我国耐火材料的现状与技术进步-中国窑炉信息网

　　1我国耐火材料的现状

　　改革开放三十多年，我国耐火材料工业有了很大的进步。我国耐火材料产量居世界第一位，耐火材料的质量与品种也得到很大的提高与发展，耐火材料技术水平也在迅速接近国际先进水平。但是，我国耐火材料工业还存在很多问题，如:耐火材料的消耗水平高；耐火材料生产厂多，集中度低；耐火材料产品质量稳定性较差；创新不够；研发工作主要集中在材料的配方-组成-结构与性能方面，而对生产过程控制及耐火材料的使用重视不够。

　　当前，我国经济发展已进入转型期。耐火材料用户产能大量过剩，经济效益下降，环境的要求亦日趋严格。这些给耐火材料企业造成了很大困难。造成这些问题的原因是多方面的，与我国国民经济发展模式转型有关，但也与耐火材料行业本身的问题密切相关。例如大量的中、小型企业的存在说明科技优势与大规模生产优势并没有充分发挥，给低水平中、小企业以生存机会。这些问题的产生与生产管理、科技进步以及耐火材料工作者的思维方式等因素有关，不可能很快得到完全解决。本文仅就有关科技方面的问题，提出一些看法与建议。

　　在材料领域中，耐火材料是一个小的、传统的分支，它没有得到足够的重视。它是国民经济不可或缺的基础材料，也是材料中显微结构最复杂的一种。它具有多组成、多粒度、非均质复合结构的特点，对这种结构的研究控制比其他材料要困难得多。因此，无论从研究的数量与深度都比其他材料落后，科学技术的发展也比较慢。回顾过去半个世纪，影响耐火材料发展的只有两项重要技术。

　　1)含碳耐火材料。日本的渡边明将石墨引入到耐火材料中来，构成了今天炼钢用耐火材料的主体。
　　2)不定型与不烧耐火材料。很多技术是从建筑混凝土工艺中借鉴过来的。

　　2耐火材料生产技术发展探讨

　　2.1大数据与耐火材料生产过程控制

　　近年来，大数据是个热门话题，它涉及人们日常生活、生产的各个方面。各国政府对大数据应用也非常重视。

　　所谓大数据实际上就是在人类生活与生产的过程中产生的数量极大的数据，在人类生活与生产过程中不可避免的、自然地大量的使用一些条件，产生大量的结果。当它们被用数据表示出来时，就形成了大数据。必须说明的是:大数据并非近几年才存在的。只要有人类生活与生产活动，各种数据必然会产生。只是由于过去技术比较落后，人们没有能力来表达、收集与处理这些数据。随着技术进步，现在人们收集与处理这些数据的能力大大加强，特别是计算技术的发展，处理数据的能力非常强大，使得人们比较容易从这些数据中得到有用的信息与规律。通过对大数据的分析可以从中获得对人们非常有用的信息。大数据分析的特点主要有三个。

　　1)与原来的数理统计分析不同，大数据分析用的是所有数据，而不是数据样本。

　　2)乐于接受数据的纷繁、复杂，不再过分追求数据的精确性，容许一点错误数据存在。

　　3)不特别关注数据之间的因果关系。只关心它们之间的有无关系。

　　大数据分析对耐火材料工业有很大意义。当前，耐火材料企业面临着很大的成本压力。一方面生产成本上升，另一方面销售价格下降。要改变这种状况，只有通过耐火材料企业自身的努力来解决，而大数据分析的应用会对此有帮助。

　耐火材料生产与使用包括三个阶段，见图1。

　　这三个阶段都与耐火材料成本密切相关。过去大量的工作集中在配方设计上，对后两个阶段关注很少。因此，在后两个阶段中仍有很大潜力可挖。大数据分析可以在后两个阶段发挥很好的作用，图2给出了一个耐火材料生产流程模型图。

　　在一个生产流程中，从原料开始，包含多个工序，为了控制各工序，都有一些自变数X1、X2……Xn，也产生一些因变数Y1、Y2……Yn。前一个工序的因变数也可能成为另一个工序的自变数。生产过程完成后，最后得到我们需要的产品。各变数之间可能存在某种关系。通过大数据分析可以了解它们之间的关系，从而得到最佳的工艺条件。除了技术参数之外，大数据中也可以包括成本等有关的经济因素。

