第十六届全国不定形耐火材料学术会议在浙江长兴成功举办
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“2021年全国耐火原料学术交流会”之特邀报告(一)

2021年05月19日 14:50 耐火材料网 耐火材料学会/文

中国耐火材料网

  2021年5月11日,"2021年全国耐火原料学术交流会"在重庆开幕,来自耐火材料及上下游行业的科研院所、高校、生产企业等单位的500余名代表参加了会议。

  上午9:00-12:00,中钢股份总工程师、中钢集团洛阳耐火材料研究院李红霞教授级高工,洛阳理工学院校长、党委副书记张锐教授,北京钢协冶金科技发展有限公司李庭寿博士,武汉科技大学顾华志教授,北京科技大学李勇教授,宝钢中央研究院(武汉)徐国涛教授级高工,中钢集团洛阳耐火材料研究院王战民教授级高工做了精彩的特邀报告。报告主持分别是中国金属学会耐火材料分会秘书长王战民和濮阳濮耐高温材料(集团)股份有限公司刘百宽董事长。

王战民教授级高工主持

刘百宽董事长主持

挑战与机遇,双碳背景下耐火材料科技创新的思考
李红霞
中钢集团洛阳耐火材料研究院

  中国将力争2030年前实现"碳达峰",2060年前实现"碳中和"。"碳达峰"指全国温室气体排放达到顶峰,"碳中和"指碳生产和碳消纳的平衡,实现碳负荷归零。要实现双碳的目标,节能和提效问题首当其冲,所以耐火材料行业在双碳背景下充满了挑战和机遇。

  李红霞教授提出,新的发展理念,双碳目标、绿色发展、数字中国、发展与安全等相关政策与管理体制将在很大程度上影响耐火材料的发展。政策法规脱碳化是强大杠杆,对产业发展的影响在某种意义上超过科技进步,需要高度重视,所以应密切关注碳配额、碳交易、碳税、碳负面清单、碳规划、脱碳化立法等。碳达峰、碳中和不仅是技术的选择,更是发展权、发展方式的变革,因此耐火材料必须贯彻节能减排、绿色脱碳等新发展理念,促进行业科技创新,并需要思考供给侧结构性改革、原料去碳化、能源脱碳化、生产制造流程脱碳化、进出口贸易脱碳化、提高碳汇能力。

  李红霞教授还指出了耐火材料行业实现低碳排放、碳中和的路径:深度调整产业布局与结构,淘汰落后产能;发展低碳排放的可替代原料;开发高性能材料,调整产品结构;发展节能减排关键技术,提高能源效率;使用清洁能源,替代化石能源;优化流程,推动智慧制造与绿色制造;抑制初加工原料、低端产品等高碳排放原材料的出口;发展碳吸收、碳消纳的技术。耐火材料行业需要创新原料制备流程,发展低碳排放的可替代原料,并开发高性能材料,推动高温行业高品质和绿色发展。

  最后,李红霞教授介绍了钢铁绿色发展新技术和耐火材料随之需要面对的主要科学问题。

微波加热法合成SiC研究
张锐
洛阳理工学院

  作为一种传统的结构材料,SiC因为具有高强度、高硬度、高弹性模量和良好的化学稳定性等优点,被广泛应用于磨具磨料、耐火材料、冶金、高温结构陶瓷等领域。当前,已有许多研究团队采用微波烧结法制备了SiC粉体,但文献中所报道使用的原材料都是通过商业途径获得,并且微波烧结合成SiC晶体的生长机理也尚不明确。在本报告中,以工业煤作为碳源,SiO2为硅源,采用微波加热法制备了碳化硅。研究了预成型压力、原料组分、原料粒度和SiC晶种对微波加热行为的影响。用XRD、Raman、SEM、TEM对样品进行了表征,并且对制备材料的介电性能和吸波性能进行了测试。

