專利名稱：用火焰熔融法制備凝顆粒的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制備至少部分熔凝的，基本上是玻璃態(tài)的粒子產(chǎn)品的改進(jìn)的火焰熔融方法。本發(fā)明較好的實(shí)施方案包括通過以經(jīng)濟(jì)可行的生產(chǎn)速度將原料顆粒至少部分直接熔融來制備基本上為橢球體的顆粒，并同時(shí)控制由聚集的原料顆粒形成不需要的大產(chǎn)品顆粒。
結(jié)合參考文獻(xiàn)本發(fā)明發(fā)明者的美國專利申請No.08/231,937(1994年4月25日提交)；08/451,179(1995年5月31日提交)和08/526,773(1995年9月21日提交)，每篇題目均為“包括熔凝顆粒的組合物及其制備方法”(COMPOSITIONSCOMPRISING FUSED PARTICULATES AND METHODS MAKING THEM)的附圖、說明和權(quán)利要求中，與本文沒有直接矛盾的內(nèi)容，在此加以引用參考。
背景技術(shù)：
在控制條件下熔化或軟化小的原料顆粒來制備大致為橢球體的顆粒產(chǎn)品的技術(shù)是眾所周知的。例子包括霧化、燃燒拋光和直接熔融。
霧化包括熔化大量原料顆粒以使它們轉(zhuǎn)變成液體玻璃連續(xù)體。這種玻璃細(xì)流通過與產(chǎn)生離散作用的空氣射流接觸來霧化。該射流將細(xì)流分成細(xì)小液滴。液滴保持相互分開，且與其它物體分開直至它們被冷卻固化。然后它們可作為基本上分散的、大體為橢球形的玻璃態(tài)非晶形顆粒來回收。
在燃燒拋光中，將分散的不規(guī)則形狀玻璃態(tài)固體原料顆粒加熱至軟化或熔化狀態(tài)，并分散懸浮在熱氣態(tài)介質(zhì)中。表面張力使顆粒形成橢球體形狀。使顆粒懸浮在較冷的氣體中直至達(dá)到它們的凝固溫度，并以固體(通常是分散的玻璃態(tài)橢球體)形式回收顆粒。
玻璃的霧化和燃燒拋光可稱為間接法。它們的原材料是從生產(chǎn)玻璃的原料配制，而后者在形成橢球體前熔化并均化成液態(tài)連續(xù)體形式。結(jié)果，在間接方法中，制玻璃的原材料的各種化學(xué)物質(zhì)被融合成一種平均組合物，而該組合物均勻存在于制成的各橢球形中。
直接熔融與燃燒拋光有些類似，它使用的是非玻璃態(tài)的或至少不是全部玻璃態(tài)的不規(guī)則狀原料顆粒。它們可以是分散的固體顆粒和/或粘附的顆粒團(tuán)。這些團(tuán)塊有時(shí)稱為聚結(jié)團(tuán)或聚集塊。顆粒在熱氣態(tài)介質(zhì)的懸浮體和分散體中加熱后，原料顆粒軟化或熔化，形成熔融的大致的橢球體形狀，然后通過冷卻、凝固，最后以至少部分(但更完全的)玻璃態(tài)回收。
與直接熔融不同，燃燒拋光通常用的是相對高的或完全的玻璃態(tài)的或非晶形固體原料顆粒。在其歷史的某一時(shí)期，它們曾經(jīng)以液態(tài)連續(xù)體形式存在。在直接熔融中，原料顆粒不是完全玻璃態(tài)或非晶形的，而通常是非玻璃態(tài)的礦物，它們在形成橢球體步驟直接轉(zhuǎn)變成玻璃態(tài)或至少更接近玻璃態(tài)和非晶形，而不是先轉(zhuǎn)變成液態(tài)連續(xù)體形式。這里采用的火焰熔融法包括將固體原料顆粒通過直接熔融或燃燒拋光形成至少部分熔凝的基本為玻璃態(tài)的顆粒產(chǎn)品。進(jìn)入熔融區(qū)的原料顆粒，可具有從全晶態(tài)至全玻璃態(tài)和非晶形的物理狀態(tài)。
在直接熔融中，通過熔融分散的原料顆?；蛞恍┫嗷フ辰Y(jié)(在此稱作聚結(jié))的原料顆粒團(tuán)，形成各個(gè)橢球形產(chǎn)品顆粒。直接熔融產(chǎn)生的產(chǎn)品顆粒，一般分別顯示形成橢球體的各分散顆粒不同的化學(xué)組成，和/或聚結(jié)顆粒團(tuán)的平均化學(xué)組成，除了高溫?fù)]發(fā)失去的組分。因此直接熔融的產(chǎn)品，顆粒之間不必具有霧化或燃燒拋光法產(chǎn)生的更均一相似的組成。
在已知的火焰熔融方法中采用了各種形式的設(shè)備和不同形式的原料處理和熔融技術(shù)。例如，早在1935年，Gilbert在美國專利1,995,803第1頁第1欄31-32行和第2欄33-41行中指出，為制備良好形態(tài)的球狀產(chǎn)物，原料顆粒應(yīng)完全分散在送入燃燒器來加熱熔融區(qū)的含有燃料和/或氧氣的氣體中，這可以在燃燒器的上游進(jìn)行。Gilbert在第2頁第1欄1-8行中還指出這些氣體隨后的加熱和膨脹提供了附加的分散效果。該專利沒有公開Gilbert燃燒室的幾何結(jié)構(gòu)。然而，他在以后的美國專利2,044,680(第3頁第1欄第2和第5行)兩次指出他的燃燒室有“封閉”的表面。
另一個(gè)例子是Garnier在美國專利4,778,502(第2欄第41-45行)中公開了從顆粒原料生產(chǎn)中空微球體。至少90％(重量)原料顆粒的粒度小于20微米，最好小于10微米。為消除原料中的聚集(這被認(rèn)為使得小直徑的微球體的生產(chǎn)變得困難)，該專利建議通過將少量的“流化劑”(最好是鏈烷醇胺類)分散在顆粒表面，來預(yù)處理原料。見第2欄第46-58行。與這種試劑一起球磨的原料可分散在氣體中(如第6欄第19-35行和第4欄第50-55行指出的)，然后用兩種燃燒器中的任一種來熔融。每種燃燒器(如第4欄64行至第5欄43行及

圖1和圖2中所述的)均有一個(gè)燃燒室，其橫截面比下游膨脹封閉區(qū)小。燃燒室包括燃料口20和空氣口23、24，它有與燃燒室截面面積相等的延伸段，其表面襯有耐火材料25(圖1)或用液體冷卻的金屬壁27(圖2)。在圖1的燃燒器中，原料分散物從一個(gè)或多個(gè)徑向排列的射入口30、31射入離開燃燒室的前部末端或出口的燃燒氣體中。在圖2的燃燒器中，原料分散物通過燃燒室背部末端的軸向管道17射入燃燒室。
在英國專利No.2,178,024(第5頁33行至第6頁第4行)中，Mouligneau等人指出最好采用良好分散在可燃燒氣體中的原料。他們指出，驅(qū)使夾帶有原料的氣體流通過導(dǎo)向燃燒室的管道，并迫使第二股氣體流通過管道壁上的通孔橫向進(jìn)入第一氣體流，產(chǎn)生據(jù)說可促進(jìn)完全混合的力。同樣，在第2頁第6-8行中，這些專利持有者也描述了顆粒有聚集和/或粘附在熔融室壁的傾向。他們將這一問題歸結(jié)為熔融時(shí)對原料的過度加熱。他們在第2頁15-20行建議，提供一個(gè)流動(dòng)氣體夾套作為解決方法。它包圍在含有分散原料顆粒的燃燒的可燃燒氣體流的周圍。夾套可通過使原料顆粒全部包封在火焰內(nèi)、促進(jìn)原料的快速加熱、在使原料和產(chǎn)物懸浮時(shí)增加它們的動(dòng)能和促使產(chǎn)物顆粒迅速離開熔融室、冷卻熔融室壁，從而可減少聚集和粘附趨勢，提高高質(zhì)量珠粒的生產(chǎn)率。見第2頁第22-31行。
Morishita等人在日本公開的專利申請平2 59416(1990年2月28日公開)中討論了粒度小于10微米的硅石顆粒的直接熔融。其中提及了在熔融時(shí)火焰中原材料的聚集和顆粒粘附在爐壁上的問題。他們建議通過在高于普通熔融爐的溫度下進(jìn)行等離子感應(yīng)可防止聚集。然而，他們解釋說該方法不適于大批量生產(chǎn)，且能量效率很低。Morishita等人建議，通過使用噴射磨將其，粒度減小至小于10微米的原料粉末，然后在熔融爐中用氧氣-可燃?xì)怏w火焰(如氧氣-丙烷)直接熔融可解決這些問題。將原料投入中部有粉末排放口、中軸處有氣體火焰開口的燃燒器中。燃燒室的熱負(fù)荷和爐中每單位體積的熱負(fù)荷分別為100000-200000千卡/H和小于2000000千卡/m3·H。較高的熱負(fù)荷將導(dǎo)致原料的聚集，而較低的燃燒器熱負(fù)荷將使產(chǎn)物的質(zhì)量變差。
上述發(fā)明人和另一位在日本專利申請平2 199013(1990年8月7日公開)中對上述工作進(jìn)行了進(jìn)一步說明，他們承認(rèn)對于他們來說，通過控制熱負(fù)荷將細(xì)硅石直接縮小尺寸來高產(chǎn)制備球狀細(xì)硅石是困難的。然而，他們建議該問題可通過對火焰產(chǎn)生區(qū)域提供冷卻氣體進(jìn)行調(diào)節(jié)來克服。他們?nèi)耘f采用有氧氣-可燃?xì)怏w火焰的熔融爐，將粒度小于10微米的分散在載氣中的原料加入火焰的中央，并沿火焰垂直方向吹入冷卻氣體或通過一個(gè)環(huán)來導(dǎo)入冷卻氣體。這是在燃燒器下游的選定部位進(jìn)行的，據(jù)說可有效除去火焰的產(chǎn)生即淬滅了火焰。通過改變導(dǎo)入冷卻/淬滅氣體的位置和其它方面，可調(diào)節(jié)硅石在火焰中的停留時(shí)間，從而防止了火焰中因晶粒聚集而生長，獲得了高產(chǎn)的細(xì)小顆粒。
在T.Koyama等人的日本公開專利申請No.平4 -147923(球狀細(xì)微顆粒的生產(chǎn)方法“Manufacturing Method of Spherical Microparticales”，1992年5月21日公開)中，發(fā)明者提出(顯然是為了獲得非常小的產(chǎn)物)將原材料研磨成粒度在0.1至1微米范圍內(nèi)。然而，所用的熔融方法使熔化的或軟化的顆粒產(chǎn)生相當(dāng)多聚結(jié)。盡管以前工作人員在該領(lǐng)域已取得進(jìn)展，但是仍需要對生產(chǎn)非常細(xì)小大體為橢球體的顆粒的火焰熔融方法在產(chǎn)量和能量效率上提供進(jìn)一步改進(jìn)。這在從原料(50體積％的粒度(平均粒度)最高至約25、約20、約15和約10微米，或90體積％粒度最高至約60、約40和約30微米的原料)生產(chǎn)大批量產(chǎn)品時(shí)尤其需要。在生產(chǎn)這些產(chǎn)品時(shí)，提高生產(chǎn)速率將產(chǎn)生聚集和引起熔融時(shí)的粒度生長，而避免聚集則需以提高能耗為代價(jià)。
本發(fā)明試圖滿足上述需要。通過下述的產(chǎn)品和方法已實(shí)現(xiàn)(至少部分地)該目的。
發(fā)明公開概要發(fā)明公開概要見附隨的權(quán)利要求。
優(yōu)點(diǎn)根據(jù)所用的各種實(shí)施方案，本發(fā)明預(yù)計(jì)可提供一個(gè)或多個(gè)以后段落中描述的優(yōu)點(diǎn)。因此應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的實(shí)施方案包括下述一部分優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是各種原料材料可在“開放”的火焰中有效熔融以提供大致為橢球體的平均粒度只有幾微米的顆粒，而不需特別的約束爐壁或火焰淬滅方法。
所用顆粒的平均直徑可小于15微米，這樣燃燒的氣體的熱量可迅速傳遞給顆粒，可在開放火焰的燃燒區(qū)達(dá)到顆粒熔點(diǎn)而不需附加爐壁約束。
盡管已指出由于火焰內(nèi)缺少足夠熱量，細(xì)礦物顆粒分散在火焰中有使它們熄滅的趨勢，但是本發(fā)明的方法可毫無困難地進(jìn)行操作。
與一些采用超過2500℃的溫度來生產(chǎn)小的非聚集原料的已有方法相比，本發(fā)明方法可成功地采用相對較低的節(jié)能的溫度，例如最高為約2500℃，較佳的最高為約2300℃，更佳的最高為約2000℃。通常這些方法將采用至少為約500℃，更典型地為至少約700，且如果需要至少為約900℃的溫度。
可使用熔點(diǎn)盡可能最低的顆粒組合物，并較佳與“短效”助熔劑一起使用，如結(jié)合的或溶解的揮發(fā)性物質(zhì)如水或氧化硫。已有技術(shù)指出燃燒方法可用于廣泛的礦物材料，包括一些含有結(jié)合的或溶解的揮發(fā)性材料的礦物。然而，由于揮發(fā)性物質(zhì)在加熱時(shí)的蒸發(fā)和釋放，這些方法通常將產(chǎn)生大粒度的有較大空隙的橢球體顆粒。本發(fā)明指出了用含有結(jié)合或溶解的揮發(fā)性材料、粒度高達(dá)25微米的顆粒組合物來生產(chǎn)大致為橢球體的，以重量計(jì)與原料材料有相同大小分布的顆粒，其中一部分產(chǎn)物顆粒的空隙可為總體積的約1至20％。
有結(jié)合或溶解的揮發(fā)性物質(zhì)的原料組合物也可有助于熔融過程。當(dāng)有揮發(fā)性物質(zhì)存在時(shí)，組合物可被用空氣和天然氣的化學(xué)計(jì)量混合物獲得的相對較低的火焰溫度熔融，反之則不受影響。很明顯，揮發(fā)性物質(zhì)可在熔融方法中有效降低熔點(diǎn)和粘度，并蒸發(fā)離開固體橢球形。迄今還沒有關(guān)于如此低溫節(jié)能的從通?？色@得的粉末來生產(chǎn)小直徑橢球體的方法的報(bào)道。而只有關(guān)于用燃燒丙烷氣體和氧氣產(chǎn)生高溫火焰來獲得相同小直徑球體的報(bào)道。
當(dāng)在引燃前使不規(guī)則形狀的顆粒仔細(xì)分散并均勻夾帶在燃燒氣體中，且在沒有“爐壁”的情況下用開放的或沒有約束的火焰時(shí)，可促進(jìn)快速輻射冷卻并可在需要時(shí)隨后導(dǎo)入冷卻氣體(空氣或水)。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它能在減少不希望的聚結(jié)的同時(shí)生產(chǎn)大量的大致為橢球體的顆粒。在至少某些方面，本發(fā)明的方法可避免熔融顆粒的結(jié)渣、混流和碰撞、熔融聚集物的產(chǎn)生和由此帶來的產(chǎn)量損失。
當(dāng)上述方法用于常見的較低熔點(diǎn)玻璃，可獲得非常高產(chǎn)率的小直徑橢球體顆粒。實(shí)際上，產(chǎn)率可接近100％，產(chǎn)物的大小分布與起始材料相同，這表明在熔融態(tài)時(shí)幾乎沒有結(jié)渣或顆粒間碰撞。
