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玄武岩纤维产业发展路在何方?
2022年19期 发行日期:2022-09-30
作者:■ 浙江石金玄武岩纤维股份有限公司 胡显奇

引言

  我国的连续玄武岩纤维(以下简称“玄武岩纤维”)产业经过18年的发展,从无到有、从少到多,截至2021年底,全国经工商登记注册并存续的从事玄武岩纤维生产的企业已达到80多家,约为国外总和的4倍;玄武岩纤维的实际产量约为3万吨。尤其是近几年来,再次掀起了投资玄武岩纤维产业的热潮,原来有的从事玻璃纤维生产的企业也参与了其中,我国玄武岩纤维产业发展方兴未艾。

  然而,从目前我国玄武岩纤维产业的发展态势看,忧喜参半。一方面从发展趋势看,我国完全有可能在不久的将来成为全球玄武岩纤维的制造大国和应用大国,“发源在苏联、发展在中国”的态势已经基本形成;另一方面,从实际情况看,以往一些实际投资运营的玄武岩纤维生产企业举步维艰,绝大多数处于亏损状态,有的企业已处于破产的边缘,还有的企业甚至已经倒闭。我国经工商登记注册的80多家玄武岩纤维生产企业实际运营的仅占1/3左右。

  另外,以火山岩为唯一原料的纯天然工艺生产玄武岩纤维和最近几年出现的以人工配料工艺生产所谓的玄武岩纤维,也形成了泾渭分明的两种截然不同的生产工艺路线。

  从20世纪80年代中期苏联获得连续玄武岩纤维初级工业技术以来的40年间,玄武岩纤维产业的发展为何这么缓慢?又为何这么难?连续玄武岩纤维的生产究竟应该走纯天然的工艺路线还是人工配料路线?我国玄武岩纤维产业发展之路究竟在何方?发展的意义在哪?我们应该从生产工艺路线的选择上如何把握玄武岩纤维产业正确的发展方向?对业内普遍关注的这些问题,我们有必要开展深入的探讨。在此,笔者抛砖引玉,谈一些想法,供有关政府部门和业内同仁参考并批评指正。

两种真假玄武岩纤维之争

  生产连续玄武岩纤维所用的原料不同,纤维的性能不同,生产方式和工艺、技术也会有明显的不同。最近两年,围绕用于拉制连续玄武岩纤维的原料是采用纯天然火山岩还是人工配料,在业界众说纷纭,莫衷一是。

  浙江石金玄武岩纤维股份有限公司是以天然玄武岩为唯一原料,在熔融过程中不添加任何配料,秉承了天然绿色的优秀基因,具有投资小、生产工艺简洁、玄武岩纤维综合性能优异等特点;缺点是玄武岩原料产地不同,其化学成分也会有所不同,玄武岩纤维生产的难度大、对玄武岩选矿的要求高。不难发现,以人工配料工艺生产的企业通常是没有掌握纯天然工艺的核心技术,或是技术不过关,而驾轻就熟改用人工配料工艺生产的。两种截然不同的原料配方,毋庸置疑,也揭示出两种不同的生产工艺和生产技术,以及两种不同的纤维性能,其中本属于天然玄武岩纤维的一些优异性能必有丢失,譬如其绝热性能、耐烧蚀性能、耐久性和力学性能等等有关具体数据,还有待于进一步检测比较。

玄武岩熔融拉丝技术的“难”与玄武岩纤维性能的“优”是对立统一的

  玄武岩熔体不同于制造玻璃纤维的玻璃熔体,前者是取自天然的火山喷出岩,后者是根据不同玻璃纤维的性能而采取的人工配料。与玻璃纤维熔体相比较,玄武岩纤维的熔体透热性差、易析晶(析晶上限温度高),料性短、粘度窄,这些熔体特点既构成了玄武岩纤维生产技术的复杂性、高难性和新颖性,也赋予了玄武岩纤维一系列特殊的优异性。  

  道法自然,纯天然绿色环保是玄武岩纤维的优秀基因。从玄武岩熔体的特殊性看,纯天然玄武岩纤维的优异性能是“隐藏”在玄武岩熔融拉丝的难度中。玄武岩熔融拉丝的“难”和玄武岩纤维性能的“优”之间存在着客观的逻辑关系和对立统一的辩证关系。玄武岩熔融拉丝的这一对立统一规律,也同样揭示了玄武岩纤维产业发展的源泉和动力,揭示了火山岩晶相结构与各化学成分之间相互联系的内容和发展的内在动力。因此,人为去转变玄武岩纤维的优秀基因,用人工配料生产所谓玄武岩纤维的工艺路线是不可取的。虽然生产难度降低了,但是一些优异的性能也会随之降低或丢失。除非,为了满足市场需求,可以进行掺杂改性,以获得有择优取向的特殊性能的玄武岩纤维产品。

