我國(guó)耐火材料科學(xué)研究中的重要問題
發(fā)布時(shí)間：
2020-10-29
要確立我國(guó)耐火材料的強(qiáng)國(guó)地位以及技術(shù)上的超高水平，在今后的耐火材料科研工作中下面三方面的問題值得重視。
一、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的研究
“可持續(xù)發(fā)展”是世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要問題。在耐火材料行業(yè)可做的工作很多，主要包括資源與能源的最有效利用；廢物的利用與耐火材料的循環(huán)使用等。
1、耐火材料礦產(chǎn)資源的綜合利用
經(jīng)過幾十年的無序開采與不當(dāng)利用，我國(guó)耐火材料資源浪費(fèi)嚴(yán)重，耐火材料礦產(chǎn)資源的矛盾已經(jīng)比較突出。
就鋁硅系資源而言，由于選擇優(yōu)質(zhì)礦產(chǎn)，采用落后的開采與煅燒技術(shù)，低價(jià)位出口，礦產(chǎn)資源破壞比較嚴(yán)重。我國(guó)高鋁礬土質(zhì)量的穩(wěn)定性問題依然沒有解決，與鋁工業(yè)爭(zhēng)原料的情況日益嚴(yán)重。大量的二、三級(jí)礬土被浪費(fèi)掉，只有用二、三級(jí)礬土制備莫萊石取得成功，目前大約已形成10萬(wàn)-30萬(wàn)t的產(chǎn)量，而且還在繼續(xù)增加中。
今后我國(guó)鋁硅系耐火材料原料的發(fā)展應(yīng)該遵循可持續(xù)發(fā)展的原則，提高材料的利用率與利用效率。技術(shù)發(fā)展有兩條路可走：一條是走我們過去走過的老路，即選礦提純與均化的路，事實(shí)證明，這條路在經(jīng)濟(jì)與效率上問題較大。另一條路可能會(huì)在耐火材料界引起很大爭(zhēng)論，那就是讓出特級(jí)及一級(jí)鋁礬土給鋁工業(yè)，我們則轉(zhuǎn)而利用鋁工業(yè)生產(chǎn)的氧化鋁以及由二、三級(jí)礬土所生產(chǎn)的莫萊石為原料來制備鋁硅系耐火材料。這一條技術(shù)路線的理由有兩個(gè)：（1）鋁工業(yè)中生產(chǎn)氧化鋁的技術(shù)是一個(gè)成熟的、大規(guī)模的生產(chǎn)技術(shù)，而礬土的選礦提純技術(shù)相對(duì)而言要不成熟很多。（2）采用工業(yè)氧化鋁為原料可以減少雜質(zhì)含量，實(shí)現(xiàn)精料化，生產(chǎn)得到的鋁硅系耐火材料的質(zhì)量提高，使用壽命延長(zhǎng)，從而提高資源的利用效率。
此外，在鋁硅系材料中，紅柱石、硅線石與藍(lán)晶石的研究也應(yīng)加強(qiáng)。這方面過去進(jìn)行過一些工作，但如何使不同品質(zhì)的這類材料得到綜合利用還有待加強(qiáng)。
就堿性材料而言，為了滿足鎂碳磚等優(yōu)質(zhì)耐火材料的需要，高純度優(yōu)質(zhì)菱鎂礦的資源已經(jīng)越來越少，而大量質(zhì)量尚好的菱鎂礦及粉礦被大量堆放不用,這造成了資源的浪費(fèi)。為了解決這一問題，有三方面的工作可以進(jìn)行：（1）物盡其用，不追求高純度、高質(zhì)量。不同檔次的產(chǎn)品采用不同的原料。同時(shí)，開展用低檔次的原料生產(chǎn)高檔次制品的研究。（2）開展資源綜合利用的研究，將粉礦等被廢棄的資源盡量利用起來。（3）發(fā)展白云石質(zhì)耐火材料。由于我國(guó)優(yōu)質(zhì)白云石的分布很廣，除了開展防水化研究外，還可考慮在鋼廠附近就近生產(chǎn)，以減少水化帶來的影響。
資源的綜合利用是和科學(xué)研究工作緊密相聯(lián)系的。只有當(dāng)科研工作做到使綜合利用變得有利可圖時(shí)，綜合利用才能真正實(shí)現(xiàn)。
2、耐火材料的回收利用
用后耐火材料的回收再利用近年來已受到廣泛重視。歐洲耐火材料的回收利用情況如下：
鋼鐵公司中的耐火材料質(zhì)量平衡：熔損33%，內(nèi)部再利用25%，外部再利用37%，廢氣5%。
耐火材料質(zhì)量總平衡：熔損33%，非耐火材料應(yīng)用31%，耐火材料循環(huán)使用24%，廢氣
12%。
可見，歐洲耐火材料的再生利用達(dá)到50%左右，被廢棄的耐火材料是很低的。我國(guó)耐火材料的回收利用還有很多工作可做。現(xiàn)在江浙地區(qū)、寶鋼及其附近地區(qū)工作做得較好。
耐火材料的回收利用包括兩個(gè)方法：一個(gè)是將用后的耐火材料破碎后作為原料再利用，這里面包括有用與無用部分的分離技術(shù)，以及用這部分原料制造新耐火材料的制造技術(shù)；另一個(gè)是耐火材料部件，如滑板的修復(fù)再利用，包括修復(fù)技術(shù)及粘接技術(shù)等。
3、減少于防止對(duì)環(huán)境的污染
