（安全技术及工程专业论文）耐高温抗腐蚀无机纤维空气过滤材料研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 材料，在此基础上对漏嘴、漏板、坩埚和拉丝工艺参数做了设计，为下一步的工 业实验奠定了基础。 关键字：耐高温无机纤维滤料成型影响因素成型工艺 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nf a b r i co f i n o r g a n i c f i b e rw i t hh i g h t e m p e r a t u r e a n da n t i c o r r o s i v e a b s t r a c t f i l t r a t i o ni st h em o s ti m p o r t a n td u s t - r e m o v e dw a y , a n di t h a st h ev i r t u eo f h i g h e f f i c i e n c y ，c o n v e n i e n c e ，a n da d a p t a b l et o a l ld u s t f i l t r a t i o no nh i g ht e m p e r a t u r ei s t h ee f f e c t i v ew a yf o rh i g ht e m p e r a t u r ef t l m e b u t s o f a r , t h ec l e a n i n g o fh i g h t e m p e r a t u r ef u m e i sr e s t r i c t e db e c a u s eo ft h ew o r s ep e r f o r m a n c eo f h i g ht e m p e r a t u r e f a b r i c t h ef i l t r a t i o n t e m p e r a t u r e i sc o n f i n e dt o 2 8 0 ，w h i c hi s t h e a p p l i c a b l e t e m p e r a t u r e i no r d e rt os a v ee n e r g ya n ds a t i s f yu s i n g ，i th a db e e nt h ek e ys u b j e c tt oa l lt h e c o u n t r i e st h a ts t u d y i n gh i g ht e m p e r a t u r ef a b r i c t h i ss u b j e c ta i m st oa d o p tak i n do f r o c ke x i s t i n ge x t e n s i v e l y - b a s a l ta n dd e v e l o pak i n do fi n o r g a n i cl o n gf i b r e i tc a n b e a rh i 曲t e m p e r a t u r eo fm o r et h e5 0 0 。c a n dh a st h ee x p a n d i n gs t r u c t u r e ，s ow ec a n m a k e l o w - p r i c e dh i 曲t e m p e r a t u r ef i b r ec a l le n d u r em o r e t h a n2 8 0 。c a n dt h e na d o p t w e a v i n g a n dn o n w e a v i n g t e c h n o l o g i e st om a k eh i g h e f f i c i e n th i g ht e m p e r a t u r e f a b r i c i no r d e rt op r o b et h ep r o d u c t i o na n dp e r f o r m a n c eo ft h er o c ka n dt h ef i b r e ，f i r s t l y , t h e r e s e a r c hm u s tb eb a s e do i lt h ee x p e r i m e n ta b o u tt h ef i b r eo nt h ec h a r a c t e ro fp h y s i t s a n dc h e m i c s ，t h ep e r f o r m a n c eo ff i l t r a t i o n ，a n t i c o r r o s i v ea n de n d u r i n gt h eh i g h t e m p e r a t u r e b e f o r e p r o d u c i n g t h eb a s a l tf i b r e i n d u