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隨著高溫工業(yè)及耐火材料的發(fā)展，耐火原料需滿足以下這些要求
高溫工業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展及豐富的耐火原料資源，支撐了我國耐火材料行業(yè)多年來的黃金發(fā)展期，同時也促進了耐火原料工業(yè)自身的發(fā)展，表現(xiàn)在產(chǎn)量不斷增加、品種不斷豐富、性能不斷提升、質(zhì)量不斷改進等方面。耐火原料堪稱耐火制品的脊梁，與耐火制品相互依賴，互為促進，前者保證了后者特性的實現(xiàn)，后者為前者提供了廣闊的應(yīng)用空間。
耐火原料適應(yīng)性的多元體現(xiàn)
目前，耐火材料的應(yīng)用呈現(xiàn)特性化、功能化、多元化、精細化、高效化和低耗化的特點，耐火原料的發(fā)展必須與之相適應(yīng)?，F(xiàn)階段，受經(jīng)濟下行、需求不振、資源和環(huán)保約束力增大等因素的影響，高溫工業(yè)及耐火材料行業(yè)進入提質(zhì)增效的發(fā)展新階段，對耐火原料的適應(yīng)性也提出了超越傳統(tǒng)的新要求?，F(xiàn)階段，用戶工業(yè)的新需求、資源和環(huán)保約束力增強，以及耐火材料應(yīng)用的特性化、綜合化、綠色化、低耗化等發(fā)展方向，是導(dǎo)致耐火原料適應(yīng)性呈多元化的主要因素。
用戶工業(yè)的新要求
高溫工業(yè)新技術(shù)、新工藝、新流程對耐火材料的性能和功能提出了新的要求。為此，耐火制品必須有性能和功能的提升或突破。相應(yīng)地，耐火原料也必須有新特性、新品種方能滿足新需求。
滿足潔凈鋼冶煉的需要
滿足潔凈鋼冶煉的需要。隨著鋼鐵行業(yè)調(diào)整品種結(jié)構(gòu)及特種鋼的發(fā)展，潔凈鋼冶煉技術(shù)被普遍采用，對煉鐵、煉鋼用相關(guān)輔料和耐火材料減少，以及避免污染鐵水、鋼水方面都提出了新的要求。人們在研究和實踐中發(fā)現(xiàn)，鋁硅系耐火材料對鋼水會有所污染，鎂質(zhì)材料不污染，而含有游離氧化鈣的材料則非但不污染，還具有潔凈鋼水的作用。氧化鈣含量越高，其效果越明顯。為此，有良好抗水化性的燒結(jié)和電熔的含游離氧化鈣的鎂鈣原料受到青睞。
為了減少含碳耐火材料對鋼水的增碳污染，需要降低碳復(fù)合耐火材料的碳含量。為了消除降碳對其抗熱震、抗侵蝕等性能的副作用，需要引入彌散化碳源，促進了適合耐火材料用各種納米碳源如炭黑、納米碳管、石墨烯的研發(fā)和生產(chǎn)。
滿足“綠色化”生產(chǎn)的要求
除潔凈鋼的要求外，其他高溫流程中有的也要求耐火材料不污染其所承載的介質(zhì)。比如，鑒于Cr6+對人、畜有致癌作用，含鉻耐火材料已被環(huán)保部列入限制使用的產(chǎn)品，用低鉻和無鉻新材料取代含鉻材料勢在必行。近年來，我國在開發(fā)應(yīng)用鐵鋁尖晶石替代鎂鉻磚的同時，鎂鋁鐵復(fù)合尖晶石的新型原料也被合成出來并在水泥回轉(zhuǎn)窯上得到成功應(yīng)用。
為了減少傳統(tǒng)硅酸鋁耐火纖維在生產(chǎn)、加工、使用安裝、用后處理等過程對環(huán)境及人體的危害，具有生物可降解的環(huán)保型鈣鎂硅系耐火纖維已被開發(fā)使用，漸呈流行態(tài)勢。
滿足高溫工業(yè)節(jié)能減排的要求
