第十五屆全國不定形耐火材料學術會議在柳州成功召開
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隨著高溫工業及耐火材料的發展,耐火原料需滿足以下這些要求

2019年08月15日 09:11 耐火材料網 yll/文

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    高溫工業的持續快速發展及豐富的耐火原料資源,支撐了我國耐火材料工業多年來的黃金發展期,同時也促進了耐火原料工業自身的發展,表現在產量不斷增加、品種不斷豐富、性能不斷提升、質量不斷改進等方面。耐火原料堪稱耐火制品的脊梁,與耐火制品相互依賴,互為促進,前者保證了后者特性的實現,后者為前者提供了廣闊的應用空間。

    耐火原料適應性的多元體現

    目前,耐火材料的應用呈現特性化、功能化、多元化、精細化、高效化和低耗化的特點,耐火原料的發展必須與之相適應。現階段,受經濟下行、需求不振、資源和環保約束力增大等因素的影響,高溫工業及耐火材料行業進入提質增效的發展新階段,對耐火原料的適應性也提出了超越傳統的新要求。現階段,用戶工業的新需求、資源和環保約束力增強,以及耐火材料應用的特性化、綜合化、綠色化、低耗化等發展方向,是導致耐火原料適應性呈多元化的主要因素。

    用戶工業的新要求

    高溫工業新技術、新工藝、新流程對耐火材料的性能和功能提出了新的要求。為此,耐火制品必須有性能和功能的提升或突破。相應地,耐火原料也必須有新特性、新品種方能滿足新需求。

    滿足潔凈鋼冶煉的需要

    滿足潔凈鋼冶煉的需要。隨著鋼鐵行業調整品種結構及特種鋼的發展,潔凈鋼冶煉技術被普遍采用,對煉鐵、煉鋼用相關輔料和耐火材料減少,以及避免污染鐵水、鋼水方面都提出了新的要求。人們在研究和實踐中發現,鋁硅系耐火材料對鋼水會有所污染,鎂質材料不污染,而含有游離氧化鈣的材料則非但不污染,還具有潔凈鋼水的作用。氧化鈣含量越高,其效果越明顯。為此,有良好抗水化性的燒結和電熔的含游離氧化鈣的鎂鈣原料受到青睞。

    為了減少含碳耐火材料對鋼水的增碳污染,需要降低碳復合耐火材料的碳含量。為了消除降碳對其抗熱震、抗侵蝕等性能的副作用,需要引入彌散化碳源,促進了適合耐火材料用各種納米碳源如炭黑、納米碳管、石墨烯的研發和生產。

    滿足“綠色化”生產的要求

    除潔凈鋼的要求外,其他高溫流程中有的也要求耐火材料不污染其所承載的介質。比如,鑒于Cr6+對人、畜有致癌作用,含鉻耐火材料已被環保部列入限制使用的產品,用低鉻和無鉻新材料取代含鉻材料勢在必行。近年來,我國在開發應用鐵鋁尖晶石替代鎂鉻磚的同時,鎂鋁鐵復合尖晶石的新型原料也被合成出來并在水泥回轉窯上得到成功應用。

    為了減少傳統硅酸鋁耐火纖維在生產、加工、使用安裝、用后處理等過程對環境及人體的危害,具有生物可降解的環保型鈣鎂硅系耐火纖維已被開發使用,漸呈流行態勢。

    滿足高溫工業節能減排的要求

    溫室效應及霧霾天氣增多,社會對高溫工業實現節能減排的呼聲不斷高漲。作為工業爐的襯體材料,采用具有更好節能效果的節能型耐火材料勢在必行。近幾年開發和應用的有利于節能的新原料有:具有微孔結構的輕質莫來石質原料、莫來石質中空球,輕量化微孔燒結氧化鋁,CA6-MA復相輕質骨料,橄欖石輕質料,尖晶石輕質料,納米孔二氧化硅粉體及其聚合體,等等。如采用微孔輕質莫來石質骨料和莫來石質中空球骨料開發的體積密度1.8g/cm3左右的高性能輕質澆注料,就可以取代體積密度2.5g/cm3左右的同用途重質澆注料,用于鎂還原爐工作襯、軋鋼用環形加熱爐工作襯及軋鋼加熱爐水梁立柱水冷管包扎料,并取得了滿意的使用效果,減輕了襯體重量,節能效果明顯。

