基于双碳背景的耐火材料科技创新实践

周知瑜

摘 要：在“碳达峰”、“碳中和”的双碳背景下，为了减少耐火材料生产中产生的污染，国家对高温行业生产碳排放提出了新的要求。为了能够顺应时代发展需求，在保证耐火材料生产质量和效率的基础上，减少碳排放、降低污染指数，必须借助先进科技对耐火材料生产工艺进行升级优化，从而推动国家双碳目标的实现。对此，本文首先分析我国目前高温行业发展现状，提出双碳背景下耐火材料技术创新要点与实践内容，最后分析耐火材料科学创新发展方向。

关键词：双碳；耐火材料；科学创新；高温行业

1前言

在“领导人气候峰会”上，中国主席习近平宣布了我国未来发展的双碳目标，即2030年前实现碳达峰、2060年实现碳中和。我国提出双碳目标远远短于欧美发达国家，这就需要在此期间付出更多的努力和心血。“十四五”作为碳达峰的关键期，我国将碳排放控制聚焦在建设清洁低碳安全高效能源体系上，开展重点污染行业降碳行动，推动绿色低碳技术实现重大突破。耐火材料生产会产生大量的工业废气，其中碳排放量在各大生产工业中也是名列前茅，因此加强耐火材料科技创新研究有着重要意义。

2双碳背景下高温行业发展现状

根据有关数据调查结果显示，2022年我国内地制造业依然是推动国民经济发展的支柱产业，占据市场整体GDP的26.7%。其中，重工业生产（钢铁、石油化工、建材等）总值占据行业生产总值的51.8%。重工业生产会生成大量的二氧化碳气体，而导致这一原因的主体就是基础原材料。我国金属材料生产量以及石油化工产品产量常年处在国际第一梯队，这也是其占据国内市场GDP数值、碳排放量较高的重要原因。客观来看，我国能源损耗、碳排放量高于国际平均水平，可见为了实现双碳目标，减少传统能源使用、提高能源利用率、降低碳排放已经成为当下国家发展的重要任务之一[1]。目前我国重工业领域已经着手于拟定、促进双碳计划，推动产业结构升级，实现生产工艺的不断进步与优化。

3双碳背景下耐火材料技术创新要点分析

为了减少耐火材料生产碳排放量，实现绿色可持续发展目标，在耐火材料技术创新中，应重点关注以下几点：

（1）长寿命材料。在非化石氢冶金技术工艺中，包含了气基炉还原、氢基熔融还原等。由于氢冶金工艺在实际应用中会消耗大量的材料，材料更换频率高，因此创新更长寿命的材料种类，减少材料更换频次，降低能耗。同理，熔融还原同样需要消耗大量材料，也需要更加长寿的材料降低损耗。

（2）推动转炉、精炼新技术的研究，实现绿色化、功能化方向发展。转炉、精炼中低碳氧积问题较为突出，通常都是采用底吹方式减缓该问题，提升钢水纯净度，但底吹方式会破坏掉底部材料，特别是底吹粉的使用寿命还没达到时，就会被破坏，增加了材料浪费量。当今相当一部分技术手段会造成材料所处环境过于极端，甚至会对生产设备造成损坏，由于这种极端环境会加大内部热量和冲击力，长期处于高压、高温的无氧环境，很容易缩短设备使用寿命，同时还会增加生产风险。这些因素都会对工业生产造成严重影响。

（3）在优质钢材浇筑生产当中，容易产生超低碳钢、帘线钢等问题，连铸生产效率难以提升，特别是在稀土、合金元素含量较多时，会极大的缩短材料使用寿命。在制备含锰稀土钢材时，水堵塞问题也难以避免，这些都会对工业生产质量造成影响。

4双碳背景下耐火材料科技创新主要内容

4.1材料微型结构控制

耐火材料是基质、骨料等物质组成带有气孔的复合型材料，在耐火材料生产当中，颗粒组成设计十分重要，会关乎到耐火材料微型结构以及整体使用的稳定性。在生产过程中处于高温环境下，烧制成熟料后将其打碎成颗粒状，这也是当前耐火材料普遍生产工艺。但该工艺在实际应用中，不利于保障耐火材料结构的稳定性，想要控制其结构稳定性难度大[2]。并且，该生产方式还会增加生产商成本，由于生产某个规格粒径的材料，生产中还会产生其他粒径规格的材料，而其他规格粒径材料应用价值非常低，从而导致资源浪费。为了稳定耐火材料微型结构，还是需要从材料和工艺两个方面出发，应加强新型基质、新型骨料的开发，提升这些生产材料在高温环境下的稳定性，减少烧制时的变形量，从而控制耐火材料微型结构；加强新烧制工艺的创新研究，孔隙结构差异很大的原因是因为烧制环境温度波动较大，这就要减少温度波动，例如可以将传统的燃烧材料更换为天然气，通过控制天然气供给实现温度控制。