  结果表明,当不施加预成形压力时,不能形成SiC晶体。预成形压力可能是微波加热合成SiC的前提条件。在施加预成型压力的情况下,微波合成SiC需要五个连续的生长阶段:残余气体的积聚、微波等离子体的产生、复杂的化学反应、SiC晶体的形核和晶粒长大。不同的预成形压力导致SiC晶体的加热行为和晶体形貌发生变化。

  研究还发现,不同粒度的煤颗粒会导致不同的加热效应,使SiC的晶体的生长机理不同。这可能是微波加热的独特特征。由于微波等离子体效应,当使用较小颗粒的煤时,可以制备出较多的SiC晶体颗粒。而大粒煤则可以制备出较多的碳化硅晶须或纤维,这与微波耦合热效应有关。由于耦合热效应加热时,加热速率较低,所以更容易生成颗粒,但在等离子体热效应存在时,升温速率较大,所以制备出较多的SiC晶须或纤维。

  以α-SiC颗粒为晶种,用煤为碳源,微波加热可制备出β-SiC。实验结果表明,煤和α-SiC颗粒的不同混合方式,导致了不同的微波热行为和生长机理。气气反应导致α-SiC种子与之密切接触的C颗粒在表面原位很好地生长出β-SiC颗粒。

以碳中和为目标,深化供给侧改革,加快绿色低碳高质量发展
李庭寿
北京钢协冶金科技发展有限公司

  本报告简要介绍了"碳达峰"、"碳中和"的概念和由来,以及我国政府实现"碳达峰"、"碳中和"的方案;梳理了我国钢铁业的发展历程及和"碳达峰、碳中和"目标相关的国家政策;详细阐述了我国耐材行业的状况与发展及耐材行业的"碳达峰"与应对"碳中和"的发展趋势。

  工业革命以来,人类大量消耗化石燃料和毁林,温室气体浓度持续上升,导致全球气候变暖,威胁着全球生态安全。因而提出了相应对策即"碳达峰"、"碳中和"。我国政府宣布"30-60双碳目标":力争2030年前"碳达峰",力争2060年前实现"碳中和"。

  我国钢铁行业的钢产量1996年超1亿吨后,长期居世界第一,占全球钢产量的半壁江山,优势不断扩大。我国钢铁业经历了多次"调控与化解产能过剩"历程,实际上是不断地进行供给侧结构性改革,但每一次过后,伴随着国家的拉动,市场需求的刺激,钢铁业升级发展,钢产量不断跃上新的台阶。2020年,中国率先控制了新冠疫情,中国粗钢产量创历史新高,达10.65亿吨。面对超10亿吨的钢产量和新建项目产能的陆续释放,以及"碳达峰"、"碳中和"的目标要求,2021年,国家开始对钢铁业进行"产能与产量双控",并开展去产能"回头看"重点检查。

  李博士认为,需求决定供给。我国耐材行业伴随着钢铁行业的调控发展而发展。主要表现在如下几个方面:

(1)服务方式(供求关系)发生改变,与需求侧融合度越来越高。耐火行业由单纯的卖产品转变为耐材总承包制。

(2)目前,需求侧(终端)每年消费耐材总额估计在700亿~850亿元/年左右,其中钢铁业占比约70%以上。

(3)需求侧消耗耐火材料会逐步降低。钢铁、水泥、有色等行业实现"碳达峰"(产量基本也达峰值)后,"十四五"末前后,年消耗耐材的总量将由目前的约2000万吨下降到1500万吨左右。从"碳达峰"到"碳中和"的进程中(产量将逐年下降),耐材消耗总量将继续减少。

(4)耐材行业集中度太低,需要提高。厂家多而分散,单个企业的规模太小。要深化供给侧结构性改革,管控产能,整合资源,对优质存量产能进行(兼并、联合)战略重组,提高集中度。

(5)耐材行业布局应跟随用户行业调整。供给侧与需求侧应该密切融合、协同发展;钢铁等用户行业正在优化布局升级发展,耐材企业应该抓住机遇,深化供给侧改革,向沿海钢铁集群靠拢发展,优化布局。

