基于雙碳背景的耐火材料科技創新實踐

周知瑜

摘 要：在“碳達峰”、“碳中和”的雙碳背景下，為了減少耐火材料生產中產生的污染，國家對高溫行業生產碳排放提出了新的要求。為了能夠順應時代發展需求，在保證耐火材料生產質量和效率的基礎上，減少碳排放、降低污染指數，必須借助先進科技對耐火材料生產工藝進行升級優化，從而推動國家雙碳目標的實現。對此，本文首先分析我國目前高溫行業發展現狀，提出雙碳背景下耐火材料技術創新要點與實踐內容，最后分析耐火材料科學創新發展方向。

關鍵詞：雙碳；耐火材料；科學創新；高溫行業

1前言

在“領導人氣候峰會”上，中國主席習近平宣布了我國未來發展的雙碳目標，即2030年前實現碳達峰、2060年實現碳中和。我國提出雙碳目標遠遠短于歐美發達國家，這就需要在此期間付出更多的努力和心血。“十四五”作為碳達峰的關鍵期，我國將碳排放控制聚焦在建設清潔低碳安全高效能源體系上，開展重點污染行業降碳行動，推動綠色低碳技術實現重大突破。耐火材料生產會產生大量的工業廢氣，其中碳排放量在各大生產工業中也是名列前茅，因此加強耐火材料科技創新研究有著重要意義。

2雙碳背景下高溫行業發展現狀

根據有關數據調查結果顯示，2022年我國內地制造業依然是推動國民經濟發展的支柱產業，占據市場整體GDP的26.7%。其中，重工業生產（鋼鐵、石油化工、建材等）總值占據行業生產總值的51.8%。重工業生產會生成大量的二氧化碳氣體，而導致這一原因的主體就是基礎原材料。我國金屬材料生產量以及石油化工產品產量常年處在國際第一梯隊，這也是其占據國內市場GDP數值、碳排放量較高的重要原因。客觀來看，我國能源損耗、碳排放量高于國際平均水平，可見為了實現雙碳目標，減少傳統能源使用、提高能源利用率、降低碳排放已經成為當下國家發展的重要任務之一[1]。目前我國重工業領域已經著手于擬定、促進雙碳計劃，推動產業結構升級，實現生產工藝的不斷進步與優化。

3雙碳背景下耐火材料技術創新要點分析

為了減少耐火材料生產碳排放量，實現綠色可持續發展目標，在耐火材料技術創新中，應重點關注以下幾點：

（1）長壽命材料。在非化石氫冶金技術工藝中，包含了氣基爐還原、氫基熔融還原等。由于氫冶金工藝在實際應用中會消耗大量的材料，材料更換頻率高，因此創新更長壽命的材料種類，減少材料更換頻次，降低能耗。同理，熔融還原同樣需要消耗大量材料，也需要更加長壽的材料降低損耗。

（2）推動轉爐、精煉新技術的研究，實現綠色化、功能化方向發展。轉爐、精煉中低碳氧積問題較為突出，通常都是采用底吹方式減緩該問題，提升鋼水純凈度，但底吹方式會破壞掉底部材料，特別是底吹粉的使用壽命還沒達到時，就會被破壞，增加了材料浪費量。當今相當一部分技術手段會造成材料所處環境過于極端，甚至會對生產設備造成損壞，由于這種極端環境會加大內部熱量和沖擊力，長期處于高壓、高溫的無氧環境，很容易縮短設備使用壽命，同時還會增加生產風險。這些因素都會對工業生產造成嚴重影響。

（3）在優質鋼材澆筑生產當中，容易產生超低碳鋼、簾線鋼等問題，連鑄生產效率難以提升，特別是在稀土、合金元素含量較多時，會極大的縮短材料使用壽命。在制備含錳稀土鋼材時，水堵塞問題也難以避免，這些都會對工業生產質量造成影響。

4雙碳背景下耐火材料科技創新主要內容

4.1材料微型結構控制

耐火材料是基質、骨料等物質組成帶有氣孔的復合型材料，在耐火材料生產當中，顆粒組成設計十分重要，會關乎到耐火材料微型結構以及整體使用的穩定性。在生產過程中處于高溫環境下，燒制成熟料后將其打碎成顆粒狀，這也是當前耐火材料普遍生產工藝。但該工藝在實際應用中，不利于保障耐火材料結構的穩定性，想要控制其結構穩定性難度大[2]。并且，該生產方式還會增加生產商成本，由于生產某個規格粒徑的材料，生產中還會產生其他粒徑規格的材料，而其他規格粒徑材料應用價值非常低，從而導致資源浪費。為了穩定耐火材料微型結構，還是需要從材料和工藝兩個方面出發，應加強新型基質、新型骨料的開發，提升這些生產材料在高溫環境下的穩定性，減少燒制時的變形量，從而控制耐火材料微型結構；加強新燒制工藝的創新研究，孔隙結構差異很大的原因是因為燒制環境溫度波動較大，這就要減少溫度波動，例如可以將傳統的燃燒材料更換為天然氣，通過控制天然氣供給實現溫度控制。