4.2材料轻量化

耐火材料重量较大是普遍存在的问题，应在保证使用寿命的基础上，降低耐火材料的密度、体积，实现耐火材料轻量化发展。耐火材料轻量化的优势在于：

（1）可以减少生产原材料使用数量，降低物料总消耗量。

（2）降低耐火材料的导热系数，降低能源消耗量。

（3）材料转变为熟料过程中的温度要求降低，除了能够降低二氧化碳排放量，同时可以控制生产成本。

耐火材料生产中的骨料，可以提升耐火材料的整体强度与抗震性，但由于基质、骨料二者的体积密度、气孔率有很大的差异，骨料气孔率为4%，而基质气孔率普遍达到15%左右。从理论上看，由于耐火材料是骨料和基质共同组成的复合型材料，骨料强度大于基质时，便可限制其扩散度，在实际应用中不需要过高的强度，因此可以适当降低骨料的占比，从而实现降低耐火材料密度、体积的目的。

4.3自动化配料系统

在耐火材料生产制作中，过去都是以人工配制为主，这不仅增加人员投入、提高错误率、数据记录不变，并且工作效率非常低。为了减少人为因素的影响，在自动化技术支撑下，耐火材料也逐渐实现了自动化生产，自动化生产系统可以在线检测材料生产情况，控制生产链条流程，主要包括材料称重、输送、存储、检测等一系列功能。并且借助自动化系统可以根据生产配方标准，计算某个批次或时间段生产所需材料总量，控制移動称重车辆运输材料。系统会对不同存储仓材料进行计量，在得到配料任务后将相应的材料运输到排料口并卸货。配料车上装有控制设备，技术人员可以通过计算机操作平台、PLC软件实现远程操控，上位机、下位机通过通讯系统可以随时保持联系[3]。系统配料时的所有信息都可以在控制中心显示屏中呈现，并且可以实时记录配料、生产数据等信息，将所有的配料数据存储到数据库当中。自动化生产系统具有精度高、效率高等优势，减少人力资源的投入，降低人为因素影响。同时，自动化生产系统需要投入新型生产设备，生产环境密封性更好，更好的防止粉尘进入到生产车间。也正是自动化生产系统有诸多优势，才能使近些年大批量工业生产企业不断朝向自动化生产方向发展。

4.4成型自动化生产

耐火材料成型工艺包括大量工序，如：材料混合、材料输送、材料称重、出砖、码垛等。例如材料称重过去都是人工将材料搬到称重器上，不仅投入大量劳动力、生产力低下，还难以保证称重精度。而自动化生产线可以在减少人为干扰下自动完成工作，提升产品生产质量与效率。自动化生产线可以自动化控制生产设备，如混合机、称重机、布料器等，借助自动检测系统，在自动化设备中依照生产标准设定生产参数即可自动化上料，误差可以控制在30g以内，称重、布料效率大大提升[4]。全自动压力机可以一站式完成布料、压制、脱模等工序，还可以调节生产参数实现不同材料、外形尺寸的产品生产需求。在成型生产过程中，该设备可以严格管控成型规格，误差值不超过0.5%，并且还可以保障材料均匀进入到模腔中，控制成品的密度。材料压制时由于是设备控制，可以降低掉角、缺口、层裂的发生概率，极大的提升了耐火材料生产质量。

4.5全自动温控隧道

在过去，耐火材料生产都是采用隧道窑，该设施为人工操作、应用传统能源，会增加污染和人为影响。近些年，相关企业设计出了新型全自动超高温隧道设施，该设施用于生产耐火材料效率高、成本低、质量好，在温度控制、压力控制方面十分出色，保障了耐火材料的生产质量。特别是近些年大数据技术、物联网技术的普及，可以借助气压传感器、温度传感器，将生产信息传递给控制中心，通过建模形式观察现有生产标准是否满足要求，并科学调节烧制中的助燃空气、燃料配比，保持烧制过程中压力、温度稳定。借助大数据的数据挖掘技术可以制作不同模型，从而降低生产中二氧化碳排放量，实现更加智能的生产模式[5]。