(6)创新驱动,推动低碳绿色高质量发展:围绕"高端材料卡脖子"问题,研发关键耐材;进一步提高碱性耐材比例;向绿色低碳转型发展。

  李博士指出,"碳中和"将推动我国能源结构优化、低碳转型、绿色制造的快速发展。"碳中和"也将倒逼耐材业(包括耐材原料企业)生产提供(绿色环保)低碳甚至是"碳中和"(零碳)的产品。李博士认为,我国耐材业早在2011年就实现了"碳达峰"。2011年是我国耐材制品产量的最高年份,此后,尽管需求侧(钢铁、水泥等)的规模、产量快速增长,但是消耗的耐材总量却逐年下降。说明我国耐材业技术进步明显,有能力早日实现"碳中和"。建议全行业行动起来,共同努力,尽快研究提出可行的减碳路径以及"碳中和"行动方案和路线图。

微孔镁砂的制备及性能研究
顾华志
武汉科技大学

  中间包作为连铸过程中的关键冶炼容器,其工作层耐火材料的性能与服役寿命直接关系到冶炼过程的平稳运行与精炼效果。镁质耐火材料是中间包内衬和控流装置的常用材质,但在使用中仍存在抗渣渗透性较差、热震稳定性过低及导热系数较大等问题。前期研究表明,微孔耐火材料不仅热震稳定性和隔热效果良好,在一定条件下还具备更好的抗渣性能。本研究采用MgO为45.88%,IL为51.57%的菱镁矿为主要原料,添加适量纳米外加剂,湿法共磨,干燥,成型,烧成。通过原位分解法形成气孔,利用纳米粒子对气孔结构和晶间相进行调控,制备微孔镁砂。并以微孔镁砂为原料,采用氧化镁微粉自结合体系,制备微孔镁质浇注料,研究其抗渣性能、抗热震性能和隔热性能。

  结果表明:引入纳米MgO后因形成微-纳米双尺度烧结提供更高的烧结动力,加速晶界移动,提高了晶粒尺寸与闭气孔率;利用纳米氧化锆加速晶界迁移,并与方镁石晶间氧化钙杂质反应形成锆酸钙,从而形成封闭微气孔结构和降低CaO/SiO2比而改变晶间相组成,减少了晶间低熔点相。所制备的微孔镁砂体积密度为3.37 g/cm3,闭气孔率和显气孔率分别为6.1%、0.8%,抗渣性较空白样烧结镁砂更好,800 °C下导热系数为7.936 W/(m·K),较电熔镁砂下降~37%。相比于电熔镁砂所制备的镁质浇注料,微孔镁砂镁质浇注料内晶间锆酸钙及闭口气孔抑制裂纹扩展,热震后强度保持率达73.4%,而前者热震后强度保持率为38.9%;由于具有更低的熔渣界面能和更大的二面角,以及锆酸钙对渗透的抑制作用,微孔镁砂镁质浇注料的侵蚀指数、渗透指数分别为31.8、60.1,而前者分别为42.8、92.2。

Al2O3-SiO2矿物中铁和钛的性状
李勇
北京科技大学

  通过分析三元相图中可知,对于低铝含量铝硅原料来说,TiO2和Fe2O3固溶于莫来石中较多,进入玻璃相的较少。欧洲体系的低铝含量铝硅原料中,氧化铝的含量在60%(w)左右,铁钛合量可达4%(w),莫来石物相在80%(w)左右。为了探讨废弃高铁矾土矿的性能有可否利用的地方,将山西地区的高铁低铝矾土矿1500 ℃烧结后,发现试样莫来石程度高,Ti、Fe元素参与了莫来石的合成、结晶、长大,叶航等的研究也发现,单纯的氧化铝和二氧化硅合成莫来石比较难,但加入铁氧化物更容易合成莫来石。所制备试样的高铁莫来石体积密度达2.57g·cm-3,与实际使用的烧结低铝莫来石原料相比可视为致密料。但荷重软化温度不高(1510℃),高温性能不好,复合碳化硅是比较好的选择。

