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点石待成金——四川玄武岩纤维产业调查


  调查

  精选过的玄武岩矿粉被倒入熔炉,阵阵高温热浪和隆隆响声中,熔炉下方出料口“吐”出了一股炭黑色的细丝——“快看,出丝了,这就是玄武岩纤维。”6月8日上午,四川炬原玄武岩纤维科技有限公司原丝车间里,参观者围拢上来。玄武岩纤维,被誉为“21世纪的绿色工业新材料”;玄武岩纤维产业也被列为四川重点产业,发展走在全国前列。但玄武岩纤维量产技术还在试验中。

  虽然新技术尚未完全“走出实验室”,但一切已在变革中。

  技术领先

  四川航天拓鑫的纤维丝生产技术被鉴定为“国际先进”,同时输出企业产能占全国八成以上

  位于达州的四川炬原,装备和技术全部来自四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司。这让航天拓鑫总经理曹柏青十分骄傲,“我们输出了原丝生产、上中下游产业开发和应用的全套技术,基本上算复制了一家企业。

  航天拓鑫是省内最早研究玄武岩纤维的企业。2003年,哈尔滨工业大学在成都建成国内首台单体炉纺丝装置,从雅安采集玄武岩,进行纺丝、纤维结构性能和应用研究,并创立四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司。十多年间,航天拓鑫逐步自主研发制纤技术和生产设备,并发展成全球技术领先的玄武岩纤维龙头企业。

  “在‘点石成金’的技术中,最难的是一次性制成质量稳定的连续性纤维。”航天拓鑫产品应用工程师王孙富告诉记者,数年攻关,航天拓鑫研发的燃气-电结合拉丝技术,能生产出直径9微米、长度1万米的纤维丝,四川省科技厅召集的专家组评定中,该技术被鉴定为“国际先进”。

  最初引进、模仿前苏联地区技术的国内企业,纷纷将目光转向四川。目前全国12家成规模的玄武岩纤维生产企业中,有7家的技术都源自航天拓鑫,年总产能2万多吨,占据全国产能80%以上。

  这一生产工艺甚至吸引了世界目光。今年3月,亚美尼亚共和国驻华大使馆邀请航天拓鑫商谈设备和技术转移,而早在2010年,时任亚美尼亚共和国总理季格兰·萨尔基相在访川时就希望达成这项合作。

  应用升级

  制品正从建材领域等初级应用,向轨道交通和运载工具轻量化领域拓展


  “这些才是做出来的‘面包’。”6月6日上午,王孙富在四川航天拓鑫的产品展厅向客商介绍。展厅入口处摆放着“面粉”——玄武岩纤维,往里走才是各种“面包”:复合筋、自行车轴、列车踏板、步行道板、鱼雷包装箱、导弹发射筒等。

  玄武岩纤维可广泛运用于国防军工、交通运输、建筑施工、车船制造、环保装备、航空航天等领域。

  “最早运用在建材领域。”王孙富介绍,将玄武岩短切纤维搅拌在路用沥青里,能降低路面噪音,减缓路面裂缝,提高道路耐磨性;而将玄武岩纤维复合筋运用在建筑工程里,能抗腐蚀,并且重量仅有同规格钢筋的四分之一。这在成都市二环路高架桥、成都地铁等市政工程中已广泛应用。

  2017年8月,成都铁路系统某公司委托航天拓鑫研发一款轨道列车脚踏板,航天拓鑫用玄武岩纤维做原料,仿照普通型材制作方法,用磨具一次性压制成型。“在使用中我们发现,这款玄武岩纤维脚踏板既轻便,又耐腐蚀,而且还绝缘。”王孙富说。

  “车体轻量化一直是我们研发的重点方向”,曹柏青表示,玄武岩纤维每吨价格只有性能相近碳纤维价格的十分之一,同时市场也很大,2017年轻量化汽车材料市场规模已达950亿美元。

  2017年11月,中唐空铁集团有限公司依托航天拓鑫牵头成立玄武岩纤维复合材料(成都)协同创新中心,开展单悬臂轨道列车轻量化研究,这款名为“黑鸟”的轨道列车外皮、内饰、轨道架设材料70%采用玄武岩纤维,车体重量不到同尺寸钢铝列车三分之一,造价还便宜一半,“目前样车研发进度已过半,正在做强度测试和技术标准。”中唐空铁研发部主任谢君透露。

