CN216890650U - 一种原料均匀性控制的玄武岩电熔窑炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种原料均匀性控制的玄武岩电熔窑炉，包括熔化池、料道、主料道和工作室，所述熔化池的上方设有一个或者多个加料口，所述熔化池内的顶部设有Sic加热棒；所述熔化池和料道之间设有挡砖，所述挡砖的顶部固定于熔化池的顶部内壁，所述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；所述熔化池和挡砖之间至少设有一个对流室，所述对流室为上下贯通的结构。本申请通过增设的对流室配合该挡砖结构，使得原料在挡砖结构左侧的对流室内外进行充分对流分散以实现均匀性控制，配合均匀性控制工艺，可实现对玄武岩矿石在宏观上的均化，可实现矿石原料成分的优化确定以及矿石成分的均化，有望改变玄武岩纤维的实际生产的窘境。

Description

一种原料均匀性控制的玄武岩电熔窑炉

技术领域

本实用新型涉及玄武岩纤维的生产设备技术领域，尤其是适用于原料均匀性控制工艺的玄武岩电熔窑炉。

背景技术

玄武岩纤维是以天然玄武岩拉制的连续纤维，是玄武岩石料在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强度高，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产生的废弃物少，对环境污染小，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纤维(碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯、玄武岩纤维)之一，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、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。

玄武岩纤维成分中，Al₂O₃、SiO₂含量达70％，FeO(Fe₂O₃)含量达10％以上，R₂O(碱金属氧化物)仅5～6％以下。具有导热性能极差、料性极短、析晶趋势强烈、析晶上限温度高、导电性能较差等恶劣的工艺性能，因此目前玄武岩纤维的生产水平远低于E玻璃纤维。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，本申请人在先申请的申请号为CN202120147695.1的实用新型专利，公开一种基于新型流液洞的玄武岩电熔窑炉，其包括熔化池、料道、工作料道和工作室，所述熔化池的上方设有加料部，所述熔化池和料道之间设有挡砖；所述挡砖的顶部固定于熔化池的顶部内壁，所述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；所述挡砖用于分隔熔化池与料道，挡砖下部与熔化池的底部之间具有预设高度形成一定高度和宽度的流液洞，用于导通熔化好的熔体流入料道。该专利虽然在现有技术的基础上创新性的增设了档砖结构，使得熔化池炉底到料道的流液洞距离缩短了4/5，进而在一定程度上提高了生产连续纤维的生产效率，但是同样的，与现有技术一样，其并未在结构上考虑原料均匀性控制的结构，仍然只是从工艺的角度来设计均匀性控制方案，其不仅需要针对各个窑炉结构来逐一设计，而且对物料均匀性控制工艺效率低下，大大降低了生产连续纤维的生产效率。

实用新型内容

在下文中给出了关于本实用新型实施例的简要概述，以便提供关于本实用新型的某些方面的基本理解。应当理解，以下概述并不是关于本实用新型的穷举性概述。它并不是意图确定本实用新型的关键或重要部分，也不是意图限定本实用新型的范围。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，提供一种原料均匀性控制的玄武岩电熔窑炉，包括熔化池、上升道、主料道和工作室，所述熔化池的上方设有一个或者多个加料口，所述熔化池内的顶部设有Sic加热棒；所述熔化池和上升道之间设有挡砖，所述挡砖的顶部固定于熔化池的顶部内壁，所述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；所述熔化池和挡砖之间至少设有一个对流室，所述对流室为上下贯通的结构。本申请中，挡砖用于分隔熔化池与上升道，挡砖下部与熔化池的底部之间具有预设高度形成一定高度和宽度的流液洞，用于导通熔化好的原料形成的熔体流入上升道；本申请通过增设的对流室配合该挡砖结构，使得原料在挡砖结构左侧的对流室内外进行充分对流分散以实现均匀性控制，配合均匀性控制工艺，可实现对玄武岩矿石在宏观上的均化，可实现矿石原料成分的优化确定以及矿石成分的均化，有望改变玄武岩纤维的实际生产的窘境。

进一步的，所述对流室具有顶部开口、中部腔体部分以及底部开口，所述顶部开口的宽度和底部开口的宽度均小于中部腔体部分的宽度，使物料形成的熔体可以充分在对流室内均匀分散。

