耐火原料适应性的多元体现    

 

目前，耐火材料的应用呈现特性化、功能化、多元化、精细化、高效化和低耗化的特点，耐火原料的发展必须与之相适应。现阶段，受经济下行、需求不振、资源和环保约束力增大等因素的影响，高温工业及耐火材料行业进入提质增效的发展新阶段，对耐火原料的适应性也提出了超越传统的新要求。现阶段，用户工业的新需求、资源和环保约束力增强，以及耐火材料应用的特性化、综合化、绿色化、低耗化等发展方向，是导致耐火原料适应性呈多元化的主要因素。 

 

 

高温工业新技术、新工艺、新流程对耐火材料的性能和功能提出了新的要求。为此，耐火制品必须有性能和功能的提升或突破。相应地，耐火原料也必须有新特性、新品种方能满足新需求。

 

 

满足洁净钢冶炼的需要。随着钢铁行业调整品种结构及特种钢的发展，洁净钢冶炼技术被普遍采用，对炼铁、炼钢用相关辅料和耐火材料减少，以及避免污染铁水、钢水方面都提出了新的要求。人们在研究和实践中发现，铝硅系耐火材料对钢水会有所污染，镁质材料不污染，而含有游离氧化钙的材料则非但不污染，还具有洁净钢水的作用。氧化钙含量越高，其效果越明显。为此，有良好抗水化性的烧结和电熔的含游离氧化钙的镁钙原料受到青睐。

 

为了减少含碳耐火材料对钢水的增碳污染，需要降低碳复合耐火材料的碳含量。为了消除降碳对其抗热震、抗侵蚀等性能的副作用，需要引入弥散化碳源，促进了适合耐火材料用各种纳米碳源如炭黑、纳米碳管、石墨烯的研发和生产。

 

 除洁净钢的要求外，其他高温流程中有的也要求耐火材料不污染其所承载的介质。比如，鉴于Cr6+对人、畜有致癌作用，含铬耐火材料已被环保部列入限制使用的产品，用低铬和无铬新材料取代含铬材料势在必行。近年来，我国在开发应用铁铝尖晶石替代镁铬砖的同时，镁铝铁复合尖晶石的新型原料也被合成出来并在水泥回转窑上得到成功应用。

 

为了减少传统硅酸铝耐火纤维在生产、加工、使用安装、用后处理等过程对环境及人体的危害，具有生物可降解的环保型钙镁硅系耐火纤维已被开发使用，渐呈流行态势。

 

 

温室效应及雾霾天气增多，社会对高温工业实现节能减排的呼声不断高涨。作为工业炉的衬体材料，采用具有更好节能效果的节能型耐火材料势在必行。近几年开发和应用的有利于节能的新原料有：具有微孔结构的轻质莫来石质原料、莫来石质中空球，轻量化微孔烧结氧化铝，CA6-MA复相轻质骨料，橄榄石轻质料，尖晶石轻质料，纳米孔二氧化硅粉体及其聚合体，等等。如采用微孔轻质莫来石质骨料和莫来石质中空球骨料开发的体积密度1.8g/cm3左右的高性能轻质浇注料，就可以取代体积密度2.5g/cm3左右的同用途重质浇注料，用于镁还原炉工作衬、轧钢用环形加热炉工作衬及轧钢加热炉水梁立柱水冷管包扎料，并取得了满意的使用效果，减轻了衬体重量，节能效果明显。

 

 

目前，与耐火原料产业链相关的耐火材料行业、高温工业处于低迷期，低价中标成为一些企业的方向标。同时，有的高品位天然矿物原料，如高铝矾土逐渐枯竭、矿石品位下降且品质波动增大，靠高档原料提高性能、廉价原料降低成本的技术配置路线逐渐走到尽头。现状促使我们必须调整研发方向、技术思路和工艺路线，摒弃传统的设计思路，紧扣低耗、高效、绿色的时代脉搏，提高资源利用率和优化配置水平，提高产品性价比。受此取向的引导，廉价型、经济型耐火原料和制品会迎来更多需求。

