專利名稱：用于生產(chǎn)礦物纖維的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)礦物纖維的方法以及能夠在這一方法中使用 的設備。
背景技術：
常規(guī)的生產(chǎn)礦棉的方法是往熔爐中裝填礦物材料的混合物，并熔 融這些材料以形成礦物熔體，礦物熔體隨后轉變成纖維。一種特殊類型的方法涉及對熔爐中裝料的熔融，通常由于所使用 的燃料的類型，特別是焦炭，熔爐具有還原氣氛。沖天爐就是個例子。在這種方法中，大量的固體礦物材料和燃料(通常是焦炭)是通 過熔爐的頂部引入到熔爐中。燃料在熔融區(qū)域燃燒，從而產(chǎn)生用于熔 融礦物材料的熱量。通過由設在熔融區(qū)域中的入口 (通常稱作鼓風口 ) 輸入助燃空氣，可輔助燃料的燃燒。盡管通過鼓風口添加空氣，但還 是產(chǎn)生壓倒性的還原氣氛，這意味著裝填材料中的氧化鐵被還原并產(chǎn) 生了熔融鐵。熔融鐵聚集在熔爐的底部。在熔融鐵之上但在熔融區(qū)域 之下有礦物熔體的熔池。從熔爐中移走礦物熔體并送給纖維形成設備。因為裝填料是連續(xù)地喂入到熔爐中的，所以連續(xù)地產(chǎn)生熔融鐵， 必須定期將熔融鐵從熔爐移走。這是通過"出渣"完成的，所迷"出 渣"涉及在熔爐底部開一開口，熔融鐵通過所述開口從熔爐中移走。在傳統(tǒng)的方法中，鐵必須按規(guī)定的時間間隔進行出渣，所述時間間隔由一些工藝參數(shù)決定，例如熔爐內壓力的升高；或適宜地在生產(chǎn)計 劃中的一定時間出渣，例如在產(chǎn)品變換時。盡管能夠在熔爐被使用的 時候執(zhí)行出渣，但是還是希望在盡可能長的時間間隔執(zhí)行出渣，以便 使工藝中的方便性最大。對必須要出渣的條件(例如壓力的升高)進 行監(jiān)測，并在需要的時候執(zhí)行出渣。最初，標準的沖天爐可以每15-20個小時進行一次出渣。然而， 一段時間后沖天爐就會出現(xiàn)問題，從而有必要以不斷縮短的間隔將熔 融牽失出纟查。這個問題與材料在底部區(qū)域中的凝固有關。底部區(qū)域已經(jīng)凝固的 材料不能通過出渣被移走。這意味著出渣沒有達到完全理想的效果， 因為只有少量的熔融鐵被移走。而且，材料會凝固在通常用于出渣的 孔上。這意味著操作者必須在凝固材料中進行開道疏導，以疏通熔融 鐵。這樣特別不方便，而且還費時間。在某些情況下，出渣之間的間隔可以在僅僅幾天的進程中從最初 的15 - 20個小時的間隔降低到僅2個小時的間隔。這對于操作者來說 顯然是不方便的。 一旦凝固材料的高度已經(jīng)增加到必須大約每4小時 出渣的程度，就必須完全移走凝固的材料。這只有通過完全停止生產(chǎn)、 人力地移除熔爐的底部以移走凝固的材料并在重新開始生產(chǎn)前更換底 部來完成。雖然在間歇的完全停產(chǎn)并移走凝固材料的情況下以不斷縮短的間 隔出渣的技術方案是不便利的，但是多年來這一直是解決上述問題的 標準方法。美國專利4，822，388討論了被稱為沖天爐爐底區(qū)域"硅質堆積"的 問題，并認可了去除爐底以消除堆積的傳統(tǒng)技術方案。這篇專利文獻 的目的是通過往沖天爐中加入諸如氟化物的化學添加劑來減少凝固材 料的堆積。更具體的，使用氟含量非常高的材料，例如一直是在生產(chǎn) 鋁時使用的襯里，通常被稱為"廢槽村"(spent potlining)，而不是使 用普通的燃料。氟據(jù)說能通過降低熔體的粘度從而降低其凝固趨勢來 減少堆積。這個解決方案需要把沖天爐所使用的燃料改變?yōu)樘貏e是很難獲得 的氟含量高的燃料。