宋世林
(信阳师范学院化工系 ,信阳 　464000)
 
摘  要： 主要从岩棉和矿渣棉化学成份及酸度系数的不同 ,论述了岩棉与矿渣棉在耐水性、耐热性和耐腐蚀性等性能上的差异。
关键词： 岩棉 　矿渣棉 　酸度系数 　三元相图 　耐水性 　耐热性 　耐腐蚀性。
 
岩棉与矿渣棉同属矿物棉 ,它们之间在生产工艺、纤维形态、耐碱性、导热系数、不燃性等方面存在不少共同点。人们通常将岩棉和矿渣棉统称为矿棉 ,因此易将两者看成是同一种东西 ,甚至认为矿渣棉色泽洁白 ,比灰绿色的岩棉更为“纯净”些 ,这是一种误解。虽然它们都属矿物棉 ,但也还存在一些不容忽视的差别。形成这些差别的主要原因 ,是原料成份的不同。
 
1 　岩棉与矿渣棉化学成份及酸度系数的比较
在我国 ,矿渣棉的主要原料一般为高炉渣或其它冶金炉渣 ,岩棉的主要原料则为玄武岩或辉绿岩 ,它们的化学成份差异较大(表 1) 。
 
表 1 　岩棉与矿渣棉主要原料化学成份( %)
原料名称SiO₂   Al₂O₃  CaO   MgO  Fe₂O₃  FeO      SiO₂+    MK*
                                                   Al₂O₃+
                                                 CaO + MgO
玄武岩  47.41    15.0    8.02   6.89   3.99   7.36     77.32     4.18
辉绿岩  49.32    16.61   9.40   6.56    6.0   4.65     81.89     4.13
铸造生铁
高炉渣  40～41  8～17  36～42  6～8   —    0.65     90～95    0.95
炼钢生铁
高炉渣  38～40  6～12  38～43  5～12  —   0.4～0.8   90～95   0.95
* 酸度系数 MK= (SiO₂+ Al₂O₃)/(CaO + MgO)，岩石成份为我国原料平均值。
 
    由表 1 可见:高炉渣化学成份的特点是,SiO₂+Al₂O₃+ CaO + MgO 含量高达90 %～95 % ,而 Fe₂O₃+ FeO 含量小于 1 ;玄武岩和辉绿岩化学成份的特点是 , SiO₂ + Al₂O₃ + CaO + MgO 含量为77 %～83 % ,比高炉渣低 10 %左右 ,而 Fe₂O₃+ FeO 含量平均在 11 %左右 ,最高时可高达 17 % ,是高炉渣中铁氧化物含量的十数倍。
    鉴于以上两类原料的不同特点 ,以它们为原料分别生产出来的矿物纤维也具有不同的化学成份特点。岩棉的酸度系数 MK一般大于 1.5 ,甚至可高
达 2.0 以上;矿渣棉的 MK一般只能保持在 1.2 左右 ,很难超过 1.3 ,这是因为若要进一步提高矿渣棉的酸度系数 ,就必须提高熔体中 SiO₂和 Al₂O₃的含量 ,使 CaO 和 MgO 含量相应地有所降低 ,在铁含量较低的情况下 ,势必使熔体的粘度增大 ,以致难以保证矿渣棉纤维的品质。含氧化铁较低的熔体 ,当其MK= 1.2 左右时 ,在最佳成纤温度下有宽而稳定的粘度范围 ,这

种情况下即使流股温度上下波动100 ℃,其纤维质量和成纤率将不受很大的影响。但是 ,随着酸度系数逐步提高 ,熔体稳定性变差 ,对温度变化的敏感性也随之提高 ,只要温度略有波动 ,其粘度将发生较大幅度的变化 ,甚至无法成纤 ,这就是矿渣棉酸度系数一般均在 1.2 左右、不可能象岩棉酸度系数达到 1.5 的原因所在。
 
2 　岩棉与矿渣棉性能的差异
    岩棉与矿渣棉化学成份及酸度系数的差别 ,导致它们在性能上也有一定的差别。
表 2 　岩棉与矿渣棉化学成份及结晶作用区域
类      主要化学成份/ %
别    SiO₂   Al₂O₃   CaO  MgO  Fe₂O₃  FeO  MK  pH   结晶作用
                                                值     区域
矿1  35.42  13.67   27.83  11.81  6.20   —  1.24  5.0  CS-C₂AS-C₂S
渣2  39.26  14.65   36.40  6.76   1.07   —  1.25  5.3  CS-C₂AS-C₂S
棉3  37.72  11.37   41.40  2.75   2.83   —  1.11  6.7  CS-C₂AS-C₂S
岩4  41.80  15.40   16.70  10.13  0.77  1.10  2.13  0.8  CS-C₂AS-CAS₂
    5  39.60  15.44   18.05  12.06  0.63  8.98  1.83  1.5  CS-C₂AS-CAS₂
棉6  41.80  14.98   26.00  8.50   3.57   —  1.65  3.3  CS-C₂AS-CAS₂
 
 
 