4.2材料輕量化

耐火材料重量較大是普遍存在的問題，應在保證使用壽命的基礎上，降低耐火材料的密度、體積，實現耐火材料輕量化發展。耐火材料輕量化的優勢在于：

（1）可以減少生產原材料使用數量，降低物料總消耗量。

（2）降低耐火材料的導熱系數，降低能源消耗量。

（3）材料轉變為熟料過程中的溫度要求降低，除了能夠降低二氧化碳排放量，同時可以控制生產成本。

耐火材料生產中的骨料，可以提升耐火材料的整體強度與抗震性，但由于基質、骨料二者的體積密度、氣孔率有很大的差異，骨料氣孔率為4%，而基質氣孔率普遍達到15%左右。從理論上看，由于耐火材料是骨料和基質共同組成的復合型材料，骨料強度大于基質時，便可限制其擴散度，在實際應用中不需要過高的強度，因此可以適當降低骨料的占比，從而實現降低耐火材料密度、體積的目的。

4.3自動化配料系統

在耐火材料生產制作中，過去都是以人工配制為主，這不僅增加人員投入、提高錯誤率、數據記錄不變，并且工作效率非常低。為了減少人為因素的影響，在自動化技術支撐下，耐火材料也逐漸實現了自動化生產，自動化生產系統可以在線檢測材料生產情況，控制生產鏈條流程，主要包括材料稱重、輸送、存儲、檢測等一系列功能。并且借助自動化系統可以根據生產配方標準，計算某個批次或時間段生產所需材料總量，控制移動稱重車輛運輸材料。系統會對不同存儲倉材料進行計量，在得到配料任務后將相應的材料運輸到排料口并卸貨。配料車上裝有控制設備，技術人員可以通過計算機操作平臺、PLC軟件實現遠程操控，上位機、下位機通過通訊系統可以隨時保持聯系[3]。系統配料時的所有信息都可以在控制中心顯示屏中呈現，并且可以實時記錄配料、生產數據等信息，將所有的配料數據存儲到數據庫當中。自動化生產系統具有精度高、效率高等優勢，減少人力資源的投入，降低人為因素影響。同時，自動化生產系統需要投入新型生產設備，生產環境密封性更好，更好的防止粉塵進入到生產車間。也正是自動化生產系統有諸多優勢，才能使近些年大批量工業生產企業不斷朝向自動化生產方向發展。

4.4成型自動化生產

耐火材料成型工藝包括大量工序，如：材料混合、材料輸送、材料稱重、出磚、碼垛等。例如材料稱重過去都是人工將材料搬到稱重器上，不僅投入大量勞動力、生產力低下，還難以保證稱重精度。而自動化生產線可以在減少人為干擾下自動完成工作，提升產品生產質量與效率。自動化生產線可以自動化控制生產設備，如混合機、稱重機、布料器等，借助自動檢測系統，在自動化設備中依照生產標準設定生產參數即可自動化上料，誤差可以控制在30g以內，稱重、布料效率大大提升[4]。全自動壓力機可以一站式完成布料、壓制、脫模等工序，還可以調節生產參數實現不同材料、外形尺寸的產品生產需求。在成型生產過程中，該設備可以嚴格管控成型規格，誤差值不超過0.5%，并且還可以保障材料均勻進入到模腔中，控制成品的密度。材料壓制時由于是設備控制，可以降低掉角、缺口、層裂的發生概率，極大的提升了耐火材料生產質量。

4.5全自動溫控隧道

在過去，耐火材料生產都是采用隧道窯，該設施為人工操作、應用傳統能源，會增加污染和人為影響。近些年，相關企業設計出了新型全自動超高溫隧道設施，該設施用于生產耐火材料效率高、成本低、質量好，在溫度控制、壓力控制方面十分出色，保障了耐火材料的生產質量。特別是近些年大數據技術、物聯網技術的普及，可以借助氣壓傳感器、溫度傳感器，將生產信息傳遞給控制中心，通過建模形式觀察現有生產標準是否滿足要求，并科學調節燒制中的助燃空氣、燃料配比，保持燒制過程中壓力、溫度穩定。借助大數據的數據挖掘技術可以制作不同模型，從而降低生產中二氧化碳排放量，實現更加智能的生產模式[5]。

