连续玄武岩纤维生产工艺及技术瓶颈浅析

陈 松 贾 攀 梁 凤 周 薇 张 蔷 张 宇

四川省工业和信息化研究院,四川 成都 610041

连续玄武岩纤维具有耐高温、抗氧化、抗辐射、绝热隔声、过滤性好等特点，它既是符合当今生态环境要求的一种绿色材料，又是未来极具竞争力的一种高性能纤维。

我国对连续玄武岩纤维展开工艺研究起步较晚。近几年，部分企业结合自身优势，在借鉴玻璃纤维生产技术的基础上，通过消化、吸收、创新，实现了连续玄武岩纤维的产业化生产。这一发展迅速引起了业界的广泛关注，许多资本跃跃欲试，准备投入到连续玄武岩纤维的生产中，欲抢占商机，或扩量增效，或政策套利。

但应看到，整个连续玄武岩纤维行业还处于初创期，大多数企业还处在探索、试验阶段，尚未形成完善的、成套的生产工艺，许多关键技术亟待攻克，尤其需通过技术创新提高纤维的质量稳定性，降低生产成本，扩大应用市场。

本文为了更好地促进连续玄武岩纤维的发展，对连续玄武岩纤维的生产工艺和存在的技术瓶颈进行了梳理和总结，以期为投资和开发连续玄武岩纤维提供参考。

1 连续玄武岩纤维生产工艺

连续玄武岩纤维生产工艺简单来讲就是，先将天然的玄武岩矿石原料加入熔炉中熔融，然后像生产玻璃纤维一样拉丝成纤。但连续玄武岩纤维的生产工艺条件远比玻璃纤维的苛刻，前者生产的关键是熔融和拉丝。玄武岩矿石原料、熔融设备及工艺参数等都会影响连续玄武岩纤维最终的性能，且连续玄武岩纤维实现产业化生产远比玻璃纤维难得多。

连续玄武岩纤维的生产工艺按熔炉结构不同分为两类——坩埚法和池窑法。坩埚法设备的熔化能力弱，生产的纤维质量差且成本高，现已逐渐被池窑法取代。池窑法生产的纤维质量高，成本低，是未来的发展方向，但池窑法存在前期一次性投入高，产品更换慢，漏板更换成本高等不足。

池窑法生产连续玄武岩纤维的流程如图1所示。首先，玄武岩矿石原料经破碎、筛分、均化、称量后，输入窑前料仓，通过加料机传送至池窑熔炉中。接着，玄武岩矿石被熔炉内部安装的多组电热装置或多组天然气喷嘴加热熔融。其中，熔炉大多分为前后两段。前段是初级熔化带，温度达1 500～1 600 ℃，作用是使玄武岩矿石熔化并留滞较长的时间，令熔体内部气泡挥发，难熔的晶体沉淀，确保玄武岩熔体化学成分均匀。后段是二级熔化带，作用是为了精准控制熔体的温度，保证拉丝的成形效果。然后，熔化的玄武岩熔体通过铂铑漏板后被高速拉丝，形成连续的长丝，再浸渍浸润剂，最后经集束器和绕丝机加工，得到连续玄武岩纤维原丝[1]。

图1 连续玄武岩纤维池窑法生产工艺流程

2 连续玄武岩纤维生产技术瓶颈

2.1 原料

玄武岩矿石是从地壳深处沿裂隙喷发、凝固而形成的一种硬而致密的基性火山熔岩。火山爆发时，流出的岩浆温度高达1 200 ℃，并具有一定的黏度。地势平缓时，岩浆流动减慢；遇到陡坡时，岩浆流动加快。岩浆的流动速度影响着岩浆的冷却速度，进而影响着玄武岩矿石的结晶程度和晶粒大小。可见，玄武岩矿石是天然形成的，其产地不同，成分不同，有时产地相同，成分也不完全一致。这便造成了3个问题：(1)有的玄武岩矿石原料拉丝温度区间狭窄，且刚好接近析晶温度，这种原料一经拉丝便会析晶，易造成断丝或纤维拉伸强度下降。(2)有的玄武岩矿石原料内部存在较多的耐高温结晶颗粒，很难熔融得到均匀的熔体，这会对玄武岩拉丝的稳定性造成影响。(3)不同批次玄武岩矿石原料化学成分有差异，这将影响制成的连续玄武岩纤维性能的稳定性。

