連續(xù)玄武巖纖維生產(chǎn)工藝及技術(shù)瓶頸淺析

陳 松 賈 攀 梁 鳳 周 薇 張 薔 張 宇

四川省工業(yè)和信息化研究院,四川 成都 610041

連續(xù)玄武巖纖維具有耐高溫、抗氧化、抗輻射、絕熱隔聲、過(guò)濾性好等特點(diǎn)，它既是符合當(dāng)今生態(tài)環(huán)境要求的一種綠色材料，又是未來(lái)極具競(jìng)爭(zhēng)力的一種高性能纖維。

我國(guó)對(duì)連續(xù)玄武巖纖維展開(kāi)工藝研究起步較晚。近幾年，部分企業(yè)結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)，在借鑒玻璃纖維生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)消化、吸收、創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)玄武巖纖維的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。這一發(fā)展迅速引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注，許多資本躍躍欲試，準(zhǔn)備投入到連續(xù)玄武巖纖維的生產(chǎn)中，欲搶占商機(jī)，或擴(kuò)量增效，或政策套利。

但應(yīng)看到，整個(gè)連續(xù)玄武巖纖維行業(yè)還處于初創(chuàng)期，大多數(shù)企業(yè)還處在探索、試驗(yàn)階段，尚未形成完善的、成套的生產(chǎn)工藝，許多關(guān)鍵技術(shù)亟待攻克，尤其需通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新提高纖維的質(zhì)量穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本，擴(kuò)大應(yīng)用市場(chǎng)。

本文為了更好地促進(jìn)連續(xù)玄武巖纖維的發(fā)展，對(duì)連續(xù)玄武巖纖維的生產(chǎn)工藝和存在的技術(shù)瓶頸進(jìn)行了梳理和總結(jié)，以期為投資和開(kāi)發(fā)連續(xù)玄武巖纖維提供參考。

1 連續(xù)玄武巖纖維生產(chǎn)工藝

連續(xù)玄武巖纖維生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單來(lái)講就是，先將天然的玄武巖礦石原料加入熔爐中熔融，然后像生產(chǎn)玻璃纖維一樣拉絲成纖。但連續(xù)玄武巖纖維的生產(chǎn)工藝條件遠(yuǎn)比玻璃纖維的苛刻，前者生產(chǎn)的關(guān)鍵是熔融和拉絲。玄武巖礦石原料、熔融設(shè)備及工藝參數(shù)等都會(huì)影響連續(xù)玄武巖纖維最終的性能，且連續(xù)玄武巖纖維實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)遠(yuǎn)比玻璃纖維難得多。

連續(xù)玄武巖纖維的生產(chǎn)工藝按熔爐結(jié)構(gòu)不同分為兩類——坩堝法和池窯法。坩堝法設(shè)備的熔化能力弱，生產(chǎn)的纖維質(zhì)量差且成本高，現(xiàn)已逐漸被池窯法取代。池窯法生產(chǎn)的纖維質(zhì)量高，成本低，是未來(lái)的發(fā)展方向，但池窯法存在前期一次性投入高，產(chǎn)品更換慢，漏板更換成本高等不足。

池窯法生產(chǎn)連續(xù)玄武巖纖維的流程如圖1所示。首先，玄武巖礦石原料經(jīng)破碎、篩分、均化、稱量后，輸入窯前料倉(cāng)，通過(guò)加料機(jī)傳送至池窯熔爐中。接著，玄武巖礦石被熔爐內(nèi)部安裝的多組電熱裝置或多組天然氣噴嘴加熱熔融。其中，熔爐大多分為前后兩段。前段是初級(jí)熔化帶，溫度達(dá)1 500～1 600 ℃，作用是使玄武巖礦石熔化并留滯較長(zhǎng)的時(shí)間，令熔體內(nèi)部氣泡揮發(fā)，難熔的晶體沉淀，確保玄武巖熔體化學(xué)成分均勻。后段是二級(jí)熔化帶，作用是為了精準(zhǔn)控制熔體的溫度，保證拉絲的成形效果。然后，熔化的玄武巖熔體通過(guò)鉑銠漏板后被高速拉絲，形成連續(xù)的長(zhǎng)絲，再浸漬浸潤(rùn)劑，最后經(jīng)集束器和繞絲機(jī)加工，得到連續(xù)玄武巖纖維原絲[1]。

