本發(fā)明涉及將礦物原料熔化以形成礦物熔體，從而制造人造玻璃質(zhì)纖維(mmvf)。

背景技術(shù)：

1、用于熔化礦物原料的旋風(fēng)爐在本領(lǐng)域中是已知的。這種爐通常以煤或焦炭為燃料。旋風(fēng)爐是(例如)在wo03/002469和wo2008/019780中描述的旋風(fēng)爐。

2、由于許多原因，優(yōu)選只使用氣體燃料而不是煤或多種類型燃料的混合物。天然氣的環(huán)境概況優(yōu)于煤炭。它可以更可持續(xù)地被供應(yīng)，例如作為沼氣供應(yīng)；使用其可以是二氧化碳中性的。使用天然氣也可能是有益的，因?yàn)樗阋?，至少部分原因是碳稅較低。使用氣體也對(duì)二氧化硫清潔的要求更少。

3、然而，在以氣體為燃料的旋風(fēng)爐的情況下，已發(fā)現(xiàn)所得的mmvf產(chǎn)品在經(jīng)受高溫時(shí)會(huì)因燒結(jié)而出現(xiàn)過(guò)度收縮。收縮會(huì)導(dǎo)致熱橋的形成，如果產(chǎn)品用于防火，這可能是至關(guān)重要的。一般來(lái)說(shuō)，低密度產(chǎn)品比高密度產(chǎn)品表現(xiàn)出更大的收縮率。

4、期望提供一種方法，利用該方法可以制造適合加工成mmvf的熔體，該方法使用旋風(fēng)爐提供熔體，但可以使用氣體燃料，而不會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品過(guò)度收縮的趨勢(shì)。即使在以煤為燃料的旋風(fēng)爐的情況下，也希望能夠制造具有減小的收縮趨勢(shì)的產(chǎn)品。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、上述問(wèn)題通過(guò)本發(fā)明的方法得到解決，該方法是一種制造人造玻璃質(zhì)纖維(mmvf)的方法，該人造玻璃質(zhì)纖維包含至少3重量％測(cè)定為fe2o3的氧化鐵，該方法包括：

2、提供旋風(fēng)爐，

3、提供礦物原料，所述礦物原料包括(a)包含金屬鋁的材料和(b)其他礦物成分，

4、向旋風(fēng)爐提供燃料和燃燒氣體，

5、將礦物原料在旋風(fēng)爐中熔化以形成礦物熔體，

6、并由熔體形成mmvf。

7、本發(fā)明基于以下認(rèn)識(shí)，即固結(jié)mmvf產(chǎn)品的收縮在很大程度上是由于feo:fe2o3的比率，即fe(ii):fe(iii)的比率。在現(xiàn)有技術(shù)的燃煤旋風(fēng)爐中，還原條件是由于煤、焦炭或其他含碳顆粒燃料而產(chǎn)生的。這產(chǎn)生了理想的fe(ii):fe(iii)比率，因此由來(lái)自燃煤旋風(fēng)爐的熔體制成的固結(jié)mmvf產(chǎn)品的收縮程度通常在可接受的范圍內(nèi)。

8、燃?xì)庑L(fēng)爐不具有與燃煤旋風(fēng)爐相同的還原條件。煤和焦炭以外的其他燃料類型可能會(huì)遇到同樣的問(wèn)題。

9、發(fā)明人認(rèn)識(shí)到，可以通過(guò)向礦物原料(礦料)中提供少量金屬鋁來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。金屬鋁與氧化鐵發(fā)生高度放熱反應(yīng)，從而還原fe(iii)，同時(shí)提供al2o3，這是mmvf化學(xué)的必要成分。

10、本發(fā)明中的金屬鋁源可以是包含45重量％金屬鋁至100重量％金屬鋁的材料，例如包含45重量％金屬鋁至99.5重量％或45重量％金屬鋁至99重量％金屬鋁的材料，或鋁渣。

11、鋁渣是來(lái)自鋁加工行業(yè)的顆粒狀廢料，主要包含(通常為50重量％至90重量％)al2o3，以及約0.5重量％至10重量％的金屬鋁。鋁渣可占總礦料的5重量％至30重量％，例如大約10重量％。

12、某些來(lái)源的鋁渣包括殘余氨。對(duì)于這些材料，優(yōu)選使鋁渣經(jīng)受高溫處理，例如最低800℃，以分解氨。更低的溫度將無(wú)法恰當(dāng)?shù)胤纸獍?，而是?huì)在廢氣流中產(chǎn)生氣態(tài)氨，而這通常將需要進(jìn)一步處理以去除氨。

