（材料加工工程专业论文）安山岩连续纤维成型工艺的研究.pdf

安山岩连续纤维成型工艺的研究 摘要 安山岩以其耐酸、耐磨、耐高温、高增强、高吸附过滤等优异性能被广 泛应用于冶金、化工、航天航空、建筑等行业领域。本文借鉴玄武岩连续纤 维成型的研究成果，对安山岩连续纤维成型技术与工艺进行了研究，分析了 安山岩连续纤维成型的影响因素，确定了安山岩连续纤维制备的工艺路线与 成型工艺，为安山岩连续纤维的工业化生产提供可靠的技术支持。 本文采用x 射线衍射分析和全化学分析等方法，对安山岩原矿石的化 学组成、成份、晶体结构等方面进行研究，确定了原矿石主要化学组成的质 量百分比及其晶体结构，借鉴于玄武岩成型连续纤维的基本判据，计算分析 了安山岩成型连续纤维的可能性，其结果表明所选用安山岩基本满足连续纤 维成型的成份与组成要求。 通过对安山岩矿石原料进行差热分析( d c s ) 与析晶上限温度及范围的 研究，确定了安山岩熔制的理论加热温度与加热曲线，为连续纤维成型工艺 的研究节约了大量的经费，节省了时间和人力。同时，创造性地将标准化学 成份引入到高温熔体粘度的理论计算中，使粘度的理论计算值和测试值更加 逼近。这不仅为连续纤维成型工艺的研究创造了良好的条件，也为高温熔体 粘度的准确确定找到了一种快捷有效的方法，也解决了长期困扰纤维成型研 究工作者必须耗用大量的精力和费用，才能完成高温熔体粘度测试的难题。 为了确保纤维的连续快速成型及丝径均匀性，自行设计制造了绕丝装 置，采用分体联轴器连接电机与双轴承座固定的主轴，使该装置结构紧凑， 传动平稳，预绕方便，且应用交流变频器实现了绕丝装置无级变速。 通过对不同炉温下坩埚外壁( 电炉热电偶最近点) 温度场的理论计算以 及对熔块炉炉膛、坩埚内腔以及漏嘴下端保温管内壁的温度场的测试，确定 出了坩埚在炉膛内的放置位置和熔化加热区域。同时，通过理论设定、持续 改进的方式确定了成型工艺中的加热程序。获得了连续纤维成型适合的熔池 深度。 通过对不同形态安山岩原料的熔制实验研究，优化出了预熔化粉料填 底，颗粒度为5 1 0 m m 原矿石料填装，封堵连续投料方式与同步升温加热 熔化的熔制工艺方案。确定出了连续纤维成型时漏嘴、熔体池、加热与熔化 区、成型区温度控制范围与漏嘴的结构、尺寸及牵引速度。实现了安山岩纤 维的连续成型制备。研制出了安山岩连续纤维成型的技术与工艺，为实现工 业化生产奠定了基础。 丰富廉价的火山岩之一的安山岩连续纤维的研发，不仅使安山岩的价值 剧增，经济、社会效益显著；且因其优异的耐热、耐磨、耐酸、增强与吸附 过滤性好等性能特点，可满足多种工业领域的许多应用需求，市场需求潜力 巨大，开发应用前景良好。 关键词：安山岩，连续纤维，成型工艺，坩埚，漏嘴，物化性能 i l r es e a r c ho n t h e co t i n u o u sa n d es i t ef i b e r f o r m i n gt e c h n i c s a b s t r a c t a sa n d e s i t eh a s t h ea c i d p r o o f , a b r a s i o n p r o o f , a c i dp r o o fe l e v a t e d t e m p e r a t u r er e s i s t a n c e ，g o o d f i l t r a t i o np e r f o r m a n c e ，i tc a nw i d e l yu s e di n m e t a l l u r g y , c h e m i c a li n d u s t r y , n a v i g a t i o na n ds p a c e f l i g h t ，b u i l d i n gc o n s t r u c t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nt a k e st h es t u d yo fc o n t i n u o u sb a s a l tf i b e ra sr e f e r e n c e ，t h e c o n t i n u o u sa n d e s i t ef i b e rf o r m i n gt e c h n i c sa n dt e c h n o l o g yi ss t u d i e d ，t h e i n f l u e n c ef a c t o ri nt h ec o n t i n u o u sa n d e s i t ef i b e rf o r m i n gt e c h n i c si sa n a l y z e d ，t h e f o r m i n gt e c h n o l o g yi sa s c e r t a i n e d ，t h et r u s t w o r t h ys u r p o r t a n c et ot h ec o n t i n u o u s a n d e s i t ef i b e ri n d u s t r