以前，小直徑球體可作為從工業(yè)玻璃生產(chǎn)大直徑球體的副產(chǎn)物來高價(jià)制得。這嚴(yán)重限制了其工業(yè)可行性。令人驚奇的是，用本發(fā)明來生產(chǎn)較小直徑的橢球體比生產(chǎn)較大的橢球體更有效，且它們可從本質(zhì)上較高熔點(diǎn)的組合物制得。這一點(diǎn)與已有技術(shù)相反。
當(dāng)采用常規(guī)的提高產(chǎn)率的方法如增加氧氣和燃燒氣體預(yù)熱，可以已知的最高微球體生產(chǎn)效率產(chǎn)生小直徑產(chǎn)物。用2000T.T.U.能量可獲得1 lb或更多的產(chǎn)物。當(dāng)上述方法用于本發(fā)明所述的球體形成組合物時(shí)，可高效地形成獨(dú)特的高熔點(diǎn)的橢球體顆粒。
認(rèn)為在本發(fā)明一個(gè)或多個(gè)方面中，代表了生產(chǎn)顆粒的已知方法中最省成本的方法，所得顆粒的直徑非常小，基本上是非中空的，大致為橢球體且有很高的潔白度和透明度。
而且，實(shí)施這些方法所需的設(shè)備和運(yùn)行條件可以比那些以前其它研究者所描述的方法簡單得多。
根據(jù)本發(fā)明，可生產(chǎn)用于各種用途的產(chǎn)品。例如，這些產(chǎn)品可用作熱固性和熱塑性樹脂(如硅氧烷和氟聚合物)、工程塑料(engeneering plastic)、洗劑和乳油以及任何物理形式的復(fù)合材料、紙張或其它材料如模制品和單層或多層產(chǎn)品(特別包括卷材和層壓板)中的添加劑。它們也可用作薄膜抗粘劑、抗結(jié)塊助劑和具有不尋常的“滑爽性”或潤滑性的化妝用粉末。
當(dāng)產(chǎn)物以大致為橢球體的顆粒的具體量來表征時(shí)，以組合物固體含量的總體積計(jì)，如約30以上至100％(體積)的產(chǎn)品，可以相當(dāng)高的濃度被使用，在液體或熔化塑料中形成相對較低粘度的混合料。富含大致為橢球體的顆粒的產(chǎn)品可有高的硬度和較低的研磨性。高度橢球狀的產(chǎn)品的特征還在于它們有相對較低的表面積，因此與其它材料(它們和產(chǎn)品配制成各種最終用途成品)有相對較小的表面相互作用。
含有一些有顯著的表面粗糙度的顆粒的產(chǎn)品例如可有利地用于需要有一定程度研磨性的組合物中。根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行的熔融操作很容易控制其中基本上是玻璃態(tài)的顆粒和粗糙不規(guī)則晶態(tài)顆粒具有預(yù)定比例的的顆粒產(chǎn)品的生產(chǎn)，這可為最終用途成品提供預(yù)定程度的研磨性。這種成品是特別節(jié)能的，因?yàn)楫?dāng)只需要部分轉(zhuǎn)變成橢球體顆粒時(shí)，每單位燃料消耗就可獲得更高的生產(chǎn)速率。
附圖簡述本發(fā)明非限制性的實(shí)施例將在下文結(jié)合附圖進(jìn)行描述，其中圖1是將不規(guī)則形狀的固體原料顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒產(chǎn)品的設(shè)備的總體示意圖，其中顆粒產(chǎn)品的特征是有較大比例的至少部分熔凝的，基本上玻璃態(tài)，大致為橢球體的分散顆粒。
圖2是圖1裝置的放大部分，顯示了有助于原料顆粒分散入可燃燒氣體流的混合裝置。
進(jìn)行本發(fā)明的模式固體原料顆粒一般包括能熔融成為大致的橢球體產(chǎn)品的任何材料，這些材料能通過加工設(shè)備，最好不會(huì)嚴(yán)重?fù)p害設(shè)備或經(jīng)常使設(shè)備不能運(yùn)行，并且不會(huì)使最終產(chǎn)品不適合其指定的用途。因此，這些顆?？砂ㄒ环N或多種在本方法的條件下不會(huì)熔化的材料。但是，根據(jù)本發(fā)明，固體原料顆粒包括約60-100％(重量)的至少一種材料的不規(guī)則形狀顆粒，這類材料的顆粒在由燃燒顆粒懸浮在其中的氣體混合物產(chǎn)生的熱氣體中懸浮流動(dòng)時(shí)，可通過加熱至少部分轉(zhuǎn)變?yōu)榇笾聻闄E球狀的顆粒。
一般沒什么理由為什么易于燃燒拋光和直接熔融的很多材料不能在本方法中使用。可以使用的天然材料和至少部分為合成的材料的例子包括各種已知類型的硅酸鈣，包括硅灰石，這些硅酸鈣因?yàn)楹薪M成為(SiO3)n的相互連結(jié)的SiO4四面體鏈而具有纖維結(jié)構(gòu)，例如硅灰石(“硅灰石本身”)、假硅灰石和副硅灰石、以及水合硅酸鈣，包括硬硅鈣石(5CaO·5SiO2·H2O)、變針硅鈣石(4CaO·3SiO2·H2O)、雪硅鈣石(4CaO·5SiO2·5H2O)、girolythe(2CaO·3SiO2·2H2O)、Flint’s水合物(CaO·SiO2·H2O)、粒硅鈣石(5CaO·2SiO2·H2O)、柱硅鈣石(3CaO·2SiO2·3H2O)、硅鈣石(CaO·2SiO2·2H2O)和針硅鈣石(2CaO·SiO2·H2O)；霞石，指霞石類的任何一種或霞石類的組合，包括霞石本身(Na3(Na，K)[Al4Si4O16])和六方鉀霞石(K[AlSiO4])，在其各種晶體結(jié)構(gòu)和相互的固體溶液的形式；堿長石，即包括鉀長石(KAlSi3O8)和其以各種比例與鈉長石(NaAlSi3O8)的組合的一族長石，該組合物并且還含有不同量但是通常是少量的鈣長石(CaAl2Si2O8)；斜長石類，為僅包含鈣長石(CaAl2Si2O8)或它以各種比例與鈉長石(NaAlSi3O8)組合的各種物質(zhì)，組合物還可以含有不同量但是通常為少量的鉀長石(KAlSi3O8)，如約20％(重量)或更少；各種類型的火山灰；各種珍珠石；各種石榴石；各種硅酸鹽玻璃；天然形成的各種硅石；從硅酸鈉溶液中沉淀的各種硅石和硅酸鹽產(chǎn)物；從硅石以及硅酸鹽溶膠和凝膠得到的各種沉淀物。
含有結(jié)合的或溶解的揮發(fā)性物質(zhì)的原材料所以有用，是因?yàn)樗鼈兙哂薪档驮牧舷鄳?yīng)的熔點(diǎn)的性能。硅石和硅酸鹽廣泛地是由硅酸鈉溶液通過酸沉淀制得，產(chǎn)物中包含水作為其組成中的一部分(作為化學(xué)或物理吸收的水，溶解的水，或是水合的水)，而且還包含剩余的硫酸鹽、氯化物或金屬離子作為其組成中的一部分。
其它有結(jié)合的或溶解的揮發(fā)性材料的原材料例子包括珍珠巖，水合硅酸鹽(包括硅酸鈣、硅酸鈉、硅酸鉀和硅酸鋰)；硅酸鹽(metasilicate)和其它有結(jié)合的或溶解的揮發(fā)性物質(zhì)如水、氧化硫、二氧化硫、三氧化硫、二氧化碳、氮?dú)?、其它含硫揮發(fā)物的硅石和硅酸鹽，和通常降低其相應(yīng)熔點(diǎn)并可有助于形成空隙的火山灰組分。
含揮發(fā)性物質(zhì)的其它合適原料的例子可參考Industrial Minerals and Rocks，5thEdition，Lefond，Stanley J.，et al，Society of Mining Engineers of the AmericanInstitute of Mining，Metallurgical，and Petroleum Engineers，Inc.，New York，1983；Handbook of Glass Properties，Bansal，Narottam P.and Doremus，R.H.，HarcourtBrace Javonovich，1986；Sol-Gel Science，The Physics and Chemistry of Sol-GelProcessing，Brinker，C.Jeffrey and Scherer，George W.，Harcourt Brace Javonovich，Boston 1990。
含有揮發(fā)性組分的材料可以用作本發(fā)明的原材料，這些組分總量至少為該材料的約1或2％(重量)，并且最多約為7、10、或25％(重量)。
“珍珠巖”是一種水合硅酸鹽，包括天然生成的水合火山玻璃和將玻璃粉碎和篩選后經(jīng)膨脹產(chǎn)生的輕質(zhì)聚集物。珍珠巖在巖石學(xué)中被稱作玻璃態(tài)流紋巖，它有珍珠般的光澤和同心的洋蔥皮夾層。珍珠巖的性質(zhì)和開采的進(jìn)一步討論，可閱“珍珠巖”by Frederic L.Kadey Jr.in Industrial Minerals and Rocks，F(xiàn)ifth Edition，v.2，p.997-1010，American Institute of Mining，Metallurgical，and PetroleumEngineers，Inc.，New York，l983，該文在此引用參考。
在天然狀態(tài)，珍珠巖是流紋巖玻璃，它含有約2-7％(重量)的水，在升高溫度下加熱時(shí)，釋放這些水，將礦物質(zhì)膨脹成為相對較大的，空心低比重顆粒。而珍珠巖還可以形成安山巖或石英安山巖玻璃，這些形態(tài)沒有太大的商業(yè)價(jià)值。
典型的天然形成的珍珠巖組成包括70-75％SiO2、12-14％Al2O3、3-5％Na2O、3-5％K2O、2-7％H2O和各小于1％的Fe2O3、TiO2、CaO和MgO。
現(xiàn)有技術(shù)中，珍珠巖在經(jīng)燃燒處理以提供更小、更緊密和更高強(qiáng)度的橢球體顆粒之前，可以進(jìn)行干燥，降低其水含量。這種干燥處理使單位珍珠巖顆粒的能耗成本更高。本發(fā)明中，通過將珍珠巖原料的粒度簡單地減小至平均粒度約25微米或小于25微米，較好的約15微米，最好約10微米，可形成強(qiáng)度更高、更小和更緊密的大致為橢球體的顆粒。
“水合硅酸鹽”這術(shù)語指例如上述關(guān)于揮發(fā)性物質(zhì)的文獻(xiàn)中描述的任何一種硅酸鹽組合物與1至25％的溶解或結(jié)合水的結(jié)合。水合硅酸鹽通常是結(jié)晶物質(zhì)，其有下列化學(xué)式j(luò)MxO·mSiO2·nH2O其中j取自1至6，m取自1至6，n取自1至6。M代表堿金屬如鈣、鈉、鉀或鋰，X取自1至2。
堿長石和斜長石的一部分長石類是NaAlSi3O8-KAlSi3O8-CaAl2Si2O8三元體系的成員。因此，堿長石和斜長石這名稱包括很寬范圍的這三種組分的固態(tài)溶液，它們存在于開采的礦物中。其中包括固態(tài)溶液中主要為鈉長石并包含等量或幾乎等量的少量鉀長石和鈣長石的材料，例如鈉長石和歪長石的一些形態(tài)。
本發(fā)明中使用的原材料的相對較純或濃縮形式的含量不必與其相應(yīng)純的組成或化學(xué)分子式完全對應(yīng)。引起這類偏差的因素包括分子式中原子比和在形成礦物質(zhì)時(shí)那些原子相互結(jié)合的實(shí)際比例之間小的差別；取代，即少量的主要或原來存在于晶格中一些原子被少量不包括在原分子式中的其它原子取代；在有特定礦物質(zhì)的固態(tài)溶液中存在一種或多種其它礦物質(zhì)；在強(qiáng)加熱，也稱作“著火”下會(huì)釋放或失去的少量物質(zhì)的存在；在原材料中加入少量化學(xué)品，如可以降低原料的熔點(diǎn)，促進(jìn)熔融或?qū)ι蛇^程或改進(jìn)產(chǎn)品具有有利的影響的化學(xué)品。
因此，當(dāng)本文以名稱或名義上的化學(xué)分子式表示原材料時(shí)，包括天然形成的變異物和人為的改性物，這些變異不會(huì)使該材料不適合于本發(fā)明使用。由此，目前揭示的內(nèi)容運(yùn)用了本領(lǐng)域認(rèn)可的原材料的專門用語，顯然這些術(shù)語指的意義應(yīng)按這里所說作小的修改。而且，在此給出的化學(xué)分子式僅是為了方便，而不是為了限制本發(fā)明。
原材料的鑒別和分類可由標(biāo)準(zhǔn)巖石學(xué)分析技術(shù)進(jìn)行，例如在LaboratoryHandbook of Petrographic Techniques，By C.S.Hutchison，John Wiley & Sons，Inc.，1974中所述。采用這些技術(shù)，可以下面一種或多種形式確定指定相的存在X射線衍射圖案；化學(xué)組成的測定；顯微鏡觀察；折射率和比重的測定；Niggli分子范數(shù)(Niggli Molecular Norm)(Catanorm)計(jì)算；以及差示溶解度和差示著色技術(shù)。還可參閱American Mineralogy，“The Rosiwal method and the modaldetermination ofrock，”by E.S.Larsen and F.S.Miller，vol.20，p.260，1935。本領(lǐng)域技術(shù)人員還知道許多其它公認(rèn)的技術(shù)和改進(jìn)。。
原材料的制備包括下列步驟的全部或任何部分以及可能的其它步驟，取決于所用起始原料的性質(zhì)。這些步驟是干燥、粗研磨、磁分離、泡沫浮選、精磨、表面處理和分粒。
甚至從沉積層開采時(shí)就具有相當(dāng)高濃度的一些原材料仍常常需要一定程度的精煉，以生產(chǎn)主要由這類礦物組成的原料?？梢酝ㄟ^這些初步處理除去的組分有過量的次要礦物質(zhì)和賦予礦物顏色的物質(zhì)。采用研磨不僅可以調(diào)節(jié)粒度，而且可以釋放出存在的不需要的附加礦物質(zhì)和/或其它礦物組分。研磨之后還可進(jìn)行磁分離和/或浮選，以除去釋放的附加礦物質(zhì)和/或其它組分。
一些原料主要以“白色”、“無色”或“光亮”的形態(tài)獲得，這類原料可轉(zhuǎn)化為本發(fā)明的基本為白色、無色或光亮的大致為橢球體的顆粒。采用HunterLabColor Quest Spectrocolorimeter System，Model CQS-9400 45/0或等價(jià)裝置，可在457納米測定干燥、壓緊粉末形式的原料和產(chǎn)品顆粒的亮度。