  因此,玄武岩熔体的这些特点既构成了玄武岩纤维生产技术的复杂性、高难性和新颖性,也赋予了玄武岩纤维一系列特殊的优异性。  

  正是玄武岩纤维具有以上一系列优异的性能,所以,玄武岩纤维在国防军工、交通基础设施、建筑、电力、环保、消防、汽车船舶轨道交通车辆制造、石油天然气、新能源、海洋防护等等领域都有广泛的应用,它可以为我国绿色发展战略、交通强国战略、海洋发展战略、经济振兴战略等国家可持续战略的实施提供新材料的支撑。因此,它是国家“关键战略材料”,是21世纪的绿色新材料,是我国鼓励发展的战略性新兴产业的重点新材料之一,玄武岩纤维产业也必将得到快速发展。

  深液面池窑是大规模低成本生产玄武岩纤维的必由之路。不可否认,玄武岩熔体的特殊性和复杂性构成了玄武岩纤维池窑关键技术的高难性。深液面玄武岩纤维池窑的生产工艺更具复杂性。辐射热难以穿透玄武岩熔体。受制于“黑玻璃”状玄武岩熔体透热性差(仅为普通透明玻璃熔体的1/5)、易析晶、粘度窄、料性短的特点,由于玄武岩熔体难以通过热辐射传热,大大地增加了池窑熔化窑型结构的设计难度。对深液面玄武岩纤维池窑而言,既然辐射热难以穿透玄武岩熔体,那么辐射热只能用于加热玄武岩熔体的表面层,而玄武岩熔体内深部的加热只能依靠热传导为主的方法。要解决玄武岩深液面的大池窑关键技术,就必须采用以电为主、火焰为辅的熔融方式。然而,由于钼电极很容易受到高温玄武岩熔体的侵蚀而导致大大缩短其使用寿命,成为长寿龄池窑的“短板”;此外,以电熔为主的融化方式,对耐火材料有特殊的要求。因此,熔融方式的改变势必会增加玄武岩纤维池窑生产工艺技术的难度。当然,浅液面的玄武岩纤维熔窑(火焰炉)可以规避这一矛盾,但生产的规模性却大大地受到了局限。

  深液面池窑关键技术犹如玄武岩纤维大规模生产的“芯片”。实现池窑化的规模生产又是玄武岩纤维高性能、低成本的必由之路。当前一个时期,尤其是“十四五”期间,研发年产5000吨纯天然玄武岩纤维池窑是我国玄武岩纤维产业必须攻克的关键技术和装备。从苏联研发出连续玄武岩纤维的初级生产技术后的30多年间,国内外玄武岩纤维同行为此作出了积极的探索和不懈的努力。然而,迄今为止,俄罗斯、乌克兰等国家仍然采用浅液面池窑,无法形成如同玻璃纤维大池窑的规模化生产,这也是玄武岩纤维产业发展缓慢的主要原因之一。因此,毋庸置疑,能否真正掌握玄武岩纤维的池窑化技术是玄武岩纤维产业能否真正迈入“高性能、低成本”发展快速轨道的重要标志。这既是挑战也是我国玄武岩纤维产业的发展空间和核心竞争力的体现!

  玄武岩纤维的本质特征是绿色天然,区别于碳纤维、玻璃纤维和有机纤维(除植物纤维外),连续玄武岩纤维是唯一纯天然绿色的高技术纤维。为此,我们要迎难而上,要坚持自主创新,不断攻克深液面玄武岩纤维池窑的诸多难点和关键技术。对此,不能投机取巧。有的玄武岩纤维生产企业由于没有掌握其技术诀窍,望而却步。有的干脆避其所难而直接采取人工配料方式,大比例采用非火山岩原料,增强助熔、改变其料性、降低其粘度等等削足适履的方式开展了所谓的玄武岩纤维生产。殊不知,如此人工配料的生产工艺既丢失了玄武岩纤维与生俱来的一些优异性能,又失去了玄武岩纤维纯天然绿色生态的自然秉性,且在生产过程中会导致大量废气的产生。某企业以人工降低玄武岩原料中的氧化铁含量,引入硼镁矿石(B2)为助融剂,引入碳酸锰矿石( MnO2 )为澄清剂和脱色剂,并加入相当含量的非玄武岩矿料,虽然可以像玻璃纤维一样实现池窑化生产,但是,笔者认为这种生产工艺并不可取,并非是我国玄武岩纤维产业可持续发展的正确之路,避难就易的生产工艺必然会带来舍本逐末的后果,改变了玄武岩纤维的本质特征,一些秉承玄武岩自然特性的优异性能被丢失和改变了,这既降低了玄武岩纤维独特的存在价值,也不符合实施“双碳”战略的绿色发展趋势。笔者认为这不仅仅是一个采用何种原料的生产方式问题,实际上是关乎玄武岩纤维的清洁生产,关乎玄武岩纤维产业发展能否沿着正确的轨道健康发展的重大问题。

