国内外玄武岩纤维纺丝用加热设备专利研究进展

蔡蕾 张颖 张晓丹

1 概述

玄武岩石料在1 450～1 500℃熔融后，制得的产品形式包括2类：一类是纯玄武岩棉，单丝直径在5μm以下，长度仅几毫米，此类产品是玄武岩熔体经均质化处理后，通过喷吹形成毡状物而制得；另一类是玄武岩连续纤维（continuous basalt fiber，CBF），此类产品利用铂铑合金的拉丝漏板对高温熔融后的玄武岩进行快速拉制而得到，可长达上万米，直径为7～13μm[1]。CBF是新型的无机绿色材料，属于高技术纤维，除高强度、高模量的特点外，还具备抗氧化、抗辐射、抗压缩强度和剪切强度高、耐高温、绝热隔音、过滤性好、适应于各种环境下使用等优异性能，且性价比高，在作为新的基础材料以满足国民经济基础产业发展需求的同时，对产业结构升级、重大工程以及国防建设均具有重要的推动作用[2]。

2 CBF生产的概况

最早的CBF制造技术专利在 1922年由法国人Paul Dnn提出[3]，但没有实际生产。一直到20世纪70年代，前苏联的科研机构才真正实现了这个想法，成功研制出CBF。1985年，第1台CBF的工业化生产炉在乌克兰纤维实验室建成并顺利投产。当时，CBF的生产采用人工加料全铂坩埚拉丝工艺；随后，出现了组合式拉丝炉拉丝工艺，可使用2块以上的漏板。截至目前，代表新技术方向的池窑拉丝工艺使CBF的生产能力和规模得到更大提升。

火山岩是制备CBF的唯一原料，我国在位于东、南、西、北、中的地域内，均拥有储量极其丰富并能用于生产CBF的火山岩，因此在CBF的研发和生产方面，我国具有得天独厚的资源优势。事实上，我国对CBF的开发同样始于20世纪70年代，但限于当时的研究条件以及俄罗斯、乌克兰等国家对CBF及其制品制造方法的技术封锁、技术垄断，未能获得成功。

随着经济的发展以及人们环保意识的不断增强，加强CBF的研发和应用，已成为全世界的共识。我国对CBF产业一直是给予高度重视的。早在2002年，“玄武岩连续纤维及其复合材料”即被列入“863”计划课题；次年年底，承担该计划课题的3家股东联合成立了横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司；2005年7月，该计划课题的研究成果通过验收。在“十一五”规划中，CBF及其复合材料的产业化被列入国家发展和改革委员会下达的计划之中；在“十二五”规划中，CBF产业关键技术又被列入国家支撑课题。尽管如此，目前我国的CBF产业仍处于初级阶段，主要的专利技术还停留在纺制CBF的工艺及设备上。笔者在外文数据库（VEN）和中国专利文摘数据库（CNABS）中，检索了涉及CBF生产的相关专利，截至2018年8月，VEN数据库中共检索到相关专利1 047件，CNABS数据库中共检索到相关专利481件。近年来CBF专利申请趋势如图1所示。

由图1可知，我國在玄武岩制造及生产领域的专利申请自2006年开始，数量明显上升。2008年，受亚洲金融危机的影响使申请数量有所降低，然而，自2010年开始申请量又取得了飞速上升。截至目前，我国的新增申请量已占世界新增专利申请数量的绝大部分。这表明，近年来我国已经积累了很多CBF方面的自主知识产权，在这些专利技术的支持和引领下，CBF产业在我国已初步形成较为完整的框架。

3 国内外专利技术进展

CBF的生产仅需要“投料-熔化-拉丝”这3个环节，该生产过程不涉及任何的化学反应，因而是一项非常绿色环保的技术。但要调控好上述看似简单的物理生产过程，绝非易事。主要原因在于：玄武岩岩石的熔点高，熔化后透热性低、非常容易结晶且拉丝黏度很高，这些特性都不利于保证拉丝作业中通过漏板的熔融体质量和参数的稳定，因此，在CBF的生产技术中，加热设备是备受关注的研发重点和研发难点之一。以下选取部分代表性专利，进行简要介绍。