耐火材料本身對(duì)環(huán)境的污染并不嚴(yán)重。除了未利用的原料及用后耐火材料的堆放造成土地的荒漠化及大氣灰塵外，近年來，最令人關(guān)心的鉻污染。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家中已禁止在水泥回轉(zhuǎn)窯中使用鎂鉻耐火材料，作為替代品使用的尖晶石及白云石材料已經(jīng)取得了較好的結(jié)果。在我國(guó)，有關(guān)研究及試用工作還在進(jìn)行中。
在冶金行業(yè)中，特別是有色冶金工業(yè)中，鎂鉻材料仍然是重要的耐火材料產(chǎn)品。與水泥工業(yè)不同，在冶金工業(yè)中的含鉻耐火材料不易直接轉(zhuǎn)化為六價(jià)鉻，對(duì)環(huán)境的污染可能會(huì)小一些。但是，原料與廢磚長(zhǎng)期露天堆放，同樣會(huì)造成六價(jià)鉻進(jìn)入地下水系造成污染。在目前情況下，當(dāng)務(wù)之急是加強(qiáng)廢磚的保管與回收利用，同時(shí)積極開發(fā)替代產(chǎn)品的研究，這在有色冶金工業(yè)中尚有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走。
二、幾個(gè)值得注意的問題：
對(duì)整個(gè)人類及一個(gè)國(guó)家而言，資源的重復(fù)使用、可再生資源的利用是可持續(xù)發(fā)展的重要因素。對(duì)一個(gè)行業(yè)而言，除了上述因素以外還需要不斷地出現(xiàn)新的思想才能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。以下幾點(diǎn)值得我們?nèi)ヅΑ?br />
1、新的思路，開發(fā)新的材料體系
像將石墨引入耐火材料中一樣，一個(gè)正確的新思路就會(huì)形成一個(gè)新的材料體系。近20多年我們尚未找到新的突破。
氧化物-氮化物復(fù)合材料已進(jìn)行了近20年的工作，除了氮化硅結(jié)合碳化硅及氮化硅剛玉外，未見很有希望的應(yīng)用前景。納米粉末的應(yīng)用仍處于初期階段，而且應(yīng)用范圍有限。今后仍應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究及學(xué)科的交叉以尋求有效的新的思路。
2、注意耐火材料新功能的開發(fā)
近年來，耐火材料工業(yè)呈現(xiàn)萎縮現(xiàn)象，產(chǎn)量越來越小。這與耐火材料的功能單一、追求的目標(biāo)單一有關(guān)。耐火材料在使用中的功能是抵抗高溫和渣的侵蝕，追求的目標(biāo)是長(zhǎng)壽。結(jié)果是受命越來越長(zhǎng)，產(chǎn)量越來越少。耐火材料要擺脫這種困境必須開發(fā)新的功能。除長(zhǎng)壽以外，還應(yīng)追求新的目標(biāo)。
例如，對(duì)冶金產(chǎn)品的凈化作用。調(diào)整與控制液相的成分，讓它在一定程度上參與冶金過程，就有可能對(duì)鋼水的凈化做出一定的貢獻(xiàn)。此外，通過改變精煉用耐火材料部件（如透氣磚、噴槍等）的結(jié)構(gòu)來提高其冶金效果，也應(yīng)屬于這一范疇。
隨著能源的緊張，節(jié)能是可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要方面。能不能開發(fā)出一種既具有耐高溫、抗侵蝕功能，又能有絕熱節(jié)能功能的材料？
三、加強(qiáng)學(xué)科交叉 借鑒別的學(xué)科的新知識(shí)與成熟經(jīng)驗(yàn)
許多耐火材料技術(shù)的發(fā)展都是學(xué)習(xí)了別的學(xué)科的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)，如澆注料的許多技術(shù)和理論來自混凝土。最近一個(gè)值得提出的是應(yīng)用有限元技術(shù)來計(jì)算耐火材料在使用條件下的溫度與應(yīng)力分布。熱應(yīng)力破壞是耐火材料損壞的兩個(gè)主要因素之一。而對(duì)于耐火材料熱應(yīng)力的計(jì)算及熱震穩(wěn)定性的研究仍處于較初級(jí)階段。近年來，由于有限元及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得這種計(jì)算成為可能。國(guó)外這方面的工作做得較多，但多數(shù)情況下仍將耐火材料當(dāng)成均質(zhì)體來考慮，但實(shí)際上耐火材料是一個(gè)復(fù)雜的非均質(zhì)、非線性材料。耐火材料在高溫下的性質(zhì)的相關(guān)數(shù)據(jù)也很缺乏。因此，真正要做到準(zhǔn)確計(jì)算熱應(yīng)力，在計(jì)算技術(shù)及材料的性能上還有很長(zhǎng)一段路要走。
此外，近年來材料設(shè)計(jì)中的一些其它新技術(shù)也應(yīng)考慮如何應(yīng)用于耐火材料上。
（摘自李楠教授在“2005年耐火材料行業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)”上的報(bào)告）