  我国玄武岩纤维产业发展任重道远。在投资玄武岩纤维产业的热潮中我们必须要有冷静的理性思考。我国玄武岩纤维产业还有很多“痛点”:譬如对玄武岩熔体特性的研发和应用研究资本投入不足,深液面池窑技术还没有真正落地、单位生产成本较高、产品性价比不匹配、研究成果还比较缺少、应用标准少且滞后,牵引需求拉动力不足等等。对此我们必须要有清醒的认识:一是玄武岩纤维产业的投资需要遵循其新材料“周期长、投资大、见效慢”的客观发展规律,它绝对不是一个“短平快”可以赚快钱的投资项目。二是新材料的应用推广需要“拿数据说话”,生产技术和应用的创新都是一个循序渐进的过程,不可能一蹴而就,除了需要积累相应的应用研究成果以外,它还需要有一个较长的市场检验过程,任何大用户都不会贸然轻信使用。因此,玄武岩纤维产品在一个领域的推广应用至少需要10年乃至20年时间。三是玄武岩纤维不同于碳纤维和玻璃纤维等无机纤维。一方面,它没有太多国外现成的经验可以借鉴,除了自主创新别无他路,而自主创新是需要付出巨大代价的;另一方面,在细分市场中既需要我们扬长避短充分发挥玄武岩纤维的优异性能,又需要我们在产学研用结合的创新中去引导用户实现其新价值,尤其是在目前玄武岩纤维性价比还不够匹配的情况下,其营销的任务更为艰巨。因此,在投资玄武岩纤维产业的热潮中,我们一定要有“冷静”的理性思考,搞新材料靠的是精雕细琢的“慢功夫”,要耐得住寂寞,不要盲目跟风投资。

  对此,建议玄武岩纤维的生产企业,在扩大投资中不要“单兵(单面)突进”,否则就会陷入重重困难的包围之中。要遵循新材料自身的客观规律,注意“五个相适应”:生产规模扩大与市场需求牵引相适应;产品营销力度与应用研究成果相适应;加大投资力度与企业资本实力相适应;技术创新与“双碳”战略相适应;产品开发与解决用户难点相适应。稳妥的发展策略应该是:将企业运营的各种要素结合起来,像双螺杆那样咬合着发展。

我国发展玄武岩纤维产业具有重要的战略意义

  综上所述,纯天然玄武岩纤维与碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维等高技术纤维和玻璃纤维相比,具有两大鲜明的特征:一是生产工艺路线短而简洁、绿色原生态;二是集诸多纤维的优异性能于一身,综合性能好。概括地讲,我国玄武岩纤维产业具有十大特点:即原料来源的充沛性、资源利用的高效性、性能取向的综合性、生产工艺的简洁性、技术含量的高难性、应用替代的广泛性、环境保护的友好性、知识产权的自主性、上游产业的基础性和循环发展的可持续性。因此,我国发展玄武岩纤维产业具有重要的战略意义。

  一是可以充分利用廉价的火山岩资源,“点石成金”发展新资源产业。玄武岩熔融拉丝的高新技术唤醒了沉睡千万年的古老火山岩,这种点石成金的新资源产业不仅符合“双碳”发展战略,更符合我国走绿色可持续发展的道路。发展玄武岩纤维产业可以变玄武岩的资源优势为市场竞争优势。我国是一个多火山国家,拥有极其充沛的适合拉制连续玄武岩纤维的火山岩资源。在我国的东北、华北、西北、西南、华南等地区都有适合制造连续纤维的玄武岩矿石,有的矿床储量可达数千万吨乃至数亿万吨。

  玄武岩纤维可以铺设新的“丝绸之路”。此前,玄武岩只能用于高速公路的铺路石或是建筑用石材。发展玄武岩纤维产业不仅可实现火山岩资源高附加值的循环利用,顺应未来绿色循环可持续发展的方向,而且玄武岩纤维产业税收贡献大,由于原料廉价、进项税小、销项税大,因此,玄武岩纤维产业的增值税贡献率可达到10%左右。在全球资源、能源和环境约束的背景下,我国发展这样的新资源产业无疑是顺应了世界绿色经济发展的潮流,具有重要的战略意义,随着玄武岩纤维价值的不断被挖掘,产业的不断壮大和发展,其产业的战略价值怎么评估都不为过。

