周君，邢宏伟，吴志杰

（河北联合大学 冶金与能源学院，河北 唐山063009）

高炉渣纤维是以液态高炉矿渣为主要原料，经过高压载能气体喷吹而成的纤维化材料［1］。它是一种优质的吸声、轻质、防火材料，同时还具有不燃性，良好的保温性能和化学稳定性等特点。该类纤维经过松棉、造粒、成球等一系列工序，可以生产出粒状棉，它可以作为矿棉吸声板，矿棉保温毡、保温管、保温带等优质材料的原料使用，这些材料广泛应用于建筑、管道等的绝热、防火、吸声方面［2，3］。

据统计，全国的护体和管道由于保温不善，一年的热损失折合原煤达3000万吨左右。目前，用于管道保温的矿棉大部分都是岩棉，但其产量和质量都需要进一步提升［4］。工业管道涉及石油、化工、电力和钢铁企业，包括各类蒸汽、燃气管道等，因而矿棉用于管道保温材料的市场需求量十分巨大。

1 高炉渣纤维用于管道保温材料的主要指标

在欧洲国家，矿棉以其较高的耐火等级、抗压强度以及较低的吸水率，已经成为工业建筑外保温体系的首选材料［5］，标准 EN 13162“Thermal insulation products for buildings－Factory made mineral wool（MW）products－Specification”对用于工业建筑保温的岩棉制品进行了严格的规范；而在国内，作为传统防火保温材料的矿棉，在工业管道和建筑的应用中也仍有较大的发展空间［6］。对于矿棉材料来讲，要想成功应用于管道保温系统中，有几个尤其重要的工艺指标：

1）导热系数：导热系数是矿渣棉的主要工艺指标，一般为≤0.044W／（m˙k）。导热系数直接影响矿棉的保温性能，导热系数越小，材料的保温性能越好［7］。一般而言，导热系数随着温度的升高而增大。矿棉材料随密度的变化幅度较大，在达到最佳密度之前，随着密度的增加，导热系数逐渐减小；在达到最佳密度之后，随着密度的增加，导热系数将不断增大［8］。

2）容重：容重也是矿棉保温材料的主要性能指标，对于包括矿棉纤维在内的纤维状保温材料而言，在容重较小时其导热系数随容重的增加而降低，并存在一个最低导热系数的容重值。当容重超过这一数值时，导热系数将随容重值的进一步提高而升高。

3）纤维直径和渣球含量：矿棉的纤维直径一般要求≤7μm。渣球是矿物棉生产过程中，熔体来不及牵伸纤维化而产生的近似球状的颗粒，一般粒径大于0.25mm的控制在≤10%范围内。渣球含量和纤维直径一样，都与生产工艺的稳定性密切相关。研究发现［9］，导热系数随着纤维直径和渣球含量的增加而增加，从而影响材料的保温性能。

2 高炉渣纤维在管道保温中的应用现状

2.1 国内高炉渣纤维在管道保温中的应用现状

我国矿棉类保温材料在80年代初以其优异的防火性能和保温性能在市场上占有一定份额，但由于投资较大，技术不成熟，生产厂家较少而限制了其推广应用，因而现有市场占有率不是很高［10］。此外，辽宁电厂在建设期间曾大量使用过矿物棉和玻璃棉作为保温材料，其它电厂也曾经在汽轮机缸体、阀门、管道及烟风道上使用过矿物棉材料。但是，由于没有成型的管壳和毡板等矿棉制品，矿棉的施工条件也较差，目前矿物棉材料的应用没有得到推广［11，12］。因此，在管道保温方面研发新材料和新工艺非常必要。

2.2 国外高炉渣纤维在管道保温中的应用现状

国外早在60年代末70年代初期就开始大量采用矿物棉材料作为管道保温材料，另外还有玻璃纤维制品，发泡式合成橡胶制品，聚乙烯制品及硅酸钙。玻璃纤维制品成本最低，矿棉、硅酸钙使用温度范围较广，可从室温到600℃左右［13］。从国外的情况来看，发达国家的保温材料品种较多，技术和使用经验较成熟，并且重视管道的保温结构，从而能够更大限度的提高热量的利用率和节省能源。

2.3 存在问题

目前我国矿棉工业已经建立了一定的基础，但由于现有矿棉管道保温材料在生产技术及产品上还存在一些问题，目前尚未达到应有的使用范围。其生产技术及产品主要问题在于以下几个方面：第一、配料方面。多数厂家对于入炉原料没有精确配比计算，导致产品质量差、原燃料消耗较高；第二、熔炼技术。传统熔炼炉熔炼技术存在严重的能耗较高和废气污染等问题；第三、成纤质量。原棉纤维直径粗，纤维较短、渣球含量多，杂物多，对设备及管道有腐蚀作用，使用温度不得超过300℃［14］。因此不适合制备管道保温材料。此外，矿棉类材料还不同程度地含有沥青、胶或其它有机物，容易产生有害物质而污染环境。因此，要想将矿棉广泛应用于管道保温材料中，应研发矿棉生产新技术及新的成型工艺。

