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何為節能型耐火材料?

耐火材料 是高溫工業的重要基礎材料。在全球大力提倡環境保護和發展低碳經濟的形勢下,發展節能環保和生態友好型耐火材料勢在必行。 耐火材料的主要用戶和耐火材料工業自身均為高耗能產業,是節能減排的重點對象。節能型耐材是極具發展活力的一種綠色耐火材

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作者admin 瀏覽 發布時間 2019-11-15 19:34

何為節能型耐火材料?

是高溫工業的重要基礎材料。在全球大力提倡環境保護和發展低碳經濟的形勢下,發展節能環保和生態友好型耐火材料勢在必行。
    耐火材料的主要用戶和耐火材料工業自身均為高耗能產業,是節能減排的重點對象。節能型耐材是極具發展活力的一種綠色耐火材料,應注重發展不定形耐火材料、節能型原料、高性能輕質骨料和制品以及不燒磚等。
    推廣不定形耐材 重視“四化”發展
    與燒成的定形耐火制品相比,不定形耐火材料可以不經成形和燒成而直接使用,從制備到施工的綜合能耗低是其諸多優點中最突出的,因而不定形耐火材料在世界各國都得到迅猛發展。其在整個耐材中所占的比例,已成為衡量耐材行業技術發展水平的重要標志。作為耐材技術領先的國家,日本目前不定形耐材產量占整個耐材的比例超過65%;美國和歐洲多國也都達到50%。2009年,我國不定形耐材產量占總產量的34.3%。由此可見,我國不定形耐材的發展空間還很大,大力開發新品種、增強性能、穩定質量并提高其應用水平是今后努力的方向。
    不定形耐火材料無須燒成,即使是預制件也只須在較低溫度熱處理即可,符合低碳經濟和綠色耐火材料理念。提高不定形耐材的比例,有助于減少煤耗和碳排放。為促進不定形耐火材料的推廣應用,應重視“四化”,即預制件化、高性能化、用戶友好化和使用環節高效化。
    預制件化:近年來,用澆注料做成的各種預制件呈現用量增加的趨勢,其無須在現場澆注施工,只須拼裝組合,使筑襯簡化,為用戶節省了大量時間,施工不受環境條件或季節條件的限制。采用澆注料可以制成各種大小不同、形狀各異的預制件,適合制作機壓成形難以實現的大型和異型構件。預制塊到現場無須長時間烘烤就可投用,而且對烘烤條件沒有苛刻的要求,使用更加方便。
    近年來,鋼包工作襯越來越多采用預制塊或不燒磚,高爐風口、陶瓷燃燒器采用澆注成形的預制件,中小高爐出鐵溝采用儲鐵式預制件,加熱爐采用預制件爐頂和燒嘴,國外甚至有澆注滑板等。這都說明預制件的應用日益廣泛。而魚雷罐、鐵水包、混鐵爐等磚砌襯也可以采用預制件。
    高性能化:加大開發高技術含量、高附加值的不定形耐材是其進一步推廣應用的關鍵。氧化物-非氧化物復合的耐火制品是當今耐材研發的熱點之一。目前,氧化物-非氧化物復合制品的制備系定形制品工藝途徑,燒成時控制氣氛。此法工藝復雜,設備投資較大,且難以滿足生產大型、異型制品的要求。就成形本身而言,振動法比機壓法更為合理。因為振動法便于使顆粒發生一定的重排而趨于緊密堆積,從而在較小的外力下達到致密化。采用澆注成形方法不僅可以獲得緊密堆積,而且拌和料中加入的水揮發后,形成氣孔通道,有利于氣相參與的碳化/氮化原位反應進行,有利于提高非氧化物轉化率,得到非氧化物網絡發育較好、結構更合理的復合材料。因此,用澆注成形方法制備原位非氧化物復合功能性耐材,是不定形耐材實現功能化、高性能化的重要途徑。
    有關研究在澆注料預制件碳化/氮化改性上做了嘗試,結果證明通過原位氮化生成Sialon增強相,可增強SiC基超低水泥澆注料冷態和熱態強度。碳化硅澆注料經過氮化處理后,顯微結構得到改善,基質區域發生原位反應,生成了Sialon相。經1420℃氮化處理后的碳化硅澆注料冷、熱態強度均顯著增強,1200℃~1400℃下的熱態抗折強度可達50兆帕左右。
    用戶友好和使用環節高效化:不定形耐材的施工、養護、烘烤、監測、維護、解體等使用環節的難易影響其被接受的程度。發展高效乃至自動化施工手段,采用快速養護、快速烘烤甚至免烘烤,機器人監測、維護和高效解體等,十分必要。 提高澆注料施工效率的舉措有:在混料時添加粉塵抑制劑解決惡化環境、施工延誤問題;通過減少物料潤濕時間和添加劑起作用時間來加快混料;盡量縮短甚至去掉養護時間,實現快速烘烤或免烘烤,減少烘烤過程中各溫度段的保溫時間。
