发展耐火材料对节能环保的影响

徐平坤

（广州耐火材料厂，广东广州510300）

发展耐火材料对节能环保的影响

徐平坤

（广州耐火材料厂，广东广州510300）

传统的耐火材料，从矿山开采原料到制出产品，在生产过程中，排出废土、废石、废气、粉尘等，消耗能源，污染环境；有的耐火材料在使用过程排毒、烟气，危害人体健康。采用现代工艺技术，利用生料、废弃物生产耐火材料，节能减排，降低成本，使用安全可靠；隔热保温耐火材料对节能起主要作用。

耐火材料；节能；环保；生产；健康

由于工业的高速发展，废气、废物的排放量增大，大自然的生态平衡被破坏，发生气候异常，造成自然灾害频发，人类的生存受到威胁，引起世界各国的关注。发展低碳经济，加强环境保护，节能减排，已成为人类的共识。我国经济的快速发展，高消耗、高污染的经济增长模式，使中国的环境问题日益突出。20世纪80年代，中国政府把保护环境确立为一项基本国策，1989年正式颁布“环境保护法”。进入21世纪后的国家发展计划提出实施绿色战略，实施“清洁生产促进法”和“环境影响评价法”是中国经济可持续发展的必然选择。近年来环保力度不断加大，环保部门派出多路督察组，进驻全国各地，进行环境监察，一边淘汰关闭落后高污染企业，一边制定更严格的规章制度，实现节能减排，保护环境的目标。

耐火材料工业被描绘为冶金和其他高温工业的支撑工业和先行工业，与钢铁等高温工业的发展密切相关，相互依存，互为促进，共同发展。随着冶金工业及其他高温工业的发展，耐火材料工业也在迅速发展。我国是耐火材料生产大国，其耐火材料产量比美、日、英、法、德、俄等国加起来还要多，占世界的65%～69%。随着冶金等高温工业节能减排力度的加大，耐火材料工业的节能减排及耐火材料在高温工业中的节能减排作用不可忽视。笔者认为耐火材料的节能减排、保护环境工作应该从4个方面加以理解和认定：第一，耐火材料生产过程中要消耗大量的能源，排放大量的烟尘、粉尘，污染环境，必须采取措施，加以治理；第二，热工设备选择合适的耐火材料，有效利用耐火材料的热导率、热容等性能，节约能源，提高使用寿命，会对节约能源做贡献；第三，耐火材料本身必须是无毒无害的环境友好型产品；第四，利用工农业生产及日常生活排出的废弃物生产耐火材料，既减少废弃物占用土地，污染环境，又减少天然耐火原料的开采量，一举两得。

1 耐火材料生产过程的节能环保

耐火材料生产过程大致为：原料矿山开采—原料高温煅烧或电熔—破碎与粉碎—筛分—配料与混合—成型—干燥—烧成—检验—成品。以下按顺序叙述。

1.1 矿山开采

耐火材料属于资源型企业，最初的原料是从矿山开采出来的。我国耐火材料产量2 400～3 000万t（2011 年 2 949.69 万 t，2016 年 2 391.24 万 t），1.5～2.5 t原料生产1 t耐火材料，因此，每年开采耐火原料5 000～6 000万t。众所周知，采矿要先剥离岩石和废土，开拓巷道，山上的良好生态环境被破坏，大量的废石、废土覆盖土地，占用农田。特别是我国的耐火原料矿山，私采乱挖现象严重，浪费资源，污染环境。为了保护环境，必须整顿耐火原料矿山的开采秩序，加强管理，按采矿技术规范进行开采。同时还要将废弃的岩石和土壤回填到采场，平整土地，重新绿化，或再造农田。辽宁海城市叫停市内所有菱镁矿山开采，全市统一整合开采，整合煅烧矿石，达到保护环境要求的目标。

