連續玄武巖纖維生產工藝及技術瓶頸淺析

陳 松 賈 攀 梁 鳳 周 薇 張 薔 張 宇

四川省工業和信息化研究院,四川 成都 610041

連續玄武巖纖維具有耐高溫、抗氧化、抗輻射、絕熱隔聲、過濾性好等特點，它既是符合當今生態環境要求的一種綠色材料，又是未來極具競爭力的一種高性能纖維。

我國對連續玄武巖纖維展開工藝研究起步較晚。近幾年，部分企業結合自身優勢，在借鑒玻璃纖維生產技術的基礎上，通過消化、吸收、創新，實現了連續玄武巖纖維的產業化生產。這一發展迅速引起了業界的廣泛關注，許多資本躍躍欲試，準備投入到連續玄武巖纖維的生產中，欲搶占商機，或擴量增效，或政策套利。

但應看到，整個連續玄武巖纖維行業還處于初創期，大多數企業還處在探索、試驗階段，尚未形成完善的、成套的生產工藝，許多關鍵技術亟待攻克，尤其需通過技術創新提高纖維的質量穩定性，降低生產成本，擴大應用市場。

本文為了更好地促進連續玄武巖纖維的發展，對連續玄武巖纖維的生產工藝和存在的技術瓶頸進行了梳理和總結，以期為投資和開發連續玄武巖纖維提供參考。

1 連續玄武巖纖維生產工藝

連續玄武巖纖維生產工藝簡單來講就是，先將天然的玄武巖礦石原料加入熔爐中熔融，然后像生產玻璃纖維一樣拉絲成纖。但連續玄武巖纖維的生產工藝條件遠比玻璃纖維的苛刻，前者生產的關鍵是熔融和拉絲。玄武巖礦石原料、熔融設備及工藝參數等都會影響連續玄武巖纖維最終的性能，且連續玄武巖纖維實現產業化生產遠比玻璃纖維難得多。

連續玄武巖纖維的生產工藝按熔爐結構不同分為兩類——坩堝法和池窯法。坩堝法設備的熔化能力弱，生產的纖維質量差且成本高，現已逐漸被池窯法取代。池窯法生產的纖維質量高，成本低，是未來的發展方向，但池窯法存在前期一次性投入高，產品更換慢，漏板更換成本高等不足。

池窯法生產連續玄武巖纖維的流程如圖1所示。首先，玄武巖礦石原料經破碎、篩分、均化、稱量后，輸入窯前料倉，通過加料機傳送至池窯熔爐中。接著，玄武巖礦石被熔爐內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。前段是初級熔化帶，溫度達1 500～1 600 ℃，作用是使玄武巖礦石熔化并留滯較長的時間，令熔體內部氣泡揮發，難熔的晶體沉淀，確保玄武巖熔體化學成分均勻。后段是二級熔化帶，作用是為了精準控制熔體的溫度，保證拉絲的成形效果。然后，熔化的玄武巖熔體通過鉑銠漏板后被高速拉絲，形成連續的長絲，再浸漬浸潤劑，最后經集束器和繞絲機加工，得到連續玄武巖纖維原絲[1]。

圖1 連續玄武巖纖維池窯法生產工藝流程

2 連續玄武巖纖維生產技術瓶頸

2.1 原料

玄武巖礦石是從地殼深處沿裂隙噴發、凝固而形成的一種硬而致密的基性火山熔巖。火山爆發時，流出的巖漿溫度高達1 200 ℃，并具有一定的黏度。地勢平緩時，巖漿流動減慢；遇到陡坡時，巖漿流動加快。巖漿的流動速度影響著巖漿的冷卻速度，進而影響著玄武巖礦石的結晶程度和晶粒大小。可見，玄武巖礦石是天然形成的，其產地不同，成分不同，有時產地相同，成分也不完全一致。這便造成了3個問題：(1)有的玄武巖礦石原料拉絲溫度區間狹窄，且剛好接近析晶溫度，這種原料一經拉絲便會析晶，易造成斷絲或纖維拉伸強度下降。(2)有的玄武巖礦石原料內部存在較多的耐高溫結晶顆粒，很難熔融得到均勻的熔體，這會對玄武巖拉絲的穩定性造成影響。(3)不同批次玄武巖礦石原料化學成分有差異，這將影響制成的連續玄武巖纖維性能的穩定性。

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，需從化學成分、結晶度、析晶溫度、拉絲溫度等多方面綜合、嚴格考慮。此外，針對原料成分不穩定，可以采取下列措施改進：

(1)選用優質玄武巖礦石原料。玄武巖礦石外觀必須均質，呈細顆粒狀，無大的斑晶，且沒有石英、玉髓、隧石及外來雜質等；玄武巖礦石中的化學成分應在合理的范圍內(表1)，同時要求酸度系數IMK為1.00～1.35，黏度系數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容易，且內部基本無耐高溫的結晶顆粒。

(2)加強原料的均化。應加強對玄武巖礦石原料化學成分的分析和測試。合格的原料通過專用的設備破碎、篩分、均化后送入窯前料倉。玄武巖礦石原料的顆粒度需保持一致，粒度過大則難以熔化，過小則影響熔制質量。玄武巖礦石原料通過均化后，熔體的均勻度得到了提升，纖維的質量得到了改善。

表1 玄武巖原料的化學組成

(3)混合使用優質玄武巖礦石原料。玄武巖礦石原料中不同化學成分對熔制工藝和纖維性能的影響見表2[3]。

表2 玄武巖礦石原料中化學成分對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定性，部分生產企業參照玻璃纖維的生產方法，將原料成分標準化，即按標準調配原料，如缺鈣就補鈣、缺鈦就補鈦，每批生產原料成分質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，還可以擇優摻雜改性。如為了降低拉絲溫度，擴大拉絲溫度范圍，可以加入Li2O或Na2O[4]1-10；適當加入石灰巖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 池窯設計與投入