a l i z a t i o ni sm a d e a d o p t e dx - r a y d i f f r a c t i o na n d f u l l - c h e m i s t r ya n a l y s i s ，t h e a n d e s i t e c h e m i c a l c o m p o s i t i o n , e l e m e n ta n dc r y s t a l i s s t u d i e d ，t h em a i nc h e m i c a l c o m p o s i t i o na n dc r y s t a ls t r u c t u r eo fa n d e s i t eg r e e no r ea r er e c o g n i z e d ，t a k et h e b a s i cc r i t e r i o no fc o n t i n u o u sb a s a l tf i b e ra s c o n f e r e n c e ，t h ep o s i b i l i t y o f c o n t i n u o u sa n d e s i t ef i b e rf o r m a t i o ni sc a l c u l a t e da n da n a l y z e d ，t h er e s u l tt e s t i f i e s t h ec h o o s e na n d e s i t ec a ns a t i s f yt h eb a s i cr e q u i r e m e n to fc o n t i n u o u sf i b e r f o r m a t i o n b yt h es t u d yo fd s ca n dc r y s t a l l i z a t i o nu p p e rl i m i to fa n d e s i t er a wm a t e r i a l ， t h et h e o r e t i c a lt e m p e r t u r ec u r v ei sa s c e r t a i n e d ，s a v e sm a s s i v es p e n d i n g ，t i m ea n d m a n p o w e ro fc o n f i n u o u sf i b e rf o r m a t i o nt e c h n i c ss t u d y m e a n w h i l e ，t h es t a n d a r d c h e m i c a le l e m e n ti sc r e a t i v e l yi m p o r t e di nt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no fh i g h f u s s e dm a s sv i s c o s i t y , m a k e st h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t e dv a l u ea n dt e s tv a l u em u c h a p p r o a c h i n g t h eg o o dc o n d i f i o ni sp r o v i d e df o rt h ec o n t i n u o u sf i b e rf o r m a t i o n ， a n do n ea v a i l a b l em e t h o di sf i n d e df o rt h e p r e c i s e c o n f i r m a t i o no f h i g h t e m p e r a t u r e f u s s e d m a s s ，t h ed i f f i c u l tp r o b l e mw h i c hp u z z l e d t h e r e s e a c h e r sf o ral o n gt i m ei ss o l v e d i no r d e rt oe n s u r et h ef i b e rf o r m a t i o na n df i b e rd i a m e t e r , t h ew i n d i n g e q u i p m e n ti sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e da u t o n o m i c l y , t h ef i s s i o nc l u t c h i s a d o p t e dt oc o n n e c tt h ee l e c t r o m o t o ra n da x i sw h i c hb r a c e db yt w ob e a r i n g s ，t h e i i i