燃燒這種燃料的主要缺陷在于產(chǎn)生了對環(huán)境有害 的氣體，該有害的氣體需要進一步處理才能被釋放到大氣中。這樣費 用就很高而且很不便利。因此，仍然需要以成本有效和便利的方式來解決礦物纖維生產(chǎn)過程中出渣時間間隔縮短的問題。 發(fā)明內容根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供了一種生產(chǎn)礦物纖維的方法，其包括提供熔爐；向熔爐中裝填包含氧化鐵的礦物材料；在還原氣氛中熔化裝填的礦物材料，以使熔爐中有一熔融鐵聚集 的底部區(qū)域和在底部區(qū)域上方的礦物熔體聚集的熔池；從熔爐中移走礦物熔體并將礦物熔體轉變?yōu)榈V物纖維；以及 從底部區(qū)域去除熔融鐵；其特征在于，在生產(chǎn)過程中，添加劑被直接釋放到熔爐的底部區(qū) 域，其中，添加劑包括選自氧化劑和非還原氣體的一種或多種物質。根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供了用于由包含氧化鐵的礦物材料 來生產(chǎn)礦物纖維的設備，該設備包括包括頂部、中部和底部的熔爐，其中頂部包括礦物材料進口 ，中部包括礦物熔體出口，和底部包括出渣口和注入裝置，熔融鐵通過出渣口能被移走，添加 劑通過注入裝置能^^注入；以及纖維化裝置，其設置成與礦物熔體出口流體連通，并且能夠將礦 物熔體轉變成礦物纖維。已發(fā)現(xiàn)，把這種添加劑直接提供到底部區(qū)域中可以顯著減少出渣 時間間隔縮短的問題。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，底部區(qū)域材料的凝固大大減少，甚 至基本消除。這意味著，熔爐能連續(xù)運行的時間不再受出渣間隔的限 制。出渣間隔可以基本保持在初始的速率，即每15至20小時出渣。 這對于現(xiàn)有技術是一個巨大的改進，而且可以在不改變燃料成分或裝 填材料的情況下就能實現(xiàn)。向底部區(qū)域供應添加劑的效果被注意到，特別是當裝填料的硅含量高時，和/或當條件是與底部區(qū)域中熔融鐵結合的硅金屬量相對較高 時。氧化劑可以是任何物理形式固體、液體或氣體。在優(yōu)選實施例 中，添加劑材料包括氣體氧化劑。例如氧和臭氧，氧的形式比如空氣 或純氧。因而，在這種情況下，添加劑包括單一的物質(氧氣)，其既 是氧化劑又是非還原氣體。令人驚訝的是，氧化劑和/或非還原氣體的注入能對出渣間隔有這 樣的影響，尤其是在熔爐中壓倒性氣氛是還原性的并且添加劑被認為 是不影響所產(chǎn)生熔融鐵總量的情況時。本發(fā)明涉及對生產(chǎn)礦物纖維的常規(guī)方法和設備進行的改進。本發(fā)明適用于使用具有還原氣氛的熔爐的任何方法，因為正是還 原氣氛將氧化鐵還原成必須被出渣的熔融鐵。本發(fā)明解決了在這種系 統(tǒng)中已經(jīng)被注意到的在使用過程中出渣間隔縮短的問題。在熔化過程中形成還原氣氛的任何熔爐都可以使用。 一般來說， 還原氣氛的產(chǎn)生是熔爐中所使用燃料類型(例如焦炭)的結果。 一個 例子是沖天爐。另一個例子是鼓風爐。礦物材料以常規(guī)的方式裝填到熔爐中。礦物材料通常與諸如焦炭 的燃料混合。當原料包括氧化鐵時，出現(xiàn)了與出渣間隔時間縮短相關 的問題。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當在生產(chǎn)過程中相對較高比例的二氧化硅被還原成熔 融硅時，特別是當聚集在底部區(qū)域的總的熔融材料中超過4%或5%、 尤其是約6%的熔融材料為硅時，出渣時間間隔縮短的問題就特別明 顯。