2.1 　岩棉与矿渣棉耐水性的差别 　
    尽管岩棉与矿渣棉都属于硅酸盐CaO-Al₂O₃-SiO₂物系中的产物 ,但由于它们化学成份上的差异(表 2) ,使它们的物相组成点落在 CaO-Al₂O₃-SiO₂三元相图中不同的结晶作用区域内(图 1) 。
    从表 2 及图 1 可见,岩棉组成点 (图中 4、5、6点)均落在硅灰石-铝方柱石-钙长石结晶作用区(即CS-C₂AS-CAS₂区)内 ,其固相中必定留有这三种结晶相 ,由于硅灰石、铝方柱石、钙长石均不具备水硬特性 ,遇水后变化很小 ,使岩棉具有较好的耐水性。
    矿渣棉组成的 1、2、3 点均落于硅灰石-铝方柱石-硅酸二钙的结晶作用

区(即 CS-C₂AS-C₂S 区)内 ,其中虽然铝方柱石、硅灰石不会与水发生反应 ,但硅酸二钙在一定条件下能同水起反应 ,这与硅酸二钙的基本结构有关。硅酸二钙(2CaO·SiO₂)具有三种不同的结晶构造 ,即α、β、γ型结晶。每一种构造在一定的温度范围内是稳定的 ,但能随温度的变化进行多晶转变: ①在低温直至 675 ℃稳定的构造是γ-正硅酸钙(γ-2CaO·SiO₂) ,它是结晶物质 ,不溶于水;②当加热至 675 ℃时 ,γ-构造转化为β-构造 ,而且这个转化作用伴随着体积的急剧变化(约增大 10 %) ,β-构造从 675 ℃到 1410～1420 ℃处于稳定状态 ; ③随着温度继续上升 , β-构造又转化为α-构造 ,该构造直至其熔融温度 2130℃均是稳定的(表 3) 。在这三种晶型中 ,除γ-构造外 , α-和β-构造性能相似 ,均能与水发生水化反应。矿渣棉中不希望存在这两种构造 ,应尽量创造条件使α-、β-构造向γ-C₂S 的方向转化 ,以改善其耐水性。但是α-C₂S 和β-C₂S 只有从高温缓慢冷却至 675 ℃以下时 ,才能实现向γ-C₂S的转变。在实际成纤过程中 ,熔体不是缓冷而是被急骤冷却 ,其粘度随温度的急降而迅速增大 ,这时离子运动受阻 ,不可能继续有规则地排列 ,抑制了晶体的生长 ,硅与氧离子便连接成连续、不规则的网架 ,在低温下保留了β-C₂S 变体的形态 ,形成较多量的玻璃态β-C₂S ,这意味着它将在水溶液的作用下 ,形成更多的水化硅酸盐和水化铝酸盐 ,使矿渣棉纤维在潮湿环境中的稳定性下降。
岩棉中很少存在 2CaO·SiO₂,所以它的耐水性比矿渣棉高得多。从表 2 中还可看到岩棉与矿渣棉的 pH 值差别较大 ,岩棉的一般小于 4 ,属耐水性特别稳定的矿物纤维;矿渣棉的一般大于 5 ,甚至超过6 ,其耐水性只能是中等稳定或不稳定的。由于两者间存在这一差别 ,矿渣棉不宜在潮湿环境中使用 ,特别在保冷工程中应慎用。在保冷工程中 ,热流方向是从外部向内部流动的 ,与保温工程热流方向相反 ,外界的潮气将随热流一起渗入保冷材料内部 ,并随温度降低而结露凝结成水 ,如果在此处使用矿渣棉 ,其纤维会逐渐水化而被破坏 ,降低了保冷层的使用寿命 ,而使用岩棉就不存在这一弊端。
 
表 3 　岩棉与矿渣棉主要矿物的性质
矿物名称    分子式          化学成份/ %    密度    熔点或    水化                  
                          CaO  SiO₂  Al₂O₃   g/ cm³   转化温度   反应
假硅灰石 α-CaO·SiO₂     48.2  51.8  —           熔点1540℃  无
硅灰石   β-CaO·SiO₂     48.2  51.8  —    2.915 转化点1200℃  无
铝方柱石2CaO·Al₂O₃·SiO₂ 40.8  22.0  37.2   3.04   熔点1590℃  无
钙长石  CaO·Al₂O₂·2SiO₂  20.1  43.3  36.6   2.765  熔点1550℃  无
硅酸二钙α-2CaO·SiO₂     65.0  35.0   —    3.27   熔点2130℃  有
硅酸二钙β-2CaO·SiO₂     65.0  35.0   —    3.28  转化点1410～1420℃有
硅酸二钙γ-2CaO·SiO₂     65.0  35.0   —   2.970   转化点 675℃ 无
 
2.2 　岩棉与矿渣棉耐热度的差别 　
    如前所述 ,在矿渣棉生产过程中 ,因熔体被急冷而使其中的硅酸二钙以β-构造的形态保留在纤维之中 ,并处于不稳定状态之中。这样 ,矿渣棉用于