连续玄武岩纤维制备关键技术研究进展

连续玄武岩纤维制备关键技术研究进展

发表时间：2018-07-20T11:08:32.077Z 来源：《基层建设》2018年第18期作者：黄洪果1 刘作磊2 彭涛3 王智靓4 [导读] 摘要：本位主要介绍了玄武岩纤维在国内外的发展情况及现状，并结合我司在玄武岩纤维生产和实验过程中遇到的实际问题展开，分析玄武岩纤维制备关键技术设备在玄武岩纤维生产过程中存在的限制条件，主要以现有窑炉热量供给、热传递、耐材侵蚀等关键技术出发，以期待在这些关键技术上能有所突破。

四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司四川省成都市 610100 摘要：本位主要介绍了玄武岩纤维在国内外的发展情况及现状，并结合我司在玄武岩纤维生产和实验过程中遇到的实际问题展开，分析玄武岩纤维制备关键技术设备在玄武岩纤维生产过程中存在的限制条件，主要以现有窑炉热量供给、热传递、耐材侵蚀等关键技术出发，以期待在这些关键技术上能有所突破。

关键词：玄武岩纤维熔炉供热系统玄武岩熔炉炉膛耐火材料 1. 引言

随着社会进步，高性能材料的需求越来越大，玄武岩纤维也正是伴随着这样的社会节奏逐步发展壮大。玄武岩纤维的力学性能、热学性能和电学性能更是逐步被开发出来，伴随而来的是各行各业对玄武岩纤维的需求将不断增加，这也给予了玄武岩纤维行业发展的契机。但同时玄武岩纤维的制备技术却仍较为落后，成本依然偏高，这也限制了玄武岩纤维的发展。近年来随着玄武岩纤维在国内外越来越受到重视，玄武岩纤维生产企业也越来越多，人才和技术积累也越来越丰富，玄武岩纤维生产技术将得以突飞猛进的发展。

2. 国内外玄武岩纤维制备现状 2.1 生产现状

玄武岩纤维于1953—1954年在前苏联研发成果[1]，1985年于乌克兰实验工业生产[2]。经过数十年的发展玄武岩纤维制备工艺也发生了巨大的变化，总体来说大致分为：初期全铂坩埚拉丝，第二阶段是小池窑单漏板拉丝及第三阶段池窑多漏板拉丝工艺。虽然连续玄武岩纤维的制备工艺与玻璃纤维拉丝工艺有诸多相似之处，但因玄武岩矿石熔点高及黑度大，使得连续玄武岩纤维的制造过程更加困难和复杂。目前世界上仅有俄罗斯、乌克兰、美国、中国等少数国家掌握了这种连续纤维的生产工艺，可实现玄武岩连续纤维及其制品的生产[3]。也正是由于玄武岩矿石的特性使得玄武岩熔炉与玻璃纤维熔炉有着本质的区别，为满足玄武岩矿石熔制要求，经过数十年经验总结，到目前主要形成了三类玄武岩熔炉体系：一种是以天然气作熔化供热，主要代表为俄罗斯KEV、中国四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司；第二种为全电熔窑炉，熔化热能全由电能提供，主要代表浙江石金玄武岩纤维有限公司；第三种天然气供热结合电助熔型[4]。

随着玄武岩熔制工艺的进步与之配套的漏板技术也在不断进步，目前俄罗斯玄武岩纤维生产漏板普遍使用800孔漏板，1200孔漏板已成功实现拉丝生产。国内主流纤维生产漏板仍为400孔，多件玄武岩纤维生产企业也已成功实现800孔漏板拉丝，但因为行业保密，漏板技术仍未公开。这也限制了玄武岩纤维行业的整体发展，笔者从事玄武岩纤维行业数年，也亲眼见证了玄武岩纤维的发展，现结合我公司关于玄武岩纤维生产工艺情况及自身经验简单阐述玄武岩纤维这几年的发展。

2.2 玄武岩生产设备的改进

当前连续玄武岩纤维采用一步法进行制备，其工艺流程如图1所示。玄武岩化学成分、矿物组成显著区别于其他纤维原料，使得对工艺设备提出了更多新的要求。当前已在高温炉体、拉丝漏板、耐火材料等关键技术上得到了一定的认识和突破。

