摘要: 矿渣棉具有不可燃、导热系数小、化学稳定性好等特性，被广泛应用于绝热、保温、吸音和防火的保温材料领域。概括介绍了矿渣棉的组成、特性和生产现状，并对矿渣棉及其保温板的制备工艺方法进行了说明。指出了发展高质量优质矿渣棉，满足建筑业应用的必要性。
关键词: 高炉渣; 矿渣棉; 保温板
0 引言
钢铁冶金生产过程中必然会产生大量高炉废渣，由于高炉内矿石品位和冶炼技术的差异，高炉渣的排放量也不相同。目前我国钢铁冶金每吨生铁可产生 0. 35 t 的炉渣[1，2]，按 2020 年我国生铁产量 8. 88亿 t 计算，高炉渣年产量将高达到 3 亿 t 左右，成为全部工业废渣排放总量的主要部分。我国对高炉渣的利用率总体较低，为了防止资源浪费，许多学者对其进行了研究，试图将积累的大量高炉渣变废为宝。例如，利用高炉渣的吸附作用处理污水[3 - 5]，水淬后的高炉渣制造水泥[6 - 7]，粉碎后的高炉渣微粉可用于陶瓷制造[8]等，但附加值比较低。调质后的高炉渣在熔融状态下通过喷吹或离心等工艺，被制成的矿渣棉纤维具有不燃性、化学稳定性好、低导热性 等 特 性，是 有 机 保 温 材 料 的 理 想 替 代 产品[9 - 11]。高炉熔渣的温度可以达到 1 500 ℃，每吨炉渣的显热相当于 45 ～ 60 kg 标准煤[12，13]，利用液态热熔渣制备矿渣棉不仅有效利用了熔渣的显热，生产出可用于不同领域的保温材料，而且节省了高炉渣从高炉排出后的水淬、风冷固化、再重新加热熔化的过程，有效节约了能源，减少了环境污染。既符合低碳经济的要求，又能够实现我国冶金固废高附加值利用新技术的革新。
1 矿渣棉及其物化特性
我国目前每年可产生约 3 亿 t 的冶金炉渣。用传统的处理方法，不仅造成环境污染和资源浪费，而且还需占用大量土地。探索高炉渣生产高附加值的矿物棉成为研究重点。
1. 1 矿渣棉
矿渣棉外观呈白色丝棉状，是一种采用高炉炉渣生产的矿物棉。主要成分为 SiO2、Al2O3、CaO 和 MgO，其总量占了矿渣棉总量的 95% 左右，另外还有少量的 MnO 和 FeO 等，如表 1 所示[14]。矿渣棉具有导热系数小、质量轻、耐腐蚀、防蛀、不可燃、吸声性能好和廉价等特点，可做成板、毡、毯、垫、筒和绳等，作为隔热材料、吸音材料和防火材料使用，广泛应用于建筑、工业等领域[15，16]。
1. 2 矿渣棉物化特性
1. 2. 1 抗拉强度
矿渣棉纤维的表面结构为光滑的圆柱状，截面一般为圆形。这与有机纤维表面出现不规则褶皱、断面呈片状或管状形成对比[17]。因此，无机矿物棉的抗拉强度比有机纤维高。
矿渣棉纤维的抗拉强度类似于玻璃纤维，与纤维的直径、纤维含碱量、成型纤维熔体质量和成型方法等因素有关[18 - 22]。直径越小的纤维，抗拉强度越高。含碱量越低的纤维，抗拉强度越高，因为纤维中碱含量越低，会减少硅氧键断裂，提高桥氧键的网络，从而提高纤维的抗拉强度。另外，纤维表面的碱金属离子会吸附空气中的水分，水分会使纤维表面的微裂纹扩大，从而降低纤维的抗拉强度，因此，想要降低该因素对强度的不利影响，必须降低纤维碱含量。熔渣中含有杂质越少，也就是制备纤维的熔体质量越好，纤维的抗拉强度越高。因为在熔渣中含有大量杂质时，纤维成型后遗留在其内部的杂质及其周围的玻璃相与原玻璃相成分不同，膨胀系数也会不同，冷却过程中应力集中、微裂纹聚集等情况必然形成，造成抗拉强度下降。抗拉强度还与成型方法有关，一般情况下，吹制的纤维强度要比拉制的纤维强度小。
1. 2. 2 化学稳定性
矿物纤维的化学稳定性也就是耐水性，习惯称之为化学耐久性，它决定了矿物纤维的使用价值。化学耐久性可以用酸度系数来衡量，用于表征矿物纤维的耐水性、成纤性能等。酸度系数是熔渣中的酸性和碱性氧化物的质量比，酸度系数越高的矿渣棉纤维中碱金属氧化物含量较低，而化学耐久性和耐水性能相对较好，矿棉纤维的熔化性温度也会提高，成型纤维直径相对较粗。
1. 2. 3 防火性能