圖1 連續(xù)玄武巖纖維池窯法生產(chǎn)工藝流程

2 連續(xù)玄武巖纖維生產(chǎn)技術(shù)瓶頸

2.1 原料

玄武巖礦石是從地殼深處沿裂隙噴發(fā)、凝固而形成的一種硬而致密的基性火山熔巖?；鹕奖l(fā)時(shí)，流出的巖漿溫度高達(dá)1 200 ℃，并具有一定的黏度。地勢(shì)平緩時(shí)，巖漿流動(dòng)減慢；遇到陡坡時(shí)，巖漿流動(dòng)加快。巖漿的流動(dòng)速度影響著巖漿的冷卻速度，進(jìn)而影響著玄武巖礦石的結(jié)晶程度和晶粒大小?？梢?jiàn)，玄武巖礦石是天然形成的，其產(chǎn)地不同，成分不同，有時(shí)產(chǎn)地相同，成分也不完全一致。這便造成了3個(gè)問(wèn)題：(1)有的玄武巖礦石原料拉絲溫度區(qū)間狹窄，且剛好接近析晶溫度，這種原料一經(jīng)拉絲便會(huì)析晶，易造成斷絲或纖維拉伸強(qiáng)度下降。(2)有的玄武巖礦石原料內(nèi)部存在較多的耐高溫結(jié)晶顆粒，很難熔融得到均勻的熔體，這會(huì)對(duì)玄武巖拉絲的穩(wěn)定性造成影響。(3)不同批次玄武巖礦石原料化學(xué)成分有差異，這將影響制成的連續(xù)玄武巖纖維性能的穩(wěn)定性。

因此，并不是所有的玄武巖礦石都可以用于拉絲。篩選玄武巖礦石原料時(shí)，需從化學(xué)成分、結(jié)晶度、析晶溫度、拉絲溫度等多方面綜合、嚴(yán)格考慮。此外，針對(duì)原料成分不穩(wěn)定，可以采取下列措施改進(jìn)：

(1)選用優(yōu)質(zhì)玄武巖礦石原料。玄武巖礦石外觀必須均質(zhì)，呈細(xì)顆粒狀，無(wú)大的斑晶，且沒(méi)有石英、玉髓、隧石及外來(lái)雜質(zhì)等；玄武巖礦石中的化學(xué)成分應(yīng)在合理的范圍內(nèi)(表1)，同時(shí)要求酸度系數(shù)IMK為1.00～1.35，黏度系數(shù)IMb為1.2～2.0[2]；玄武巖礦石的拉絲溫度范圍宜寬，這樣熔融和拉絲都相對(duì)容易，且內(nèi)部基本無(wú)耐高溫的結(jié)晶顆粒。

(2)加強(qiáng)原料的均化。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)玄武巖礦石原料化學(xué)成分的分析和測(cè)試。合格的原料通過(guò)專用的設(shè)備破碎、篩分、均化后送入窯前料倉(cāng)。玄武巖礦石原料的顆粒度需保持一致，粒度過(guò)大則難以熔化，過(guò)小則影響熔制質(zhì)量。玄武巖礦石原料通過(guò)均化后，熔體的均勻度得到了提升，纖維的質(zhì)量得到了改善。

表1 玄武巖原料的化學(xué)組成

(3)混合使用優(yōu)質(zhì)玄武巖礦石原料。玄武巖礦石原料中不同化學(xué)成分對(duì)熔制工藝和纖維性能的影響見(jiàn)表2[3]。

表2 玄武巖礦石原料中化學(xué)成分對(duì)熔制工藝和纖維性能的影響

因此，為便于熔制并提升所得纖維性能的穩(wěn)定性，部分生產(chǎn)企業(yè)參照玻璃纖維的生產(chǎn)方法，將原料成分標(biāo)準(zhǔn)化，即按標(biāo)準(zhǔn)調(diào)配原料，如缺鈣就補(bǔ)鈣、缺鈦就補(bǔ)鈦，每批生產(chǎn)原料成分質(zhì)量的變化幅度精確控制在-3.0%～3.0%。另外，有特殊性能要求的，還可以擇優(yōu)摻雜改性。如為了降低拉絲溫度，擴(kuò)大拉絲溫度范圍，可以加入Li2O或Na2O[4]1-10；適當(dāng)加入石灰?guī)r和白云巖能降低拉絲難度；添加ZrO2能提高纖維的耐堿性；添加Al2O3、TiO2能增加纖維的耐溫性。