耐火原料矿石大部分与其他有益矿物共生，如：耐火原料铝土矿、耐火黏土等与煤共生；菱镁矿与滑石、白云石、石灰石等共生。在矿山开采时，应该统统全部开采出来，分别加以利用。特别在采煤时应该将煤层顶板或底板的铝土矿或煤矸石、耐火黏土同时开采出来，这样既避免了资源浪费，又减少了废弃物的排放。我国在20世纪60年代曾推广过综合开采、综合利用的先进经验，但在耐火原料矿山利用的不多，建议今后应该加大推广力度。其次应该加强低品位矿石的利用研究，尽量减少废弃物的排放量。对菱镁矿、铝土矿的选矿提纯势在必行。

减少矿山开采量的另一办法就是用后残存耐火材料的再生利用。据有关资料介绍，我国用后废弃的耐火材料每年有450～525万t，如果能把这部分用后耐火材料回收当做耐火原料利用，不但减少矿山开采量，而且还减少废弃物的排放。其实在我国南方一些地区很早就进行回收工作，20世纪70年代，福建、广东等地的耐火厂就把钢铁厂用后的耐火材料回收后做原料。上海、浙江、江苏等地有回收用后耐火材料的民营企业，宝钢有专门回收用后耐火材料的下属公司，他们将回收的用后耐火材料进行检选、加工，然后卖给耐火材料生产企业。我国北方对用后耐火材料回收利用起步较晚，特别是耐火原料资源比较丰富的地区，过去不太重视，现在也开始行动了。例如，山西是耐火原料资源丰富的地区，现在也有专门回收用后耐火材料的民营企业。因此，建议将回收的用后耐火材料，在耐火材料协会进行全国统计。

1.2 耐火原料煅烧（或电熔）

从矿山开采出来的天然耐火原料，一般不能直接生产耐火材料，大部分需要高温煅烧（或电熔）成熟料。这样，一方面要消耗大量能源，另一方面排出大量烟气等有害气体污染环境。例如菱镁矿煅烧镁砂，1 700～1 800℃高温，菱镁矿含MgO 47.82%，CO252.18%，煅烧镁石时CO2全部排出。众所周知，所谓低碳经济，就是要减少CO2的排放。到目前为止，我国煅烧耐火原料产生的烟气，大部分都排放到大气中，必须引起重视。白云石含MgO 21.9%，CaO 30.4%，CO247.7%，煅烧时也排出大量CO2气体。20世纪80年代广东韶关钢铁厂将煅烧白云石产生的CO2气体回收，卖给食品工业部门生产饮料汽水，不但减少对环境的污染，而且还提升经济效益。笔者2016年到山西阳泉地区亲眼看到一些煅烧高铝矾土的炉窑，因污染环境问题而停产。耐火原料的煅烧或电熔必须对排放的污染物进行治理。

重视煅烧耐火原料设备的选择。目前，用连续生产的机械化竖窑，投资少，见效快，利用系数较大，生产效益高，热耗低，可燃气，可燃油，也可用焦炭、煤等固体燃料，而且温度可以控制，并且可在窑上安装废气回收装置，节能降耗，保护环境。无论是高纯镁砂、板状刚玉等高档耐火原料，还是一般的耐火黏土、高铝矾土，都可以用竖窑煅烧。

最好的节能减排办法就是耐火原料不用煅烧或电熔，用生料直接生产耐火材料。众所周知，耐火原料煅烧的目的是使其体积稳定，避免制品烧成过程因体积效应产生废品。其实有许多耐火原料在加热过程的体积变化不大，如：蜡石、硅石、橄榄石、红柱石、硅线石、兰晶石、锆英石等，都可以用生料生产耐火砖和不定形耐火材料，并且有实际生产的经验。攀钢耐火厂利用高铝矾土生料成功制造高铝砖，具有重要意义。第一，Al2O3-SiO2系耐火材料，占总产量的75%，高铝矾土不用煅烧，节约能源，减少污染。第二，高铝矾土在高温下排出结晶水，体积收缩，Al2O3与SiO2形成莫来石，体积会膨胀，合理配合，做成合格制品。因此，在耐火材料的配料时，要考虑到既有在高温下会产生收缩的原料，再加入高温下膨胀的原料，精确配合并进行工艺研究，扩大生料直接利用的范围及数量。新疆八钢公司利用资源丰富不用煅烧的镁橄榄石代替镁砂，生产中间包涂抹料就很好地说明问题。