本發(fā)明中使用的原料其Color Quest 457納米的亮度，例如至少約為60，至少約為70為佳，最好至少約為80。一般，用于生產(chǎn)白色和/或淡顏色的透明產(chǎn)品的較好原料含有非常少量的Fe2O3或Fe3O4，如約小于0.1％，以及如約小于1％的FeO。但還可以設(shè)想使用有色形態(tài)的指定礦物質(zhì)和生產(chǎn)有色產(chǎn)品。
本發(fā)明使用的原材料雖然不必是具有確切或標(biāo)稱組成的礦物質(zhì)或其它可熔物，原材料仍然可以是主要由至少一種這些物質(zhì)組成。因此設(shè)想用于本發(fā)明的原材料可含有約60-100％(重量)，更具體是約75-100％(重量)，最具體是約90-100％(重量)的一種或多種指定的物質(zhì)。這些范圍一般包括了那些使設(shè)想的原材料與其名義上化學(xué)分子式有上述偏差的物質(zhì)。其中有包含在這些分子式中的一種或多種原子的過量；原子取代物，即不包括在這些分子式中的原子，以及取代包括的原子的原子；固態(tài)溶液；以及不會(huì)使其不適用于本發(fā)明的原材料的其它組分，附加成份或變型，包括任何人為的變形。但是，點(diǎn)燃后喪失的材料，盡管一般存在于天然原材料或至少在由原料制備的材料中，其損失并不認(rèn)為是原材料的一部分，也不包括在計(jì)算上述重量百分?jǐn)?shù)范圍的基準(zhǔn)內(nèi)。
“主要由…組成”的表達(dá)以及上述的重量范圍用來表明原材料可以分別相應(yīng)地含有多達(dá)約40％(重量)、更具體約高達(dá)25％(重量)、最具體約高達(dá)10％(重量)的“其余”材料。其余材料的例子包括存在于原材料中的次要礦物質(zhì)、上述流化劑和存在于原材料中的其它任何材料或物質(zhì)，這些物質(zhì)不會(huì)使其不適合生產(chǎn)含有至少約15％，較好的至少約30％，至少部分熔凝的大致為橢球體的顆粒產(chǎn)品，例如對在此披露的一種或多種最終用途或其它最終用途有用的產(chǎn)品。
當(dāng)使用含確切或標(biāo)稱的特定組成的原材料時(shí)，最好大部分或幾乎全部這些顆粒分別含有約60-100％(重量)至少一種組成顆粒的物質(zhì)。因此，例如約50-100％(重量)，較好的約75-100％(重量)，最好約90-100％(重量)的原料顆粒分別含有約60-100％(重量)的這些物質(zhì)。所以，可以設(shè)想配制分別含有60％(重量)左右的那些物質(zhì)的顆粒的原材料，包括例如有50％(重量)以上的原料顆粒含有小于60％(重量)的那些物質(zhì)的原材料，但是，在這些原材料中原料顆粒的加權(quán)平均組成反映出有約60-100％(重量)的那些物質(zhì)。相應(yīng)地，也可配制分別含有40％(重量)左右的剩余物質(zhì)的顆粒的原材料，但在這些原材料中原料顆粒的加權(quán)平均組成反映出有最多達(dá)約40％(重量)的剩余物質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明，可由按照上述方式或其它合適方式制備的原料顆粒制備至少部分熔融的顆粒材料。在此使用的術(shù)語顆粒是一個(gè)通稱，包括涉及的特定礦物質(zhì)的任何細(xì)分形式，例如包括細(xì)粒、晶體、晶體混合物、混合的晶體、顆粒團(tuán)、聚集物和纖維碎片。
這些材料以小粒度提供給本方法的熔融步驟。平均粒度，以體積為基準(zhǔn)，可高達(dá)約25、約20、約15或約10微米，或90％的粒度高達(dá)約60、約40、約30或約25微米。為說明體積基準(zhǔn)的含義，以本發(fā)明的原材料和產(chǎn)品的優(yōu)選粒度為例，約5微米的平均粒度指小于5微米的所有顆粒的聚集體積等于大于5微米的所有顆粒的聚集體積。
現(xiàn)有技術(shù)的一些方法涉及將原材料研磨至0.1-1微米。如果需要，這樣的原材料制備模式可以用于本發(fā)明，盡管它是相當(dāng)困難和昂貴的。但是，對本發(fā)明產(chǎn)品的其它要求的最終用途，單個(gè)產(chǎn)品顆粒的粒度基本限制在0.1-1微米范圍會(huì)太小，盡管對本發(fā)明產(chǎn)品的許多最終用途，有一定數(shù)量在此范圍的顆粒是可以接受的(雖然不是所希望的)。因此，在本發(fā)明的較好實(shí)施方案中，原料顆粒按體積計(jì)的平均粒度至少約1微米，至少約2或約3微米。
許多(如果不是大多數(shù))設(shè)想的原材料，根據(jù)諸如最終顆粒的化學(xué)性質(zhì)和粒度、溫度和濕度之類的環(huán)境條件、材料被研磨、加工和儲(chǔ)存的方式、以及通過工廠設(shè)備運(yùn)輸?shù)姆绞降纫蛩?，?huì)聚集并形成由多個(gè)顆粒組成的聚集塊，尤其當(dāng)顆粒團(tuán)在靜止和運(yùn)動(dòng)中受到擠壓時(shí)。單單沿長輸送管道系統(tǒng)，尤其是帶有盤繞、彎管和其它彎曲的輸送系統(tǒng)輸送顆粒，就會(huì)因離心力或重力而使顆粒流集中于彎曲部分的邊緣，使顆粒更緊密接觸，易于粘結(jié)。顆粒靜止堆積也會(huì)發(fā)生粘結(jié)。相鄰顆粒間的范德華力以及其它原子間和分子間的力會(huì)促使粘結(jié)。
鑒于不同原材料在不同條件下有不同的積聚傾向，在此給出的粒度指在可行的情況下破碎最后顆粒的聚集塊后測定的粒度。因此，例如，可應(yīng)用劇烈超聲波能徹底攪拌樣品，對在諸如水或醇類的液體中的懸浮體使用分散劑，在生產(chǎn)控制過程可行的程度下分散聚集塊后，測定原材料的粒度。可通過任何合適的技術(shù)，如激光衍射和/或電子顯微鏡照片的觀察分析進(jìn)行粒度測定，因此，在可行的情況下，粒度的測定是基于樣品最終顆粒的粒度。如果原材料最終的顆?；旧喜粫?huì)形成聚集塊，可不必先在液體中攪拌，就進(jìn)行所指的粒度測定。
當(dāng)原材料中的顆粒具有顯著或不尋常的聚集傾向時(shí)，許多(如果不是大多數(shù))在所指定粒度范圍的原材料會(huì)處于這種情況，一般必須采取特別的預(yù)防措施，以有效分散顆粒，促進(jìn)熔融操作期間顆粒保持不連續(xù)狀態(tài)。本發(fā)明包括固態(tài)顆粒在載氣中的分散。如上所示，在以前火焰熔融技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員已注意到充分分散原料顆粒的重要性。但據(jù)信，以前認(rèn)為合格的充分分散對本發(fā)明實(shí)施方案中的某些方面的實(shí)施還不夠。
可以單獨(dú)地采用兩種處理方法進(jìn)行分散，也可以兩種方法結(jié)合使用和/或與其它分散技術(shù)結(jié)合使用。一種技術(shù)是應(yīng)用流化劑，并伴隨研磨或不施加研磨。另一種方法涉及通過氣體或固體部件在聚集和/或未聚集的顆粒上施加力，破碎聚集物(如果有聚集物的話)，并使顆粒在載氣(最好是可燃的氣體混合物或至少其中一個(gè)組分)中均勻分布。
對于本發(fā)明，流化劑可以是任何鋪展在原材料顆粒表面時(shí)，能顯著降低顆粒聚集的趨勢至可使用的程度的添加劑。本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過美國專利4,778,502(Garnier等人)中披露的內(nèi)容，皆了解一些表面活性劑可用作流化劑。因此，Garnier等人所述的流化劑為對玻璃具有良好的親和力的物質(zhì)。當(dāng)本發(fā)明使用的原材料不是玻璃，而是結(jié)晶體礦物質(zhì)時(shí)，流化劑應(yīng)該對這類材料有良好的親和力。Garnier等人所述的流化劑由帶極性部分(如羥基或氨基)的分子組成。這類化合物還具有非極性部分，用流化劑處理顆粒時(shí)這部分促使各顆粒獨(dú)立。Garnier等人揭示使用多鏈烷醇胺、丙二醇以及類似的化合物，這些化合物可以在本發(fā)明中使用。但是，在本發(fā)明的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，硬酯酸鋅和六甲基二硅氮烷是更有效的流化劑。也可以使用三乙醇胺。其它的例子可參考美國專利4,715,878(Kopatz和Pruyne)，其中描述了另外的陰離子、陽離子和非離子處理方法，這些可以在本發(fā)明中使用。可以使用任何其它有效的表面活性劑和流化劑。
本發(fā)明中使用的典型流化劑是那些其用量最多為處理的原材料重量的約1％，較好為約0.5％，最好是約0.3％時(shí)，能有效顯著地抑制聚集的物質(zhì)。但是，原料顆粒越小，如小于5微米，具有的聚集表面較同樣重量的較大顆粒(如15微米顆粒)大得多。因此，對非常細(xì)的顆粒和/或有強(qiáng)烈聚集傾向的顆粒，必須使用較大量的流化劑。
流化劑可以按照任何有效的方式施用到原材料顆粒，最好是全部固體原料顆粒，這些方式包括久經(jīng)考驗(yàn)的將原材料或全部固體原料與流化劑接觸而研磨。推薦在球磨機(jī)研磨期間，較好的在研磨過程中分幾次，將流化劑加入到原材料，最好是將要使用的全部固體原料顆粒中。這種加入可作為顆粒制備中最后的減少粒度步驟的一部分。用顆?？傊亓康募s0.5％(重量)的表面活性劑通過與顆粒一起球磨約1小時(shí)，可達(dá)到表面活性劑在顆粒表面的完全分散。但是，當(dāng)顆粒已經(jīng)是在所要求的粒度時(shí)，只要通過在合適的室或區(qū)域一起攪拌流化劑與顆粒，就可以施用流化劑。
可以任何有效的方式運(yùn)用合適的分散力，包括足以分散團(tuán)聚顆粒的力。下面描述一合適的涉及氣體噴射和文杜里噴嘴的例子。一般，可以采用任何設(shè)備產(chǎn)生的，能有效破碎原材料、其余的固體原料顆粒或兩者的聚集物的力。因此，例如，可采用使聚集的顆粒相互沖擊，或與相當(dāng)高能量的氣流和/或與運(yùn)動(dòng)或靜止的固體目標(biāo)沖擊的方法和設(shè)備。
因此，例如可以迫使顆粒噴射到靜止的表面，如墻或靶，或使其通過風(fēng)扇(包括渦輪)的葉片，提供顆粒間的碰撞并使顆粒與風(fēng)扇葉片撞擊。能提供用于顆粒分散(包括聚集體分散)的充分沖擊和剪切力的其它合適設(shè)備的例子有圓盤式粉碎機(jī)、射流磨機(jī)和錘磨機(jī)。沖擊包括正面沖擊和跳躍接觸，例如可在聚集物上施加剪切力和/或旋轉(zhuǎn)力的接觸。
在某些情況下，根據(jù)顆粒性質(zhì)和分散操作后的加工和運(yùn)輸方式，僅使用流化劑或僅采用分散力就足以充分分散原料。但是，在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，現(xiàn)有分散操作的分散作用還不夠。因此，當(dāng)用具有強(qiáng)烈聚集傾向的固體原料顆粒，或在下游用不能減小在分散原料顆粒上施加的擠壓力的處理設(shè)備來實(shí)施本發(fā)明時(shí)，或者如下所述生產(chǎn)量很高時(shí)，要求前所未有程度的分散效力。因此，必須使用至今被認(rèn)為是不必要甚至是不需要量的流化劑和/或施用超過以前認(rèn)為是必需水平的分散力和能量。
為了確定原料顆粒上施用的流化劑和/或力的量是否能充分解聚集和分散原料顆粒，采用下面的試驗(yàn)。試驗(yàn)包括收集分散操作上游的第一批原料顆粒樣品，采用激光衍射法測定在水或乙醇和一種分散劑中經(jīng)超聲波攪拌后樣品的粒度。這樣的攪拌足以進(jìn)行用于比較的解聚集的顆粒大小分布的測定。這一測定值稱作“原始”粒度分布。
可以在分散操作后任何合適點(diǎn)收集稀釋分散在一平坦表面的第二樣品。例如，制備在其表面有“粘性”物質(zhì)的薄膜的玻璃板。然后使玻璃板迅速通過從收集來自分散操作的顆粒的管道(如將原料顆粒輸送至燃燒器的管道)分流出的流體。例如通過普通的顯微鏡法測定這一樣品建立“次級”粒度分布，確定聚集物的存在。
在原始和次級樣品中所測粒度的差別表明了分散處理的有效程度。相對較小的差別表明為有效的分散處理，而相對較大的差別表明分散處理的效果較差。90％處的差別以按重量或體積計(jì)的原始分布為基準(zhǔn)，較好的在最大至20％的范圍，更好的在最大至約10％的范圍。即，對原始分布為90％小于50微米的原料，分散后的樣品有90％小于60微米或較好的小于55微米。
也可以采用另一種方法?？梢栽诜稚⒉襟E之前收集固體顆粒樣品，并如前述，分散在水或乙醇中測定該樣品。分散步驟之后，分出一個(gè)樣品，并經(jīng)空氣輸送通過激光檢測設(shè)備，按前面一段所述比較分散后的粒度分布。激光衍射技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以在“實(shí)時(shí)”基礎(chǔ)上應(yīng)用到從分散操作的上游和下游的分散和未分散原料顆粒的主流中分流出的側(cè)流中。
還有一種方法，是通過比較分散在水或乙醇中時(shí)的原始粒度分布與火焰熔融為大致的橢球體顆粒(也分散在水或乙醇中)的粒度分布，來確定分散步驟的有效性。當(dāng)產(chǎn)品顆粒中存在空隙時(shí)，必須做出合適的校正。
如果既應(yīng)用了流化劑又施加了力來分散顆粒，可證明最方便的方法是首先使用流化劑然后施加力。但相反順序的操作也是可以的。盡管如此，因?yàn)樽罱K目的是在載氣中分散原料顆粒，優(yōu)選首先使用流化劑，因?yàn)檫@一操作后可立即在要求的載氣存在下，在原料顆粒上施加力。
載氣可以是支持燃燒的氣體或不是。事實(shí)上它可以是一種惰性氣體，但是在這種情況下，必須小心調(diào)節(jié)其使用量。最好載氣是支持燃燒的氣體，它包括燃燒所需的一種或兩種組分，即燃料和/或含氧氣體。
合適的燃料氣體是氫、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和其它氣體，包括重?zé)N燃料的蒸汽和/或含碳?xì)怏w，如一氧化碳。重?zé)N燃料包括環(huán)境條件(20℃和大氣壓力)下為液體或半固體，但可以在與原料顆?；旌蠗l件下主要以蒸汽態(tài)存在的燃料。烴燃料較好的是在環(huán)境條件下為氣體的那些，如乙炔，最好是氫碳摩爾比約為2.5或更高的烴燃料。這類燃料包括如天然氣中的丁烷、丙烷、乙烷和甲烷。