矿渣棉属于无机硅酸盐纤维，不可燃，所以矿渣棉制品应用在建筑上不仅可以保温，还可以有效防火，即使在高温状态下也不会释放出对环境和人体有毒有害气体，是符合国标的“A1”级的防火材料。因此，矿渣棉制品不仅是性能优越的防火材料，还是一种很理想的建筑保温材料。但由于矿渣棉制品在制备过程中增加了粘结剂、憎水剂等添加剂，因此矿渣棉制品的防火性要考虑添加剂的使用。
1. 2. 4 耐热性
矿渣棉要作为一种保温材料，其本身的耐高温性能就显得特别重要。因为矿渣棉纤维在常温下是非晶态的，如果长时间在高温环境下易转变成玻璃态，形成稳定晶体。晶体析出将引起纤维物理化学性能的变化，特别是纤维的显微结构和力学性能都会随着析晶程度的不同而改变，最终使纤维的强度和弹性失效，性能下降。
2 国内外矿渣棉发展过程
19 世纪美国、英国发明了矿渣棉及其制品，但是直到 20 世纪 30 年代以后才真正产业化。西方国家对矿渣棉的生产技术及装备进行了不断地丰富和创新，最初的喷吹法工艺逐渐被先进的高速离心法工艺所取代，从而大幅提高了单条生产线的生产能力，在制品开发方面也取得了很大的进步。20 世纪 70 年代开始被广泛应用于建材、冶金、石油、化工工业、机械等诸多领域，30 年前在一些发达国家外墙保温已经开始采用岩棉制品，矿物棉产品也越来越被普及应用。
国外生产矿物棉的主要企业分布于日本、德国、美国等发达国家，例如日东纺株式会社，其他国家大多依赖进口矿渣棉产品。目前，矿渣棉的年产量美国有 100 多万 t，日本 38 万 t，瑞典和芬兰各 20 ～ 30 万 t。在发达国家，80% 以上的矿渣棉制品主要应用在建筑业领域。
我国的矿渣棉生产起步比较晚，目前以中低端产品为主。截至 2018 年底[23]，国内有 26 家企业以热熔渣为原料，采用电炉工艺生产矿渣棉，且已建成 58 条生产线。其中，以硅锰渣和高炉渣为原料的生产线分别有 33 条和 20 条，分别占比 57% 和 34% ，剩余渣型 5 条，占比 9% 。大部分的矿渣棉制品是板棉，占比 66% 。用热熔渣电炉法制取的矿渣棉制品应用广泛，夹心棉用于钢结构板房，板棉用于设备保温，颗粒棉用于隔音领域等。板棉类产品市场需求量很大，中低端矿渣棉市场被很多企业以低成本快速占领。仅 2017 ～ 2018 年两年，国内新增了 37 条热熔矿渣棉产线，增加产能 160 万 t，有效挤压了聚苯乙烯等有机保温材料在建筑节能领域的市场份额。
3 矿渣棉的制备
3. 1 原料的熔制
根据熔融工艺的不同，传统的矿渣棉纤维生产方法主要分为冲天炉法、池窑法和电阻炉法等[24]。矿渣棉纤维的生产主要是以高炉渣和焦炭等为原料，还需要加入适量的调质剂( 石英石、铁尾矿、煤粉灰等) 来调节熔渣的酸度系数以符合成分要求，原料通过鼓风机传送、提升料斗等方式送入炉内，然后被加热成符合后续制棉工序的熔渣，经过不同的成纤方法使熔渣纤维化，再经集棉、铺棉、固化、切割、包装等工序制得不同性能和用途的矿渣棉制品。虽然传统方法有很多优点，如熔体质量好、温度和化学成分均匀且易于控制等，但也不同程度地存在成本和能耗高、污染严重、质量差等缺点，因而正逐步被新工艺所取代。
高炉熔渣直接生产矿渣棉是矿渣棉最新的方法。该法是将炼铁过程中产生的具有大量显热的高炉熔渣与其他辅料( 如贫铁矿、石灰石、硅砂等) 在调质炉内补热、调质混合均匀，待温度、酸度系数等条件达到成纤要求后，经不同的成纤方法制成矿渣棉纤维，再经集棉、铺棉、固化、切割、包装等工序制成不同性能和用途的矿棉制品。高温熔渣调质直接成纤，不仅可减少渣处理工艺的环境负荷，合理利用熔渣显热，还可提高高炉渣的利用附加值[25 - 27]，有利于钢铁行业和矿棉制品行业的可持续发展。
3. 2 纤维成纤方法
调质高炉渣生产矿渣棉的工艺有喷吹法、离心法和 离 心 喷 吹 法 3 种。3 种 成 纤 方 法 对 比 见表 2 [28 - 30]。