4.6生产过程智能监测

借助自动化系统平台的智能监测系统，可以实时监测耐火材料的生产过程，系统自动检测残次品，并直接将残次品剔除，避免进入到下一道生产线。借助智能监测系统还可以减少资源浪费问题，如在生产中检测到出砖表面凹凸不平、开裂等情况，系统借助机械臂将这些材料剔除放入到相应位置保管，也可以根据系统提示人工挑出。特别是在镁碳砖生产中，智能化监测系统可以发挥极大的优势。

4.7服役过程智能检测

耐火材料现场服役时会经过高温熔体、液体冲刷、物质侵蚀等流程，随着次数的增加会降低材料保护效果，如果不能及时的进行修复、更换，容易造成生产设备损坏，甚至会造成安全事故。通过智能检测系统实时监测耐火材料炉衬，不仅能及时掌握炉内情况，确保高温作业安全性，还可以针对现存问题借助大数据提出整改意见。如铁钩外部钢壳划定网格时，会布置大量温感器监测现场情况，根据系统计算的背部沟衬厚度；借助红外线测温系统，计算容器外壳运行温度，从而判定残衬厚度[6]。

5双碳背景下耐火材料科技创新方向

5.1耐火原料的减碳化

对耐火材料生产工艺流程创新，研发低碳排放的可替代原料；研发低碳排放的新型加热技术，提高材料制备效率；研发高强、轻质微孔骨料，将传统电熔原料更替为烧结原料；研发绿色无污染的无机结合剂，替代之前的高碳排放有机结合剂，如沥青、酚醛树脂等；发展绿色无污染的表面活性剂，如减水剂、添加剂等。

5.2研究先进高温材料与材料部件化

对结构功能一体化设计，通过对材料跨尺度、梯度结构、层状结构的复合以及表面改性研究，优化调控材料的力学性能、热物理性能、功能性。充分利用现有的新型节能减排工艺，积极开发高性能、长寿命绿色高温隔热材料，提升能源利用率，聚焦行业新能源领域材料，研发绿色、高效、长寿的新型耐火材料[7]。加强市场合作，跨专业开展多学科交叉研发，充分采用自动化、智能化生产技术，借助融合材料、自动化监测、新型传感器以及人工智能技术等，让高温材料朝向部件化与模块化方向发展，实现耐火材料服役的实时监控，使耐火材料服役寿命最大化。

5.3耐火材料评价与方法创新

由于耐火材料服役处于高温、高压、高腐、高冲击的环境，借助人工智能技术建立耐火材料服役失效模型，预测研究耐火材料服役寿命，为不同生产环境耐火材料的研发、升级提供数据支撑。加强耐火材料关键性能协同提升研究，包括耐侵蚀性、抗震性、抗渗性等等，调控材料的物理组成和化学反应，优化梯度材料设计方案、调整微型结构，借助热力学模拟计算开展新型高性能材料的研发制备。

5.4低碳化制备技术

开展骨料制备耐火材料均匀成型技术研究，提升耐火材料微型结构功能性，实现轻量化发展，更好的制备出复杂形状的材料。联合研发定型制品成型设备，进一步加強材料外形控制。研发新型烧结设备，如等离子烧结、微波烧结等，均能有效降低资源损耗以及碳排放量。

6结 语

综上所述，在“碳达峰”、“碳中和”的双碳背景下，充分研究如何减少耐火材料生产中产生的污染情况，对推动国家双碳目标实现有着重要意义。这就需要结合国家对高温行业生产碳排放提出的新标准、新要求，加强绿色、轻质高效、智能化技术的研究，在保证耐火材料生产质量和效率的基础上，减少碳排放、降低污染指数，实现耐火材料生产工艺进行升级优化的目标。

参考文献

[1] 李红霞.双碳背景下耐火材料科技创新的思考[J].耐火材料， 2021（05）：42-43.

[2] 张建武.双碳背景下耐火材料科技创新的思考[J].化工管理， 2022（12）：100-102.

[3] 本刊记者."双碳"背景下水泥窑耐火材料面临的挑战[J].中国水泥， 2022（02）：52-55.

[4] 熊文清，白治军，韩益民，等.电力设计企业基于"双碳"背景的科技创新发展[J].电力勘测设计， 2023（04）：655-656.

[5] 杜国义，朱守先，罗雯.基于"双碳"背景的国家新能源综合示范区建设--内蒙古自治区的实践与探索[J].中国能源， 2022（06）：44-45.

[6] 苏芸."双碳"背景下企业的绿色创新动力 ——基于董事网络的视角[J].绥化学院学报， 2022（08）：57-58.

[7] 李愿，董宾宾，贺粉霞，等.浅谈双碳目标下耐火材料的绿色制造[J].耐火与石灰， 2023（02）：533-534.