优选的，所述对流室的底面高于所述挡砖的底面。

进一步优选的，所述对流室的位置设于两个加料口之间，也即对流室不设置在加料口的正下方，进一步保证了内部的熔体在流动的过程中充分在对流室内外均匀分散。

作为一个优选的方案，所述熔化池和挡砖之间设有两个对流室。

进一步的，所述挡砖为横截面一致的长方形结构。优选的，所述挡砖的外壁采用炉衬材料(即炉体的内壁材料)实现，所述炉衬材料是铬刚玉砖、莫来石砖、轻质莫来石砖、粘土砖中的一种或者多种组合。优选的，所述挡砖的外壁的厚度范围为50-100mm。上述挡砖通过设置冷却装置和限定外壁的厚度，可减少炉衬材料的侵蚀，延长工作寿命。

进一步的，所述挡砖的高度H以及横截面的长度L和宽度W是根据流液洞的熔体的流量Q来设定的，进一步的，挡砖的底部与熔化池的底部形成的预设高度h＝Q/(V×W×ρ)，其中，Q代表熔体在1小时内(也可以是其他特定的时间段)流过流液洞的流量，单位为公斤/小时(kg/h)，V为熔体流过流液洞的平均流速，单位为毫米/小时(mm/h)，W是挡砖横截面的宽度，单位为毫米(mm)，ρ为熔体密度，单位为kg/mm³。根据实际实验可知，当流液洞的熔体的流量Q设计为(0.5T/D*M²)×S～(1.5T/D*M²)×S区间时，其可达到最佳生产效果，其中，S为熔化池的面积；T为吨，D为天，M为米。

其中，挡砖用于分隔熔化池与上升道，挡砖下部与熔化池的底部之间具有预设高度形成一定高度和宽度的流液洞，用于导通熔化好的熔体流入上升道。挡砖下部形成的流液洞用于分隔熔制好的熔体与未熔好的熔体，并起到导通的作用。由于熔制好的熔体会沉浸在熔化池的底部，挡砖可隔离熔制好的熔体和未熔制好的熔体。因此，本申请在熔化池和挡砖之间(熔化池的上方)设计一个或者多个上下贯通的对流室，并通过对对流室的结构设计，使未熔制好的熔体在熔化池上方进行充分对流均化。本申请的方案尤其适用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，采用本申请的窑炉结构，尤其是配合本申请人设计的均匀性控制方法，无需测量矿石中Al₂O₃、SiO₂等矿物成分的微观配比数据，无需进行微观上的组分控制工艺，仅需要从宏观上将多种矿石按适当比例配合即可实现大规模工业生产的池窑工艺的要求，提高了对物料均匀性控制的工艺效率，进而提高了生产连续纤维的生产效率。

附图说明

本实用新型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实用新型的优选实施例和解释本实用新型的原理和优点。在附图中：

图1为本实用新型实施例的电熔窑炉的剖面图。

具体实施方式

下面将参照附图来说明本实用新型的实施例。在本实用新型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实用新型无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

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。一般来说，物料均为多种矿石，那么在实际应用中一个重要课题就是将宏观上的多种矿石均化，且保证均化后的矿石原料配比符合窑炉作业需求，以实现在拉丝作业窗口拉丝作业稳定性、连续性。为此，本申请提供一种原料均匀性控制的玄武岩电熔窑炉，通过设计具有独特结构的对流室，使得原料在挡砖结构左侧的对流室内外进行充分对流分散以实现均匀性控制，配合均匀性控制工艺，可实现对玄武岩矿石在宏观上的均化。

参见图1，本实用新型实施例提供一种原料均匀性控制的玄武岩电熔窑炉，包括炉体100以及电熔控制装置，炉体100内依次设置熔化池101、上升道102、主料道103和工作室104，熔化池101的上方设有加料部，炉体100的顶部设有一个或者多个加料口105，加料部包括将物料投入加料口105的加料装置，参见图1，本实施例中，加料装置包括原料传输管106和喂料机107，原料传输管106将原料传输过来，并通过喂料机投入相应的加料口。工作室104位于主料道103内，至少设置两个工作室，且工作室之间单独分开。工作室104的底部设有漏板110。电熔控制装置包括Sic加热棒108、锌铜电极109以及控制部件，Sic加热棒108设于熔化池101内的顶部，锌铜电极109具有多个，分散设置在熔化池101、上升道102、以及主料道103内。