w h o l ee q u i p m e n th a st h ec h a r a c t e r so fs i m p l e ，s m o o t h y , c a nr o t a t ei nd if f e r e n t v e l o c i t ys m o o t h l yb yt h ec o n t r 0 1o ff r e q u e n c yc o n v e r t e r b yt h es t u d yo fd i f f e r e n tf o r m a t i o na n d e s i t er a wm a t e r i a l ，t h er u l eo fu s i n g r a wm a t e r i a li so p t i m i z e d t h eb u s h i n gt i p ，m o l t e np o o l ，h e a t i n ga n df u s i o nz o n e ， t h ec o n t r o lr a n g eo ff o r m a t i o ns e c t i o na n dw i n d i n gv e l o c i t ya r ea s c e r t a i n e d t h e a n d e s i t ef i b e rc o n t i n u o u sf o r m a t i o ni sc a r r i e do u t t h eg r o u n dw o r ki s e s t a b l i s h e df o rt h ei n d u s t r i a l i z e dm a n u f a c t u r eo fc o n t i n u o u sa n d e s i t ef i b e rb yt h e t e c h n i c sa n dt e c h n o l o g yd e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ee x p l o i t a t i o no fc o n t i n u o u sa n d e s i t ef i b e rc a ne n h a n c et h ea n d e s i t ev a l u e ， b r i n gr e m a r k a b l ee c o n o m i c a la n ds o c i a lb e n e f i t ，a si t so u t s t a n d i n gh e a tp r o o f , a b r a s i o np r o o f , a c i dp r o o fb e h a b i o u r , i tc a ns a t i s f ym a n yi n d u s t i a la p p l i c a t i o n d e m a n d ，t h em a r k e td e m a n dp o t e n t i a l i s v e r yt r e m e n d o u s ，t h ep r o s p e c to f d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o na 1 1r i g h t k e yw o r d s ：a n d e s i t e ，c o n t i n u o u sf i b e r , f o r m i n gt e c h n i c s ，c r u c i b a l ， b u s h i n g ，p h y s i c a la n dc h e m i c a lp e r f o r m a n c e i v 陕西科技大学硕士学位论文 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任 由本人承担。 论文作者签名：猃! 丝壶 日 期： 2 q q 盈生笸旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学 位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供 信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：猃堕盏碍师签名：邀日期： 安山岩连续纤维成型工艺的研究 1 综述 火山岩类连续纤维除具有高强度、高模量的特点【1 】外，还具有良好的热绝缘性、声 绝缘性、耐腐蚀性、无毒、不燃。其优异的物理、化学及力学性能，已被广泛应用于国 防建设、交通运输、建筑、石油化工、环保、电子、航空、航天等工业领域【z 】，不仅作 为2 l 世纪符合生态环境要求的“绿色新材料，【3 1 ，也已成为世界高技术纤维行业中可持 续发展的有竞争力的新材料产业。 