矿基面经过化验分析后 , 确定满足可以 拉制 连续 纤维 的条 件, 将玄 武岩基 石粉 碎成 0 ~ 5mm, 粉料经磁选后进入混料机均匀搅拌成待用料 进入料仓 , 或自动加料喂料机将玄武岩原料自动加 入到预热池加热, 进入预热池的玄武岩粉料温度逐 渐升到 600~ 900 , 然后进入熔化池熔制成玄武岩 玻璃体, 这些措施可以去除结晶水、 气泡和泡沫, 使 玻璃熔体的体积稳定, 得到平整光滑稳定的液面 , 有 利于玄武岩熔体温度和粘度的稳定性 , 同时也消除 了由于窑炉液面的波动对单丝直径的影响, 在此强 调一下, 在整个窑炉熔制玄武岩过程中 , 应在充分氧 化状态下进行 , 否则将会有较严重的事情发生。 利用玄武岩生产连续纤维的不利因素有: 1) 氧 化铁含量高 , 一般 在 10% ~ 15% ; 2) 熔体析晶 温度 高, 析晶速度快 , 易使窑内熔体匀化不好, 温度梯度 大; 3) 对耐火材料易产生低共熔, 使窑炉使用周期缩 短; 4) 氧化铁易还原成金属铁 , 使漏板合金中毒, 损 坏漏板。 生产玄武岩连续纤维, 要使其稳定生产 , 必须克 服以上不利因素。目前设计的窑炉是采用组合炉的 结构进行熔制拉丝生产的, 可以带一块漏板和多块 漏板进行生产。窑炉的结构分成熔化部、 澄清池、 通 路作业、 拉线成型几个主要部分。 4 生产玄武岩连续纤维的自动控制 玄武岩连续纤维生产线的稳定生产应该由自动 控制系统 来保证。自动控制 系统应该包括温 度控
INDUSTRIALIZED PRODUCTION OF CONTINUOUS BASALT FIBER
Yang Yongx in ( National Eng ineering Research Center of Industrial Building Diagnosis and Rehabilitation Li Hong an Yu Zhongsheng ( Yingkou Institute of Building Material Yingkou 115000) Abstract : Basalt fiber is a kind of new material. Its production and application draw most attention at home and abroad. The conditions, technics and quality control measures of basalt fiber industrialized production are introduced. Keywords : continuous basalt fiber industrialized production technics
* 2005 年度攻关计划 ( 国际合作 ) 项目 高性能纤维增强复合材料工 程应用关键技术研究 ( 2005DFBA 0002) 资助。 第一作者 : 杨勇新 程师 男 1963 年 11 月出生 博士后 教授级高级工
玄武岩是一种火山喷出岩 , 是地球上贮藏量最 大, 分布面很广的矿产。多年来我国一些厂家已开 发生产出玄武岩矿棉的产品, 进行工业化生产 , 一般 应用在保温、 隔热、 耐火等方面。由于玄武岩矿石具 有较好的抗压耐磨性和抗氧化性能, 已在修建高速 公路和建筑方面得到 了广泛的应用。但到目前为 止, 玄武岩矿产总体上仍属于闲置的自然资源 , 没有 得到很好的开发利用 , 更没有应用到高科技领域, 为 我国的经济发展作出应有的贡献。 玄武岩矿大多裸露易于开采 , 所以矿石的价格 非常低廉, 利用天然的玄武岩原料拉制生产连续纤 维, 则是非常有价值的。由于玄武岩连续纤维具有 比玻璃纤维更优异的性能 , 如耐温范围宽, 可以应用 在- 260 ~ + 800 的环境中 , 而玻璃纤维的温度 在- 60 ~ + 450 , 耐碱性能、 耐酸性能都要高于 普通的玻璃纤维 , 抗氧化耐水解性能也比玻璃纤维 要好得多, 弹性模量比玻璃纤维高出 1 3 左0GPa, 抗拉强度 甚至可以达到 4 000MPa 以上, 所以玄武岩连续纤维 具有广阔的市场应用前景。 玄武岩连续纤维产品是一种绿色环保产品 , 可 以大规模工业化生产 , 产品可以广泛地应用于工业、 农业、 牧业、 汽车、 船舶、 体 育、 环保、 化工、 军事、 航