溫室效應(yīng)及霧霾天氣增多，社會對高溫工業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排的呼聲不斷高漲。作為工業(yè)爐的襯體材料，采用具有更好節(jié)能效果的節(jié)能型耐火材料勢在必行。近幾年開發(fā)和應(yīng)用的有利于節(jié)能的新原料有：具有微孔結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)莫來石質(zhì)原料、莫來石質(zhì)中空球，輕量化微孔燒結(jié)氧化鋁，CA6-MA復(fù)相輕質(zhì)骨料，橄欖石輕質(zhì)料，尖晶石輕質(zhì)料，納米孔二氧化硅粉體及其聚合體，等等。如采用微孔輕質(zhì)莫來石質(zhì)骨料和莫來石質(zhì)中空球骨料開發(fā)的體積密度1.8g/cm3左右的高性能輕質(zhì)澆注料，就可以取代體積密度2.5g/cm3左右的同用途重質(zhì)澆注料，用于鎂還原爐工作襯、軋鋼用環(huán)形加熱爐工作襯及軋鋼加熱爐水梁立柱水冷管包扎料，并取得了滿意的使用效果，減輕了襯體重量，節(jié)能效果明顯。
發(fā)展經(jīng)濟型耐火材料的要求
目前，與耐火原料產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)的耐火材料行業(yè)、高溫工業(yè)處于低迷期，低價中標成為一些企業(yè)的方向標。同時，有的高品位天然礦物原料，如高鋁礬土逐漸枯竭、礦石品位下降且品質(zhì)波動增大，靠高檔原料提高性能、廉價原料降低成本的技術(shù)配置路線逐漸走到盡頭。現(xiàn)狀促使我們必須調(diào)整研發(fā)方向、技術(shù)思路和工藝路線，摒棄傳統(tǒng)的設(shè)計思路，緊扣低耗、高效、綠色的時代脈搏，提高資源利用率和優(yōu)化配置水平，提高產(chǎn)品性價比。受此取向的引導(dǎo)，廉價型、經(jīng)濟型耐火原料和制品會迎來更多需求。
低消耗是經(jīng)濟型耐火材料的主要發(fā)展方向。原料實現(xiàn)低消耗的主要方向中擴大天然生料、輕燒料、再生料的采用和使用范圍。為保證耐火材料的高溫體積穩(wěn)定性，天然原料多須在較高溫度下燒結(jié)或電熔，使其達到瘠性化，盡可能趨于熱力學平衡態(tài)。這會導(dǎo)致能耗高，也會造成一定程度的能力富余，某種意義上造成隱形資源和能源浪費。可開發(fā)和應(yīng)用比傳統(tǒng)燒結(jié)溫度有所降低的非平衡態(tài)原料，甚至可直接加入一定量的天然生料，在一定程度上降低耐材的能耗。
研究發(fā)現(xiàn)，處于非平衡態(tài)的原料在使用過程中繼續(xù)發(fā)生有益的原位反應(yīng)，會帶來某些有益的作用。河科大高溫材料研究院和耕生公司的研究結(jié)果表明，添加一定量天然生料的澆注料有良好的效果，生料受熱后分解逸出的氣體形成通道，有助于提高抗爆裂性能。在鋁硅澆注料中加入生煤矸石或輕燒煤矸石，受熱后生成原位莫來石，可提高其熱態(tài)抗折強度、荷重軟化溫度，改善抗熱震性，同時也有助于實現(xiàn)重質(zhì)材料的輕量化。
在經(jīng)過了資源豐富、任意開采、采富棄貧的富裕時期，從業(yè)者越來越感受到資源危機帶赤的挑戰(zhàn)。當高品位礦漸趨枯竭，低品位礦日益成為主要原料來源的現(xiàn)狀，人們須重新考量原料和制品指標的科學性、合理性和適應(yīng)性，優(yōu)化原料配置，使其更具優(yōu)良的和有競爭力的性價比。應(yīng)考慮適當降低某些非熔體沖刷、侵蝕部位所用高鋁質(zhì)耐材的A12O3含量和體積密度，放寬對某些中低溫部位所用鋁硅質(zhì)耐材雜質(zhì)含量的要求。