 

低消耗是经济型耐火材料的主要发展方向。原料实现低消耗的主要方向中扩大天然生料、轻烧料、再生料的采用和使用范围。为保证耐火材料的高温体积稳定性，天然原料多须在较高温度下烧结或电熔，使其达到瘠性化，尽可能趋于热力学平衡态。这会导致能耗高，也会造成一定程度的能力富余，某种意义上造成隐形资源和能源浪费。可开发和应用比传统烧结温度有所降低的非平衡态原料，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。

 

研究发现，处于非平衡态的原料在使用过程中继续发生有益的原位反应，会带来某些有益的作用。河科大高温材料研究院和耕生公司的研究结果表明，添加一定量天然生料的浇注料有良好的效果，生料受热后分解逸出的气体形成通道，有助于提高抗爆裂性能。在铝硅浇注料中加入生煤矸石或轻烧煤矸石，受热后生成原位莫来石，可提高其热态抗折强度、荷重软化温度，改善抗热震性，同时也有助于实现重质材料的轻量化。

 

在经过了资源丰富、任意开采、采富弃贫的富裕时期，从业者越来越感受到资源危机带赤的挑战。当高品位矿渐趋枯竭，低品位矿日益成为主要原料来源的现状，人们须重新考量原料和制品指标的科学性、合理性和适应性，优化原料配置，使其更具优良的和有竞争力的性价比。应考虑适当降低某些非熔体冲刷、侵蚀部位所用高铝质耐材的A12O3含量和体积密度，放宽对某些中低温部位所用铝硅质耐材杂质含量的要求。

 

近几年用后耐火材料的再生利用以及废弃耐火材料的利用率稳步增长，再生利用技术水平逐渐提高，再生加工产业慢慢兴起，专业化，规模化，系统化，标准化逐步走向成熟，为耐火材料行业提供了一定量价廉物美、高性价比的再生料，，提高了耐火材料资源高效利用、循环利用的水平和层次。这在一定程度上缓解了耐火原料资源紧张的局面，促进耐火材料工业向低消耗、减量化、经济型方向发展。除了用后耐火材料的再生利用，应拓展其它工业废弃物成为耐火材料资源化利用，如将铬铁、钛铁、钢铁废渣、赤泥、煤矸石等废弃物用于耐火材料的原料。

 

 

受发展阶段的限制，目前耐火原料以氧化铝基、氧化镁基、Al2O3-SiO2质、Al2O3-MgO质和石墨为主，原料呈现“粗(牌号划分粗)、宽(指标范围宽)、重(重质料多)、高(烧结或电熔温度高)”的现象，多元化不够、系列化欠缺、精细化不足、标准局限性等问题凸显。因此应贯彻多元化与综合化兼顾的发展方向。

 

 

近几年在发展碱性原料新品种、多元化方面有新进展。如通过在氧化镁中添加其他成分，开发的镁基新原料有镁铁尖晶石、镁铝铁复合尖晶石、镁铝钛复合尖晶石等，合成镁橄榄石重质和轻质原料正在开展，稀土改性的MgO-CaO砂、电熔MgO-CaO砂已投放市场，方镁石-尖晶石二相复合的烧结料和电熔料已投放市场……开发的含氧化钙的新原料有六铝酸钙、钙长石、钛铝酸钙、CA6-MA复合原料等等。

  

 

 耐火原料的内涵和外延都在扩展。除了传统的氧化物、非氧化物原料，原料已从传统的非金属材料拓展到金属材料，原料状态由固态扩展到气态。如在滑动水口、陶瓷杯产品配料中普遍将金属Al、Si作为主原料使用，并在生产和使用过程中与周围的N2、CO等气态原料反应生成非氧化物，强化材料的高温性能。随着技术的发展，原料从刚性发展到柔性，从有形扩展到无形，不排除将来“隐形”的物质如磁场成为一种“特殊原料”的可能性。

 

 