1.3 耐火原料的破碎、粉碎、筛分、配料及混合

无论定型或不定形耐火材料，都要求原料合理的粒度配比。可是一般耐火原料都难以满足粒度要求，要经过破碎、粉碎、筛分才能进行配料、混合。在这个过程中不可避免地产生粉尘，密封不好就要飘浮到大气中，污染环境，危害人的身体健康。曾被媒体广泛报道的河南农民工张某开胸验肺的故事，就发生在河南新密市的一家耐火企业。我国的耐火材料有相当数量是由规模小、设备差的民营企业，没有防尘、除尘设备，甚至有的企业生产工人连防尘口罩都没有。节能减排任重而道远，环保部门必须加强对耐火材料企业的排查力度，制定严格的防尘标准，淘汰落后不达标的企业。耐火材料企业是能够根据生产工艺特点，运用科技手段搞好必要的防尘设施，如采用全封闭作业，电脑控制操作，避免人与粉尘直接接触，将粉尘排放到有水或喷雾的容器中，回收利用。目前一些不定形耐火材料生产系统采用全自动化生产线，就是采用类似的办法取得可喜的成效。应该进一步推广到所有耐火材料生产线，使粉尘量进一步减少，达到零排放。

1.4 制品的干燥、烧成

制品的干燥温度一般不高，大都利用制品烧成的余热，极少数企业有单独干燥设备。制品的烧成温度越高，耗能越大。过去耐火制品烧成普遍采用块煤作燃料，燃烧过程中排出大量烟气，污染环境。20世纪末，环保部门下决心铲除烧煤倒焰窑等排烟的根源，现在耐火企业普遍采用煤气或重油烧成耐火制品，基本杜绝了向大气中排放烟尘。因此，耐火制品烧成的节能就成为主要问题，降低烧成温度是节能的根本途径。实际上，制品的烧成温度是可以降低的，例如：某耐火厂用电熔刚玉原料，磷酸二氢铝作结合剂的纯刚玉制品，1 480～1 540℃保温24 h烧成与1 800℃烧成的纯刚玉制品，在使用温度为1 800℃的炉窑上，使用效果接近。在保证使用效果的前提下，降低烧成温度能够节约能源。在现代耐火材料工艺技术的水平上，降低制品的烧成温度有很多方法，如：加入超微粉或纳米粉，加入助烧剂，采用特殊结合剂等。

如果耐火制品不烧，更是节能，例如：高铝砖烧成温度在1 500℃以上，可是磷酸盐结合不烧高铝砖仅在500℃左右烘烤，而且强度超过高温烧成的高铝砖；镁铬砖烧成温度1 700℃以上，可是用聚磷酸钠结合的不烧镁铬砖仅在200℃左右烘烤，不但强度高，而且在水泥窑上使用效果也很好。现在不烧的定型耐火制品已很普遍，为了节能减排，应该进一步扩大成果。

不定形耐火材料生产工艺简单，生产周期短，综合能耗低，仅是烧成制品的1/8，可以机械化施工且施工效率高，可局部修补并在残体上进行补浇，能减少材料消耗，适宜复杂衬体施工和修补，便于使用要求调整组成和性能，一些工业发达国家不定形耐火材料发展迅速，美、英、德、法等国不定形耐火材料产量占耐火材料的总产量的50%以上，日本占65%以上，我国占35%左右，可见，我国的不定形耐火材料与发达国家相比，差距较大，还有很大发展空间。

笔者认为：耐火材料的发展方向应该是烧成制品尽量用生料制砖，不定形耐火材料及不烧砖尽量利用回收的用后耐火材料做原料，当然有的生料也可使用，如兰晶石、红柱石、叶蜡石、橄榄石等。我国的耐火材料企业应该加强企业的联合兼并和重组，淘汰落后产能，提高综合实力，进行技术改造，才有能力开发环境友好型新产品，才有能力开展防尘环保。目前在我国除中钢耐火材料公司、营口青花集团、濮阳濮耐集团等少数耐火企业规模较大，生产环境治理较好外，大多数耐火企业规模较小，设备陈旧落后，技术力量薄弱，有的企业甚至还是手工作坊式生产。这些企业主要分布在辽宁营口海城地区、山西阳泉郊区、山东淄博、河南新密、巩义、焦作、江苏宜兴、浙江长兴等地，往往是一个县域有几百家耐火厂，厂与厂之间“鸡犬之声相闻，老死不相往来”，为了本企业的利益，相互攻击，互相拆台，对国家、对社会非常不利。如果政府或行业协会出面，将这些企业联合起来，在一个县域内设一家或两家耐火材料公司，集中力量办大事，实行集约化管理，淘汰落后产能，实现节能环保。

