國內外玄武巖纖維紡絲用加熱設備專利研究進展

蔡蕾 張穎 張曉丹

1 概述

玄武巖石料在1 450～1 500℃熔融后，制得的產品形式包括2類：一類是純玄武巖棉，單絲直徑在5μm以下，長度僅幾毫米，此類產品是玄武巖熔體經均質化處理后，通過噴吹形成氈狀物而制得；另一類是玄武巖連續纖維（continuous basalt fiber，CBF），此類產品利用鉑銠合金的拉絲漏板對高溫熔融后的玄武巖進行快速拉制而得到，可長達上萬米，直徑為7～13μm[1]。CBF是新型的無機綠色材料，屬于高技術纖維，除高強度、高模量的特點外，還具備抗氧化、抗輻射、抗壓縮強度和剪切強度高、耐高溫、絕熱隔音、過濾性好、適應于各種環境下使用等優異性能，且性價比高，在作為新的基礎材料以滿足國民經濟基礎產業發展需求的同時，對產業結構升級、重大工程以及國防建設均具有重要的推動作用[2]。

2 CBF生產的概況

最早的CBF制造技術專利在 1922年由法國人Paul Dnn提出[3]，但沒有實際生產。一直到20世紀70年代，前蘇聯的科研機構才真正實現了這個想法，成功研制出CBF。1985年，第1臺CBF的工業化生產爐在烏克蘭纖維實驗室建成并順利投產。當時，CBF的生產采用人工加料全鉑坩堝拉絲工藝；隨后，出現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，代表新技術方向的池窯拉絲工藝使CBF的生產能力和規模得到更大提升。

火山巖是制備CBF的唯一原料，我國在位于東、南、西、北、中的地域內，均擁有儲量極其豐富并能用于生產CBF的火山巖，因此在CBF的研發和生產方面，我國具有得天獨厚的資源優勢。事實上，我國對CBF的開發同樣始于20世紀70年代，但限于當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封鎖、技術壟斷，未能獲得成功。

隨著經濟的發展以及人們環保意識的不斷增強，加強CBF的研發和應用，已成為全世界的共識。我國對CBF產業一直是給予高度重視的。早在2002年，“玄武巖連續纖維及其復合材料”即被列入“863”計劃課題；次年年底，承擔該計劃課題的3家股東聯合成立了橫店集團上海俄金玄武巖纖維有限公司；2005年7月，該計劃課題的研究成果通過驗收。在“十一五”規劃中，CBF及其復合材料的產業化被列入國家發展和改革委員會下達的計劃之中；在“十二五”規劃中，CBF產業關鍵技術又被列入國家支撐課題。盡管如此，目前我國的CBF產業仍處于初級階段，主要的專利技術還停留在紡制CBF的工藝及設備上。筆者在外文數據庫（VEN）和中國專利文摘數據庫（CNABS）中，檢索了涉及CBF生產的相關專利，截至2018年8月，VEN數據庫中共檢索到相關專利1 047件，CNABS數據庫中共檢索到相關專利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領域的專利申請自2006年開始，數量明顯上升。2008年，受亞洲金融危機的影響使申請數量有所降低，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量的絕大部分。這表明，近年來我國已經積累了很多CBF方面的自主知識產權，在這些專利技術的支持和引領下，CBF產業在我國已初步形成較為完整的框架。

3 國內外專利技術進展

CBF的生產僅需要“投料-熔化-拉絲”這3個環節，該生產過程不涉及任何的化學反應，因而是一項非常綠色環保的技術。但要調控好上述看似簡單的物理生產過程，絕非易事。主要原因在于：玄武巖巖石的熔點高，熔化后透熱性低、非常容易結晶且拉絲黏度很高，這些特性都不利于保證拉絲作業中通過漏板的熔融體質量和參數的穩定，因此，在CBF的生產技術中，加熱設備是備受關注的研發重點和研發難點之一。以下選取部分代表性專利，進行簡要介紹。

3.1 以熔融熱源的類型和/或其利用方式為特點的專利技術

3.1.1 燃氣加熱，以非均勻方式供給的助燃氣降低融化物流的非均勻性

伊索福圣戈班公司[4]提出一種用于玄武巖的熔化爐（圖2）。

該設備中助燃氣的供給以非均勻方式進行，以便在相當于沖天爐排放孔高度的截面內形成一氣體循環速度梯度，且最低循環速度正在該排放孔附近。其優點在于明顯地提高了熔化的噸產量，而沒有相應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的分布。

