發布時間：2022-05-13所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要: 礦渣棉具有不可燃、導熱系數
摘要: 礦渣棉具有不可燃、導熱系數小、化學穩定性好等特性，被廣泛應用于絕熱、保溫、吸音和防火的保溫材料領域。概括介紹了礦渣棉的組成、特性和生產現狀，并對礦渣棉及其保溫板的制備工藝方法進行了說明。指出了發展高質量優質礦渣棉，滿足建筑業應用的必要性。
關鍵詞: 高爐渣; 礦渣棉; 保溫板
0 引言
鋼鐵冶金生產過程中必然會產生大量高爐廢渣，由于高爐內礦石品位和冶煉技術的差異，高爐渣的排放量也不相同。目前我國鋼鐵冶金每噸生鐵可產生 0. 35 t 的爐渣[1，2]，按 2020 年我國生鐵產量 8. 88億 t 計算，高爐渣年產量將高達到 3 億 t 左右，成為全部工業廢渣排放總量的主要部分。我國對高爐渣的利用率總體較低，為了防止資源浪費，許多學者對其進行了研究，試圖將積累的大量高爐渣變廢為寶。例如，利用高爐渣的吸附作用處理污水[3 - 5]，水淬后的高爐渣制造水泥[6 - 7]，粉碎后的高爐渣微粉可用于陶瓷制造[8]等，但附加值比較低。調質后的高爐渣在熔融狀態下通過噴吹或離心等工藝，被制成的礦渣棉纖維具有不燃性、化學穩定性好、低導熱性 等 特 性，是 有 機 保 溫 材 料 的 理 想 替 代 產品[9 - 11]。高爐熔渣的溫度可以達到 1 500 ℃，每噸爐渣的顯熱相當于 45 ～ 60 kg 標準煤[12，13]，利用液態熱熔渣制備礦渣棉不僅有效利用了熔渣的顯熱，生產出可用于不同領域的保溫材料，而且節省了高爐渣從高爐排出后的水淬、風冷固化、再重新加熱熔化的過程，有效節約了能源，減少了環境污染。既符合低碳經濟的要求，又能夠實現我國冶金固廢高附加值利用新技術的革新。
1 礦渣棉及其物化特性
我國目前每年可產生約 3 億 t 的冶金爐渣。用傳統的處理方法，不僅造成環境污染和資源浪費，而且還需占用大量土地。探索高爐渣生產高附加值的礦物棉成為研究重點。
1. 1 礦渣棉
礦渣棉外觀呈白色絲棉狀，是一種采用高爐爐渣生產的礦物棉。主要成分為 SiO2、Al2O3、CaO 和 MgO，其總量占了礦渣棉總量的 95% 左右，另外還有少量的 MnO 和 FeO 等，如表 1 所示[14]。礦渣棉具有導熱系數小、質量輕、耐腐蝕、防蛀、不可燃、吸聲性能好和廉價等特點，可做成板、氈、毯、墊、筒和繩等，作為隔熱材料、吸音材料和防火材料使用，廣泛應用于建筑、工業等領域[15，16]。
1. 2 礦渣棉物化特性
1. 2. 1 抗拉強度
礦渣棉纖維的表面結構為光滑的圓柱狀，截面一般為圓形。這與有機纖維表面出現不規則褶皺、斷面呈片狀或管狀形成對比[17]。因此，無機礦物棉的抗拉強度比有機纖維高。
礦渣棉纖維的抗拉強度類似于玻璃纖維，與纖維的直徑、纖維含堿量、成型纖維熔體質量和成型方法等因素有關[18 - 22]。直徑越小的纖維，抗拉強度越高。含堿量越低的纖維，抗拉強度越高，因為纖維中堿含量越低，會減少硅氧鍵斷裂，提高橋氧鍵的網絡，從而提高纖維的抗拉強度。另外，纖維表面的堿金屬離子會吸附空氣中的水分，水分會使纖維表面的微裂紋擴大，從而降低纖維的抗拉強度，因此，想要降低該因素對強度的不利影響，必須降低纖維堿含量。熔渣中含有雜質越少，也就是制備纖維的熔體質量越好，纖維的抗拉強度越高。因為在熔渣中含有大量雜質時，纖維成型后遺留在其內部的雜質及其周圍的玻璃相與原玻璃相成分不同，膨脹系數也會不同，冷卻過程中應力集中、微裂紋聚集等情況必然形成，造成抗拉強度下降。抗拉強度還與成型方法有關，一般情況下，吹制的纖維強度要比拉制的纖維強度小。
1. 2. 2 化學穩定性
礦物纖維的化學穩定性也就是耐水性，習慣稱之為化學耐久性，它決定了礦物纖維的使用價值�；瘜W耐久性可以用酸度系數來衡量，用于表征礦物纖維的耐水性、成纖性能等。酸度系數是熔渣中的酸性和堿性氧化物的質量比，酸度系數越高的礦渣棉纖維中堿金屬氧化物含量較低，而化學耐久性和耐水性能相對較好，礦棉纖維的熔化性溫度也會提高，成型纖維直徑相對較粗。