s t r i a l l y , w e h a v et o s t u d y t h er a w m a t e r i a l ，t h ef a c t o r so f f i b r eg r o w i n ga n dt e c h n i c s o nt h ec h o i c eo fr a wm a t e r i a l s ，c h o o s et h r e ep l a c el i a o n i n gj i a n p i n g ，l i a o n i n g b l a c kh i l l s ，h e i l u n g k i a n g j i x i ，a n dh a sc a r r i e do na n a l y s ec o m p l e t e l yo f c h e m i c a l c o m p o s i t i o n w ea n a l y s e t h er e l a t i o nb e t w e e nt e m p e r a t u r ea n dv i s c i d i t y ，a n a l y s e p e r f o r m a n c e s e s o fm e l t i n g b o d y a n dm o i s ta n ds oo n d r a wt h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s ( 1 ) b e c a u s eh i g hv i s c i d i t yb a s a l ti nj i a n p i n gi s u n s u i t a b l et oa c ta st h er a w - i v - 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t m a t e r i a l s e so ff i b r e s ow ec r ns e l e c tt h er o c k so ft h eo t h e r p l a c e sf o ru s e ； ( 2 ) t h et e m p e r a t u r eo f w i r ed r a w i n go ft h eb a s a l tf i b r ei sb e t w e e n13 5 0 14 0 0 ； ( 3 ) t h eu p p e rl i m i to f t h eb a s a l tf i b r ei sl o w e rt h a nw i r ed r a w i n gb ya b o u t10 0 s a r i s f yt h er e q u e s tf o rt h ew i r ed r a w i n gw o r k ； ( 4 ) i ti sr e l a t i v e l yb a d t h a tt h en a t u r eo f b a s a l t m e l t i n gb o d ys o a k i n gt ot h eb o a r d o f t h er h o d i u ma n dp l a t i n u m a c c o r d i n gt o t h er e s e a r c ho ft h e a b o v e ，w es e l e c tt h ec o r u n d u mb r i c ko f a l u m i n u mo x i d ef o rl l s ea n da c ta st h e g e n e r a t i o np l a t i n u mc r u c i b l em a t e r i a l ， p l a t i n u ma c ta sl e a kb o a r dm a t e r i a lb yr h o d i u m a l l o y , o nt h eb a s i so ft h i st ol e a k i n g m o u t h ，l e a k ，a n dw i r ed r a w i n gt e c h n o l o g yp a r a m e t e rd e s i g nc r u c i b l eb o a r d ，o f f e rt h e b a s i cd a t af o rn e x ti n d u s t r i a le x p e r i m e n t k e yw o r d s ：e n d u r i n gh i g ht e m p e r a t u r e ，i n o r g a n i cf i b e r , f i l t e rm e d i a ，e f f e c tf a c t o r o f m o l d i n g ，a r t sa n d c r a f t so f m o l d i n g v 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的，论文取得的研究成果 除加以标注和致谓十的地方外，不包含其他人已经发表或者撰写过的研究成果，也 不包括本文为获得其它学位而使用过的材料。