3.1.2 中高頻（1～300kHz）感應加熱

深圳俄金碳材料科技有限公司[5]提出利用感應加熱熔融礦石的新方法以及實施該方法的裝置（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出離子導電性，因此在熔融過程中，當溫度達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量級，這種變化導致熔體內產生了交換電流，該電流強化了對熔體的加熱作用，進而有效提高了其均質化的程度。與常規的直接熔融法不同，感應加熱法先將電磁能轉化為熱能，再將熱傳導給感應加熱體，使得與感應加熱體直接接觸的礦石被熔融。由于結合了中頻和高頻電路，這種加熱設備還具有熔融速度快，運轉費用低，容易自動化控制等優點。

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

成都點石玄武纖維技術有限公司[6]提出了生產玄武巖連續纖維的全電熔池窯（圖4）。

該設備以電為熔化熱源，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，玄武巖熔融液經過布置在熔化池下部的下料口排出，進入均化分配池，均化分配池布置在熔化池的下方，玄武巖熔融液被進一步加熱均化，沿4個方向進入輸送料道，均化分配池和輸送料道采用表面電加熱方式進行恒溫加熱。提高了熔化池單位面積熔化能力，實現了玄武巖連續纖維的池窯生產，同時也解決了部分地區玄武巖資源豐富品質高，但沒有燃氣條件的限制。

3.1.4 電氣結合加熱，電加熱達到輔助加熱熔化和保溫的效果

四川航天拓鑫玄武巖實業有限公司[7]提出用于生產玄武巖連續纖維的電氣結合熔化爐（圖5）。

該設備在爐腔底部設置第一燃燒器和第二燃燒器，在爐腔下方設置第一電加熱器和第二電加熱器，從而將爐腔內部對玄武巖溶液的電加熱和氣加熱結合起來。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，從而使爐腔內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，進而保證了玄武巖高溫溶液的品質，使CBF的生產更加穩定。

3.2 以提高熔體均質化程度為特點的專利技術

3.2.1 將熔融參數和設備結構相結合

Uerger G[8]等提出一種制造礦物纖維的方法，以及能夠實施該方法的加工裝置（圖6）。

使用該設備制造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，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品質量，輸送到喂給裝置的熔化物需滿足以下條件：在40～100K下，對溫度為1 050～1 480℃的熔體進行加工， 1 300℃、1 450℃下熔體的粘度值分別達到200～1 500dPa·s、30～160 dPa·s。同時，粘度值與表面張力之比介于10～100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（0.8～1.1）∶（2～6）。

3.2.2 在一個設備中并行實施熔化礦石、融體質量均勻化和纖維成形

玄武巖纖維復合材料科技發展有限公司[9]提出含雙喂料器礦石熔化爐結構的玄武巖纖維生產設備（圖7）。

與常規的CBF生產設備相比，該設備增加了加料器計量器、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、燃氣-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，保證熔融體在熔化爐喂料器中維持低水平的20～80mm，從而使熔融體被完全燒透，同時按非定型程度要求，在拉絲程序之前進行最后的均質化。此外，該熔化池門坎的設置使礦石熔化爐池、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構，并使玄武巖熔融體從熔化區流動到纖維成形區的熱損失降到最低。

3.2.3 設置熔化區將礦石熔化，設置澄清區進行熔融體調制

四川航天拓鑫玄武巖實業有限公司[10]提出一種CBF的生產裝置（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性、穩定性。

澄清區的寬度從熔化區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，以保證爐腔內加熱均勻。爐腔的底面沿水平面向右下傾斜角度α為1～2°，進一步改善高溫溶液在爐腔內的流動性。該裝置將玄武巖高溫溶液經熔化、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，使進入漏板的溶液溫度更加均勻，避免了析晶的產生，避免了高溫溶液對漏板的溫度沖擊，減少了漏板的溫差，生產作業更加穩定，降低生產成本，提高了產品質量。

