矿渣棉综述

矿渣棉的发展现状及趋势综述

研2班2014102101 陈绍生摘要：矿渣棉因其轻质、不燃、防霉等诸多优良的性能而在节能环保、隔音降噪等方面发挥着重要作用。本文综述了高炉渣矿棉的特点、用途、生产工艺及关键技术，比较了离心法、喷吹法和离心吹制法的优劣性，并对新近提出的高炉熔渣直接生产矿棉技术应用中存在的潜在问题进行了评述和展望。高炉熔渣直接生产矿棉技术无论是对目前存在的能源危机或环境问题，还是对保温隔热材料行业的发展或钢铁行业的节能减排都具有十分重要的意义。

关键词：矿渣棉；生产工艺；关键技术；市场前景

1 引言

随着人类生产的发展和生活水平的提高，大幅增加的能源需求将进一步加剧能源供需矛盾、恶化能源形势。开源和节流是解决能源问题的两条思路。开源即开发新的能源，如地热、潮汐及太阳能等;节流则是通过有效的途径(如保温隔热技术)减少能量损失。目前保温隔热材料主要包括泡沫塑料(聚苯乙烯、聚氨酯、酚醛树脂等)[1]和矿物纤维(矿棉、岩棉、硅酸铝纤维棉等)[2]两大类。随着人们对建筑保温、舒适度等要求的不断提高，具有节能、耐火、隔音降噪功能的无机矿物纤维越来越受到科学家们的关注[3]。

另一方面，随着钢铁工业的迅速发展，冶炼生铁过程中排出的高炉渣也越来越多。冶炼废渣的无害化、资源化处理成为中国乃至世界各国十分重视的焦点，也成为推进循环经济的中心内容之一。高炉渣是高炉炼铁的主要副产物，排出温度在1400℃以上。一般情况下，1t高炉熔渣含有显热1675MJ，约相当于57kg标准煤燃烧时放出的热量。目前高炉渣大多采用水淬法处理，需消耗大量的水，且高炉渣的高温显热白白排放难以回收，而水淬时又产生H2S、SO2等有害气体污染环境，因此高炉渣干法处理工艺的开发成为国内外钢铁企业研究的热点。高炉渣制矿渣棉工艺不需要水，且高温熔渣直接制棉时可回收显热80%以上，对于钢铁企业来说，是一种经济可行的干法处理工艺。

利用高炉渣生产矿棉技术无疑是高炉渣资源化的重要途径之一，它不仅可以直接将高炉渣变废为宝、实现钢铁企业的节能减排，而且制得的矿棉产品亦可广泛应用于建筑、热工等行业，产品附加值高、经济效益好，最终也将给岩矿棉行业带来巨大的转机[4]。因此，实现高炉渣的高效资源化利用，实现高炉渣余热的有效利用（用于生产矿渣棉）对资源循环利用有重要的现实意义。

2 矿渣棉简介

2.1 矿渣棉特点

矿渣棉是矿物棉的一种，矿物棉包括矿渣棉、岩棉、玻璃棉、硅酸铝耐火纤维等品种。矿渣棉是由熔融矿渣( 高炉渣、铜矿渣、铝矿渣等) 为主要原料制成的棉丝状无机纤维，颜色呈白色或灰白色。通常情况下，人们习惯将矿渣棉和岩棉(由熔融天然火成岩制成的矿物棉)统称为矿棉，实际上国家标准中并无矿棉的定义[5]。本文仅讨论以高炉渣为原料的矿渣棉。高炉渣矿棉一般是由高炉渣熔融物制得的棉花状短纤维，主要包含SiO2、Al2O3、CaO、MgO等成分。矿渣棉具有质轻、导热系数小、不燃烧、防蛀、耐腐蚀、化学稳定性好、吸声能好、价廉等特点，可做成板、毡、毯、垫、绳等用作吸声、减震、绝热、保温的材料，广泛应用于各种工业和民用建筑的保温、隔热、防火和降噪，是国际上公认的“第五常规能源”中的主要节能材料。