与我一起工作的同志对本研究所做 的贡献均己在论文做了明确的说明并表示感谢。 本人签名 日期 吾谴 沙瑚裙 i 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出 过滤除尘是重要的高效除尘方式，由于它具有除尘效率高、对粉尘无选择性、 灵活方便等优点而被广泛应用于电力、冶金、建材、化工、水泥等行业，随着国 家对颗粒物排放标准的提高，袋式除尘器将会应用在更多的领域。而滤料是袋式 除尘器的核心部件，它的优劣直接影响到除尘效果。虽然现在滤料的品种繁多， 但质量高的耐高温、抗腐蚀的滤料还不多，高温过滤的温度基本上被限制在 2 8 0 。c ，即使价格昂贵的不锈钢和碳纤维滤料也只能承受4 0 0 。c 左右的温度，这 就极大的限制了高温烟气的净化。本课题首先对无机纤维( 主要是玻璃纤维) 滤料 的性能进行实验研究，然后提出制造一种新型的以岩石作为原料的无机纤维空气 过滤材料的思路，并对其原料采集选取、成型影响因素、拉丝工艺等进行研究， 最终实现工业生产。本课题所研制的玄武岩纤维，采用一种广泛存在于地球上的 岩石玄武岩，属无机长纤维，其耐高温性能达5 0 0 。c 以上，并使其具有膨体 结构，从而解决2 8 0 。c 以上，廉价的高温过滤的原材料，并采用织造及非织造工 艺制成高效高温过滤材料。 现在，已有许多关于玄武岩纤维科研项目的报道，在俄罗斯、乌克兰等国相 继研制成功后，美、中等国也先后开始了玄武岩纤维及其制品的研制开发工作。 俄罗斯把此项技术( 尤其是拉丝工艺参数、浸润剂配方技术) 视为机密，不向外透 露技术细节。这就需要中国的广大从事纤维生产、研究的人们努力攻关，争取早 日掌握这门技术。正是在这种情况下，营口建筑材料研究院等单位经过多年的研 究，已成功研制出主要用于建筑材料的玄武岩纤维，但用于空气过滤的纤维还没 有研制成功。本课题旨在通过与玻纤厂合作，拓宽玄武岩纤维的使用范围，将这 种材料用于包括空气过滤上，进而用到固液分离、防止噪声等环保领域。然而， 玄武岩纤维的研制和开发是个庞大的系统工程，需要多方面专家的合作，而首先 是要在有关玄武岩纤维的成型机理、影响因素等作些基础性实验，并进行拉丝工 艺参数设计等工作，为后续实验和课题做准备。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 国内外玄武岩纤维研发现状 1 2 1 前苏联早期研发情况 玄武岩纤维的系统报道基本来源于独联体国家8 。早在1 9 6 0 年代初期，莫 斯科郊区的玻璃复合材料及玻璃纤维研究院为7 伟r l 造具有特殊性能的玻璃纤维 材料，进彳亍了大量的研究工作，发现玄武岩纤维在一些性能上超过当时的玻璃纤 维。玄武岩纤维的强度比钢材还要高，而且在7 0 06 c 条件下强度不改变。这一特 性的发现，自然引起了苏联军方的注意，后来苏联国防部门下达项目给乌克兰基 辅材料问题研究院进行基础研究。在该院建成第三十七所( 即“绝热隔音材料科 研生产联合体”) 。真正的玄武岩连续纤维的成功制造是在苏联的改革初期。经 过了近年不断的实践，花费了上2 0 亿美元，苏联科学家才最终开发成功了玄武 岩连续纤维的生产工艺和技术。苏联解体前，乌克兰、俄罗斯、格鲁吉亚、吉尔 吉斯和哈萨克斯坦都曾建有玄武岩的熔炉，但是提供给市场的玄武岩纤维产品非 常少，甚至还不够做试验用的数量。1 9 9 1 年以后，有了玄武岩连续纤维的专利 登记，才陆续有文章发表。 1 。2 2 欧美及亚洲国家研发情况 1 9 7 2 年至1 9 7 5 年期间，美国的o w e n s 公司对玄武岩连续纤维也进行了大 量的研究工作，但未进行工业生产的研究开发，花费了大约2 0 亿美元，工作停 顿了。在8 0 年代初期，德国d b w 公司也进行了该项工作，几年后也停顿了。 欧盟对玄武岩纤维的发展也有一个专门的计划，近些年来，美国、韩国、中国、 日本也在开发玄武岩纤维的技术，但是不能进行工业化的批量生产。迄今为止， 除乌克兰、俄罗斯等独联体国家以外，世界上其他国家还没有一种不需要添加辅 助原料直接从玄武岩一次制成连续纤维的工业技术。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 。3 乌克兰和俄罗斯研发现状 现在乌克兰和俄罗斯各有一个拥有20 0 0 f f a 玄武岩( 不添加辅助原料) 连续 纤维产能力的工厂，2 0 0 1 年实际产量约各为8 0 0 t a 和5 0 0 f f a ，主要生产软席状、 毡状玄武岩棉和粗布型、板状玄武岩纤维板材料，用于吸音、保温、隔热、空气 过滤和替代石棉作刹车片、垫圈等用途。 1 2 4 我国研发情况 玄武岩纤维的生产及应用在国内尚属空白。我国虽然已经有几十条普通玄武 岩棉的生产线，但是尚无超细玄武岩棉和连续玄武岩纤维的应用生产，主要是拉 丝技术不过关。南京玻璃纤维研究设计院矿物棉研究所、黑龙江省鸡西市梨树区、 辽宁省营口市建筑材料研究所等国内有关单位，发挥自己的研发力量和玄武岩矿 石的资源优势，也在研究开发玄武岩连续纤维，有的已取得了一些阶段性的研究 成果。