3.1 以熔融热源的类型和/或其利用方式为特点的专利技术

3.1.1 燃气加热，以非均匀方式供给的助燃气降低融化物流的非均匀性

伊索福圣戈班公司[4]提出一种用于玄武岩的熔化炉（图2）。

该设备中助燃气的供给以非均匀方式进行，以便在相当于冲天炉排放孔高度的截面内形成一气体循环速度梯度，且最低循环速度正在该排放孔附近。其优点在于明显地提高了熔化的吨产量，而没有相应增加处理燃料和物料加料的投资，或增加熔化炉的投资，且做到这一点使用的手段也很简单，从而使燃料、助燃物料及原料的加料都有更适当的分布。

3.1.2 中高频（1～300kHz）感应加热

深圳俄金碳材料科技有限公司[5]提出利用感应加热熔融矿石的新方法以及实施该方法的装置（图3）。

该装置的原理是：玄武岩等难熔氧化物在熔化条件下会表现出离子导电性，因此在熔融过程中，当温度达400℃时，熔体的体电阻开始下降，温度升高至1 250℃时，体电阻值可以下降一个数量级，这种变化导致熔体内产生了交换电流，该电流强化了对熔体的加热作用，进而有效提高了其均质化的程度。与常规的直接熔融法不同，感应加热法先将电磁能转化为热能，再将热传导给感应加热体，使得与感应加热体直接接触的矿石被熔融。由于结合了中频和高频电路，这种加热设备还具有熔融速度快，运转费用低，容易自动化控制等优点。

3.1.3 电源加热，炉体包括熔化池、均化分配池和料道，全面高效

成都点石玄武纤维技术有限公司[6]提出了生产玄武岩连续纤维的全电熔池窑（图4）。

该设备以电为熔化热源，炉体分为熔化池、均化分配池和料道等，熔化池布置在均化分配池的上方，采用电极直接加热，玄武岩熔融液经过布置在熔化池下部的下料口排出，进入均化分配池，均化分配池布置在熔化池的下方，玄武岩熔融液被进一步加热均化，沿4个方向进入输送料道，均化分配池和输送料道采用表面电加热方式进行恒温加热。提高了熔化池单位面积熔化能力，实现了玄武岩连续纤维的池窑生产，同时也解决了部分地区玄武岩资源丰富品质高，但没有燃气条件的限制。

3.1.4 电气结合加热，电加热达到辅助加热熔化和保温的效果

四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司[7]提出用于生产玄武岩连续纤维的电气结合熔化炉（图5）。

该设备在炉腔底部设置第一燃烧器和第二燃烧器，在炉腔下方设置第一电加热器和第二电加热器，从而将炉腔内部对玄武岩溶液的电加热和气加热结合起来。其中，第一电加热器和第二电加热器主要起到辅助加热熔化和保温的效果，从而使炉腔内的玄武岩溶液保持各个部分的温度一致，不形成明显的温度梯度，进而保证了玄武岩高温溶液的品质，使CBF的生产更加稳定。

3.2 以提高熔体均质化程度为特点的专利技术

3.2.1 将熔融参数和设备结构相结合

Uerger G[8]等提出一种制造矿物纤维的方法，以及能够实施该方法的加工装置（图6）。

使用该设备制造CBF时，先将玄武岩颗粒在熔融槽中熔化，熔融槽与前炉连接，熔化物从熔融槽流入前炉内，并输送到喂给装置，然后送到喂给装置下方的衬套装置中被拉成长丝。为提高纤维的加工性能及其产品质量，输送到喂给装置的熔化物需满足以下条件：在40～100K下，对温度为1 050～1 480℃的熔体进行加工， 1 300℃、1 450℃下熔体的粘度值分别达到200～1 500dPa·s、30～160 dPa·s。同时，粘度值与表面张力之比介于10～100之间，粘流活化能小于等于290 kJ/mol，熔化物在前炉中的高度（hs）与其在熔融槽中的高度（hw）之比为（0.8～1.1）∶（2～6）。