2.2 矿渣棉的化学成分

矿渣棉的生产原料由高炉渣和一定量的调节剂构成，其中高炉渣约占80%～90%，对矿渣棉的成分起主导作用。高炉渣的主要成分是SiO2、Al2O3、CaO和MgO，这4种成分的含量达90%～95%，高炉渣的化学成分见表1[6]。高炉渣的酸度系数M K，即(SiO2+Al2O3)/(CaO+MgO)的比值为0．95。为了满足矿渣棉成纤要求，需向高炉渣中添加一定量的调节剂来调节酸度系数，也即调节熔渣的黏度，使熔渣的酸度系数达到1．0～1.4之间。矿渣棉化学成分见表2[7]

表1 高炉渣的主要化学成分（质量分数）

Table 1 Main chemical composition of blast furnace slag(mass fraction) % 类型SiO2Al2O3CaO MgO FeO SiO2+Al2O3+CaO+FeO Mk

铸铁生铁高炉渣40~41 8~17 36~42 6~8 0.65 90~95 0.95

炼钢生铁高炉渣38~40 6~12 38~43 5~12 0.4~0.8 90~95 0.85

表2 矿渣棉化学成分（质量分数）

Table 2 chemical composition of slag wool (mass fraction) % 成分SiO2Al2O3CaO MgO Fe2O3MnO

质量分数40~41 8~17 36~42 6~8 0.65 90~95

一般来说，酸度系数越高，矿渣棉的化学耐久性越好。但酸度系数过高时，制成的纤维可能较长，虽然化学稳定性得到改善，使用温度提高，但较难熔化，纤维较粗。另

外，对于氧化铁含量较低的熔渣，当其酸度系数为1.2左右时，在最佳成纤温度下有宽而稳定的黏度范围，此时即使流股温度上下波动100℃，其纤维质量和成纤率也不受很大的影响。但是随着酸度系数逐步提高，熔渣稳性变差，对温度变化的敏感性也随之提高，只要温度略有波动，其黏度将发生较大幅度的变化，甚至无法成纤，因此实际生产中一般只能将矿渣棉的酸度系数保持在1.2，很难达到1.3。

日本研究人员对通过添加B2O3、CaF2或SiO2来调节熔渣黏度从而制得优质棉进行了研究，并申请了专利，这3种添加剂都可以得到性能优良的矿渣棉及其制品，但B2O3成本太高，CaF2对电炉耐火材料炉衬、辊子都有腐蚀作用，添加SiO2可实现优质矿渣棉的低成本生产。

2.3 矿渣棉制品的应用

（1）长纤维矿渣棉可用于热力设备和管道干燥部位的保温，或可卸式保温结构的充填。用于振动部位时，应注意压紧、填实。设备中渗水和渗油的部位均不应采用；

（2）普通矿渣棉可用于热力设备和管道的保温。它的沉陷性比长纤维矿渣棉大，使用时应注意压紧、填实，并定期检查。有水湿及油脂渗漏的部位不应采用；

（3）酚醛树脂矿渣棉制品可用于不受水湿的热力设备和管道中。低温部位的保温，有油脂渗漏的部位不应使用；

（4）矿渣棉吸声板可广泛用于建筑、工程装饰等方面。

高炉渣作为矿渣棉的主要原料，是中国目前冶金企业中排放量最大的一种渣。大部分高炉渣用来制造矿渣水泥等建筑材料，虽然可以制备出附着性良好、有较高强度的水泥浆安全骨料，但其附加值较低。同时，高炉渣排出时有大量余热未被有效利用。据统计，中国传统工艺只能回收热能约10%，其余的热能被白白浪费[8]。因此，利用高炉渣与其余热相结合作成矿渣棉的综合利用方式对资源的循环综合利用有重要的研究意义。