但是至今尚无直接从玄武岩一次制成连续纤维的工业技术和工业化的规模 生产。 1 3 玄武岩纤维的主要特性 玄武岩连续纤维与普通岩棉相比，在纤维性能方面有了质的飞跃，表现出高 弹性模量、高热稳定性、优异的介电性能以及优异的耐温、耐酸碱等性能3 1 。 1 3 1 优异的力学性能 连续玄武岩纤维比玻璃纤维具有更高的使用温度和杨氏模量( 见表1 1 ) 。加 拿大a l b a r r i e 公司研制出的玄武岩纤维拉伸强度达到48 4 0 m p a ，甚至超过了玻 璃纤维。玄武岩纤维的弹性模量s 也非常优异，优于玻璃纤维和e a d v a n t e x ，与 s 玻璃纤维相当。另外，它的软化点为9 6 0 。c ，最高使用温度达到9 0 0 。c 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表11玄武岩纤维与玻璃纤维、碳纤维及其它纤维的有关指标比较 t a b l e l 1 c o m p a r eo f t h eb a s a l tf i b e rc a r b o nf i b e ra n do t h e rf i b e r 纤维类型纤维密度( c m 3 )力学强度( m e a )弹性模n ( g p a )伸长率( 嘲 玻璃纤维 e 型玻纤 2 6 03 4 5 07 6 4 7 6 s 2 型玻纤 2 4 94 8 3 09 7 5 1 5 硅土纤维 2 1 62 0 6 4 1 2 石英纤维 2 2 03 4 3 8 碳纤维 大丝柬1 7 43 6 2 02 2 8l ，5 9 中丝束l8 05 1 0 02 4 12i 1 小丝束 1 8 06 2 1 02 9 720 9 芳香族聚 酰胺纤维 k e v l a r 2 91 4 43 6 2 04 1 48 7 5 k e v l a r l 4 91 4 73 4 8 01 8 61 8 6 玄武岩 纤维2 6 54 1 0 0 4 5 0 02 2 531 玄武岩纤维在2 5 0 c 下可提高拉伸强度3 0 ，而玻璃纤维却下降2 3 。玄武 岩纤维在热水作用下也能保持较高强度，例如在7 0 ( 2 热水作用下，一般玻璃纤 维不到2 0 0 h 便会失去强度，而玄武岩纤维的强度可保持12 0 0 h 。 1 3 2 稳定的化学性能 玄武岩纤维比e 玻璃纤维具有更加稳定的化学性能。对比玻璃纤维与玄武 岩纤维的化学成分可知，玄武岩中含有一些特殊组分，赋予其特定性能。譬如 a 1 2 0 3 能够提高熔体粘度，提高化学稳定性；而f e o 和f e 2 0 3 能够改变熔制参数， 影响导热性；k 2 0 、m g o 和t i 0 2 则能提高防水性能及耐腐蚀性。玄武岩纤维的 吸湿性 6 0 0 n ，断裂伸 长率 1 0 0 0 n ，断裂伸长率 3 0 0 0 n ，断裂伸长率 2 0 0 0 n ，断裂伸长率 2 7 。滤料 的经向变形常导致内滤式下进风口的堵塞，纬向变形对外滤式滤袋能加大滤袋与 框架的冲击磨损，降低滤袋的使用寿命。测得的断裂强力为：针刺毡经向： 1 6 4 7 n ，纬向：1 6 3 7 n ；伸长率一经向：4 4 4 ，纬向：1 0 6 4 ；平幅过滤布： 断裂强力一经向：2 5 6 0 n ，纬向：2 8 2 5 n ；断裂伸长率一经向：1 1 o ，纬向： 6 9 。均满足袋式除尘器用滤料滤袋技术条件对于断裂强力和断裂伸长的要求。 ( 2 ) 透气度： 透气度是指织物在两侧施加1 2 7 p a 压差时，单位时间、流过单位面积的空气 体积，是表征滤料透气性程度的物理量。滤料的透气度因滤料的结构型式和密 度大小而异，它虽然是表示洁净滤料阻力特性的一个指标，但它大于实际工况条 件下滤料透气度的一个数量级。所以对袋式除尘器来说，它的测试值只是在对不 同滤料的透气性进行比较时才有意义。当然。一般希望过滤材料在具有同等过滤 效率时，透气量越大约好，因为这意味着可以节约大量能源，在使用气流反吹清 灰的袋式除尘器中，在采用相同压力、相同风量的气流进行清灰时，选用透气量 大的织物做滤袋是的清灰效果要好于选用透气量小的织造物。透气度偏差大小反 映了滤料的质地均匀程度。所以在g b l 2 6 2 5 - - 9 0 中对透气度值未作规定，但对 透气度偏差的极限作了规定。标准规定非织造滤科的透气度偏差应 2 5 ，这 是为了确保滤料均匀，避免由于滤料制造不均匀而造成的局部阻力增加，破坏除 尘效果。 下面是测定的玻纤滤料和其它几种常见滤料的透气度的比较： 玻璃纤维平幅过滤布：21 6 m 3 m 2 r a i n ； 玻璃纤维针刺毡：1 2m 3 m 2 r a i n ； 涤纶针刺毡：6 9 8 m 3 m 2 r a i n ； p p s 针刺毡：1 1 6 m 3 m 2 。r a i n 。 查垄查兰塑兰堂堡! ! 墨 苎三主 垄垫堑堡窒墨垫鲞塑堑 从这个对比可以看出，玻璃纤维滤料的透气度都比较大。这就意味着在滤料 阻力和处理烟气量招周的情况下，玻纤滤料可以采用较大的过滤风速，从而减小 过滤面积并最终减少滤料数量。因此在其它条件都相同的时候应优先选用玻纤滤 料。 