除了原料组分和特性变化形成的“新型”原料，还有原料外形变化形成的“新形”原料。如细粉尺寸从普通细度到微米乃至亚微米、纳米级可大大提升原料的技术附加值，球形和近球形的粒料有助于改善不定形耐火材料的流变性能，短柱状或管状骨料有利于改善抗热震性，等等。原料的内在和外形共同影响耐火制品的生产制造、施工、使用性能和最终寿命。由于原料在后期加工成颗粒时其形状难以控制，近几年近终形原料被人们提出并付诸努力。  

 

 

细化原料牌号及标准。在资源丰富、富矿景大的时期，我们的原料品种划分较粗放。如《YB/T5179-2005高铝矾土熟料》中牌号划分明显比《GB/T2273-2007烧结镁砂》牌号划分粗;就同一牌号的矾土熟料，也可按体积密度形成系列化。原料标准尚有缺位。目前尚没有象叶腊石、镁橄榄石、再生原料、耐火材料用非石墨碳质原料等标准。随着矿山开发管理水平的提高，加上矿藏的复杂性、多变性、独特性，有必要细化有关原料品种，对原料标准的牌号进行系统化、适应性、个性化的补充修订完善。

 

 

除了通用的高温行业和应用领域，还有一些特殊行业和应用领域，应工艺技术或加工过程的要求，对耐火材料的某一或某些性能提出了特别要求，或要求其具有独特的新性能，需要我们采用新的有突破性的原料，才能使耐火材料具有特性，以满足特殊用途。有时这种从市场到产品，再到原料的倒逼机制促成了新原料的诞生。如为了增强材料的抗冲刷性，开发了致密电熔刚玉。

 

研究表明，钙长石、六铝酸钙原料有较好的抗CO气体和碱蒸汽的侵蚀性;引入表面具有蜂窝状结构的焦炭，可提高炮泥的透气性。为使耐火材料在高温时有良好的隔热性，减少对流传热，也促使人们开发出具有微孔结构的轻质原料等等。

 

耐火材料分为酸性、碱性和中性，受历史发展的延续性和资源分布的局限性，铝硅质耐火材料产量占比一直偏高。铝工业及耐火材料行业的快速发展造成耐火黏土、铝矾土的消耗量巨大，资源储量锐减引起矾土熟料价格高涨。长此下去，势必影响铝硅质耐火材料的生产应用。从提高资源利用率及耐火材料行业可持续发展的角度考虑，今后应多关注酸性、半酸性，碱性、半碱性耐火材料的品种和产量，将优势研发、技术、资金、政策等要素集聚于利用相对丰富且廉价的硅石、菱镁矿资源上，进行深加工，开发更多的品种，使其发挥更大的作用。同时还应适当平衡酸性、碱性和中性耐火材料产量的比例，平衡硅石、菱镁矿和铝矾土的消耗速度;在窑炉设计选材上多考虑酸性、碱性耐火材料，使其有更大的用武之地;提高原料供应对耐火材料发展的适应性和该行业今后发展的可持续性。

 

若我们改变关注点降低标准，以无渣侵蚀及中低温使用的标准来筛选耐火原料，将有更多的天然矿石或尾矿符合要求，也有更多的工业产品及其废弃物可供选用。如河砂、海砂、沙漠砂、硅酸盐水泥、卫生瓷及建筑瓷等建筑垃圾都可在一定条件下，一定程度上资源化为耐火原料。

 

 

当前，我国高温工业及耐火材料行业正处于从扩产增量发展向提质增效发展转变过程中，对耐火原料提出了新要求，倒逼耐火原料要提高其适应性，围绕高温工业及耐火材料行业的新需求，坚持可持续的发展方向，开发多品种优质原料。除了传统原料的创新提升，今后值得关注和努力的方向还包括原料的系列化、多元化、综合化，具有独特性能的新型原料，广义的绿色环保型原料。为此，应加强科技对原料发展的预见、引导和支撑作用，积极开发低耗、高效、绿色的新型优质原料，满足耐火材料行业的新需求，促进耐火材料行业的健康可持续发展。

BS476-21 承重材料耐火测试：http://www.ecosafene.com/firetesting/building/867.html