綠色耐火材料的理念與實(shí)踐

楊 柳

（中鋼集團(tuán)洛陽耐火材料研究院有限公司， 河南 洛陽 471000）

綠色耐火材料作為工業(yè)高溫生產(chǎn)中的重要基礎(chǔ)原料，在目前全球經(jīng)濟(jì)形勢的綠色發(fā)展理念中顯得越來越重要。綠色耐火材料技術(shù)水平對于我國當(dāng)前和今后的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重大意義。目前，我國的耐火材料產(chǎn)品雖然在數(shù)量和質(zhì)量上位于世界首位，但是材料的綠色度缺低于世界平均水平[1]。主要表現(xiàn)在煉鋼耐火材料的平均消耗是國際先進(jìn)水平的兩倍以上，耐火材料的壽命和性能穩(wěn)定性欠佳，產(chǎn)品技術(shù)附加值不高；容易產(chǎn)生環(huán)保和環(huán)境公害，使用過程中對人的健康產(chǎn)生威脅等等。

目前對于綠色耐火材料，中國耐火材料協(xié)會將其概念定位為：品種質(zhì)量優(yōu)良化，資源消耗集約化、生產(chǎn)過程少污染以及使用過程無害化。本文對于我國的耐火材料的若干理論以及目前新的實(shí)踐方向進(jìn)行了探討，為大力發(fā)展節(jié)能型和環(huán)境保護(hù)型的耐火材料提供一定參考。

1 綠色耐火材料的發(fā)展理念

綠色耐火材料至今遇到了較多了挑戰(zhàn)，需要在經(jīng)濟(jì)效益、社會效益方面有較高創(chuàng)造性，必須從耐火材料的類型、體系方面進(jìn)行完善和實(shí)踐。通過完善體系類型，能夠在市場競爭機(jī)制下迅速提升認(rèn)可度，獲得更大的拓展空間。另外，根據(jù)現(xiàn)有國家相關(guān)政策部署方案，尤其對于特殊行業(yè)的耐火防火要求來看，進(jìn)行體系完善將產(chǎn)生明確的指導(dǎo)和規(guī)范作用。

1.1 不定形耐火材料

不定形耐火材料是綠色耐火材料研發(fā)過程中的重要應(yīng)用和代表性研究成果。這類型耐火材料主要有耐火骨料、粉料、結(jié)合劑和外加劑以一定比例共同組成，不經(jīng)過成形和燒制而直接或加入適當(dāng)液體調(diào)配后使用的耐火材料，也稱為散狀耐火材料（無固定外形、可制成漿狀，泥膏狀、松散狀和整體耐火材料）。根據(jù)耐火骨料的不同可以分為：粘土質(zhì)澆注料、高鋁質(zhì)澆注料、剛玉質(zhì)澆注料、莫來石質(zhì)澆注料和碳化硅質(zhì)澆注料[2,3]。

1.2 資源節(jié)約型耐火材料

耐火材料一直屬于高資源消耗類產(chǎn)業(yè)。例如，高鋁礬土類原料近年來價格高漲，資源供應(yīng)緊張，并且天然原材料在煅燒和電熔工藝中需要消耗大量熱量，無形中加大了耐火材料企業(yè)的成本壓力。因此發(fā)展資源節(jié)約型耐火材料對于我國的節(jié)能政策十分重要。目前的資源節(jié)約型耐火材料制備方面，存在易粉化、擠壓變形、強(qiáng)度低和整體性不好的問題，亟待改進(jìn)。

資源節(jié)約型耐火材料可以從微孔輕質(zhì)原材料合成、高性能輕質(zhì)澆注料、不燒磚和生成工序節(jié)能四方面入手加以改進(jìn)。

1.3 生態(tài)友好型耐火材料

生態(tài)友好型耐火材料是最新的綠色耐火材料理念和未來的發(fā)展方向，由于國外發(fā)達(dá)國家開始限制生成硅磚、鎂鉻磚、耐火陶瓷纖維等對人身健康有害的產(chǎn)品生產(chǎn)，如何制造這些產(chǎn)品的替代品，成為新的熱門課題。本文認(rèn)為生產(chǎn)這類型耐火材料應(yīng)該從生產(chǎn)材料的無害化、原材料的無害化、使用過程無害化和材料無鉻化四方面入手進(jìn)行實(shí)踐研究。

2 不定形耐火材料實(shí)踐

不定性耐火材料相較于定型燒制的耐火材料相比其工藝簡單、生產(chǎn)周期小、制備綜合成本低廉，同時在機(jī)械化施工過程中效率高。弱局部存在破壞，在修補(bǔ)過程中依然可以減少材料消耗，適用于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和襯砌形式，便于施工。目前這類型耐火材料在全球均有大力推廣和發(fā)展，在整個耐火材料中所在的比重越來越大。