因此，并不是所有的玄武岩矿石都可以用于拉丝。筛选玄武岩矿石原料时，需从化学成分、结晶度、析晶温度、拉丝温度等多方面综合、严格考虑。此外，针对原料成分不稳定，可以采取下列措施改进：

(1)选用优质玄武岩矿石原料。玄武岩矿石外观必须均质，呈细颗粒状，无大的斑晶，且没有石英、玉髓、隧石及外来杂质等；玄武岩矿石中的化学成分应在合理的范围内(表1)，同时要求酸度系数IMK为1.00～1.35，黏度系数IMb为1.2～2.0[2]；玄武岩矿石的拉丝温度范围宜宽，这样熔融和拉丝都相对容易，且内部基本无耐高温的结晶颗粒。

(2)加强原料的均化。应加强对玄武岩矿石原料化学成分的分析和测试。合格的原料通过专用的设备破碎、筛分、均化后送入窑前料仓。玄武岩矿石原料的颗粒度需保持一致，粒度过大则难以熔化，过小则影响熔制质量。玄武岩矿石原料通过均化后，熔体的均匀度得到了提升，纤维的质量得到了改善。

表1 玄武岩原料的化学组成

(3)混合使用优质玄武岩矿石原料。玄武岩矿石原料中不同化学成分对熔制工艺和纤维性能的影响见表2[3]。

表2 玄武岩矿石原料中化学成分对熔制工艺和纤维性能的影响

因此，为便于熔制并提升所得纤维性能的稳定性，部分生产企业参照玻璃纤维的生产方法，将原料成分标准化，即按标准调配原料，如缺钙就补钙、缺钛就补钛，每批生产原料成分质量的变化幅度精确控制在-3.0%～3.0%。另外，有特殊性能要求的，还可以择优掺杂改性。如为了降低拉丝温度，扩大拉丝温度范围，可以加入Li2O或Na2O[4]1-10；适当加入石灰岩和白云岩能降低拉丝难度；添加ZrO2能提高纤维的耐碱性；添加Al2O3、TiO2能增加纤维的耐温性。

2.2 池窑设计与投入

池窑是连续玄武岩纤维生产的关键设备。玄武岩矿石原料透热差、熔化慢、析晶快。如果池窑熔炉温度控制不当，玄武岩熔体刚好处于析晶温度范围内，则玄武岩熔体会立即产生析晶，且此时的析晶速率是玻璃熔体的数十倍[5]，并难以纠正，这必将影响到拉丝的稳定性。因此，池窑设计时要考虑的因素很多：

(1)产能设计。若池窑产能设计过小，熔化能力有限，则玄武岩矿石内部结晶体不能充分熔融，或形成二次结晶，最终影响玄武岩熔体拉丝的连续性和纤维的稳定性，纤维生产成本增加。如果池窑设计产能充足，则纤维质量提高，纤维生产成本下降，但池窑的建造成本会成倍增加。以年产万吨级的池窑生产线为例，其总投入超过2亿元，一般中小企业难以承受。此外，大型池窑维修代价极高，池窑内的玄武岩熔体一旦凝固则极难再度熔化。

(2)加热方式。池窑的加热方式分火焰加热、电熔加热、火电结合加热等。玄武岩矿石中铁含量较高，传热、透热较困难。采用火焰加热时，火焰热辐射无法穿透到池窑底部，易造成底部熔体温度过低，最后产生析晶。采用电熔加热时，加热均匀度和熔化效率虽得到提高，但玄武岩中的铁会侵蚀电极和铂铑漏板[4]1-10。火电结合可降低加热成本，还能提高加热均匀度。目前，大型池窑多采用火电结合加热，小型池窑多采用天然气火焰加热。

(3)耐火材料。优质的耐火材料能使池窑保持在理想的1 600 ℃附近，这有利于减少能耗，但玄武岩熔体在1 600 ℃条件下对耐火材料的侵蚀较明显。有研究[6]显示，利用熔铸AZS-41砖作耐火材料时，连续生产24 h后，该耐火砖厚度就被侵蚀了1 mm以上。因此，生产一定周期后需对耐火材料进行更换。

(4)控制系统。为确保纤维质量的稳定性，配备一套智能化的控制系统，精准控制池窑内加热电流、燃气流量、窑内温度、熔体液位、投料速率等参数，很有必要。只是智能化控制系统也是一笔不少的开支。

