发展隔热耐火材料的意义及前景

施永益 张新财 江群英 朱振华

摘要：总书记在“领导人气候峰会”上宣布：“中方力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。”碳达峰是指全国温室气体排放达到顶峰，碳中和是指碳生产和碳消纳的平衡，实现碳负荷归零。由于中国承诺实现从碳达峰到碳中和的时间，远远短于发达国家所有时间，需要付出艰苦的努力。“十四五”是碳达峰的关键期、窗口期。按照中央决策部署，中国将重点聚焦在构建清洁低碳安全高效的能源体系、实施重点行业领域减污降碳行动、推动绿色低碳技术实现重大突破、完善绿色低碳政策和市场体系、倡导绿色低碳生活、提升生态碳汇能力等方面。

关键词：隔热耐火材料;分类;高效节能;发展前景

引言

在水泥生产过程中，一般将水泥生产工艺分为“两磨一烧”，其中一烧为熟料烧成工艺。熟料制备完成过程全部在烧成系统完成。耐火材料在烧成系统应用广泛，主要应用在预热器、回转窑、三次风管及篦冷机系统等高温部位。在生产实践中因为耐火材料损坏造成的停窑、减产等事故层出不穷。近年来随着水泥窑产量的不断提高，对耐火材料的使用寿命提出了更高的要求。通过实践证明，对耐火材料施工过程中进行优化，可以延长使用寿命。

1隔热耐火材料的分类

隔热耐火材料根据其使用温度、体积密度、生产方法、原料和使用方法的不同分为五大类。隔热耐火材料不同于普通致密耐火材料，轻质隔热耐火材料的明显特点就是气孔率比较高，大部分都高于45%，并且气孔孔径比较粗大;而普通致密耐火材料是烧结相对彻底的耐火产品，其气孔率不到20%，且有较小的气孔孔径，例如：黏土砖的孔径在2～60μm之间，硅砖的孔径在19～21μm之间，镁砖的孔径在26～28μm之间。耐火纤维主要有耐高温及耐腐蚀性两大特点，这两点是普通纤维不能比拟的。它特定的纤维状结构，使其不仅柔软而且还有一定的抗拉强度和弹性。经过进一步加工，可以加工成很多种实用型制品，比如纸张、毯、线等，也可用作炉衬。它作为炉衬具备以下优点：不需要接触高速气流和熔渣，可以直接与火焰触碰;密封性和隔音、过滤效果好;广泛应用于航空、建造业等工业部门。

2发展隔热耐火材料的意义

双碳背景下耐火材料所服务的主要高温行业的发展据统计，2019年我国制造业占GDP比重为27.2%，典型流程工业包括石化、化工、钢铁、有色、建材等行业总产值占全国企业年总产值的51.98%。规模庞大的流程制造业背后是巨高的碳排放，其中，基础原材料工业对CO2排放的贡献占比70%，因为我国制造过程中高碳排放的生铁、粗钢、氧化铝、水泥、10种有色金属以及石化和化工产品等产量连续多年位居世界第一，这也是我国单位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。据测算，我国单位GDP能耗要达到目前世界的平均水平，意味着每年需减少10亿t标煤的消耗，节能减碳潜力巨大。因此，电力、钢铁、有色、化工、建材等高温行业是我国节能降碳的重点领域，目前这些高碳排放行业已制定和推进碳达峰、碳中和行动方案和技术路线图，在碳中和与去产能的巨大压力驱动下，产业与产品结构调整、科技创新等全面发力，其碳达峰、碳中和时间表上均超前2030年和2060年。耐火材料是高温工业的重要支撑，不可或缺，其产业发展和科技创新与节能降碳重点高温行业的发展和技术路径息息相关，在双碳背景下耐火材料的发展充满了机遇与挑战。

3窑内耐火砖受热应力情况

回转窑是一个高温设备，耐火砖在不同温度下晶型转变带来的体积热膨胀变化必须给予足够重視。热负荷是指窑内衬在烘炉温升过程中，耐火材料因受高温产生的热膨胀，造成相邻耐火材料之间相互挤压。以镁铝尖晶石砖为例，1 400℃时的膨胀率按1.6%计算，长198mm的耐火砖其膨胀量可达3.16mm。在回转窑大量使用碱性转的情况下，其膨胀量是很大的，有文献指出在回转窑烘窑至1 000℃时，如果没有窑筒体和环缝对膨胀的补偿，可导致耐火砖承受300MPa的压应力，这差不多相当于耐火砖所承受耐压强度的6倍，为此，回转窑点火烘窑初期严格按照升温制度进行升温保温就特别重要，如果升温过快，窑筒体的温度来不及升上去，就不能补偿耐火砖的膨胀，造成耐火砖的压应力急剧升高。为确保耐火砖的使用寿命，必须严格按照升温曲线升温，在点火初期采用油为燃料，升温速度﹤30℃/h，>400℃时，采用煤为燃料，升温速度控制在﹤50℃/h，实践中由于煤燃烧的可控性差，很不容易控制稳定的升温速度，所以建议延长油煤混烧的时间，以便较好地控制升温速度，这对保护耐火材料是极其有利的。

4隔热耐火材料的发展前景

20世纪90年代末，隔热保温材料技术在中国开始发展，现在隔热保温材料在国内的发展已相对成熟，并被广泛应用到各个领域，产品类型多达20多种。比如，粉粒状保温隔热耐火材料（漂珠隔热材料）用于制造航天飞机用的隔热保护层材料，与耐火纤维材料相比，漂珠隔热制品的使用寿命长、不老化、不脱落，漂珠隔热材料的原料来源丰富、生产工艺简单、能耗少，其能耗仅为传统轻质砖的1/2、耐火纤维的1/20。不言而喻，隔热保温材料已经迎来了全面应用的时代。目前，世界各国对低碳经济和环保相当重视，在自然资源越来越紧缺的大背景下，我们必须顺应形势，不断加强原料的开发创新，积极推进相关基础研究工作的进一步发展，加大力度调整产品结构，提高隔热耐火材料行业的集中度，从而有效提升原料利用率，并可利用新型技术开发出更有价值、满足更多需求的新型隔热保温材料。

结束语

通过多年来对耐火材料施工实践，对施工工艺及关键部位耐火材料施工优化，严格按照相关工艺施工，可以保证耐火材料施工完毕后可靠耐用。对不同公司施工后的耐火材料使用跟踪表明，优化施工后的耐火材料使用寿命大幅度提高。以前经常发生的耐火砖脱落、扭曲、挤压变形，耐火材料表面炸裂、脱落、变形等情况基本上不再发生。通过对耐火材料施工优化可以有效延长耐火材料使用寿命，给生产提产增效提供了保障，使水泥企业达到了节能降耗、节约成本等目的。

参考文献

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