四川省連續玄武巖纖維產業發展現狀及對策建議

陳 松,黃桂平,賈 攀,許志勇,周 薇

(四川省工業和信息化研究院,四川 成都 610041)

連續玄武巖纖維是玄武巖石料破碎碾磨后加到熔爐中,經過高溫熔融,通過鉑銠合金漏板快速拉絲制成的連續纖維。因纖維顏色有金屬光澤,又被稱為“金色纖維”。連續玄武巖纖維具有耐高溫、抗氧化、抗輻射、絕熱隔音、過濾性好等特點,被譽為“21世紀綠色工業材料”,被國家作為應用示范的關鍵戰略新材料,是四川省新材料產業重點攻關方向。以連續玄武巖纖維為增強體可制成各種性能優異的復合材料,可廣泛應用于航空航天、軍工、消防、環保、車船制造、建筑等軍工和民用領域等,而且連續玄武巖纖維在生產、使用和消亡過程中對環境無污染。大力開發連續玄武巖纖維及其復合材料制品具有潛在的經濟效益和社會效益。

四川省政府十分重視連續玄武巖纖維產業的發展,將連續玄武巖纖維產業列入了先進材料產業的重點培育方向,先后印發了《四川省連續玄武巖纖維產業發展指南》(2016～2020年)、《四川省新材料產業培育方案》《四川省新材料產業技術攻關路線圖》等一系列支持連續玄武巖纖維產業發展的指導性文件,為四川省連續玄武巖纖維產業發展提供了強有力的政策保障。經過幾年發展,四川省的連續玄武巖纖維生產技術水平、裝備技術水平和纖維產量有了很大的提高,在全國具有影響力。然而,整個連續玄武巖纖維產業都還處于發展初期,缺少可供借鑒的成熟經驗。亟需加快開展連續玄武巖纖維產業化關鍵技術研發,提升纖維品質,降低生產成本,開拓產品市場。鑒于此,筆者所在的課題組通過調研四川省內幾家主要的連續玄武巖纖維及其復合制品生產企業,分析了連續玄武巖纖維產業存在的問題,提出了行業發展對策建議,以便為相關部門制定產業政策提供參考。

1 連續玄武巖纖維產業現狀

1.1 國外連續玄武巖纖維發展現狀

最早的連續玄武巖纖維制造技術是1922年法國人Paul提出的,但并沒有實質性的工業化生產[1]。從20世紀60年代開始,蘇聯經過30多年的努力,成功實現了連續玄武巖纖維的工業化生產,產品全部用于國防軍工和航空航天領域,其連續玄武巖纖維研發、生產和應用全過程,均處于絕對保密狀態。隨著蘇聯的解體,助推了連續玄武巖纖維研究資料和生產技術的擴散。

經過近些年的發展,國外能夠實現連續玄武巖纖維產業化生產的國家主要有烏克蘭(4家)、俄羅斯(4家)、美國(2家)、格魯吉亞(1家)、加拿大(1家)、德國(1家)、烏茲別克斯坦、比利時、奧地利等10余家,總產量約1萬t[2]。生產技術主要采用單元爐拉絲工藝,拉絲漏板孔數多為200孔和400孔[3]。

1.2 我國連續玄武巖纖維發展現狀

我國開展連續玄武巖纖維的研究較晚,起步于本世紀初,早期借鑒了俄羅斯和烏克蘭的生產技術,但未形成產業化生產。2004年成都航天拓鑫科技有限公司、上海俄金連續玄武巖纖維有限公司通過改進,實現連續玄武巖纖維產業化生產,2005年浙江石金玄武巖纖維有限公司開發世界首例用電熔爐生產連續玄武巖纖維材料的技術[4]。2015年前后,在科技政策的扶持下,國內連續玄武巖纖維企業發展迅速,2016年后,四川、浙江、江蘇等省地將連續玄武巖纖維列為新材料未來重點發展領域,四川、云南、貴州等地成為玄武巖產業投資的熱點區域[5]。2020年8月,四川玻纖集團建成了世界首套萬噸級池窯連續玄武巖纖維生產線[6],隨后四川謙宜復合材料有限公司建成2 400孔連續玄武巖纖維漏板拉絲池窯生產線[7],標志著我國連續玄武巖纖維的關鍵核心技術已取得重大突破,我國已經成為世界上擁有最領先的連續玄武巖纖維生產技術的少數國家之一。