  二是可以抓住机遇,抢占玄武岩纤维产业的技术制高点,率先做大这一战略性新兴产业。无论是从先进基础原材料还是从新资源产业等视角看,玄武岩纤维是21世纪的新材料,是一个替代传统材料的战略性新兴产业。我国将它与碳纤维、碳化硅纤维一样列入“关键战略材料”无疑是十分正确的。目前,全世界玄武岩纤维的生产企业主要集中在中国、俄罗斯、乌克兰、格鲁吉亚和比利时、奥地利等少数几个国家,美国、日本、德国、法国、英国等经济发达国家的本土还没有生产。从全球玄武岩纤维产业发展比较缓慢和没有现成的玄武岩纤维池窑技术可供借鉴的背景下,我国的玄武岩纤维产业与碳纤维产业不同,没有成熟的现成的国外成功经验可以借鉴,唯有自主创新才是发展玄武岩纤维产业的必由之路,这也是时代赋予我国玄武岩纤维产业的历史使命。尤其是影响玄武岩纤维大规模生产的深液面池窑技术(包括大漏板技术等)、优势应用领域多用途的浸润剂界面处理技术等关键技术在国内外还没有真正被攻克。从当前中美之间贸易战和科技战的特点出发,我国要练好此“金刚钻”就必须率先实施创新驱动、绿色发展的战略,形成产业的自主核心竞争力,特别是要加快玄武岩纤维池窑关键技术的攻关。

  三是发展玄武岩纤维有利于为我国经济转型升级、绿色制造提供新兴基础原材料的支撑。玄武岩纤维及其复合材料是处于产业链上游的先进基础材料,随着玄武岩纤维池窑关键技术的攻克、应用研究成果的不断积累,在牵引需求的拉动下,玄武岩纤维的单位生产成本将会大幅度下降。当玄武岩纤维池窑达到年产3万吨生产规模时,每吨玄武岩纤维的成本将会降到6000元左右。具有一系列优异性能的玄武岩纤维及其复合材料,在促进国民经济相关领域产品的升级换代中将会发挥重要的支撑和保障作用。目前,它在高速公路、机场道面、高速铁路等交通基础设施、建筑节能、防火,以及环保、汽车和轨道交通轻量化、电力等领域已经显示出独特的作用。譬如,玄武岩纤维及制品在我国高速公路和市政道路上的推广应用已经显示出巨大的经济效益和社会效益。如果全国的高速公路和市政道路都全面推广应用玄武岩纤维,我国每年至少可以节约开支300亿元以上。

  四是发展自主可控、对外依存度为零的军用新材料。在苏联时期,玄武岩纤维就是为国防军工应运而生的,随着玄武岩纤维一些优异性能不断被发现和应用,它必然会成为我国国防军工的一种重要的新材料。我国从“十一五”到“十四五”国防基础和应用研究的初步成果看,玄武岩纤维在耐烧蚀、隔热保温、轻量化、耐核辐射等性能方面可发挥积极的作用,无疑可为跨越式发展提供自主可控的对外依存度为零的新材料支撑。

  五是有利于为绿色资源、高端创新,提供人与自然和谐共生的新兴原材料。“绿色”是玄武岩纤维最显著的产业特征。以玄武岩为唯一原料的高温熔融,是对火山岩喷出岩浆的“复原”,除了会有二价铁、三价铁之间的转换外,没有不同温度下的多相反应过程,不会再产生废气和更多的温室气体,是一种“安静”且清洁生产的过程。这是一种典型的绿色设计、绿色制造。这种生产工艺无疑顺应了“碳达峰”“碳中和”的环保要求,推动了绿色转型升级。毋庸置疑,玄武岩纤维是资源节约型、环境友好型的绿色低碳的可持续发展的新材料。它对环境友好,是典型的绿色制造,无污染。直接采用纯天然的火山岩原料,熔融拉丝,工艺路线很短,生产过程没有多相的化学反应,没有废气、废料、水等污染产生,能耗仅为碳纤维的1/33,根据玄武岩熔体的特殊性,采用电融法熔融拉丝,规模生产时只要2.5~3.5kW·h即可生产1公斤连续玄武岩纤维,是所有高技术纤维中能耗最低的。由于火山岩取自于自然界,因而可以实现废旧玄武岩纤维材料的循环利用。尤为重要的是以玄武岩为纯天然材料制成的玄武岩纤维及制品可以为节能减排、生态环境保护和绿色发展提供新材料的支撑和保障。