3.2.2 在一個设备中并行实施熔化矿石、融体质量均匀化和纤维成形

玄武岩纤维复合材料科技发展有限公司[9]提出含双喂料器矿石熔化炉结构的玄武岩纤维生产设备（图7）。

与常规的CBF生产设备相比，该设备增加了加料器计量器、炉顶盖加料漏斗、矿石熔化炉池、熔化池门坎、双通道烟气排放集气管、换热器、燃气-空气混合器、烧嘴。其中，矿石熔化炉包括熔化池门坎，可以拦挡未熔化的玄武岩颗粒和杂质，保证熔融体在熔化炉喂料器中维持低水平的20～80mm，从而使熔融体被完全烧透，同时按非定型程度要求，在拉丝程序之前进行最后的均质化。此外，该熔化池门坎的设置使矿石熔化炉池、熔化炉喂料器同时存在于矿石熔化炉中，大大简化了矿石熔化炉的结构，并使玄武岩熔融体从熔化区流动到纤维成形区的热损失降到最低。

3.2.3 设置熔化区将矿石熔化，设置澄清区进行熔融体调制

四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司[10]提出一种CBF的生产装置（图8）。该装置中，可拆卸的铂金通道和漏板与通电装置相连接，使高温溶液在通过时，具有较好的温度均匀性和可拉丝的温度，保证拉丝过程的连续性、稳定性。

澄清区的宽度从熔化区向下料流道方向逐渐变窄，其变窄后的宽度与下料流道的宽度一致。以保证高温溶液气泡的排除，进一步改善温度均匀性。燃烧器至少有2个，且间隔安装，以保证炉腔内加热均匀。炉腔的底面沿水平面向右下倾斜角度α为1～2°，进一步改善高温溶液在炉腔内的流动性。该装置将玄武岩高温溶液经熔化、澄清后增加了铂金通道，使玄武岩高温溶液得到了更好的均化；并且让流入漏板的液体温度、粘度可控，使进入漏板的溶液温度更加均匀，避免了析晶的产生，避免了高温溶液对漏板的温度冲击，减少了漏板的温差，生产作业更加稳定，降低生产成本，提高了产品质量。

3.3 以提高加热效率、延长使用寿命为特点的专利技术 3.3.1 熔炉的加料漏斗与燃烧喷嘴复合使用

横店集团上海俄金玄武岩纤维有限公司[11]提出一种加料漏斗与燃烧喷嘴的复合装置（图9）。

传统的玄武岩熔炉中，加料漏斗与燃烧喷嘴是单独的装置。加料漏斗向熔炉内送入原料，燃烧喷嘴将燃料、助燃气喷到炉内燃烧，但这种设置方式存在炉顶盖砖容易开裂、不在火焰中心区的玄武岩矿石熔化速率不高等问题。为此，将加料漏斗与燃烧喷嘴同心合为一体后，不仅克服了炉顶盖砖容易开裂的缺陷、增加了燃烧喷嘴喷头的使用寿命，还使玄武岩原料直接置于燃烧喷嘴火焰区的中心，提高了矿石的熔化速率。

3.3.2 燃烧器的火焰分开利用，同时有效冷却临近火焰的底部区域

伊索福圣戈班公司[12]提出有多个喷射器的沉浸式燃烧器（图10）。

与空气相比，助燃剂显著富含氧，由其起作用的沉浸式燃烧器的火焰非常热，该设备将这种火焰分开，并尽可能有效地冷却直接临近火焰底部的燃烧器区域。增多化和小型化的混合室，使其几何形状变得简单和灵活，从而使得允许使用利用气体/氧气混合物的沉浸式燃烧器，但不存在爆炸的风险，具有大的能量效率，同时限制了由直接临近火焰处的金属表面的氧化所引起的损坏。