熔化池101和上升道102之间设有挡砖300，挡砖300的顶部固定于熔化池101的顶部内壁，挡砖300的底部与熔化池101的底部具有用于导通熔体的预设高度；熔化池101和挡砖300之间至少设有一个对流室400，本实施例中，对流室400设计了2个。对流室400为上下贯通的结构。挡砖300用于分隔熔化池101与上升道102，挡砖300下部与熔化池101的底部之间具有预设高度形成一定高度和宽度的流液洞，用于导通熔化好的原料形成的熔体流入上升道102；本申请通过增设的对流室400配合该挡砖300结构，使得原料在挡砖300结构左侧的对流室400内外进行充分对流分散以实现均匀性控制。

参见图1，1011为料液面，对流室400设计在料液面1011以下，且挡砖的底部之上，也就是说对流室400的底面高于挡砖300的底面。该对流室400具有顶部开口、中部腔体部分以及底部开口，顶部开口的宽度和底部开口的宽度均小于中部腔体部分的宽度，使物料形成的熔体可以充分在对流室400内均匀分散。同时，对流室400的位置设于两个加料口之间，也即对流室400不设置在加料口的正下方，进一步保证了内部的熔体在流动的过程中充分在对流室400内外均匀分散。

本实施例中，挡砖300为横截面一致的长方形结构。此外，为提高挡砖寿命，挡砖300为中空结构，其内具有用于容置冷却装置的中心部以及包裹中心部的外壁，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。挡砖用于分割熔化池与上升道，挡砖下部与熔化池的底部之间具有预设高度形成一定高度和宽度的流液洞(图示中的流液洞1012)，用于导通熔化好的熔体流入上升道。挡砖下部形成的流液洞用于分隔熔制好的熔体与未熔好的熔体，并起到导通的作用。由于熔制好的熔体会沉浸在熔化池的底部，因此挡砖可隔离熔制好的熔体和未熔制好的熔体。流液洞是窑炉的重要结构，也是易损结构，其很大程度上决定了窑炉寿命，本申请采用挡砖代替了原有的较长的流液洞，不仅简化了结构，其流液洞的长度可缩小至原有长度的一半及以下，因而减少了建设费用和所需能耗，大大提高了生产效率。

挡砖300的高度H(或者说挡砖300的底部与熔化池101的底部形成的预设高度h)以及横截面的长度L和宽度W是根据流液洞的熔体的流量Q(质量流量)来设定的，进一步的，挡砖300的底部与熔化池101的底部形成的预设高度h＝Q/(V×W×ρ)，其中，Q代表熔体在1小时内(也可以是其他特定的时间段)流过流液洞的流量，单位为公斤/小时(kg/h)，V为熔体流过流液洞的流速，单位为毫米/小时(mm/h)，W是挡砖300横截面的宽度，单位为毫米(mm)，ρ为熔体密度，单位为kg/mm³。上述计算是根据公式：Q＝V×W×h×ρ(质量流量Q＝流速V×预设高度h×横截面宽度W×熔体密度ρ)。此时，挡砖300的高度H为熔化池101的深度减去预设高度h，挡砖300的高度H、预设高度h、横截面的长度L的单位均为毫米。上述计算中，挡砖300为横截面一致的柱状结构，可以是规则或者不规则的棱柱或者圆柱状结构，因此挡砖300横截面的宽度即为挡砖300底部的宽度。

一般的，上述计算中，将熔炉的熔化能力设计为1-3吨/每平方米每天。优选的，流液洞的熔体的流量Q优选设计为(0.5公斤/小时～1.5公斤/小时)*S，横截面的宽度W范围优选为150-600mm，结合熔炉的熔化能力，在该条件下，挡砖300可实现最佳隔离效果，即可保证完全熔制好的熔体毫无阻挡的进入流液洞，也可保证未熔制好的熔体具有充分的熔制时间。