透气度偏差是衡量滤料质量的一个指标，对于合格滤料这个指标应该较小， 在国标规定的范围内，本实验所选用的滤料是专业厂家生产的优质产品，其透气 度偏差均小于8 ，应该认为是非常均匀的。 ( 3 ) 滤料阻力： 在过滤风速为0 】5 o m m i n 的状态下，气体通过洁净滤料流动时的雷诺数 很小，流动属于层流，其阻力可用下式表示： 。1 2 0 口阮“ p2 i 蚕矿” ( 2 1 ) 式中：v 滤速，c m s ： d 纤维直径，c m ： h 一纤维层厚，c m ； u 一气体粘滞系数，p a - s ： a 。一充填系数： 为便于一般隋况下比较滤料的阻力，设c 为洁净滤料的阻力系数： 】2 0 n 日口“ 铲i 菩矿 ( 2 - 2 ) 则洁净滤料的阻力： p 2 c v 测试时准备三块试样，将试样在标准大气中调湿2 4 h 后，夹持到滤料静态测 试仪上，改变滤速、测定n 种滤速v 下滤料两侧的阻力 c = 三杰誓 ( 2 3 ) 疗智址 ”“7 按上述方法将另两块滤料阻力系数测出，当误差小于1 0 时，取其平均值 作为该样品的阻力系数。下面是用这种方法测得的洁净玻璃纤维滤料的阻力特性 曲线。 东北大学硕士学位论文第二章无机纤维空气过滤材料 图2 ，1 玻璃纤维平幅过滤布静态阻力特性 f i g 21 s t a t i cp r e s s u r eo f g l a s sf i b e rm e d i a 图2 2 玻璃纤维针刺毡静态阻力特性 f i g 22s t a t i cp r e s s l t r eo fg l a s sf i b e rm e d i a 经计算得选用滤料的阻力系数为：8 0 2 m i n p a m 和9 9 3 m i n p a m 。 ( 4 ) 滤料的动态阻力： 在动态测试仪上，用规定的粉尘( 3 2 5 目滑石粉) ，模拟滤袋实际工况发尘， 同时记录时间与阻力的变化，阻力趋于稳定后记下终阻力然后清灰，再重新发尘。 如此连续进行5 次，从5 个终阻力中取最大值作为该滤料试样的终阻力。用这种 方法测得的选用滤料的动态阻力为6 5 o p a 和1 2 0 5 p a 。 ( 5 ) 滤料的滤尘特性； 东北大学硕士学位论文 第二章无机纤维空气过滤材料 a 滤料静态除尘率： 使用l c 滤料静态过滤性能测试装置可测定过滤材料的过滤效率。我们测得 的玻纤针刺毡的静态过滤效率为9 9 5 3 。滤料的过滤效率是一个随其上面附着 粉尘量增加而不断变化的参数。在发尘浓度稳定不变时，其过滤效率随粉尘负荷 而变化。洁净滤料的效率通常不是很高，含尘气体通过后，粉尘粒子被织物纤维 捕获并产生“架桥”现象，不但提高了捕尘效果，当在滤料内部和表面形成一种 均匀结构后，其效率也基本稳定不变，由于静态过滤效率测定的结果正是反应了 这个过程的平均效率，所以能以较大的准确度反映出不同织物对粉尘的捕集特 性。一般情况下，合格的滤料的效率都能大于9 9 5 ，因此除尘效率到不是我们 最关心的性能了。选用的两种滤料的效率均在9 9 6 以上。 b 滤料动态除尘率： 静态过滤效率主要反映滤料在形成粉尘层前期对粒子的捕集与阻留能力，但 布袋除尘器的滤料在工作中主要工作在形成粉尘层之后，其对粉尘粒子的捕获与 阻留不仅依赖于滤料本身，更多的是依赖粉尘层，由于粉尘层对粒子的阻留力很 强，所以动态除尘效率高于静态除尘效率，动态除尘除尘效率的测定真实的反映 了过滤材料在工作状态下的除尘效果。同静态除尘效率一样，动态效率是考察滤 料合格与否得重要指标，由于我们选用的是优质滤料，因此动态效率在9 9 8 以 上。 ( 6 ) 耐高温特性： 耐高温特性的研究方法是取滤料在2 8 0 。c 高温下连续烘烤2 4 小时和7 2 小 时，然后取出测定两方面数据。一是经向、纬向收缩或伸长情况；二是经向、纬 向断裂强力和断裂伸长率变化情况。 检测烘烤完的滤料断裂强力和断裂伸长率。结果如下： 东北大学硕士学位论文 第二章无机纤维空气过滤材料 表21 玻纤滤料的耐高温特性 t a b l e 2 1 t h ec h a r a c t e r i s t i co f g l a s sf i b e rm e d i a se n d u r i n gh i g ht e m p e r a t u r e 断裂强力保断裂伸氏率断裂伸长率的变化 滤料 断裂强力( n ) 持率( )( ) 隋况 经向纬向经向纬向经向纬向经向纬向 平幅过滤布 2 5 6 02 8 2 51 1 06 9 ( 常温) 平幅过滤布 2 4 5 72 7 9 69 5 9 89 8 9 71 0 6 2 75 2 基本没有变化 ( 烘烤) 针刺毡 1 6 4 71 6 3 74 4 41 0 6 4 ( 常温) 针刺毡 1 5 1 51 6 2 29 1 9 99 9 0 84 6 61 12 基本没有变化 ( 烘烤) 从以上的结果可以看出，玻璃纤维滤料的耐温特性是比较好的。其断裂强力 保持率在9 5 左右，断裂伸长率基本不变。因此玻璃纤维滤料可以高温烟气处 理上。 f 7 ) 耐酸碱性能： 研究的方法是将滤料分别浸泡在7 0 的硫酸和1 0o 6 0 的氢氧化钠7 2 小时，然 后测定其断裂强力。