矿渣棉原料不仅有高炉渣，粉煤灰也可以做主要原料使用。它主要由硅铝玻璃、微晶矿物颗粒和未燃尽的残炭微粒组成，其化学组成见表3[9]。粉煤灰作为矿渣棉原料使用，是基于粉煤灰的化学成分与高炉渣成分之间存在的互补性[10]

表3 高炉渣的主要化学成分（质量分数）

22323

52.6 24.4 8.77 1.12 5.85

中国的粉煤灰主要来自火电厂的发电锅炉和城市集中供热的粉煤锅炉。据不完全统计［11］，截止2008年，排放量达到1.9亿ｔ，历年排放总量为11.5亿t以上，且递增量为1000万t/a。粉煤灰露天堆放不仅占用耕地，污染大气，而且随降水渗入地下还会污染水源。粉煤灰颗粒组成分布均匀，化学组成适宜，融液黏度和熔融温度容易控制，可熔融生产矿棉。国内外已有厂家在小规模生产，特别是20世纪80年代的中国，已经研究了利用旋风炉液态渣显热生产矿棉的技术。辽宁锦西化工厂附属热电厂经过试验，该技术已应用10余年。

3. 矿渣棉的生产工艺

3.1 原料熔制工艺概述

传统高炉渣矿棉生产工艺过程是以高炉渣粒料和焦炭等燃料为主要原料，同时添加适量的调质剂(如石英石等以保证熔化后的高炉渣酸度系数符合要求)，通过提升料斗或鼓风传送等方法加入到冲天炉、火焰池窑、电熔池窑或电阻炉内并加热以制得符合后续制棉条件的熔渣，经喷吹或离心等法制成矿棉纤维，再经收集器集棉或摆锤铺棉、固化、切割、包装等工序制得不同性能和用途的矿棉制品(板、毡、带及管等)[12,13]。

目前，国内的矿棉生产企业大多采用传统方法中的冲天炉工艺，其工艺流程如图1所示。虽然传统方法得到的熔体质量高、化学组成和温度均匀且易于控制，但其不同程度的存在诸多弊端，主要包含以下三点［14］：

（1）污染大。采用冲天炉或火焰池窑工艺生产过程中会产生大量的烟气和粉尘；

（2）能耗及成本高。生产所使用的高炉渣块是高炉熔渣经空气冷却形成的，使用前大多需要研磨，生产时亦需将其于1200℃以上重新熔融，而生产每吨矿棉约需要消耗400kg焦炭，此过程不单浪费了大量的热量，也致使矿棉成本居高不下；

（3）质量差。此方法生产出的矿棉因熔渣温度、成分难以精确控制，造成矿棉渣球含量高、纤维粗、手感差。

池窑熔制矿渣棉原料分为火焰池窑熔制法和电熔池窑熔制法。其中火焰池窑熔制法使用油或者天然气（煤气）作为燃料，原料经混匀后用喂料机送入池窑的熔化部，经喷吹燃料所产生的高温使之熔化。该法优点在于熔体质量高，化学成分和温度均匀易控制；缺点为所采用的耐火材料和入炉原料要求严格，成本高。电熔池窑法利用硅酸盐熔体在高温条件下的导电性能进行熔制，该方法工艺简单、热效率高、污染小、操作简单、熔制质量好，但运行费用较高。

矿物棉工业所用的电弧炉电极采用石墨电极，电弧炉的熔化优点是单位体积熔化量高、炉子占地面积小、炉体结构极为简单，而且投资少、启动停炉迅速、附属设备很少[15,16]