2 耐火材料对热工设备节能环保的作用

2.1 热工设备节能

炉窑等热工设备内衬及部件是由耐火材料构筑的，热工设备一般都是耗能大户，温度越高，耗能越多，如钢铁、水泥、石化等高温行业。其实耐火材料在其中起着很关键的作用，在高温下，耐火材料既要保持稳定，又要保证热量尽量不散失，因此，耐火材料要保温性能好，蓄热少。根据气体热导率低的原理，隔热保温耐火材料必须是轻质的多孔体。近年来，隔热轻质耐火材料发展速度较快，不但有不同材质、不同体积密度、不同热导率的定型耐火制品，还有相应的浇注料、耐火纤维棉、耐火纤维制品、硅钙板、耐火泥浆等。这些保温隔热产品的理化性能、隔热效果不同，市售价格也不同。因此，应该根据热工设备的使用条件进行内衬设计。收集原始资料，其中包括温度参数（热面温度、冷面温度），物理参数（耐火材料的热导率、体积密度、最高使用温度），经济参数（耐火材料价格、燃料价格、发热量、利用系数等），然后进行计算节能效果，并分析对比，选择合适的方案。例如：我国某船舶锅炉，原用石棉板及耐火黏土砖砌筑，总重约6 t，而改用普通纤维毡+高铝纤维毡+高铝纤维复合砖+涂料，总重仅0.88 t。虽然后者投资比前者高30倍，但8个月后节油费用可以抵消投资高出部分，而高铝纤维砖使用寿命高于黏土砖，减少了锅炉检修费用，还能降低舱内温度，改善作业环境，增加载重量（比黏土砖减轻5.12 t）。德国一座烧特种耐火材料的间歇窑，采用Al2O3纤维内衬，使用温度超过1 400℃，纤维热面稳定，可以节约燃料40%。我国很早就重视节能环保，“六五”期间国家重点推广耐火纤维在工业炉窑的应用，并取得很好的效果，如鞍钢等15家冶金企业应用耐火纤维炉衬，1982—1988年，节能折合标煤25.93万t，机械行业用耐火纤维改造炉窑2 578台，节能9.43万t标煤，石化行业加热炉的热效率达到82%。最近，隔热轻质耐火材料又出现更新的产品，如：纳米级微孔硅酸铝质轻质耐火材料。俄罗斯开发一种用微孔工业氧化铝生产的刚玉隔热耐火制品，不但热导率低，强度高，而且生产工艺也比较简单。英国某公司以SiO2微粉作原料，以无机纤维作增强材料，添加降低辐射的材料，制得体积密度为0.24 g/cm3左右的多孔隔热材料，其热导率低于静止的空气。还有人用微孔SiO2与蛭石制成三明治结构，以锆英石为降低辐射传热的添加剂，制得体积密度为0.35 g/cm3的隔热材料，其热导率也低于静止的空气。将这些新的隔热材料在热工设备上合理配置，节能效果会更好。

在热工设备上，与耐火材料隔热相反的是充分合理地利用耐火材料传热特性，也会提高热工设备的热效率和生产率。如：焦炉在加热温度和炉墙厚度保持不变的情况下，利用高导热性硅砖，可使碳化室与燃烧室之间的温差减小，提高加热速度和缩短结焦时间。据测算，一座宽4.4 m的碳化室，隔墙厚1.1 m，所用硅砖热导率1.887 W/（m·K），加热温度1 349℃，生产率9.8 kg/（m2·h），可是当热导率提高到2.904 W/（m·K）时，则生产率可提高约50%。

