楊 柳

(中鋼集團(tuán)洛陽(yáng)耐火材料研究院有限公司,洛陽(yáng)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(shì)的綠色發(fā)展理念中顯得越來(lái)越重要。綠色耐火材料技術(shù)水平對(duì)于我國(guó)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(guó)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(guó)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(guò)程中對(duì)人的健康產(chǎn)生威脅等等。

目前對(duì)于綠色耐火材料,中國(guó)耐火材料協(xié)會(huì)將其概念定位為:品種質(zhì)量?jī)?yōu)良化、資源消耗集約化、生產(chǎn)過(guò)程少污染以及使用過(guò)程無(wú)害化。該文對(duì)我國(guó)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的挑戰(zhàn),需要在經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益方面有較大提高,必須從耐火材料的類(lèi)型、體系方面進(jìn)行完善和實(shí)踐。通過(guò)完善體系類(lèi)型,能夠在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(guó)家相關(guān)政策部署方案,尤其對(duì)于特殊行業(yè)的耐火防火要求來(lái)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(guò)程中的重要應(yīng)用和代表性研究成果。這類(lèi)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(guò)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(chēng)為散狀耐火材料(無(wú)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(lái)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(lèi)產(chǎn)業(yè)。例如,高鋁礬土類(lèi)原料近年來(lái)價(jià)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(wú)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(duì)于我國(guó)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(wèn)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(lái)的發(fā)展方向,由于發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始限制生成硅磚、鎂鉻磚、耐火陶瓷纖維等對(duì)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(mén)課題。該文認(rèn)為生產(chǎn)這類(lèi)型耐火材料應(yīng)該從生產(chǎn)材料的無(wú)害化、原材料的無(wú)害化、使用過(guò)程無(wú)害化和材料無(wú)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

不定形耐火材料相較于定型燒制的耐火材料相比其工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短、制備綜合成本低廉,同時(shí)在機(jī)械化施工過(guò)程中效率高。若局部存在破壞,在修補(bǔ)過(guò)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(lèi)型耐火材料在全球均有大力推廣和發(fā)展,在整個(gè)耐火材料中所在的比重越來(lái)越大。

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始,耐火材料總產(chǎn)品有所降低,但是不定形耐火材料的產(chǎn)量反而升高。日本作為不定形耐火材料的發(fā)明國(guó)家,其在不定形耐火材料產(chǎn)品的占比高達(dá)65%,歐美國(guó)家例如美英法等同樣產(chǎn)量占比超過(guò)50%,而我國(guó)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(guó)耐火材料協(xié)會(huì)在2017-2019年的統(tǒng)計(jì)成果)[4,5],說(shuō)明我國(guó)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(guò)程中無(wú)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制成本的標(biāo)準(zhǔn)煤耗300 kg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(gè)百分點(diǎn),那么可以減少的煤耗和能源節(jié)能效果見(jiàn)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特點(diǎn),主要體現(xiàn)在:

1)省去現(xiàn)場(chǎng)澆注施工工藝,模板簡(jiǎn)單,只需要瓶裝即可完成,對(duì)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(guò)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(hù)節(jié)省寶貴的時(shí)間,另外還提高了設(shè)備周轉(zhuǎn)率。

3)施工過(guò)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(shí)節(jié)施工受到影響,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(zhǎng)時(shí)間烘烤,投入時(shí)間較短,對(duì)烘烤環(huán)境要求較低,可以滿(mǎn)足大部分用戶(hù)的要求。

2.2 用戶(hù)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(huì)受到場(chǎng)地環(huán)境的影響,澆注過(guò)程中原料雜質(zhì)、環(huán)境溫度、粘合劑種類(lèi)均是較為敏感的因素,會(huì)給用戶(hù)帶來(lái)各種不便,因此不定形耐火材料在研發(fā)過(guò)程中必須重視用戶(hù)友好性能。

2.3 材料高性能化

耐火材料的發(fā)展水平各國(guó)參差不齊,目前我國(guó)雖然總量占優(yōu)勢(shì),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(lèi)型碳化氮化改性的耐火材料已經(jīng)得到一定實(shí)踐應(yīng)用。當(dāng)碳化硅澆注料在1 420 ℃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1 300 ℃下材料的抗折強(qiáng)度依然超過(guò)50 MPa。

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(huì)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(xiàn)修補(bǔ)等設(shè)備將會(huì)越來(lái)越普及。例如美國(guó)的Resco公司從如下幾個(gè)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?；旌蠞沧⒘线^(guò)程中,粉塵一方面惡化工作環(huán)境,對(duì)施工人員健康造成影響,同時(shí)粉塵會(huì)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(duì)性能間接傷害。

2)材料的流動(dòng)性。澆注料的混合時(shí)間是澆注料的重要工序,提高材料的流動(dòng)性和混合型可以加快施工進(jìn)度,主要通過(guò)減少物料的潤(rùn)濕時(shí)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(shí)間,去除不必要的養(yǎng)護(hù)才能實(shí)現(xiàn)快速烘烤和免烘烤程序,降低作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)于養(yǎng)護(hù)材料的環(huán)境要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)將對(duì)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(jià)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。該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(zhēng)在推廣應(yīng)用上取得實(shí)質(zhì)性成果。