的, 其中漏嘴的设计是关系到拉丝稳定的重要一环, 高温玄武岩玻璃液于漏嘴上部在一定的流体静压力 下进入漏嘴, 从漏嘴流出 , 形成液滴 , 然后被下面的 拉机以一定的拉丝速度拉细并自然冷却为所需直径 的玄武岩连续纤维 , 这就要求从漏嘴流出的玄武岩 玻璃液温度均恒, 流量稳定。所以合理设计漏嘴、 漏 板的几何尺寸和结构以及拉丝漏板材料的选用、 漏 板的加工精度等都是非常重要的。 3 生产玄武岩连续纤维的工艺条件及熔窑结构 生产玄武岩连续纤维的工艺流程 , 见图 1。
连续玄武岩纤维的工业化生产
杨勇新
( 国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心 摘 北京 100088)
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李洪安
于忠生
营口 115000)
( 营口市建筑材料科学 研究所
要 : 玄武岩纤维是一种新型材料 , 其生产和应用已成为 国内外目前研究的热点。对连续玄武岩 纤维 工业化生产 工艺
工业化生产的条件、 工艺和质量控制方法予以介绍。 关键词 : 连续玄武岩纤维
Industrial Construction Vol 37, No 6, 2007
E- mail: yangyongxin@ tsinghua. org. cn
收稿日期 : 2007- 02- 10
工业建筑
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度变化不大, 随着温度的 降低, 粘 度的变化慢慢提 高, 待到低温时 , 粘度急剧提高 ( 玻璃液冷却过程中 , 玻璃液粘度提高的快慢称为硬化速度 ) 。玄武岩玻 璃液的硬化速度与玄武岩本身粘度 - 温度曲线有 关, 由于 玄 武岩 成 分含 有 较高 的 氧化 铁 ( 一 般在 10% ~ 15% ) , 所以玄武岩玻璃液的硬化速度是很快 的, 这给拉丝作业带来较大的困难 , 也就是所说的拉 丝料性较短, 很难连续稳定地进行拉丝作业。 玄武岩具有拉丝条件的可能性, 要做到稳定拉 丝作业, 进行工业化规模生产 , 还必须具备下列条件 才能保证拉丝生产。 1) 玄武岩矿石作为原料必须经过高温熔化后 能形成玻璃体, 即在高温下形成玄武岩熔融玻璃体。 2) 玄武岩玻璃必须满足熔制和成型工艺的要 求。 3) 拉丝温度不能过高 , 必须满足铂铑 ( Pt- Rn) 合金对拉丝的要求, 其玄武岩熔融玻璃体的温度粘 度曲线必须满足拉丝工艺要求。 4) 建设生产线所需的材料和设备等基础设施 条件容易获得, 特别是在国内都能得到解决。 5) 玄武岩连续纤维产品必须符合国家有关纤 维性能标准的要求, 也要满足 FRP 和 GRC 制品的要 求。 6) 玄武岩矿产储量要大 , 组分含量要稳定 , 易 于开采加工, 运输方便, 价格低廉是生产玄武岩连续 纤维的基本保证。 2 玄武岩纤维拉丝工艺设计 玄武岩连维纤维拉丝工艺的设计, 首先要考虑 以下几方面的问题, 以满足拉丝工艺的要求。 1) 玄武岩玻璃液体从漏嘴流出时, 要保证液滴 在漏嘴底部不能漫流 , 润湿角要大一些 , 减小拉丝时 的涨力。拉丝过程中解决粘性流体在漏嘴中流动的 流体力学问题。 2) 漏板的设计要考虑合理的结构, 机械强度要 好等问题, 还要涉及到电流在漏板上分布均匀的问 题。 3) 玄武岩玻璃液的粘度是温度的函数, 所以要 考虑到漏板的恒温控制及成型区的热交换和温度控 制。 4) 池窑通路要保证提供化学均匀性和温度均匀 性都好的玄武岩玻璃液供给漏板。 5) 为保证整个窑炉的熔化质量, 要求液面的波 动要小, 热点温度控制要稳定等。 玄武岩连续纤维池窑拉丝 , 漏板的设计是关键 6