　　2.2耐火材料显微结构与球形骨料

　　耐火材料的显微结构由骨料、基质与气孔组成。在耐火材料生产中，颗粒组成的设计是非常重要的，它对于保证显微结构以及性能的稳定性有重要意义。生产中先烧成熟料，再将熟料破碎成不同粒度的颗粒，例如尺寸为8-5mm、5-3mm、3-1mm和10mm的颗粒。以它们为骨料，以尺寸小于0.088mm或0.044mm的细粉为基质，以构成完整的耐火材料显微结构。这是现有耐火材料生产最广泛使用的方法。这种生产骨科的方式对保证耐火材料显微结构的稳定性非常不利。其一，对于某一种粒度范围内的实际粒度分布是不控制，也是无法控制的。试验证明，在一定的条件下，3-1mm的颗粒中2-1mm的颗粒可占到60%-70%，而在另一个条件下，2-1mm的颗粒只占到30%-40%。破碎得到的颗粒粒度尺寸分布与破碎材料的种类、机器设备的类型、加料方式以及筛分设备与工艺有密切关系。因此，耐火材料厂所使用的骨料的实际粒度分布是未知的、不稳定的。耐火材料显微结构的控制与稳定是很难实现的。同时，这种骨料的生产方式对原料制造厂也不利。因为为了生产某一种粒度范围的颗粒同时会生产其他粒度的颗粒，而这些粒度的颗粒又不是买家所需要的，造成成本提高与资源浪费。另一方面，颗粒的形状也与破碎物料的种类、设备以及破碎工艺相关，在实际生产中难以控制。

　　上述传统耐火材料骨料的生产方法很难实现对耐火材料显微结构的精细控制。因此，提出了一种球形骨料的生产方法。生产出不同粒径的球形颗粒作为骨料。目前已完成A12O3含量为88%和86%的矾土熟料以及莫来石的球形颗粒的工业试生产，生产了粒度分别为8mm、5mm、3mm、2mm、1mm、0.5mm和0.2mm的各种球形颗粒。实际上，各种组成与粒度的铝硅系球形颗粒骨料的生产都是可能的。利用莫来石-高硅氧玻璃球形颗粒，进行了一次制作轻质材料的探索性研究，发现在颗粒之间形成了很好的莫来石相。

　　应该指出，用球形骨料制造的耐火材料的显微结构可能与用传统骨料制得的耐火材料的显微结构有一定差别。它们的结构、性能以及它们之间的关系尚有待深入研究。

　　2.3耐火材料轻量化

　　所谓耐火材料的轻量化，就是要在保证使用寿命的前提下，减少耐火材料的体积密度。其目的有三个:其一是减少单位体积耐火材料用量以降低耐火材料消耗；其二是降低耐火材料的导热系数以减少工业炉的能耗；其三是降低耐火材料熟料的烧成温度，减少CO2的排放并降低成本。耐火材料骨料的存在主要是为了提高耐火材料的强度与抗热震性。骨料与基质的体积密度与气孔率相差较大。基质的气孔率通常在10%-20%之间，而骨料的气孔率在3%-5%左右。基质是耐火材料最脆弱的部分。渣的渗透首先沿基质渗透。渣会绕过骨料向耐火材料内部渗透，形成变质层。骨料会与变质层一起剥落进入渣中。因此，骨料太高的致密度也许是不必要的。

　　耐火材料热震破坏的原因是在热应力作用下，裂纹在基质中产生并扩散。当扩展裂纹碰到一个骨料时，只要骨料强度足够，裂纹就会弯转，增加扩散途径而消耗能量，提高耐火材料热震稳定性。从理论上讲，只要骨料的强度高于基质，就可以阻止裂纹通过骨料扩散，因此，骨料强度没有必要过高。

　　渣蚀与热应力是耐火材料蚀损的两个重要原因。过高的骨料体积密度是不必要的。可以通过降低骨料体积密度来降低耐火材料的体积密度与导热系数，以达到降低耐火材料消耗与节能减排的目标。表1中列出了用轻骨料制得的一种方镁石-尖晶石制品与用电熔镁砂为骨料制得的方镁石-尖晶石制品的性能的对比。这种制品已在某水泥窑上试用，表2为工业试验产品的性能。

　　由此可见，过度追求骨料的高密度与高强度，死烧熟料是不必要的。不仅造成原料厂家的成本上升，而且增加能耗与CO2的排放量。适当减少骨料的密度，特别是对于不和渣接触的耐火材料，是有意义的，是可以探索的。这一点不仅需要耐火材料生产企业、还需要耐火材料使用企业的理解与支持。

　　3结语

　　随着我国发展模式的调整，我国耐火材料工业遇到很大困难，但也是个机会。我们必须改变传统的思维方式，以适应“新常态”。从技术角度上看，也要放弃一些原有思想与概念，探索新思路，来降低成本、节约能耗与保护环境。