绿色耐火材料的理念与实践

杨 柳

(中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司,洛阳471000)

绿色耐火材料作为工业高温生产中的重要基础原料,在目前全球经济形势的绿色发展理念中显得越来越重要。绿色耐火材料技术水平对于我国当前和今后的可持续发展战略具有重大意义。目前,我国的耐火材料产品虽然在数量和质量上位于世界首位,但是材料的绿色度低于世界平均水平[1]。主要表现在炼钢耐火材料的平均消耗是国际先进水平的两倍以上,耐火材料的寿命和性能稳定性欠佳,产品技术附加值不高；容易产生环保和环境公害,使用过程中对人的健康产生威胁等等。

目前对于绿色耐火材料,中国耐火材料协会将其概念定位为:品种质量优良化、资源消耗集约化、生产过程少污染以及使用过程无害化。该文对我国耐火材料的若干理论以及目前新的实践方向进行了探讨,为大力发展节能型和环境保护型的耐火材料提供一定参考。

1 绿色耐火材料的发展理念

绿色耐火材料至今遇到了较多的挑战,需要在经济效益、社会效益方面有较大提高,必须从耐火材料的类型、体系方面进行完善和实践。通过完善体系类型,能够在市场竞争机制下迅速提升认可度,获得更大的拓展空间。另外,根据现有国家相关政策部署方案,尤其对于特殊行业的耐火防火要求来看,进行体系完善将产生明确的指导和规范作用。

1.1 不定形耐火材料

不定形耐火材料是绿色耐火材料研发过程中的重要应用和代表性研究成果。这类型耐火材料主要有耐火骨料、粉料、结合剂和外加剂以一定比例共同组成,不经过成形和烧制而直接或加入适当液体调配后使用的耐火材料,也称为散状耐火材料(无固定外形、可制成浆状,泥膏状、松散状和整体耐火材料)。根据耐火骨料的不同可以分为:粘土质浇注料、高铝质浇注料、刚玉质浇注料、莫来石质浇注料和碳化硅质浇注料[2,3]。

1.2 资源节约型耐火材料

耐火材料一直属于高资源消耗类产业。例如,高铝矾土类原料近年来价格高涨,资源供应紧张,并且天然原材料在煅烧和电熔工艺中需要消耗大量热量,无形中加大了耐火材料企业的成本压力。因此发展资源节约型耐火材料对于我国的节能政策十分重要。目前的资源节约型耐火材料制备方面,存在易粉化、挤压变形、强度低和整体性不好的问题,亟待改进。

资源节约型耐火材料可以从微孔轻质原材料合成、高性能轻质浇注料、不烧砖和生成工序节能四方面入手加以改进。

1.3 生态友好型耐火材料

生态友好型耐火材料是最新的绿色耐火材料理念和未来的发展方向,由于发达国家开始限制生成硅砖、镁铬砖、耐火陶瓷纤维等对人身健康有害的产品生产,如何制造这些产品的替代品,成为新的热门课题。该文认为生产这类型耐火材料应该从生产材料的无害化、原材料的无害化、使用过程无害化和材料无铬化四方面入手进行实践研究。

2 不定形耐火材料实践

不定形耐火材料相较于定型烧制的耐火材料相比其工艺简单、生产周期短、制备综合成本低廉,同时在机械化施工过程中效率高。若局部存在破坏,在修补过程中依然可以减少材料消耗,适用于复杂的结构和衬砌形式,便于施工。目前这类型耐火材料在全球均有大力推广和发展,在整个耐火材料中所在的比重越来越大。