各种热工设备生产过程中排出大量燃烧废气，带走大量热，约占能耗30%～70%，回收废热，既节能又环保。通过在出口安装热交换器，利用余热预热燃烧空气。热交换器的节能效果取决于所用材料的热导率，SiC的热导率高，为理想的材料。电热储能用耐火材料既要有高的热导率，还要有高的热容量，抗热震性也要好，一般用镁铁砖。

工业上常用电作能源，容易控制温度和实现自动化，又不造成环境污染。以电阻发热材料，即发热体作为电热转换元件的单阻式加热方法，最为简单和运用最广。目前应用的主要是特种耐火材料发热体，如：SiC发热体使用温度可达1 600℃，硅化钼发热体可达1 800℃，二氧化锆发热体在氧化气氛下使用温度1 800℃以上，甚至可达2 200℃，碳素发热体在中性或还原气氛下可达3 300℃。可见耐火材料对高温工业的节能环保作用非常大。

2.2 提高热工设备内衬的使用寿命

热工设备内衬寿命提高，耐火材料消耗相对较少，节省了耐火材料，降低了生产过程中造成的污染。另外，内衬寿命提高，用户停炉检修的次数减少，生产效率相应提高。

提高热工设备内衬寿命，首先要有高质量的耐火材料，这是许多用户的呼声。根据热工设备的使用条件，选择合适的耐火材料也非常重要，例如：高炉中段用耐火材料，尽管用刚玉、铬刚玉等高纯高铝质原料，高压成型，高温烧成，其制品达到高强度，高密度，使用寿命仅能延长1～2年。而改用SiC制品，从蚀损数据比较，使用寿命可提高6.8倍。某厂混铁炉原用高铝砖和镁砖砌筑，使用寿命不到1年，改用整体浇注后使用寿命达到3～5年。选择合适的耐火材料，使用寿命成倍提高的实例还有很多。可见，热工设备用耐火材料的选择非常重要。

耐火材料使用中的维护也是提高使用寿命的重要措施。众所周知，炼钢转炉内衬，一般寿命几百炉，采用一般修补后，寿命达几千炉，采用溅渣护炉技术，炉衬寿命达几万炉，接近永久炉衬。热工设备内衬的维护修补方法有很多种，如：挖补、贴补、涂抹补、焊接补、压入法补炉等。根据损毁情况，采用适合的修补方法。最值得称道的是喷补技术，适用性好，效率高。喷补可用冷物料，也可用熔融物料，既可用干物料，也可用湿物料，不用模板或胎具，机械化作业，既可修补内衬，又可构筑新内衬。例如：钢包内衬，只要清除表面的粘渣，再用喷射法套浇新的浇注料，反复进行下去，基本上做到了耐火材料的零排放。

采用特殊的造渣剂，改变炉渣成分，降低炉渣对内衬的侵蚀性，提高使用寿命，减少废弃耐火材料的排放。维护热工设备内衬的方法还有水冷技术，如，炼铁高炉使用寿命10～20年即是水冷的结果。

3 淘汰对人体有害的耐火原料及产品

3.1 目前公认的耐火原料是锆英石，具有放射性，对人体有害。其实锆英石本身没有放射性，其伴生矿物独居石、磷钇矿和钍石等带有放射性。加强锆英石的选矿，除去独居石等杂质矿物，不但避免放射性危害，还能提高锆英石的质量。

3.2 耐火材料常用的焦油，沥青等结合剂，高温时冒出黄烟并有难闻的气味，而且对人体有害。现在凡是用焦油、沥青甚至酚醛树脂的地方，都改用环保型结合剂。例如：大量使用的铁沟料改用溶胶、凝胶、水泥和Sialon等结合剂；高炉用炮泥改用改性聚合物结合，不冒出黄烟，效果良好；中间包用镁质干式料改用葡萄糖和水玻璃结合剂，其性能与酚醛树脂结合时相同，但烟气大量减少；炼钢转炉热修补料，普遍采用镁砂、沥青和添加剂的热态自流修补料，造成污染。改用磷酸和木质磺酸盐结合，不但实现环保无污染，而且烧结时间短，使用寿命长。

