發(fā)布時(shí)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(dǎo)熱系數(shù)
摘要: 礦渣棉具有不可燃、導(dǎo)熱系數(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性好等特性，被廣泛應(yīng)用于絕熱、保溫、吸音和防火的保溫材料領(lǐng)域。概括介紹了礦渣棉的組成、特性和生產(chǎn)現(xiàn)狀，并對(duì)礦渣棉及其保溫板的制備工藝方法進(jìn)行了說(shuō)明。指出了發(fā)展高質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)礦渣棉，滿足建筑業(yè)應(yīng)用的必要性。
關(guān)鍵詞: 高爐渣; 礦渣棉; 保溫板
0 引言
鋼鐵冶金生產(chǎn)過程中必然會(huì)產(chǎn)生大量高爐廢渣，由于高爐內(nèi)礦石品位和冶煉技術(shù)的差異，高爐渣的排放量也不相同。目前我國(guó)鋼鐵冶金每噸生鐵可產(chǎn)生 0. 35 t 的爐渣[1，2]，按 2020 年我國(guó)生鐵產(chǎn)量 8. 88億 t 計(jì)算，高爐渣年產(chǎn)量將高達(dá)到 3 億 t 左右，成為全部工業(yè)廢渣排放總量的主要部分。我國(guó)對(duì)高爐渣的利用率總體較低，為了防止資源浪費(fèi)，許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)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(diào)質(zhì)后的高爐渣在熔融狀態(tài)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(xué)穩(wěn)定性好、低導(dǎo)熱性 等 特 性，是 有 機(jī) 保 溫 材 料 的 理 想 替 代 產(chǎn)品[9 - 11]。高爐熔渣的溫度可以達(dá)到 1 500 ℃，每噸爐渣的顯熱相當(dāng)于 45 ～ 60 kg 標(biāo)準(zhǔn)煤[12，13]，利用液態(tài)熱熔渣制備礦渣棉不僅有效利用了熔渣的顯熱，生產(chǎn)出可用于不同領(lǐng)域的保溫材料，而且節(jié)省了高爐渣從高爐排出后的水淬、風(fēng)冷固化、再重新加熱熔化的過程，有效節(jié)約了能源，減少了環(huán)境污染。既符合低碳經(jīng)濟(jì)的要求，又能夠?qū)崿F(xiàn)我國(guó)冶金固廢高附加值利用新技術(shù)的革新。
1 礦渣棉及其物化特性
我國(guó)目前每年可產(chǎn)生約 3 億 t 的冶金爐渣。用傳統(tǒng)的處理方法，不僅造成環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，而且還需占用大量土地。探索高爐渣生產(chǎn)高附加值的礦物棉成為研究重點(diǎn)。
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(chǎn)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(dǎo)熱系數(shù)小、質(zhì)量輕、耐腐蝕、防蛀、不可燃、吸聲性能好和廉價(jià)等特點(diǎn)，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(yīng)用于建筑、工業(yè)等領(lǐng)域[15，16]。
1. 2 礦渣棉物化特性
1. 2. 1 抗拉強(qiáng)度
礦渣棉纖維的表面結(jié)構(gòu)為光滑的圓柱狀，截面一般為圓形。這與有機(jī)纖維表面出現(xiàn)不規(guī)則褶皺、斷面呈片狀或管狀形成對(duì)比[17]。因此，無(wú)機(jī)礦物棉的抗拉強(qiáng)度比有機(jī)纖維高。
礦渣棉纖維的抗拉強(qiáng)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(zhì)量和成型方法等因素有關(guān)[18 - 22]。直徑越小的纖維，抗拉強(qiáng)度越高。含堿量越低的纖維，抗拉強(qiáng)度越高，因?yàn)槔w維中堿含量越低，會(huì)減少硅氧鍵斷裂，提高橋氧鍵的網(wǎng)絡(luò)，從而提高纖維的抗拉強(qiáng)度。另外，纖維表面的堿金屬離子會(huì)吸附空氣中的水分，水分會(huì)使纖維表面的微裂紋擴(kuò)大，從而降低纖維的抗拉強(qiáng)度，因此，想要降低該因素對(duì)強(qiáng)度的不利影響，必須降低纖維堿含量。熔渣中含有雜質(zhì)越少，也就是制備纖維的熔體質(zhì)量越好，纖維的抗拉強(qiáng)度越高。因?yàn)樵谌墼泻写罅侩s質(zhì)時(shí)，纖維成型后遺留在其內(nèi)部的雜質(zhì)及其周圍的玻璃相與原玻璃相成分不同，膨脹系數(shù)也會(huì)不同，冷卻過程中應(yīng)力集中、微裂紋聚集等情況必然形成，造成抗拉強(qiáng)度下降。抗拉強(qiáng)度還與成型方法有關(guān)，一般情況下，吹制的纖維強(qiáng)度要比拉制的纖維強(qiáng)度小。
1. 2. 2 化學(xué)穩(wěn)定性
礦物纖維的化學(xué)穩(wěn)定性也就是耐水性，習(xí)慣稱之為化學(xué)耐久性，它決定了礦物纖維的使用價(jià)值。化學(xué)耐久性可以用酸度系數(shù)來(lái)衡量，用于表征礦物纖維的耐水性、成纖性能等。酸度系數(shù)是熔渣中的酸性和堿性氧化物的質(zhì)量比，酸度系數(shù)越高的礦渣棉纖維中堿金屬氧化物含量較低，而化學(xué)耐久性和耐水性能相對(duì)較好，礦棉纖維的熔化性溫度也會(huì)提高，成型纖維直徑相對(duì)較粗。
1. 2. 3 防火性能