1 1 研究背景及意义 2 0 世纪的纤维技术是围绕玻璃纤维、碳纤维、陶瓷和化学纤维为基础的复合材料的 开发和应用，生产这些纤维材料不仅其过程会对自然环境造成重大危害，且生产工艺复 杂，成本高昂，人工合成方式繁琐；火山岩纤维采用单一的玄武岩、辉绿岩、角闪岩、 珍岩、安山岩、安山玄武岩等分布广泛的矿石为原料，将其破碎后加入熔窑中，在1 3 0 0 1 5 0 0 熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板制成的连续纤维，工艺简单、成本低廉、生产过 程环保无污染。目前火山岩类连续纤维的生产和应用在国内还属起步阶段，仅有几十条 普通玄武岩棉的生产线，玄武岩连续纤维的生产仅见上海横店集团的报道，对于其他火 山岩的连续纤维研究尚属空白，亟待研究开发。特别对于丰富廉价的火山岩之一的安山 岩连续纤维的研发，不仅使安山岩的价值剧增，经济、社会效益显著；且因其优异的耐 热、耐磨、耐酸、增强与吸附过滤性好等性能特点，可满足多种工业领域的许多应用需 求，市场需求潜力巨大，开发应用前景良好。 1 2 玄武岩连续纤维的研究和发展 1 2 1 国内外研究和发展 玄武岩纤维最早于1 9 5 3 由苏联莫斯科玻璃和塑料研究院开发出，随后世界各国竞相 投入玄武岩纤维的研究开发，世界上能生产玄武岩连续纤维的早期有俄罗斯、乌克兰等 少数几个国家【4 】，近年来美国、韩国、中国、日本也都相继展开了这方面的研究工作【5 】。 2 0 0 5 年全世界c b f 的生产总量不超过3 5 0 0 吨，有一定规模的生产企业不超过6 家，现 阶段还未形成实质性的高科技“规模产业”，产量远远满足不了市场的需求。 迄今为止，全世界共有规模不同的玄武岩连续纤维制造工厂l o 家左右【6 】，其中：乌 克兰有4 家，分别为乌克兰的基辅鸟日( t o y o t a ) 合资企业、乌克兰别列切绝缘材料 厂、t e c h n o b a s a l t 公司，还有一家是俄罗斯s u d a g l a s s 和乌克兰k h m e l n i t s k yr e g 的 合资企业：俄罗斯有3 家，分别是俄罗斯s u d a g l a s s 公司、i v o t g l a s s 股份有限公 司和另一国家级研究院内部设立的工厂；美国有1 家，新泽西州的玄武岩纤维公司( 产 陕西科技大学硕士学位论文 品几乎1 0 0 供给美国军方，后被美国军方最大的一个用户收购) 。如今日本、德国等都 加强了对玄武岩这一新型非金属无机纤维的研究开发，并取得了一系列新的应用研究成 果。 我国玄武岩连续纤维的研究起步较晚，发展迅速。上世纪9 0 年代中期，南京玻璃纤 维研究设计院就开始了玄武岩纤维的研究，其中刘柏森、斯维特兰娜、何建生等针对玄 武岩熔体的热透性低、易结晶、拉丝粘度高等特性，研究了一种生产连续玄武岩纤维的 池窑【7 1 。2 0 0 0 年哈尔滨工业大学的闫全英、胡琳娜、谈和平等也对玄武岩成型工艺中粘 流性、高温粘度、析晶性能等在理论上作了大量的研究【8 】。2 0 0 2 年我国将“连续玄武岩纤 维及其复合材料”列入国家8 6 3 计划。2 0 0 3 年该计划的研究成果与浙江民营企业对接， 解决了氧化还原等技术难题，掌握了玄武岩纤维生产所需的工艺技术，于2 0 0 4 年开始在 上海实现工业化生产，目前部分技术水平己达到了国际先进或领先水平。 1 2 2 影响玄武岩连续纤维成型工艺的因素 a 玄武岩连续纤维成型工艺 自1 9 9 5 年乌克兰公开其连续玄武岩纤维制备工艺专利以来，俄罗斯、加拿大、美国 等少数几个发达国家开发玄武岩纤维及其产品的专利技术相继公开。由此，国内也随之 出现一些连续玄武岩纤维的研究成果，并申请公开了相关的发明专利和实用新型。就近 年来国内外已公开的有关玄武岩纤维及其产品的制备方法、生产设备、产品应用等研究 情况大致可分为三大类技术工艺：第一类是人工加料全铂金坩埚拉丝技术工艺；第二类 是有两块漏板以上的组合式拉丝炉拉丝技术工艺；第三类是池窑拉丝技术工艺。 与一般的玻璃纤维的熔制相比，玄武岩熔体的透热性差，易结晶，润湿角小，因而 在拉丝成型时比其他玻璃纤维更难控制。具体工艺步骤一般包括：原料的粉碎、原料的 筛选、原料的熔融、纤维拉制、成型纤维的后处理等。关键的工艺一是原料筛选，必需 遵循一定的选料原则和合理的工艺规范，才能保证后期的熔融质量；二是原料的熔融， 必需把专用的加热炉熔化腔温度控制在玄武岩结晶温度上限以上1 2 0 - - - , 3 2 0 ( 2 ，使9 6 的 熔化玄武岩熔融物的温度不低于该材料的玻璃化温度；拉丝成型过程必需是在高于玄武 岩矿石上限结晶温度4 0 - - - 1 2 0 的温度区间进行，以保证拉丝过程稳定进行。 b 影响玄武岩连续纤维成型工艺的因素 1 ) 原料成份的影响 火山岩的主要成份是s i o ，、a i ：o ，、f e ：o ，、f e o 等【9 】，但是不同的国家之间、 不同国家的不同地区之间其化学成份都存在着很大差异，不是每个矿区的矿石都可 以经过熔烧成丝的，能够成丝的火山岩矿石的化学成份必须满足如下的关系式： 1 7 m 。 3 2 ( 1 1 ) m 。