Beijing
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空、 航天、 装饰、 建筑等多个领域中 , 一种新材料的出 0 前 言 现必将给人类社会的建设和生活带来巨大的推动作 用。玄武岩连续纤维的大规模工业化生产也将给生 产厂家带来丰厚的经济效益和社会效益。 1 天然玄武岩可成纤的条件 天然玄武岩矿石的成分差异较大 , 如何判断玄 武岩能否拉制成连续纤维, 酸度系数是一个综合表 达玄武岩熔体高温粘度、 成纤性能、 易熔性和化学稳 定性的主要参数。只要根据玄武岩的化学成分计算 出玄武岩的酸度系数 , 就能大概判断出该玄武岩能 否拉制成连续纤维。玄武岩原料的酸度系数在无碱 与中碱玻璃之间, 与中碱玻璃相近, 可以判断, 玄武 岩原料在熔融状态下很接近中碱玻璃的料性, 可以 拉制连续的玄武岩纤维。 粘度是拉制玄武岩连续纤维的主要指标, 粘度 又是与温度有直接关系的重要参数。一般情况下, 温度升高 , 粘度会降低, 玄武岩纤维拉丝作业的温度 比玻纤还要高一些。玄武岩玻璃液在高温时段的粘
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制、 液面控制、 速度控制、 烘干控制、 退解控制、 环境 控制、 水保障控制等主要构成部分。 其中 , 窑炉的温控系统主要是对组合炉各部温 度的自动控制, 采用主电路功率调整供给窑炉各部 所需的电功率, 保证安全供电 , 仪表的运算系统可以 通过计算机采样、 计算、 分析、 指令、 调整, 保证窑炉 温度偏差在允许范围之内 , 满足生产条件。 窑炉液面的稳 定也是稳定生 产作业的条件之 一, 采用远红外线液面控制仪表, 可使窑炉液面波动 在 1mm 之内, 仪表运行安全可靠。 拉线机头速度的控制主要是保证拉丝线速度的 稳定 , 应该连续可调, 满足单丝直径从 6~ 21 m 的 调整、 变换简捷方便。 原丝烘干要保证原丝的含水率在 0 1% 以下。 5 生产玄武岩连续纤维的设备 用于生产制造玄武岩连续纤维的主要设备有 : 破碎机( 磁选机 ) 、 混料机、 称料器、 加料机、 预热池、 熔窑、 澄清池、 单丝涂油装置, 自动卷绕拉丝机、 原丝 烘干窑, 无捻粗纱机 , 纺纱机, 温度控制装置, 水控制 系统等。 6 浸润剂 在玄武纤维生产过程中 , 在几百根单丝极细的 纤维表面涂敷具有润滑性、 粘结性的物质, 使之能够 粘结成一束, 减少磨损, 使纤维能够连续稳定正常地 进行生产 , 同时还能改变玄武岩纤维表面状态 , 在复 合材料中起到促进玄武纤维与被增强的高分子聚合 物的结合作用, 浸润剂能够有效地改变单纤维表面 光滑、 性脆易折断又分散的缺陷和表面性质。使玄 ( 上接第 13 页 ) 2) 玄武岩纤维片材抗拉强度和延伸率随着老化 时间的变化规律非常相似。延伸率受湿热老化环境 的影响幅度要比抗拉强度大得多。 3) 试验发现, 湿热环境对玄武岩纤维片材的弹 性模量影响较小。 4) 通过对不同纤维增强复合材料在湿热老化时 间为 1 000h 时拉伸性能进行比较, 发现玄武岩纤维 片材和碳纤维片材抗拉强度的稳定性要明显优于玻 璃纤维片材和芳纶纤维片材。碳纤维片材和玻璃纤 维片材的延伸率有所下降 , 而玄武岩纤维片材的延 伸率变化不大。另外, 玄武岩纤维片材和碳纤维片 材的弹性模量均有所上升 , 而玻璃纤维片材和芳纶 纤维片材的弹性模量有不同程度的下降。