结果是其断裂强力基本保持不变，也就是说，玻璃纤维滤料 有优良的耐酸碱性能。 总之，玻璃纤维滤料具有耐腐蚀、尺寸稳定、粉尘剥离性好等优点，是处理 含湿量高、温度高、有腐蚀性化学成分烟尘的理想滤料。 尽管如此，玻璃纤维滤料在高温烟气处理上仍然受到限制，超过2 6 0 的高 温，玻璃纤维滤料就会失效，而玄武岩纤维却至少能在5 0 0 c 的高温而保持较高 的断裂强力，此外，玄武岩纤维的耐酸碱和耐水解性都要明显优于玻璃纤维( 在 第一章已有介绍) ，这样就会大大提高玄武岩纤维制品的使用范围和寿命；从另 一方面讲，玄武岩与玻璃纤维的成分大体相同，这就启发我们是否能用玄武岩作 为生产玻璃纤维的原料，事实上国内外己成功的开发出用在各行业的玄武岩纤 维，其生产工艺与玻纤相似，这也证实我们的推测，但目前还没有用在空气过滤 上的先例。要想用在空气过滤领域，首先要解决的是研制出适合作滤料的纤维来， 然后借鉴玻璃纤维的后处理办法对玄武岩纤维进行后处理，并用织造和非织造技 术生产滤料。而接下来要做的是玄武岩纤维用原料的采集选取、纤维成型影响因 东北大学硕士学位论文第二章无机纤维空气过滤材料 素分析、生产工艺设计等工作。 东北大学硕士学位论文第三章制造玄武岩纤维的岩石原料 第三章制造玄武岩纤维的岩石原料 3 1 玄武岩简介 3 1 1 岩石分类及玄武岩所属类别 岩石是构成地壳的主要物质，它们是地壳发展到一定阶段由于各种地质作用 形成的地质体。岩石是具有稳定外形的固态集合体，它们由一种或几种造岩矿物 或部分天然玻璃所组成，不同岩石具有不同的结构和构造。 岩石的种类很多，但从形成的原因来看，一般可归结为如下三类”1 ： ( 1 ) 火成岩：是在高温的条件下由岩浆或熔岩流冷凝结晶而成的岩石。 ( 2 ) 沉积岩：是在地表或接近地表的条件下，由砂、砾、泥质或溶解物质， 经沉积固结而成的岩石，如砂岩、石灰岩。 ( 3 ) 变质岩：是由火成岩或沉积岩在较高的温度或压力条件下经过变化改造 而形成的岩石，如大理岩、片麻岩等。 按这种分类方法，玄武岩属火成岩。 以综合成分、结构、产状三种指标还可对火成岩进行进一步分类： ( 1 ) 超基性岩( 橄榄岩苦橄岩) 类：s i 0 2 含量小于4 5 ，几乎全由铁镁矿 物组成，硅铝矿物含量极少。 ( 2 ) 基性岩( 辉长岩玄武岩) 类：s i 0 2 含量为4 5 5 2 ，主要由铁镁矿物和 基性斜长石组成。 ( 3 ) 中性岩：s i 0 2 含量为5 2 6 5 ，主要由中性斜长石或碱性长石与铁镁矿物 组成。 ( 4 ) 酸性岩( 花岗岩流纹岩) 类：s i 0 2 含量大于6 5 ，由石英、长石和铁 镁矿物组成。 ( 5 ) 碱性岩类：碱的含量高，出现大量副长石类矿物。 按照这样的分法，玄武岩属基性岩类。 东北大学硕士学位论文第三章制造玄武岩纤维的岩石原料 3 1 2 玄武岩岩石学特征 玄武岩是基性熔岩的代表，s i 0 2 含量介于4 4 和5 3 5 之间。颜色为钢灰色 至灰黑色。有时因氧化呈紫红色。 ( 1 ) 矿物成分： 玄武岩的主要矿物是斜长石和辉石，有些种属含丰富的橄榄石。次要矿物是 铁质氧化物( 磁铁矿、钛磁铁矿、钛铁矿、赤铁矿等) 、正长石、石英或付长石、 沸石等。 ( 2 ) 结构、构造： 玄武岩通常呈细粒隐晶质至玻璃质，但也有显晶质中粒的。常见的斑状结构、 显微斑状结构和聚斑结构。基质的典型结构是间粒结构、间隐结构和填间结构。 但在厚的岩流中下部位，也可以出现灰绿结构，甚至局部的灰绿结构。如果极度 快速冷凝，则呈玻璃质结构。玄武岩中普遍发育气孔构造和杏仁构造。杏仁构造 由沸石、玉髓、绿泥石、蒙脱石一绿高岭石、碳酸盐或铁、铜硫化物等填充气孔 而成。有些玄武岩具有球颗结构。球颗是一种小的球状体，一般状如豌豆，有时 达到樱桃那样大小。 3 1 3 化学成分 玄武岩岩石的s i 0 2 一般为4 4 5 3 5 ，但在细碧岩中因富含酸性斜长石，可 略高，达5 5 。有些玄武岩因铁矿物含量过多，则s i 0 2 可低达4 0 a 其它成分 见表3 1 。 东北大学硕士学位论文第三章制造玄武岩纤维的岩石原料 表3i 玄武岩化学成分 t a b l e3 c h e m i c a l c o m p o n e n t o f b a s a l t 岩石 名称 s i 0 2t i 0 2a 1 2 0 3f e 2 0 3 f e om n o m g o c a o n a 2 0k 2 0 p 2 0 5 15 072 141 4 4 329 80 2 6 29 4261 0 24 9 31 81 5 22 48 ，001 7831 082 60 2 41 o 35 0 1 90 7 5 1 7 5 82 8 47 ，1 9o 2 57 3 9 1 0 5 02 7 50 401 4 44 8 8131 5 73 86 601 56 17 14 41 oo 3 4 5 4 71271 5 34 - 38301 77o 903 41 2o 4 1 64 7 5 527 11 6 3 82 7 77 8 4o 2 06 48 4 144 62 1 l07 2 74 66 62 4 41 6 0 135 28 3 50 2 047 68 9 64 5 6l ，8 607 4 85 3 2 21 8 l1 7 7 225 86 1 402 12 7 95 3 96 0 022 810 8 94 0 51 1 88 71 90o 2 57 ，61 0 20 5 00 2 9 1 04 7 5 62 1 91 4 9 44 7 56 6 20 1 47 0 08 5 03 6 02 4 4 说明：上表中各编号分别代表：1 一拉斑玄武岩( 大陆) 2 一拉斑玄武岩( 大洋) 3 一高铝玄武岩4 一细碧岩5 一碱性橄榄玄武岩6 一租面玄武岩7 一中长玄武岩8 一更长玄武岩9 一月 球玄武岩1 0 一中国东部玄武岩 3 1 4 玄武岩分布及主要矿区 3 。