1. 2. 3 防火性能
礦渣棉屬于無機硅酸鹽纖維，不可燃，所以礦渣棉制品應用在建筑上不僅可以保溫，還可以有效防火，即使在高溫狀態下也不會釋放出對環境和人體有毒有害氣體，是符合國標的“A1”級的防火材料。因此，礦渣棉制品不僅是性能優越的防火材料，還是一種很理想的建筑保溫材料。但由于礦渣棉制品在制備過程中增加了粘結劑、憎水劑等添加劑，因此礦渣棉制品的防火性要考慮添加劑的使用。
1. 2. 4 耐熱性
礦渣棉要作為一種保溫材料，其本身的耐高溫性能就顯得特別重要。因為礦渣棉纖維在常溫下是非晶態的，如果長時間在高溫環境下易轉變成玻璃態，形成穩定晶體。晶體析出將引起纖維物理化學性能的變化，特別是纖維的顯微結構和力學性能都會隨著析晶程度的不同而改變，最終使纖維的強度和彈性失效，性能下降。
2 國內外礦渣棉發展過程
19 世紀美國、英國發明了礦渣棉及其制品，但是直到 20 世紀 30 年代以后才真正產業化。西方國家對礦渣棉的生產技術及裝備進行了不斷地豐富和創新，最初的噴吹法工藝逐漸被先進的高速離心法工藝所取代，從而大幅提高了單條生產線的生產能力，在制品開發方面也取得了很大的進步。20 世紀 70 年代開始被廣泛應用于建材、冶金、石油、化工工業、機械等諸多領域，30 年前在一些發達國家外墻保溫已經開始采用巖棉制品，礦物棉產品也越來越被普及應用。
國外生產礦物棉的主要企業分布于日本、德國、美國等發達國家，例如日東紡株式會社，其他國家大多依賴進口礦渣棉產品。目前，礦渣棉的年產量美國有 100 多萬 t，日本 38 萬 t，瑞典和芬蘭各 20 ～ 30 萬 t。在發達國家，80% 以上的礦渣棉制品主要應用在建筑業領域。
我國的礦渣棉生產起步比較晚，目前以中低端產品為主。截至 2018 年底[23]，國內有 26 家企業以熱熔渣為原料，采用電爐工藝生產礦渣棉，且已建成 58 條生產線。其中，以硅錳渣和高爐渣為原料的生產線分別有 33 條和 20 條，分別占比 57% 和 34% ，剩余渣型 5 條，占比 9% 。大部分的礦渣棉制品是板棉，占比 66% 。用熱熔渣電爐法制取的礦渣棉制品應用廣泛，夾心棉用于鋼結構板房，板棉用于設備保溫，顆粒棉用于隔音領域等。板棉類產品市場需求量很大，中低端礦渣棉市場被很多企業以低成本快速占領。僅 2017 ～ 2018 年兩年，國內新增了 37 條熱熔礦渣棉產線，增加產能 160 萬 t，有效擠壓了聚苯乙烯等有機保溫材料在建筑節能領域的市場份額。
3 礦渣棉的制備
3. 1 原料的熔制
根據熔融工藝的不同，傳統的礦渣棉纖維生產方法主要分為沖天爐法、池窯法和電阻爐法等[24]。礦渣棉纖維的生產主要是以高爐渣和焦炭等為原料，還需要加入適量的調質劑( 石英石、鐵尾礦、煤粉灰等) 來調節熔渣的酸度系數以符合成分要求，原料通過鼓風機傳送、提升料斗等方式送入爐內，然后被加熱成符合后續制棉工序的熔渣，經過不同的成纖方法使熔渣纖維化，再經集棉、鋪棉、固化、切割、包裝等工序制得不同性能和用途的礦渣棉制品。雖然傳統方法有很多優點，如熔體質量好、溫度和化學成分均勻且易于控制等，但也不同程度地存在成本和能耗高、污染嚴重、質量差等缺點，因而正逐步被新工藝所取代。
高爐熔渣直接生產礦渣棉是礦渣棉最新的方法。該法是將煉鐵過程中產生的具有大量顯熱的高爐熔渣與其他輔料( 如貧鐵礦、石灰石、硅砂等) 在調質爐內補熱、調質混合均勻，待溫度、酸度系數等條件達到成纖要求后，經不同的成纖方法制成礦渣棉纖維，再經集棉、鋪棉、固化、切割、包裝等工序制成不同性能和用途的礦棉制品。高溫熔渣調質直接成纖，不僅可減少渣處理工藝的環境負荷，合理利用熔渣顯熱，還可提高高爐渣的利用附加值[25 - 27]，有利于鋼鐵行業和礦棉制品行業的可持續發展。
3. 2 纖維成纖方法
調質高爐渣生產礦渣棉的工藝有噴吹法、離心法和 離 心 噴 吹 法 3 種。3 種 成 纖 方 法 對 比 見表 2 [28 - 30]。