    發展經濟型耐火材料的要求

    目前,與耐火原料產業鏈相關的耐火材料行業、高溫工業處于低迷期,低價中標成為一些企業的方向標。同時,有的高品位天然礦物原料,如高鋁礬土逐漸枯竭、礦石品位下降且品質波動增大,靠高檔原料提高性能、廉價原料降低成本的技術配置路線逐漸走到盡頭。現狀促使我們必須調整研發方向、技術思路和工藝路線,摒棄傳統的設計思路,緊扣低耗、高效、綠色的時代脈搏,提高資源利用率和優化配置水平,提高產品性價比。受此取向的引導,廉價型、經濟型耐火原料和制品會迎來更多需求。

    低消耗是經濟型耐火材料的主要發展方向。原料實現低消耗的主要方向中擴大天然生料、輕燒料、再生料的采用和使用范圍。為保證耐火材料的高溫體積穩定性,天然原料多須在較高溫度下燒結或電熔,使其達到瘠性化,盡可能趨于熱力學平衡態。這會導致能耗高,也會造成一定程度的能力富余,某種意義上造成隱形資源和能源浪費??煽⒑陀τ帽卻成戰崳露扔興檔偷姆瞧膠馓?,甚至可直接加入一定量的天然生料,在一定程度上降低耐材的能耗。

    研究發現,處于非平衡態的原料在使用過程中繼續發生有益的原位反應,會帶來某些有益的作用。河科大高溫材料研究院和耕生公司的研究結果表明,添加一定量天然生料的澆注料有良好的效果,生料受熱后分解逸出的氣體形成通道,有助于提高抗爆裂性能。在鋁硅澆注料中加入生煤矸石或輕燒煤矸石,受熱后生成原位莫來石,可提高其熱態抗折強度、荷重軟化溫度,改善抗熱震性,同時也有助于實現重質材料的輕量化。

    在經過了資源豐富、任意開采、采富棄貧的富裕時期,從業者越來越感受到資源?;嗟奶粽?。當高品位礦漸趨枯竭,低品位礦日益成為主要原料來源的現狀,人們須重新考量原料和制品指標的科學性、合理性和適應性,優化原料配置,使其更具優良的和有競爭力的性價比。應考慮適當降低某些非熔體沖刷、侵蝕部位所用高鋁質耐材的A12O3含量和體積密度,放寬對某些中低溫部位所用鋁硅質耐材雜質含量的要求。

    近幾年用后耐火材料的再生利用以及廢棄耐火材料的利用率穩步增長,再生利用技術水平逐漸提高,再生加工產業慢慢興起,專業化,規?;?,系統化,標準化逐步走向成熟,為耐火材料行業提供了一定量價廉物美、高性價比的再生料,,提高了耐火材料資源高效利用、循環利用的水平和層次。這在一定程度上緩解了耐火原料資源緊張的局面,促進耐火材料工業向低消耗、減量化、經濟型方向發展。除了用后耐火材料的再生利用,應拓展其它工業廢棄物成為耐火材料資源化利用,如將鉻鐵、鈦鐵、鋼鐵廢渣、赤泥、煤矸石等廢棄物用于耐火材料的原料。

    多元化的趨勢

    受發展階段的限制,目前耐火原料以氧化鋁基、氧化鎂基、Al2O3-SiO2質、Al2O3-MgO質和石墨為主,原料呈現“粗(牌號劃分粗)、寬(指標范圍寬)、重(重質料多)、高(燒結或電熔溫度高)”的現象,多元化不夠、系列化欠缺、精細化不足、標準局限性等問題凸顯。因此應貫徹多元化與綜合化兼顧的發展方向。

    原料材質、形式和特性的多元化

    近幾年在發展堿性原料新品種、多元化方面有新進展。如通過在氧化鎂中添加其他成分,開發的鎂基新原料有鎂鐵尖晶石、鎂鋁鐵復合尖晶石、鎂鋁鈦復合尖晶石等,合成鎂橄欖石重質和輕質原料正在開展,稀土改性的MgO-CaO砂、電熔MgO-CaO砂已投放市場,方鎂石-尖晶石二相復合的燒結料和電熔料已投放市場……開發的含氧化鈣的新原料有六鋁酸鈣、鈣長石、鈦鋁酸鈣、CA6-MA復合原料等等。

    原料狀態的多元化

    耐火原料的內涵和外延都在擴展。除了傳統的氧化物、非氧化物原料,原料已從傳統的非金屬材料拓展到金屬材料,原料狀態由固態擴展到氣態。如在滑動水口、陶瓷杯產品配料中普遍將金屬Al、Si作為主原料使用,并在生產和使用過程中與周圍的N2、CO等氣態原料反應生成非氧化物,強化材料的高溫性能。隨著技術的發展,原料從剛性發展到柔性,從有形擴展到無形,不排除將來“隱形”的物質如磁場成為一種“特殊原料”的可能性。