礦渣棉屬于無(wú)機(jī)硅酸鹽纖維，不可燃，所以礦渣棉制品應(yīng)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(tài)下也不會(huì)釋放出對(duì)環(huán)境和人體有毒有害氣體，是符合國(guó)標(biāo)的“A1”級(jí)的防火材料。因此，礦渣棉制品不僅是性能優(yōu)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(jié)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?yàn)榈V渣棉纖維在常溫下是非晶態(tài)的，如果長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境下易轉(zhuǎn)變成玻璃態(tài)，形成穩(wěn)定晶體。晶體析出將引起纖維物理化學(xué)性能的變化，特別是纖維的顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能都會(huì)隨著析晶程度的不同而改變，最終使纖維的強(qiáng)度和彈性失效，性能下降。
2 國(guó)內(nèi)外礦渣棉發(fā)展過程
19 世紀(jì)美國(guó)、英國(guó)發(fā)明了礦渣棉及其制品，但是直到 20 世紀(jì) 30 年代以后才真正產(chǎn)業(yè)化。西方國(guó)家對(duì)礦渣棉的生產(chǎn)技術(shù)及裝備進(jìn)行了不斷地豐富和創(chuàng)新，最初的噴吹法工藝逐漸被先進(jìn)的高速離心法工藝所取代，從而大幅提高了單條生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力，在制品開發(fā)方面也取得了很大的進(jìn)步。20 世紀(jì) 70 年代開始被廣泛應(yīng)用于建材、冶金、石油、化工工業(yè)、機(jī)械等諸多領(lǐng)域，30 年前在一些發(fā)達(dá)國(guó)家外墻保溫已經(jīng)開始采用巖棉制品，礦物棉產(chǎn)品也越來(lái)越被普及應(yīng)用。
國(guó)外生產(chǎn)礦物棉的主要企業(yè)分布于日本、德國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，例如日東紡株式會(huì)社，其他國(guó)家大多依賴進(jìn)口礦渣棉產(chǎn)品。目前，礦渣棉的年產(chǎn)量美國(guó)有 100 多萬(wàn) t，日本 38 萬(wàn) t，瑞典和芬蘭各 20 ～ 30 萬(wàn) t。在發(fā)達(dá)國(guó)家，80% 以上的礦渣棉制品主要應(yīng)用在建筑業(yè)領(lǐng)域。
我國(guó)的礦渣棉生產(chǎn)起步比較晚，目前以中低端產(chǎn)品為主。截至 2018 年底[23]，國(guó)內(nèi)有 26 家企業(yè)以熱熔渣為原料，采用電爐工藝生產(chǎn)礦渣棉，且已建成 58 條生產(chǎn)線。其中，以硅錳渣和高爐渣為原料的生產(chǎn)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(yīng)用廣泛，夾心棉用于鋼結(jié)構(gòu)板房，板棉用于設(shè)備保溫，顆粒棉用于隔音領(lǐng)域等。板棉類產(chǎn)品市場(chǎng)需求量很大，中低端礦渣棉市場(chǎng)被很多企業(yè)以低成本快速占領(lǐng)。僅 2017 ～ 2018 年兩年，國(guó)內(nèi)新增了 37 條熱熔礦渣棉產(chǎn)線，增加產(chǎn)能 160 萬(wàn) t，有效擠壓了聚苯乙烯等有機(jī)保溫材料在建筑節(jié)能領(lǐng)域的市場(chǎng)份額。
3 礦渣棉的制備
3. 1 原料的熔制
根據(jù)熔融工藝的不同，傳統(tǒng)的礦渣棉纖維生產(chǎn)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(chǎn)主要是以高爐渣和焦炭等為原料，還需要加入適量的調(diào)質(zhì)劑( 石英石、鐵尾礦、煤粉灰等) 來(lái)調(diào)節(jié)熔渣的酸度系數(shù)以符合成分要求，原料通過鼓風(fēng)機(jī)傳送、提升料斗等方式送入爐內(nèi)，然后被加熱成符合后續(xù)制棉工序的熔渣，經(jīng)過不同的成纖方法使熔渣纖維化，再經(jīng)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(tǒng)方法有很多優(yōu)點(diǎn)，如熔體質(zhì)量好、溫度和化學(xué)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(yán)重、質(zhì)量差等缺點(diǎn)，因而正逐步被新工藝所取代。
高爐熔渣直接生產(chǎn)礦渣棉是礦渣棉最新的方法。該法是將煉鐵過程中產(chǎn)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(diào)質(zhì)爐內(nèi)補(bǔ)熱、調(diào)質(zhì)混合均勻，待溫度、酸度系數(shù)等條件達(dá)到成纖要求后，經(jīng)不同的成纖方法制成礦渣棉纖維，再經(jīng)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(diào)質(zhì)直接成纖，不僅可減少渣處理工藝的環(huán)境負(fù)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(yè)和礦棉制品行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
3. 2 纖維成纖方法
調(diào)質(zhì)高爐渣生產(chǎn)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(duì) 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(tài)熔渣流股進(jìn)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(guān)，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(xì)。
