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一、连续玄武岩纤维及其产业

 

（一）关于连续玄武岩纤维

 

1、定义

 

       根据国家标准GB/T 38111-2019《玄武岩纤维分类分级及代号》关于连续玄武岩纤维定义如下：以一种或多种火山石为主要原料，高温熔融后经漏板拉丝制备而成的连续纤维。

 

       连续玄武岩纤维与连续玻璃纤维制备的工艺流程基本一样，矿石经高温熔融后通过漏板拉丝制备而成的连续纤维。以上定义强调了二者的区别，前者的主要原料是天然的火山石，而后者的原料是其它多种矿物的人工配料。

 

2、玻璃态或非晶态

 

       从物质结构来看，连续玄武岩纤维与连续玻璃纤维本质上都是玻璃态连续纤维。二者都是在高温熔融体过冷状态下，经漏板拉丝急速形变和冷却形成直径数微米的玻璃态连续纤维。所谓“玻璃态”是介于结晶态和无定形态之间的一种非晶物质状态。

 

       非晶或玻璃态是除气体、液体和结晶体之外的第四种普遍存在的物质形态，其结构特点是“短程有序、远程无序”。

 

3、特征

 

       连续玄武岩纤维具有“纯天然低碳环保和综合性能好”两大特征，具有高强、高模、耐腐蚀、耐候、耐高低温、憎水等一系列优异性能。连续玄武岩纤维的优异特性来源于非晶态物质结构以及火山石特殊的化学成分。其中，氧化铁（Fe2O3+FeO）含量极其重要，业界称之为玄武岩纤维的灵魂。国家标准GB/T 25045-2010《玄武岩纤维无捻粗纱》中规定，氧化铁总量（Fe2O3+FeO）必须大于等于7%以上。此外，前苏联关于连续玄武岩纤维原料确定的基本特征是酸度系数应大于等于5，即

 

        （SiO2+Al2O3）/(CaO+MgO)≥5。

 

       尽管目前连续玻璃纤维通过人工配料，也可以分别制备出高强、高模、耐碱、耐腐蚀等性能各异的纤维，但是，在耐久性、抗疲劳、抗辐射、耐高低温、憎水性、抗热蠕变以及透波性等综合性能以及低碳环保方面，连续玄武岩纤维表现出独特的优异性能。

 

（二）关于连续玄武岩纤维产业

 

       连续玄武岩纤维产业包括连续纤维用玄武岩工业原料加工、连续玄武岩纤维制造、后制品加工及其应用全产业链制造业。从产业发展的现状来看，目前连续玄武岩纤维产业处于生命周期的初创期（或导入期），属于幼稚产业。

 

1、连续纤维用原料

 

       我国地域辽阔，从前震旦系到第四系，我国在各个地质时代均有火山岩喷发，火山石矿产资源量极其丰富。我国火山和火山岩分布广泛，按照地理位置，可划分为两大区域：一是，沿我国东部大陆边缘，形成数以百计的火山群和火山锥，成为环太平洋火山链的一部分；另一是，位于青藏高原及周边地区的火山群。但是，并非所有的火山石都适合连续玄武岩纤维的拉丝生产，能够进行连续玄武岩纤维拉丝的纤维用火山石矿产资源占比较小。据四川省煤田地质局的专题调研报告《四川省纤维用玄武岩矿调查与评价》统计，在目前制备工艺下适宜于连续纤维生产的玄武岩矿占比仅为自然界玄武岩总量的5/10000。尽管如此，连续纤维用玄武岩资源量还是非常庞大的。

 

       从玄武岩纤维的拉丝适宜性来说，由于天然矿石的矿物成分、基本化学成分、喷发与冷凝环境等均存在一定的差异，直接作为玄武岩纤维的原料使用，因无法精确控制原料的均质性导致纤维成丝率以及产品质量与品质差异大，大部分不能生产出品质稳定的纤维产品。因此，必须对天然矿石进行配矿和均质化处理，使其成为标准化工业原料。

 

       迄今为止，在原料配矿与均质化方面，除个别企业做了部分研究工作外，业内对连续纤维用玄武岩原料的工业化开发几乎还是空白，也就说，迄今为止，这个产业还没有标准化的工业原料供给。