从20世纪80年代开始,耐火材料总产品有所降低,但是不定形耐火材料的产量反而升高。日本作为不定形耐火材料的发明国家,其在不定形耐火材料产品的占比高达65%,欧美国家例如美英法等同样产量占比超过50%,而我国目前的不定形耐火材料产品占比仅达到36%(根据中国耐火材料协会在2017-2019年的统计成果)[4,5],说明我国的耐火材料应用和研发空间依然较大。不定形耐火材料由于交货过程中无需烧制,能够以较低温度处理,符合低碳环保的生产理念,如果按照每吨耐火材料烧制成本的标准煤耗300 kg计算,不定形耐火材料如果根据目前的占比提高5～15个百分点,那么可以减少的煤耗和能源节能效果见表1。

表1 不定形耐火材料产量提高后的节能效果统计表

2.1 预制件

预制件进行耐火材料制作显著的特点,主要体现在:

1)省去现场浇注施工工艺,模板简单,只需要瓶装即可完成,对衬砌结构复杂模型依然可以完成,省去各种大型施工器械。

2)交货过程中可以进行浇注、养护和干燥等步骤,提高了施工效率,为用户节省宝贵的时间,另外还提高了设备周转率。

3)施工过程基本上受外部环境尤其是气温影响较小,但是北方寒冷地区隆冬时节施工受到影响,需要采取保温措施。

4)预制件浇注可以形成各种复杂的结构和难易制作的异型构件,例如高炉铁沟上的憋渣器、电炉顶等。

5)预制件不需要长时间烘烤,投入时间较短,对烘烤环境要求较低,可以满足大部分用户的要求。

2.2 用户友好化

由于不定形耐火材料需要进行浇注,该材料的凝结和养护、硬化等特征会受到场地环境的影响,浇注过程中原料杂质、环境温度、粘合剂种类均是较为敏感的因素,会给用户带来各种不便,因此不定形耐火材料在研发过程中必须重视用户友好性能。

2.3 材料高性能化

耐火材料的发展水平各国参差不齐,目前我国虽然总量占优势,但是产品结构欠佳、产品稳定性一般,高性能、功能和环境友好的高端产品偏少。如何研发高性能产品的不定形耐火材料是关键。目前,河南科技大学在浇注料预制件的高温耐火材料上进行了试验研究,结果较为理想[1],这类型碳化氮化改性的耐火材料已经得到一定实践应用。当碳化硅浇注料在1 420 ℃的高温氮化处理后,材料结构整体性加强,基质部分发生了明显的原位反应(图1),其冷、热态强度大大提高,根据试验结果,其在1 300 ℃下材料的抗折强度依然超过50 MPa。

2.4 生产高效化

不定形耐火材料其性能的高低较大程度上在于其施工和烘烤质量,若施工手段在安全高效和设备上面跟不上,会造成不定形耐火材料的应用受限。高效化、智能化的施工手段,能够快速养护、烘烤、免烘烤等,利用智能机器进行喷涂、施工和在线修补等设备将会越来越普及。例如美国的Resco公司从如下几个方面研究了如何提高耐火材料浇注料的施工效率[6]:

1)粉尘抑制。混合浇注料过程中,粉尘一方面恶化工作环境,对施工人员健康造成影响,同时粉尘会延误施工工期,还可以造成浇注料的部分重要成分的流失,对性能间接伤害。

2)材料的流动性。浇注料的混合时间是浇注料的重要工序,提高材料的流动性和混合型可以加快施工进度,主要通过减少物料的润湿时间和添加剂的配合使用实现。

3)养护和烘烤。减少养护时间,去除不必要的养护才能实现快速烘烤和免烘烤程序,降低作业现场对于养护材料的环境要求。

3 结 语

我国将对绿色耐火材料的生产、制备和使用提出更高的标准和要求,从整体上提高耐火材料的绿色经济价值。因此,应继续不断丰富耐火材料的绿色内涵,从多角度提高其可靠性,安全性和可行性。该文就绿色耐火材料的发展理念进行了初步探索,并就不定形耐火材料的实践进行了详细分析。期望今后的工作加大产业可研力度,在绿色耐火材料上实现新的突破,力争在推广应用上取得实质性成果。