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離心法是通過高速旋轉(zhuǎn)的離心力使高溫熔渣形成細(xì)絲后快速凝固的過程。首先，離心輥通過高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將附著在其表面的液態(tài)熔渣制成一層薄膜，之后這層液膜由于離心運(yùn)動(dòng)而在其表面發(fā)生擾動(dòng)，接下來(lái)在離心力的作用下擾動(dòng)加劇形成熔體細(xì)絲，在表面張力的作用下，液絲不斷增長(zhǎng)變細(xì)，最終由根部收縮從液膜表面脫離，并在風(fēng)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(chǔ)上增加了噴吹工藝，即在多輥離心機(jī)輥輪周圍加設(shè)環(huán)形的高速噴嘴。以致在熔渣成纖過程中被離心力甩出的細(xì)絲在凝固之前被氣流再次拉細(xì)拉長(zhǎng)，提高礦渣棉的質(zhì)量。
4 礦渣棉保溫板的制備
經(jīng)過調(diào)質(zhì)的熔融礦渣通過不同的成纖方法制成礦渣棉，首先進(jìn)行收棉和鋪棉，并為了成型加入適量添加劑( 憎水劑和粘結(jié)劑等) 提高中間材料粘性，然后經(jīng)過加壓輥固化成形，之后進(jìn)行切割和包裝而制成礦渣棉保溫板。根據(jù)目前的生產(chǎn)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(nèi)與適量添加劑( 憎水劑和粘結(jié)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(jié)劑與纖維混合不均勻，從而影響了板的抗壓性能和層間結(jié)合強(qiáng)度，沉降法制成的保溫板基本上沒有抗剝離強(qiáng)度。
擺錘法是建立在沉降法的基礎(chǔ)上對(duì)集棉方法進(jìn)行了改進(jìn)，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(dāng)達(dá)到要求的厚度或?qū)訑?shù)后，再用加壓輥固化成型，之后進(jìn)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(jié)劑的均勻性，另一方面使部分纖維的分布方向呈縱向，對(duì)提高保溫板層間結(jié)合強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度發(fā)揮了作用。
三維法是在擺錘法的基礎(chǔ)上將纖維層的分布方向通過機(jī)械方法改變，使纖維呈三維分布，制成強(qiáng)度高的三維礦渣棉產(chǎn)品，抗壓強(qiáng)度提高，而且不容易剝離和分層。
建筑用保溫材料應(yīng)該選擇抗剝離強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)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(shè)備工藝復(fù)雜，而且價(jià)格也相對(duì)較高，在實(shí)際工程應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)。從保溫板各項(xiàng)因素綜合考慮，選擇價(jià)格相對(duì)來(lái)說(shuō)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(jié)論
礦渣棉生產(chǎn)在我國(guó)主要是中小企業(yè)為主，生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單、技術(shù)相對(duì)落后、投資比較小、環(huán)境保護(hù)設(shè)施相對(duì)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)穩(wěn)定性較差，生產(chǎn)的纖維存在渣球含量高、直徑粗、吸濕率高、質(zhì)量差等缺點(diǎn)，所以只能用在低端市場(chǎng)，主要用于工業(yè)保溫。而這類企業(yè)出于成本的考量，往往在生產(chǎn)過程中對(duì)于安全、環(huán)保和產(chǎn)品質(zhì)量方面投資不足，難以達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。而行業(yè)的中高端市場(chǎng)主要在國(guó)內(nèi)外的屋面、船用板、彩鋼夾芯板和外墻保溫板等，高品質(zhì)產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣闊。此外，礦渣棉制品的施工規(guī)范與應(yīng)用技術(shù)還不完善，有大量以礦渣棉代替巖棉用于外墻的現(xiàn)象，同時(shí)劣質(zhì)礦渣棉制品以次充好，這對(duì)礦棉行業(yè)的聲譽(yù)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(fā)高品質(zhì)的礦渣棉產(chǎn)品，建立行業(yè)準(zhǔn)入制度，不斷提高礦棉的應(yīng)用技術(shù)，鋼鐵企業(yè)要在優(yōu)化高爐的生產(chǎn)能力的同時(shí)大力發(fā)展礦渣棉產(chǎn)業(yè)，迫使低質(zhì)量企業(yè)轉(zhuǎn)型或被淘汰。因此，開發(fā)優(yōu)質(zhì)礦渣棉及其制品不僅是新進(jìn)企業(yè)的最佳切入點(diǎn)，也是廣大研究工作者今后的工作重點(diǎn)。——論文作者：師存蘭1，2 ，邢宏偉2 ，吳金虎2
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