  量产制约

  高品质玄武岩纤维的低成本量产技术待破解,后期产品开发应用过程漫长

  目前,我省玄武岩纤维年产能为6000吨,产值约为3亿元。按《四川省玄武岩纤维产业发展指南(2016—2020年)》,我省2020年玄武岩纤维产量要达4万吨以上,玄武岩纤维及其复合材料总产值达到100亿元,但当前技术和市场均存在制约。

  首先,目前尚难以形成高品质玄武岩纤维的低成本量产。

  当前国内玄武岩纤维生产工艺主要有两种,坩埚法和池窑法。

  坩埚法温度自动化控制较好,但纤维质量不稳定且低产,单台炉窑日产量只有2.5吨左右。目前国内企业基本采用坩埚法,受制于此,国内每吨玄武岩纤维价格高达2万元左右。

  池窑法,将较小的炉窑换成较大的“池子”,体量大,产出纤维品质稳定,成本低一些。“但技术难度大”,四川大学化学纤维研究所教授叶光斗介绍,多年前南京玻璃纤维研究设计院等单位就做过研究,均以失败告终。

  不过也有不怕难的。四川玻纤集团有限公司最近忙于池窑法生产工艺的研究,本月底将进行首次中试。

  四川玻纤集团有成熟的玻璃纤维生产技术,公司尝试把该技术运用到玄武岩纤维生产中来。副总经理康明介绍,池窑法最大技术难点在于原料均质和均匀受热问题,原材料玄武岩从自然界采来,质量很不稳定,同时,制纤温度需控制在1450℃-1500℃,只有50℃浮动区间,而玄武岩本身导热性很差,在大体量池窑中很难均匀受热,“因此,目前国内还没有用池窑法大规模生产玄武岩纤维的企业。若测试成功,池窑法日产量可达80吨。

  但即便有了大批量玄武岩纤维,从原料采集到产品的广泛应用,也有漫长的过程。

  以目前下游企业生产较多的玄武岩纤维管道为例,从原材料到较广泛运用,耗时五年,其间需要政府部门、科研院所、设计单位、生产厂家等多个部门协作。“目前我省玄武岩纤维产业化还有大量基础研究和应用技术开发工作没做,产品研发也较为零散,没有形成完整的产业链。”叶光斗介绍。

  变革之中

  原材料、燃料成本等的降低,以及工艺的革新,有望降低玄武岩纤维价格,同时标准建设和人才集聚正不断加强

  虽然新技术尚未“走出实验室”,但我省玄武岩纤维生产已在变革中。

  玄武岩矿石来源或将改变从外省引入的现状。记者从省煤田地质局获悉,2017年6月,我省首次启动纤维用玄武岩矿调查与评价工作,经过前期资料分析,在全省圈定了约5.7万平方公里有可能成矿的区域,涉及眉山、乐山、雅安等6市州25区县。项目实施单位华源矿业勘查开发有限责任公司项目经理张剑介绍,经过一年调查,已基本查明4个玄武岩纤维用矿资源富集区。业内人士估计,采用省内矿石,原料的成本占比可从5%降低到2%左右。

  降低玄武岩纤维原丝成本,不仅在于降原材料成本,更多的需依靠燃料、人工成本的控制,以及工艺的革新。

  “炬原生产的玄武岩纤维原丝成本,要比国内行业平均成本低三分之一。”四川炬原副总经理王先刚介绍,首先是燃料价格低,达州工业用天然气价格约为1.6元/立方米,比省内一些地方低1元左右;其次是工艺新,炬原将玄武岩矿石研磨成粉,再用设备进行精选,提高原料均质化,产品质量更稳定;最后是自动化程度高,24台气电结合炉通过电脑控制,一个人可同时操作两台炉窑,人工成本减少了一半。

  针对玄武岩纤维产品的标准体系建立问题,王孙富告诉记者,公司正联合成都市标准化研究院、四川省质量技术监督局、四川省纤维检验局等单位申请成立四川省专业标准化技术委员会玄武岩纤维分会,同时申请成立化学纤维工业协会玄武岩纤维专业标准化技术委员会,联合下游企业为产品制定团体标准,以在省级乃至国家层面掌握玄武岩纤维产品标准话语权。

  同时,航天拓鑫正在整合公司已有的院士工作站和省级技术中心,筹备玄武岩纤维央地结合的产业技术研究院,以强化基础研究和应用研究,目前,已有5位中科院和中国工程院院士表达了加入意愿。

  “纤维从研究到批量运用一般都有较长的过程,碳纤维用了近30年,我们正努力缩短玄武岩纤维的这个过程。”曹柏青表示。