  中低品位矾土矿通常通过选矿工艺来提纯,选矿过程中会产生大量尾矿和带来环境问题,目前选矿工艺很难将铁的氧化物降至 ≤1.2%。采用电熔法利用中低品位或废弃铝土矿制备电熔莫来石优点:将选矿和合成工艺融为一体,制备工艺合理、高效和性价比高。利用中低品位或废弃铝土矿制备电熔莫来石是产业化制备莫来石的有效途径。该工艺目前处于试生产阶段。但TiO2在该电熔莫来石中赋存状态尚需探究。进一步发现,在钛铁矿和金属铝制备的钛铁合金和钛刚玉中,钛刚玉中的刚玉和TiO2两相分离,且在抗渣试验中,氮气和空气气氛下均未见原料与渣有明显反应。TiO2在还原性气氛下易转变为非氧化物Ti(C,N),而其具有高强度和高耐磨性等,可提高材料的耐磨性和韧性。

大废钢比条件下铁水包的异常侵蚀与材料选择问题思考
徐国涛
宝钢中央研究院(武汉)

  铁水包是承担铁水运输的重要载体,其运行的安全、稳定直接影响炼钢生产的顺行,也影响工序的能耗与成本。铁水包在使用过程中,包衬要经受1300-1400℃左右高温铁水的冲刷、浸泡、热冲击、机械磨损以及渣、铁的侵蚀,有些钢厂还要在铁水包进行脱硫作业。随着钢厂降低铁钢比的需要,国内不少钢厂在铁水包中加入废钢,提高了钢铁生产流程中的废钢比,但也加剧了对包衬的冲击和侵蚀。实际生产中,发现加入废钢的铁水包存在异常侵蚀,为此对不同钢厂用的铁水包的侵蚀情况进行了调研分析,并对使用的新砖进行了性能测试,本报告结合相关的分析结果,探讨了加入废钢对铁水包衬的侵蚀影响因素及包衬材料存在的问题。

(1)铁水包包底采用铝碳化硅炭砖,体积密度可达2.90g/cm3;包壁用铝碳化硅炭砖体积密度2.54g/cm3,含较多的叶腊石,烧后耐压强度较低,Al2O3含量只有36.32%;体积密度、显气孔率、耐压强度均低于行业标准的要求,铁水包工作衬砖质量不能满足铁水包加废钢的工艺条件是侵蚀的主要原因。

(2)铁水包采用红硅石砖密度大,强度高,保温性不好,容易增加铁水温降;而在废钢没有烘烤条件下,因为没有补热措施,废钢熔化不彻底,造成包口包底粘钢、粘渣,也加剧了铁水包的破损。

(3)铁水包衬的耐火材料必须结合工艺条件的变化加以改进,提高其技术的附加值而不完全是靠原料替代来降低成本。

铝工业用耐火材料新进展
王战民
中钢集团洛阳耐火材料研究院

  报告首先介绍了铝工业发展的概况,包括铝在工业部门中的应用比例,中国铝工业的发展,中国和世界原铝产量的演变,2020年世界原铝产量占比和分布、2019全球主要铝业公司产量占比,2020年中国十种有色金属产量分布,2020年中国电解铝和铝材产量分布,中国电解铝企业2020年产能以及2020年全国氧化铝产量分布。

  报告随后介绍了铝电解槽侧衬材料,包括世界主要国家铝工业窑炉内衬用耐火材料、电解槽的发展趋势、比较了大型预焙槽与传统电解槽用材料,列出了电解槽侧衬类型和应用的主要形式;并对其中一些散热型侧衬材料的性能做了比较。

报告指出铝熔炼炉的发展趋势是容量越来越大,寿命要求越来越长;并讨论了熔铝炉耐火材料损坏机理、耐火材料抗铝液浸润新技术的途径;对比了改进前后的性能指标。

  最后,报告还介绍了其他功能材料, 如功能透气装置、溜槽类型、预制产品、轻质功能件、铸嘴等。

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