1、 國內(nèi)外玄武巖纖維紡絲用加熱設(shè)備專利研究進(jìn)展 蔡蕾 張穎 張曉丹1 概述玄武巖石料在1 4501 500熔融后，制得的產(chǎn)品形式包括2類：一類是純玄武巖棉，單絲直徑在5m以下，長度僅幾毫米，此類產(chǎn)品是玄武巖熔體經(jīng)均質(zhì)化處理后，通過噴吹形成氈狀物而制得；另一類是玄武巖連續(xù)纖維（continuous basalt fiber，CBF），此類產(chǎn)品利用鉑銠合金的拉絲漏板對高溫熔融后的玄武巖進(jìn)行快速拉制而得到，可長達(dá)上萬米，直徑為713m1。CBF是新型的無機(jī)綠色材料，屬于高技術(shù)纖維，除高強(qiáng)度、高模量的特點(diǎn)外，還具備抗氧化、抗輻射、抗壓縮強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度高、耐高溫、絕熱隔音、過濾性好、適應(yīng)于各種環(huán)境下使用等

2、優(yōu)異性能，且性價比高，在作為新的基礎(chǔ)材料以滿足國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的同時，對產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級、重大工程以及國防建設(shè)均具有重要的推動作用2。2 CBF生產(chǎn)的概況最早的CBF制造技術(shù)專利在 1922年由法國人Paul Dnn提出3，但沒有實(shí)際生產(chǎn)。一直到20世紀(jì)70年代，前蘇聯(lián)的科研機(jī)構(gòu)才真正實(shí)現(xiàn)了這個想法，成功研制出CBF。1985年，第1臺CBF的工業(yè)化生產(chǎn)爐在烏克蘭纖維實(shí)驗(yàn)室建成并順利投產(chǎn)。當(dāng)時，CBF的生產(chǎn)采用人工加料全鉑坩堝拉絲工藝；隨后，出現(xiàn)了組合式拉絲爐拉絲工藝，可使用2塊以上的漏板。截至目前，代表新技術(shù)方向的池窯拉絲工藝使CBF的生產(chǎn)能力和規(guī)模得到更大提升。火山巖是制備CBF的唯一

3、原料，我國在位于東、南、西、北、中的地域內(nèi)，均擁有儲量極其豐富并能用于生產(chǎn)CBF的火山巖，因此在CBF的研發(fā)和生產(chǎn)方面，我國具有得天獨(dú)厚的資源優(yōu)勢。事實(shí)上，我國對CBF的開發(fā)同樣始于20世紀(jì)70年代，但限于當(dāng)時的研究條件以及俄羅斯、烏克蘭等國家對CBF及其制品制造方法的技術(shù)封鎖、技術(shù)壟斷，未能獲得成功。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人們環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，加強(qiáng)CBF的研發(fā)和應(yīng)用，已成為全世界的共識。我國對CBF產(chǎn)業(yè)一直是給予高度重視的。早在2002年，“玄武巖連續(xù)纖維及其復(fù)合材料”即被列入“863”計(jì)劃課題；次年年底，承擔(dān)該計(jì)劃課題的3家股東聯(lián)合成立了橫店集團(tuán)上海俄金玄武巖纖維有限公司；2005年7月，該

4、計(jì)劃課題的研究成果通過驗(yàn)收。在“十一五”規(guī)劃中，CBF及其復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化被列入國家發(fā)展和改革委員會下達(dá)的計(jì)劃之中；在“十二五”規(guī)劃中，CBF產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)又被列入國家支撐課題。盡管如此，目前我國的CBF產(chǎn)業(yè)仍處于初級階段，主要的專利技術(shù)還停留在紡制CBF的工藝及設(shè)備上。筆者在外文數(shù)據(jù)庫（VEN）和中國專利文摘數(shù)據(jù)庫（CNABS）中，檢索了涉及CBF生產(chǎn)的相關(guān)專利，截至2018年8月，VEN數(shù)據(jù)庫中共檢索到相關(guān)專利1 047件，CNABS數(shù)據(jù)庫中共檢索到相關(guān)專利481件。近年來CBF專利申請趨勢如圖1所示。由圖1可知，我國在玄武巖制造及生產(chǎn)領(lǐng)域的專利申請自2006年開始，數(shù)量明顯上升。2008年