噴吹法是利用噴吹高速氣流使自由下落的液態熔渣流股進行破碎分解并被拉伸成纖維的過程。纖維直徑與氣流的噴吹速度等因素有關，熔體黏度范圍一定的情況下，氣流速度越大，制得的纖維越細。
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離心法是通過高速旋轉的離心力使高溫熔渣形成細絲后快速凝固的過程。首先，離心輥通過高速旋轉運動將附著在其表面的液態熔渣制成一層薄膜，之后這層液膜由于離心運動而在其表面發生擾動，接下來在離心力的作用下擾動加劇形成熔體細絲，在表面張力的作用下，液絲不斷增長變細，最終由根部收縮從液膜表面脫離，并在風力的作用下迅速固化拉伸形成纖維。
離心噴吹法是在離心成纖工藝的基礎上增加了噴吹工藝，即在多輥離心機輥輪周圍加設環形的高速噴嘴。以致在熔渣成纖過程中被離心力甩出的細絲在凝固之前被氣流再次拉細拉長，提高礦渣棉的質量。
4 礦渣棉保溫板的制備
經過調質的熔融礦渣通過不同的成纖方法制成礦渣棉，首先進行收棉和鋪棉，并為了成型加入適量添加劑( 憎水劑和粘結劑等) 提高中間材料粘性，然后經過加壓輥固化成形，之后進行切割和包裝而制成礦渣棉保溫板。根據目前的生產工藝，礦渣棉保溫板的制備可分為沉降法、擺錘法和三維法[31]。
沉降法是高溫熔渣通過離心或噴吹等工藝制成纖維，纖維在沉降室的輸送帶上堆積成一定厚度纖維堆，然后通過加壓輥被送入固化爐，在爐內與適量添加劑( 憎水劑和粘結劑等) 混合，最終制成礦渣棉板。由于沉降法礦渣棉的纖維呈平面層狀分布，所以板的密度較差，粘結劑與纖維混合不均勻，從而影響了板的抗壓性能和層間結合強度，沉降法制成的保溫板基本上沒有抗剝離強度。
擺錘法是建立在沉降法的基礎上對集棉方法進行了改進，先用擺錘將收集的纖維按一定的角度一層一層疊加鋪平，當達到要求的厚度或層數后，再用加壓輥固化成型，之后進行切割和包裝而制成成品。由于擺錘法按一定的角度鋪棉，提高了棉層和粘結劑的均勻性，另一方面使部分纖維的分布方向呈縱向，對提高保溫板層間結合強度和抗壓強度發揮了作用。
三維法是在擺錘法的基礎上將纖維層的分布方向通過機械方法改變，使纖維呈三維分布，制成強度高的三維礦渣棉產品，抗壓強度提高，而且不容易剝離和分層。
建筑用保溫材料應該選擇抗剝離強度和抗壓強度比較高、吸水性小的保溫板。三維法制成的礦渣棉保溫板是建筑用保溫材料的最佳選擇，但是三維法的設備工藝復雜，而且價格也相對較高，在實際工程應用中很難實現。從保溫板各項因素綜合考慮，選擇價格相對來說適中的擺錘法制備礦渣棉保溫板目前最適合。礦渣棉保溫板制備流程如圖 1 所示。圖 1 礦渣棉保溫板制備流程 Fig. 1 Preparation process of slag wool insulation board
5 結論
礦渣棉生產在我國主要是中小企業為主，生產設備簡單、技術相對落后、投資比較小、環境保護設施相對簡單、生產穩定性較差，生產的纖維存在渣球含量高、直徑粗、吸濕率高、質量差等缺點，所以只能用在低端市場，主要用于工業保溫。而這類企業出于成本的考量，往往在生產過程中對于安全、環保和產品質量方面投資不足，難以達到國家標準。而行業的中高端市場主要在國內外的屋面、船用板、彩鋼夾芯板和外墻保溫板等，高品質產品的應用領域相當廣闊。此外，礦渣棉制品的施工規范與應用技術還不完善，有大量以礦渣棉代替巖棉用于外墻的現象，同時劣質礦渣棉制品以次充好，這對礦棉行業的聲譽造成了惡劣的影響。為了解決這些問題，最好的方法就是開發高品質的礦渣棉產品，建立行業準入制度，不斷提高礦棉的應用技術，鋼鐵企業要在優化高爐的生產能力的同時大力發展礦渣棉產業，迫使低質量企業轉型或被淘汰。因此，開發優質礦渣棉及其制品不僅是新進企業的最佳切入點，也是廣大研究工作者今后的工作重點。——論文作者：師存蘭1，2 ，邢宏偉2 ，吳金虎2
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