因此，當裝填的材料包括氧化硅(通常稱為硅石)時，本發(fā)明特 別有效。其它氧化物特別是磷的氧化物的還原也與出渣時間間隔縮短的問 題有關。當?shù)V物熔體具有如下成分時(以氧化物的重量比計)，也注意到特 定的問題Si02 32~48%,優(yōu)選33~43%A120310 --30%,優(yōu)選16~24%CaO10~30%， CaO+MgO優(yōu)選23 ~ 33%MgO2--20%FeO2'-15%,優(yōu)選3~9%Na20+K200--12%,優(yōu)選1~8%Ti020~6%，優(yōu)選0~3%其它成分0~15%特別是，Ah03含量優(yōu)選至少16%。這些纖維是在使用中具有特 別好的生物可降解性以及良好耐用性的類型。據(jù)認為特別高含量的氧 化鋁促成了出渣時間間隔縮短的傾向。當?shù)V物裝填料包括硅和/或硅化合物(包括硅石和其它硅化合物) 時，本發(fā)明特別有價值。在熔爐中，燃料燃燒且裝填的原料熔化，這些與傳統(tǒng)的一樣。一 些存在的氧化鐵被還原成熔融鐵，熔融鐵聚集在熔爐的底部。熔融鐵所聚集的熔爐底部區(qū)域被稱為"底部區(qū)域"。聚集到底部區(qū) 域的材料主要是鐵，因為它是很容易被還原的，盡管如上所述，其它 氧化物可能已被還原并與鐵一起聚集到這個區(qū)域中。特別是，底部區(qū) 域的材料通常包括至少70%或80%的鐵(以重量計)。它也可以包括 硅，通常小于10% (以重量計)，且硅的含量至少是1%或2%,例如 約6%。它還可以包括磷和碳，通常總量不到10%(以重量計)。磷和 碳各自含量至少為0.5%,例如各為2%或3%。通常，磷和碳各自的 量不超過5%。大多數(shù)裝填的礦物材料被熔化而沒有被還原，并形成被稱為礦物 熔體的熔融礦物材料混合物。礦物熔體的密度比熔融鐵低，所以它浮 在底部區(qū)域上方的熔池中。礦物熔體從熔爐中被移走，并被喂入纖維化裝置中，在纖維化裝 置中轉變成礦物纖維。用于把礦物熔體制成礦棉纖維的設備是眾所周知的，其包括通常水平或豎直布置的離心器(轉子)。熔體被倒到離心 器上，由于離心力，熔體從離心器上作為纖維被甩出。優(yōu)選使用一系 列的轉子。適用于用礦物熔體形成礦物纖維的方法和設備都是眾所周 知的。在一種已知類型的系統(tǒng)中，通過把礦物熔體澆注到被安裝成繞水 平軸線旋轉的一個或多個轉子的外表面上來形成纖維。 一般有兩個或 兩個以上的轉子，澆到第一轉子上的熔體被部分地作為纖維甩出第一 轉子并被部分地甩到下一個轉子上，然后熔體又從該下一個轉子被部 分地作為更多纖維甩出并被部分地甩到第三個轉子上，等等。最常見 的有三個轉子，或更特別的是有四個轉子。這種系統(tǒng)被稱為級聯(lián)離心 器。設備的替代形式包括被安裝成繞豎直軸線旋轉的轉子，例如離心杯。熔融鐵在通常被稱為出渣的工藝中通常以一定間隔從熔爐中移 走。通常在熔爐底部有一通道，所述通道能夠被打開以允許熔融鐵流 走。熔融鐵被收集，然后可在其它工藝中被使用。本發(fā)明基本上涉及將添加劑釋放到底部區(qū)域中，所述添加劑包括 選自氧化劑和非還原氣體中的至少 一種物質。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)將這些添加劑 引入到底部區(qū)域中大大減少或甚至消除了在常規(guī)系統(tǒng)中出現(xiàn)的出渣時 間間隔縮短?