含氧氣體可以使用基本為純氧、富氧空氣或大氣中的未富氧處理的空氣，這正是本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，可以使用合適的含氧氣體，這類氣體的氮含量可在約50-80摩爾％范圍，其余為氧。
支持燃燒的氣體較好的應(yīng)基本上沒有熔渣源，包括灰和碳顆粒。但是非常細(xì)、清潔燃燒的碳顆粒和固體含碳燃料是可以接受的。
燃料、空氣、富氧空氣和原料顆粒的預(yù)熱一般可以提高生產(chǎn)率，減少使原料顆粒至少部分熔融所需的與燃燒氣體接觸的時(shí)間。原料顆粒的預(yù)熱通過除去表面的水份或靜電電荷，還有助于“調(diào)節(jié)”材料，從而改善在燃燒氣體中的分散。
燃料或含氧氣體可以稱為“可燃?xì)怏w混合物的至少一部分”。應(yīng)理解前面的表達(dá)包括這兩個(gè)組分中的任一個(gè)，將在該方法中燃燒的最終燃燒氣體混合物和/或包括在氣體混合物中輸入燃燒器，在燃燒區(qū)產(chǎn)生熱的任何可接受的其它氣體。因此，可在原料顆粒分散之前或之后形成可燃燒的混合物，將原料顆粒分散在氣體混合物的一部分中，是想使分散體包括在輸入至燃燒器的整個(gè)混合物中，或者包括在其中的任一部分中，如果在該部分隨后與最終可燃燒混合物的其余組分混合時(shí)這分散體可以保持的話。
一些例子中，原料顆粒僅分散在可燃性混合物的一部分中，并由這部分輸送到燃燒器，在該處與可燃性混合物的其余部分混合。在另一些情況下，在分散操作點(diǎn)的上游形成可燃性混合物的全部氣態(tài)(包括蒸汽態(tài))組分，在這種情況下，分散操作可以將原料顆粒分散在整個(gè)可燃性混合物中。各種中間選擇方式也是可以的，即原料顆粒首先分散在可燃性混合物中的任何一部分中，隨后在燃燒器火焰前鋒之前或之中，與可燃性混合物的其余部分混合。但進(jìn)行本發(fā)明的方法中，肯定較好的是在火焰前鋒的上游形成整個(gè)可燃性混合物，且全部懸浮的原料顆粒被完全分散在該混合物中，在其進(jìn)入火焰前鋒時(shí)再形成該混合物不如這樣好。
火焰前鋒是想象的混合物被點(diǎn)燃的“表面”。表面的形狀和數(shù)量取決于所使用的燃燒器的形狀和設(shè)計(jì)。
設(shè)想可能在一個(gè)燃燒器(即在同一設(shè)備中)進(jìn)行全部或至少最后階段的分散和混合物的燃燒。但是，在大多數(shù)應(yīng)用中，可以預(yù)期分散設(shè)備與燃燒器中的火焰前鋒之間分開一定的距離，因此懸浮的原料顆粒必須輸送通過這兩個(gè)位置之間。當(dāng)必須將分散的原料顆粒從分散處輸送至火焰前鋒時(shí)，必須相當(dāng)小心。
在分散操作中已經(jīng)很好分散的原料顆粒在輸送期間會(huì)再聚集。從長的管道或有彎頭、盤管等形式的足以聚集的曲線的管道輸送，可以導(dǎo)致顆粒，例如，借助離心力或重力，在導(dǎo)管的部分橫截面上集中。這些力和顆粒的集中代表了可以聚集或再聚集已分散顆粒的擠壓力。因此，最好在實(shí)際操作中限制分散位置與火焰前鋒的總距離，并且保持至少約5米/秒的流速，最好至少約20米/秒。
當(dāng)懸浮體必須從分散位置通過管道或?qū)Ч芩椭粱鹧媲颁h時(shí)，設(shè)計(jì)的導(dǎo)管系統(tǒng)應(yīng)使擠壓力最小?？赏ㄟ^能減小會(huì)使顆粒流集中在導(dǎo)管部分橫截面上的離心力和/或重力作用的排列達(dá)到這一目的。因此，要達(dá)到最好的結(jié)果，應(yīng)避免帶有小半徑的曲線或急彎的導(dǎo)管排列以及長的水平管道。
而優(yōu)選相對較直的垂直管道，如果需要轉(zhuǎn)彎，最好采用長的平滑的曲線，尤其是半徑相當(dāng)于導(dǎo)管截面或管道直徑的5倍或更大，最好是10倍或更多倍的曲線。在附圖和下文中說明了最好的排列。在這種排列方式中，懸浮體從上面通過很短的輸送管被輸送到燃燒器，會(huì)合的管道之間為銳角，輸送管和燃燒器為垂直排列，或至少基本為垂直(在與垂直方向約20°內(nèi))。燃燒器有一個(gè)基本為垂直取向的頸管和基本水平的出口，并具有大致為軸向的流動(dòng)模式。因此，懸浮體基本沿直線通過燃燒器，沒有任何大的方向變化，最好方向變化最小或沒有，除了當(dāng)氣流帶有主要是軸向和徑向的移動(dòng)分量，從垂直供料管移向燃燒器出口時(shí)，氣流的側(cè)向擴(kuò)散伴隨的方向變化。
下面根據(jù)附圖描述合適的燃燒器的一個(gè)具體例子。但是可以使用能點(diǎn)燃含夾帶有原料顆粒的可燃性氣體混合物的各種燃燒器。在North American CombustionHandbook，Edited by Richard J.Reed，2d Ed.，North American ManufacturingCompany，Cleveland，Ohio，U.S.A.，1978中有這些例子，其中的內(nèi)容在此引用參考。還可以參閱Nosach等人的蘇聯(lián)專利1,654,272和1,654,273，均轉(zhuǎn)讓給As UKRThemo-Phys.Stekloplastik Prodn.Assoc。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明所披露的內(nèi)容，按需要選擇燃燒器，選定的燃燒器應(yīng)便于接受和輸送含夾帶原料顆粒的可燃性氣體混合物，并按要求調(diào)節(jié)管道和孔徑的大小，以保持顆粒處于懸浮狀態(tài)和避免燃燒器阻塞。
還可以采用其它形式的燃燒器。但是較好的燃燒器應(yīng)不會(huì)對顆粒施加擠壓力并使顆粒再聚集。而且，較好的燃燒器可與在焰鋒的上游形成的可燃性混合物中的原料顆粒懸浮體相容，并且使顆粒懸浮體均勻分布地輸送至焰鋒并以非常均勻的方式通過焰鋒，而不是使其投入到焰鋒的下游區(qū)域，或火焰的側(cè)面或中心，如一些現(xiàn)有技術(shù)所進(jìn)行的。
遵守這些預(yù)防措施在實(shí)施本發(fā)明的一些方面特別重要，在這些實(shí)施方式中輸入焰鋒的可燃性混合物中具有非常高濃度的原料顆粒。更具體而言，可燃性氣體混合物中原料顆粒的濃度為，例如混合物中每磅(每千克)氣體至少約0.05(0.05)磅(千克)原料顆粒，較好的至少約為0.1(0.1)磅(千克)，最好至少約為0.2(0.2)磅(千克)。設(shè)想濃度可高達(dá)混合物中每磅(每千克)氣體約1或1.5或2磅(千克)原料顆粒。
在使用本發(fā)明小粒度的原料顆粒的條件下，這樣的濃度可能會(huì)使這樣小的顆粒的總表面積能熄滅燃燒器射出的火焰。這樣的情形在根據(jù)下面描述的本發(fā)明的一個(gè)方面，即熱量利用的水平受到限制的操作中特別令人擔(dān)心。但與這種可能性相反，隨顆粒的軟化和部分熔化以及在燃燒器下游的室內(nèi)本身再成形，可以在這樣高的濃度下操作，而不會(huì)熄滅火焰，不會(huì)有不希望的顆粒相互聚集和在室壁上聚集。
根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)方面，焰鋒和至少產(chǎn)生的火焰的主要部分維持在延伸到火焰前鋒下游的無爐壁的區(qū)域，同時(shí)使懸浮顆粒在所述區(qū)域保持處于分散狀態(tài)。無爐壁區(qū)的性質(zhì)和意義和其具體示意例子將在下文和附圖中描述。無壁區(qū)域形狀和大小應(yīng)能基本上禁止熔融顆粒與燃燒器、區(qū)和傳送設(shè)備的表面接觸，最好將這樣的接觸限制到可忽略的程度。
在無壁區(qū)進(jìn)行本方法的一些特征點(diǎn)。通過燃燒可燃性混合物，使熱傳輸至分散的原料顆粒，來加熱原料顆粒。不規(guī)則形狀的顆粒至少在其表面至少部分熔融。使燃燒氣體膨脹，原料顆粒熔融，產(chǎn)生至少部分熔凝的含大致為橢球體的分散產(chǎn)品顆粒的散裝顆粒產(chǎn)品。
較好是存在充分的燃燒氣體膨脹以及原料的熔融，產(chǎn)生至少有約15％(體積)，較好的至少約有30％(體積)的分散的大致為橢球體的顆粒。較好的實(shí)施方案可產(chǎn)生多達(dá)約90％，更好的約多達(dá)99％的分散的大致為橢球體的顆粒。燃燒氣流的膨脹使顆粒保持相互分開，同時(shí)在顆粒處于軟化或半熔融或完全熔融狀態(tài)下，減少顆粒碰撞和聚集的機(jī)會(huì)。聚集減少了分散顆粒的數(shù)量，使產(chǎn)生的聚集顆粒的粒度大于原料顆粒。
采用下面的試驗(yàn)確定和監(jiān)控膨脹的充分?jǐn)?shù)量和原料顆粒與釋放的熱的充分比值。測定產(chǎn)物顆粒的粒度超出原料顆粒的粒度的數(shù)值(如果有的話)。這一測定，在原料顆粒情況下，基于使用流化劑和/或施加分散力之前的顆粒條件。各粒度值是按上面所述在水、乙醇或其它合適的液體中攪拌樣品測得的。
以任何合適的方式，例如激光衍射技術(shù)或通過分析樣品的掃描電子顯微鏡圖象可以獲得粒度值。較好的產(chǎn)物樣品的90％粒度值減去制備該產(chǎn)品的原料樣品的90％的原始粒度值的超出量(如果有的話)，最高的為原始粒度的約30％，更好的在最高至約20％，最好高至約10％的范圍，按重量計(jì)，或考慮到產(chǎn)品顆粒中可能存在的空隙而作適當(dāng)修正后按體積計(jì)。
由于空隙的存在使產(chǎn)品顯得較不存在空隙時(shí)大，因此會(huì)錯(cuò)誤地認(rèn)為存在聚集，而實(shí)際上未發(fā)生，所以須對空隙做出校正?？梢圆捎妙w粒的比重測定和光學(xué)法做出這種校正。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，產(chǎn)生每磅(千克)大致為橢球體的顆粒所使用的總熱量在約500(278)至約25,000(13,889)B.T.U.(千卡)范圍。這一總熱量包括加熱和預(yù)熱(如果有的話)顆粒、可燃性混合物組分和可燃性混合物本身所用的熱量?？偀崃窟€包括膨脹所用的熱量和熱損失的熱量，包括使用冷卻氣體(如果有的話)所伴隨的熱損失。
熱利用值對容易熔融的顆粒(如珍珠石)較低，對難以熔融的顆粒(如硅石)較高。原材料按照數(shù)值為1-7的Penfield“材料熔融指數(shù)”評價(jià)。采用本發(fā)明以及采用這一系數(shù)作為對不同耐熔融材料的鑒別指標(biāo)，會(huì)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明方法提供的產(chǎn)品，其熱消耗，按B.T.U./磅產(chǎn)品計(jì)，約小于7,000+(3000×(材料熔融指數(shù))/7)，較好的小于5,000+(3000×(材料熔融指數(shù))/7)，按照千卡/千克計(jì)，等價(jià)于3,889+(1667×(材料熔融指數(shù))/7)，較好的是2,778+(1191×(材料熔融指數(shù))/7)。注BTU/磅×0.55556＝千卡/千克。
不同原材料的熔化或軟化溫度的差別和原料轉(zhuǎn)化為大致的橢球體顆粒的程度將要求適當(dāng)調(diào)節(jié)原料速度和/或熱輸入量。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易借助于本發(fā)明披露的內(nèi)容，無需試驗(yàn)，能很容易地建立以原料粒度、熔點(diǎn)或軟化點(diǎn)與原料速度作為一個(gè)方面，與以可燃性氣體的組成和流速作為另一方面之間的合適的綜合關(guān)系。
最好在熔融進(jìn)行到所需的程度后迅速使顆粒冷卻。例如，優(yōu)選的冷卻速度約為超過100℃/秒，更好的超過200℃/秒，最好超過300℃/秒。通過讓冷卻空氣以最小湍流與熔化的顆粒接觸，能較好地有助于顆粒的輻射和對流冷卻。這可以使仍熔化或仍軟化的顆粒因相互碰撞或與生產(chǎn)設(shè)備表面碰撞而引起增大的可能性減小。
可以在一個(gè)步驟進(jìn)行全部的熔融操作，使不規(guī)則的晶體原料顆粒至少部分轉(zhuǎn)化為大致的橢球體形狀。因此，本發(fā)明的組合物中固體顆粒約有15-100％(體積)，更好約有50-100％(體積)，最好約有75-100％(體積)是大致的橢球體顆粒形式。對某些用途，使產(chǎn)物中不規(guī)則形狀顆粒量最小非常重要，大致的橢球體顆粒的百分?jǐn)?shù)可在組合物的固體含量的約90-100％范圍。
當(dāng)采用預(yù)先熔化的固體原料顆粒(例如任何類型的研磨玻璃)時(shí)，本方法在這有限程度上與已有的燃燒拋光技術(shù)相同。然而，用本發(fā)明的較佳方式是直接熔融方法，其中原料材料或至少其大部分并不是先以熔融物連續(xù)體存在的。因此，術(shù)語直接熔融是指，對不規(guī)則形狀的基本上由一種或多種特定材料組成的固體原料顆粒進(jìn)行充分分散、加熱和熔化或軟化，使原料顆粒保持分散和懸浮在熱氣體中并受表面張力的影響，將它們轉(zhuǎn)變成大致為橢球體的顆粒的方法。這種形成方法制成的粉末中組成顆粒的各顆粒的化學(xué)組分可有所不同，且在一些情況下有剩余結(jié)晶度，這是間接方法制得的顆粒所沒有的。
顆?？梢杂萌魏魏线m形式被預(yù)熱，在熔融步驟中，是通過與顆粒分散在其中的產(chǎn)生火焰的燃燒氣體接觸而將熱量傳遞給原料顆粒。更具體的，本發(fā)明包括預(yù)先將原料顆?；旌蠆A帶入流動(dòng)的可燃?xì)怏w中，在顆粒存在時(shí)引燃?xì)怏w將其加熱至熔融溫度，使顆粒在燃燒氣體和火焰下游一段距離內(nèi)處于懸浮狀態(tài)。
當(dāng)它們停留在火焰中，及可能在火焰外繼續(xù)與熱的燃燒氣體接觸時(shí)，顆粒在足以將它們?nèi)刍蜍浕侥骋怀潭鹊臏囟认戮S持一段時(shí)間，在該程度下使得獲得的熔融或部分熔融顆?；蛞旱蝺?nèi)的表面張力足以將相當(dāng)大量的原料顆粒轉(zhuǎn)變成橢球體形態(tài)。顆粒從其原先非熔融狀態(tài)進(jìn)入到至少部分熔融的狀態(tài)的流動(dòng)可以沿任何合適的方向，包括例如水平和/或垂直方向，其中垂直向下流動(dòng)是較佳的。