    國外研究出一種定量研究澆注料烘烤行為的模型,通過內置探針在線檢測澆注料在烘烤過程中內部不同區域的溫度和壓強變化。研究結果表明,澆注料試樣自熱面向里,出現最高溫度和最大壓強的位置和時間并不同步。這種對澆注料實際烘烤行為的定量模擬可用于優化制定安全且合理的烘烤制度,值得關注。  
    有關文獻介紹了一種更適于小型或間歇性施工的新型干式噴射料。其克服了傳統干式噴射料附著率低、粉塵大等缺點,施工體性能達到濕式噴射施工的水平,且不易爆裂,設備投資和維護費用亦可大幅減小。此新型干式噴射料已成功應用于垃圾焚燒爐筑襯和鋼包沿的噴補。
    天然原料直接應用有助于節能
    將某些天然原料不經煅燒或僅經低溫輕燒后直接添加到特定體系的不定形中,一方面可以節省生料煅燒成熟料花費的大量能耗,另一方面還可以利用天然原料在制品使用中發生的原位反應起到改善澆注料某些性能的作用。
    天然原料受熱后因發生物理化學變化而導致體積不穩,因此在生產燒成制品時,所用原料尤其是骨料大多都要經預先高溫煅燒。不定形耐材是多組分、多物相的非均質體系。與燒成的定形耐火制品的明顯不同在于:在使用前,不定形耐材的基質處于未反應的遠離平衡態狀態;當使用時在高溫和時間的驅動下,基質的各組分將遵循相平衡關系趨于達到平衡;若控制得當,可形成有利于改善使用性能的產物。
    有關研究發現,高鋁礬土生料加入量為10%時對澆注料的性能影響不大,而加入高嶺土生料后,增強了澆注料的熱態強度和熱震穩定性。可見,利用我國較豐富的高鋁礬土、硬質黏土、煤矸石、紅柱石等天然原料,不經煅燒直接添加到Al2O3-SiO2系澆注料中,不僅可以節省煅燒成熟料所花費的大量能耗,而且還可起到增強某些性能的作用。但如何控制好生料在加熱過程中的反應并加以利用來增強澆注料的某些性能(如抗爆性、熱態強度、熱震穩定性等)仍需要大量的科研工作。
    高性能輕質耐材應為研發重點
    輕質隔熱耐材的應用是實現工業窯爐節能的有效措施。解決傳統輕質耐材強度低、使用溫度不夠高、隔熱效率和抗腐蝕介質侵蝕性不夠好等不足,對節能有重要作用。
    目前的工業爐通常采用諸多保溫襯材,存在易粉化、易擠壓變形且使用溫度有限、強度低、磚縫多、整體性不好等問題。因此,具有特殊結構和高性能的新型輕質合成原料(如微孔輕質骨料、高強莫來石中空球等)以及以此為原料開發的高性能輕質不定形耐火材料成為研發熱點。
    高性能合成輕質原料:近年來微孔輕質骨料的問世和應用值得關注。根據傳熱學的原理,輕質料的“微孔化”是實現高隔熱性和高強度的有效途徑。氣孔以微細化、球形化和閉孔化為最佳,可以大幅降低材料內部的對流傳熱效果,從而起到更好的隔熱和保溫作用。
    高性能輕質澆注料:輕質耐材按使用溫度的不同可分三個級別:普通類級別的使用溫度通常低于1200℃,原料來源豐富、價格低廉。高級別的使用溫度通常高于1500℃,主要使用如氧化鋁、氧化鋯這類高純氧化物經電熔噴吹制得的空心球作為骨料。這類材料具有使用溫度高的優點,但價格昂貴、強度低、難以廣泛應用。相對而言,滿足1200℃~1500℃用的輕質耐火材料的發展則較為緩慢。目前該溫度范圍的工業窯爐和熱工設備的背襯大都使用定形制品,存在整體性不好、強度低、施工效率不夠高等不足。考慮到莫來石材料具有較低的導熱系數、低的熱膨脹性和優良的高溫性能,可采用鋁硅系起始物料,合成輕質莫來石骨料如莫來石中空球、微孔莫來石骨料,并以其制備使用溫度在1200~1500℃、強度高、隔熱性良好的輕質耐火材料,將在節能減耗、實現窯爐結構輕型化和簡化方面大有作為。
    值得一提的是,耐火材料輕質化研究不應局限于傳統意義上的輕質隔熱耐火材料,而應著眼于整個耐火材料體系。對傳統重質耐火材料的輕質化改造也極為必要,而且在不定形耐火材料中更容易實現輕質化。如鋼包、中間包、加熱爐的永久襯實現輕質化在技術上沒有太大的難度,其推廣應用不僅可以為用戶降低耐火材料消耗,對促進高溫設備的保溫、節能亦有利。
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