目前,全國工商注冊的連續玄武巖纖維生產廠家共有70余家[8],其中規模化生產(3 000 t/年以上)的廠家12家,2020年全國連續玄武巖纖維產能和產量見表1,2020年全國連續玄武巖纖維產能達3.55萬t,產量1.09萬t。中國的連續玄武巖纖維產量占全世界總產量的1/2,四川省的產量居全國之首。

表1 2020年全國連續玄武巖纖維產能和產量

1.3 四川省連續玄武巖纖維產業現狀

四川省連續玄武巖纖維產業主要分布在成都經開區、德陽羅江區、達州高新區、廣安華鎣山等地,形成“一體三翼”產業布局,2020年四川省連續玄武巖纖維產能和產量見表2,四川省初步形成了從礦石開采、原絲生產、復合材料到應用產品的全產業鏈,在全國形成示范引領效應。

表2 2020年四川省連續玄武巖纖維產能和產量

四川省連續玄武巖纖維產業的“一體三翼”各有特點。

成都經開區:是軍民融合玄武巖產業研發制造中心。以成都航天拓鑫科技有限公司為代表,是連續玄武巖纖維基礎性能研究、纖維制造技術及裝備開發、復合材料制造技術的原創基地。航天拓鑫率先突破連續玄武巖纖維規模化生產的關鍵技術,全球最早建成3 000 t/年的連續玄武巖纖維生產線,是我國連續玄武巖纖維產業的龍頭企業,也是連續玄武巖纖維技術創新與人才培養的基地。全國3 000 t/年以上的廠家有12家,其中8家采用了航天拓鑫連續玄武巖纖維生產技術。

德陽羅江區:是復合材料產業基地。以四川省玻纖集團有限公司為代表,該公司自主創新,將玻纖生產經驗移植到連續玄武巖纖維制造上,2020年8月建成了世界最大的1萬t級池窯連續玄武巖纖維生產線,單體窯爐產能居全球第一,生產的連續玄武巖纖維斷裂強度超過同規格產品的40%,單紗線密度波動低于3.5%,遠優于同行業水平,每噸纖維能耗低于0.91 t標煤,比同行業生產能耗標準低10%以上,比坩堝法生產工藝降低生產成本20%以上。2021年底將完成2萬t級池窯連續玄武巖纖維生產線,2023年,擬再建一條6萬t池窯連續玄武巖纖維生產線。

達州高新區:是達州千億元新材料基地,將成為全國最大的連續玄武巖纖維及制品產業園。園區總體規劃約6 000畝,現有入駐連續玄武巖纖維相關企業8家。以四川炬原連續玄武巖纖維科技有限公司為代表,下游聚集了紡織、拉擠、模壓、注塑、纏繞等五大工藝相關企業,園區產業鏈配套齊全,連續玄武巖纖維原絲銷售占全國市場的三分之一[9]。園區優勢是有充足的玄武巖原料、天然氣資源和便捷的物流網絡。在政策優勢方面,達州市政府將連續玄武巖纖維產業列入千億新材料產業集群重點培育,先后出臺了《達州市“6+2”產業集群招商引資優惠政策》《達州高新區扶持主導產業發展“3+24”條措施》《工業企業要素補貼管理辦法》等一系列扶持政策,對達州市新建玄武巖產業項目推出了8項獎勵措施,園區天然氣等能源費比其他地區節省20%,政府還協調市政工程大力推廣應用連續玄武巖纖維制品,促進了產業的發展。

廣安華鎣山:是復合材料研發和制造中心。華鎣山玄武巖資源儲量多、品位高、拉絲效果好。園區形成了以四川帕沃可公司為龍頭,謙宜、華炫等5家公司為支撐的“1+N”產業架構,其中嘉毅公司主攻礦石原料研發,華炫公司主攻礦石原料均質化,謙宜公司主攻連續纖維原絲生產,帕沃可、拜賽特、合聯公司主攻復合材料生產和裝備制造。2020年四川謙宜復合材料有限公司建成了首條年產3 500 t連續玄武巖纖維2 400孔漏板拉絲智能化池窯生產線暨年產6萬t玄武巖原料均質化生產線,取得的主要成果是原材均質化、池窯拉絲工藝、2 400孔大漏板拉絲工藝、2 400 tex高品質紗制造技術等,纖維生產效率提高2倍,池窯拉絲滿筒率達68%以上,原絲號數穩定在±3%以內,產品合格率高達96.3%。園區與11所高校開展研發合作,創建了全省連續玄武巖纖維制造業創新中心、省級工程實驗室、院士工作站。產業鏈下游應用開發主要是深海養殖蠔排、浮筒、網箱、A級阻燃建筑墻體板、載重汽車輕量化廂體等。