喷吹法是利用喷吹高速气流使自由下落的液态熔渣流股进行破碎分解并被拉伸成纤维的过程。纤维直径与气流的喷吹速度等因素有关，熔体黏度范围一定的情况下，气流速度越大，制得的纤维越细。
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离心法是通过高速旋转的离心力使高温熔渣形成细丝后快速凝固的过程。首先，离心辊通过高速旋转运动将附着在其表面的液态熔渣制成一层薄膜，之后这层液膜由于离心运动而在其表面发生扰动，接下来在离心力的作用下扰动加剧形成熔体细丝，在表面张力的作用下，液丝不断增长变细，最终由根部收缩从液膜表面脱离，并在风力的作用下迅速固化拉伸形成纤维。
离心喷吹法是在离心成纤工艺的基础上增加了喷吹工艺，即在多辊离心机辊轮周围加设环形的高速喷嘴。以致在熔渣成纤过程中被离心力甩出的细丝在凝固之前被气流再次拉细拉长，提高矿渣棉的质量。
4 矿渣棉保温板的制备
经过调质的熔融矿渣通过不同的成纤方法制成矿渣棉，首先进行收棉和铺棉，并为了成型加入适量添加剂( 憎水剂和粘结剂等) 提高中间材料粘性，然后经过加压辊固化成形，之后进行切割和包装而制成矿渣棉保温板。根据目前的生产工艺，矿渣棉保温板的制备可分为沉降法、摆锤法和三维法[31]。
沉降法是高温熔渣通过离心或喷吹等工艺制成纤维，纤维在沉降室的输送带上堆积成一定厚度纤维堆，然后通过加压辊被送入固化炉，在炉内与适量添加剂( 憎水剂和粘结剂等) 混合，最终制成矿渣棉板。由于沉降法矿渣棉的纤维呈平面层状分布，所以板的密度较差，粘结剂与纤维混合不均匀，从而影响了板的抗压性能和层间结合强度，沉降法制成的保温板基本上没有抗剥离强度。
摆锤法是建立在沉降法的基础上对集棉方法进行了改进，先用摆锤将收集的纤维按一定的角度一层一层叠加铺平，当达到要求的厚度或层数后，再用加压辊固化成型，之后进行切割和包装而制成成品。由于摆锤法按一定的角度铺棉，提高了棉层和粘结剂的均匀性，另一方面使部分纤维的分布方向呈纵向，对提高保温板层间结合强度和抗压强度发挥了作用。
三维法是在摆锤法的基础上将纤维层的分布方向通过机械方法改变，使纤维呈三维分布，制成强度高的三维矿渣棉产品，抗压强度提高，而且不容易剥离和分层。
建筑用保温材料应该选择抗剥离强度和抗压强度比较高、吸水性小的保温板。三维法制成的矿渣棉保温板是建筑用保温材料的最佳选择，但是三维法的设备工艺复杂，而且价格也相对较高，在实际工程应用中很难实现。从保温板各项因素综合考虑，选择价格相对来说适中的摆锤法制备矿渣棉保温板目前最适合。矿渣棉保温板制备流程如图 1 所示。图 1 矿渣棉保温板制备流程 Fig. 1 Preparation process of slag wool insulation board
5 结论
矿渣棉生产在我国主要是中小企业为主，生产设备简单、技术相对落后、投资比较小、环境保护设施相对简单、生产稳定性较差，生产的纤维存在渣球含量高、直径粗、吸湿率高、质量差等缺点，所以只能用在低端市场，主要用于工业保温。而这类企业出于成本的考量，往往在生产过程中对于安全、环保和产品质量方面投资不足，难以达到国家标准。而行业的中高端市场主要在国内外的屋面、船用板、彩钢夹芯板和外墙保温板等，高品质产品的应用领域相当广阔。此外，矿渣棉制品的施工规范与应用技术还不完善，有大量以矿渣棉代替岩棉用于外墙的现象，同时劣质矿渣棉制品以次充好，这对矿棉行业的声誉造成了恶劣的影响。为了解决这些问题，最好的方法就是开发高品质的矿渣棉产品，建立行业准入制度，不断提高矿棉的应用技术，钢铁企业要在优化高炉的生产能力的同时大力发展矿渣棉产业，迫使低质量企业转型或被淘汰。因此，开发优质矿渣棉及其制品不仅是新进企业的最佳切入点，也是广大研究工作者今后的工作重点。——论文作者：师存兰1，2 ，邢宏伟2 ，吴金虎2
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