我国耐火材料可持续发展方向

中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司 李红霞

       耐火材料工业自身可持续发展的重点是：以提高科技含量和服务增值为中心提高核心竞争力，实现耐火材料行业节能、环保和资源有效利用。如果说此前是耐火材料的规模扩张，当前及今后一段时间将是以科技引领的产品高技术含量和工程综合技术服务配套的减量化发展阶段（日本钢产量从1980年以来一直维持在1亿吨左右，但其耐火材料产量从250万吨减少到120万吨，吨钢耐火材料消耗由15 公斤降到2009年的7 公斤）。具体应体现为，以钢铁、有色、石化等产业振兴规划和国家节能减排政策为指导，发展高效节能、功能化、长寿命和安全化的高性能先进耐火材料，满足所服务的高温工业技术进步和节能减排的需要，实现资源、能源节约和环境友好。发展高效节能耐火材料——高效节能设计、高效节能生产、高效节能产品、高效节能使用，在减轻能源、资源、环境压力上做出贡献；发展耐火材料综合优化配置技术，充分发挥耐火材料的功能，以提高耐火材料的使用水平，实现消耗和排放的减量化；在高温使用时以提高安全性为目标，对耐火材料状态进行在线检测，实现耐火材料安全化智能化使用，防止漏穿或过早更换；发展环保生态型绿色耐火材料、提高耐火原料资源的有效利用、实施用后耐火材料再利用，实现可持续发展和循环经济。
       高温工业的科技进步是推动耐火材料发展进步的原动力和重要基础，耐火材料技术发展将与各高温工业的结构调整、节能降耗、环保和清洁生产、效率和能效的提高等紧密相关。今后，耐火材料的科技发展将呈现新的特点：其基础是提高产品品质和应用水平，重点是增加或强化新的内涵：节能、环保和低碳。耐火材料科技发展的基本方向是以自主创新为基本出发点，走耐火材料设计和应用科学化、制作及应用精细化和绿色化、消耗减量化和资源节约化的一体化道路，推动研究开发再上新的、更高的水平。因此，应着力加强计算机模拟、高温模拟在内的应用基础研究；重点关注节能、功能化的耐火材料的应用性能提高和功能化的深度开发、绿色环保和资源节约化的可持续发展研究，从而实现以应用基础研究带动耐火材料技术进步，推动高效、低消耗、功能化、节能、环保、安全智能化的先进耐火材料的大力发展。
       1、加强应用基础研究，实现耐火材料设计科学化、精细化。高温应用模拟和计算机模拟是科学设计耐火材料的基础和依据。耐火材料是使用环境条件最复杂的高温工程材料，在高温下经受化学、热学、力学（渣蚀、渗透、剥落、冲蚀、磨耗、热应力等）等的叠加作用，致使材料在服役过程中结构、性能发生衰退而终结使用寿命。因此，开展耐火材料在高温服役条件下的物理化学行为研究，是揭示耐火材料高温蚀损过程机制及影响因素，揭示耐火材料显微结构和性能与应用效果的关系，开发耐火材料服役状态下低损耗、功能化能力的有效手段。同一高温装置不同部位的耐火材料处于不同的服役环境，损毁过程和机制不同，损毁速度也不同步，另外，同一耐火材料制品的不同部位在服役时承受不同的温度、应力和不同侵蚀环境，因此，对耐火材料进行选材、结构（宏观/微观的）优化设计可获得高温装置和服役材料应用的长寿、高效、低消耗的良好效果。以计算机数值模拟和实验模拟为基础，分析计算高温容器耐火材料温度场分布和应力场分布，结合高温模拟研究，开展耐火材料结构的优化设计和在容器中配置的优化设计研究，建立耐火材料配置化、结构设计科学化、应用价值最大化的理论基础。
       2、加强组成—工艺—结构—性能的精细化研究，创新材料性能和功能。以耐火材料高温行为研究为基础的耐火材料功能化研究是当前耐火材料研究的前沿领域。采用计算机有限元模拟、细观力学设计等对材料组成、结构、工艺等进行研究，精细合理设计，发掘或赋予原位形成耐火材料的特定使用功能，如耐火材料应用状态下的自修复功能、工作表面原位反应自保护功能、洁净钢液功能、隔热保温功能等，实现耐火材料性能优化、应用科学化、智能化及使用消耗减量化。
       研究耐火材料在高温服役条件下通过自身内部反应实现使用性能提升的机制和实践，如实现原位反应的条件，原位反应的设计和特种添加剂的选择、加入形式和加入量等；通过表面组成设计研究在高温使用条件下耐火材料工作面使用性能提升机制及技术；研究梯度及复合耐火材料的组成、结构及控制技术，性能匹配和性能控制技术等，以及梯度及复合耐火材料的应用基础研究等。解决抑制耐火材料在服役中由于渗透变质剥落、热应力等导致损毁的一些关键技术瓶颈，改善使用性能，在使用寿命提高、消耗降低方面取得突破性进展，满足高温工业新工艺和新技术对耐火材料性能和使用寿命提出的更高或特殊的要求。
