節(jié)能型耐火耐材
耐火材料是高溫工業(yè)的重要基礎(chǔ)材料。在全球大力提倡環(huán)境保護和發(fā)展低碳經(jīng)濟的形勢下，發(fā)展節(jié)能環(huán)保和生態(tài)友好型耐火材料勢在必行。
耐火材料的主要用戶和耐火材料工業(yè)自身均為高耗能產(chǎn)業(yè)，是節(jié)能減排的重點對象。節(jié)能型耐材是極具發(fā)展活力的一種綠色耐火材料，應(yīng)注重發(fā)展不定形耐火材料、節(jié)能型原料、高性能輕質(zhì)骨料和制品以及不燒磚等。
推廣不定形耐材 重視“四化”發(fā)展
與燒成的定形耐火制品相比，不定形耐火材料可以不經(jīng)成形和燒成而直接使用，從制備到施工的綜合能耗低是其諸多優(yōu)點中最突出的，因而不定形耐火材料在世界各國都得到迅猛發(fā)展。其在整個耐材中所占的比例，已成為衡量耐材行業(yè)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。作為耐材技術(shù)領(lǐng)先的國家，日本目前不定形耐材產(chǎn)量占整個耐材的比例超過65%；美國和歐洲多國也都達(dá)到50%。2009年，我國不定形耐材產(chǎn)量占總產(chǎn)量的34.3%。由此可見，我國不定形耐材的發(fā)展空間還很大，大力開發(fā)新品種、增強性能、穩(wěn)定質(zhì)量并提高其應(yīng)用水平是今后努力的方向。
不定形耐火材料無須燒成，即使是預(yù)制件也只須在較低溫度熱處理即可，符合低碳經(jīng)濟和綠色耐火材料理念。提高不定形耐材的比例，有助于減少煤耗和碳排放。為促進不定形耐火材料的推廣應(yīng)用，應(yīng)重視“四化”，即預(yù)制件化、高性能化、用戶友好化和使用環(huán)節(jié)高效化。
預(yù)制件化：近年來，用澆注料做成的各種預(yù)制件呈現(xiàn)用量增加的趨勢，其無須在現(xiàn)場澆注施工，只須拼裝組合，使筑襯簡化，為用戶節(jié)省了大量時間，施工不受環(huán)境條件或季節(jié)條件的限制。采用澆注料可以制成各種大小不同、形狀各異的預(yù)制件，適合制作機壓成形難以實現(xiàn)的大型和異型構(gòu)件。預(yù)制塊到現(xiàn)場無須長時間烘烤就可投用，而且對烘烤條件沒有苛刻的要求，使用更加方便。
近年來，鋼包工作襯越來越多采用預(yù)制塊或不燒磚，高爐風(fēng)口、陶瓷燃燒器采用澆注成形的預(yù)制件，中小高爐出鐵溝采用儲鐵式預(yù)制件，加熱爐采用預(yù)制件爐頂和燒嘴，國外甚至有澆注滑板等。這都說明預(yù)制件的應(yīng)用日益廣泛。而魚雷罐、鐵水包、混鐵爐等磚砌襯也可以采用預(yù)制件。
高性能化：加大開發(fā)高技術(shù)含量、高附加值的不定形耐材是其進一步推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。氧化物-非氧化物復(fù)合的耐火制品是當(dāng)今耐材研發(fā)的熱點之一。目前，氧化物－非氧化物復(fù)合制品的制備系定形制品工藝途徑，燒成時控制氣氛。此法工藝復(fù)雜，設(shè)備投資較大，且難以滿足生產(chǎn)大型、異型制品的要求。就成形本身而言，振動法比機壓法更為合理。因為振動法便于使顆粒發(fā)生一定的重排而趨于緊密堆積，從而在較小的外力下達(dá)到致密化。采用澆注成形方法不僅可以獲得緊密堆積，而且拌和料中加入的水揮發(fā)后，形成氣孔通道，有利于氣相參與的碳化/氮化原位反應(yīng)進行，有利于提高非氧化物轉(zhuǎn)化率，得到非氧化物網(wǎng)絡(luò)發(fā)育較好、結(jié)構(gòu)更合理的復(fù)合材料。因此，用澆注成形方法制備原位非氧化物復(fù)合功能性耐材，是不定形耐材實現(xiàn)功能化、高性能化的重要途徑。