1 4 1 主要分布 玄武岩是分布最广泛的火成岩。主要成熔岩产出，往往伴随一些玄武质火山 碎屑岩，少数成为岩床、岩墙或其他形式的超浅层侵入体。世界上最著名的玄武 岩分布地区是印度德千高原、美国哥伦比亚高原、美国夏威夷、冰岛，以大面积 大厚度为特征。 我国玄武岩著名分部地区是贵州、四川的二叠纪玄武岩、内蒙高原第三纪碱 性玄武岩和东部沿海诸省( 自黑龙江至云南、海南岛) 广泛分布的第三纪至现代的 碱性玄武岩，这些地区已发现的火山总数约6 6 0 座，其中东北三省2 3 0 座。内蒙 2 7 0 座。集宁一大同8 0 座以上，云南4 0 座。我国活火山主要分布在昆仑山和台 湾，其次是东北和云南，这些火山的喷发物大多数是玄武岩和安山岩。 东北大学硕士学位论文第三章制造玄武岩纤维的岩石原料 3 1 4 2 主要矿区 现在，很多地区已经将玄武岩作为一种非金属矿进行开发利用，全国的玄武 岩矿很多，现指出除本课题选择的三个采集地点外的辽、吉、黑、内蒙四省区的 玄武岩产地，以供厂家进行工业生产时选择： f 1 ) 政区位置：黑龙江省五大连池市 经纬度：东经1 2 7 。，北纬4 9 。附近 构造位置：五大连池火山群 ( 2 ) 政区位置：黑龙江省镜泊湖 经纬度：东经1 2 8 9 0 ，北纬4 3 9 。附近 构造位置：镜泊湖火山群 ( 3 ) 政区位置：吉林省安图县、抚松县、长自县 经纬度：东经1 2 9 。，北纬4 2 。附近 构造位置：长白山火山群 ( 4 ) 政区位置：吉林省伊通县 经纬度：东经1 2 5 0 ，北纬4 3 0 附近 ， 构造位置：松辽平原东缘伊通断裂带内 ( 5 ) 政区位置：辽宁省盘锦地区 经纬度：东经1 2 2 0 ，北纬4 1 。附近 构造位置：郯庐断裂北端，下辽河裂谷盆地 ( 6 ) 政区位置；河北省青龙县安子蛉一辽宁省锦西县 经纬度：东经1 2 0 0 ，北纬4 1 。附近 构造位置：华北地台 ( 7 ) 政区位置：内蒙古包头市白云鄂博 经纬度：东经1 1 0 。，北纬4 2 0 附近 构造位置：内蒙台背斜向内蒙褶皱带过渡带 ( 8 ) 政区位置：内蒙古额济纳旗 经纬度：东经9 8 。，北纬4 1 6 。附近 构造位置：天山构造带东端，北山月牙山蛇绿岩带 东北大学硕士学位论文第三章制造玄武岩纤维的岩石原料 3 。2 玄武岩的采集 3 2 1 采集地点 本论文选取了辽宁建平县哈拉道口镇、辽宁黑山县胜利乡、黑龙江省鸡西市 梨树区作为实验试样的采集地点。作为工业生产的基础性实验，所有工作必须围 绕着生产实际进行，选择i _ q k 原料的供应地，应综合考虑当地的交通、经济、矿 石品位成分等情况。这三个地点的共同点是矿产资源丰富、交通发达，但经济相 对落后。下面对三个试样采集地作以简要介绍： r 1 ) 辽宁建平县： 建平县位于辽宁省西部，隶属朝阳市，东与朝阳县毗邻，南与喀左县、凌源 市接壤，西和西北分别与内蒙古自治区的宁城县、喀喇沁旗、赤峰市隔老哈河相 望，东北与内蒙古自治区的敖汉旗交界，努鲁尔虎山脉由东向西南延伸到境内， 是一个“六山一水三分田”的丘陵山区县。建平县境内矿产资源丰富，地下矿产 资源琨已探明和发现5 5 种，其中金属矿产2 7 种，非金属矿产2 8 种，金属矿主 要有铁、金、锰、铌等，非金属矿主要有玄武岩、珍珠岩、自云石、膨润土、集 块岩、石灰石、煤炭等。以“建平黑”著称的玄武岩现以探明储量为1 4 5 0 万立 方米。 f 2 ) 辽宁黑山县胜利乡： 黑山位于辽宁西部，东接沈阳，西连锦卅f ，北通阜新，南邻鞍山盘锦。全县 辖1 8 个镇1 1 个乡，总面积约2 5 0 0 平方公里，人口6 4 万。黑山自然条件得天独 厚，西北部多低山土岗，中部和南部为一望无际的冲积平原，素有”二山一水七 分田“之称，属温带大陆性所候，四季分明，年平均气温8 摄氏度，年平均降水 量5 6 0 毫米左在，无霜期1 6 1 天。黑山矿产资源丰富，广阔的地域蕴藏着玄武岩、 膨润土、煤沸石、玛瑙石、绵石、耐火土等矿产资源，其中膨润土储藏量居全国 首位，为亚洲地区第二。黑山地处辽宁大中城市群中间，地理位置优越，交通 便利，通讯发达，具有独特的地域优势和巨大的发展潜力。 f 3 ) 黑龙江省鸡西梨树区： 鸡西市位于黑龙江省东南部，素有“北国春城”之美誉。北、东分别与勃利县、 七台河市相连，南和穆棱市、西与木口县毗邻，东、东南与俄罗斯交界。鸡西市 东北大学硕士学位论文第三章制造玄武岩纤维的岩石原料 是祖国太阳升起最早的地方，现已成为工业门类齐全，经济全面发展，城市服务 功能较为完备的综合性城市。