在用上述方法進(jìn)行操作時(shí)，可以獲得部分熔融的散裝顆粒產(chǎn)品，其平均粒度(以體積計(jì))最高為約25、約15或約10微米，或者有90％最高為約60、約40或最高為30微米(以體積計(jì))。
獲得有更小粒度的產(chǎn)品是非常有價(jià)值的。本發(fā)明能夠獲得玻璃態(tài)流紋巖、硅石為基的和硅酸鹽為基的產(chǎn)品，其平均粒度以體積計(jì)最高為約8微米或較佳的最高為6微米。
根據(jù)(至少部分)原料顆粒是否含有足夠的揮發(fā)性材料以在產(chǎn)品中產(chǎn)生空隙，可燃?xì)怏w混合物中有高濃度的原料和有效控制熱量利用率的操作(兩者在上文均有描述)可對產(chǎn)品產(chǎn)生一種或多種有用的效果。這些效果包括在產(chǎn)品顆粒中形成空隙體積和/或密度比原料低的產(chǎn)物和/或存在一些不規(guī)則原料顆粒，或這些效果中的兩種或多種的組合。
比重的降低部分是由于產(chǎn)品中有一些夾有空隙的中空顆粒存在，或者是喪失結(jié)晶態(tài)并轉(zhuǎn)變成較低密度的“玻璃態(tài)”物相的現(xiàn)象的結(jié)果。無論如何解釋，這些減少可為生產(chǎn)和所得粉末的應(yīng)用提供好處。增加的體積和減少的密度通常是產(chǎn)品較佳的特征，在長期生產(chǎn)期間，甚至很小的體積增加也可為相同體積的銷售產(chǎn)品節(jié)省相當(dāng)多的燃料。因此，本發(fā)明大致為橢球體的產(chǎn)品比重最好比原料材料的比重低約1-15％，更佳的低約1-10％。
通過調(diào)節(jié)或維持燃料、空氣混合物和原料材料量或其它工作材料或條件，可控制火焰釋放的熱能量，以維持產(chǎn)品中的空隙比不可避免而產(chǎn)生的空隙有可檢測的的增大(例如低達(dá)約1至約3％，或約1至約2％)，使得燃燒能量可有效使用，并且空隙量可作為能量有效使用的指示劑。因此，將工作條件控制在使部分熔融散裝顆粒產(chǎn)品中產(chǎn)生以產(chǎn)品體積計(jì)至少為約1％的空隙體積的條件下是較佳的。然而，產(chǎn)品中空隙體積的量可以至少為約3或至少為約5％。另一方面，空隙體積可高達(dá)約12或約15或高達(dá)約20％。例如，可考慮空隙體積在約1至約15％或約1至約10％(重量)范圍內(nèi)。
上述高原料濃度和控制熱量利用率可使一些不規(guī)則的原料顆粒存在于產(chǎn)品中，無論是否有大量空隙產(chǎn)生。從能量利用角度出發(fā)，這種操作方式也是有利的，例如可生產(chǎn)含有高達(dá)約99％、較佳的高達(dá)約95％、更佳的高達(dá)約90％(體積)的大致為橢球體、基本上是玻璃態(tài)的熔融分散顆粒，并存在相應(yīng)數(shù)量的不規(guī)則產(chǎn)品顆粒的產(chǎn)品。
較佳的，本發(fā)明的組合物中固體顆粒的碳含量應(yīng)受限制。除了施用于固體顆粒表面的有機(jī)材料中的碳以外，碳含量應(yīng)限制在最高為固體顆?？傊亓康募s0.2％，較佳的最高為約0.15％或更佳的最高為約0.1％(重量)。
本發(fā)明較佳的產(chǎn)品含有很少或基本上不含赤鐵礦、天然剛玉砂、磁鐵礦或其它深色含鐵礦。例如它們可含有最高約為0.2、較佳的最高為約0.1、更佳的最高為0.05％(重量)的Fe2O3和/或Fe3O4。含量限制同樣也適于錳如MnO和其它金屬(這些金屬的氧化物或其它化合物會(huì)使產(chǎn)品著色)。在不是強(qiáng)烈上色的氧化亞鐵FeO情況中，較佳的產(chǎn)品可含有最高為約5％、較佳的最高約為2％、更佳的最高約為1％(重量)的氧化亞鐵。
在通過控制燃料中的碳類型和含量和原料材料中碳和其它色料的類型和含量來實(shí)施本發(fā)明時(shí)，人們可制得亮度水平可使產(chǎn)品特別適用于各種最終用途(其中的某些將在下文描述)的固體顆粒產(chǎn)品。例如，可設(shè)想得到亮度至少為約60較佳的至少約為80的產(chǎn)品。
本發(fā)明產(chǎn)品的特征是具有與一種或多種原料材料(包括其混合物)基本相應(yīng)的化學(xué)組分。術(shù)語“基本相應(yīng)”是指化學(xué)組分與基本上由至少一種材料組成的原料材料至少部分熔融產(chǎn)生的物質(zhì)相同。然而，基本相應(yīng)這個(gè)詞語也用來包括采用不同生產(chǎn)技術(shù)的可能性以及原料材料的化學(xué)組分與獲得產(chǎn)品的化學(xué)組分不同的可能性。例如原料材料和產(chǎn)品之間的化學(xué)組分不同可能是由于點(diǎn)燃時(shí)會(huì)失去的材料的離去和礦物中不同數(shù)量的其它部分由于高溫?fù)]發(fā)的損失(其它部分通常在原料材料中最高占約5％(重量))。
當(dāng)原料材料或固體原料顆粒的其它部分中包括晶態(tài)物質(zhì)時(shí)，至少部分熔融的過程將破壞至少部分結(jié)晶形態(tài)。這一現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理還沒有被證實(shí)，但是理論上可認(rèn)為各顆粒至少有一部分被升高至高于晶態(tài)物質(zhì)的分解溫度。各顆粒中至少部分(通常是大部分)的結(jié)晶結(jié)構(gòu)將被破壞。
應(yīng)當(dāng)理解盡管獲得的顆粒的結(jié)晶性降低，但是顆粒不是每種情況下均能適當(dāng)?shù)胤Q為完全非晶形。因此，顆粒產(chǎn)品在這里稱為“基本上是玻璃態(tài)”。該術(shù)語意圖包括這一可能性，即大致為橢球體的產(chǎn)品顆粒含有其原先的一些但不是全部的結(jié)晶性，被轉(zhuǎn)變成的形態(tài)有大致為橢球形的表面(其光潔度與玻璃類似)，至少產(chǎn)品顆粒的表面部分是非晶形的。
然而，從晶態(tài)原料材料制得的大致為橢球體的顆粒中晶體含量并沒有不能大幅度降低的理論原因。因此，在這些顆粒中，可認(rèn)為大多數(shù)(如果不是全部)原先存在于這些顆粒中的結(jié)晶結(jié)構(gòu)在熔融操作中被破壞，這可能也甚至是較佳的。
當(dāng)然，含有大致為橢球體、基本上玻璃態(tài)的顆粒(分別包括特定化學(xué)組分的顆粒)的本發(fā)明的產(chǎn)品也可含有基本上是或不是玻璃態(tài)的相同或其它組合物的顆粒。這種基本上不是玻璃態(tài)的已通過熔融區(qū)的顆粒，可以經(jīng)受過熔融或未經(jīng)受過熔融，在后一情況中可保留大多數(shù)(如果不是全部)它們原有的結(jié)晶度和/或表面粗糙度。那些結(jié)晶性顆粒和基本上玻璃態(tài)的顆粒數(shù)量都很多的熔融產(chǎn)品可稱為“晶態(tài)無定形(crysto-morphic)”的。
根據(jù)本發(fā)明制得的產(chǎn)品的結(jié)晶性可以按“總結(jié)晶度”來測定，這意味著可用X-射線衍射來測定含有熔融的和基本上不熔融的顆粒的樣品的結(jié)晶性，而不必測定兩種不同產(chǎn)品中存在的結(jié)晶性的量。如此測得的結(jié)晶性可以重量百分比來表示，以樣品的總重量計(jì)。根據(jù)這種測定方法，可設(shè)想含有高達(dá)約90％、較佳的含有約0.1-75％、更佳的含有約5-60％的結(jié)晶性的產(chǎn)品。在一些情況下，幾乎完全轉(zhuǎn)變成大致為橢球體的產(chǎn)品可伴隨驚人的高殘余結(jié)晶水平(如20％的結(jié)晶性)而發(fā)生?？梢岳斫猓瑥姆墙Y(jié)晶原料材料制成的產(chǎn)品基本上保持非晶形或玻璃態(tài)。
下面將參照附圖來描述用于發(fā)明方法生產(chǎn)本發(fā)明產(chǎn)品的較佳形式的設(shè)備，該設(shè)備也被用來實(shí)施下述的實(shí)施例。然而，應(yīng)當(dāng)理解公開的設(shè)備只是用于說明，本發(fā)明不應(yīng)受描述的特定裝置的限制。
圖1和2顯示的說明性設(shè)備包括分開的含氧氣體源1和燃料源2，并可包括或不包括含氧氣體和/或燃料的預(yù)熱裝置。因此，例如，過濾后的含氧氣體從其來源1通過合適的壓縮機(jī)或鼓風(fēng)機(jī)(未顯示)、閥門(未顯示)和流量計(jì)量裝置(未顯示)進(jìn)入含氧氣體管道3，以提供可調(diào)節(jié)的穩(wěn)定的含氧氣體流。燃料氣體在從其來源2通過其獨(dú)立的閥門(未顯示)、流量計(jì)量裝置(未顯示)和輸送管道4后在接口5處被以穩(wěn)定的流率可調(diào)節(jié)地抽入管道3處。在那里如果需要可裝有一個(gè)控制流量的小孔以使燃料體積與通常較大的含氧氣體的體積相適應(yīng)。例如當(dāng)含氧氣體是空氣而燃料是天然氣時(shí)，可采用約為10∶1的體積比。
在引燃燃料前使獲得的支持燃燒的氣體混合物與原料材料的預(yù)混合可在Y形管6中進(jìn)行，它是大致為“Y”形的混合接頭，其上部有相交的氣體和原料輸入支路7和8，它們匯合并一起進(jìn)入較低的輸出支路9。氣體輸入支路7是含氧氣體管道3的垂直延伸部分。原料輸入支路8也向上延伸，但是傾斜于垂直線，與氣體輸入支路7間以銳角相交，例如約10-45°。
原料流入原料輸入支路8的均勻速率是通過在適中的濕度和溫度如室溫下，使原料從振動(dòng)卸料斗13投料至振動(dòng)輸送器14上并從該輸送器進(jìn)入原料輸入支路的入口15來實(shí)現(xiàn)的。帶有機(jī)械攪拌的漏斗和振動(dòng)輔助卸料的失重螺旋進(jìn)料器可用來輸入十分細(xì)的粉末。供應(yīng)管道16提供了一定量的分散氣體如空氣，因此它可在待燃燒的支持燃燒氣體中占一小部分。如圖2(圖1放大的部分橫截面)更詳細(xì)地顯示，來自供應(yīng)管道16的分散氣體通過噴嘴17進(jìn)入原料輸入支路8以將原料從入口15抽入支路8，并且通過文丘里管18以幫助原料顆粒的分散。預(yù)分散在分散氣體中的原料顆粒通過原料輸入支路8的斜切出口19進(jìn)入Y形管6的交會(huì)處，然后在那里混合并進(jìn)一步分散在通過氣體輸入支路7機(jī)械向下通過的燃燒氣體中。
原料在燃燒氣體中的分散可通過選擇Y形管中混合的氣體和原料之比和氣體輸入支路7延續(xù)進(jìn)入Y形管6的出口支路9的每單位氣體管道橫截面的氣體體積流速來實(shí)現(xiàn)并增強(qiáng)。在用這里描述的設(shè)備進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，采用比例約為0.9至約9磅原料/1000ft3(立方英尺，15℃)的燃料-空氣混合物?？扇?xì)怏w的通過量例如為400ft3/小時(shí)通過面積約為1平方英寸的氣體管道。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在其它裝置中工作時(shí)的比例和流速范圍，以及在這種裝置下工作的最佳范圍可與剛才給出的不同，它們可通過實(shí)驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)，而這些實(shí)驗(yàn)根據(jù)本公開是很容易進(jìn)行的，并不需要特殊的實(shí)驗(yàn)方法。使支持燃燒的氣體通過高能噴嘴噴射入原料顆粒中的量最大以加速原料顆粒并通過剪切和碰撞來打碎聚集物是特別重要的。為使細(xì)粉末高速充分分散，顆粒和燃燒氣體可通過使它們通過錘磨機(jī)、盤磨機(jī)或其它消除聚集的裝置(作為唯一的分散方法，或作為原料顆粒上游預(yù)處理方法，原料顆粒也可靠流化劑和/或公開的空氣噴嘴來分散)來實(shí)現(xiàn)。
從圖1中可看出，在本發(fā)明較佳的實(shí)施例中，燃燒器20是向下排氣的“緊密連接”的氣體燃燒器，裝有一個(gè)直徑為1.75英寸的火焰維持噴口22，內(nèi)部起動(dòng)噴咀可通入單獨(dú)的不含原料顆粒的空氣和氣體流。該燃燒器在上述Reed work第431頁有所描述。在本發(fā)明實(shí)施例中，該燃燒器頂部有一個(gè)通用入口21以接受來自Y形管6的輸出支路9的顆粒和支持燃燒氣體的混合物。
燃燒器20的噴口22穿過燃燒室27的上方水平室壁26。壁26上的在噴口22外表面周圍的環(huán)形開口是冷卻空氣的入口28。在低于該開口的短距離內(nèi)，即在噴口22的底部是大致水平的燃燒嘴29，用來將燃燒氣體和夾帶的原料排放至燃燒室27中。當(dāng)顆粒-可燃?xì)怏w混合物離開燃燒嘴29并繼續(xù)向下進(jìn)入燃燒室27時(shí)發(fā)生燃燒。
盡管上述Y形管中氣體通道和燃燒器中的內(nèi)部橫截面可以在很寬范圍變化，但是這些尺寸間應(yīng)當(dāng)維持一定的平衡。選擇這些尺寸所要達(dá)到的目標(biāo)是使原料顆粒分散在產(chǎn)生的火焰中，并使通過燃燒嘴29的流速充分高，在可得到的氣體和原料體積流速下以消除或有效防止“回火”(火焰退回燃燒器20內(nèi))。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，可采用其它各種燃燒器結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。
在“沒有壁”的環(huán)境下從燃燒器產(chǎn)生火焰被認(rèn)為是有利的。這就意味著燃燒室27的側(cè)壁32應(yīng)位于離燃燒嘴29發(fā)出的火焰路徑的側(cè)向或橫向的預(yù)定距離處。側(cè)壁32與火焰邊界應(yīng)有充足的橫向或側(cè)向距離，以使火焰在橫向或側(cè)向方向上有很大的擴(kuò)展自由空間?；蛘撸摼嚯x應(yīng)足以基本上抑制或基本上防止至少是在火焰中部分熔融的熔化或軟化的且仍處于非固化態(tài)的顆粒與側(cè)壁32接觸并粘附在其上。較佳的，該距離應(yīng)足以同時(shí)如上所述提供擴(kuò)展自由空間并抑制顆粒的粘附。