(5)碳排放。碳排放是地球变暖的元凶。为了人类共同的生存家园，各国都在积极采取措施降低碳排放。2020年，中国在联合国大会上宣布，力争于2030年前实现二氧化碳排放达到峰值、2060年前实现碳中和的目标。减少碳排放已成必然趋势。能耗巨大的池窑今后或被关停，或需通过增加碳捕捉、碳封存等装置加以改进，而后者又将显著增加投资成本。

2.3 铂铑漏板成本

铂铑漏板也是生产连续玄武岩纤维的核心部件，目前多采用80/20铂铑漏板。这种漏板在1 350 ℃左右的高温下会产生蠕变，影响纤维成形，且玄武岩熔体内的铁元素会腐蚀铂铑漏板，因此使用一段时间后需对铂铑漏板进行整形修复，但代价极高。金属铑的价格远高于黄金和铂，且只能依赖进口。2021年5月，铑的单价曾涨到5 600元/g以上。据四川省某生产企业介绍，一块小尺寸的铂铑漏板价格高达600万元，使用寿命只有4～9个月，修复一次需要10万元，更换一次漏板需调试约7 d。

2.4 能源价格

连续玄武岩纤维制造成本的30%以上来自能源消耗，故能源费用关系到纤维的制造成本。俄罗斯、乌克兰等地的天然气价格比我国的低50%[7]，故他们的池窑大多采用火焰加热。我国国内不同地区的能源价格也有差异，如四川省达州地区天然气单价是1.6元/m3，德阳地区天然气单价比达州地区的高出0.7元/m3、电费单价比雅安地区的高出0.23元/(kW·h)。能源成本过高直接导致连续玄武岩纤维产品成本居高不下，如能享受直供气或精准电价政策，企业的生产成本将极大程度地降低。

2.5 浸润剂品种

浸润剂的作用是增强连续玄武岩纤维表面的润滑性，减少纤维磨损，同时修复纤维表面的缺陷，提高纤维力学性能。有研究[8]指出，涂覆浸润剂后，连续玄武岩纤维的抗拉强度可提高25%。但到目前为止，连续玄武岩纤维使用的浸润剂品种只有十多种，且大多是玻璃纤维用浸润剂，缺少玄武岩纤维专用浸润剂。

2.6 应用市场

当前，连续玄武岩纤维产业整体尚处于培育阶段，纤维各项优势尚未得到充分发挥，市场认可度不高，宣传力度也不强，市场需求尚未完全激活。许多下游企业也只局限于将连续玄武岩纤维当作玻璃纤维的替代品。但如果仅从力学性能方面考虑，连续玄武岩纤维的优势并不明显，因为连续玄武岩纤维的单纤强力仅比玻璃纤维的高20%，价格却是玻璃纤维的2～3倍。若能利用连续玄武岩纤维优秀的耐寒性和耐碱性将其加工成复合筋、土工材料、型材等产品，则会具有很强的竞争性，非常适合高寒、高海拔地区使用。此外，利用连续玄武岩纤维的耐热性制成的滤网可适用于600 ℃的环境，而普通有机纤维、玻璃纤维等则难以胜任该温度；利用连续玄武岩纤维的耐海水腐蚀性、与海底岩石的相容性及可降解性，可制成人造海洋珊瑚；利用连续玄武岩纤维的耐高温性可制成发动机罩壳等。

因此，迫切需综合利用连续玄武岩纤维的高强度、高模量，以及耐高温、抗氧化、抗辐射等特性，开发下游产品，扩大连续玄武岩纤维的应用市场。

3 结论

连续玄武岩纤维是一种新型的高性能纤维材料，未来在航空航天、国防军工、石油化工、土建交通、汽车船舶等领域有着广泛的应用。

近几年，我国通过自主创新实现了连续玄武岩纤维的产业化生产，但整个产业还处于初创期，在原料均化、池窑设计、工艺控制、浸润剂品种及应用市场开拓等方面还存在系列障碍。如果盲目跟风，一哄而起，重复建设，则很容易引发烂尾潮。因此，迫切需要静下心来，通过产学研合作，持续开展核心技术攻关，提高纤维质量稳定性，降低生产成本，并通过建立健全标准体系，持续推进连续玄武岩纤维的应用与开发工作，积极推广后端产品应用示范工程，促进连续玄武岩纤维产业良好发展。