耐火原料多元化发展适应钢铁工业新常态

2018-11-10 10:25:03   阅读次数:407
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耐火材料是钢铁工业的基础性材料。耐材工业和钢铁工业相互促进,共同发展。随着我国经济进入新常态,钢铁工业出现了一系列新特征:产能过剩,盈利能力下降,环境资源约束增强,转型升级面临更多挑战等。钢铁工业的新常态对处于产业链上游的耐材工业提出了新要求、新思维并促生新变化。耐材的性能及应用近年来呈现特性化、多元化、精细化、高效化和低耗化的特点,耐火原料的发展必须与之相适应,也将向多元化、丰富化、特色化等新态势演变。


1 对耐火原料新要求的多元体现


1.1 绿色环保的新要求


1.1.1 满足洁净钢冶炼的要求


洁净钢冶炼对炼铁、炼钢用相关辅料和耐材减少和避免污染铁水、钢水方面提出了新的要求。研究和实践发现,铝硅系耐材对钢水会有所污染,镁质材料不污染,而含有游离CaO的材料则非但不污染,还有洁净钢水的作用。为此,有良好抗水化性的烧结和电熔含游离CaO的镁钙原料受到青睐。


为了减少含碳耐材对钢水的增碳污染,需要降低碳复合耐材的碳含量。为了消除降碳对抗热震、抗侵蚀等性能的副作用,需要引入弥散化碳源。促进了适合耐火材料用各种纳米碳源如炭黑、纳米碳管、石墨烯的研发和生产。


为了减少中间包工作衬对精炼后钢水的"回磷"作用,开发了低磷或无磷的结合体系。


1.1.2 满足钢铁工业"绿色化"的要求


鉴于Cr6+有致癌作用,含铬耐材已被国家列入限制使用的产品,用低铬和无铬新材料取代含铬材料势在必行。如高性能镁碳砖、镁铝尖晶石砖、镁锆砖等应用于RH 等精炼炉,可取代传统的镁铬砖。


高炉出铁口用的炮泥普遍采用焦油做结合剂,为减少生产和使用过程中对环境的污染,促使人们开发新的环保型结合剂。


为了减少传统硅酸铝耐火纤维在生产、加工、使用安装、用后处理等过程对环境及人体的危害,生物可降解钙镁硅系耐火纤维已被开发使用。


1.1.3 满足钢铁工业节能减排的要求


作为工业炉衬材料,采用节能型耐材势在必行。近几年开发和应用的有利于节能的新原料有:微孔结构轻质莫来石-质原料、莫来石质中空球、轻量化微孔烧结氧化铝、CA6-MA 复相轻质骨料、橄榄石轻质料、尖晶石轻质料、纳米孔二氧化硅粉体及其聚合体等。


1.2 发展经济型耐材


目前,与耐火原料产业链相关的耐材行业、钢铁工业处于低迷期,低价中标成为该供应链关系的方向标。另一方面,有的高品位天然矿物原料如高铝矾土逐渐枯竭,矿石品位下降且品质波动增大,靠高档原料提高性能、廉价原料降低成本的技术配置路线逐渐走到尽头。受此取向的引导,廉价型、经济型耐火原料和制品将成为大趋势。


低消耗是经济型耐材的主要发展方向。原料实现低消耗的主要方向是扩大天然生料、轻烧料、再生料的使用范围。为保证耐材的高温体积稳定性,天然原料多须在高温下烧结或电熔,使其达到瘠性化,尽可能趋于热力学平衡态。这会导致能耗高,也会造成一定程度的能力富余,某种意义上造成隐形资源和能源浪费。可开发和应用比传统烧结温度有所降低的非平衡态原料,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浇注料有良好的效果,生料受热后分解逸出的气体形成通道,有助于提高抗爆裂性能。在铝硅浇注料中加入生煤矸石或轻烧煤矸石,受热后生成原位莫来石,可提高其热态抗折强度、荷重软化温度,改善抗热震性,同时也有助于实现重质材料的轻量化。


面对高品位矿渐趋枯竭,低品位矿日益成为主要原料来源的现状,人们须重新考量原料和制品指标的科学性、合理性和适应性,优化原料配置,使其更具优良的和有竞争力的性价比。应考虑适当降低某些非熔体冲刷、侵蚀部位所用高铝质耐材的A12O3 含量和体积密度,放宽对某些中低温部位所用铝硅质耐材杂质含量的要求。


1.3多元化的趋势


1.3.1原料材质、形式和特性的多元化


近几年碱性原料的新品种、多元化方面有新进展。如通过在MgO中添加其他成分,开发的新原料有镁铁尖晶石、镁铝铁复合尖晶石、镁铝钛复合尖晶石等;合成镁橄榄石重质和轻质原料正在开展;稀土改性的MgO-CaO砂、电熔MgO-CaO砂已投放市场;方镁石一尖晶石二相复合的烧结料和电熔料已投放市场等。开发的含CaO的新原料有六铝酸钙、钙长石、钛铝酸钙、CA6-MA复合原料等。


为满足不同使用条件、使用温度的需要,铝土矿熟料的系列化尚需完善。目前Al2O3含量的划分尚粗放;体积密度似乎越高越好,缺乏系列化;粒度供应为传统型的,缺乏多元化。从体积密度来考量,目前不乏重质和轻质原料,但中密度料几乎处于空白。目前使用重质耐材的部位,有的可使用相对轻量化的材料,或可将目前所用重质材料的体积密度降低0.1~0.5g?cm-3甚至更多。


