耐火材料工业技术发展述评_耐火材料工业的发展
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耐火材料工业技术发展述评
李红霞
中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司
2000年以来，我国几乎所有的高温工业的规模都稳居世界之首。粗钢产量由2001年的1.6 亿t增长到2015年的8.03 亿t；10种有色金属产量由2001年的857 万t增长到2015年的5 090 万t；水泥产量由2001年的6.61 亿t增长到2015年的23.48 亿t，平板玻璃产量由2001年的2.096 亿重量箱增长到2015年的7.386 亿重量箱。在钢铁、有色、水泥和玻璃等高温工业高速发展的强劲推动下，我国耐火材料工业迅速发展，耐火材料产量持续增长，从2001年的1 000万t左右增长到最高时（2011年）的2 949万t。目前，我国耐火材料产量已占世界总量的65%左右（如图1所示），中国已成为世界最大的耐火材料生产和消费国，是世界耐火材料的主要生产基地。近期，传统高温工业处于调结构、去产能的转折期，对耐火材料行业的发展影响深刻，耐火材料产量开始下降，2015年高于2 600万t，如图2所示（数据来源中国耐火材料行业协会）。2016年1—9月份1610.6万t，同比下降10.93%，致密定形产品同比下降7.2%，不定形产品下降18.93%，隔热制品同比增长5.66%。
图1 2013年全球各地耐火材料产量占比图2 2010—2015年我国耐火材料制品产量 1产品竞争力显著增强
自从2000年以来，我国耐火材料工业经过各方的努力，与世界先进水平的差距逐步缩小，产品参与国际市场竞争力的能力不断增强，发达国家与发展速度较快的国家对我国产品的认可和接受程度逐年增加，出口贸易额不断上升，耐火材料产品出口到日本、印度、韩国、美国、俄罗斯等国，市场遍及亚洲、欧洲和美洲等150多个国家和地区。目前，一方面，我国耐火材料出口量维持在500~560万（t见图3），出口贸易额也基本维持在30亿美元左右；另一方面，我国进口的耐火材料产品逐步减少，耐火原材料的进口量在2011年超过120万t后，近几年耐火原材料的进口量基本超过30万t，贸易额大约2亿美元，其中，进口的制品量在2.5~3.4万t(如图4所示)，占我国耐火材料制品产量不到0.1%。
（注：数据来源中国耐火材料行业协会）图3 2010—2015年我国耐火材料出口情况
（注：数据来源中国耐火材料行业协会）图4 2010—2014年我国耐火材料进口情况
2工艺装备水平
随着我国耐火材料工业的快速发展，重点耐材企业的装备水平不断提高，一些国际耐火材料生产巨头，如奥镁公司、维苏威等，以合资或独资建厂方式进入中国市场，采用国际先进装备，提高了企业竞争力。同时国内也涌现了一批大型企业，部分装备已接近或达到国际先进水平。例如营口青花集团从日本三石深井和德国莱斯公司先后购进10台2 000~3 600 t全自动液压机和机械手，从德国购进了2台（套）爱力许混砂机等世界顶级水平的设备，实现了微机化控制；海城后英集团在从德国莱斯公司购进2 000 t全自动液压机后，又从日本购进7台机械手与之配套。同时，国内福州海源、山东桑德机械、辽锻等设备制造企业研制生产的大吨位液压成型设备、电动螺旋压砖机等，在各耐火材料企业也取得了广泛应用。