，F(xiàn)在據(jù)信，引入底部區(qū)域有兩個主要的效果。在所有情況下，注 入底部區(qū)域引起熔融鐵的紊流，并能產(chǎn)生用于攪動熔融鐵的流動。以 這種方式，底部區(qū)域中材料的熱量分布更為均勻，從而降低材料凝固 的趨勢。當添加劑是氣體時，這特別有效。引入添加劑還有助于使存在于熔融鐵中的雜質上升到礦物熔體 中。這趨于降低熔融鐵凝固的趨勢，因為它去除了固體顆粒(鐵會圍 繞固體顆粒周圍沉淀)。它還可以降低底部區(qū)域中材料的熔點。在添加劑包括氧化劑的情況下，它優(yōu)先與鐵中的雜質(例如硅) 發(fā)生反應。硅生成二氧化硅的反應被認為是特別重要的。然后，產(chǎn)生的氧化物從熔融鐵中出來上升到礦物熔體中。任何存在于底部區(qū)域中的碳都可被氧化劑氧化成一氧化碳或二氧 化碳。這是放熱反應。除了熱量以外，反應還產(chǎn)生引起紊流的氣體。 這兩種效果都起到減少熔融鐵凝固趨勢的作用。添加劑包括選自由氧化劑和非還原氣體構成的組中的至少一種物 質。因此，添加劑可包括一種或多種氧化劑，或一種或多種非還原氣 體，或一種或多種氧化劑與一種或多種非還原氣體的組合。在本文中，"氧化劑，，是指能夠氧化通常在底部區(qū)域被發(fā)現(xiàn)與熔融 鐵在一起的化合物(例如硅、磷和碳)的任何材料。添加劑可以是固體、液體或氣體。適合的液體包括甘油和糖，它 們是本發(fā)明上下文中的氧化劑。糖也可以以固體形式被使用。添加劑優(yōu)選包括氧化劑。它可以包括非氣態(tài)氧化劑，例如FeO或 CaC03(都是固體)，但優(yōu)選是氧化氣體，例如氧氣或臭氧。替代地或附加的，可以使用非還原氣體。 一些氣體氧化劑也是非 還原氣體。但是，可以使用其它非氧化氣體，例如氮氣和氬氣。作為混合物的添加劑的一個例子是空氣，它包括氧化氣體(氧 氣)，其也是非還原氣體；和另外的非還原氣體，包括氮氣。注入率取決于裝填礦物的成分，但對于空氣注入來說一般為每小 時10kg至50kg。注入純氧時，注入率優(yōu)選為2 10公斤/小時。氣體優(yōu)選被加壓，例如0.5 ~ 8巴表壓，優(yōu)選約2巴表壓，其中"巴 表壓"是絕對壓力減去大氣壓(約是1個大氣壓)，也就是說，它是指 氣體從標準大氣壓起被加壓程度的度量。使用巴表壓是因為在生產(chǎn)過 程中它很容易被確定，因為它可以直接從壓力表讀取。替代地，可以 使用更低的壓力，例如0.2~0.3巴表壓，這足以實現(xiàn)所需結果。在本發(fā)明中，添加劑直接釋放到熔爐的底部區(qū)域。也就是，添加 劑以這樣一種方式被引入當它處于活性形式時，它首先與底部區(qū)域 中的熔融材料作用，而不是預先以活性形式與熔爐其它區(qū)域中的氣氛 或熔爐中的其它材料作用。為了實現(xiàn)這一目的，優(yōu)選把添加劑直接注入底部區(qū)域，所以根本不會通過熔爐的任何其它區(qū)域。這將在下文進行討論。當添加劑是非 還原氣體時，通常是直接注入底部區(qū)域。當添加劑是非氣態(tài)氧化劑時，在優(yōu)選實施例中，它也是直接注入 底部區(qū)域。這意味著它可以以活性形式被使用，而不需要保護成免受 熔爐其它區(qū)域的氣氛影響?；钚孕问绞侵柑砑觿┠軌蜃鳛檠趸瘎﹣硌?化底部區(qū)域中的雜質(例如硅、磷或碳)的形式。但是，在替代實施例中，作為固體氧化劑的添加劑以這樣一種形 式提供，即，它能夠被引入到熔爐中某個位置而不是直接引入到底部 區(qū)域，而是當它經(jīng)過其它區(qū)域時要進行保護，并且只有當它到達底部 區(qū)域時才以活性形式釋放。