= ( s i 0 2 + a 1 2 0 3 ) ( f e 2 0 3 + f e o + c a o + m g o + k 2 0 + n a 2 0 + t i 0 2 + 其他 2 安山岩连续纤维成型工艺的研究 ( 1 2 ) 而酸性模量也要满足下述公式【l 0 】： 4 2 m k = ( s i 0 2 + a 1 2 0 3 ) ( c a o + m g o ) 5 关系 式。二者的影响在将纤维加热的过程就体现出来，物料由5 0 0 加热到7 0 0 的过程中 f e o 因氧化过程转变成f e ，o ，从而使纤维获得氧化铁特有的颜色，纤维结晶时因形成 大颗粒的菱镁晶体使纤维脆而易断。 t i ，o 和m g o 则能增强玄武岩纤维的热稳定性能和化学稳定性能【l 2 1 。 2 ) 物理化学性质的影响 熔料在纤维成型过程中保持适当的粘度，尤其是控制纤维根部的成型粘度，使之处 于良好的“可纺”状态对纤维成型是至关重要的，而且在玄武岩的熔制过程中，原料颗 粒的熔解、气泡的排除和组分间的扩散、熔合都与粘度有关【l3 1 。有两个因素制约玄武岩 材料的粘度：其一为温度，玄武岩熔体材料的粘度是温度的强函数，随温度的降低而增 大，而且粘度随温度的变化率越大，其成丝越易。纤维成型过程中要求熔体被迅速拉制 成丝的同时能够在极为短暂的时间内，粘度迅速降低并最终凝固下来，使熔体迅速完成 从高粘态到粘弹态再到凝固态的激变过程；其二为材料的化学成份，成份的不同，材料 陕西科技大学硕士学位论文 的熔料在不同温度下的粘度也不同，如玄武岩矿石中的n a 2 0 、k 2 0 等的含量增加可以降 低玄武岩熔料的粘度，而s i 0 2 、a 1 2 0 3 、t i 0 2 含量的提高则能增加玄武岩熔料的粘度。 纤维成型过程中析晶会对纤维的无定形状态和其强度特性产生影响，是纤维成型中 断丝的一个重要原斟1 4 】。玄武岩纤维析晶性能的三个决定性因素：析晶温度、析晶中心 形成的速率和晶体成长速率。比较适合纤维成型的玄武岩矿石应具有较低的析晶上限温 度和较慢的析晶速度。实验证明纤维成型的温度应高于析晶上限温度大约4 0 - - - - 5 0 1 2 。成 份的不同，材料的析晶性能也不同。玄武岩矿石中m g o 含量增加，晶体成长速率将增 加；矿石中n a ，o 、k ，o 的含量增加，则玄武岩熔体的析晶能力会降低。 纤维成丝过程中，熔体中各组分的化学均匀性和熔料熔化的均一性对纤维成型和拉 制连续纤维至关重要。影响玄武岩熔料化学均匀性的因素主要有：原料的颗粒度的影响、 原料加热时加热的不均匀、熔料容器的腐蚀等。 气体浸润性是指熔体对纤维成型过程中产生的气体的浸润能力。纤维成型过程中， 高温下熔体内发生着复杂的物理、化学变化，必然会产生气体，虽然大多数的气体会从 熔体中逸出，但仍有一小部分气体会滞留在熔体中，如熔体中的水蒸气和熔体中各组分 发生化学反应所产生地是s 0 3 、o ，、c o ，等【l5 1 ，它们在熔体中的含量取决于其在熔体中 的化学溶解度。纤维成型过程中，如果熔体的气体浸润度过高，则熔体中就会滞留很多 的气体，在拉丝过程中，就会由于气泡不断进入丝根使纤维不能连续【l6 1 。熔料中的气泡 和析晶的存在使纤维的强度显著降低，致使纤维很容易断裂。 1 2 3 玄武岩连续纤维的性能及用途 a 高热稳定性和高的声热绝缘性。 玄武岩纤维是无机纤维，其耐温性( - 2 6 0 c - - - - 6 5 0 c t 2 】) 高于所有的有机纤维【l7 1 ，而 且其超低温使用性能是最好的，由于导热系数低、工作范围大、抗震性能好，广泛应用 于绝热保温材料。另外，由于玄武岩纤维具有多孔结构和无规则的排列方式，吸声性能 好，可作为生产设备的声绝缘材料【1 8 1 。玄武岩连续纤维的价格是所有高性能纤维中最低 的。单丝直径较细( 例如7 微米以下左右) 的c b f ，其良好的性价比和优异的抗高温性 能，有可能成为替代杜邦k a v l a r 、n o m e x 、t e f l o n 等防火面料的有力竞争产品( 其中杜 邦的n o m e x 防火面料在3 7 0 以上的高温下被碳化和分解) ，也是其他高性能纤维高成 本、低性价比的替代品，应用于高温和超低温设备以及高温作业的防护服和低温保温服 【1 9 】。此外，耐高温( 2 5 0 以上) 的过滤材料一直以来是该领域没有解决的难题。而玄 武岩连续纤维可以在2 6 0 6 5 0 的范围内长期使用。因此，玄武岩纤维耐温和良好的 过滤特性，使其成为用于高温过滤材料( 例如除尘袋、汽车消音器滤芯) 1 2 0 】、避火消防 服阻燃隔热面料、防火卷帘、军工领域等优选的新材料【2 1 1 。 b 优异的力学性能 4 安岩缝续纤维成础1 艺的哪f 宄 鲳武岩纤维具有较岛的强度、弹性模母和时高低温，耐腐蚀等性能。适用1 路1 f | il 格栅t p 的基础材科纤维巾。l 工格栅就是h j 沥肯处理过的纤维布经烘下成型扁铺 蹬在沥肯道路罩丽i 层f 的加强筋材科“。 c 高耐腐蚀性与化学稳定性 利用玄武岩纤维f i 勺特性，采用现代专用技术生产不m 结构的建材，可以大幅度地提 商建筑质量和抗震能力、抗冲- 竹能力、防火安全等级和僳暖节能效果改善驯、保条件。 