耐火原料多元化發展適應鋼鐵工業新常態

2018-11-10 10:25:03   閱讀次數:899
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耐火材料是鋼鐵工業的基礎性材料。耐材工業和鋼鐵工業相互促進,共同發展。隨著我國經濟進入新常態,鋼鐵工業出現了一系列新特征:產能過剩,盈利能力下降,環境資源約束增強,轉型升級面臨更多挑戰等。鋼鐵工業的新常態對處于產業鏈上游的耐材工業提出了新要求、新思維并促生新變化。耐材的性能及應用近年來呈現特性化、多元化、精細化、高效化和低耗化的特點,耐火原料的發展必須與之相適應,也將向多元化、豐富化、特色化等新態勢演變。


1 對耐火原料新要求的多元體現


1.1 綠色環保的新要求


1.1.1 滿足潔凈鋼冶煉的要求


潔凈鋼冶煉對煉鐵、煉鋼用相關輔料和耐材減少和避免污染鐵水、鋼水方面提出了新的要求。研究和實踐發現,鋁硅系耐材對鋼水會有所污染,鎂質材料不污染,而含有游離CaO的材料則非但不污染,還有潔凈鋼水的作用。為此,有良好抗水化性的燒結和電熔含游離CaO的鎂鈣原料受到青睞。


為了減少含碳耐材對鋼水的增碳污染,需要降低碳復合耐材的碳含量。為了消除降碳對抗熱震、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、石墨烯的研發和生產。


為了減少中間包工作襯對精煉后鋼水的"回磷"作用,開發了低磷或無磷的結合體系。


1.1.2 滿足鋼鐵工業"綠色化"的要求


鑒于Cr6+有致癌作用,含鉻耐材已被國家列入限制使用的產品,用低鉻和無鉻新材料取代含鉻材料勢在必行。如高性能鎂碳磚、鎂鋁尖晶石磚、鎂鋯磚等應用于RH 等精煉爐,可取代傳統的鎂鉻磚。


高爐出鐵口用的炮泥普遍采用焦油做結合劑,為減少生產和使用過程中對環境的污染,促使人們開發新的環保型結合劑。


為了減少傳統硅酸鋁耐火纖維在生產、加工、使用安裝、用后處理等過程對環境及人體的危害,生物可降解鈣鎂硅系耐火纖維已被開發使用。


1.1.3 滿足鋼鐵工業節能減排的要求


作為工業爐襯材料,采用節能型耐材勢在必行。近幾年開發和應用的有利于節能的新原料有:微孔結構輕質莫來石-質原料、莫來石質中空球、輕量化微孔燒結氧化鋁、CA6-MA 復相輕質骨料、橄欖石輕質料、尖晶石輕質料、納米孔二氧化硅粉體及其聚合體等。


1.2 發展經濟型耐材


目前,與耐火原料產業鏈相關的耐材行業、鋼鐵工業處于低迷期,低價中標成為該供應鏈關系的方向標。另一方面,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波動增大,靠高檔原料提高性能、廉價原料降低成本的技術配置路線逐漸走到盡頭。受此取向的引導,廉價型、經濟型耐火原料和制品將成為大趨勢。


低消耗是經濟型耐材的主要發展方向。原料實現低消耗的主要方向是擴大天然生料、輕燒料、再生料的使用范圍。為保證耐材的高溫體積穩定性,天然原料多須在高溫下燒結或電熔,使其達到瘠性化,盡可能趨于熱力學平衡態。這會導致能耗高,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。可開發和應用比傳統燒結溫度有所降低的非平衡態原料,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。


已有研究表明,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,可提高其熱態抗折強度、荷重軟化溫度,改善抗熱震性,同時也有助于實現重質材料的輕量化。


面對高品位礦漸趨枯竭,低品位礦日益成為主要原料來源的現狀,人們須重新考量原料和制品指標的科學性、合理性和適應性,優化原料配置,使其更具優良的和有競爭力的性價比。應考慮適當降低某些非熔體沖刷、侵蝕部位所用高鋁質耐材的A12O3 含量和體積密度,放寬對某些中低溫部位所用鋁硅質耐材雜質含量的要求。


1.3多元化的趨勢


1.3.1原料材質、形式和特性的多元化


近幾年堿性原料的新品種、多元化方面有新進展。如通過在MgO中添加其他成分,開發的新原料有鎂鐵尖晶石、鎂鋁鐵復合尖晶石、鎂鋁鈦復合尖晶石等;合成鎂橄欖石重質和輕質原料正在開展;稀土改性的MgO-CaO砂、電熔MgO-CaO砂已投放市場;方鎂石一尖晶石二相復合的燒結料和電熔料已投放市場等。開發的含CaO的新原料有六鋁酸鈣、鈣長石、鈦鋁酸鈣、CA6-MA復合原料等。


為滿足不同使用條件、使用溫度的需要,鋁土礦熟料的系列化尚需完善。目前Al2O3含量的劃分尚粗放;體積密度似乎越高越好,缺乏系列化;粒度供應為傳統型的,缺乏多元化。從體積密度來考量,目前不乏重質和輕質原料,但中密度料幾乎處于空白。目前使用重質耐材的部位,有的可使用相對輕量化的材料,或可將目前所用重質材料的體積密度降低0.1~0.5g?cm-3甚至更多。