3.2高炉熔渣直接生产矿渣棉

高炉熔渣直接生产矿棉方法则是将炼铁后排放的含有高炉显热的高炉熔渣在可补热调质炉内与辅料(如硅砂、砂石、硅石或贫铁矿、石灰石等)通过液-液或液固混合调质均匀且酸度系数符合成纤要求后，经喷吹或离心等法制成矿棉纤维，再经收集器集棉或摆锤铺棉、固化、切割、包装等工序制得不同性能和用途的矿棉制品(板、毡、带及管等)。该工艺所需80%的热量来自于熔渣显热，每吨矿棉的生产能耗不到冲天炉矿棉制品的30%，产品生产成本只有冲天炉矿棉制品的60%～80%，具有较强的市场竞争力。其工艺流程图如图2所示。

日本的高炉熔渣直接矿棉化技术在国际上处于领先地位。在日本，有3家企业掌握了该技术，且三家企业的四条生产线均采用了高炉熔渣通过电熔直接制棉，产量约占日本岩矿棉总产量的40%，其中技术最先进的是JFE 川铁株式会社(JFE)，所产矿棉质量也较好[18]。近几年，国内很多公司尤其是钢铁企业也开始研发、引进高炉熔渣直接生产矿棉技术。如太钢2012年引进日本双联炉法直接制板毡和粒状棉的生产线已开始建设；芜湖新兴铸管股份有限公司年产5万吨矿棉生产线已于2013年试生产;宝钢2009年开始自主研发热态高炉渣生产矿棉技术，目前已进入产业化阶段，在宁波钢铁有限公司兴建的2万吨粒状棉生产线计划于2014 年下半年投产。

熔制好的矿渣棉熔体，要经过纤维成型才能进一步制成矿物棉的成品。纤维成型的方法见表4。可以看出，离心吹制法包含了喷吹法和离心法的优势，所以离心吹制法在纤维成型工艺中较适合。

表4 高炉熔渣直接生产矿渣棉

Table 4 Blast furnace slag production of slag wool directly

方法工艺名称纤维制造主要原理优点缺点

喷吹法

平吹法

立吹法用高速气流将从流料口

流出的熔体流股吹散并

将其牵伸成纤维，气流

喷射方向与流股直交

原理同平吹法，单高速

气流喷射方向与流股平

行且包围着流股

装置简单，产量大且

能耗小

产量大，产品质量好

纤维粗，杂质和渣

球含量大，产品质

量差

能耗较高

离心法

盘式离心法

多辊离心法使熔体流入高速旋转的

圆盘平面上，在离心力

的作用下，熔体被分散

开并拉制成纤维

使得熔体流入３辊或４

辊离心机的第１辊上进

行分散并在离心力的作

用下制成纤维，余下的

熔体甩至第２辊继续制

成纤维，以此类推

设备简单，制品纤维

长，杂质含量少

产量大，产品质量

好，能耗低

产量小，纤维粗

设备复杂，操作技

术要求高

离心吹制法

单盘离心吹制法

多辊离心吹制法熔体流入旋转的碗式盘

面上，盘面高速旋转，

其外环设有一环形喷

嘴，熔体被离心力分散

后，喷嘴中喷出的高速

气流将其喷制成纤维

在多辊离心机的辊子周

围再设置一个环形高速

喷嘴，使得成纤过程的

纤维未固化之前在此被

气流拉伸或拉细

设备结构简单，易操

作，产量大，能耗较

低，纤维长

产量大，可制取

很长的细纤维，

且非纤维杂质极少，

能生产出高质量的

纤维制品

铺毡均匀性差

设备复杂，能耗较

高

3.3 高炉渣矿棉纤维化关键技术

3.3.1 成纤技术

喷吹法和离心法是目前国内最常用的两种成纤技术。

喷吹法一般是采用压缩空气或高温水蒸气直接冲击从电炉流口中流出的熔流，熔体在高速气流的作用下首先分散成细液滴，此液滴进而在气流的进一步作用下被拉成细丝，熔体纤维化，图3给出了喷吹法生产矿棉的示意图。喷吹法常用的气体压力为0.6~0.8 MPa。喷吹法设备简单且制得的纤维较细，但纤维短、渣球含量较高。