 

2、连续玄武岩纤维制造

 

       我国连续玄武岩纤维的研发始于本世纪初，前期主要依靠前苏联技术进行消化、吸收和创新，形成了气电法制备工艺。气电法制备工艺技术，由于燃烧天然气有废气排放，需要采取必要的治理措施。全电熔法制备技术列入国家863计划项目，具有节能、低碳、环保优势。全电熔法制备工艺符合联合国定义的CDM机制（清洁发展机制），属于绿色环保的清洁生产工艺技术。

 

       就技术装备水平而言，尽管经历了近20年发展，大多数企业停留在小型单体炉（120吨/年）装备水平、拉丝漏板一般为400孔，纤维制备能耗高、制成率低、性能稳定性较差、工艺控制自动化程度低、生产成本高。就行业整体技术水平而言，尚处于产业化进程小试和中试阶段。因此，我国的连续玄武岩纤维产业方兴未艾。

 

       近年来，行业新进入者在制备技术上有所突破，加快推进了连续玄武岩纤维制备技术产业化进程。

 

       郑州登电玄武石纤科技有限公司成立于2015年5月，该公司经过一年多攻关，完成了千吨/年全电熔池窑法玄武岩纤维制备技术中试，采用推进式电极，熔体深度可达1300mm，产品单丝直径集中在9-22μm之间，综合单位电耗为3.0-3.5kwh/kg，表现出良好的节能效果；在当地电价0.51元/度的情况下，制备成本下降到6000元/吨。2018年1200吨/年全电熔池窑生产线正式投产，成功运行3年多。

 

       四川玻纤集团集团有限公司自主投资建设的纯氧燃烧气电法玄武岩连续纤维池窑中试项目（8000吨/年）于2018年8月在德阳市罗江区成功点火运行。在中试成果基础上，经过一年努力，到2020年8月，四川玻纤集团建成年产1万吨连续玄武岩纤维池窑生产线并成功投产，实现了2400孔大漏板拉丝工艺。相继，四川谦宜复合材料有限公司首条3500吨/年玄武岩纤维池窑生产线投产，也采用纯氧燃烧气电法、2400孔大漏板工艺。这两家原料都采用了配料，在原料均质化方面都取得了实质性进展。

 

3、连续玄武岩纤维的应用市场

 

       连续玄武岩纤维与其他高性能纤维比较，原料来源丰富，生产过程环保，具有较高的强度、模量以及良好的物理化学性能，在建筑工程、交通基础设施、电力、环保、石油化工、装备制造、国防军工等很多领域都将得到广泛应用，有较强的市场发展潜力。但是，连续玄武岩纤维作为新材料的推广应用面临着缺乏标准、成果转化应用难、生产成本高等窘境。

 

       连续玻璃纤维与连续玄武岩纤维作为增强材料在很大程度上互为替代品。连续玻璃纤维经过近50年多充分发展，不仅技术进步支撑生产规模持续扩张，而且产品系列不断完善；加之，大规模生产带来的规模经济效益使连续玻璃纤维具有较高的性价比，在复合材料中得到广泛应用。在国内，高端市场基本上为高性能玻璃纤维及碳纤维所垄断，目前连续玄武岩纤维的性能还不能满足高端市场的需求。在耐碱性方面，高锆耐碱玻璃纤维（二氧化锆含量16.5%以上耐碱纤维）占领并主导着纤维增强混凝土（GRC）行业；在耐酸腐蚀方面，也面临着无硼耐腐蚀玻璃纤维 E-CR的巨大挑战。2019年全行业玻璃纤维纱总产量达到527万吨，净出口138万吨，国内消费389万吨。同期全国复合材料制品总产量达到445万吨。考虑到树脂在复合材料中的占比，可以说，国内玻璃纤维几乎占领了复合材料绝大部分市场。

 

       连续玄武岩纤维复合材料应用市场，面临着连续玻璃纤维严峻挑战，其市场空间被挤压在碳纤维高端市场和玻璃纤维的中低端市场的狭缝之间。个别玄纤企业可以走“专精特新”的发展之路，瞄准狭小的特殊应用市场（如汽车刹车片等），偏居一隅，求其生存。但是，整个产业的发展必须要有广阔的有效的市场需求；为此，必须提高连续玄武岩纤维性价比，突破传统玻璃纤维的挤压和低价市场竞争。