5、，受亞洲金融危機(jī)的影響使申請數(shù)量有所降低，然而，自2010年開始申請量又取得了飛速上升。截至目前，我國的新增申請量已占世界新增專利申請數(shù)量的絕大部分。這表明，近年來我國已經(jīng)積累了很多CBF方面的自主知識產(chǎn)權(quán)，在這些專利技術(shù)的支持和引領(lǐng)下，CBF產(chǎn)業(yè)在我國已初步形成較為完整的框架。3 國內(nèi)外專利技術(shù)進(jìn)展CBF的生產(chǎn)僅需要“投料-熔化-拉絲”這3個環(huán)節(jié)，該生產(chǎn)過程不涉及任何的化學(xué)反應(yīng)，因而是一項(xiàng)非常綠色環(huán)保的技術(shù)。但要調(diào)控好上述看似簡單的物理生產(chǎn)過程，絕非易事。主要原因在于：玄武巖巖石的熔點(diǎn)高，熔化后透熱性低、非常容易結(jié)晶且拉絲黏度很高，這些特性都不利于保證拉絲作業(yè)中通過漏板的熔融體質(zhì)量和參數(shù)的穩(wěn)

6、定，因此，在CBF的生產(chǎn)技術(shù)中，加熱設(shè)備是備受關(guān)注的研發(fā)重點(diǎn)和研發(fā)難點(diǎn)之一。以下選取部分代表性專利，進(jìn)行簡要介紹。3.1 以熔融熱源的類型和/或其利用方式為特點(diǎn)的專利技術(shù)3.1.1 燃?xì)饧訜?，以非均勻方式供給的助燃?xì)饨档腿诨锪鞯姆蔷鶆蛐砸了鞲Ｊジ臧喙?提出一種用于玄武巖的熔化爐（圖2）。該設(shè)備中助燃?xì)獾墓┙o以非均勻方式進(jìn)行，以便在相當(dāng)于沖天爐排放孔高度的截面內(nèi)形成一氣體循環(huán)速度梯度，且最低循環(huán)速度正在該排放孔附近。其優(yōu)點(diǎn)在于明顯地提高了熔化的噸產(chǎn)量，而沒有相應(yīng)增加處理燃料和物料加料的投資，或增加熔化爐的投資，且做到這一點(diǎn)使用的手段也很簡單，從而使燃料、助燃物料及原料的加料都有更適當(dāng)?shù)姆植肌?/p>

7、3.1.2 中高頻（1300kHz）感應(yīng)加熱深圳俄金碳材料科技有限公司5提出利用感應(yīng)加熱熔融礦石的新方法以及實(shí)施該方法的裝置（圖3）。該裝置的原理是：玄武巖等難熔氧化物在熔化條件下會表現(xiàn)出離子導(dǎo)電性，因此在熔融過程中，當(dāng)溫度達(dá)400時，熔體的體電阻開始下降，溫度升高至1 250時，體電阻值可以下降一個數(shù)量級，這種變化導(dǎo)致熔體內(nèi)產(chǎn)生了交換電流，該電流強(qiáng)化了對熔體的加熱作用，進(jìn)而有效提高了其均質(zhì)化的程度。與常規(guī)的直接熔融法不同，感應(yīng)加熱法先將電磁能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱傳導(dǎo)給感應(yīng)加熱體，使得與感應(yīng)加熱體直接接觸的礦石被熔融。由于結(jié)合了中頻和高頻電路，這種加熱設(shè)備還具有熔融速度快，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低，容易自動化

8、控制等優(yōu)點(diǎn)。3.1.3 電源加熱，爐體包括熔化池、均化分配池和料道，全面高效成都點(diǎn)石玄武纖維技術(shù)有限公司6提出了生產(chǎn)玄武巖連續(xù)纖維的全電熔池窯（圖4）。該設(shè)備以電為熔化熱源，爐體分為熔化池、均化分配池和料道等，熔化池布置在均化分配池的上方，采用電極直接加熱，玄武巖熔融液經(jīng)過布置在熔化池下部的下料口排出，進(jìn)入均化分配池，均化分配池布置在熔化池的下方，玄武巖熔融液被進(jìn)一步加熱均化，沿4個方向進(jìn)入輸送料道，均化分配池和輸送料道采用表面電加熱方式進(jìn)行恒溫加熱。提高了熔化池單位面積熔化能力，實(shí)現(xiàn)了玄武巖連續(xù)纖維的池窯生產(chǎn)，同時也解決了部分地區(qū)玄武巖資源豐富品質(zhì)高，但沒有燃?xì)鈼l件的限制。3.1.4 電氣結(jié)

