綠色耐火材料的理念與實踐

楊 柳

（中鋼集團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高溫生產中的重要基礎原料，在目前全球經濟形勢的綠色發展理念中顯得越來越重要。綠色耐火材料技術水平對于我國當前和今后的可持續發展戰略具有重大意義。目前，我國的耐火材料產品雖然在數量和質量上位于世界首位，但是材料的綠色度缺低于世界平均水平[1]。主要表現在煉鋼耐火材料的平均消耗是國際先進水平的兩倍以上，耐火材料的壽命和性能穩定性欠佳，產品技術附加值不高；容易產生環保和環境公害，使用過程中對人的健康產生威脅等等。

目前對于綠色耐火材料，中國耐火材料協會將其概念定位為：品種質量優良化，資源消耗集約化、生產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踐方向進行了探討，為大力發展節能型和環境保護型的耐火材料提供一定參考。

1 綠色耐火材料的發展理念

綠色耐火材料至今遇到了較多了挑戰，需要在經濟效益、社會效益方面有較高創造性，必須從耐火材料的類型、體系方面進行完善和實踐。通過完善體系類型，能夠在市場競爭機制下迅速提升認可度，獲得更大的拓展空間。另外，根據現有國家相關政策部署方案，尤其對于特殊行業的耐火防火要求來看，進行體系完善將產生明確的指導和規范作用。

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過程中的重要應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、結合劑和外加劑以一定比例共同組成，不經過成形和燒制而直接或加入適當液體調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）。根據耐火骨料的不同可以分為：粘土質澆注料、高鋁質澆注料、剛玉質澆注料、莫來石質澆注料和碳化硅質澆注料[2,3]。

1.2 資源節約型耐火材料

耐火材料一直屬于高資源消耗類產業。例如，高鋁礬土類原料近年來價格高漲，資源供應緊張，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的成本壓力。因此發展資源節約型耐火材料對于我國的節能政策十分重要。目前的資源節約型耐火材料制備方面，存在易粉化、擠壓變形、強度低和整體性不好的問題，亟待改進。

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

1.3 生態友好型耐火材料

生態友好型耐火材料是最新的綠色耐火材料理念和未來的發展方向，由于國外發達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品生產，如何制造這些產品的替代品，成為新的熱門課題。本文認為生產這類型耐火材料應該從生產材料的無害化、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行實踐研究。

2 不定形耐火材料實踐

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、生產周期小、制備綜合成本低廉，同時在機械化施工過程中效率高。弱局部存在破壞，在修補過程中依然可以減少材料消耗，適用于復雜的結構和襯砌形式，便于施工。目前這類型耐火材料在全球均有大力推廣和發展，在整個耐火材料中所在的比重越來越大。

從上個世紀八十年代開始，耐火材料總產品有所降低，但是不定性耐火材料的產量反而升高。日本作為不定性耐火材料的發明國家，其在不定性耐火材料產品的占比高達65%，歐美國家例如美英法等同樣產量占比超過50%，而我國目前的不定形耐火材料產品占比僅達到36%（根據中國耐火材料協會在2017-2019 年的統計成果）[4,5]，說明我國的耐火材料應用和研發空間依然較大。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，符合低碳環保的生產理念，如果按照每噸耐火材料燒紙成本的標準煤耗300kg 計算，不定形耐火材料如果根據目前的占比提高5-15 個百分點，那么可以減少的煤耗和能源節能效果見表1。

表1 不定形耐火材料產量提高后的節能效果統計表

2.1 預制件

預制件進行耐火材料制作顯著的有點，主要體現在：

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

（2）交貨過程中可以進行澆注、養護和干燥等步驟，提高了施工效率，為用戶節省寶貴的時間，另外還提高了設備周轉率。

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

（4）預制件澆注可以形成各種復雜的結構和難易制作的異型構件，例如高爐鐵溝上的憋渣器、電爐頂等。

（5）預制件不需要長時間烘烤，投入時間較短，對烘烤環境要求較低，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行澆注，該材料的凝結和養護、硬化等特征會受到場地環境的影響，當澆注過程中原料雜質、環境溫度、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

耐火材料的的發展水平各國參差不齊，目前我國雖然總量占優勢，但是產品結構欠佳、產品穩定性一般，高性能、功能和環境友好的高端產品偏少。如何研發高性能產品的不定形耐火材料是關鍵。目前，河南科技大學在澆注料預制件的高溫耐火材料上進行了試驗研究，結果較為理想[1]，這類型碳化氮化改性的耐火材料以及得到一定實踐應用。當碳化硅澆注料在1420℃的高溫氮化處理后，材料結構整體性加強，基質部分發生了明顯的原位反應（圖1），其冷、熱態強度大大提高，根據試驗結果，其在1300℃下材料的抗折強度依然超過50MPa。

圖1 碳化材料經1420℃氮化后的材料微觀結構

2.4 生產高效化

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量，若施工手段在安全高效和設備上面跟不上，會造成不定形耐火材料的應用受限。高效化、智能化的施工手段，能夠快速養護、烘烤、免烘烤等，利用智能機器進行噴涂、施工和在線修補等設備將會越來越普及。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度，主要通過減少物料的潤濕時間和添加劑的配合使用實現。

（3）養護和烘烤。減少養護時間，去除不必要的養護才能使，實現快速烘烤和免烘烤程序，降低作業現場對于養護材料的環境要求。

3 結論

我國將對綠色耐火材料的生產、制備和使用提出更高的標準和要求，從整體上提高耐火材料的綠色經濟價值。因此，應繼續不斷豐富耐火材料的綠色內涵，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展理念進行了初步探索，并就不定形耐火材料的實踐進行了詳細分析。期望今后的工作加大產業可研力度，在綠色耐火材料上實現新的突破，力爭在推廣應用上取得實質性成果。