近幾年用后耐火材料的再生利用以及廢棄耐火材料的利用率穩(wěn)步增長，再生利用技術(shù)水平逐漸提高，再生加工產(chǎn)業(yè)慢慢興起，專業(yè)化，規(guī)模化，系統(tǒng)化，標準化逐步走向成熟，為耐火材料行業(yè)提供了一定量價廉物美、高性價比的再生料，，提高了耐火材料資源高效利用、循環(huán)利用的水平和層次。這在一定程度上緩解了耐火原料資源緊張的局面，促進耐火材料工業(yè)向低消耗、減量化、經(jīng)濟型方向發(fā)展。除了用后耐火材料的再生利用，應(yīng)拓展其它工業(yè)廢棄物成為耐火材料資源化利用，如將鉻鐵、鈦鐵、鋼鐵廢渣、赤泥、煤矸石等廢棄物用于耐火材料的原料。
多元化的趨勢
受發(fā)展階段的限制，目前耐火原料以氧化鋁基、氧化鎂基、Al2O3-SiO2質(zhì)、Al2O3-MgO質(zhì)和石墨為主，原料呈現(xiàn)“粗(牌號劃分粗)、寬(指標范圍寬)、重(重質(zhì)料多)、高(燒結(jié)或電熔溫度高)”的現(xiàn)象，多元化不夠、系列化欠缺、精細化不足、標準局限性等問題凸顯。因此應(yīng)貫徹多元化與綜合化兼顧的發(fā)展方向。
原料材質(zhì)、形式和特性的多元化
近幾年在發(fā)展堿性原料新品種、多元化方面有新進展。如通過在氧化鎂中添加其他成分，開發(fā)的鎂基新原料有鎂鐵尖晶石、鎂鋁鐵復(fù)合尖晶石、鎂鋁鈦復(fù)合尖晶石等，合成鎂橄欖石重質(zhì)和輕質(zhì)原料正在開展，稀土改性的MgO-CaO砂、電熔MgO-CaO砂已投放市場，方鎂石-尖晶石二相復(fù)合的燒結(jié)料和電熔料已投放市場……開發(fā)的含氧化鈣的新原料有六鋁酸鈣、鈣長石、鈦鋁酸鈣、CA6-MA復(fù)合原料等等。
原料狀態(tài)的多元化
耐火原料的內(nèi)涵和外延都在擴展。除了傳統(tǒng)的氧化物、非氧化物原料，原料已從傳統(tǒng)的非金屬材料拓展到金屬材料，原料狀態(tài)由固態(tài)擴展到氣態(tài)。如在滑動水口、陶瓷杯產(chǎn)品配料中普遍將金屬Al、Si作為主原料使用，并在生產(chǎn)和使用過程中與周圍的N2、CO等氣態(tài)原料反應(yīng)生成非氧化物，強化材料的高溫性能。隨著技術(shù)的發(fā)展，原料從剛性發(fā)展到柔性，從有形擴展到無形，不排除將來“隱形”的物質(zhì)如磁場成為一種“特殊原料”的可能性。
原料外形的有利化
除了原料組分和特性變化形成的“新型”原料，還有原料外形變化形成的“新形”原料。如細粉尺寸從普通細度到微米乃至亞微米、納米級可大大提升原料的技術(shù)附加值，球形和近球形的粒料有助于改善不定形耐火材料的流變性能，短柱狀或管狀骨料有利于改善抗熱震性，等等。原料的內(nèi)在和外形共同影響耐火制品的生產(chǎn)制造、施工、使用性能和最終壽命。由于原料在后期加工成顆粒時其形狀難以控制，近幾年近終形原料被人們提出并付諸努力。
原料標準的豐富化
細化原料牌號及標準。在資源豐富、富礦景大的時期，我們的原料品種劃分較粗放。如《YB/T5179-2005高鋁礬土熟料》中牌號劃分明顯比《GB/T2273-2007燒結(jié)鎂砂》牌號劃分粗;就同一牌號的礬土熟料，也可按體積密度形成系列化。原料標準尚有缺位。目前尚沒有象葉臘石、鎂橄欖石、再生原料、耐火材料用非石墨碳質(zhì)原料等標準。隨著礦山開發(fā)管理水平的提高，加上礦藏的復(fù)雜性、多變性、獨特性，有必要細化有關(guān)原料品種，對原料標準的牌號進行系統(tǒng)化、適應(yīng)性、個性化的補充修訂完善。
特殊用途的要求