池窯是連續玄武巖纖維生產的關鍵設備。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，玄武巖熔體剛好處于析晶溫度范圍內，則玄武巖熔體會立即產生析晶，且此時的析晶速率是玻璃熔體的數十倍[5]，并難以糾正，這必將影響到拉絲的穩定性。因此，池窯設計時要考慮的因素很多：

(1)產能設計。若池窯產能設計過小，熔化能力有限，則玄武巖礦石內部結晶體不能充分熔融，或形成二次結晶，最終影響玄武巖熔體拉絲的連續性和纖維的穩定性，纖維生產成本增加。如果池窯設計產能充足，則纖維質量提高，纖維生產成本下降，但池窯的建造成本會成倍增加。以年產萬噸級的池窯生產線為例，其總投入超過2億元，一般中小企業難以承受。此外，大型池窯維修代價極高，池窯內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，火焰熱輻射無法穿透到池窯底部，易造成底部熔體溫度過低，最后產生析晶。采用電熔加熱時，加熱均勻度和熔化效率雖得到提高，但玄武巖中的鐵會侵蝕電極和鉑銠漏板[4]1-10。火電結合可降低加熱成本，還能提高加熱均勻度。目前，大型池窯多采用火電結合加熱，小型池窯多采用天然氣火焰加熱。

(3)耐火材料。優質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，連續生產24 h后，該耐火磚厚度就被侵蝕了1 mm以上。因此，生產一定周期后需對耐火材料進行更換。

(4)控制系統。為確保纖維質量的穩定性，配備一套智能化的控制系統，精準控制池窯內加熱電流、燃氣流量、窯內溫度、熔體液位、投料速率等參數，很有必要。只是智能化控制系統也是一筆不少的開支。

(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，各國都在積極采取措施降低碳排放。2020年，中國在聯合國大會上宣布，力爭于2030年前實現二氧化碳排放達到峰值、2060年前實現碳中和的目標。減少碳排放已成必然趨勢。能耗巨大的池窯今后或被關停，或需通過增加碳捕捉、碳封存等裝置加以改進，而后者又將顯著增加投資成本。

2.3 鉑銠漏板成本

鉑銠漏板也是生產連續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 ℃左右的高溫下會產生蠕變，影響纖維成形，且玄武巖熔體內的鐵元素會腐蝕鉑銠漏板，因此使用一段時間后需對鉑銠漏板進行整形修復，但代價極高。金屬銠的價格遠高于黃金和鉑，且只能依賴進口。2021年5月，銠的單價曾漲到5 600元/g以上。據四川省某生產企業介紹，一塊小尺寸的鉑銠漏板價格高達600萬元，使用壽命只有4～9個月，修復一次需要10萬元，更換一次漏板需調試約7 d。

2.4 能源價格

連續玄武巖纖維制造成本的30%以上來自能源消耗，故能源費用關系到纖維的制造成本。俄羅斯、烏克蘭等地的天然氣價格比我國的低50%[7]，故他們的池窯大多采用火焰加熱。我國國內不同地區的能源價格也有差異，如四川省達州地區天然氣單價是1.6元/m3，德陽地區天然氣單價比達州地區的高出0.7元/m3、電費單價比雅安地區的高出0.23元/(kW·h)。能源成本過高直接導致連續玄武巖纖維產品成本居高不下，如能享受直供氣或精準電價政策，企業的生產成本將極大程度地降低。

2.5 浸潤劑品種

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

2.6 應用市場

當前，連續玄武巖纖維產業整體尚處于培育階段，纖維各項優勢尚未得到充分發揮，市場認可度不高，宣傳力度也不強，市場需求尚未完全激活。許多下游企業也只局限于將連續玄武巖纖維當作玻璃纖維的替代品。但如果僅從力學性能方面考慮，連續玄武巖纖維的優勢并不明顯，因為連續玄武巖纖維的單纖強力僅比玻璃纖維的高20%，價格卻是玻璃纖維的2～3倍。若能利用連續玄武巖纖維優秀的耐寒性和耐堿性將其加工成復合筋、土工材料、型材等產品，則會具有很強的競爭性，非常適合高寒、高海拔地區使用。此外，利用連續玄武巖纖維的耐熱性制成的濾網可適用于600 ℃的環境，而普通有機纖維、玻璃纖維等則難以勝任該溫度；利用連續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；利用連續玄武巖纖維的耐高溫性可制成發動機罩殼等。

因此，迫切需綜合利用連續玄武巖纖維的高強度、高模量，以及耐高溫、抗氧化、抗輻射等特性，開發下游產品，擴大連續玄武巖纖維的應用市場。

3 結論

連續玄武巖纖維是一種新型的高性能纖維材料，未來在航空航天、國防軍工、石油化工、土建交通、汽車船舶等領域有著廣泛的應用。

近幾年，我國通過自主創新實現了連續玄武巖纖維的產業化生產，但整個產業還處于初創期，在原料均化、池窯設計、工藝控制、浸潤劑品種及應用市場開拓等方面還存在系列障礙。如果盲目跟風，一哄而起，重復建設，則很容易引發爛尾潮。因此，迫切需要靜下心來，通過產學研合作，持續開展核心技術攻關，提高纖維質量穩定性，降低生產成本，并通過建立健全標準體系，持續推進連續玄武巖纖維的應用與開發工作，積極推廣后端產品應用示范工程，促進連續玄武巖纖維產業良好發展。