有關(guān)研究在澆注料預(yù)制件碳化/氮化改性上做了嘗試，結(jié)果證明通過原位氮化生成Sialon增強相，可增強SiC基超低水泥澆注料冷態(tài)和熱態(tài)強度。碳化硅澆注料經(jīng)過氮化處理后，顯微結(jié)構(gòu)得到改善，基質(zhì)區(qū)域發(fā)生原位反應(yīng)，生成了Sialon相。經(jīng)1420℃氮化處理后的碳化硅澆注料冷、熱態(tài)強度均顯著增強，1200℃～1400℃下的熱態(tài)抗折強度可達(dá)50兆帕左右。
用戶友好和使用環(huán)節(jié)高效化：不定形耐材的施工、養(yǎng)護、烘烤、監(jiān)測、維護、解體等使用環(huán)節(jié)的難易影響其被接受的程度。發(fā)展高效乃至自動化施工手段，采用快速養(yǎng)護、快速烘烤甚至免烘烤，機器人監(jiān)測、維護和高效解體等，十分必要。 提高澆注料施工效率的舉措有：在混料時添加粉塵抑制劑解決惡化環(huán)境、施工延誤問題；通過減少物料潤濕時間和添加劑起作用時間來加快混料；盡量縮短甚至去掉養(yǎng)護時間，實現(xiàn)快速烘烤或免烘烤，減少烘烤過程中各溫度段的保溫時間。
國外研究出一種定量研究澆注料烘烤行為的模型，通過內(nèi)置探針在線檢測澆注料在烘烤過程中內(nèi)部不同區(qū)域的溫度和壓強變化。研究結(jié)果表明，澆注料試樣自熱面向里，出現(xiàn)最高溫度和最大壓強的位置和時間并不同步。這種對澆注料實際烘烤行為的定量模擬可用于優(yōu)化制定安全且合理的烘烤制度，值得關(guān)注。
有關(guān)文獻(xiàn)介紹了一種更適于小型或間歇性施工的新型干式噴射料。其克服了傳統(tǒng)干式噴射料附著率低、粉塵大等缺點，施工體性能達(dá)到濕式噴射施工的水平，且不易爆裂，設(shè)備投資和維護費用亦可大幅減小。此新型干式噴射料已成功應(yīng)用于垃圾焚燒爐筑襯和鋼包沿的噴補。
天然原料直接應(yīng)用有助于節(jié)能
將某些天然原料不經(jīng)煅燒或僅經(jīng)低溫輕燒后直接添加到特定體系的不定形耐材中，一方面可以節(jié)省生料煅燒成熟料花費的大量能耗，另一方面還可以利用天然原料在制品使用中發(fā)生的原位反應(yīng)起到改善澆注料某些性能的作用。
天然原料受熱后因發(fā)生物理化學(xué)變化而導(dǎo)致體積不穩(wěn)，因此在生產(chǎn)燒成制品時，所用原料尤其是骨料大多都要經(jīng)預(yù)先高溫煅燒。不定形耐材是多組分、多物相的非均質(zhì)體系。與燒成的定形耐火制品的明顯不同在于：在使用前，不定形耐材的基質(zhì)處于未反應(yīng)的遠(yuǎn)離平衡態(tài)狀態(tài)；當(dāng)使用時在高溫和時間的驅(qū)動下，基質(zhì)的各組分將遵循相平衡關(guān)系趨于達(dá)到平衡；若控制得當(dāng)，可形成有利于改善使用性能的產(chǎn)物。