离心法则通过将熔流落到高速旋转的离心辊表面上，在离心力作用下使熔体分散，经二级或三级离心辊加速，将分散的熔体拉伸成纤维(图4)。常用的生产设备为三辊式，甩丝辊用硬质不锈钢制造，布料辊的直径为100 ～200 mm，线速度达20 ～30 m/s，加速辊的直径为布料辊直径的1．5～3倍，一级加速辊的线速度为70 ～110 m / s，二级为85～135 m/s。Song 等[19]借助熔渣离心方法制备得到了矿棉，研究了离心速度、熔融温度及相对接触范围对所形成纤维的影响。离心法的主要优点是产量大、成纤率高、纤维长、渣球含量低，但不足之处是设备构造复杂、维护费用高、运行成本较高。

3.3.2 集棉技术

集棉技术是生产优质结构棉的关键技术。目前集棉机已发展成高速三角网带或鼓式集棉机，将矿棉纤维由原来的不均匀排布转化为三维立体排列，使矿棉制品成为结构性功能材料。换言之，也就是将分层纤维按多向多角度多维均布排列，再经粘结材料均匀喷洒、定型、热固化，生产出的板材或卷材更符合力学和功能性结构材料的需要，成为优质结构棉。集棉技术的发展主要体现在以下方面：

（1）保证形成适合不同制品的初棉层集棉技术。包括连续初棉层形成工艺、渣球

分离及控制、集棉室风的正确分布与控制、集棉带通风面积、孔隙率、集棉带速度等最佳参数的确定。

（2）摆动铺毡技术。保证形成连续的迭棉带，包括摆动铺毡工艺参数的确定、迭棉带成形工艺、摆动机构的优选。

（3）长度方向压缩技术。保证纤维按不同制品要求呈现不同的分布状态。④高压高效固化技术。保证生产各种不同的卷状与结构棉板状制品。

4高炉渣矿棉纤维的理化性能研究与耐久性分析

4.1 化学稳定性

对高炉渣矿棉而言，高炉渣熔体的成棉质量及其化学稳定性主要由一个化学常数-酸度(M K)系数决定，M K表示其中含有的SiO2+ Al2O3对CaO + MgO 之质量比，即如公式(1)所示:

M K大，则熔体黏度大、其成纤所需温度高;M K小则熔体粘度小，离心法甩出的纤维粗、短、脆性大、稳定性差。肖等［20］通过在高炉渣中添加不同含量的硅砂进行调质，分析了酸度系数与对应熔体粘度的关系，指出粘度均随温度的升高而逐渐降低，但降低的快慢不同。而在相同温度下随着M K的增大呈现先增大后减小的趋势。

表1给出了矿渣棉所用主要原料高炉渣的化学成分及含量，经炼铁产生的高炉渣化学成分为SiO2、Al2O3、CaO和MgO，四者含量总和高达90% ～95%，而Fe2O3和FeO 含量总和则小于1，其M K约为0．95。而一般矿棉的M K为1．2～1．8时则较易成棉，因此需要在高温状态下对其进行调质［21,22］。宋等［23］研究表明含Fe2O3较低的熔体，当其M K=1.2左右时在其最佳成纤温度下有宽而稳定的粘度范围，这种情况下即使熔流温度上下波动100 ℃，其纤维质量和成纤率都不会受到很大影响。

4.2 耐水性及腐蚀性

耐水性是指矿棉在水或水蒸气的作用下，其物相不发生变化、结构不受破坏、性能不受影响的性质。Low的研究结果［24］表明当矿棉与水介质接触时，某些化学物质便会从纤维分离而溶入到水溶液中，使中性水溶液变成碱性溶液。浸出的化学组分在纤维未发生水化反应的部分沉积而形成了纤维表面的斑点，致使纤维上有强弱点的差别并最终