例如，添加劑可以包括封裝物質，它能夠 例如以封裝形式通過熔爐頂部并向下穿過熔爐的方式被引入。該封裝 材料是這樣的，當它接觸底部區(qū)域中的熔融材料時，它允許封裝物質 被釋放。替代的，添加劑可以以化學非活性形式(不能夠在底部區(qū)域起到 氧化劑作用的形式)引入到底部區(qū)域之外的區(qū)域。然后，該非活性形 式的添加劑將在熔爐中反應，使得當它到達底部區(qū)域時它是活性形式 的，并可以作為氧化劑來氧化鐵中的雜質，例如硅、磷或碳。在本發(fā)明中重要的是，添加劑(當它可作為添加劑時，即當它處 于活性形式時)被直接釋放到底部區(qū)域中。因此，添加劑在接觸到底 部區(qū)域中的熔融材料之前不與其它區(qū)域中的材料實質接觸，并且優(yōu)選 根本不與其它區(qū)域中的材料發(fā)生任何接觸。我們認為，如果添加劑注入到其它區(qū)域中，例如與裝填的礦物材料一起注入，使得它形成裝填 料的一部分并與熔爐頂部和中部中的氣氛接觸，那么對解決出渣時間 間隔縮短的問題不是有效的。添加劑可以通過爐壁相關部分中的任何合適的開口被直接注入到 底部區(qū)域。例如，可以在熔爐底部設置管道，通過所述管道可注入氣 態(tài)或固態(tài)添加劑。在使用管道的情況下，可以使用帶噴嘴的或不帶噴 嘴的。在生產(chǎn)過程中通常需要連續(xù)地注入添加劑，以確保注入口不會被熔融鐵堵塞住。在優(yōu)選的實施例中，是使用塞子來注入添加劑。塞子優(yōu)選由諸如 陶瓷的耐熱材料制成，并可以有多個貫穿塞子的通道。例如，塞子被 布置成具有上端和下端，上端被定位在底部區(qū)域內，下端被定位在熔 爐底部外。 一個或多個通道從下端延伸到上端。例如，可以有兩個或 三個或甚至更多的通道。下端可以連接到與通道連通的入口導管上， 以便能驅使材料通過入口導管，并進入和通過通道。塞子整體可以是多孔的，而不是具有一個或多個通道。當添加劑 是氣態(tài)時，這將特別有價值。添加劑通常在至少1.5巴表壓、優(yōu)選大約2~3巴表壓的壓力下通 過塞子。適用在本發(fā)明中的多孔塞子在冶金加工領域是眾所周知的。適用 在本發(fā)明中的塞子的例子在US5437435和US5312092中給出。優(yōu)選地，塞子的形狀是截頭圓錐體的，并被定位成使得直徑較小 的一端朝向爐內。 一般，熔爐的底部村有耐火磚，塞子裝置被定位成 穿過該內襯。優(yōu)選地，磚與塞子表面齊平。因此，它們可以與側表面 (在截頭圓錐體塞子的情況下是傾斜面)或下端齊平，或與兩者都齊 平。它們可以是與爐襯磚相同的磚(例如礬土或硅石)，或可以是用其 它材料制成的，例如碳化硅。如果由于添加劑穿過的作用而造成塞子磨損，可以更換塞子。


圖1是適用于本發(fā)明的設備的圖。下面參考附圖介紹本發(fā)明的優(yōu) 選實施例。
具體實施方式
該設備包括熔爐1，原料2和燃料3被裝填于熔爐內。燃料在熔 爐內燃燒，原料熔融并混合在一起形成礦物熔體4。原料中的氧化鐵 被還原成熔融鐵5并聚集到熔爐1的底部區(qū)域6。通過出口 7將礦物熔體從熔爐中移走，并輸送到用于形成礦物纖 維的纖維化設備(未示出)。助燃空氣是由助燃空氣系統(tǒng)8供給，并通過鼓風口 9輸送到熔爐 的熔化區(qū)域。鼓風口 9設置在礦物熔池之上，并提供空氣以輔助燃料 的燃燒。熔爐包括出渣口 10，液態(tài)鐵混合物通過出渣口 IO被移走。 多孔塞ll設在熔爐底部區(qū)域，通過所述多孔塞注入空氣。通過管 道12提供空氣。壓力表13和14用于測量空氣的壓力。恒流量閥15 連同流量測量系統(tǒng)16—起提供以調節(jié)空氣的流量，或調節(jié)可替代空氣 使用的另 一添加劑的流量。