  综上所述,纯天然的玄武岩纤维是新型的高技术纤维,是处于产业链上游的先进基础材料和关键战略材料之一,是国民经济相关领域产品及国防工程建设升级换代新的基础和支撑材料,带动作用明显。在全球资源约束强化、环境污染严重、应对气候变化压力加大、绿色发展成为国际潮流的大背景下,我国在新一轮经济科技的竞争中,走绿色低碳循环的发展道路是必然的选择。玄武岩纤维产业具备典型的新资源产业的特征。因此,在全球经济发展同样面临资源、能源、环保与可持续发展约束不断加剧的背景下,发展“绿色资源、高端创新”的玄武岩纤维产业无疑既符合国家发展新材料战略的要求,又顺应了世界绿色发展的潮流。

玄武岩纤维产业应把握的正确发展方向

  1.加强引导。我国应从国家发展战略的高度出发,加强对玄武岩纤维产业的规划和政策引导,切实鼓励发展纯天然的连续玄武岩纤维产业。真正把玄武岩纤维产业作为国家绿色新材料、新资源的战略性新兴产业来大力培育,长期不懈地抓下去,使我国成为全球玄武岩纤维的生产大国和应用大国,成为我国经济转型升级的示范性产业,以充分发挥其对国民经济领域相关产品(部件)的升级换代的支撑和促进作用。

  2.促进应用。材料科学是应用科学。要面向国家和行业的重大需求,加强玄武岩纤维及其复合材料的应用研究,加快成果的转化,并精准施策,要运用政府采购政策大力鼓励和支持其大规模的推广应用,尤其要通过牵引需求拉动玄武岩纤维产业的发展,以取得更大的经济效益和社会效益。

  3. 绿色发展。坚持“绿色发展”,促进火山岩资源高效循环利用,并在继承中“对标”,在创新中发展,鼓励发展单组份、纯天然火山岩为唯一原料的连续玄武岩纤维,推动低碳循环与自然和谐的绿色发展。

  4.技术创新。积极支持有关领军企业大胆自主创新,近几年要重点攻克年产5000吨深液面纯天然的玄武岩纤维池窑技术,拉丝大漏板技术、与热塑性树脂等界面的浸润剂技术,抢占全球玄武岩纤维行业的技术制高点。

  5.制订标准。加强玄武岩纤维产业的标准化建设,当务之急要制修订有关国家标准、行业标准和团体标准。要对纯天然玄武岩纤维和人工配料的有关产品,以及更耐碱、更高强度、更耐高温等优异性能的玄武岩纤维作出客观科学的检测评价,以及严格的分类和规范;同时,要十分重视玄武岩纤维及其复合材料在有关应用领域的施工或应用技术指南,以改变有好的新材料却没有应用标准的尴尬和滞后现象,大力推动玄武岩纤维及其复合材料的推广应用。

  6.掺杂改性。在发展中创新,从玄武岩熔体的均质化和有利于形成择优取向的特殊玄武岩纤维,可以对玄武岩熔体进行掺杂改性,以满足日益增长的市场需求。但是,必须坚持在不改变玄武岩纤维绿色生态、综合性能好这一本质的基础上进行择优取向的掺杂改性。

  7.加大投资。鼓励生产企业、国家有关基金和社会资本加大对玄武岩纤维产业的投资力度;鼓励有条件的玄武岩纤维生产企业在科创板上市,以引导“绿色资源、高端创新”这一新材料产业的大力发展。对此,国家也应制订相应的减税让利政策。

  8.示范基地。以点带面,建立我国玄武岩纤维产业的示范基地。围绕提高玄武岩纤维产业的自主创新能力,支持其龙头企业联合高等院校、科研院所和行业上下游企业共建国家玄武岩纤维产业创新中心或国家级企业创新研究院,并支持其承担国家有关的重大科技项目。


胡显奇  男(1959年11月—),浙江省兰溪市人,曾先后负责承担国家863计划“玄武岩连续纤维及其复合材料”课题(2002AA334110)、国家科技支撑计划“玄武岩纤维规模化生产技术及工艺优化关键技术研究与示范”(2011BAB03B10)、浙江省择优委托的重点研发计划项目“玄武岩纤维及其制品在铁道工程中的应用研究”(2021C01029)等多项国家级、省级科研项目;曾牵头制订有关国家标准3个、行业标准4个、浙江省团体标准1个。

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