四川省連續玄武巖纖維產業發展較快的原因主要有三方面。一是專業研發能力強,生產技術、裝備水平全國領先。四川省率先取得了氣電結合、粉料添加、池窯熔化、大漏板拉絲等關鍵技術,市場聚集效應明顯,產業鏈配套相對完善;二是玄武巖儲量豐富,足以滿足全省連續玄武巖纖維產業的發展需求,而且品質較好;三是四川天然氣資源和水電資源豐富,纖維制造成本低。

2020年四川省連續玄武巖纖維產能2.35萬t,占全國2/3,產量0.88萬t,約占全國80%,產值1.76億元,約占全國80%。四川省連續玄武巖纖維主要的生產技術是氣電結合池窯法,1 200～2 400孔大漏板拉絲工藝,單絲直徑9～22μm。

2 連續玄武巖纖維產業存在的問題

2.1 原料不穩定,性能差異大

連續玄武巖纖維的原材料是天然熔巖,先天不足就是玄武巖礦成分有差異,不僅不同礦床成分波動較大,就是同一礦點化學成分也有一定差異。

由于玄武巖熔體具有“熔點高、導熱性差、易析晶、黏度窄、料性短”等一系列特性,特別是小爐窯工藝,熔化能力有限,只要玄武巖內部結晶體未充分熔融,極易影響玄武巖拉絲的連續性和穩定性。

如果同一束纖維的各項理化指標前后不一致,批次之間性能差異性大,就會導致在高端領域上的批量化應用受到限制。

2.2 標準規范缺失,推廣應用困難

連續玄武巖纖維是近幾年才出現的新材料,市場上的連續玄武巖纖維品種雖多,但是標準缺失,目前僅有國家標準4個(《水泥混凝土和砂漿用短切玄武巖纖維》(GB/T 23265-2009)、《纖維增強復合材料工程應用技術規程》(GB 50608-2010)、《玄武巖纖維無捻粗紗》(GB/T 25045)、《玄武巖纖維分類分級及代號》(GB/T 38111-2019)),交通部標準4個(《公路工程玄武巖纖維及其制品 第1部分:玄武巖短切纖維》(JT/T 776.1-2010)、《公路工程 玄武巖纖維及其制品 第2部分:玄武巖纖維單向布》(JT/T 776.2-2010)、《公路工程 玄武巖纖維及其制品 第3部分:玄武巖纖維土工格柵》(JT/T 776.3-2010)、《公路工程玄武巖纖維及其制品 第4部分:玄武巖纖維復合筋》(JTT 776.4-2010))和住建部標準2個(《纖維增強復合材料格柵》(JG/T 364-2012)、《結構加固用修復玄武巖纖維片材》(JG/T 365-2012))。沒有更多統一的產品標準和市場標準。

標準體系的不完善,讓連續玄武巖纖維在使用上極其受限,無法被其他行業列入設計規范,難以獲得大量推廣應用。特別是進入建筑材料、航空航天、軍民融合等領域,更需要完善的標準體系才能得到市場準入。

在應用市場上,連續玄武巖纖維的產品市場空間被擠壓在碳纖維高端市場和玻璃纖維的中低端市場的狹縫之間。和碳纖、芳綸等高性能纖維相比,連續玄武巖纖維供應的連續性、力學性能穩定性方面還有待加強;和玻纖相比,雖然單纖強力比玻纖高出20%,但價格卻是玻纖的2～3倍,缺乏市場競爭優勢。因此連續玄武巖纖維產品的應用推廣相對較難。

連續玄武巖纖維產業整體處于培育發展階段,沒有發揮連續玄武巖纖維優勢,市場認可度不高,產業宣傳力度不強,市場需求未完全激活,急需加強研發、推廣等基礎性制度建設。

2.3 前期投入大,市場信心不足

連續玄武巖纖維前期研發及市場培育投入大、風險高。年產萬噸級的池窯生產線總投資就超過2億元,一般中小企業負擔不起。由于生產成本高,市場競爭力弱等原因,無法發揮產能,大部分企業生產只達到設計產能的1/3～1/2,利潤率在30%甚至虧損,相比之下玻纖企業利潤率一般都能達到60%～90%,因此,社會資本投資意愿不強,觀望情緒偏濃,市場主體投資信心需進一步提振。