有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，高鋁礬土生料加入量為10%時對澆注料的性能影響不大，而加入高嶺土生料后，增強了澆注料的熱態(tài)強度和熱震穩(wěn)定性?？梢姡梦覈^豐富的高鋁礬土、硬質(zhì)黏土、煤矸石、紅柱石等天然原料，不經(jīng)煅燒直接添加到Al2O3-SiO2系澆注料中，不僅可以節(jié)省煅燒成熟料所花費的大量能耗，而且還可起到增強某些性能的作用。但如何控制好生料在加熱過程中的反應(yīng)并加以利用來增強澆注料的某些性能（如抗爆性、熱態(tài)強度、熱震穩(wěn)定性等）仍需要大量的科研工作。
高性能輕質(zhì)耐材應(yīng)為研發(fā)重點
輕質(zhì)隔熱耐材的應(yīng)用是實現(xiàn)工業(yè)窯爐節(jié)能的有效措施。解決傳統(tǒng)輕質(zhì)耐材強度低、使用溫度不夠高、隔熱效率和抗腐蝕介質(zhì)侵蝕性不夠好等不足，對節(jié)能有重要作用。
目前的工業(yè)爐通常采用諸多保溫襯材，存在易粉化、易擠壓變形且使用溫度有限、強度低、磚縫多、整體性不好等問題。因此，具有特殊結(jié)構(gòu)和高性能的新型輕質(zhì)合成原料（如微孔輕質(zhì)骨料、高強莫來石中空球等）以及以此為原料開發(fā)的高性能輕質(zhì)不定形耐火材料成為研發(fā)熱點。
高性能合成輕質(zhì)原料：近年來微孔輕質(zhì)骨料的問世和應(yīng)用值得關(guān)注。根據(jù)傳熱學(xué)的原理，輕質(zhì)料的“微孔化”是實現(xiàn)高隔熱性和高強度的有效途徑。氣孔以微細(xì)化、球形化和閉孔化為最佳，可以大幅降低材料內(nèi)部的對流傳熱效果，從而起到更好的隔熱和保溫作用。
高性能輕質(zhì)澆注料：輕質(zhì)耐材按使用溫度的不同可分三個級別：普通類級別的使用溫度通常低于1200℃，原料來源豐富、價格低廉。高級別的使用溫度通常高于1500℃，主要使用如氧化鋁、氧化鋯這類高純氧化物經(jīng)電熔噴吹制得的空心球作為骨料。這類材料具有使用溫度高的優(yōu)點，但價格昂貴、強度低、難以廣泛應(yīng)用。相對而言，滿足1200℃～1500℃用的輕質(zhì)耐火材料的發(fā)展則較為緩慢。目前該溫度范圍的工業(yè)窯爐和熱工設(shè)備的背襯大都使用定形制品，存在整體性不好、強度低、施工效率不夠高等不足。考慮到莫來石材料具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)、低的熱膨脹性和優(yōu)良的高溫性能，可采用鋁硅系起始物料，合成輕質(zhì)莫來石骨料如莫來石中空球、微孔莫來石骨料，并以其制備使用溫度在1200～1500℃、強度高、隔熱性良好的輕質(zhì)耐火材料，將在節(jié)能減耗、實現(xiàn)窯爐結(jié)構(gòu)輕型化和簡化方面大有作為。
值得一提的是，耐火材料輕質(zhì)化研究不應(yīng)局限于傳統(tǒng)意義上的輕質(zhì)隔熱耐火材料，而應(yīng)著眼于整個耐火材料體系。對傳統(tǒng)重質(zhì)耐火材料的輕質(zhì)化改造也極為必要，而且在不定形耐火材料中更容易實現(xiàn)輕質(zhì)化。如鋼包、中間包、加熱爐的永久襯實現(xiàn)輕質(zhì)化在技術(shù)上沒有太大的難度，其推廣應(yīng)用不僅可以為用戶降低耐火材料消耗，對促進高溫設(shè)備的保溫、節(jié)能亦有利。