4.6生產過程智能監測

借助自動化系統平臺的智能監測系統，可以實時監測耐火材料的生產過程，系統自動檢測殘次品，并直接將殘次品剔除，避免進入到下一道生產線。借助智能監測系統還可以減少資源浪費問題，如在生產中檢測到出磚表面凹凸不平、開裂等情況，系統借助機械臂將這些材料剔除放入到相應位置保管，也可以根據系統提示人工挑出。特別是在鎂碳磚生產中，智能化監測系統可以發揮極大的優勢。

4.7服役過程智能檢測

耐火材料現場服役時會經過高溫熔體、液體沖刷、物質侵蝕等流程，隨著次數的增加會降低材料保護效果，如果不能及時的進行修復、更換，容易造成生產設備損壞，甚至會造成安全事故。通過智能檢測系統實時監測耐火材料爐襯，不僅能及時掌握爐內情況，確保高溫作業安全性，還可以針對現存問題借助大數據提出整改意見。如鐵鉤外部鋼殼劃定網格時，會布置大量溫感器監測現場情況，根據系統計算的背部溝襯厚度；借助紅外線測溫系統，計算容器外殼運行溫度，從而判定殘襯厚度[6]。

5雙碳背景下耐火材料科技創新方向

5.1耐火原料的減碳化

對耐火材料生產工藝流程創新，研發低碳排放的可替代原料；研發低碳排放的新型加熱技術，提高材料制備效率；研發高強、輕質微孔骨料，將傳統電熔原料更替為燒結原料；研發綠色無污染的無機結合劑，替代之前的高碳排放有機結合劑，如瀝青、酚醛樹脂等；發展綠色無污染的表面活性劑，如減水劑、添加劑等。

5.2研究先進高溫材料與材料部件化

對結構功能一體化設計，通過對材料跨尺度、梯度結構、層狀結構的復合以及表面改性研究，優化調控材料的力學性能、熱物理性能、功能性。充分利用現有的新型節能減排工藝，積極開發高性能、長壽命綠色高溫隔熱材料，提升能源利用率，聚焦行業新能源領域材料，研發綠色、高效、長壽的新型耐火材料[7]。加強市場合作，跨專業開展多學科交叉研發，充分采用自動化、智能化生產技術，借助融合材料、自動化監測、新型傳感器以及人工智能技術等，讓高溫材料朝向部件化與模塊化方向發展，實現耐火材料服役的實時監控，使耐火材料服役壽命最大化。

5.3耐火材料評價與方法創新

由于耐火材料服役處于高溫、高壓、高腐、高沖擊的環境，借助人工智能技術建立耐火材料服役失效模型，預測研究耐火材料服役壽命，為不同生產環境耐火材料的研發、升級提供數據支撐。加強耐火材料關鍵性能協同提升研究，包括耐侵蝕性、抗震性、抗滲性等等，調控材料的物理組成和化學反應，優化梯度材料設計方案、調整微型結構，借助熱力學模擬計算開展新型高性能材料的研發制備。

5.4低碳化制備技術

開展骨料制備耐火材料均勻成型技術研究，提升耐火材料微型結構功能性，實現輕量化發展，更好的制備出復雜形狀的材料。聯合研發定型制品成型設備，進一步加強材料外形控制。研發新型燒結設備，如等離子燒結、微波燒結等，均能有效降低資源損耗以及碳排放量。

6結 語

綜上所述，在“碳達峰”、“碳中和”的雙碳背景下，充分研究如何減少耐火材料生產中產生的污染情況，對推動國家雙碳目標實現有著重要意義。這就需要結合國家對高溫行業生產碳排放提出的新標準、新要求，加強綠色、輕質高效、智能化技術的研究，在保證耐火材料生產質量和效率的基礎上，減少碳排放、降低污染指數，實現耐火材料生產工藝進行升級優化的目標。

參考文獻

[1] 李紅霞.雙碳背景下耐火材料科技創新的思考[J].耐火材料， 2021（05）：42-43.

[2] 張建武.雙碳背景下耐火材料科技創新的思考[J].化工管理， 2022（12）：100-102.

[3] 本刊記者."雙碳"背景下水泥窯耐火材料面臨的挑戰[J].中國水泥， 2022（02）：52-55.

[4] 熊文清，白治軍，韓益民，等.電力設計企業基于"雙碳"背景的科技創新發展[J].電力勘測設計， 2023（04）：655-656.

[5] 杜國義，朱守先，羅雯.基于"雙碳"背景的國家新能源綜合示范區建設--內蒙古自治區的實踐與探索[J].中國能源， 2022（06）：44-45.

[6] 蘇蕓."雙碳"背景下企業的綠色創新動力 ——基于董事網絡的視角[J].綏化學院學報， 2022（08）：57-58.

[7] 李愿，董賓賓，賀粉霞，等.淺談雙碳目標下耐火材料的綠色制造[J].耐火與石灰， 2023（02）：533-534.