    原料外形的有利化

    除了原料組分和特性變化形成的“新型”原料,還有原料外形變化形成的“新形”原料。如細粉尺寸從普通細度到微米乃至亞微米、納米級可大大提升原料的技術附加值,球形和近球形的粒料有助于改善不定形耐火材料的流變性能,短柱狀或管狀骨料有利于改善抗熱震性,等等。原料的內在和外形共同影響耐火制品的生產制造、施工、使用性能和最終壽命。由于原料在后期加工成顆粒時其形狀難以控制,近幾年近終形原料被人們提出并付諸努力。

    原料標準的豐富化

    細化原料牌號及標準。在資源豐富、富礦景大的時期,我們的原料品種劃分較粗放。如《YB/T5179-2005高鋁礬土熟料》中牌號劃分明顯比《GB/T2273-2007燒結鎂砂》牌號劃分粗;就同一牌號的礬土熟料,也可按體積密度形成系列化。原料標準尚有缺位。目前尚沒有象葉臘石、鎂橄欖石、再生原料、耐火材料用非石墨碳質原料等標準。隨著礦山開發管理水平的提高,加上礦藏的復雜性、多變性、獨特性,有必要細化有關原料品種,對原料標準的牌號進行系統化、適應性、個性化的補充修訂完善。

    特殊用途的要求

    除了通用的高溫行業和應用領域,還有一些特殊行業和應用領域,應工藝技術或加工過程的要求,對耐火材料的某一或某些性能提出了特別要求,或要求其具有獨特的新性能,需要我們采用新的有突破性的原料,才能使耐火材料具有特性,以滿足特殊用途。有時這種從市場到產品,再到原料的倒逼機制促成了新原料的誕生。如為了增強材料的抗沖刷性,開發了致密電熔剛玉。

    研究表明,鈣長石、六鋁酸鈣原料有較好的抗CO氣體和堿蒸汽的侵蝕性;引入表面具有蜂窩狀結構的焦炭,可提高炮泥的透氣性。為使耐火材料在高溫時有良好的隔熱性,減少對流傳熱,也促使人們開發出具有微孔結構的輕質原料等等。

    物盡其用和可持續發展的要求

     耐火材料分為酸性、堿性和中性,受歷史發展的延續性和資源分布的局限性,鋁硅質耐火材料產量占比一直偏高。鋁工業及耐火材料行業的快速發展造成耐火黏土、鋁礬土的消耗量巨大,資源儲量銳減引起礬土熟料價格高漲。長此下去,勢必影響鋁硅質耐火材料的生產應用。從提高資源利用率及耐火材料行業可持續發展的角度考慮,今后應多關注酸性、半酸性,堿性、半堿性耐火材料的品種和產量,將優勢研發、技術、資金、政策等要素集聚于利用相對豐富且廉價的硅石、菱鎂礦資源上,進行深加工,開發更多的品種,使其發揮更大的作用。同時還應適當平衡酸性、堿性和中性耐火材料產量的比例,平衡硅石、菱鎂礦和鋁礬土的消耗速度;在窯爐設計選材上多考慮酸性、堿性耐火材料,使其有更大的用武之地;提高原料供應對耐火材料發展的適應性和該行業今后發展的可持續性。

    若我們改變關注點降低標準,以無渣侵蝕及中低溫使用的標準來篩選耐火原料,將有更多的天然礦石或尾礦符合要求,也有更多的工業產品及其廢棄物可供選用。如河砂、海砂、沙漠砂、硅酸鹽水泥、衛生瓷及建筑瓷等建筑垃圾都可在一定條件下,一定程度上資源化為耐火原料。

    結 語

    當前,我國高溫工業及耐火材料行業正處于從擴產增量發展向提質增效發展轉變過程中,對耐火原料提出了新要求,倒逼耐火原料要提高其適應性,圍繞高溫工業及耐火材料行業的新需求,堅持可持續的發展方向,開發多品種優質原料。除了傳統原料的創新提升,今后值得關注和努力的方向還包括原料的系列化、多元化、綜合化,具有獨特性能的新型原料,廣義的綠色環保型原料。為此,應加強科技對原料發展的預見、引導和支撐作用,積極開發低耗、高效、綠色的新型優質原料,滿足耐火材料行業的新需求,促進耐火材料行業的健康可持續發展。

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