在本發(fā)明燃燒器例子中，燃燒嘴29位于燃燒器的延伸軸33上并沿該軸噴出火焰(大致沿著軸延伸方向)。因此，在這種情況下，側(cè)壁32位于離該軸側(cè)向或橫向的預(yù)定距離處，以提供上述的自由空間和/或抑制作用。側(cè)壁32可以是任何合適的形式，但在本例中從與軸33垂直的平面來看是圓柱形的，其直徑約為3英尺。
已有技術(shù)建議在燃燒區(qū)域(與火焰路徑垂直，并假定在燃燒器下游較短距離處)引入冷卻氣體。根據(jù)這些建議，火焰在與冷卻氣體接觸時(shí)熄滅，因此該技術(shù)可用來控制原料顆粒在熔融溫度下維持的時(shí)間。該系統(tǒng)可任選地用于本發(fā)明。然而，本發(fā)明也提供了并且較佳的采用了一種如下所述的不同但有利的冷卻技術(shù)。
在與本發(fā)明結(jié)合時(shí)，發(fā)現(xiàn)通過一股冷卻氣體如從上述開口28引入的空氣可有助于將熔化或軟化的顆粒從燃燒室側(cè)壁32(在一些情況下是上壁26)上隔離開來。該氣流例如可以是，且較佳的是使其以沿火焰的側(cè)向的并流方式緩緩從火焰和一個(gè)或多個(gè)所述壁之間通過。這里所用的術(shù)語緩緩象征著冷卻氣體的方向和/或流速與火焰是并流的，并使燃燒氣體可側(cè)向膨脹。該并流流動(dòng)至少發(fā)生在沿?zé)崛紵龤怏w中有火焰的區(qū)域的相當(dāng)大部分的長度內(nèi)，并也可發(fā)生在該區(qū)域下游的相當(dāng)大的距離內(nèi)。
建議冷卻氣體的方向應(yīng)建立或控制得使熱的燃燒氣體可繼續(xù)側(cè)向膨脹，而冷卻氣體可在燃燒氣體繼續(xù)側(cè)向膨脹時(shí)隨該氣體并流向下游流動(dòng)相當(dāng)長的距離。為實(shí)現(xiàn)該目的，建議應(yīng)控制或充分限制冷卻氣體的線速度以基本上抑制或防止冷卻氣體在鄰近熱燃燒氣體的中軸或中心處產(chǎn)生湍流。
然而，應(yīng)當(dāng)理解，單單有冷卻氣體靠近熱燃燒氣體時(shí)就會(huì)促使燃燒氣體外圍形成一些渦流，特別是當(dāng)它比燃燒氣體冷得多和/或比燃燒氣體移動(dòng)慢得多時(shí)。因此前述對于冷卻氣體的限制或控制的目的，是基本上抑制或防止冷卻氣體有任何直接整個(gè)破壞火焰的趨勢，較佳的也抑制或防止燃燒氣體從有火焰的區(qū)域繼續(xù)向下的流動(dòng)被離散。在本例中，燃燒室上壁26中圍繞燃燒器噴口22的空氣入口28基本上是環(huán)狀的，冷卻氣體受燃燒器和下游收集設(shè)備產(chǎn)生的牽引誘導(dǎo)以移動(dòng)幕簾形式進(jìn)入燃燒室，基本完全包圍在火焰外并同時(shí)完成分散顆粒、抑制聚集和冷卻氣體的其它上述功能。燃燒器下游的燃燒室中還可任意地補(bǔ)充加入空氣、水或其它合適的稀釋氣體。在任一情況下，最好引入足夠的冷卻量來使熱氣體在進(jìn)入輸送至收集裝置的導(dǎo)管前其溫度低于約800至約1200℃。
可采用任何合適的方法和措施來收集至少部分熔融的顆粒產(chǎn)品，本領(lǐng)域技術(shù)人員對合適的系統(tǒng)是非常熟知的。在本例中，燃燒室27有一個(gè)整體料斗部分36，其有圓錐形的或豎直漏斗狀的底部37，而產(chǎn)品靠重力作用和/或受下游收集設(shè)備提供的抽力落入底部37中。料斗36底部的出口38通過導(dǎo)管39與收集設(shè)備相連，收集設(shè)備例如是旋風(fēng)式的氣體-固體分離器40，其頂部和底部分別有氣體和顆粒產(chǎn)品的出口41和42。出口41可以與一個(gè)塵濾袋(未顯示)連接，如果需要可以和一個(gè)鼓風(fēng)機(jī)(未顯示)連接以提供通過收集設(shè)備的抽力。
在用上述方法熔化原料顆粒時(shí)，足夠的熱量被傳遞到分散的顆粒上以使各顆粒充分軟化或熔化，這樣表面張力可將相當(dāng)大部分的顆粒從其原先不規(guī)則的形狀轉(zhuǎn)變成基本上更規(guī)則的形狀，并使它們具有光滑的表面。然后使顆粒互不接觸并不和其它表面接觸直至它們被冷卻至沒有粘性。
如果可以對每個(gè)顆粒單獨(dú)進(jìn)行熔融并使其受表面張力的作用而沒有空氣流、其它顆粒或熔融裝置組件的干擾，沒有顆粒組分不均勻性，在合適的粘度下經(jīng)歷充足時(shí)間以及有均勻迅速的冷卻的話，獲得的產(chǎn)品顆粒將完全是球形的。然而，在實(shí)踐中，將發(fā)生一定量的干擾、不均一和停留時(shí)間及粘度的差異。因此，產(chǎn)品顆粒不是完美的球形。
這些不是完美球形的顆粒中的一些可以是形狀非常不規(guī)則的，在一些情況下大部分不規(guī)則顆粒是有意讓它們留在獲得的產(chǎn)品中的。然而，當(dāng)在如下所述的放大下觀察時(shí)大部分不規(guī)則的原料顆粒被轉(zhuǎn)變?yōu)橹辽俅笾聻闄E球體的形狀，并且當(dāng)獲得的產(chǎn)品(可以是直接生產(chǎn)出的、或包裝的、或與其它材料結(jié)合的形式用于任何合適的最終用途的產(chǎn)品)含有約15至99％、或約50至99％、或約75至99％或90至約99％(體積)的大致為橢球體的顆粒時(shí)就認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的。
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)特別好的實(shí)施例，產(chǎn)品含有的基本為球形的顆粒的量在這些體積百分比范圍的至少一個(gè)中。更具體的，對于那些產(chǎn)品顆粒的分散性被認(rèn)為是重要的最終用途，在本發(fā)明的組合物中，獲得的產(chǎn)品的上述部分(約15至100％(體積)的大致為橢球體的顆粒)本身應(yīng)含有約50至99％、較佳的約70至99％、更佳的約90至99％(體積)的基本分散的顆粒。
“大致為橢球體”的顆粒是指其放大的二維圖象顯示出大致為圓形的，沒有尖的角或邊，無論它們是否顯示出完全或基本上是圓形的、橢圓形的、球形的或任何其它圓的形狀。因此，除了真正圓形和橢圓形的形狀外，本發(fā)明還包括其它有彎曲的但不是圓形或橢圓形外形的形狀。
“基本上是球形”的顆粒是指其放大的二維圖象至少基本上是圓形的。如果顆粒的外形可以配合在兩個(gè)同心的真正圓形之間的范圍內(nèi)，而這兩個(gè)圓形直徑差值最高是較大直徑的約10％時(shí)，就可以認(rèn)為顆粒基本上是球形的。
通常，如果在給定顆粒和其它顆粒的放大視圖上，給定顆粒的圖象外形沒有與其它任何可見顆粒接觸或重疊，則認(rèn)為給定顆粒是“基本上分散的”。然而，如果給定顆粒的圖象與一個(gè)或任何數(shù)目的其它顆粒接觸或重疊，而所述其它所有顆粒的最大可見尺寸分別為給定顆粒最大可見尺寸的約10％時(shí)，給定顆粒仍被認(rèn)為基本上是分散的。
原料材料和產(chǎn)品顆粒的形狀、分散性和粒度通?？赏ㄟ^觀察其在放大倍數(shù)為1000倍的二維照片來判斷，如這里的圖3和4所示。這種圖象可由光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡或其它有相同或相當(dāng)放大倍數(shù)的合適的放大裝置來提供。只有在所觀察的圖象內(nèi)完全可見的顆粒才被認(rèn)為適合上述定義并適于用來測定存在的顆粒數(shù)量。用于這些分析的樣品應(yīng)制成使顆粒在放大視圖內(nèi)充分分散以盡量減少分散顆粒間的顆粒重疊(與圖3和圖4不同)。樣品中用來測定特定種類的顆粒的體積百分比的顆粒數(shù)應(yīng)當(dāng)充足，以提供可接受水平的置信度如約95％。
上述給出的大致為橢球體、基本上是球形和基本上是分散的定義適用于根據(jù)上述圖象以所述放大倍數(shù)來觀察的條件下，即便上述顆粒在較高水平的放大倍數(shù)下觀察不符合這些定義。因此，例如，即使顆粒在較高水平的放大倍數(shù)下顯示出圓形和/或光滑性較差，但只要顆粒在這一水平的放大倍數(shù)下表現(xiàn)出圓形輪廓和大部分或幾乎完全光滑的表面，那么就應(yīng)認(rèn)為顆粒是大致橢球體的。
測定不同大小和形狀(無論是大致橢球體的、基本上是球形的還是不規(guī)則的)的顆粒的粒度、分散性和體積百分比可參照Handbook of Mineral Dressing(A.F.Taggart，John Wiley & Sons，Inc.，New York，1945，19章，第118-120頁)所述的步驟。這一基本方法的許多改進(jìn)是該領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的。例如，可將LeicaQ570圖象分析系統(tǒng)與Leitz Ortholux顯微鏡或輸入有來自掃描SEM(掃描電子顯微鏡)照相數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源結(jié)合使用來分析合適制備的樣品的二維放大圖象。
這種自動(dòng)圖象分析系統(tǒng)可直接確定顆粒面積、周長和縱橫比，以測得所有(不論形狀)觀察顆粒的二維圖象中的等效圓半徑。這些數(shù)據(jù)基本上與所有觀察顆粒的真實(shí)值相對應(yīng)。這種系統(tǒng)很容易測得在選定粒度范圍的顆粒的等效圓直徑。
當(dāng)操作者提供了一個(gè)合適定義的“區(qū)別系數(shù)”后，這種系統(tǒng)就可區(qū)別基本上是橢球體或基本上球形的顆粒和不是這些類型的顆粒，并可測得基本上與屬于和不屬于這類的顆粒的累計(jì)面積對應(yīng)的面積值。被采用并在區(qū)別大致為橢球體的顆粒與非橢球體的顆粒時(shí)有明顯可信結(jié)果的區(qū)別系數(shù)如下，對其可以或不必進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)CSF÷AR＞0.55，其中CSF＝圓形系數(shù)(4π×顆粒面積÷顆粒周長2，從系統(tǒng)獲得)，和AR＝縱橫比(顆粒最大尺寸或直徑÷顆粒最小尺寸或直徑，從系統(tǒng)中獲得)。然后根據(jù)該領(lǐng)域熟知的公式，可將圖象屬于大致為橢球體或基本上為球形的顆粒的累計(jì)圖象面積與不屬于這范圍的顆粒的累計(jì)圖像面積分別換算成體積百分比。
上述種類的自動(dòng)圖象分析系統(tǒng)可以有顯示，操作者從其上可觀察被分析的顆粒。這種顯示使得操作者可用肉眼區(qū)別屬于和不屬于選定類別的顆粒，例如上述定義的大致為橢球體、基本上為球形或基本上是分散的。如此確定的顆?？煞诌x在各顆粒組中，然后自動(dòng)測定其累計(jì)面積，再將這些面積轉(zhuǎn)化成體積百分比。
下列實(shí)施例是在圖1和2所示的設(shè)備中進(jìn)行的，只是用來說明而不是限制發(fā)明范圍。
實(shí)施例1將800克肯薩斯火山灰(72.8％SiO2；14.6％Al2O3；5.8％K2O；3.9％Na2O；0.75％Fe2O3；0.28％CaO；2％H2O)和20克六甲基二硅氮烷和1500克1/4″氧化鋁球置于罐形球磨機(jī)中。在轉(zhuǎn)動(dòng)10小時(shí)后，回收自由流動(dòng)的有90％扁平不規(guī)則形狀，直徑小于10微米，密度為2.5g/cc顆粒的粉末。
在圖1和圖2的設(shè)備中，使空氣以270ft3/hr(立方英尺/小時(shí)，20℃下)流率計(jì)量通入含氧氣的氣體管道3。單獨(dú)將熱值為1000B.T.U./ft3的天然氣體以約35ft3/hr流率由燃料輸送管道4在接口5處計(jì)量抽入管道3內(nèi)。另外將80ft3/hr的空氣從供應(yīng)管道16和噴嘴17通過文丘里管18注入Y形管6的原料進(jìn)入支路8。
在約6.6分鐘的時(shí)間內(nèi)，有100克火山灰抽入夾帶在上述的空氣和天然氣的化學(xué)計(jì)量混合物中，并輸送至圖1和2的設(shè)備中指向下方的50000btu/hr的火焰中。熱氣體和夾帶的橢球體顆粒通過與室溫空氣接觸而冷卻。
固體顆?？捎靡粋€(gè)旋風(fēng)分離器來從氣體中分離出。粉末成品的密度為2.1g/cc，平均粒度為4.5微米。在顯微鏡觀察下，超過90％的火山灰橢球體顆粒有空隙，而這些“氣泡”是其平均顆粒密度比起始火山灰降低的原因。
實(shí)施例2從Degussa Corporation獲得合成的沉淀硅石產(chǎn)品“FK320”、“FK16”、“SIPERNAT22”、“SIPERNAT D17”、“EXTRUSIL”，以及合成的鋁硅酸鹽“SIPERNAT 44”。這些粉末的每一種含有3至22％的水，將粉末以上述方式分散在空氣和天然氣的化學(xué)計(jì)量火焰中以生成富含平均粒度為幾微米的球形顆粒的粉末?？障对僖淮未嬖谟谝恍┣蛐晤w粒中。
工業(yè)實(shí)用性本發(fā)明的產(chǎn)品可為工業(yè)提供基本上由固體顆粒組成的組合物，其中包括大致為橢球體的并且?guī)в谢驔]有其它形狀的顆粒。然而，由于顆粒產(chǎn)品的不同實(shí)際應(yīng)用，本發(fā)明組合物(后附權(quán)利要求中所指的)可以有許多不同的形態(tài)。下面給出了一些描述。
包括這里公開的固體顆粒的組合物可以采取這種固體顆粒(包括大致為橢球體的顆粒)和所有類型的聚合物的混合物形式，聚合物例如是熱塑性和熱固性樹脂、彈性體和其它物質(zhì)(包括所有普遍認(rèn)為是塑料的物質(zhì))。在這種混合物中，固體顆粒的體積(以顆粒和聚合物的總體積為基準(zhǔn))可以在約0.05％(如當(dāng)少量顆粒作為抗粘劑存在于薄膜中時(shí))至99.9％(如當(dāng)存在少量聚合物用于顆粒表面處理時(shí))的范圍內(nèi)。