图1：玄武岩纤维制备示意图从工艺流程图可知玄武岩纤维生产的主要设备是玄武岩纤维熔炉，熔炉的优劣直接影响成纤玻璃体质量，熔炉的熔化能力直接影响对应漏板规格。反之为得到高质量的熔体和满足作业的熔化能力，熔炉各个系统的优化设计就成为了首要考虑的问题。在玄武岩纤维熔炉系统设计中主要包括：窑炉耐材选择情况、窑炉供热系统及窑炉炉身结构，下文将是结合我公司实际经验及实验对各个系统优化所做的努力及达到的效果进行浅析。

窑炉供热系统

我司主要采用窑炉顶部天然气燃烧为玄武岩熔化提供热量，由于玄武岩矿石中Fe含量较高10%左右，使得玄武岩熔体黑度非常大，这也导致天然气燃烧产生的热量很难穿透玄武岩熔体。也就导致了玄武岩熔体在深度方向上温差特别明显，经测熔体温将可达到30℃/cm。由此也可以看出燃气供热熔制玄武岩熔体，只能保持较浅的液位，底层玄武岩熔体因热量不够而成为不动层，为析晶提供了条件，在熔炉出现波动时（各项工艺参数的变化），不动层被翻起造成生产异常。2016年我公司为解决熔体温降难题，采取新思路，以天然气供热辅以电加热方式进行玄武岩熔化技改[4]。开启电助熔前后测温点温度情况如表1，测温点窑炉纵向同一位置图2，三组热电偶均布间隔70mm，第一组热电偶位于熔体表层。

由上表可明显看出增加电助熔后熔体深度方向的温降有明显好转。

此外，国内外也有一些其他专家、学者针对玄武岩熔融作了很多工作并提出了很多独到的见解：独联体国家针对玄武岩的特点，对设计单元窑提出了专门的计算公式：Denisov G A通过对池窑设计，增大了制造纤维的产率且设备易于维护，提高设备使用率[5]。另外，据文献报道：Gogolaze Paata等采用电极在熔体内部加热，同时采用浅层熔化法，可以有效提高玄武岩熔化效率，减少熔体上下层温差，并提高熔体的均匀性[6]。国内专家胡显奇采用中高频（1～300KHz）感应加热熔化玄武岩[7]，开创了玄武岩熔制新领域。

耐火材料情况

窑炉内部主要是由各种耐火材料构成，玄武岩熔炉耐材的选择也是窑炉设计的一个重要研究对象。

首先玄武岩熔融温度约为1500℃，那么窑炉内衬耐材的正常使用温度应不低此温度。

第二，满足供热要求，火焰炉内衬耐材不与燃料或燃烧产物发生反应，电熔炉耐材满足电阻率要求等。图3、图4所示为某玄武岩生产厂家相同型号窑炉，相同部位，相同耐材在燃气供热和电加热条件下对耐材的侵蚀情况：

粉料由于受天然气冲刷飞扬，附着于顶砖就造成了对炉顶的侵蚀。二颗粒原料熔炉顶砖使用寿命可到达3到5年。现在为使粉料熔炉使用寿命得以保障，受剥蚀较严重的顶砖均采用氧化铬耐材。

也正是由于受到玄武岩熔化特性的影响，熔炉耐材的选择到目前仍没有定论，各个生产企业均根据自身特点进行耐材的选择，窑炉的使用寿命也差异巨大。同时受到企业保密限制，各个企业均未透露各自熔炉耐材情况。

3 结论与展望

从玄武岩纤维行业发展来看，整个世界范围内的玄武岩纤维生产技术仍处于基础研发阶段，池窑大漏板技术仍是玄武岩纤维发展的大趋势，然而如上文所述，玄武岩熔化供热及池壁耐材侵蚀等问题仍是设备和技术的关键难题。

目前国内玄武岩纤维生产水平与德国、俄罗斯等国还有一定的差距，然而伴随社会对玄武岩纤维认知度的提升及需求领域的扩大，玄武岩纤维也正受到越来越多的关注，这也给了我们玄武岩纤维企业发展的一个良好契机。作为国内首批玄武岩纤维企业，四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司，正是抓住了这样的契机，不仅注重自身对玄武岩纤维关键技术的研究突破，还联合了一大批高校、科研机构及企业对玄武岩纤维原料、生产设备、制备工艺、后制品等做了大量研究和研发工作，推动玄武岩纤维产业化和持续化发展。

参考文献

[1].石钱华.国外连续玄武岩纤维的发展及其应用[J]玻璃纤维，2003，（4）：27-31.

[2].贾丽霞，蒋喜志等.玄武岩纤维及其复合材料性能研究[J]纤维复合材料，2005，19（12）：13-15.