此外，为避免挡砖300的外壁长期浸润在熔化池101内的腐蚀，挡砖300内还可设置冷却装置，这里不再详述。挡砖300的外壁采用炉衬材料(即炉体的内壁材料)实现。挡砖300的外壁的厚度范围为50-100mm。上述挡砖300通过设置冷却装置和限定外壁的厚度，可减少炉衬材料的侵蚀，延长工作寿命。

其中，电熔控制装置还包括相互电连接的温控单元和变压器，温控单元热电偶组件相连，变压器与电极组件相连，通过温控单元对变压器的控制来调节电极的功率，使电极升温至预设温度将玄武岩熔融成高温液体。

其中，炉体100具有炉顶、炉壁和炉底，炉顶、炉壁和炉底均是耐热材料制成的多层墙体。一般的，耐热材料包括铬刚玉砖、莫来石砖、轻质莫来石砖、粘土砖等等，炉顶、炉壁和炉底可分别选取上述耐热材料的两种或者多种材料实现。本实施例中，炉壁包括内层的保温砖(轻质莫来石砖)和外层的粘土砖。炉底由内至外依次包括铬刚玉砖、莫来石砖、轻质莫来石砖和粘土砖。炉顶包括轻质莫来石砖和上层轻质砖(发泡砖)。炉体的炉衬砖采用铬刚玉砖材料。

本申请通过上述结构，对现有技术中的流液洞内部结构进行改进，挡板的加入使得熔化池炉底到拉丝成型区的流液洞距离缩短了一半；在熔化池和挡砖之间(熔化池的上方)设计一个或者多个上下贯通的对流室，并通过对对流室的结构设计，使未熔制好的熔体在熔化池上方进行充分对流均化，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。

实际使用时，加料装置通过加料口105向炉体100内加入玄武岩物料，玄武岩物料依次通过熔化池101→挡砖300→上升道102→主料道103→工作室104(漏板区)；电熔控制装置向电极组件通电，并根据热电偶组件反馈的炉内温度信息来控制变压器改变电极组件的功率，使窑炉内的温度保持在1400～1700℃，使玄武岩物料充分熔融成均匀的熔体。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

尽管上面已经通过对本实用新型的具体实施例的描述对本实用新型进行了披露，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实用新型的各种修改、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实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种原料均匀性控制的玄武岩电熔窑炉，其特征在于：包括熔化池、上升道、主料道和工作室，所述熔化池的上方设有一个或者多个加料口，所述熔化池内的顶部设有Sic加热棒；所述熔化池和上升道之间设有挡砖，所述挡砖的顶部固定于熔化池的顶部内壁，所述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；所述熔化池和挡砖之间至少设有一个对流室，所述对流室为上下贯通的结构。

2.根据权利要求1所述的原料均匀性控制的玄武岩电熔窑炉，其特征在于：所述对流室具有顶部开口、中部腔体部分以及底部开口，所述顶部开口的宽度和底部开口的宽度均小于中部腔体部分的宽度。

3.根据权利要求1所述的原料均匀性控制的玄武岩电熔窑炉，其特征在于：所述对流室的底面高于所述挡砖的底面。

4.根据权利要求1所述的原料均匀性控制的玄武岩电熔窑炉，其特征在于：所述对流室的位置设于两个加料口之间。

5.根据权利要求1所述的原料均匀性控制的玄武岩电熔窑炉，其特征在于：所述熔化池和挡砖之间设有两个对流室。

6.根据权利要求1所述的原料均匀性控制的玄武岩电熔窑炉，其特征在于：所述挡砖为横截面一致的长方形结构。

7.根据权利要求6所述的原料均匀性控制的玄武岩电熔窑炉，其特征在于：所述挡砖的外壁的厚度范围为50-100mm。

8.根据权利要求6所述的原料均匀性控制的玄武岩电熔窑炉，其特征在于：所述挡砖的高度H以及横截面的长度L和宽度W是根据流液洞的熔体的流量Q来设定的。

9.根据权利要求8所述的原料均匀性控制的玄武岩电熔窑炉，其特征在于：所述挡砖的底部与熔化池的底部形成的预设高度h＝Q/(V×W×ρ)，其中，Q代表熔体在1小时内流过流液洞的流量，单位为kg/h，V为熔体流过流液洞的平均流速，单位为mm/h，W是挡砖横截面的宽度，单位为mm，ρ为熔体密度，单位为kg/mm³。

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