2.4 要素保障不均衡

土地指標一定程度制約項目建設進度和產業規模壯大的速度,連續玄武巖纖維生產成本中約30%為能源消耗,纖維生產企業面臨用電、用氣成本較高等壓力。例如帕沃可、謙宜等公司現在生產連續玄武巖纖維的天然氣年用量為幾百萬立方、用電量為幾千萬度,預計到2023年底,謙宜二期建成后,年用氣量、用電量還會大幅提高。川玻集團天然氣年用量為1 000多萬立方,預計到2025年,年產6萬t的連續玄武巖纖維池窯生產線建成后,年用氣量將增加數倍。不同地位的用電用氣成本還有差異,德陽地區工業用電成本要比雅安地區高出0.23元/(k W·h),用氣成本比達州高出0.7元/立方。用氣用電成本增加將直接造成產品成本居高不下。如能享受直供氣和精準電價政策,將極大降低企業成本。

3 連續玄武巖纖維產業發展對策建議

3.1 鼓勵開展產業化關鍵技術研發

鼓勵產學研聯合攻關,開展連續玄武巖纖維產業化關鍵技術研發,提升纖維品質,降低生產成本。鼓勵開展天然玄武巖礦石配礦和均質化技術研究,提高紡絲加工性能和纖維力學與物理化學性能穩定性;鼓勵開展連續玄武巖纖維大型池窯關鍵技術研究,優先發展年產千噸級以上連續玄武巖纖維全電熔法池窯生產技術,重點支持1萬t/年以上氣電法池窯生產技術;鼓勵發展1 200孔以上漏板拉絲技術,重點支持1 600孔以上漏板拉絲技術;鼓勵發展連續玄武巖纖維自動化和智能化生產線。

3.2 建立健全技術創新及標準體系

支持連續玄武巖纖維制造業中心、省級創新中心、重點實驗室建設,在人才引進、技術研究、成果轉化等方面給予政策支持;針對玄武巖產品的重點領域,制定建立省級層面的連續玄武巖纖維產品相關地方標準,協調國家標準化管理委員會、全國玻璃纖維標準化技術委員會等機構,支持積極參與和推進國家標準的修訂和起草。

3.3 鼓勵連續玄武巖纖維應用開發研究

鼓勵連續玄武巖纖維在橋梁、隧道、裝配式建筑以及建筑輕量化等土木工程領域應用開發;鼓勵連續玄武巖纖維在石油化工管道、儲罐和石化裝備領域應用開發;鼓勵連續玄武巖纖維在運載工具(高速列車、磁懸浮列車、汽車、艦船、無人機、飛機等)輕量化應用開發;鼓勵連續玄武巖纖維在海洋工程和海島建設領域應用開發;鼓勵連續玄武巖纖維在核電、新能源、航天、通信以及武器裝備領域應用開發。

3.4 加大政策引導及政府扶持力度

將連續玄武巖纖維產業納入全省產業發展規劃,合理布局四川省連續玄武巖纖維產業發展,通過財政專項補助、融資貼息、應用補貼等方式加大政府扶持力度,引導相關產業發展基金加大投入,引導商業銀行加大貸款服務力度,重點培育發展一批特色優勢園區,支持一批骨干企業做強做大,扶持一批“專精特新”中小微企業。

3.5 積極推廣后端產品應用示范工程

推動落實四川省與各軍工集團相關戰略協議,擴大連續玄武巖纖維制品在高端軍品和規模化民品的應用研發;制定出臺關于加強連續玄武巖纖維制品政府采購和推廣應用的政策文件,將連續玄武巖纖維制品納入全省重大工程采購目錄,在建筑工程、交通建設、農業設施等領域開展試點示范和推廣應用,擴大連續玄武巖纖維產品應用市場,引領四川省連續玄武巖纖維產業健康持續發展。

3.6 強化要素保障

將連續玄武巖纖維產業項目優先列入省重點項目名單,對列入省重點項目名單的連續玄武巖纖維產業項目,在建設用地指標上給予優先保障;將生產連續玄武巖纖維產品的龍頭和配套企業納入直購電試點范圍,降低用電成本;進行天然氣直供,減少中間環節,降低用氣價格。