玄武岩纤维织物用作混凝土、水泥的增强体，使混凝t 、水泥的强度和韧性极大的 强， 且破碎性和对裂缝的敏盛度减弱”3 川可用于建筑物和桥梁等的补强、加同、更新锋【2 5 】。 d 优良的电绝缘性能以及对电磁波的高透过性。 玄武岩纤维聚合物基复合材料是优良的绝热和绝缘材料。霸武岩连续纤维的体积电 阻率比e 玻璃纤维高一个数量级，利用玄武岩纤维的这一介电特性和吸湿率低、耐温的 特性，可以制成高质量多层印刷电路扳的覆铜板。 目前，芬兰玻纤厂商奥斯龙公司把玄武岩纤维织成双轴向抑料，供制风力发电# l n t - 片，玄武岩纤维复合材料的弹性模量和托伸强度分别比e 玻璃纤维商1 5 和2 5 ，这使其 成为m 轮叶片某砦部位的理想材料。 在汽车行业荚围a z d o l 公司开发了一种用聚丙烯和长的短切玄武岩纤维制成的热 塑性片材。这种材料有息好的吸声性能、很低的热膨胀系数、很高的比强度和良好的韧 性。该材料的目标用途为车顶内衬，使汽车内顶的厚度可比传统产品减少5 0 。 美国的s u d a g l a 盥公司已生产出增强混凝土的筋材，这种筋材用单向的玄武岩纤维拉 挤而成，比钢筋轻8 9 ，具有与混凝土相同的热膨胀系数，并且在碱性环境中更不容易 受到腐蚀，1 吨玄武岩增强混凝土筋材的作用相当于4 吨钢筋 2 6 】。 此外，玄武岩连续纤维在5 0 0 c 温度下的热振稳定性仍然不变原始重量损失小到 2 ：9 0 0 c 时也仪损失3 玄武岩连续纤维无捻租纱及其编织物具有显著的耐高温性能 和擞好的机械性能适用于高温衬垫、大型船只绝热，车辆制动器磨擦衬片田】。山玄武 岩纤维编织成的嘲料 圈卜l 吉武岩纤维缟炽物一 f i g - 1t h en n tb a s a l tf i b e rk i l i t t e d h b r i c 陕j 1 i 科技大学碗十学位论文 囤卜2 玄武岩纤堆蝙织物二 f i g l - 2 t h es e c o n d b a s a l t f i b e r k n i t t e d f a b r i c 1 3 安山岩与玄武岩性能的对比 安山岩是一种中性喷出岩。其成份相当于叫& 岩。呈深扶、浅攻瑰、暗褐等色。斑 状结构。斑品主要为斜长石及暗色矿物。暗色矿物主要为黑云母、角闪石( 通常为褐色， 具暗化边) 和辉石( 单斜辉石和斜方辉石都有，前者包括透辉石，普通辉石和异变辉石； 后者主耍见于斑品中) 。依斑品中的暗色矿物种类，可分为辉石安【jj 岩、角闪石安山岩和 黑云母安山岩等。安山岩是造山带内分布晟广的一种火山岩，因大量发育于美洲的安的 斯山脉而得名。多旱岩被、岩流、岩钟侵出相产出。受热液作用，常产生青磐岩化。与 其有关的矿产有铜、铅、锌、金( 银) 等。安山岩外观最大特色在於身上的矿物斑点。 北部安山岩表面稚满一颗颗小小的黑色矿物半点；东部的矿物斑点则又自又大。 实验选用的安山岩属中生代火山岩，呈斑状结构斑晶含量约为2 0 ，斑晶矿物为 斜长石和普通角闪石。角闪石多具暗化边，粒度为0 2 加3 n n n ，基质由斜长石微品及少 罱角脚石微晶组成，微晶斜长石紧密排列，并且具有定向性，构成安山岩结构口q 。 1 , 3 1 基本性状的对比 玄武岩和安山岩虽同属火山岩，但基本性状l ：存在着差异。 图1 3 所示上面三份为三种不同颗粒度的玄武岩原料，下面三份为不同颗粒度的 安山岩原料。从颜色上看，玄武岩原料颜色偏蓝：安山岩原料颜色偏灰，近似于有些期 刊描述的玄武岩的铜扶色至扶黑色的描述。由矿石原料的压碎处理实验发现，玄武岩 矿石原料比较容易压碎，且有分层片状裂碎的倾向，最后可以得到颗粒很小的粒料和粉 料；而安山岩比较难易压碎，最后只能得到小颗粒粒料而粉料很少。 图1 _ 4 所示，为安山岩和玄武岩熔烧前后性状变化的对比，从图f 二可以看出经过i 0 0 0 熔烧之后玄武岩的颜色深红安山岩的颜色浅! i 。，而且安【ij 岩有明显的嵌镶晶体出现。 立山岩连续纤维成割i 岂的训f 究 图1 3 哥岩和玄武岩矿石原料对比 f i gl - 3 t h ec o m p a r i s o no f a n d e s i t ea n db a s a l t 圉1 410 0 0 熔烧前后安 岩和玄武岩矿5 对比 f ig1 4 t h e c o m p a r i s o n o f a n d e s i t ea n d b a s a l t b e f o r ea n da 1 2 e r l 0 0 0 c m e l t e d 1 3 2 基本成份的对比 袁1 - l 安山岩厦玄武岩基本成份对比 t a b l - 1 t h e b a s i cc o m p o s i t o nc o m p a r i s i o no f b a s a l ta n da n d e s i t e 分析可知，两个样本q js i o ：、f e o 这两种组分差别比较，凡，其他成份都比较接近。 1 3 3 分布地区的对比 a 玄武岩的分布 玄武岩是岩浆喷发形成的火山岩主要由斜长石和辉石组成。玄武岩在俄罗斯鸟托 尔山脉、奖国西部、印度尼西业、菲律宾、越南等都有泛分布。我田的黑龙 ! t _ 、宁夏、 眺前科坎 颤i - 忙沧史 叫川、i 泺、河j 匕和戏省的略等地i l z i l l 竹着丰南的储量。