9、合加熱，電加熱達(dá)到輔助加熱熔化和保溫的效果四川航天拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司7提出用于生產(chǎn)玄武巖連續(xù)纖維的電氣結(jié)合熔化爐（圖5）。該設(shè)備在爐腔底部設(shè)置第一燃燒器和第二燃燒器，在爐腔下方設(shè)置第一電加熱器和第二電加熱器，從而將爐腔內(nèi)部對玄武巖溶液的電加熱和氣加熱結(jié)合起來。其中，第一電加熱器和第二電加熱器主要起到輔助加熱熔化和保溫的效果，從而使?fàn)t腔內(nèi)的玄武巖溶液保持各個部分的溫度一致，不形成明顯的溫度梯度，進(jìn)而保證了玄武巖高溫溶液的品質(zhì)，使CBF的生產(chǎn)更加穩(wěn)定。3.2 以提高熔體均質(zhì)化程度為特點(diǎn)的專利技術(shù)3.2.1 將熔融參數(shù)和設(shè)備結(jié)構(gòu)相結(jié)合Uerger G8等提出一種制造礦物纖維的方法，以及能夠?qū)嵤┰?/p>

10、方法的加工裝置（圖6）。使用該設(shè)備制造CBF時，先將玄武巖顆粒在熔融槽中熔化，熔融槽與前爐連接，熔化物從熔融槽流入前爐內(nèi)，并輸送到喂給裝置，然后送到喂給裝置下方的襯套裝置中被拉成長絲。為提高纖維的加工性能及其產(chǎn)品質(zhì)量，輸送到喂給裝置的熔化物需滿足以下條件：在40100K下，對溫度為1 0501 480的熔體進(jìn)行加工， 1 300、1 450下熔體的粘度值分別達(dá)到2001 500dPas、30160 dPas。同時，粘度值與表面張力之比介于10100之間，粘流活化能小于等于290 kJ/mol，熔化物在前爐中的高度（hs）與其在熔融槽中的高度（hw）之比為（0.81.1）（26）。3.2.2 在

11、一個設(shè)備中并行實(shí)施熔化礦石、融體質(zhì)量均勻化和纖維成形玄武巖纖維復(fù)合材料科技發(fā)展有限公司9提出含雙喂料器礦石熔化爐結(jié)構(gòu)的玄武巖纖維生產(chǎn)設(shè)備（圖7）。與常規(guī)的CBF生產(chǎn)設(shè)備相比，該設(shè)備增加了加料器計(jì)量器、爐頂蓋加料漏斗、礦石熔化爐池、熔化池門坎、雙通道煙氣排放集氣管、換熱器、燃?xì)?空氣混合器、燒嘴。其中，礦石熔化爐包括熔化池門坎，可以攔擋未熔化的玄武巖顆粒和雜質(zhì)，保證熔融體在熔化爐喂料器中維持低水平的2080mm，從而使熔融體被完全燒透，同時按非定型程度要求，在拉絲程序之前進(jìn)行最后的均質(zhì)化。此外，該熔化池門坎的設(shè)置使礦石熔化爐池、熔化爐喂料器同時存在于礦石熔化爐中，大大簡化了礦石熔化爐的結(jié)構(gòu)，并使

12、玄武巖熔融體從熔化區(qū)流動到纖維成形區(qū)的熱損失降到最低。3.2.3 設(shè)置熔化區(qū)將礦石熔化，設(shè)置澄清區(qū)進(jìn)行熔融體調(diào)制四川航天拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司10提出一種CBF的生產(chǎn)裝置（圖8）。該裝置中，可拆卸的鉑金通道和漏板與通電裝置相連接，使高溫溶液在通過時，具有較好的溫度均勻性和可拉絲的溫度，保證拉絲過程的連續(xù)性、穩(wěn)定性。澄清區(qū)的寬度從熔化區(qū)向下料流道方向逐漸變窄，其變窄后的寬度與下料流道的寬度一致。以保證高溫溶液氣泡的排除，進(jìn)一步改善溫度均勻性。燃燒器至少有2個，且間隔安裝，以保證爐腔內(nèi)加熱均勻。爐腔的底面沿水平面向右下傾斜角度為12，進(jìn)一步改善高溫溶液在爐腔內(nèi)的流動性。該裝置將玄武巖高溫溶液經(jīng)熔化