13、為了去除氨，鋁渣可在環(huán)境溫度下被直接注入旋風(fēng)爐頂部。鋁渣因此立即經(jīng)受足夠高的溫度以完全分解任何殘留的氨。鋁渣可以與其他礦物成分預(yù)混合，但也可以直接自行注入爐。

14、去除氨的另一個(gè)可選的方法步驟是將鋁渣注入旋風(fēng)預(yù)熱器系統(tǒng)的最熱部分，由此它與已經(jīng)預(yù)熱的其他礦物組分混合。該可選步驟的熱效率更高。

15、在鋁渣不含氨或其氨含量在旋風(fēng)爐的位置不構(gòu)成問(wèn)題時(shí)，優(yōu)選將鋁渣與礦料的其他礦物組分預(yù)混合，并且將總礦料作為混合物供入旋風(fēng)爐。這具有確保由本發(fā)明產(chǎn)生的mmvf具有恒定組成的益處。

16、鋁渣包含0.5重量％至10重量％的金屬鋁、50重量％至90重量％的氧化鋁al2o3和0重量％至49.5重量％的其他材料。優(yōu)選地，鋁渣包含2重量％至6重量％的金屬鋁。其他材料可以包括sio2、mgo和fe2o3中的一種或多種。優(yōu)選地，鋁渣包括剛玉、尖晶石和莫來(lái)石的氧化物。

17、鋁渣可具有受控的粒度分布。例如，鋁渣可以具有這樣的粒度分布，使得按重量計(jì)90％的顆粒小于1mm，優(yōu)選地按重量計(jì)90％的顆粒小于200μm。鋁渣的平均粒度可以為10μm至100μm，例如20μm至30μm。

18、金屬鋁和氧化鋁(和其他成分)的含量以干基計(jì)，并可以使用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定。例如，可以通過(guò)將材料與強(qiáng)堿(如naoh)反應(yīng)來(lái)確定金屬鋁的含量?？梢杂舍尫诺臍錃饬縼?lái)確定金屬鋁的量。

19、鋁渣可優(yōu)選來(lái)源于鋁的二次開(kāi)采的廢產(chǎn)物。特別是，鋁鑄造工藝提供了一種特殊的富含氧化鋁的廢料，通常稱為“鋁渣”。鋁渣往往包含顯著比例的金屬鋁，因此對(duì)其進(jìn)行處理以回收金屬鋁。鋁渣通常經(jīng)過(guò)粉碎、研磨和篩分。這會(huì)產(chǎn)生一些用于再銷售的鋁和富含鋁的部分，這些部分會(huì)被送入爐進(jìn)行再利用。作為副產(chǎn)品，還生產(chǎn)富含氧化鋁的粉末。在本發(fā)明的方法中，該粉末可用作金屬鋁的來(lái)源。這種由處理鋁渣(壓碎的鋁渣)產(chǎn)生的富含氧化鋁的粉末可以含有例如1％至10％，優(yōu)選1％至8％的鹵素材料(按重量計(jì))。鹵素特別包括氟化物和氯化物。

20、富鋁部分，任選與其他含鋁廢料一起，在爐中重新熔化。所述爐可以是旋轉(zhuǎn)爐或窯。鋁廢料可經(jīng)受等離子體加熱?？梢允褂脗鹘y(tǒng)的爐。通常在爐中添加鹽以降低鋁的表面張力并減少氧化。該工藝產(chǎn)生用于轉(zhuǎn)售的鋁部分、更多的鋁渣和鹽渣材料。鹽渣可經(jīng)濕化學(xué)工藝(包括水洗和高溫處理)處理產(chǎn)生鹽部分(其再循環(huán)到爐中)以及進(jìn)一步的富含氧化鋁的粉末(其也可以用作本發(fā)明中的金屬鋁源)。與鋁渣處理(粉碎鋁渣)產(chǎn)生的富氧化鋁粉末相比，該產(chǎn)品的鹵素材料(如氟化物)含量往往更低。其鹵素含量(按重量計(jì))傾向于為0至5％，通常至少為0.5％或1％，優(yōu)選不超過(guò)3％。

21、作為鋁渣的替代物，包含45重量％至100重量％金屬al的材料可用作金屬al源。合適的材料是鋁粒和一個(gè)或多個(gè)金屬鋁的塊體。

22、塊體可以采取任何合適的形式，例如棒狀、條狀、團(tuán)狀或其他形狀。塊體可包含45重量％至100重量％的金屬鋁。棒狀或其他塊體形狀的金屬鋁可直接插入爐中的礦物熔體中。這種方法避免了金屬鋁在與礦物熔池混合之前過(guò)度或過(guò)早氧化，從而提高了工藝效率。