鸡西市辖区，人口1 0 6 万，面积4 1 2 平方公里， 辖1 乡5 街道。工业以煤炭为支柱产业，年产原煤4 0 万吨，农业以大豆、玉 米为主，随着农业产业结构的调整，形成了以黑木耳、西香瓜、黄菇等特色产业。 兼烤烟、甜菜等。哈尔滨至鸡西段铁路过境，公路有鸡图公路、梨麻公路。梨树 区处完达山丘陵地带，境内山丘连绵，沟谷较多，穆棱河流经区境。境内森林资 源丰富，有石油、煤、玄武岩等矿产资源。 3 2 2 试样采集方法 3 2 2 1 采样原则 在一般情况下应采集新鲜、无蚀变的岩石作样品。采样位置应尽量避开各类 接触带、蚀变代、断裂破碎带等；层状岩石( 沉积岩、火山岩等) 样品一般应垂直 走向采集。 3 2 2 2 采样方法 在拣取试样时，应尽量避开外貌、颜色、结构等异常的岩块；对于成分和结 构不均匀的岩石，可按一定间距分别拣取大小大致相等的若干块，然后合并成一 个样品。有必要时可加大采样重量，以保证其代表性。在采集岩石、矿石化学分 析样品时，应同时采集矿岩鉴定样品，在岩矿鉴定的基础上选择具代表性的化学 分析样品。 3 3 试样制备 3 3 1 样品加工程序 样品的加工一般分为以下几个阶段进行：粗碎、中碎、细碎。每个阶段又包 括以f 几个程序：破碎、过筛、混匀、缩分。 现将各阶段的具体操作简述如下： ( 1 ) 粗碎 破碎：将试样通过颚式破碎机破碎； 东北大学硕士学位论文 第三章制造玄武岩纤维的岩石原料 过筛：全部通过4 目筛或8 目筛，不允许抛弃，过不了筛的样品再破碎。 混匀：将粗碎过筛的样品混匀。 缩分：混匀后的样品用分样器缩分。 ( 2 ) 中碎 破碎：用对辊机或圆盘粉碎机将全部样品粉碎至1 8 2 0 目的细度。 过筛：中碎的全部样品通过1 8 目或2 0 目筛，如不能全部通过，再进行破碎， 直至全部破碎。 混匀：中碎过筛后的样品混匀。 缩分：混匀后的样品缩分，并留取粗样。 ( 3 ) 细碎 破碎：用圆盘粉碎机将中碎的样品再次粉碎至所需的细度。 过筛：全部通过所需筛网，不能通过的用玛瑙研钵研至全部过筛。 混匀：将上述样品混匀，用作分析正样。 取样；将混匀的细样平铺于分样布上，从不同部位取l o 1 5 9 装瓶，为化学 分析试样。 3 3 2 样品加工注意事项 上述方法取得的样品是用来进行成分分析、熔体性质研究实验的，因此在加 工的过程中必须严格按照样品加工的操作程序进行，下面是样品加工的应该注意 的问题： n ) 加工前的试样如果是潮湿的，则必须风干后，再进行加工； ( 2 、用适当的粉碎机械进行粉碎，将全部试样粉碎至规定的粒度； r 3 ) 粉碎和缩分时，必须不能使试样飞散、变质和混入其他物质。 3 4 玄武岩成分分析 按照上节所述的方法分别在三个地点采集样品并加工成化学分析试样，然 后委托地质矿产部沈阳综合岩矿测试中心对采集到的三种岩石进行岩石成分分 东北大学硕士学位论文 第三章制连玄武岩纤维的岩石原料 析，表3 2 是测试结果 表3 2 三种岩石成分分析结果 12 3 c a o87 9 8 6 47 6 0 m g o 6 。8 2 h 7 07 6 7 s i 0 2 5 0 5 24 6 8 8 4 6 4 6 f e 2 0 3 2 8 47 ，2 l 3 1 5 f e o 1 0 ，7 82 8 7 7 5 8 k 2 0 o 5 9 1 6 92 8 1 n a 2 02 7 62 3 2 3 6 6 a j 2 0 3 9 6 1 1 7 5 21 5 3 0 t i 0 2 1 8 6 1 、1 0 2 0 7 说明：上表中各编号岩石分别代表：1 一辽宁建平哈拉道口玄武岩2 一辽宁黑山胜利乡玄武 岩3 一黑龙江鸡西梨树区玄武岩 从测试结果可以看出，s i 0 2 是构成玄武岩最主要的成分，占一半左右。随 着s i 0 2 含量的增加玄武岩的熔制温度、熔体粘度及玄武岩纤维的化学稳定性与 热稳定性、硬度和机械强度都增加，如果s i 0 2 的含量超过5 7 ，熔化将很困难， 而且容易析晶。 a 1 2 0 3 也属于难熔物质，增加a 1 2 0 3 会提高玄武岩的熔化温度，降低析晶能 力。 c a 0 也是构成玄武岩的主要物质，当c a 0 的含量很大时，会因料性太短而不 能拉制直径小于7u i n 的纤维，因为c a 0 会使玄武岩熔体在高温下的温度一粘度 曲线变化太陡。当减小c a 0 a 1 2 0 3 的值时，玄武岩熔体的粘度就会增大。 m 9 0 能够使形成的纤维结构疏松，导致纤维的密度、硬度下降。在制造纤维 过程中用m 9 0 取代c a 0 ，可以降低玄武岩熔体的析晶能力，并能改变熔体的物性。 f e 2 0 s 和f e 0 含量也较高，它们能改变熔制参数，影响导热性。 k 。o 和t i 0 2 在玄武岩中含量较小，但它们也能提高纤维的防水性能与耐腐蚀 东北大学硕士学位论文第三章制造玄武岩纤维的岩石原料 性。 以上所作的分析有待于今后的实验中验证。 因为玄武岩纤维的生产工艺简单，只需将玄武岩破碎至适宜的细度，投入坩 埚即可，通常情况下不需加任何配料，因此玄武岩纤维的成品的成分与其原料的 成分大体一致。表33 列出几种玻璃纤维的成分，作以对照，以供成型影响因素 分析和工艺设计时借鉴和参考。 表3 3 我国主要玻璃纤维成分 t a b l e 33m a