13、、澄清后增加了鉑金通道，使玄武巖高溫溶液得到了更好的均化；并且讓流入漏板的液體溫度、粘度可控，使進(jìn)入漏板的溶液溫度更加均勻，避免了析晶的產(chǎn)生，避免了高溫溶液對漏板的溫度沖擊，減少了漏板的溫差，生產(chǎn)作業(yè)更加穩(wěn)定，降低生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。3.3 以提高加熱效率、延長使用壽命為特點(diǎn)的專利技術(shù) 3.3.1 熔爐的加料漏斗與燃燒噴嘴復(fù)合使用橫店集團(tuán)上海俄金玄武巖纖維有限公司11提出一種加料漏斗與燃燒噴嘴的復(fù)合裝置（圖9）。傳統(tǒng)的玄武巖熔爐中，加料漏斗與燃燒噴嘴是單獨(dú)的裝置。加料漏斗向熔爐內(nèi)送入原料，燃燒噴嘴將燃料、助燃?xì)鈬姷綘t內(nèi)燃燒，但這種設(shè)置方式存在爐頂蓋磚容易開裂、不在火焰中心區(qū)的玄武巖礦石熔

14、化速率不高等問題。為此，將加料漏斗與燃燒噴嘴同心合為一體后，不僅克服了爐頂蓋磚容易開裂的缺陷、增加了燃燒噴嘴噴頭的使用壽命，還使玄武巖原料直接置于燃燒噴嘴火焰區(qū)的中心，提高了礦石的熔化速率。3.3.2 燃燒器的火焰分開利用，同時有效冷卻臨近火焰的底部區(qū)域伊索福圣戈班公司12提出有多個噴射器的沉浸式燃燒器（圖10）。與空氣相比，助燃劑顯著富含氧，由其起作用的沉浸式燃燒器的火焰非常熱，該設(shè)備將這種火焰分開，并盡可能有效地冷卻直接臨近火焰底部的燃燒器區(qū)域。增多化和小型化的混合室，使其幾何形狀變得簡單和靈活，從而使得允許使用利用氣體/氧氣混合物的沉浸式燃燒器，但不存在爆炸的風(fēng)險，具有大的能量效率，同時

15、限制了由直接臨近火焰處的金屬表面的氧化所引起的損壞。3.3.3 傾斜布置加熱裝置四川點(diǎn)石玄武纖維科技有限公司13提出一種高熔化量CBF熔化池加料結(jié)構(gòu)（圖11）。該結(jié)構(gòu)包括熔化池，進(jìn)料口設(shè)置為長條形，有利于原料進(jìn)入熔化池時分散布置，更利于熱量傳遞；燃?xì)馊紵飨蛄弦毫鲃臃较騼A斜530，可以讓高溫高速煙氣吹在原料上強(qiáng)化加熱，還可將進(jìn)入爐內(nèi)的原料吹向前方，分散原料，利于原料的熔化。此外，這種改進(jìn)還可以給熔化的料液一個向前的動力，促進(jìn)料液的流動，利于新原料的熔化。3.4 以預(yù)處理玄武巖石料、多手段改善熔體性質(zhì)為特點(diǎn)的專利技術(shù)3.4.1 預(yù)加熱玄武巖石料并使其玻璃熔體穩(wěn)定化Aslanova L G等14提

16、出一種CBF的制造設(shè)備（圖12）。利用該制造設(shè)備生產(chǎn)CBF的具體方法是：利用熔爐加熱玄武巖并使其熔化，其中，將玄武巖送入熔爐的稱料器與熱交換器相連，來自于熔爐的熱空氣對玄武巖進(jìn)行預(yù)熱，可去除礦石中的結(jié)晶水、氣泡和泡沫，利用廢氣的同時降低了燃料的消耗，也有利于玻璃熔體的體積穩(wěn)定化。隨后，熔體進(jìn)入穩(wěn)定化區(qū)，使其中的氣泡和泡沫被進(jìn)一步逐出，熔體表面變得平整光滑，同時，熔體溫度被降至適于制造纖維的溫度；隨后，進(jìn)入喂入器的熔體被進(jìn)一步均質(zhì)化，并使其組成適于制造纖維；接下來進(jìn)入熔體排料裝置，經(jīng)喂入裝置送入噴絲頭，形成初級纖維，再經(jīng)上油裝置和繞線筒得到纖維產(chǎn)品。3.4.2 加料漏斗與燒嘴結(jié)合，頂蓋內(nèi)設(shè)置旋流