断裂成小段或颗粒。

另外，高炉冶炼中主要作用之一是脱除生铁中的大部分硫，防止生铁在使用过程中产生热脆现象。而脱除的硫以硫化钙(CaS)的形态留在高炉渣之中。在生产矿棉时，这部分CaS又随之进入矿渣棉中，其含量在2%～5%左右。当矿渣棉在湿度大的环境中使用时，其中的CaS遇水会分解为Ca(OH)2和H2S。这两种反应产物对矿渣棉的使用均产生不良影响，使矿渣棉耐水性进一步降低，对金属也会起腐蚀。

5. 矿渣棉产品的市场前景

目前，美国的矿物棉年产量在100万t以上，日本38万t，瑞典、芬兰各20～30万t，我国40万t左右。国外80%～90%的矿物棉制品用于建筑业，我国的矿物棉产品大部分由小型企业生产，由于产品易分层，抗压性、施工性和与其它建筑材料的结合性不理想，70%～80% 只能用于工业设备与管道的隔热保温，在量大面广的建筑领域应用还不到30%［25］。

随着我国节能减排工作的不断深入，加上能源供应的日趋紧张，以及人们对建筑舒适度的要求越来越高，关于建筑节能、建筑防火、建筑隔音降噪已成为人们关注的焦点矿物棉制品将作为新型建筑材料在建筑上广泛使用。如果在建筑业的应用达到先进国家的使用比例，则市场容量将超过100万t。岩棉是矿渣棉在市场上的主要竞争对象。岩棉大多由玄武岩、辉长岩等用冲天炉法制成，成本上要逊于电炉法矿渣棉，因此电炉法矿渣棉的未来市场前景是极其广阔的。

6. 结语

全球节能减排的大力推进、低碳经济的不断深入将给岩矿棉制品及其应用带来巨大的发展机遇。新增建筑逐渐实行强制性的保温防火要求使得岩矿棉制品的市场需求每年均以20%左右的速度增长。矿棉产品市场广阔的前景也对矿棉纤维技术提出了更高的要求，高炉熔渣直接生产矿棉的发展和推广无疑将带来矿棉行业的一次革命，将大大降低矿棉的生产成本，提升矿棉的品质和整个行业的环保水平，也是钢铁行业节能减排的新亮点。其发展方向如下：

(1)高炉渣的在线取渣技术、调质及均化。现有高炉系统当初设计时并未考虑到取热渣的问题，现场空间比较紧凑和紧张，且高炉的排渣能力和现有成纤能力有几十倍的差

距，根本无法匹配。因此，如何在不改变现有高炉工艺、不影响高炉生产和保证现场作业安全的条件下完成取渣作业难度非常大。而双联炉的加热、搅拌及加料技术等，也是生产高档矿棉纤维的技术难点；

(2)熔渣流量与成纤能力的匹配控制技术。高炉渣流量的控制包括双联炉之间的流速，双联炉之间的温度、双联炉与成纤装置之间的渣流速及成纤能力等；

(3)满足工艺需要的双联调质炉的开发。双联炉包含加热与均化，在成纤过程中稳定熔渣流速的作用；

(4)成纤技术。现有矿棉纤维的成纤技术主要有离心成纤和喷吹成纤两大类，其在提高纤维产量和性能上都有很多优化和提升的空间; 纤维成型工艺中离心吹制设备结构简单、易操作、能耗较低、纤维长，产量大，可制取很长的细纤维，且非纤维杂质极少，能生产出高质量的纤维制品。所以当前多采用离心吹制工艺；

(5)矿棉纤维耐久性。矿棉无疑是一种质优价廉的绝热材料，如通过高温调质工艺改变其岩相构造及性能、提高纤维的憎水性、提高制品的封装技术，都可改善或提高矿棉纤维的耐久性，充分发挥矿棉制品的优势，大大拓展矿棉产品的市场空间。

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