23、在這種情況下，鋁粒(al粒)通常需要一組確實(shí)與鋁渣不同的工藝條件。鋁粒中金屬鋁的比例通常遠(yuǎn)高于鋁渣。在鋁渣中，金屬al被更大比例的其他成分(如al2o3)保護(hù)免受氧化。此外，鋁渣占總礦料的重量百分比部分太高，無(wú)法證明將其直接添加到熔池中是合理的：它的熱效率將很低。另一方面，作為總礦料的一部分所需的鋁粒的量要低得多，以金屬鋁計(jì)，鋁粒為總礦料的約0.2重量％，例如占總礦料的0.1重量％至0.5重量％，例如總礦料的0.2重量％至0.4重量％。

24、因此，為避免金屬鋁成分的過(guò)早氧化，將鋁粒直接添加到旋風(fēng)爐中的熔池中，或直接在所述熔池上方。這可以被描述為直接注入。優(yōu)選地，鋁粒通過(guò)燃燒器或噴槍添加。優(yōu)選地，使用具有用于運(yùn)輸鋁粒的中心管的氧燃料燃燒器。

25、鋁粒可以優(yōu)選添加到熔池表面上方(例如熔池表面50cm以內(nèi)的位點(diǎn)處)，優(yōu)選30cm。

26、作為僅包含鋁粒的原料成分，可以單獨(dú)添加鋁粒?；蛘?，它可以與填料預(yù)混合，并將鋁粒和填料的混合物作為混合原料組分添加到爐中。合適的填料包括可以作為附加原料使用的各種原料。例如，鋁?？梢栽谧⑷胄L(fēng)爐之前與過(guò)濾的細(xì)粉(即從工藝的排氣過(guò)濾器中提取的細(xì)顆粒原料)混合。在與填料的混合物中，鋁粒的合適百分比為1％至90％，例如10％至70％，例如15％至50％。使用鋁粒和其他原料的混合物可以改善工藝中金屬鋁的劑量控制。

27、由于熔體和金屬鋁的密度相似，鋁粒與熔體很好地混合。

28、此外，鋁粒是比鋁渣更純的材料并且(例如)沒(méi)有去除氨的顧慮。

29、鋁粒的粒徑(平均粒徑，其中粒徑采用顆粒的最大尺寸，無(wú)論該顆粒是否為球形)可以不大于15mm，例如小于10mm，例如小于5mm。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，鋁粒的粒徑(平均粒徑，其中粒徑采用顆粒的最大尺寸，無(wú)論該顆粒是否為球形)可以不大于3mm，例如小于2mm，例如小于1mm。

30、顆粒礦物材料和礦物熔體在旋風(fēng)爐中的停留時(shí)間低于其他類型的礦物熔爐，因此快速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)在該方法中很重要。