至今仍术褂剑全向的、而附 加值的丌发利h 。 b 安山岩的分布 安l 】岩线，分巾j 活动人b f 边缘、分隔不川岩石系列的一条岩相地硝分界线。又称 i 墩尔线。在此线侧蚬以蛇绿岩套为代表的拉斑玄武岩系列，靠陆侧分柑自以安 质火山岩、英刈长者和花岗川k 岩为主的钙碱性岩浆岩系列。安【i i 岩线的形成是板 块俯冲作用的结果。在环a 甲洋边缘，安山岩线大致位于从阿拉斯加经| 1 本岛弧、马u 业纳海沟、帛硫群、俾斯麦群岛、斐济和汤加群岛节新西兰和查塔姆岛线。 安【i | l 在环a 、f 7 洋的岛弧地带和丈陆边缘产出。在我幽东部、北部l l 大小兴安岭， l 柯部逃留、苏、浙、嘲、哆晰省广泛分柿着r ，生代彤成的安i i i 岩。安f _ 】f _ 般与皇武岩 兆生。 i 3 4 晶体结构的对比 山目15c 叮以看山小的矿t i 由不同的成份所组成，业山岩和幺武岩相比两者的牲 小成份从l 1 1 下都包青训长石、石英、斜长石、辉石、角闪石等，其中玄武岩在斜长石 和辉石的成份上较多：安山岩在钾长石和石英的成份比例较大；两者所禽珀刚石的成份 帕 。这些成份的第并必将导致纤维成犁f 艺和纤维忡能的莘异将 套i 澈辚至岙岩安山岩虫武岩 深成 岩 b o 瑶6 。 趋4 0 蓊等i i ：i 芸”低一一一高 1 4 本章小结 本章综述了连续纤维尤其玄武岩连续纤维的国内外研究现状，总结了玄武岩连续纤 维的成“上艺及矿物成份、物化性能对纤维成艮l 艺的影响，并详细介缁了玄武岩纤维 的土能及丌i 途，为安山岩成型工艺的研究奠定了基础。 安山岩连续纤维成型工艺的研究 2 研究内容 安山岩和玄武岩矿石原料的成份很相近，借助于玄武岩连续纤维成型的研究判据可 知，安山岩满足成型连续纤维的基本条件。根据玄武岩连续纤维的成型过程与技术工艺 要求，本课题重点在安山岩原料的物化学、熔融特性与连续纤维成型工艺等方面进行研 究，着力开发出安山岩连续纤维工业化生产技术，挖掘安山岩的使用潜力，提高安山岩 资源的使用附加值。 2 1 安山岩物化特性的研究 2 1 1 化学成份与晶体结构的测定 主要内容：一是x 射线衍射分析，确定安山岩矿石晶体结构和定性分析化学成份组 成：二是全化学成份分析，定量分析安山岩矿石原料成份组成。 关键问题：试样制备在化学分析中占有重要地位，是进行准确测试的基础与前提。 x 射线衍射分析及全化学分析都对试样有详细的要求，x 射线分析试样可以用粉末和块 状，粉末试样要求粒度4 0 9 m 左右或过3 0 0 目筛，块状试样要求待测面必须为平面；全 化学分析只能用粉末试样，要求粒度小于2 0 0 目。 解决方案：将安山岩石料先经液压机粉碎，再经球磨、过筛，即可达到测试要求。 2 1 2 熔融特性的分析 主要内容：一是差热分析，研究安山岩矿石在熔融过程中的吸热、放热规律；二是 析晶温度分析，掌握安山岩熔料在冷却过程中的析晶规律；三是粘度的计算，研究安山 岩熔料在不同温度下的粘度，尤其是析晶上限4 0 - - 1 2 0 时的粘度。 关键问题一：差热分析及析晶温度分析试样的制备。差热分析要求粉状试样，8 0 - - , 1 0 0 目颗粒度；析晶温度分析要求一次融化粉状玻璃料； 解决方案：差热分析试样：安山岩石料经液压机，再经球磨、过筛；析晶温度测试 试样：先熔烧安山岩矿石，再经液压机粉碎，再经球磨、过筛。 关键问题二：粘度的计算。粘度的基本计算方法在计算矿石粘度时和实验测试数据 产生较大的偏差。 解决方案：采用标准化学成份粘度计算方法。 2 2 实验装置的研制 2 2 1 绕丝装置 主要任务：绕丝筒尺寸的确定；过渡传动轴、简易联轴器、底座的设计；绕丝装置 整机的加工及装配。 9 陕西科技大学硕士学位论文 关键问题一：绕丝筒的尺寸的确定 解决方案：绕丝筒尺寸取决于两个方面的因素：一是纤维的直径、均匀性和柔韧性； 二是有利于人工预绕。综合考虑两个因素结合实验效果进行确定。 关键问题- - ：绕丝筒与传动轴同轴度的保证。 解决方案：加工保证，先将绕丝筒和传动轴装配，然后以传动轴为基准进行加工。 2 2 2 坩埚设计 主要内容：坩埚材料和结构的确定 关键问题一：坩埚材料的确定。坩埚是熔融安山岩矿石原料的容器，要求耐高温， 耐腐蚀。铂金坩埚是连续纤维成型工艺常用材料，但价格昂贵而且实验中容易被氧化铁 氧化中毒。 解决方案：实验采用石英氧化锆材料，抗热震和耐腐蚀综合性能都比较强。 关键问题- - ：坩埚结构的确定。坩埚的结构决定着坩埚的使用寿命、熔池的深度、 熔料的熔融质量等。 解决方案：实验采用长筒形结构( 如图4 5 ) ，回转渐变的结构特点利于热的传导， 能够提高使用寿命；大容腔可以盛装较多的熔料，形成足够的熔池深度，有利于提高了 熔料的熔融质量。 2 2 3 漏嘴设计 主要内容：漏嘴材料和结构的确定 关键问题一：漏嘴材料的确定：连续纤维成型工艺用漏嘴必须满足耐高温、耐氧化、 耐腐蚀。 解决方案：实验选取不锈钢为漏嘴材料，成本低廉，加工性好。 关键问题二：漏嘴结构的确定 解决方案：设计了两种配套的漏嘴结构，直孔型和沉孔型。直孔型漏孔上部倒圆角 利于熔料的流动，沉孔型漏嘴主要是考虑漏嘴高度不变，漏孔变小时减小熔料的流动阻 力。 