为了弥补单一耐火原料某一或某些性能的不足,平衡其综合性能,多相复合原料逐渐被接纳和关注。如在刚玉和莫来石原料基础上发展的锆莫来石原料,兼具抗侵蚀性和低膨胀性,其改进型锆刚玉莫来石料的性能则更优越。电炉底用MgO-CaO-Fe2O3系合成料、镁铝铁尖晶石合成料、MgO-ZrO2-TiO2系合成料、ZrB2-SiC材料及新近出现的A12O3-TiO2-CaO系合成料等多相复合原料都具有相对更好的综合性能。受梯度功能材料的启发,近几年梯度原料的概念被提出并进行制备探索。如:用表面碳酸化法生产防水化的镁钙砂;为了兼顾颗粒的高强度和低导热性,可使其体积密度从表面到内部呈梯度变化;颗粒表面组分与内部组分的差异化设计,可有利于实现界面原位反应形成的正效应。


近几年"组合原料"逐渐兴起。它突破了传统单一原料的概念。如水泥供应商根据季节、用户产品系列、特性、施工等要求,将减水剂、缓凝剂、促凝剂、增塑剂等与水泥混合后提供给客户,提高其使用的方便性、可操作性。有的供应商直接提供钢包用高档铝镁浇注料的添加料,将各种微粉及减水剂优化配置,组合打包销售。


人们发现,不少所谓"原位耐火材料"往往表现更优。如原位生成莫来石、尖晶石、碳化硅、氮化硅、塞隆等,对制品的强化和改性作用往往大于加入相应预合成的料。将含有目标组分的原料预先配置于材料中使其在生产、服役过程中生成所需的目标成分和物相,是物美价量、多快好省的方案。


1.3.2原料状态的多元化


除了传统的氧化物、单质及非氧化物原料,耐火原料已从传统的非金属扩展到金属材料,原料状态由固态扩展到液、气态。如在滑动水口、陶瓷杯产品的配料中普遍将金属或合金(多为A1、Si)作为重要原料使用,它们在生产和使用过程中与周围的N2(g)、CO(g)反应原位生成非氧化物,强化材料的高温性能。此情形下,同时涉及金属和气态的原料。再如在浇注料中加入钢纤维可提高其抗开裂和剥落能力。


1.3.3原料外形的有利化


除了原料组分和特性变化形成的"新型"原料,还有原料外形变化形成的"新形"原料。如细粉尺寸从普通细度(几十到上百微米)到微米乃至亚微米、纳米级,可大大提升原料的技术附加值;球形和近球形的骨料有助于改善不定形耐材的流变性能;中空骨料有利于隔热;表面凸凹不平的骨料有利于提高握裹力;短柱状或管状骨料有利于改善抗热震性;纤维状或柔性料有利于改善强度及抗热震性。用造粒法直接生产出不同粒径的球形轻质骨料可以避免轻质块料破碎时产生一定比例过小颗粒和细粉而不能使用造成的浪费;钝角和长径比小的颗粒有利于泥料的压缩成型等。


原料形态有利化的另一种表现形式是预组合原料或称服务型原料。原料供应商按客户要求将一定比例不同粒度的颗粒料混合后供给客户,用户直接将该颗粒与细粉混合使用,减少其原料加工、筛分、混合作业工序。


1.3.4原料标准的丰富化


细化原料牌号及标准。同一牌号的矾土熟料,也可按体积密度形成系列化,应根据使用条件选择合适体积密度的均质料。但目前尚没有如矾土均质料、叶蜡石、镁橄榄石、再生原料、耐材用非石墨碳质原料等标准。随着矿山开发管理水平的提高,加上矿藏的复杂性、多变性、独特性,有必要细化有关原料品种,对原料标准的牌号进行系统化、适应性、个性化的补充修订完善。


1.4可持续发展的要求


耐火材料可分为酸性、碱性和中性三大类。目前,中性的铝硅质耐火材料产量占比一直居高。铝工业及耐材行业的快速发展造成耐火粘土、铝土矿的消耗量巨大,资源储量锐减引起矾土熟料价格高涨,长此下去势必影响铝硅质耐材的生产应用。今后应多关注酸性、半酸性和碱性、半碱性耐材品种和产量,将研发、技术、资金、政策等优势要素集聚于利用相对丰富且廉价的硅石、菱镁矿等资源上,进行深加工,提高其技术附加值,开发更多的品种,提高其适应性。适当平衡酸、碱性和中性耐材产量的比例,平衡硅石、菱镁矿和铝矾土的消耗速度。在窑炉设计选材上多关照酸性、碱性耐材,使其有更大的用武之地。提高原料供应对耐材发展的适应性及该行业今后发展的可持续性。


2结语


   当前我国钢铁工业及耐材行业正处于从扩产增量发展期向提质增效发展期转变,对耐火原料提出了新要求,倒逼耐火原料要提高其适应性,围绕钢铁工业及耐材行业的新需求,坚持可持续的发展方向,开发多品种优质原料。除了传统原料的创新提升,今后值得关注和努力的方向为:1)原料的系列化、多元化、综合化;2)具有独特性能的新型原料;3)广义的绿色环保型原料。为此,应加强科技对原料发展的预见、引导和支撑作用,积极开发低耗、高效、绿色的新型优质原料,满足耐材行业的新需求,促进钢铁工业的健康发展。

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