Katz和Milewski(同上，第311至315頁)討論了玻璃珠粒在聚合物中的應(yīng)用。本發(fā)明的產(chǎn)品可用于許多這類用途，特別是因?yàn)楸景l(fā)明經(jīng)濟(jì)地提供了大致為橢球體、平均粒度最大為約15微米的顆粒的來源。同樣，只需對配方稍作調(diào)整，大致為橢球體的顆粒就可用于文獻(xiàn)中所述的以熔融硅石、球形氧化鋁、硅石、長石、碳酸鈣、霞石正長巖、三水合氧化鋁和其它顆粒作為添加劑或凈粉末的大多數(shù)(如果不是全部)用途。本發(fā)明的產(chǎn)品可代替給定應(yīng)用或制劑中所用的或含有的顆粒添加劑的至少一部分(在許多情況下可代替全部)。只需要稍作附加的調(diào)節(jié)以獲得所需的粘度、紋理或其它重要性質(zhì)。
對于生產(chǎn)復(fù)合材料(包括模制品和層壓板，它們有光滑的表面，有高度的耐磨損性和抗污染性)來說，平均直徑在約15微米或更小的顆粒是很重要的。因此，這些顆粒特別可用于氨基聚合物塑料、聚酯、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂和其它樹脂，以用來制備電氣運(yùn)輸工業(yè)和其它工業(yè)的各種模塑化合物和模塑部件、用作柜臺(tái)面板、梳妝臺(tái)(vanities)和其它建筑工業(yè)用途的分層混合物、層壓板和其它制品。為了這些目的，本發(fā)明的固體顆粒在和聚合物組成的各種混合物中，較佳的含量為整個(gè)組合物的體積的約5至約65％。
另一個(gè)有價(jià)值的最終用途是任何含有所述固體顆粒的聚合薄膜。例如，當(dāng)顆粒產(chǎn)品以足夠量摻入聚合薄膜中后，它可為所述薄膜提供抗粘連性質(zhì)。為了說明，將約0.05％至0.5％(體積)的這些產(chǎn)品均勻混合入聚乙烯和/或其它薄膜中可使那些薄膜在典型的倉庫條件下(如室溫高達(dá)45℃)以分層(包括卷繞)形式儲(chǔ)存時(shí)，薄膜層不會(huì)與另一薄膜層“粘結(jié)”或融合。在用于這些抗粘應(yīng)用的較佳產(chǎn)品中，90至100％(體積)的顆粒其直徑最高為約25微米，約80至100％(體積)的顆粒大致為橢球體。
顏料的調(diào)和劑是另一有價(jià)值的應(yīng)用?？山?jīng)濟(jì)地得到淺色小粒度的富含球形顆粒的產(chǎn)品，使得這些產(chǎn)品能作為填充劑加入液體涂布組合物中，加載量為所述組合物總體積的約5至約50％。使用有非常小的粒度并富含基本上為球形顆粒的顆粒產(chǎn)品時(shí)，粘度只有較小的增加，例如比用典型的不規(guī)則形狀顆粒的填充劑時(shí)粘度增加值的一半要小。用于這些應(yīng)用的較佳顆粒產(chǎn)品例子是那些Color Quest457納米亮度至少約為60、更佳的至少約為70、更佳的至少約為80的顆粒產(chǎn)品，其中有約90至100％(體積)的直徑最高為約25微米的顆粒，和75至100％(體積)的大致為橢球體或基本上為球形的顆粒。
本發(fā)明的組合物還包括可固化成固體裝飾或保護(hù)涂層的液體涂布組合物，包括建筑顏料、工業(yè)涂層、木著色劑和其它涂層。在這些組合物中，顆粒材料可用來(如果需要的話)代替其它昂貴的或引起環(huán)境問題的組分，如溶劑。同樣，有大量球形顆粒的產(chǎn)品(如那些含有70至約100％(體積)的大致為橢球體的顆粒的產(chǎn)品)可摻入涂層中以提高其耐久性。
本發(fā)明的產(chǎn)品也可以足夠量用于涂層中，以使它們有可控制的表面紋理，從而減少光澤度和提供“平整”效應(yīng)以提高抗污和耐磨性。這些應(yīng)用中較佳的產(chǎn)品是有90至100％(體積)的直徑最高為約25微米的顆粒并含有60至100％的大致為橢球體的顆粒的產(chǎn)品。
本發(fā)明很容易制得熔點(diǎn)高于玻璃珠粒熔點(diǎn)的固體顆粒，它可有效地用于包括金屬材料基質(zhì)的成形金屬部件，基質(zhì)內(nèi)分散有所述固體顆粒(例如作為添加劑)以改進(jìn)耐久性或硬度。這種金屬例如可選自鋅、鋁和含有至少一種所述金屬材料的合金。在這些組合物中，本發(fā)明的產(chǎn)品可節(jié)省重量和成本。
惰性的、非研磨性的大致為橢球體的填充劑可用于肥皂和化妝品制劑，因?yàn)樗鼈兛蔀檫@些制劑提供光滑的紋理。因此，它可提供有光滑紋理的流動(dòng)或可鋪展的物質(zhì)組合物，它包括本發(fā)明的固體顆粒，顆粒分散在藥學(xué)上可接受的賦形劑中以施用于人體或動(dòng)物的皮膚或其它身體部位。在這些應(yīng)用的許多情況下(如果不是所有應(yīng)用)顆粒產(chǎn)品必須不含重金屬和其它有毒物質(zhì)。在這些應(yīng)用較佳的產(chǎn)品中，約90至100％(體積)的固體顆粒的直徑最高為10微米，約90至100％(體積)的顆粒大致為橢球體或基本上是球形的。
造紙工業(yè)對所有類型的特殊填充劑有很大需求，因此本發(fā)明提供了制備有高度表面光潔度和耐久度的紙張的機(jī)會(huì)。因此，本發(fā)明可制成有光滑表面的網(wǎng)狀組合物，組合物包括紡織或無紡纖維作為網(wǎng)的主要結(jié)構(gòu)元件，而本發(fā)明的固體顆粒作為添加劑存在于網(wǎng)中，無論網(wǎng)是否包括聚合物。對于這些應(yīng)用，平均粒度最高為10微米的產(chǎn)品是較佳的。
本發(fā)明的固體顆?？捎糜谥苽湓S多填縫物、有機(jī)和無機(jī)膠結(jié)材料和其它組合物。它們中包括以光滑紋理的流動(dòng)或可鋪展粘合劑形式存在，有所述固體顆粒分散在其中的組合物。預(yù)期富含球形顆粒的本發(fā)明的產(chǎn)品(較佳的是那些含有約50至100％(體積)的大致為橢球體或基本上為球形的顆粒，且顆粒平均粒度最高為10微米的產(chǎn)品)可用作添加劑來改變粘合劑的性質(zhì)，為其提供以前沒有的膠粘性、彈性、伸長性和其它可能的性質(zhì)組合。其它有用的組合物包括至少含一種無機(jī)膠結(jié)材料形成組分與所述固體顆?；旌系姆勰．?dāng)外觀是重要的特征時(shí)，本發(fā)明的白色級產(chǎn)品可用于這些組合物中。例如Color Quest 457納米亮度至少為約80、平均粒度最高為約10微米的透明產(chǎn)品可較佳地用于牙科用組合物。
Katz和Milewski(同上)在第4章中描述了用有較大和較小直徑的顆粒的混合物來提供有高度“堆積”系數(shù)或高的堆積密度的組合體。該組合體對于復(fù)合物的配制是重要的，該復(fù)合物中大致為橢球體的顆粒占固體顆粒中非常高的體積比，因此只含有少量其它組分。在升高溫度下具有較高性能的復(fù)合物(如用于航天和其它應(yīng)用)可通過這些配制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明可容易地制成富含這些混合物所需的小粒度顆粒的產(chǎn)品。
本發(fā)明大致為橢球體的顆粒其本身或與其它材料的組合(包括例如其它類的固體或纖維顆粒)可用于形成不流動(dòng)多孔結(jié)構(gòu)。有這種結(jié)構(gòu)的顆?？赏ㄟ^高溫?zé)Y(jié)或使顆粒連接成塊(如通過加入少量粘合劑或膠結(jié)材料來實(shí)現(xiàn))來與其它顆粒臨時(shí)或永久性地粘結(jié)。這些產(chǎn)品可以塊狀、平板或其它形式用作為輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。通過選擇合適的粒度和結(jié)合試劑的濃度，可控制這些材料的空隙度來作為例如氣體和/或液體的濾器。根據(jù)本發(fā)明的顆?？善毡榈赜糜诳晒袒后w和固體聚合組合物。然而，由于與其它填充劑相比它們有較高的UV透光度，因此它們中至少有一些特別適用于UV-可固化組合物。
由于球形顆粒形狀，本發(fā)明的凈粉末型產(chǎn)品有不同尋常程度的潤滑性或觸摸光滑感。該性質(zhì)使得本發(fā)明中的那些(富含自由流動(dòng)的大致為橢球體的顆粒的實(shí)施例可適用于各種廣泛應(yīng)用，如用于各種控制摩擦場合的潤滑劑、保護(hù)皮膚的粉末、薄膜和紙層間的滑爽劑和用于總體上控制表面的膠粘性或粘附性的試劑。
采用硅烷類偶聯(lián)劑、有機(jī)鈦酸酯、表面活性劑、分散劑、潤濕劑、蝕刻劑(酸性或堿性)或其它試劑來進(jìn)行的任何形式的表面處理以及其它任何表面改性方法，可用以提高任何應(yīng)用中大致為橢球體的顆粒的性能。見“硅烷類偶聯(lián)劑”(SilaneCoupling Agents，Plueddemann，E.P.，2d Ed.，Plenum Press，1991)。關(guān)于用有機(jī)鈦酸酯和硅烷類偶聯(lián)劑來提高與聚合物的結(jié)合性質(zhì)的資料，也可參見美國專利3,834,924(Grillo)，3,290,165和3,567,680(Iannicelli)和4,268,320和4,294,750(Klingaman和Ehrenreich)。
上述的本發(fā)明產(chǎn)品的最終用途是目前最有吸引力的。前面公開的發(fā)明實(shí)施例及其最終用途只是用于描述，而不是用于限制本發(fā)明。因此，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為本發(fā)明包括所有屬于下列權(quán)利要求及其等效范圍內(nèi)所有實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)散裝粒子材料的方法，粒子材料包括固體的大致為橢球形的產(chǎn)品顆粒，所述方法包括A.將固體原料顆粒以氣態(tài)懸浮體形式分散在可燃?xì)怏w混合物的至少一部分中，固體原料顆粒包括約60至100％重量的至少一種原材料的不規(guī)則形狀顆粒，其中顆粒以體積計(jì)平均粒度最高為約25微米，和當(dāng)顆粒懸浮在由所述氣體混合物燃燒產(chǎn)生的熱氣體中流動(dòng)時(shí)，通過對材料加熱至少有部分可以轉(zhuǎn)變成大致為橢球形的顆粒；B.將可燃混合物和懸浮的原料顆粒輸送至焰鋒，混合物在焰鋒中引燃，混合物中原料顆粒的濃度在約0.05至約2磅/磅混合物間；C.維持焰鋒和至少大部分獲得的火焰在無壁的焰鋒延伸至下游間的區(qū)域內(nèi)，并維持懸浮原料顆粒在所述區(qū)內(nèi)內(nèi)處于分散態(tài)；D.通過可燃混合物的燃燒使熱傳遞到顆粒上來加熱所述無壁區(qū)內(nèi)的分散的原料顆粒；E.使所述區(qū)內(nèi)不規(guī)則形狀的顆粒至少其表面至少部分熔融；F.使燃燒氣體膨脹，使得所述區(qū)內(nèi)顆粒足量熔融，從而產(chǎn)生至少部分熔融的散裝粒子產(chǎn)品，其中約15至100％體積的熔融散裝粒子產(chǎn)品是大致為橢球形的分散產(chǎn)品顆粒；和G.將所用總熱量限制在約500至約25000B.T.U.s/磅產(chǎn)生的大致為橢球形產(chǎn)品顆粒范圍內(nèi)，其中熱量用于顆粒的熔融，顆粒、其它可燃混合物組分和可燃混合物本身的加熱和預(yù)熱，如果有的話，膨脹和熱損失。
2.一種生產(chǎn)散裝粒子材料的方法，粒子材料包括固體的大致為橢球形的產(chǎn)品顆粒，所述方法包括A.將固體原料顆粒以氣態(tài)懸浮體形式分散在可燃?xì)怏w混合物的至少一部分中，固體原料顆粒包括約60至100％重量的至少一種原材料的不規(guī)則形狀顆粒，其中顆粒以體積計(jì)平均粒度最高為約25微米，和在靜置和/或運(yùn)動(dòng)時(shí)顆粒團(tuán)受擠壓力時(shí)，顆粒有聚集并形成團(tuán)塊的趨勢，和當(dāng)顆粒懸浮在由所述氣體混合物燃燒產(chǎn)生的熱氣體中流動(dòng)時(shí)，通過對材料加熱至少有部分可以轉(zhuǎn)變成大致為橢球形的顆粒；B.對所述原料顆粒施加一定量的流化劑和/或分散力，以使原料顆粒分散在所述氣體混合物或其一部分中，使得在分散前后分別取樣的所述原料顆粒的原始和次級樣品的90％粒度之差，以體積計(jì)，在最高為原料顆粒原始粒度的約20％的范圍內(nèi)；C.當(dāng)將可燃混合物和懸浮的原料顆粒輸送至混合物在其中引燃的焰鋒時(shí)，防止懸浮原料顆粒聚集和重新聚集，并將懸浮顆粒沿焰鋒基本均勻分布；D.在維持懸浮原料顆粒處于分散態(tài)時(shí)，維持焰鋒和至少大部分獲得的火焰在焰鋒延伸至下游的無壁區(qū)域內(nèi)；E.通過可燃混合物的燃燒使熱傳遞到顆粒上來加熱所述無壁區(qū)內(nèi)的分散的原料顆粒；F.使不規(guī)則形狀顆粒至少在其表面至少部分熔融；G.使燃燒氣體在無壁區(qū)內(nèi)膨脹，并使原始顆粒重量與該區(qū)域內(nèi)釋放的每單位熱量的比值足夠大，以產(chǎn)生至少部分熔融的散裝顆粒產(chǎn)品，其中約15至100％體積的熔融散裝粒子產(chǎn)品是大致為橢球形的分散產(chǎn)品顆粒，和其中所述產(chǎn)品樣品的90％粒度的值，減去原料樣品的原始90％粒度后的差值，如果有的話，在最高為原始粒度的30％的范圍內(nèi)，粒度百分?jǐn)?shù)以重量計(jì)，或者在合適地對顆粒產(chǎn)品內(nèi)的空隙修正后以體積計(jì)。