       3、加强高效隔热耐火材料和综合节能技术的开发，实现高温窑炉节能最大化、轻量化。隔热耐火材料是我国耐火材料发展的一个薄弱领域，未取得关键性技术突破，影响了高温窑炉热效率提高和高温技能技术的发展。针对隔热耐火材料整体落后、品种少、隔热性能较差，不能满足高温设备装置保温、隔热效果最优化设计选材和节能运行的需要，需大力开展在隔热耐火材料领域的共性关键技术和工程化研究。开发新型高效隔热耐火材料制备的关键工艺技术，研究适应不同使用温度的低热导率隔热耐火材料及其制备和应用技术，包括具有低热导率新材料的组成、合成工艺研究、低热导率新结构隔热复合耐火材料技术研究——微孔、超微孔结构隔热材料、纳米结构隔热材料、高温晶体纤维隔热材料等，构建系列高效隔热耐火材料的技术基础。同时，开展高温装置保温隔热材料优化配置、高效燃烧新技术、配套高效蓄热、换热材料研究，以综合节能技术全面提升高温窑炉热效率和节能水平。
       4、加强不定形耐火材料设计和应用技术研究，拓展应用领域。不定形耐火材料生产工艺能耗低、低碳、高效，在工业发达国家已经成为耐火材料的主体，在一定程度上不定形耐火材料的技术水平代表着行业的技术发展水平。决定不定形耐火材料科技含量高低的主要因素为材料组成设计、添加剂的选择、综合性能控制和应用技术水平的先进与落后。针对我国不定形耐火材料发展的薄弱环节，开展新型不定形耐火材料功能添加剂的开发研究、不定形耐火材料作业性能理论基础研究，如流变性能—作业性能—使用性能关系的基础研究、作业性能和烘烤性能的基础研究、服役过程中材料结构和性能变化的规律研究等，对发展高性能、长寿命、多功能新型不定形耐火材料及其施工技术等至关重要。
       不定形材料的研究中，轻质不定形材料将成为隔热耐火材料重点发展的领域。研究开发系列轻质耐火原料，开展轻质不定形材料组成结构设计，不同使用温度、不同使用条件下轻质不定形耐火材料骨料、基质、结合剂和隔热性能、高温性能的关系研究，轻质不定形耐火材料作业性能和施工技术研究等，为推动轻质不定形耐火材料在各领域的应用奠定基础。
       5、加强耐火原料资源和环境方面的公益研究，实现可持续发展。合理利用资源、节约资源是耐火材料行业可持续发展的紧迫任务，我国在这些方面的研究投入较少，需要加快研究耐火原料资源合理利用技术、用后耐火材料再利用技术、环境友好型耐火材料技术研究。
       我国耐火原料资源的利用率偏低，每年产生废弃的粉矿、低品位矿约千万吨，加之大量用后耐火材料未进行充分的综合利用，致使大量废弃矿堆占用耕地，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，每年不仅可节省数百万吨的耐火原料，同时可创造新的经济价值，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，不仅有显著的社会和经济效益，而且也是利在当代功在千秋的大事，有利于我国经济的可持续发展。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加入量、粒度、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、粉矿合成耐火原料的工业技术，如利用低品位铝矾土矿合成莫来石原料以及轻质莫来石原料，利用废弃橄榄石、蛇纹石、滑石粉矿合成镁橄榄石原料，研究利用废弃粉矿制备不定形耐火材料等。结合剂对耐火材料的性能和使用性能影响极大。与国外先进国家相比，我国耐火材料行业对结合剂、成型助剂等方面的研究较少，特别是环保型结合剂的研究开发，需要给予高度关注。
       中国已成为世界最大的耐火原料和耐火材料生产和消费国，也是当前世界最主要的研究耐火材料的国家。把握全球经济发展形势，研究国家高温工业产业结构调整、技术发展方向，以及低碳经济、节能环保政策给耐火材料工业发展带来的挑战和机遇，加大行业研发投入，坚持自主创新，调整产品结构，加大产业整合的力度，中国耐火材料科技发展大有希望。
（摘自《中国耐火材料工业60年》）