17、器、穩(wěn)定器，熔化爐中設(shè)置工作平臺，調(diào)控燃?xì)馀c空氣的比例武巖纖維復(fù)合材料科技發(fā)展有限公司15提出了連續(xù)CBF生產(chǎn)中礦石熔化和熔融體調(diào)制設(shè)備（圖13）。在CBF生產(chǎn)中，礦石熔化工藝和熔融體質(zhì)量均勻化工藝屬于關(guān)鍵工藝，其水平直接影響到CBF的品質(zhì)。現(xiàn)有的礦石熔化工藝不能熔透玄武巖中的高溫雜質(zhì)，且必需使整個熔化爐內(nèi)的火焰空間保持較高溫度，能耗較大。該申請?zhí)岢龅脑O(shè)備將現(xiàn)有熔化爐的爐頂蓋加料漏斗與燒嘴結(jié)合成為特殊的燒嘴-加料器；在頂蓋燒嘴內(nèi)設(shè)置了旋流器和穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu)；熔化工作平臺設(shè)置在礦石熔化爐內(nèi)，使熔融體的水平高度得以降低；同時采用燃?xì)饪諝饣旌衔镎{(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)燃?xì)馀c空氣的比例。此熔化工藝將礦石的熔化溫度提

18、高到2 000，提高了纖維的品質(zhì)，拓寬了原料種類，增加了纖維品種的數(shù)量。3.4.3 燒嘴和進(jìn)料管間隔布置，采用涵洞直接聯(lián)接熔化池、均化池和料道，大面積布置小功率燃燒器成都點(diǎn)石玄武纖維技術(shù)有限公司16提出一種CBF池窯（圖14），可以實(shí)現(xiàn)CBF的規(guī)?；a(chǎn)。此設(shè)備由爐體、熔化池、均化池、料道、加料口、燃燒器、排煙道、供料口、排料裝置等組成。其中，熔化池均勻布置在均化池的2側(cè)，熔化池與均化池采用涵洞聯(lián)接，熔化池的溢流口連接均化池，加料口、燃燒器設(shè)置于熔化池上方，加料口與燃燒器燒嘴間隔設(shè)置，料道在均化池的一端或2端分別沿3個方向設(shè)置。此單臺設(shè)備可以供應(yīng)12臺以上拉絲機(jī)同時作業(yè)，且玄武巖熔融液熔化充分

19、，質(zhì)量和流量供應(yīng)穩(wěn)定。4 結(jié)語盡管我國的CBF產(chǎn)業(yè)起步較晚，但在國家政策的鼓勵和持續(xù)推動下，一些國內(nèi)重點(diǎn)企業(yè)和高校對CBF生產(chǎn)技術(shù)的研究正不斷取得新進(jìn)展，同時，國內(nèi)創(chuàng)新主體對研究成果的保護(hù)意識在逐年增強(qiáng)，因此，近年來國內(nèi)與CBF生產(chǎn)相關(guān)的專利申請明顯多于國外。從技術(shù)內(nèi)容來看，發(fā)現(xiàn)、解決新問題以及圍繞傳統(tǒng)問題提出新發(fā)明構(gòu)思或解決手段的專利數(shù)量仍然有待提升。目前，CBF的需求量仍在不斷增加，因此筆者建議，在關(guān)注設(shè)備結(jié)構(gòu)改進(jìn)的同時，需考慮如何有效提升設(shè)備容量，以持續(xù)提高CBF的生產(chǎn)能力，以利于科研成果向產(chǎn)業(yè)的順利轉(zhuǎn)化。致謝：第二作者對本文的貢獻(xiàn)等同第一作者。Reference1 崔淑玲.高技術(shù)纖維M

20、.北京：中國紡織出版社，2016：74.2 葉青.土木工程材料M.北京：中國質(zhì)檢出版社，2013：277.3 PAUL D.Filament composed of basalt：US 1438428AP.1922-12-12.4 ISOVER S G.Cupola with non-uniform air blast feed-for melting high melting materials in rock wool prodn：FR2598792A1P.1987-11-20.5 深圳俄金碳材料科技有限公司.礦石熔融的感應(yīng)加熱法及裝置：CN 1513782AP.2004-07-21.6

21、成都點(diǎn)石玄武纖維技術(shù)有限公司.生產(chǎn)玄武巖連續(xù)纖維的全電熔池窯：CN 203256109UP.2013-10-30.7 四川航天拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司.用于生產(chǎn)玄武巖連續(xù)纖維的電氣結(jié)合熔化爐：CN 104496168AP.2015-04-08.8 BUERGER G，BURGER G，GOROBINSKAEYA V，et al.Mineral fibre prodn.from rock and vitreous or glass wastes-by melt property control in region supplying spinneret feeder：DE 19538599 A1P.1997-05-07.9 玄武巖纖維復(fù)合材料科技發(fā)展有限公司.玄武巖纖維的生產(chǎn)方法及設(shè)備：CN 1789187AP.2006-06-21.10 四川航天拓鑫玄武巖實(shí)業(yè)有限公司.一種玄武巖纖維的生產(chǎn)裝置及其