2.2 池窯設(shè)計(jì)與投入

池窯是連續(xù)玄武巖纖維生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。玄武巖礦石原料透熱差、熔化慢、析晶快。如果池窯熔爐溫度控制不當(dāng)，玄武巖熔體剛好處于析晶溫度范圍內(nèi)，則玄武巖熔體會(huì)立即產(chǎn)生析晶，且此時(shí)的析晶速率是玻璃熔體的數(shù)十倍[5]，并難以糾正，這必將影響到拉絲的穩(wěn)定性。因此，池窯設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的因素很多：

(1)產(chǎn)能設(shè)計(jì)。若池窯產(chǎn)能設(shè)計(jì)過(guò)小，熔化能力有限，則玄武巖礦石內(nèi)部結(jié)晶體不能充分熔融，或形成二次結(jié)晶，最終影響玄武巖熔體拉絲的連續(xù)性和纖維的穩(wěn)定性，纖維生產(chǎn)成本增加。如果池窯設(shè)計(jì)產(chǎn)能充足，則纖維質(zhì)量提高，纖維生產(chǎn)成本下降，但池窯的建造成本會(huì)成倍增加。以年產(chǎn)萬(wàn)噸級(jí)的池窯生產(chǎn)線為例，其總投入超過(guò)2億元，一般中小企業(yè)難以承受。此外，大型池窯維修代價(jià)極高，池窯內(nèi)的玄武巖熔體一旦凝固則極難再度熔化。

(2)加熱方式。池窯的加熱方式分火焰加熱、電熔加熱、火電結(jié)合加熱等。玄武巖礦石中鐵含量較高，傳熱、透熱較困難。采用火焰加熱時(shí)，火焰熱輻射無(wú)法穿透到池窯底部，易造成底部熔體溫度過(guò)低，最后產(chǎn)生析晶。采用電熔加熱時(shí)，加熱均勻度和熔化效率雖得到提高，但玄武巖中的鐵會(huì)侵蝕電極和鉑銠漏板[4]1-10?；痣娊Y(jié)合可降低加熱成本，還能提高加熱均勻度。目前，大型池窯多采用火電結(jié)合加熱，小型池窯多采用天然氣火焰加熱。

(3)耐火材料。優(yōu)質(zhì)的耐火材料能使池窯保持在理想的1 600 ℃附近，這有利于減少能耗，但玄武巖熔體在1 600 ℃條件下對(duì)耐火材料的侵蝕較明顯。有研究[6]顯示，利用熔鑄AZS-41磚作耐火材料時(shí)，連續(xù)生產(chǎn)24 h后，該耐火磚厚度就被侵蝕了1 mm以上。因此，生產(chǎn)一定周期后需對(duì)耐火材料進(jìn)行更換。

(4)控制系統(tǒng)。為確保纖維質(zhì)量的穩(wěn)定性，配備一套智能化的控制系統(tǒng)，精準(zhǔn)控制池窯內(nèi)加熱電流、燃?xì)饬髁俊⒏G內(nèi)溫度、熔體液位、投料速率等參數(shù)，很有必要。只是智能化控制系統(tǒng)也是一筆不少的開(kāi)支。

(5)碳排放。碳排放是地球變暖的元兇。為了人類共同的生存家園，各國(guó)都在積極采取措施降低碳排放。2020年，中國(guó)在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上宣布，力爭(zhēng)于2030年前實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放達(dá)到峰值、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。減少碳排放已成必然趨勢(shì)。能耗巨大的池窯今后或被關(guān)停，或需通過(guò)增加碳捕捉、碳封存等裝置加以改進(jìn)，而后者又將顯著增加投資成本。

2.3 鉑銠漏板成本

鉑銠漏板也是生產(chǎn)連續(xù)玄武巖纖維的核心部件，目前多采用80/20鉑銠漏板。這種漏板在1 350 ℃左右的高溫下會(huì)產(chǎn)生蠕變，影響纖維成形，且玄武巖熔體內(nèi)的鐵元素會(huì)腐蝕鉑銠漏板，因此使用一段時(shí)間后需對(duì)鉑銠漏板進(jìn)行整形修復(fù)，但代價(jià)極高。金屬銠的價(jià)格遠(yuǎn)高于黃金和鉑，且只能依賴進(jìn)口。2021年5月，銠的單價(jià)曾漲到5 600元/g以上。據(jù)四川省某生產(chǎn)企業(yè)介紹，一塊小尺寸的鉑銠漏板價(jià)格高達(dá)600萬(wàn)元，使用壽命只有4～9個(gè)月，修復(fù)一次需要10萬(wàn)元，更換一次漏板需調(diào)試約7 d。