31、在優(yōu)選實(shí)施方案中，mmvf具有以下元素含量，以氧化物的重量％計(jì)：

32、sio2：至少30、32、35或37；不超過(guò)51、48、45或43

33、cao：至少8或10；不超過(guò)30、25或20

34、mgo：至少2或5；不超過(guò)25、20或15

35、feo(包括fe2o3)：至少4或5；不超過(guò)15、12或10

36、feo+mgo：至少10、12或15；不超過(guò)30、25或20

37、na2o+k2o：0或至少1；不超過(guò)10

38、cao+na2o+k2o：至少10或15；不超過(guò)30或25

39、tio2：0或至少1；不超過(guò)6、4或2

40、tio2+feo：至少4或6；不超過(guò)18或12

41、b2o3：0或至少為1；不超過(guò)5或3

42、p2o5：0或至少為1；不超過(guò)8或5

43、其他：0或至少1；不超過(guò)8或5。

44、纖維優(yōu)選具有高于800℃，更優(yōu)選高于1000℃的燒結(jié)溫度。

45、通過(guò)本發(fā)明的方法制備的mmvf優(yōu)選具有如下組成，以重量％計(jì)：

46、sio2?35至50

47、al2o3?12至30

48、tio2?高達(dá)2

49、fe2o3?3至12

50、cao?5至30

51、mgo?高達(dá)15

52、na2o?0至15

53、k2o?0至15

54、p2o5?高達(dá)3

55、mno?高達(dá)3

56、b2o3高達(dá)3。

57、mmvf的另一種優(yōu)選組成如下，以重量％計(jì)：

58、sio2?39％至55％、優(yōu)選39％至52％，

59、al2o3?16％至27％、優(yōu)選16％至26％，

60、cao?6％至20％、優(yōu)選8％至18％，

61、mgo?1％至5％、優(yōu)選1％至4.9％，

62、na2o?0％至15％、優(yōu)選2％至12％，

63、k2o?0％至15％、優(yōu)選2％至12％，

64、r2o(na2o+k2o)10％至14.7％、優(yōu)選10％至13.5％，

65、p2o5?0％至3％、優(yōu)選0％至2％，

66、fe2o3(鐵合計(jì))3％至15％、優(yōu)選3.2％至8％，

67、b2o3?0％至2％、優(yōu)選0％至1％，

68、tio2?0％至2％、優(yōu)選0.4％至1％，

69、其他0％至2.0％。

70、sio2的優(yōu)選范圍是39％至44％，特別是40％至43％。cao的優(yōu)選范圍是9.5％至20％，特別是10％至18％。

71、al2o3含量?jī)?yōu)選在16％和27％之間，優(yōu)選大于17％和/或優(yōu)選小于25％，sio2和al2o3的總和優(yōu)選在57％和75％之間，優(yōu)選大于60％和/或優(yōu)選小于72％。該纖維組合物中堿金屬(鈉和鉀)氧化物(r2o)的量?jī)?yōu)選相對(duì)較高，但限于10％至14.7％，優(yōu)選10％至13.5％，其中氧化鎂的量至少為1％。

72、優(yōu)選地，以重量計(jì)，al2o3的含量為17％至25％，特別是20％至25％，特別是21％至24.5％，尤其是約22％至23％或24％。有利地，氧化鎂含量為至少1.5％、特別是2％、優(yōu)選2％至5％、特別優(yōu)選>2.5％或3％。

73、以重量計(jì)，在al2o3的含量至少為22％的情況下，氧化鎂的量?jī)?yōu)選為至少1％，有利地約1％至4％，優(yōu)選1％至2％，特別是1.2％至1.6％。為了保持足夠低的液線溫度，al2o3的含量?jī)?yōu)選限制在25％。當(dāng)al2o3的含量為(例如)約17％至22％的較低量時(shí)，氧化鎂的量?jī)?yōu)選為至少2％，尤其是約2％至5％。

74、fe和mg的氧化物的總量對(duì)于控制mmvf絕緣的收縮很重要。此外，fe(ii):fe(iii)的比率會(huì)影響mmvf在火災(zāi)情況下的絕緣性能，其中fe(ii)氧化為fe(iii)是有利的過(guò)程。

75、有利地，纖維的fe(ii):fe(iii)的比率高于2，例如高于3?；谌垠w中的總fe量，在mmvf中的fe(3+)的比例在纖維化步驟之前通常小于5％，優(yōu)選小于3％。這有助于防止收縮。

76、fe(2+)和fe(3+)的量可以使用“the?ferric/ferrous?ratio?in?basalt?meltsat?different?oxygen?pressures”(helgason等人，hyperfine?interact.,45(1989)，第287至294頁(yè))中描述的方法測(cè)定。

77、基于熔體或纖維中的總氧化物，整個(gè)熔體或纖維組合物中的總鐵量以fe2o3計(jì)算。這是引用此類mmvf、裝料或熔體中存在的鐵量的標(biāo)準(zhǔn)方法。存在的feo和fe2o3的實(shí)際重量百分比將根據(jù)熔體的氧化鐵比例和/或氧化還原狀態(tài)而變化。舉個(gè)例子：

78、

79、

80、表1

81、因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解存在的氧化鐵的實(shí)際重量百分比將取決于fe(2+)與fe(3+)的比率。

82、可以采用任何合適的方法從礦物熔體形成mmvf。特別地，可以使用外部離心(級(jí)聯(lián)噴絲頭)或內(nèi)部離心(紡杯)。

83、在本發(fā)明的方法中，可以使用任何合適的燃料，例如甲烷、丙烷、其他氣體燃料、油、煤以及其他液體和固體顆粒燃料。優(yōu)選使用氣體燃料。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，使用沼氣以減少該工藝對(duì)環(huán)境的影響。

84、在該方法中，燃燒氣體包含氧氣以完成燃料的燃燒。燃燒氣體可以是具有其天然組成的空氣、純氧或富氧空氣。