国产工艺破解微珠生产密码

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◎本报记者 赵向南

　　高性能空心玻璃微珠（以下简称“微珠”）是一种性能奇异的材料。3800万颗微珠的重量加起来仅1克，最小粒径为头发丝的1/30。与其“体重”形成鲜明对比的是，微珠的抗压强度极高，最大抗压超过180兆帕。用它制成的材料，被广泛用于航天、海洋、油田、电子、建筑等领域。

　　历经10多年研发试验，山西海诺科技股份有限公司（以下简称“山西海诺”）成功研发出微珠工业化制备工艺和设备，打破了国外垄断，实现了微珠的国产化。其研发的“一种空心玻璃微珠的制备方法”发明专利荣获第二十五届中国专利奖优秀奖。近日，科技日报记者走进位于山西省晋城市高平马村工业园区的山西海诺，一探微珠的生产密码。

　　打破微珠生产工艺垄断

　　在山西海诺展厅里，记者通过电子显微镜目睹了微珠的真容：被放大数百倍后的微珠，如同小玻璃珠一般，外壁薄，内部中空。

　　“微珠中空部分填充的是惰性气体。”山西海诺董事会秘书赵慧龙介绍，由于具有独特的中空球形结构，微珠不仅密度低、导热系数低、抗压强度高、耐高温、稳定性好，还具备绝缘、自润滑、隔音、耐火、耐腐蚀、防辐射、无毒以及表面易改性等特殊性能。

　　“我首次接触微珠，就被它的奇异性能和广泛用途震惊了。”山西海诺董事长申鹏展回忆道。微珠是微米级的非金属轻质无机材料，既可单独使用，也可作为轻质填料制备复合材料，用途广泛。

　　但此前，微珠生产技术一直被美国垄断。

　　“国内应用的微珠几乎全靠高价进口。”申鹏展说，我国科研人员对微珠的研究取得了一定成果，但生产仅停留在实验室或小规模阶段，未实现工业化批量生产，产量无法满足需求。

　　为此，2008年起，申鹏展出资邀请中国科学院相关研究所、中北大学等高校院所的专家参与，组织科研团队开展微珠产业化试验，研发微珠工业化生产工艺和设备。

　　建立万吨级智能生产线

　　当时，微珠生产工艺包括固相玻璃粉末法、液相雾化法、软化学制备法。但赵慧龙坦言，因种种原因，这些工艺他们无法使用。要真正实现微珠战略新材料的国产化，他们必须研发出一种适合国内工业化大批量生产的工艺。

　　调整原料比例、增加磨浆细腻度、加大均质化压力、优化烧结温度……经过百十次试验，成功仍遥不可及。申鹏展感慨道：“微珠生产理论看似简单，背后却藏着无数待解的技术密码。原料比例稍有偏差，成品就可能面目全非。烧结温度高几摄氏度，空心结构就可能坍塌。就连均质化时的压力波动，都可能导致微珠粘黏。从论文到工厂生产线，确实难如西天取经。”

　　2010年起，申鹏展和科研团队干脆吃住在实验室，一起寻找问题症结，紧盯每一道工序。经过反复配比、调整数值、不断实验……他们探明了微珠工业化生产的原料配方、研磨细度、均质化程度、喷雾造粒粒径控制、烧结火焰温度等关键数据，迈出了微珠工业化制备的重要一步。

　　从小试到中试，经过5公斤、50公斤、100公斤、500公斤的递进式试验和上万次实验，2012年，山西海诺科研团队终于研发出能耗低、成球率高的微珠生产工艺。次年，该工艺申请并获得了发明专利。赵慧龙说，这个工艺配方可调配、生产成本低、简单易控制、产品质量稳定，更适合大规模工业化生产。

　　在山西省多部门支持下，2015年，山西海诺建成国内首条拥有高性能空心玻璃微珠制备技术自主知识产权的工业化生产线，实现了微珠从实验室到规模化生产的跨越。生产线能够量产低、中、高全密度系列微珠产品。2021年，山西海诺又建成国内唯一万吨级微珠智能生产线。

　　申鹏展说：“经权威部门检验，我们生产的多数型号产品抗压强度、粒径分布等核心指标处于国际领先水平，但成本仅为进口产品的1/3。”山西海诺的“微球代木复材制备”项目已列入山西省级专利转化推广项目，并通过了“专利密集型产品”认证。

　　同步攻关研制配套装备

　　山西海诺科研团队不仅试验微珠生产工艺，还同步研制生产设备。申鹏展介绍，微珠生产线上有几十台大大小小的设备，这些设备都是他们自主研制的。在研制过程中，没有成熟设备可供参考，每台设备团队都要自己摸索和研发。

　　无论是微珠量产的一次次跨越，还是生产工艺的一次次修改完善，都不断对设备提出了新要求。团队必须对一台台设备进行更新优化，有时还得“推倒重来”。赵慧龙说：“每提升一个产能量级，原有的设备就难以适配，必须重新设计、重新研制，没有任何捷径可走。”他举例说，微珠要在600—1000摄氏度不同温度曲线的高温火焰中过火强化，这对燃烧炉的性能要求很高。“我们设计图纸，指导南方几家企业加工，历经好几年才制造出既能调节火焰温度，又保证过火均匀，还能自动控制风力、便于顶部收集微珠的炉子。”赵慧龙说，这个炉子目前已获得我国实用新型专利授权。

　　从微珠生产中必需的除尘设备、搅拌式反应釜，到核心的空心玻璃微珠成球炉、分级设备，再到收集装置、烘干装置、表面处理装置，乃至最后的包装机……山西海诺在微珠工业化生产的全流程实现了设备的自主可控。申鹏展说，研制的这些设备让他们获得了11项实用新型专利授权。

　　目前，山西海诺微珠产能达1.5万吨。它已成为国内微珠生产规模最大的企业、国家级专精特新“小巨人”企业。其产品应用于油田固井、改性塑料、胶黏剂、涂料、橡胶、代木、PCB等领域。仅中国海洋石油集团就累计使用1.5万多吨，节省石油开采成本约6亿元。