2.4 能源價(jià)格

連續(xù)玄武巖纖維制造成本的30%以上來(lái)自能源消耗，故能源費(fèi)用關(guān)系到纖維的制造成本。俄羅斯、烏克蘭等地的天然氣價(jià)格比我國(guó)的低50%[7]，故他們的池窯大多采用火焰加熱。我國(guó)國(guó)內(nèi)不同地區(qū)的能源價(jià)格也有差異，如四川省達(dá)州地區(qū)天然氣單價(jià)是1.6元/m3，德陽(yáng)地區(qū)天然氣單價(jià)比達(dá)州地區(qū)的高出0.7元/m3、電費(fèi)單價(jià)比雅安地區(qū)的高出0.23元/(kW·h)。能源成本過(guò)高直接導(dǎo)致連續(xù)玄武巖纖維產(chǎn)品成本居高不下，如能享受直供氣或精準(zhǔn)電價(jià)政策，企業(yè)的生產(chǎn)成本將極大程度地降低。

2.5 浸潤(rùn)劑品種

浸潤(rùn)劑的作用是增強(qiáng)連續(xù)玄武巖纖維表面的潤(rùn)滑性，減少纖維磨損，同時(shí)修復(fù)纖維表面的缺陷，提高纖維力學(xué)性能。有研究[8]指出，涂覆浸潤(rùn)劑后，連續(xù)玄武巖纖維的抗拉強(qiáng)度可提高25%。但到目前為止，連續(xù)玄武巖纖維使用的浸潤(rùn)劑品種只有十多種，且大多是玻璃纖維用浸潤(rùn)劑，缺少玄武巖纖維專用浸潤(rùn)劑。

2.6 應(yīng)用市場(chǎng)

當(dāng)前，連續(xù)玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)整體尚處于培育階段，纖維各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)尚未得到充分發(fā)揮，市場(chǎng)認(rèn)可度不高，宣傳力度也不強(qiáng)，市場(chǎng)需求尚未完全激活。許多下游企業(yè)也只局限于將連續(xù)玄武巖纖維當(dāng)作玻璃纖維的替代品。但如果僅從力學(xué)性能方面考慮，連續(xù)玄武巖纖維的優(yōu)勢(shì)并不明顯，因?yàn)檫B續(xù)玄武巖纖維的單纖強(qiáng)力僅比玻璃纖維的高20%，價(jià)格卻是玻璃纖維的2～3倍。若能利用連續(xù)玄武巖纖維優(yōu)秀的耐寒性和耐堿性將其加工成復(fù)合筋、土工材料、型材等產(chǎn)品，則會(huì)具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)性，非常適合高寒、高海拔地區(qū)使用。此外，利用連續(xù)玄武巖纖維的耐熱性制成的濾網(wǎng)可適用于600 ℃的環(huán)境，而普通有機(jī)纖維、玻璃纖維等則難以勝任該溫度；利用連續(xù)玄武巖纖維的耐海水腐蝕性、與海底巖石的相容性及可降解性，可制成人造海洋珊瑚；利用連續(xù)玄武巖纖維的耐高溫性可制成發(fā)動(dòng)機(jī)罩殼等。

因此，迫切需綜合利用連續(xù)玄武巖纖維的高強(qiáng)度、高模量，以及耐高溫、抗氧化、抗輻射等特性，開(kāi)發(fā)下游產(chǎn)品，擴(kuò)大連續(xù)玄武巖纖維的應(yīng)用市場(chǎng)。

3 結(jié)論

連續(xù)玄武巖纖維是一種新型的高性能纖維材料，未來(lái)在航空航天、國(guó)防軍工、石油化工、土建交通、汽車船舶等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

近幾年，我國(guó)通過(guò)自主創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了連續(xù)玄武巖纖維的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，但整個(gè)產(chǎn)業(yè)還處于初創(chuàng)期，在原料均化、池窯設(shè)計(jì)、工藝控制、浸潤(rùn)劑品種及應(yīng)用市場(chǎng)開(kāi)拓等方面還存在系列障礙。如果盲目跟風(fēng)，一哄而起，重復(fù)建設(shè)，則很容易引發(fā)爛尾潮。因此，迫切需要靜下心來(lái)，通過(guò)產(chǎn)學(xué)研合作，持續(xù)開(kāi)展核心技術(shù)攻關(guān)，提高纖維質(zhì)量穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)成本，并通過(guò)建立健全標(biāo)準(zhǔn)體系，持續(xù)推進(jìn)連續(xù)玄武巖纖維的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)工作，積極推廣后端產(chǎn)品應(yīng)用示范工程，促進(jìn)連續(xù)玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)良好發(fā)展。