岩棉和矿棉的区别
岩棉与矿渣棉的区别
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) 。
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。
图1 CaO Al2O3 SiO2 三元相图中岩棉与矿渣棉落点位置图
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2铝方柱石2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。
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,矿渣棉用于保温工程之后,当其工作温度超过675 ℃又逐渐冷却下来时,因矿渣棉保温性能较好,在工作状态下冷却过程缓慢,促使β-2CaO·SiO 向γ-2CaO·SiO2 转化,此时其密度由3.28 降至2.97 ,体积膨胀了10 %左右,使矿渣棉产生粉化而解体。因此,矿渣棉的使用温度,不宜超过β-构造向γ-构造转化的温度(675 ℃) 。而岩棉没有这一转化,使用温度可高达800 ℃以上,尽管岩棉主要矿物组成CS-C2AS-CAS2 的共融点为1265 ℃,其软化温度仍高达900～1000 ℃。
2.3 岩棉与矿渣棉耐腐蚀性的差别
高炉在冶炼中主要作用之一是脱除生铁中的大部分硫,防止生铁在使用过程中产生热脆现象。这些脱除的硫,以硫化钙(CaS)的形态留在高炉渣之中。在生产矿渣棉时,这部分CaS 又随之进入矿渣棉中,其含量在5 %左右。当矿渣棉在湿度大的环境中使用时,其中的CaS 遇水会分解为Ca(OH) 2 和H2S: CaS + 2H2O= Ca(OH) 2 + H2S。这两种反应产物对矿渣棉的使用均产生不良影响: ①Ca(OH) 2 使水呈碱性,矿渣棉中的β-2CaO·SiO2 在碱性水溶液的激发之下,更促使其水化反应的进行,使矿渣棉耐水性进一步降低; ②H2S气体可溶解于水生成氢硫酸,在与金属接触时将起腐蚀作用。
岩棉一般以玄武岩或辉绿岩为原料,除在熔炼时由焦炭带入微量硫外,不存在更多的硫来源,因而其对金属无腐蚀作用。事实上,无论是岩棉或矿渣棉,在其使用过程中不可避免地会与金属接触以及存在水气,因此,在选材时这两种材料在耐腐蚀方面的差异不容忽视。
3 结语
岩棉与矿渣棉虽然存在很多相同之处,但也存在一些明显的不同之处,因此不能完全混为一谈。在选用矿物棉作为隔热材料时,务必根据隔热工程的具体情况,结合岩棉和矿渣棉各自的特点加以正确的选择,特别对于两者在耐水性、耐热性和耐腐蚀性这三方面的特定条件下的使用,更应予以重视。