3 我国高炉渣纤维管道保温材料的发展前景

3.1 现代管道保温材料的要求

矿物棉及其制品作为一种优质、高效绝热材料，自本世纪20年代在我国得以迅猛发展，现已形成了一个具备约10多亿资产的工业系统。其产品已应用到工业、建筑业、交通运输业、造船业等多行业的多个领域的保温、隔热、保冷、防火等方面［15］。热力管道的保温一般是指输送蒸汽或热水的管道的保温。据分析，一个大型企业的热力管道总长度可达数十公里，管道保温设计的好坏直接影响企业能耗及经济效益［16］。近年来由于煤价调整，热价大幅上升，每GJ（109次方J）的热价已由原来的15～18元上升到25～30元甚至更高，因而，热力管道散热所造成的经济损失也是相当大的［17，18］。所以，做好管道保温材料的选择及设计对于企业经济和社会经济效益的提升作用是不容忽视的。

3.2 高炉渣纤维管道保温材料生产新技术及市场前景

鉴于上述矿棉及其产品所存在的问题，我们提出了一种用于生产管道保温材料的新技术。该技术直接利用高炉渣热量，通过配加一定比例的铁尾矿废石等调质剂以达到所需的酸度系数，混合料经过直流电弧炉（如图1所示）高温熔炼，熔渣达到一定温度后，将其通过渣槽倒入高速旋转的四辊离心机进行甩丝成棉，所得纤维如图2所示。与传统工艺相比，该项新技术具有以下特点：1、高炉渣热量能够得以合理利用，减少了直接利用岩石熔化的能源消耗；2、技术中使用含SiO2的酸性尾矿和固体废弃物作为调质剂，有利于废物利用和环保；3、通过该项技术所得到的纤维质量好，细且长（直径3～5μm）。由此可见，直接利用高炉渣热量并通过尾矿等固体废弃物调质处理生产管道保温材料的新技术在我国绝热保温材料中的应用有着广阔的市场前景。

图1 直流电弧炉

图2 纤维

4 结论

综上所述，国内外对矿物棉在绝热保温方面的应用越来越重视，因为它不但具有导热系数小，耐高温，吸水率低等特点，还具备优良的防火和防水性能，而且施工简单、成本较低，尤其是在管道保温方面，它能在阴暗潮湿的地方长期使用而导热系数不受影响。但是，传统管道保温材料的生产存在众多问题，尤其是能耗较高、污染重、纤维质量差等。而以高炉渣配加一定比例铁尾矿废石等调质剂后，经直流电弧炉高温熔炼的技术能够较好地解决传统技术中存在的问题。可见，该项新工艺生产的保温材料既节能又环保，必将取代或部分取代传统管道保温材料的生产而成为未来管道保温材料发展的新趋势。

［1］Xiao Y L，Liu Y，Li Y Q.Status and Development of Mineral Wool Made from Molten Blast Furnace Slag［J］.Baosteel Technical Research，2011，5（2）：3－8.

［2］F.Stazi；F.Tittarelli；G.Politi；C.Di Perna；P.Munafò.Assessment of the actual hygrothermal performance of glass mineral wool insulation applied 25years ago in masonry cavity walls［J］.Energy and Buildings，2014，Vol.68：292－304.

［3］Olli Vantsi，Timo Karki.Utilization of recycled mineral wool as filler in wood－polypropylene composites［J］.Construction and Building Materials，2014，Vol.55：220－226.

［4］Ali Kecebas，Mehmet Ali Alkan，Mustafa Bayhan.Thermo－economic analysis of pipe insulation for district heating piping systems［J］.Applied Thermal Engineering，2011，Vol.31：3929－3937.

［5］Bernadett Kiss，Clara González Manchón；Lena Neij.The role of policy instruments in supporting the development of mineral wool insulation in Germany，Sweden and the United Kingdom［J］.Journal of Cleaner Production，2013，Vol.48：187－199.

［6］徐浩.有机硅憎水添加剂在岩矿棉憎水处理中的应用［C］.2010中国绝热节能材料协会年会论文集.2010：95－97.

［7］李文红，李中良.浅谈用于管道工程的新型保温材料［J］.中州煤炭，2009（6）：50－51.

［8］吴清仁，曾慧，奚同庚.密度和温度对岩矿棉材料导热系数的影响［J］.新型建筑材料，1997（5）：21－23.

［9］李文科.密度、温度、纤维直径和渣球含量对矿物棉绝热材料导热系数影响的研究［J］.玻璃纤维，1994，5.

［10］金映昭，邵德明.热力设备及管道保温现状分析［C］.第七届全国设备与维修工程学术年会论文集.2003：226－228.

［11］吴川林，叶树华.矿物棉保温材料特性及其应用情况简介［J］.电力建设，1982（2）：57－61.

［12］颜受琨.矿棉保温材料的应用研究［J］.电力建设.1988（11）：24－27.

［13］张战峰.管道保温的发展［J］.能源与环境.2006（4）：73－75.

［14］彭 程，吴会军，丁云飞.建筑保温隔热材料的研究及应用进展［J］.节能技术，2010，28（4）：333.

［15］韩彦荣，谢 华.热力管道保温材料的选用分析［J］.制冷与空调，2006（4）：59－61.

［16］吴海棠.热量管道保温材料的选用解析［J］.企业技术开发，2013，32（22）：76－77.

［17］张战峰.管道保温的发展［J］.能源与环境，2006（4）73－75.

［18］Ali Kecebas.Variation of insulation thickness and exergetic cost saving with outdoor temperature in pipe insulation［J］.Environ.Prog.Sustainable Energy，2013，Vol.32（3），pp.