3.3 以提高加熱效率、延長使用壽命為特點的專利技術 3.3.1 熔爐的加料漏斗與燃燒噴嘴復合使用

橫店集團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合裝置（圖9）。

傳統的玄武巖熔爐中，加料漏斗與燃燒噴嘴是單獨的裝置。加料漏斗向熔爐內送入原料，燃燒噴嘴將燃料、助燃氣噴到爐內燃燒，但這種設置方式存在爐頂蓋磚容易開裂、不在火焰中心區的玄武巖礦石熔化速率不高等問題。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，但不存在爆炸的風險，具有大的能量效率，同時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熔化池加料結構（圖11）。

該結構包括熔化池，進料口設置為長條形，有利于原料進入熔化池時分散布置，更利于熱量傳遞；燃氣燃燒器向料液流動方向傾斜5～30°，可以讓高溫高速煙氣吹在原料上強化加熱，還可將進入爐內的原料吹向前方，分散原料，利于原料的熔化。此外，這種改進還可以給熔化的料液一個向前的動力，促進料液的流動，利于新原料的熔化。

3.4 以預處理玄武巖石料、多手段改善熔體性質為特點的專利技術

3.4.1 預加熱玄武巖石料并使其玻璃熔體穩定化

Aslanova L G等[14]提出一種CBF的制造設備（圖12）。

利用該制造設備生產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行預熱，可去除礦石中的結晶水、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定化。隨后，熔體進入穩定化區，使其中的氣泡和泡沫被進一步逐出，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，進入喂入器的熔體被進一步均質化，并使其組成適于制造纖維；接下來進入熔體排料裝置，經喂入裝置送入噴絲頭，形成初級纖維，再經上油裝置和繞線筒得到纖維產品。

3.4.2 加料漏斗與燒嘴結合，頂蓋內設置旋流器、穩定器，熔化爐中設置工作平臺，調控燃氣與空氣的比例

武巖纖維復合材料科技發展有限公司[15]提出了連續CBF生產中礦石熔化和熔融體調制設備（圖13）。

在CBF生產中，礦石熔化工藝和熔融體質量均勻化工藝屬于關鍵工藝，其水平直接影響到CBF的品質。現有的礦石熔化工藝不能熔透玄武巖中的高溫雜質，且必需使整個熔化爐內的火焰空間保持較高溫度，能耗較大。該申請提出的設備將現有熔化爐的爐頂蓋加料漏斗與燒嘴結合成為特殊的燒嘴-加料器；在頂蓋燒嘴內設置了旋流器和穩定器的結構；熔化工作平臺設置在礦石熔化爐內，使熔融體的水平高度得以降低；同時采用燃氣空氣混合物調節器來調節燃氣與空氣的比例。此熔化工藝將礦石的熔化溫度提高到2 000℃，提高了纖維的品質，拓寬了原料種類，增加了纖維品種的數量。

3.4.3 燒嘴和進料管間隔布置，采用涵洞直接聯接熔化池、均化池和料道，大面積布置小功率燃燒器

成都點石玄武纖維技術有限公司[16]提出一種CBF池窯（圖14），可以實現CBF的規模化生產。

此設備由爐體、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，熔化池與均化池采用涵洞聯接，熔化池的溢流口連接均化池，加料口、燃燒器設置于熔化池上方，加料口與燃燒器燒嘴間隔設置，料道在均化池的一端或2端分別沿3個方向設置。此單臺設備可以供應12臺以上拉絲機同時作業，且玄武巖熔融液熔化充分，質量和流量供應穩定。

4 結語

盡管我國的CBF產業起步較晚，但在國家政策的鼓勵和持續推動下，一些國內重點企業和高校對CBF生產技術的研究正不斷取得新進展，同時，國內創新主體對研究成果的保護意識在逐年增強，因此，近年來國內與CBF生產相關的專利申請明顯多于國外。從技術內容來看，發現、解決新問題以及圍繞傳統問題提出新發明構思或解決手段的專利數量仍然有待提升。

目前，CBF的需求量仍在不斷增加，因此筆者建議，在關注設備結構改進的同時，需考慮如何有效提升設備容量，以持續提高CBF的生產能力，以利于科研成果向產業的順利轉化。

致謝：第二作者對本文的貢獻等同第一作者。

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