 

4、产业的发展阶段

 

       从以上关于原料、制备和应用市场全产业链现状分析来看，连续玄武岩纤维产业仍处于产业生命周期的初创期，属于方兴未艾的幼稚产业。

 

       这点要有清晰的认识。急功近利，把作为小试成果的单元炉大加推广，其结果就是亏损、停产，甚至倒闭。市场是检验产业化的唯一标准。事实再次证明，产业化进程可以加快，但绝不能跳跃。

 

       近年来，连续玄武岩纤维制备技术有了令人鼓舞的进步，随着政府和社会各界对连续玄武岩纤维产业认知度的提高和支持力度加大，有望突破制约连续玄武岩纤维产业发展的核心技术（包括年产万吨级的池窑技术）和应用的关键技术，从而进入产业生命周期的成长阶段。

 

二、关于产业化

 

（一）产业化的目标

 

       检验产业化的唯一标准是市场。只有连续玄武岩纤维具有了市场竞争的优势，才有可能进入可持续发展的轨道，实现产业化。因此，市场化是产业化的前提，培育和形成市场竞争优势是产业化的必要和充分条件。竞争优势包括差异化优势和成本领先优势。连续玄武岩纤维优异的特性具备了一定的差异化优势。但是，目前连续玄武岩纤维并不具备成本领先优势。不仅如此，而且还处于非常的劣势状态（性能只相当E-CR玻纤，但是连续玄武岩纤维价格是其2-3倍），市场难以接受，其推广应用举步维艰。关键在于，以小试成果单元炉技术为主体的连续玄武岩纤维制备成本太高，性价比太低，难以推广。“天若有情天亦老”，市场这个“天”只认性价比。

 

       因此，连续玄武岩纤维产业化目标就是高性能、低成本，也就说高性价比。实现这个目标依靠创新驱动，自主开发适合于玄武岩熔体特性的大池窑原创性技术，是连续玄武岩纤维产业化必由之路。考虑到实现路径可以把连续玄武岩纤维产业化之路概括为“五化”：原料工业化、窑炉规模化、产品多样化、工艺智能化、成本玻纤化。

 

       这里，成本玻纤化是关键，拉动了以上“五化”，是产业化的必要充分条件。

 

（二）产业化技术

 

       连续玄武岩纤维制备技术的开发，其技术路线的选择至关重要。窑炉技术开发要充分考虑玄武岩高温熔体的特性，即导热性差、粘度大、易析晶的特性。这也是连续玄武岩纤维制备技术的难点，20年来技术开发的先行者们做了不断的探索，近年来有了一定突破性进展。

 

       玄武岩高温熔体导热性差、粘度大、易析晶，在有效的时间内要实现窑炉内熔体温度均匀分布（等温场）的难度非常大。全电熔法，由于其深液位易于克服这个难关，实现无气泡、无条纹、无结石的均匀熔体，从而实现拉丝作业的正常化。这需要对玄武岩熔体的热力学特性、原材料成份与熔炼、拉丝的关联规律等进行基础应用研究，开发原创性窑炉技术。全电熔法，由于电极伸入熔融体内部加热，热利用率较高，单位综合能耗低，符合低成本技术要求，同时无“三废”排放，这是节能、环保、绿色制造的清洁生产技术路线。

 

       另外一条技术路线是在现行的玻纤池窑技术（纯氧燃烧、电辅助加热）基础上加以改进，暂且称之为改进型玻纤池窑技术，德阳川玻和广安谦宜都是采取这条技术路线。研发就是试错，通过不断尝试和改进，这条技术路线还是走得通的。年产1万吨改进型玻纤池窑，每吨纤维用天然气315立方米、用电3700度，折算成标煤，分别为382.41千克标煤和455.10千克标煤；分别占总能耗837.51千克标煤的45.7%和54.3%。

 