3.3 对人体有害，呼声最高的是镁铬砖。因在碱性环境和氧化气氛下使用会生成水溶性且能毒害人畜的六价铬。一些工业发达国家禁止生产镁铬砖。近年来，我国也注意到这方面的问题，寻找替代镁铬砖的产品，并且取得成效。如：炉外精炼AOD炉原用镁铬砖，逐渐被镁钙砖取代；VOD炉由镁白云石或白云石砖取代；RH炉由镁铝尖晶石砖及镁锆质浇注料取代；水泥回转窑烧成带由镁铁铝尖晶石砖、镁钙锆砖及白云石砖等取代；一些有色冶金炉用尖晶石质也取得成效。

3.4 硅酸铝耐火纤维被人体吸入后不可降解，从而对人体有害，一些发达国家限制使用。我国在积极研究生物可溶性耐火纤维，对人体不构成威胁，属节能环保性产品。另外利用六铝酸钙轻质骨料为主的浇注料可取代耐火纤维制品，不但对人体无害，而且高温的保温效果优于耐火纤维制品。

3.5 硅砖生产过程中产生的粉尘，被人体吸收后容易得矽肺病，必须高度重视。由于硅砖砌筑焦炉历史悠久，物美价廉，前阶段一度成为畅销货，一些企业受经济利益驱动，大量生产硅砖。因此，对硅砖问题，一方面在生产过程做好防尘除尘工作，另一方面可考虑替代产品。像碳化硅砖、刚玉砖等的热导率、强度等技术指标高于硅砖。在高炉热风炉上，合成莫来石砖也比硅砖好用。淘汰硅砖的条件完全具备。

综上所述，在耐火材料生产和使用过程中，凡是产生对环境污染及伤害人体健康的原料及产品都应该淘汰，并寻找替代产品。

4 利用工农业生产和日常生活产生的废弃物生产耐火原料

耐火材料品种繁多，含有多种化学成分，酸、碱、中性都有，制取方法多样，有容纳各类废弃物的空间。如：纸浆废液是制取耐火材料的结合剂；浇注料用的硅灰是生产硅铁合金和工业硅时产生的气体SiO与空气氧化并冷凝的产物；利用铝铬渣生产的铝铬尖晶石砖在炼铜的澳斯麦特炉上使用寿命是镁铬砖的6倍，在铅锌烟化炉中使用，炉底寿命比高铝砖提高8倍；连铸用的熔融石英水口，是用石英玻璃厂废弃的半透明石英玻璃切头、碎块及废品，打去砂皮，洗净，成为耐火原料。其他还有煤矸石、粉煤灰、各种选矿尾矿、各种炉渣、各种废陶瓷、赤泥、污泥和铝灰、各种除尘粉、秸秆灰、废纸、废麻，等等，都有用来生产耐火材料的实例。废弃物量大面广，堆积如山，占用土地，污染环境。利用废弃物生产耐火材料，既减少了耐火原料的矿山开采量，又减轻了对环境的污染，一举多得。

5 结束语

耐火材料是高温工业的支撑，高温工业发展，需要好的耐火材料。传统耐火材料生产和使用过程，容易污染环境，用现代工艺技术生产环境友好型耐火材料，无论生产或使用过程，都能够减轻或不污染环境。我国耐火企业的生产水平参差不齐，中小企业居多，治理和改善生产条件，做到绿色发展，任重而道远。必须对耐火企业严格监督管理和不断检查，才能达到预期的目的。

The significance of energy conservation and environmental protection for development of refractories

XU Pingkun
（Guangzhou refractory material factory,Guangzhou 510300,China）

The production process of traditional refractories,from mining raw materials to making products,often discharges waste soil,dirt,and brings energy consumption and environmental pollution.The poison smoke is discharged in use of some refractories,which is harmful to human health.Refractory material produced by modern technology can make use of available raw materials and waste,which can realize energy conservation and emissions reduction,as well as cost reduction.The consumption process of this material is safe and reliable.

refractory materials;energy saving;environmental protection;production;health

X75

A

1674-0912（2017）10-0040-05

徐平坤（1939－），男，辽宁鞍山人，大学学历，高级工程师，研究方向：耐火材料。

2017－10－02）