我國耐火材料科學研究中的重要問題
發布時間：
2020-10-29
要確立我國耐火材料的強國地位以及技術上的領先水平，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、實現可持續發展的研究
“可持續發展”是世界各國經濟發展的重要問題。在耐火材料行業可做的工作很多，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使用等。
1、耐火材料礦產資源的綜合利用
經過幾十年的無序開采與不當利用，我國耐火材料資源浪費嚴重，耐火材料礦產資源的矛盾已經比較突出。
就鋁硅系資源而言，由于選擇優質礦產，采用落后的開采與煅燒技術，低價位出口，礦產資源破壞比較嚴重。我國高鋁礬土質量的穩定性問題依然沒有解決，與鋁工業爭原料的情況日益嚴重。大量的二、三級礬土被浪費掉，只有用二、三級礬土制備莫萊石取得成功，目前大約已形成10萬-30萬t的產量，而且還在繼續增加中。
今后我國鋁硅系耐火材料原料的發展應該遵循可持續發展的原則，提高材料的利用率與利用效率。技術發展有兩條路可走：一條是走我們過去走過的老路，即選礦提純與均化的路，事實證明，這條路在經濟與效率上問題較大。另一條路可能會在耐火材料界引起很大爭論，那就是讓出特級及一級鋁礬土給鋁工業，我們則轉而利用鋁工業生產的氧化鋁以及由二、三級礬土所生產的莫萊石為原料來制備鋁硅系耐火材料。這一條技術路線的理由有兩個：（1）鋁工業中生產氧化鋁的技術是一個成熟的、大規模的生產技術，而礬土的選礦提純技術相對而言要不成熟很多。（2）采用工業氧化鋁為原料可以減少雜質含量，實現精料化，生產得到的鋁硅系耐火材料的質量提高，使用壽命延長，從而提高資源的利用效率。
此外，在鋁硅系材料中，紅柱石、硅線石與藍晶石的研究也應加強。這方面過去進行過一些工作，但如何使不同品質的這類材料得到綜合利用還有待加強。
就堿性材料而言，為了滿足鎂碳磚等優質耐火材料的需要，高純度優質菱鎂礦的資源已經越來越少，而大量質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。為了解決這一問題，有三方面的工作可以進行：（1）物盡其用，不追求高純度、高質量。不同檔次的產品采用不同的原料。同時，開展用低檔次的原料生產高檔次制品的研究。（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）發展白云石質耐火材料。由于我國優質白云石的分布很廣，除了開展防水化研究外，還可考慮在鋼廠附近就近生產，以減少水化帶來的影響。
資源的綜合利用是和科學研究工作緊密相聯系的。只有當科研工作做到使綜合利用變得有利可圖時，綜合利用才能真正實現。
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量平衡：熔損33%，內部再利用25%，外部再利用37%，廢氣5%。
耐火材料質量總平衡：熔損33%，非耐火材料應用31%，耐火材料循環使用24%，廢氣
12%。
可見，歐洲耐火材料的再生利用達到50%左右，被廢棄的耐火材料是很低的。我國耐火材料的回收利用還有很多工作可做。現在江浙地區、寶鋼及其附近地區工作做得較好。
耐火材料的回收利用包括兩個方法：一個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，以及用這部分原料制造新耐火材料的制造技術；另一個是耐火材料部件，如滑板的修復再利用，包括修復技術及粘接技術等。
3、減少于防止對環境的污染
耐火材料本身對環境的污染并不嚴重。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，最令人關心的鉻污染。在一些發達國家中已禁止在水泥回轉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取得了較好的結果。在我國，有關研究及試用工作還在進行中。
在冶金行業中，特別是有色冶金工業中，鎂鉻材料仍然是重要的耐火材料產品。與水泥工業不同，在冶金工業中的含鉻耐火材料不易直接轉化為六價鉻，對環境的污染可能會小一些。但是，原料與廢磚長期露天堆放，同樣會造成六價鉻進入地下水系造成污染。在目前情況下，當務之急是加強廢磚的保管與回收利用，同時積極開發替代產品的研究，這在有色冶金工業中尚有相當長的路要走。
二、幾個值得注意的問題：
對整個人類及一個國家而言，資源的重復使用、可再生資源的利用是可持續發展的重要因素。對一個行業而言，除了上述因素以外還需要不斷地出現新的思想才能實現可持續發展。以下幾點值得我們去努力。
1、新的思路，開發新的材料體系
像將石墨引入耐火材料中一樣，一個正確的新思路就會形成一個新的材料體系。近20多年我們尚未找到新的突破。
氧化物-氮化物復合材料已進行了近20年的工作，除了氮化硅結合碳化硅及氮化硅剛玉外，未見很有希望的應用前景。納米粉末的應用仍處于初期階段，而且應用范圍有限。今后仍應加強基礎研究及學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
近年來，耐火材料工業呈現萎縮現象，產量越來越小。這與耐火材料的功能單一、追求的目標單一有關。耐火材料在使用中的功能是抵抗高溫和渣的侵蝕，追求的目標是長壽。結果是受命越來越長，產量越來越少。耐火材料要擺脫這種困境必須開發新的功能。除長壽以外，還應追求新的目標。
例如，對冶金產品的凈化作用。調整與控制液相的成分，讓它在一定程度上參與冶金過程，就有可能對鋼水的凈化做出一定的貢獻。此外，通過改變精煉用耐火材料部件（如透氣磚、噴槍等）的結構來提高其冶金效果，也應屬于這一范疇。
隨著能源的緊張，節能是可持續發展的一個重要方面。能不能開發出一種既具有耐高溫、抗侵蝕功能，又能有絕熱節能功能的材料？
三、加強學科交叉 借鑒別的學科的新知識與成熟經驗
許多耐火材料技術的發展都是學習了別的學科的經驗與技術，如澆注料的許多技術和理論來自混凝土。最近一個值得提出的是應用有限元技術來計算耐火材料在使用條件下的溫度與應力分布。熱應力破壞是耐火材料損壞的兩個主要因素之一。而對于耐火材料熱應力的計算及熱震穩定性的研究仍處于較初級階段。近年來，由于有限元及計算機技術的發展，使得這種計算成為可能。國外這方面的工作做得較多，但多數情況下仍將耐火材料當成均質體來考慮，但實際上耐火材料是一個復雜的非均質、非線性材料。耐火材料在高溫下的性質的相關數據也很缺乏。因此，真正要做到準確計算熱應力，在計算技術及材料的性能上還有很長一段路要走。
此外，近年來材料設計中的一些其它新技術也應考慮如何應用于耐火材料上。
（摘自李楠教授在“2005年耐火材料行業可持續發展戰略研討會”上的報告）