随着国家对环保治理力度的加大，重点耐材企业的质量、环保、节能意识不断增强，设备更新升级加快，装备水平不断提高。从原料制备的超磨、高强混碾、电子自动称量，成型工序高吨位全自动液压机、电动螺旋压力机、机械手，到烧成工序的各类全程自动控制高温炉窑，还有高、精、尖检测设备和仪器，已在全行业各重点企业得到了广泛应用和推广。窑炉高温技术有了很大发展，呈现出大型化、节能化特点：例如高温竖窑内径从700 mm到1 800 mm形成系列；高温隧道窑年生产能力从5 000 到40 000 t，烧成温度可达到1 800 ℃。现代轻体节能梭式窑采用轻型薄壁窑衬结构（窑衬采用轻质材料，壁厚减少到460 mm以下）及高速对流的窑内传热，使窑升温快，窑体蓄热少，达到节能降耗的目的。轻型节能梭式窑的燃料消耗仅是普通倒焰窑的30%～40%，提高了生产效率，降低了能耗，减少了污染物的排放。此外，耐火材料生产企业更加注重生产过程的环保，在各产生粉尘的环节配套除尘装置或粉尘回收装置，含尘气体经处理达标后排放；耐火材料窑炉配套建设窑炉烟气除尘、脱硫、脱硝等治理装置，烟气经治理达标后排放。
综合分析发现，我国耐火材料生产工艺水平呈现几大特点：装备向大型化、现代化、自动化方向发展，生产工艺更加节能环保，操作管理自动化、智能化水平提高。虽然我国耐火材料生产企业的装备水平有了很大的改善，生产自动化程度有所提高，但是与先进国家相比还有一定的差距。这是因为我国耐火材料行业小，企业多，先进与落后装备并存，整体装备水平需要进一步提高。
3耐火材料行业的科技进步
自从2000年以来，为了满足钢铁、有色、水泥、玻璃等下游行业生产运行和技术发展的需要，耐火材料行业自主创新，不断研发应用耐火材料新技术，取得了多项重大成果，整体质量、性能和使用寿命不断提高，消耗逐年下降。钢铁行业耐火材料的吨钢消耗已下降到15 kg左右，新型干法水泥窑用耐火材料的消耗已下降0.5 kg/t熟料以下，浮法玻璃窑寿命也达到了8年的水平。
以钢铁行业为例，为满足了钢铁行业生产高效运行和技术发展的需要，耐火材料行业自主创新，不断开发应用耐火材料生产新技术，提高耐火材料产品的性能和使用寿命。例如，烧结刚玉、烧结镁铝尖晶石等合成原料快速发展，提升高品级耐火材料比例；微粉、超微粉（或纳米）技术在耐火材料的广泛应用，改善了耐火材料的成型性能、显微结构、烧结性能以及不定形耐火材料的施工性能，发展了自流浇注料、无水泥浇注料、湿式喷射料等新一代材料；复合技术、梯度多层复合设计技术、模拟技术应用改善材料的性能；新型添加剂、结合剂的应用，混练、成型及烧成设备等的进步，显著提高了耐火材料产品的质量、高温使用性能和使用寿命。
在焦炉方面，中钢洛耐院研发的复相结合碳化硅材料应用于干熄焦的牛腿部位，使牛腿部位寿命由1.5年提高到6年以上；在炼铁方面，研发出高炉炉缸用微孔炭砖、超微孔炭砖、高导热微孔模压炭砖、石墨砖、烧成微孔铝碳砖、微孔刚玉砖、微孔碳复合砖等系列产品，不断提高高炉炉缸的使用寿命。中钢洛耐院开发出全氮化硅结合碳化硅风口组合砖，材料性能优越，可满足高炉长寿要求；自主研发的赛隆结合刚玉产品，成功应用于宝钢COREX-C3000装置；开发环保Al2O3-SiC-C出铁沟浇注料、高效能环保炮泥等系列新产品，促进了高炉绿色环保生产技术的发展。在高炉热风炉方面，我国自主研发出系列高性能耐材产品(莫来石、硅线石、低蠕变砖)，多家钢厂使用效果良好；安耐克实业公司开发的大型高风温顶燃式热风炉技术装备在首钢京唐级高炉应用，取得了燃料比480 kg/t、风温达1300 ℃的国际领先水平，经济、环境和社会效益明显。
在炼钢方面，开发出复吹转炉供气元件，复吹寿命大于10 000炉，且在终点[C]在0.03%～0.08%范围内，钢水中的碳氧积可达到0.00251；在钢包方面，研发出低碳MgO-C质钢包、VD渣线材料（w（C）≤5%），服役时钢水增碳少，寿命长；在施工方面，研发出钢包整体浇注成套工艺、钢包喷补续衬焊接技术等，推动了炼钢清洁生产技术的进步，节能减排，循环经济。