權利要求
1、一種生產(chǎn)礦物纖維的方法，其包括提供熔爐；向熔爐中裝填包括氧化鐵的礦物材料；在還原氣氛中熔融裝填的礦物材料，以使熔爐中有一熔融鐵聚集的底部區(qū)域和礦物熔體聚集的在底部區(qū)域上方的熔池；從熔爐中移走礦物熔體并將其轉變?yōu)榈V物纖維；以及從底部區(qū)域去除熔融鐵；其特征在于，在生產(chǎn)過程中，將添加劑直接釋放到熔爐的底部區(qū)域，其中，該添加劑包括選自于氧化劑和非還原氣體的一種或多種物質。
2、 如權利要求l所述的方法，其中，添加劑包括氧化劑。
3、 如權利要求1或2所述的方法，其中，添加劑包括空氣或純氧。
4、 如前述權利要求中的任一項所述的方法，其中，添加劑直接注 入到熔爐的底部區(qū)域中。
5、 如權利要求4所述的方法，其中，添加劑通過多孔塞子注入。
6、 如權利要求5所述的方法，其中，多孔塞子是陶資的，并且在 0.2 ~ 0.3巴表壓的壓力下通過多孔塞子注入添加劑。
7、 如前述權利要求中的任一項所述的方法，其中，添加劑是非還 原氣體。
8、 如權利要求1或2所述的方法，其中，添加劑包括液體形式的 物質。
9、 如權利要求8所述的方法，其中，添加劑包括液態(tài)或溶液形式 的甘油或糖。
10、 如權利要求1或2所述的方法，其中，添加劑包括固態(tài)物質。
11、 如權利要求10所述的方法，其中，添加劑是固態(tài)的FeO或糖。
12、 如前述權利要求中的任一項所述的方法，其中，裝填到熔爐中的礦物材料包括選自于硅石、其它硅化合物和硅的材料。
13、如前述權利要求中的任一項所述的方法，其中，礦物熔體具 有如下成分，以氧化物的重量比計Si0233'~ 43%A120316' - 24%CaO+MgO23~ 33%FeO3--9%Na20+K201 ~8%Ti020~3%其它成分0~15%。
14、 一種用于由包括氧化鐵的礦物材料生產(chǎn)礦物纖維的設備，其 包括包括頂部、中部和底部的熔爐，其中， 頂部包括礦物材料進口 ， 中部包括礦物熔體出口，和底部包括出渣口和注入裝置，熔融鐵通過出渣口能被移走，添加 劑通過注入裝置能被注入；以及纖維化裝置，其被安置成與礦物熔體出口流體連通，并且能夠將 礦物熔體轉變成礦物纖維。
15、 如權利要求14所述的設備，其中，注入裝置包括塞子，所述 塞子定位在爐壁中，以便在熔爐底部和熔爐外部之間提供連通。
16、 如權利要求15所述的設備，其中，塞子是多孔的，或者塞子 具有多個通道，以便能夠將添加劑材料從設在熔爐外的下端移到設在 熔爐底部內的上端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)礦物纖維的方法以及能用于該方法中的設備。特別是，本發(fā)明的方法包括提供熔爐；向熔爐中裝填包括氧化鐵的礦物材料；在還原氣氛中熔融裝填的礦物材料，以使熔爐中有一聚集熔融鐵的底部區(qū)域和礦物熔體聚集的在底部區(qū)域上方的熔池；從爐中移走礦物熔體并將其轉變?yōu)榈V物纖維；以及從底部區(qū)域去除熔融鐵；其特征在于，在生產(chǎn)過程中，將添加劑直接釋放到熔爐的底部區(qū)域，其中，添加劑包括選自氧化劑和非還原氣體的一種或多種物質。
文檔編號C03B5/00GK101616873SQ200780045592
公開日2009年12月30日 申請日期2007年10月25日 優(yōu)先權日2006年11月2日
發(fā)明者L·M·延森 申請人:羅克伍爾國際公司