       改进型玻纤池窑技术难以实现成本领先的竞争优势，不是低成本的技术路线。主要原因有以下几点：一是，由于尾气治理设施和制氧设备，增加了设备投资；二是，玻纤池窑天然气燃烧热利用率非常低（5万吨/年纯氧燃烧大型玻纤池窑燃烧热值中只有30%有效利用，10%被炉体散热、60%被烟气带走），改进的玄武岩纤维炉窑热利用率就更加低，能耗高。目前投产的年产万吨池窑生产线总投资超过2亿元，单位投资达到2万元/吨，单位综合能耗达到837.5千克标煤/吨，单位生产成本约1万元/吨。采用这条技术路线实现成本领先的竞争优势是根本不可能的，不符合连续玄武岩纤维产业化的高性价比目标。关键在于，用玻纤技术超越玻纤本身并具有成本领先的优势，本身就是不可能的逻辑错误，除非“脱胎换骨”。连续玄武岩纤维产业化技术一定是符合玄武岩熔体特性的原创性技术。

 

       考虑到碳排放问题，充分利用绿电资源优势，采用全电熔法池窑生产技术，以“小步快跑”策略，加快扩大中试规模，实现产业化目标“五化”，不仅可行，而且指日可待。

 

（三）全产业链协同创新

 

       连续玄武岩纤维产业化制备技术是核心关键，但必须要同时推进原料和市场，需要全产业链协同创新，突破相互关联的三个方面：

 

       一是，探查储量大、组成能满足连续玄武岩纤维纺丝要求的连续纤维用玄武岩矿源，同时研发连续玄武岩纤维原料的配矿技术和均质化技术，满足高质量、低成本连续玄武岩纤维的生产需求。

 

       二是，突破连续玄武岩纤维制备技术的瓶颈，开发质量稳定、高性能、低成本连续玄武岩纤维制备技术。

 

       三是，加快应用开发。玄武岩纤维应用领域非常广阔，但是开发严重不足，绝大多数应用领域几乎仍为空白。在一定程度上，应用技术开发滞后以及应用示范工程严重缺失也成为了阻碍产业发展的重要原因。根据连续玄武岩纤维制备技术发展不同阶段的产品性价比，选择可行的重点突破的应用领域（行业），配套应用示范工程，加快建立相应的应用标准和实施规范。

 

三、加快产业发展步伐

 

（一）创新驱动

 

       加快产业发展步伐关键是紧紧把握高性能、低成本目标，加快产业化技术开发的步伐。坚持创新驱动原则，政府引导，“产学研用”相结合的方式，依托具有自主创新能力的企业建立健全以企业为主体的玄武岩纤维产业技术创新体系。

 

       重点建立原料——纤维——浸润剂——纤维应用——示范工程——标准——工程化——应用市场为一体的玄武岩纤维产业技术研发平台，开发系列化、标准化、商品化的连续纤维用玄武岩原料，攻克连续玄武岩纤维大型池窑生产技术、大漏板拉丝技术、差别化纤维开发技术、浸润剂等关键技术，开发纤维及其复合材料制品在城市基础设施建设、轨道交通、新能源汽车、石化装备以及装配式建筑等重点领域应用。

 

（二）打造优质原料生产基地

 

       采用配矿和均质化技术，建设规模化连续纤维用玄武岩优质原料生产基地，提供系列化、标准化、商品化的原料产品，打造连续纤维用玄武岩优质原料生产基地。

 

       对原料矿进行在线实时监测，实时进行在线配方优化调整，实现配矿的在线实时优化控制。

 

       依托有一定实力企业与具有资源的地方政府相结合，成立专业化的连续纤维用玄武岩原料生产有限公司（以下简称“原料公司”），作为打造连续纤维用玄武岩优质原料生产基地的生产经营实体。

 

       原料公司坚持“绿色开采，综合利用”原则，实施生态效益、经济效益和社会效益协调发展战略，瞄准新基建市场，开发多样化、系列化、标准化玄武岩原料产品。

 

（三）聚焦优势应用领域重点突破

 

       选择连续玄武岩纤维的重点应用领域，集中政府资源和市场资源，着力突破进入应用市场的障碍，站稳市场、不断扩大，以期带动整个产业进入良性循环的成长轨道。

 

       10年前，浙江石金、四川拓鑫等企业牵头制定三个国家标准和四个行业标准，重点推进连续玄武岩纤维在公路建设以及增强混凝土行业的应用。而今，10年过去了成效甚微。关键的问题在于连续玄武岩纤维制备成本太高，产品性价比低，市场难以接受。