在精炼与连铸方面，研制出镁钙系耐火制品应用于AOD炉，使用效果良好；中钢集团耐火材料公司所研制的无铬不烧镁尖晶石材料成功替代镁铬砖应用于RH炉，减少了铬污染。中钢集团洛耐院与濮耐高温材料有限公司等开发出梯度多层复合高性能功能耐火材料系列产品，不仅在国内推广应用，还出口美国、俄罗斯、韩国等，可满足洁净钢和特种钢连铸需求。
当前，我国耐火材料产品整体质量水平呈现不断提高，耐火材料消耗逐年下降的趋势。我国大中型钢铁企业的吨钢耐火材料消耗已下降到15 kg左右，最好的为9.3 kg。
4未来耐火材料行业的发展方向
为满足高温工业技术进步，实现高效、低耗、减排的绿色发展目标，今后耐火材料科技的主要任务是拓展功能与智能化发展，满足并促进高温工业技术进步和质量提升，以耐火材料的轻量化提高高温工业能效，降低配套材料负荷，以耐火材料长寿、减量化提高高温行业生产效率。
（1）耐火材料技术发展的方向。减量化：耐火材料长寿化与减量化研究，以提高耐火材料服役寿命、减少耐火材料消耗为宗旨的耐火材料组成、结构、性能一体化设计和全寿命调控技术。轻量化：耐火材料轻量化与节能化研究，发展多层面的耐火材料节能设计，实现耐火材料在高温装置作业过程中的节能效果最大化；多孔高强、微孔高强/高抗侵蚀轻质耐火材料、孔尺寸、分布及显气孔率对材料抗侵蚀性能的影响。功能化：耐火材料功能化与部件化研究，耐火材料关键高温性能提升和耐火材料适应服役条件的定制设计。智能化：以开发出智能化高温工程材料与仪器装置，实现高温装备的温度管理、侵蚀管理等，获得在线监测、数据收集、远程诊断等功能，提高耐火材料高温应用的安全性，同时减少耐火材料的使用与排放。同时通过数据的分析，优化耐火材料的设计与配置，提高冶金高温装置的使用效率，促进冶金流程的高效、连续、紧凑运行。
（2）提高耐火原料资源的综合利用率和用后耐火材料的再资源率。我国耐火原料资源的利用率偏低，用后耐火材料的不合理处置造成环境污染。做好废弃耐火粉矿、低品位矿回收利用工作，开发用后耐火材料的综合利用技术，获得各类有价值的原料，以制作不同种类和品级耐火材料，降低国家矿物资源和能源消耗，减少对耕地占用和环境污染、降低耐火材料的生产成本。具体措施是强化用后耐火材料资源化、工程化集成技术研究，如分类和拣选方法、除杂和均化处理方法，研究用后耐火材料资源化技术和再利用材料的设计制备参数等工艺对所制备耐火材料性能的影响；研究直接利用低品位矿、粉矿合成耐火原料，利用废弃粉矿制备不定形耐火材料技术等。
（3）优化耐火材料制备工艺流程与提高装备技术水平。耐火材料本身为密集型产业，多年来，耐火材料的制造流程优化研究没有得到重视。今后应关注耐火材料制造过程的物质流、能源流和信息流，减少各工艺过程物质消耗，关注在耐火材料的制备过程中能源的耗散，优化制备过程各工艺界面的布局，结合物料流程信息创新技术缩短流程，使耐火材料制备过程的物耗、能耗最低化。此外，需要关注单体装备技术、效能的提升。耐火材料装备性能、水平对耐火材料的研发、生产及产品的质量影响很大，必须不断研究开发先进研究设备、生产设备、检测仪器，对传统耐火材料生产用窑炉、压机、施工装备等进行改造。未来需要重点研究开发耐火材料生产智能自动化技术及节能装备、特种耐火材料成型技术和装备、耐火材料窑炉节能技术和装备、不定形耐火材料施工装备技术、新型耐火材料检测技术及装备。（转载自《耐火材料》创刊50周年和《China’s Refractories》创刊25周年”专刊，参考文献从略）
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