從上個世紀(jì)八十年代開始，耐火材料總產(chǎn)品有所降低，但是不定性耐火材料的產(chǎn)量反而升高。日本作為不定性耐火材料的發(fā)明國家，其在不定性耐火材料產(chǎn)品的占比高達(dá)65%，歐美國家例如美英法等同樣產(chǎn)量占比超過50%，而我國目前的不定形耐火材料產(chǎn)品占比僅達(dá)到36%（根據(jù)中國耐火材料協(xié)會在2017-2019 年的統(tǒng)計(jì)成果）[4,5]，說明我國的耐火材料應(yīng)用和研發(fā)空間依然較大。不定形耐火材料由于交貨過程中無需燒制，能夠以較低溫度處理，符合低碳環(huán)保的生產(chǎn)理念，如果按照每噸耐火材料燒紙成本的標(biāo)準(zhǔn)煤耗300kg 計(jì)算，不定形耐火材料如果根據(jù)目前的占比提高5-15 個百分點(diǎn)，那么可以減少的煤耗和能源節(jié)能效果見表1。

表1 不定形耐火材料產(chǎn)量提高后的節(jié)能效果統(tǒng)計(jì)表

2.1 預(yù)制件

預(yù)制件進(jìn)行耐火材料制作顯著的有點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：

（1）省去現(xiàn)場澆注施工工藝，模板簡單，只需要瓶裝即可完成，對襯砌結(jié)構(gòu)復(fù)雜模型依然可以完成，省去各種大型施工器械。

（2）交貨過程中可以進(jìn)行澆注、養(yǎng)護(hù)和干燥等步驟，提高了施工效率，為用戶節(jié)省寶貴的時間，另外還提高了設(shè)備周轉(zhuǎn)率。

（3）施工過程基本上受外部環(huán)境尤其是氣溫影響較小，但是北方寒冷地區(qū)隆冬時節(jié)施工收到影響，需要采取保溫措施。

（4）預(yù)制件澆注可以形成各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和難易制作的異型構(gòu)件，例如高爐鐵溝上的憋渣器、電爐頂?shù)取?/p>

（5）預(yù)制件不需要長時間烘烤，投入時間較短，對烘烤環(huán)境要求較低，可以滿足大部分用戶的要求。

2.2 用戶友好化

由于不定形耐火材料需要進(jìn)行澆注，該材料的凝結(jié)和養(yǎng)護(hù)、硬化等特征會受到場地環(huán)境的影響，當(dāng)澆注過程中原料雜質(zhì)、環(huán)境溫度、粘合劑種類均是較為敏感的因素，會給用戶帶來各種不便，因此不定形耐火材料在研發(fā)過程中必須重視用戶友好性能。

2.3 材料高性能化

耐火材料的的發(fā)展水平各國參差不齊，目前我國雖然總量占優(yōu)勢，但是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)欠佳、產(chǎn)品穩(wěn)定性一般，高性能、功能和環(huán)境友好的高端產(chǎn)品偏少。如何研發(fā)高性能產(chǎn)品的不定形耐火材料是關(guān)鍵。目前，河南科技大學(xué)在澆注料預(yù)制件的高溫耐火材料上進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果較為理想[1]，這類型碳化氮化改性的耐火材料以及得到一定實(shí)踐應(yīng)用。當(dāng)碳化硅澆注料在1420℃的高溫氮化處理后，材料結(jié)構(gòu)整體性加強(qiáng)，基質(zhì)部分發(fā)生了明顯的原位反應(yīng)（圖1），其冷、熱態(tài)強(qiáng)度大大提高，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，其在1300℃下材料的抗折強(qiáng)度依然超過50MPa。

圖1 碳化材料經(jīng)1420℃氮化后的材料微觀結(jié)構(gòu)

2.4 生產(chǎn)高效化

不定形耐火材料其性能的高低較大程度上在于其施工和烘烤質(zhì)量，若施工手段在安全高效和設(shè)備上面跟不上，會造成不定形耐火材料的應(yīng)用受限。高效化、智能化的施工手段，能夠快速養(yǎng)護(hù)、烘烤、免烘烤等，利用智能機(jī)器進(jìn)行噴涂、施工和在線修補(bǔ)等設(shè)備將會越來越普及。例如美國的Resco 公司從如下幾個方面研究了如何提高耐火材料澆注料的施工效率[6]：

（1）粉塵抑制。混合澆注料過程中，粉塵一方面惡化工作環(huán)境，對施工人員健康造成影響，同時粉塵會延誤施工工期，還可以造成澆注料的部分重要成分的流失，對性能間接傷害。

（2）材料的流動性。澆注料的混合時間是澆注料的重要工序，提高材料的流動性和混合型可以加工施工進(jìn)度，主要通過減少物料的潤濕時間和添加劑的配合使用實(shí)現(xiàn)。

（3）養(yǎng)護(hù)和烘烤。減少養(yǎng)護(hù)時間，去除不必要的養(yǎng)護(hù)才能使，實(shí)現(xiàn)快速烘烤和免烘烤程序，降低作業(yè)現(xiàn)場對于養(yǎng)護(hù)材料的環(huán)境要求。

3 結(jié)論

我國將對綠色耐火材料的生產(chǎn)、制備和使用提出更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求，從整體上提高耐火材料的綠色經(jīng)濟(jì)價值。因此，應(yīng)繼續(xù)不斷豐富耐火材料的綠色內(nèi)涵，從多角度提高其可靠性，安全性和可行性。本文就綠色耐火材料的發(fā)展理念進(jìn)行了初步探索，并就不定形耐火材料的實(shí)踐進(jìn)行了詳細(xì)分析。期望今后的工作加大產(chǎn)業(yè)可研力度，在綠色耐火材料上實(shí)現(xiàn)新的突破，力爭在推廣應(yīng)用上取得實(shí)質(zhì)性成果。