發展隔熱耐火材料的意義及前景

施永益 張新財 江群英 朱振華

摘要：總書記在“領導人氣候峰會”上宣布：“中方力爭2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和?！碧歼_峰是指全國溫室氣體排放達到頂峰，碳中和是指碳生產和碳消納的平衡，實現碳負荷歸零。由于中國承諾實現從碳達峰到碳中和的時間，遠遠短于發達國家所有時間，需要付出艱苦的努力?！笆奈濉笔翘歼_峰的關鍵期、窗口期。按照中央決策部署，中國將重點聚焦在構建清潔低碳安全高效的能源體系、實施重點行業領域減污降碳行動、推動綠色低碳技術實現重大突破、完善綠色低碳政策和市場體系、倡導綠色低碳生活、提升生態碳匯能力等方面。

關鍵詞：隔熱耐火材料;分類;高效節能;發展前景

引言

在水泥生產過程中，一般將水泥生產工藝分為“兩磨一燒”，其中一燒為熟料燒成工藝。熟料制備完成過程全部在燒成系統完成。耐火材料在燒成系統應用廣泛，主要應用在預熱器、回轉窯、三次風管及篦冷機系統等高溫部位。在生產實踐中因為耐火材料損壞造成的停窯、減產等事故層出不窮。近年來隨著水泥窯產量的不斷提高，對耐火材料的使用壽命提出了更高的要求。通過實踐證明，對耐火材料施工過程中進行優化，可以延長使用壽命。

1隔熱耐火材料的分類

隔熱耐火材料根據其使用溫度、體積密度、生產方法、原料和使用方法的不同分為五大類。隔熱耐火材料不同于普通致密耐火材料，輕質隔熱耐火材料的明顯特點就是氣孔率比較高，大部分都高于45%，并且氣孔孔徑比較粗大;而普通致密耐火材料是燒結相對徹底的耐火產品，其氣孔率不到20%，且有較小的氣孔孔徑，例如：黏土磚的孔徑在2～60μm之間，硅磚的孔徑在19～21μm之間，鎂磚的孔徑在26～28μm之間。耐火纖維主要有耐高溫及耐腐蝕性兩大特點，這兩點是普通纖維不能比擬的。它特定的纖維狀結構，使其不僅柔軟而且還有一定的抗拉強度和彈性。經過進一步加工，可以加工成很多種實用型制品，比如紙張、毯、線等，也可用作爐襯。它作為爐襯具備以下優點：不需要接觸高速氣流和熔渣，可以直接與火焰觸碰;密封性和隔音、過濾效果好;廣泛應用于航空、建造業等工業部門。

2發展隔熱耐火材料的意義

雙碳背景下耐火材料所服務的主要高溫行業的發展據統計，2019年我國制造業占GDP比重為27.2%，典型流程工業包括石化、化工、鋼鐵、有色、建材等行業總產值占全國企業年總產值的51.98%。規模龐大的流程制造業背后是巨高的碳排放，其中，基礎原材料工業對CO2排放的貢獻占比70%，因為我國制造過程中高碳排放的生鐵、粗鋼、氧化鋁、水泥、10種有色金屬以及石化和化工產品等產量連續多年位居世界第一，這也是我國單位GDP能耗是世界平均水平的130%、碳排放量占世界的28%的主要原因之一。據測算，我國單位GDP能耗要達到目前世界的平均水平，意味著每年需減少10億t標煤的消耗，節能減碳潛力巨大。因此，電力、鋼鐵、有色、化工、建材等高溫行業是我國節能降碳的重點領域，目前這些高碳排放行業已制定和推進碳達峰、碳中和行動方案和技術路線圖，在碳中和與去產能的巨大壓力驅動下，產業與產品結構調整、科技創新等全面發力，其碳達峰、碳中和時間表上均超前2030年和2060年。耐火材料是高溫工業的重要支撐，不可或缺，其產業發展和科技創新與節能降碳重點高溫行業的發展和技術路徑息息相關，在雙碳背景下耐火材料的發展充滿了機遇與挑戰。

3窯內耐火磚受熱應力情況

回轉窯是一個高溫設備，耐火磚在不同溫度下晶型轉變帶來的體積熱膨脹變化必須給予足夠重視。熱負荷是指窯內襯在烘爐溫升過程中，耐火材料因受高溫產生的熱膨脹，造成相鄰耐火材料之間相互擠壓。以鎂鋁尖晶石磚為例，1 400℃時的膨脹率按1.6%計算，長198mm的耐火磚其膨脹量可達3.16mm。在回轉窯大量使用堿性轉的情況下，其膨脹量是很大的，有文獻指出在回轉窯烘窯至1 000℃時，如果沒有窯筒體和環縫對膨脹的補償，可導致耐火磚承受300MPa的壓應力，這差不多相當于耐火磚所承受耐壓強度的6倍，為此，回轉窯點火烘窯初期嚴格按照升溫制度進行升溫保溫就特別重要，如果升溫過快，窯筒體的溫度來不及升上去，就不能補償耐火磚的膨脹，造成耐火磚的壓應力急劇升高。為確保耐火磚的使用壽命，必須嚴格按照升溫曲線升溫，在點火初期采用油為燃料，升溫速度﹤30℃/h，>400℃時，采用煤為燃料，升溫速度控制在﹤50℃/h，實踐中由于煤燃燒的可控性差，很不容易控制穩定的升溫速度，所以建議延長油煤混燒的時間，以便較好地控制升溫速度，這對保護耐火材料是極其有利的。

4隔熱耐火材料的發展前景

20世紀90年代末，隔熱保溫材料技術在中國開始發展，現在隔熱保溫材料在國內的發展已相對成熟，并被廣泛應用到各個領域，產品類型多達20多種。比如，粉粒狀保溫隔熱耐火材料（漂珠隔熱材料）用于制造航天飛機用的隔熱保護層材料，與耐火纖維材料相比，漂珠隔熱制品的使用壽命長、不老化、不脫落，漂珠隔熱材料的原料來源豐富、生產工藝簡單、能耗少，其能耗僅為傳統輕質磚的1/2、耐火纖維的1/20。不言而喻，隔熱保溫材料已經迎來了全面應用的時代。目前，世界各國對低碳經濟和環保相當重視，在自然資源越來越緊缺的大背景下，我們必須順應形勢，不斷加強原料的開發創新，積極推進相關基礎研究工作的進一步發展，加大力度調整產品結構，提高隔熱耐火材料行業的集中度，從而有效提升原料利用率，并可利用新型技術開發出更有價值、滿足更多需求的新型隔熱保溫材料。

結束語

通過多年來對耐火材料施工實踐，對施工工藝及關鍵部位耐火材料施工優化，嚴格按照相關工藝施工，可以保證耐火材料施工完畢后可靠耐用。對不同公司施工后的耐火材料使用跟蹤表明，優化施工后的耐火材料使用壽命大幅度提高。以前經常發生的耐火磚脫落、扭曲、擠壓變形，耐火材料表面炸裂、脫落、變形等情況基本上不再發生。通過對耐火材料施工優化可以有效延長耐火材料使用壽命，給生產提產增效提供了保障，使水泥企業達到了節能降耗、節約成本等目的。

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