為了彌補單一耐火原料某一或某些性能的不足,平衡其綜合性能,多相復合原料逐漸被接納和關注。如在剛玉和莫來石原料基礎上發展的鋯莫來石原料,兼具抗侵蝕性和低膨脹性,其改進型鋯剛玉莫來石料的性能則更優越。電爐底用MgO-CaO-Fe2O3系合成料、鎂鋁鐵尖晶石合成料、MgO-ZrO2-TiO2系合成料、ZrB2-SiC材料及新近出現的A12O3-TiO2-CaO系合成料等多相復合原料都具有相對更好的綜合性能。受梯度功能材料的啟發,近幾年梯度原料的概念被提出并進行制備探索。如:用表面碳酸化法生產防水化的鎂鈣砂;為了兼顧顆粒的高強度和低導熱性,可使其體積密度從表面到內部呈梯度變化;顆粒表面組分與內部組分的差異化設計,可有利于實現界面原位反應形成的正效應。


近幾年"組合原料"逐漸興起。它突破了傳統單一原料的概念。如水泥供應商根據季節、用戶產品系列、特性、施工等要求,將減水劑、緩凝劑、促凝劑、增塑劑等與水泥混合后提供給客戶,提高其使用的方便性、可操作性。有的供應商直接提供鋼包用高檔鋁鎂澆注料的添加料,將各種微粉及減水劑優化配置,組合打包銷售。


人們發現,不少所謂"原位耐火材料"往往表現更優。如原位生成莫來石、尖晶石、碳化硅、氮化硅、塞隆等,對制品的強化和改性作用往往大于加入相應預合成的料。將含有目標組分的原料預先配置于材料中使其在生產、服役過程中生成所需的目標成分和物相,是物美價量、多快好省的方案。


1.3.2原料狀態的多元化


除了傳統的氧化物、單質及非氧化物原料,耐火原料已從傳統的非金屬擴展到金屬材料,原料狀態由固態擴展到液、氣態。如在滑動水口、陶瓷杯產品的配料中普遍將金屬或合金(多為A1、Si)作為重要原料使用,它們在生產和使用過程中與周圍的N2(g)、CO(g)反應原位生成非氧化物,強化材料的高溫性能。此情形下,同時涉及金屬和氣態的原料。再如在澆注料中加入鋼纖維可提高其抗開裂和剝落能力。


1.3.3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(幾十到上百微米)到微米乃至亞微米、納米級,可大大提升原料的技術附加值;球形和近球形的骨料有助于改善不定形耐材的流變性能;中空骨料有利于隔熱;表面凸凹不平的骨料有利于提高握裹力;短柱狀或管狀骨料有利于改善抗熱震性;纖維狀或柔性料有利于改善強度及抗熱震性。用造粒法直接生產出不同粒徑的球形輕質骨料可以避免輕質塊料破碎時產生一定比例過小顆粒和細粉而不能使用造成的浪費;鈍角和長徑比小的顆粒有利于泥料的壓縮成型等。


原料形態有利化的另一種表現形式是預組合原料或稱服務型原料。原料供應商按客戶要求將一定比例不同粒度的顆粒料混合后供給客戶,用戶直接將該顆粒與細粉混合使用,減少其原料加工、篩分、混合作業工序。


1.3.4原料標準的豐富化


細化原料牌號及標準。同一牌號的礬土熟料,也可按體積密度形成系列化,應根據使用條件選擇合適體積密度的均質料。但目前尚沒有如礬土均質料、葉蠟石、鎂橄欖石、再生原料、耐材用非石墨碳質原料等標準。隨著礦山開發管理水平的提高,加上礦藏的復雜性、多變性、獨特性,有必要細化有關原料品種,對原料標準的牌號進行系統化、適應性、個性化的補充修訂完善。


1.4可持續發展的要求


耐火材料可分為酸性、堿性和中性三大類。目前,中性的鋁硅質耐火材料產量占比一直居高。鋁工業及耐材行業的快速發展造成耐火粘土、鋁土礦的消耗量巨大,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耐材的生產應用。今后應多關注酸性、半酸性和堿性、半堿性耐材品種和產量,將研發、技術、資金、政策等優勢要素集聚于利用相對豐富且廉價的硅石、菱鎂礦等資源上,進行深加工,提高其技術附加值,開發更多的品種,提高其適應性。適當平衡酸、堿性和中性耐材產量的比例,平衡硅石、菱鎂礦和鋁礬土的消耗速度。在窯爐設計選材上多關照酸性、堿性耐材,使其有更大的用武之地。提高原料供應對耐材發展的適應性及該行業今后發展的可持續性。


2結語


   當前我國鋼鐵工業及耐材行業正處于從擴產增量發展期向提質增效發展期轉變,對耐火原料提出了新要求,倒逼耐火原料要提高其適應性,圍繞鋼鐵工業及耐材行業的新需求,堅持可持續的發展方向,開發多品種優質原料。除了傳統原料的創新提升,今后值得關注和努力的方向為:1)原料的系列化、多元化、綜合化;2)具有獨特性能的新型原料;3)廣義的綠色環保型原料。為此,應加強科技對原料發展的預見、引導和支撐作用,積極開發低耗、高效、綠色的新型優質原料,滿足耐材行業的新需求,促進鋼鐵工業的健康發展。

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