除了通用的高溫行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域，還有一些特殊行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)工藝技術(shù)或加工過程的要求，對耐火材料的某一或某些性能提出了特別要求，或要求其具有獨特的新性能，需要我們采用新的有突破性的原料，才能使耐火材料具有特性，以滿足特殊用途。有時這種從市場到產(chǎn)品，再到原料的倒逼機制促成了新原料的誕生。如為了增強材料的抗沖刷性，開發(fā)了致密電熔剛玉。
研究表明，鈣長石、六鋁酸鈣原料有較好的抗CO氣體和堿蒸汽的侵蝕性;引入表面具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的焦炭，可提高炮泥的透氣性。為使耐火材料在高溫時有良好的隔熱性，減少對流傳熱，也促使人們開發(fā)出具有微孔結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)原料等等。
物盡其用和可持續(xù)發(fā)展的要求
耐火材料分為酸性、堿性和中性，受歷史發(fā)展的延續(xù)性和資源分布的局限性，鋁硅質(zhì)耐火材料產(chǎn)量占比一直偏高。鋁工業(yè)及耐火材料行業(yè)的快速發(fā)展造成耐火黏土、鋁礬土的消耗量巨大，資源儲量銳減引起礬土熟料價格高漲。長此下去，勢必影響鋁硅質(zhì)耐火材料的生產(chǎn)應(yīng)用。從提高資源利用率及耐火材料行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的角度考慮，今后應(yīng)多關(guān)注酸性、半酸性，堿性、半堿性耐火材料的品種和產(chǎn)量，將優(yōu)勢研發(fā)、技術(shù)、資金、政策等要素集聚于利用相對豐富且廉價的硅石、菱鎂礦資源上，進行深加工，開發(fā)更多的品種，使其發(fā)揮更大的作用。同時還應(yīng)適當平衡酸性、堿性和中性耐火材料產(chǎn)量的比例，平衡硅石、菱鎂礦和鋁礬土的消耗速度;在窯爐設(shè)計選材上多考慮酸性、堿性耐火材料，使其有更大的用武之地;提高原料供應(yīng)對耐火材料發(fā)展的適應(yīng)性和該行業(yè)今后發(fā)展的可持續(xù)性。
若我們改變關(guān)注點降低標準，以無渣侵蝕及中低溫使用的標準來篩選耐火原料，將有更多的天然礦石或尾礦符合要求，也有更多的工業(yè)產(chǎn)品及其廢棄物可供選用。如河砂、海砂、沙漠砂、硅酸鹽水泥、衛(wèi)生瓷及建筑瓷等建筑垃圾都可在一定條件下，一定程度上資源化為耐火原料。
結(jié) 語
當前，我國高溫工業(yè)及耐火材料行業(yè)正處于從擴產(chǎn)增量發(fā)展向提質(zhì)增效發(fā)展轉(zhuǎn)變過程中，對耐火原料提出了新要求，倒逼耐火原料要提高其適應(yīng)性，圍繞高溫工業(yè)及耐火材料行業(yè)的新需求，堅持可持續(xù)的發(fā)展方向，開發(fā)多品種優(yōu)質(zhì)原料。除了傳統(tǒng)原料的創(chuàng)新提升，今后值得關(guān)注和努力的方向還包括原料的系列化、多元化、綜合化，具有獨特性能的新型原料，廣義的綠色環(huán)保型原料。為此，應(yīng)加強科技對原料發(fā)展的預(yù)見、引導(dǎo)和支撐作用，積極開發(fā)低耗、高效、綠色的新型優(yōu)質(zhì)原料，滿足耐火材料行業(yè)的新需求，促進耐火材料行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。
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