3.一種生產(chǎn)散裝粒子材料的方法，粒子材料包括固體的大致為橢球形的產(chǎn)品顆粒，所述方法包括A.將固體原料顆粒以氣態(tài)懸浮體形式分散在至少部分可燃?xì)怏w的混合物中，固體原料顆粒包括約60至100％重量的至少一種原料材料的不規(guī)則形狀顆粒，其中顆粒以體積計(jì)平均粒度最高為約25微米，和在靜置和/或運(yùn)動(dòng)時(shí)顆粒團(tuán)受擠壓力時(shí)，顆粒有聚集并形成團(tuán)塊的趨勢，和當(dāng)顆粒懸浮在由所述氣體混合物燃燒產(chǎn)生的熱氣體中流動(dòng)時(shí)，通過對材料加熱至少有部分可以轉(zhuǎn)變成大致為橢球形的顆粒；B.對所述原料顆粒施加一定量的流化劑和/或沖擊力、剪切力或其它分散力，以使原料顆粒分散在所述氣體混合物或其部分中，這樣在分散前后分別取樣的所述原料顆粒的原始和次級樣品的90％粒度之差，以重量或體積計(jì)，在最高為原始分布的約20％范圍內(nèi)；C.在將原料顆粒分散在氣體混合物或其一部分中后，且當(dāng)將可燃混合物和懸浮的原料顆粒輸送至混合物在其中引燃的焰鋒時(shí)，防止懸浮原料顆粒聚集和重新聚集，并將懸浮顆粒沿焰鋒基本均勻分布，混合物中原料顆粒的濃度在約0.05至約2磅/磅混合物間；D.在維持懸浮原料顆粒處于分散態(tài)時(shí)，維持焰鋒和至少大部分獲得的火焰在焰鋒延伸至下游的無壁區(qū)域內(nèi)；E.通過可燃混合物的燃燒使熱傳遞到顆粒上來加熱分散的原料顆粒，混合物中夾帶有顆粒，處于約500至約2500攝氏度的熔融溫度下；F.使燃燒氣體膨脹，使得夾帶的原料顆粒在所述區(qū)內(nèi)熔融，以產(chǎn)生至少部分熔融的散裝粒子產(chǎn)品，其中約15至100％體積的熔融散裝粒子產(chǎn)品是大致為橢球形的分散產(chǎn)品顆粒；和G.將所用總熱量限制在約500至約25000B.T.U.s/磅產(chǎn)生的大致為橢球形產(chǎn)品顆粒范圍內(nèi)，其中熱量用于顆粒的熔融，顆粒、其它可燃混合物組分和可燃混合物本身的加熱和預(yù)熱，如果有的話，膨脹和熱損失。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)粒子材料的方法，其中所述原材料的平均粒度以體積計(jì)最高約為20、或約為15、或約為10、或約為5微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)顆粒的方法，其中顆粒在燃燒氣體內(nèi)熔融，燃燒氣體處于最高約為2000、或最高約為2300、或最高約為2500℃的熔融溫度下。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)顆粒的方法，其中顆粒在燃燒氣體內(nèi)熔融，燃燒氣體處于至少約為500、或至少約為700、或至少約為900℃的熔融溫度下。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)顆粒的方法，其中所述基本為橢球形的顆?？赏ㄟ^使所述原材料在燃燒氣體中經(jīng)過一次來回收。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)顆粒的方法，包括A.從燃燒氣體轉(zhuǎn)移充分的熱量至原材料，使第一部分顆粒中，1.至少使所述第一部分顆粒的外部體積熔融，和2.熔化的外部再分布，使所述的第一部分的不規(guī)則形狀顆粒的外表面轉(zhuǎn)化為具有光滑外表面的基本的橢球形，而顆粒的第二部分保持不規(guī)則形狀；和B.回收包括不規(guī)則形狀和規(guī)則形狀的顆粒的產(chǎn)品，所述的規(guī)則形狀的顆粒包括占回收產(chǎn)品體積的至少約15％的基本為橢球形形狀的顆粒。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)顆粒的方法，其特征還在于所述原材料主要由至少一種選自水合和未水合的硅石和硅酸鹽的材料組成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)顆粒材料的方法，其特征還在于所述原材料主要由至少一種選自硅灰石、堿長石、斜長石和霞石的材料組成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)顆粒材料的方法，其特征還在于所述原材料主要由玻璃碎片組成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)顆粒材料的方法，其特征還在于原材料的Color Quest 457納米亮度至少約為60或至少70，或至少約80。
13.一種生產(chǎn)散裝顆粒材料的方法，顆粒材料包括固體的大致為橢球形的產(chǎn)品顆粒，所述方法包括A.使不規(guī)則形狀的原料顆粒處于分散態(tài)，原材料包括至少一種選自熔化硅石、氧化鋁、硅酸鹽或氣態(tài)金屬氧化物的材料，其中顆粒懸浮在由所述氣體混合物燃燒產(chǎn)生的熱氣體中流動(dòng)時(shí)，通過對材料加熱至少有部分可以轉(zhuǎn)變成大致為橢球形的顆粒，以體積計(jì)，顆粒平均粒度最高為約15微米，和顆粒包括足量的揮發(fā)性材料以在至少部分熔融的產(chǎn)品顆粒中產(chǎn)生空隙，和B.在維持所述原料顆粒處于分散態(tài)時(shí)，對原料顆粒充分加熱以產(chǎn)生至少部分熔融的散裝顆粒產(chǎn)品，其中產(chǎn)品以體積計(jì)平均粒度最高為約15微米，產(chǎn)品含有以體積計(jì)約15至100％的熔融的大致為橢球形的分散的基本上為玻璃態(tài)的產(chǎn)品顆粒，和產(chǎn)品包括至少約1％的空隙體積，以產(chǎn)品顆粒的體積計(jì)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征還在于所述的空隙體積至少約為3或5％。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征還在于所述的空隙體積可高達(dá)約12或15％，或約20％。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征還在于所述的空隙體積在約為1至3％的范圍。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征還在于所述的空隙體積在約為1至2％的范圍。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征還在于所述的空隙體積在約為1至15重量％的范圍。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征還在于所述的空隙體積在約為1至10重量％的范圍。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征還在于在原材料中所述揮發(fā)性材料的量至少約為1或2重量％。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征還在于在原材料中所述揮發(fā)性材料的量最多為約7或10重量％，或最多達(dá)約25重量％。
22.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征還在于在原材料中所述揮發(fā)性材料的量在約為1至25重量％的范圍。
23.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征還在于在原材料中所述揮發(fā)性材料的量在約為2至10重量％的范圍。
24.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征還在于在原材料中所述揮發(fā)性材料包括結(jié)合的水。
25.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征還在于在原材料中所述揮發(fā)性材料包括含硫氣體。
26.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征還在于原料顆粒包括至少一種硅石。
27.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征還在于原料顆粒包括至少一種水合玻璃態(tài)的流紋巖。
28.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征還在于原料顆粒包括至少一種火山灰。
29.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征還在于原料顆粒，以體積計(jì)，包括約60-100％的主要由至少一種硅石組成的原材料。
30.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征還在于原料顆粒，以體積計(jì)，包括約60-100％的主要由至少一種水合玻璃態(tài)流紋巖組成的原材料。
31.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征還在于原料顆粒，以體積計(jì)，包括約60-100％的主要由至少一種火山灰組成的原材料。
32.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征還在于原料顆粒，以體積計(jì)，平均粒度在最大約10、或8或6微米的范圍。
33.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征還在于散裝顆粒產(chǎn)品在礦物油中測定的平均顆粒真密度至少約為1.8。
34.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征還在于散裝顆粒產(chǎn)品在礦物油中測定的平均真密度最多約為2.1。
35.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征還在于原料顆粒包括至少一種水合玻璃態(tài)流溫巖或火山灰，至少部分熔融的散裝顆粒產(chǎn)品顆粒的平均真密度，在礦物油中測定，至少約為1.8。
36.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征還在于原料顆粒包括至少一種硅石，至少部分熔融的散裝顆粒產(chǎn)品顆粒的平均真密度，在礦物油中測定，最多約為2.1。
37.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征還在于所使用的熱量，根據(jù)Penfield材料熔融指數(shù)，按B.U.T./磅產(chǎn)品計(jì)，小于約7,000+(3000×(材料熔融指數(shù))/7)或小于小于約5,000+(3000×(材料熔融指數(shù))/7)。
38.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征還在于原料顆粒在可燃性氣體混合物中的濃度至少約為0.05或0.1或0.2磅/磅燃燒混合物中的氣體。
39.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征還在于原料顆粒在可燃性氣體混合物中的濃度最多約為1.5或2磅/磅燃燒混合物中的氣體。
40.一種包括固體顆粒物質(zhì)的組合物，其中A.至少部分所述的固體顆粒是大致的橢球形和基本為玻璃態(tài)的顆粒；B.至少部分所述固體顆粒分別具有基本相應(yīng)于一種硅石或硅酸鹽的化學(xué)組成，當(dāng)硅石或硅酸鹽懸浮在由燃燒所述氣體混合物產(chǎn)生的熱氣體中流動(dòng)時(shí)，通過加熱可以使其至少部分轉(zhuǎn)化為大致的橢球形顆粒；和C.所述的組合物為以體積計(jì)，平均粒度在最大約為15微米的范圍，以產(chǎn)品顆粒的體積為基準(zhǔn)，包括至少約1％的空隙體積以所述組合物中的固體顆粒的總體積為基準(zhǔn)，包括約15-100體積％的所述大致的橢球形顆粒，該顆粒具有所述的化學(xué)組成。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的組合物，其特征還在于所述的空隙體積至少約為3或5％。
42.根據(jù)權(quán)利要求40所述的組合物，其特征還在于所述的空隙體積最多約為12或15％，或約20％。
43.根據(jù)權(quán)利要求40所述的組合物，其特征還在于至少部分所述的固體顆粒具有基本相應(yīng)于硬硅鈣石、雪硅鈣石、硅石或流紋巖的化學(xué)組成。
44.根據(jù)權(quán)利要求40所述的組合物，其特征還在于至少約60-100體積％的所述固體顆粒具有基本相應(yīng)于硅石的化學(xué)組成。
45.根據(jù)權(quán)利要求40所述的組合物，其特征還在于所述組合物，以體積計(jì)，其平均粒度在最大約為10或8，或6微米的范圍。
46.根據(jù)權(quán)利要求40所述的組合物，其特征還在于所述組合物包括約15-99體積％的所述大致的橢球形顆粒。
47.根據(jù)權(quán)利要求40所述的組合物，除了以有機(jī)物形式施用到固體顆粒表面的有機(jī)材料中的碳以外，產(chǎn)品的碳含量，以固體顆?？傊亓繛榛鶞?zhǔn)，限制在最多約0.2％，最多約0.15％或最多約0.1％。
48.根據(jù)權(quán)利要求40所述的組合物，其特征還在于該組合物的Color Quest納米亮度至少約為60或70，或至少約80。
全文摘要
本公開描述了生產(chǎn)包括固體的大致為橢球形的顆粒的散裝粒子材料的方法。以體積計(jì)平均粒度最高為25微米的不規(guī)則形狀的原料顆粒通過采用分散力和/或流化劑分散在可燃?xì)怏w混合物的至少一部分中。然后將含有懸浮顆粒的可燃混合物輸送至至少一個(gè)焰鋒處,并控制顆粒的聚集或重新聚集。在那里,混合物和懸浮顆粒均勻地沿焰鋒表面分布并以混合物中高顆粒濃度通過焰鋒。這一含有懸浮顆粒的焰鋒和獲得的火焰位于至少一個(gè)“無壁”區(qū)內(nèi)。在這些區(qū)域內(nèi),在維持顆粒分散加熱時(shí),火焰可以擴(kuò)張并有可控制的高效的熱利用率。在高的熱效率下,顆粒至少其表面發(fā)生至少部分熔融,而熔融時(shí)顆粒的聚集被抑制。
文檔編號(hào)C03C12/00GK1201443SQ96198075
公開日1998年12月9日 申請日期1996年9月20日 優(yōu)先權(quán)日1995年11月1日
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