 

       从选择的应用行业市场规模来看，其市场潜力非常巨大。一旦进入这些土木工程领域并站稳市场，将会带动连续玄武岩纤维产业进入高速成长期。但是，目前连续玄武岩纤维的性能和价格还不能适应市场需求。

 

        当前，从不同发展阶段产品的差异化和成本出发，选择适应的应用市场，这是现实的市场策略。四川炬原玄武岩纤维科技有限公司根据本公司的连续玄武岩纤维产品的性能和制造成本，瞄准了对价格不敏感的高端助力车市场，成功进入并取得较好的经济和社会效益。

 

       近年来，连续玄武岩纤维在制备技术上有重大突破。全电熔法千吨级池窑生产线使每吨纤维生产成本降到6000左右。玄武岩纤维池窑技术进一步发展在应用领域替代品的竞争优势更加显著，制造成本的降低、性价比提高，将为连续玄武岩纤维应用打开广阔的市场。打开土木工程应用市场大门也指日可待，那时，作为先进基础材料将带来建筑材料领域革命。

 

（四）加大政府支持力度

 

       各级政府从产业技术政策方面加大对关键技术和核心技术，如全电熔大池窑、浸润剂以及复合材料等技术开发支持力度，给予一定的财政补贴。对产业化项目实施，在土地、矿产、电力等资源配置方面给予优先、优惠的支持，并通过直接财政补贴和贴息等方式加大项目扶持力度。

 

       此外，连续玄武岩纤维产业发展涉及大量技术创新和开发，也涉及矿产资源开采和利用；加之其应用领域涉及面广，包括城乡建设、公路和轨道交通、装备制造等，要充分发挥各级政府相关机构部际协调功能为连续玄武岩纤维新技术研发、应用示范项目、工程应用试验段、标准制定等提供相关部门和机构的支持。

 

（五）创新连续玄武岩纤维应用标准体系

 

       连续玄武岩纤维应用领域非常广阔，但实际应用实现产业化还存在极大空白。缺乏应用标准和规范成为了制约发展的瓶颈。政府相关部门高度重视并牵头推进玄武岩纤维应用推广标准体系的改革和创新。

 

       大力发展团体、企业标准，政府主导制定的推荐性标准逐步由社会承接。对满足法律法规和工程规范性能要求的创新性技术措施，可通过合规性判定推广应用，逐步纳入相应工程规范和标准。对团体和企业标准制定主体资格，不设行政许可。发布团体和企业标准，不需行政备案。经合同约定，团体和企业标准可作为设计、施工、验收依据。鼓励第三方专业机构特别是公益类标准化机构，对已发布的团体和企业标准内容是否符合工程规范进行判定。判定工作应秉持公平、公正、客观、科学和自愿的原则，判定结论应向社会公布。

 

四、后记

 

       首先，真诚地感谢四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司董事长曹柏青教授。10多年前，在他们的拉丝车间现场，第一次见到了“点石成金”的奇迹。此后，我们进行了多次的交流，令人难以忘怀。

 

       感谢20多年的老朋友四川大学叶光斗教授，他在高分子及纤维领域有深厚的学术造诣和丰富的实践经验，不仅向他学习到有关的专业知识，而且还共同制定了四川省和相关市县的玄武岩纤维产业发展规划。有幸和他一起跟踪这个产业10多年。

 

        感谢浙江石金玄武岩纤维股份有限公司创始人胡显奇教授，就玄武岩纤维产业化技术问题和我多次坦诚的交流，受益匪浅。他对玄武岩纤维产业的贡献令人敬佩。他曾主持完成了国家863计划课题“玄武岩连续纤维及其复合材料”、2个国家发改委的连续玄武岩纤维产业化计划、国家科技部支撑课题“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”，并承担和参与了4个国防应用课题的研究，是我国连续玄武岩纤维产业不可或缺的代表人物。

 

       感谢登电玄武石纤有限公司总工程师孟亚平，他坦诚地让我分享了全电熔法池窑技术的成功经验。

 

       感谢四川省地矿局玄武岩纤维研究所所长徐小明高级工程师让我分享了纤维用玄武岩矿调查与评价成果。