2 3 连续纤维成型工艺的研究 2 3 1 熔块炉温度场的测定 主要内容：理论计算坩埚外表面温度分布情况，实验测定熔块炉温度场、坩埚内温 度场及成型区温度场。 关键问题一：研究方式的确定 解决方案：成型实验温度高，不易操作，首先通过理论计算坩埚外表面温度分布情 况；然后选定合适仪表进行测试研究； 关键问题二：坩埚内温度场测试方式的确定。在进行坩埚内温度场分布测试时，如 1 0 安山岩连续纤维成型工艺的研究 果直接将热电偶插入熔料中，有两个问题：一是每次只能测定一个点的温度，在熔料中 不像在水、油等粘度较小的介质中，热电偶移动很不方便；二是经过一次测试之后，由 于熔料粘度太大，会在热电偶上粘附很多的熔料，清除不掉。 解决方案：坩埚内温度场的测定时，内部不盛装原料，直接对空坩埚内腔进行测试。 2 3 2 加热程序的设置 主要内容：确定合理的保温点及每个保温点的保温时间，编制加热曲线。 关键问题：保温点的确定 解决办法：结合差热分析曲线上的吸热峰、析晶温度范围及x 射线衍射分析的晶体 构成确定基本的保温点，先设定一个保温时间，然后根据实验效果进行修正。 2 3 3 熔制原料的制备 主要内容：原料的研究、熔池深度的研究、熔融方式的研究。 关键问题一：原料的确定。原料的基本性状如安山岩生熟料、原料的颗粒度大小、 颗粒形状、颗粒均匀性等对原料的熔制、熔料质量等起着关键作用。 解决方案：首先预制不同颗粒度的安山石原料，分别进行熔制实验，根据实验现象 及熔制效果最终确定颗粒度的大小、形状和均匀性问题。 关键问题二：熔池深度的研究。由于实验的高温和安山岩熔料的高粘度，在进行熔 池深度的确定时，不能采取实验中直接测量的方式进行确定。 解决方案：根据试验不同的工艺参数设定，在实验后对使用的坩埚进行剖分，研究 不同参数设定下、不同的实验效果时熔池深度的差异，从而确定熔池的深度。 关键问题三：熔融方式的研究。 解决方案：实验设定不同的投料方式和实验操作，分别采取终温投料、同步升温和 连续投料封堵保温三种方式研究熔料的熔制现象及质量，比较成型效果，最终确定熔融 方式。 2 3 4 纤维牵引与卷绕 主要内容：牵引方式的研究，连续纤维卷绕速度的研究 关键问题：连续纤维卷绕速度的研究。 解决方案：设定不同的卷绕速度，记录连续纤维卷绕的时间，计算连续纤维的长度， 对不同卷绕速度下的纤维进行取样测试，最终确定连续纤维卷绕的速度。 2 4 现有试验条件 实验室现有的实验设备在玄武岩纤维成型工艺研究课题中已经发挥了很大的作用， 在进行安山岩纤维成型工研究课题时只需进一步改进和完善就可以很好的应用。 a 高温熔块炉 实验室拥有洛阳永泰实验电炉厂生产的k s s - 1 6 0 0 型高温熔块炉作为实验 陆婀科技大学硕l 学位1 2 文 埘炉( 知陶21 ) 。该妒采川优质耐火，i 保温材料摩根纤维作耐火炉村，采川八根 砘钳棒作为加热元件。儿有升温快( 6 0 - - 1 2 0 分钟由室温刀值原料熔化温度) 、节 能、温拄精度高、保温r 啪e 好、可编程全自动升温、降温、炉肇温度接近室温等 优良蚪忡 一 圜 目22 统丝蓑置 f i g2 2 w i a d i n g m e c h i n i c 遗 原有绕丝装置，结构简单，使用方便，采用变频器可卧任意调节绕她筒转速，见图 22 。 cx 射线衍射仪 仪器型号：d m a x 2 2 0 0 p c 型x r a y d i f f r a c t o m e t e r ；生产家：本理学公司( r i g a k u ) ； 分析软件：美国j a d e 5x r dp a t t e mp r o c e s s i n g 挥序i 用途：可以进行物相定性分析、点 阵参数测定、出蒋= f 体类型酗和崮溶体固溶度的测定、结晶度的测定、晶粒度和嵌镶块尺 度的测定等。 d 测温设备 实验室现有西安沃尔仪器有限公司生产的i r t - 3 0 0 0 b 型高温便携式测温仪，见用 23 。该产品是i r t - 3 0 0 0 a 的改进型产品，具什可调焦距、光学系统瞄准、大距离系数和 较宽的温度测量范围等特点，这些特征使仪器适合应用于冶金、材料、铸造等高温温度 检测领域。 e 差热分析仪 仪器型号：c r y - 2 p 型高温差热分析仪：生产厂家：上海天平仪器技术有限公司： 仪器允许温度范罔：1 2 0 c 一1 6 5 0 。c ：d s c 的分辨率为0l u w 。 实验工况：d t a 苗棵：2 5 u v ：升温速半：1 0 c m i n ：气氛：空气。 曩 宜l uz i 近缕纤维成型岂的研究 圉2 3 红外测温仪 f i g2 3i n f r a r e d t h e m l o m e t e r f 扫描电子显微镜 仪器型号：k y k y i o o o b ；生产厂家：中国科学院科学仪器：仪器性能指杯：放 大倍数2 0 万分新率l o r u n ；用途：片j 于固体( 金属、生物、细胞组织结构、颗粒状、 粉末状、纤维状、块状物等) 表而形态及特征的分析。 2 5 本章小结 本章详细介蝌了安山岩连续纤维成型工艺的研究方案、研究内容。简要分析了实验 中存在的哭键问题，对关键问题提出了解决方案，为课题的顺利开展提供了前提条