3.3.3 倾斜布置加热装置

四川点石玄武纤维科技有限公司[13]提出一种高熔化量CBF熔化池加料结构（图11）。

该结构包括熔化池，进料口设置为长条形，有利于原料进入熔化池时分散布置，更利于热量传递；燃气燃烧器向料液流动方向倾斜5～30°，可以让高温高速烟气吹在原料上强化加热，还可将进入炉内的原料吹向前方，分散原料，利于原料的熔化。此外，这种改进还可以给熔化的料液一个向前的动力，促进料液的流动，利于新原料的熔化。

3.4 以预处理玄武岩石料、多手段改善熔体性质为特点的专利技术

3.4.1 预加热玄武岩石料并使其玻璃熔体稳定化

Aslanova L G等[14]提出一种CBF的制造设备（图12）。

利用该制造设备生产CBF的具体方法是：利用熔炉加热玄武岩并使其熔化，其中，将玄武岩送入熔炉的称料器与热交换器相连，来自于熔炉的热空气对玄武岩进行预热，可去除矿石中的结晶水、气泡和泡沫，利用废气的同时降低了燃料的消耗，也有利于玻璃熔体的体积稳定化。随后，熔体进入稳定化区，使其中的气泡和泡沫被进一步逐出，熔体表面变得平整光滑，同时，熔体温度被降至适于制造纤维的温度；随后，进入喂入器的熔体被进一步均质化，并使其组成适于制造纤维；接下来进入熔体排料装置，经喂入装置送入喷丝头，形成初级纤维，再经上油装置和绕线筒得到纤维产品。

3.4.2 加料漏斗与烧嘴结合，顶盖内设置旋流器、稳定器，熔化炉中设置工作平台，调控燃气与空气的比例

武岩纤维复合材料科技发展有限公司[15]提出了连续CBF生产中矿石熔化和熔融体调制设备（图13）。

在CBF生产中，矿石熔化工艺和熔融体质量均匀化工艺属于关键工艺，其水平直接影响到CBF的品质。现有的矿石熔化工艺不能熔透玄武岩中的高温杂质，且必需使整个熔化炉内的火焰空间保持较高温度，能耗较大。该申请提出的设备将现有熔化炉的炉顶盖加料漏斗与烧嘴结合成为特殊的烧嘴-加料器；在顶盖烧嘴内设置了旋流器和稳定器的结构；熔化工作平台设置在矿石熔化炉内，使熔融体的水平高度得以降低；同时采用燃气空气混合物调节器来调节燃气与空气的比例。此熔化工艺将矿石的熔化温度提高到2 000℃，提高了纤维的品质，拓宽了原料种类，增加了纤维品种的数量。

3.4.3 烧嘴和进料管间隔布置，采用涵洞直接联接熔化池、均化池和料道，大面积布置小功率燃烧器

成都点石玄武纤维技术有限公司[16]提出一种CBF池窑（图14），可以实现CBF的规模化生产。

此设备由炉体、熔化池、均化池、料道、加料口、燃烧器、排烟道、供料口、排料装置等组成。其中，熔化池均匀布置在均化池的2侧，熔化池与均化池采用涵洞联接，熔化池的溢流口連接均化池，加料口、燃烧器设置于熔化池上方，加料口与燃烧器烧嘴间隔设置，料道在均化池的一端或2端分别沿3个方向设置。此单台设备可以供应12台以上拉丝机同时作业，且玄武岩熔融液熔化充分，质量和流量供应稳定。

4 结语

尽管我国的CBF产业起步较晚，但在国家政策的鼓励和持续推动下，一些国内重点企业和高校对CBF生产技术的研究正不断取得新进展，同时，国内创新主体对研究成果的保护意识在逐年增强，因此，近年来国内与CBF生产相关的专利申请明显多于国外。从技术内容来看，发现、解决新问题以及围绕传统问题提出新发明构思或解决手段的专利数量仍然有待提升。

目前，CBF的需求量仍在不断增加，因此笔者建议，在关注设备结构改进的同时，需考虑如何有效提升设备容量，以持续提高CBF的生产能力，以利于科研成果向产业的顺利转化。

致谢：第二作者对本文的贡献等同第一作者。

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