基于雙碳背景的耐火材料科技創(chuàng)新實踐

周知瑜

摘 要：在“碳達峰”、“碳中和”的雙碳背景下，為了減少耐火材料生產(chǎn)中產(chǎn)生的污染，國家對高溫行業(yè)生產(chǎn)碳排放提出了新的要求。為了能夠順應(yīng)時代發(fā)展需求，在保證耐火材料生產(chǎn)質(zhì)量和效率的基礎(chǔ)上，減少碳排放、降低污染指數(shù)，必須借助先進科技對耐火材料生產(chǎn)工藝進行升級優(yōu)化，從而推動國家雙碳目標(biāo)的實現(xiàn)。對此，本文首先分析我國目前高溫行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，提出雙碳背景下耐火材料技術(shù)創(chuàng)新要點與實踐內(nèi)容，最后分析耐火材料科學(xué)創(chuàng)新發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：雙碳；耐火材料；科學(xué)創(chuàng)新；高溫行業(yè)

1前言

在“領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會”上，中國主席習(xí)近平宣布了我國未來發(fā)展的雙碳目標(biāo)，即2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年實現(xiàn)碳中和。我國提出雙碳目標(biāo)遠遠短于歐美發(fā)達國家，這就需要在此期間付出更多的努力和心血?！笆奈濉弊鳛樘歼_峰的關(guān)鍵期，我國將碳排放控制聚焦在建設(shè)清潔低碳安全高效能源體系上，開展重點污染行業(yè)降碳行動，推動綠色低碳技術(shù)實現(xiàn)重大突破。耐火材料生產(chǎn)會產(chǎn)生大量的工業(yè)廢氣，其中碳排放量在各大生產(chǎn)工業(yè)中也是名列前茅，因此加強耐火材料科技創(chuàng)新研究有著重要意義。

2雙碳背景下高溫行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，2022年我國內(nèi)地制造業(yè)依然是推動國民經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，占據(jù)市場整體GDP的26.7%。其中，重工業(yè)生產(chǎn)（鋼鐵、石油化工、建材等）總值占據(jù)行業(yè)生產(chǎn)總值的51.8%。重工業(yè)生產(chǎn)會生成大量的二氧化碳氣體，而導(dǎo)致這一原因的主體就是基礎(chǔ)原材料。我國金屬材料生產(chǎn)量以及石油化工產(chǎn)品產(chǎn)量常年處在國際第一梯隊，這也是其占據(jù)國內(nèi)市場GDP數(shù)值、碳排放量較高的重要原因?？陀^來看，我國能源損耗、碳排放量高于國際平均水平，可見為了實現(xiàn)雙碳目標(biāo)，減少傳統(tǒng)能源使用、提高能源利用率、降低碳排放已經(jīng)成為當(dāng)下國家發(fā)展的重要任務(wù)之一[1]。目前我國重工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)著手于擬定、促進雙碳計劃，推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，實現(xiàn)生產(chǎn)工藝的不斷進步與優(yōu)化。

3雙碳背景下耐火材料技術(shù)創(chuàng)新要點分析

為了減少耐火材料生產(chǎn)碳排放量，實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，在耐火材料技術(shù)創(chuàng)新中，應(yīng)重點關(guān)注以下幾點：

（1）長壽命材料。在非化石氫冶金技術(shù)工藝中，包含了氣基爐還原、氫基熔融還原等。由于氫冶金工藝在實際應(yīng)用中會消耗大量的材料，材料更換頻率高，因此創(chuàng)新更長壽命的材料種類，減少材料更換頻次，降低能耗。同理，熔融還原同樣需要消耗大量材料，也需要更加長壽的材料降低損耗。

（2）推動轉(zhuǎn)爐、精煉新技術(shù)的研究，實現(xiàn)綠色化、功能化方向發(fā)展。轉(zhuǎn)爐、精煉中低碳氧積問題較為突出，通常都是采用底吹方式減緩該問題，提升鋼水純凈度，但底吹方式會破壞掉底部材料，特別是底吹粉的使用壽命還沒達到時，就會被破壞，增加了材料浪費量。當(dāng)今相當(dāng)一部分技術(shù)手段會造成材料所處環(huán)境過于極端，甚至?xí)ιa(chǎn)設(shè)備造成損壞，由于這種極端環(huán)境會加大內(nèi)部熱量和沖擊力，長期處于高壓、高溫的無氧環(huán)境，很容易縮短設(shè)備使用壽命，同時還會增加生產(chǎn)風(fēng)險。這些因素都會對工業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。

（3）在優(yōu)質(zhì)鋼材澆筑生產(chǎn)當(dāng)中，容易產(chǎn)生超低碳鋼、簾線鋼等問題，連鑄生產(chǎn)效率難以提升，特別是在稀土、合金元素含量較多時，會極大的縮短材料使用壽命。在制備含錳稀土鋼材時，水堵塞問題也難以避免，這些都會對工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量造成影響。

4雙碳背景下耐火材料科技創(chuàng)新主要內(nèi)容

4.1材料微型結(jié)構(gòu)控制

耐火材料是基質(zhì)、骨料等物質(zhì)組成帶有氣孔的復(fù)合型材料，在耐火材料生產(chǎn)當(dāng)中，顆粒組成設(shè)計十分重要，會關(guān)乎到耐火材料微型結(jié)構(gòu)以及整體使用的穩(wěn)定性。在生產(chǎn)過程中處于高溫環(huán)境下，燒制成熟料后將其打碎成顆粒狀，這也是當(dāng)前耐火材料普遍生產(chǎn)工藝。但該工藝在實際應(yīng)用中，不利于保障耐火材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，想要控制其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性難度大[2]。并且，該生產(chǎn)方式還會增加生產(chǎn)商成本，由于生產(chǎn)某個規(guī)格粒徑的材料，生產(chǎn)中還會產(chǎn)生其他粒徑規(guī)格的材料，而其他規(guī)格粒徑材料應(yīng)用價值非常低，從而導(dǎo)致資源浪費。為了穩(wěn)定耐火材料微型結(jié)構(gòu)，還是需要從材料和工藝兩個方面出發(fā)，應(yīng)加強新型基質(zhì)、新型骨料的開發(fā)，提升這些生產(chǎn)材料在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性，減少燒制時的變形量，從而控制耐火材料微型結(jié)構(gòu)；加強新燒制工藝的創(chuàng)新研究，孔隙結(jié)構(gòu)差異很大的原因是因為燒制環(huán)境溫度波動較大，這就要減少溫度波動，例如可以將傳統(tǒng)的燃燒材料更換為天然氣，通過控制天然氣供給實現(xiàn)溫度控制。

4.2材料輕量化

耐火材料重量較大是普遍存在的問題，應(yīng)在保證使用壽命的基礎(chǔ)上，降低耐火材料的密度、體積，實現(xiàn)耐火材料輕量化發(fā)展。耐火材料輕量化的優(yōu)勢在于：

（1）可以減少生產(chǎn)原材料使用數(shù)量，降低物料總消耗量。

（2）降低耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)，降低能源消耗量。

（3）材料轉(zhuǎn)變?yōu)槭炝线^程中的溫度要求降低，除了能夠降低二氧化碳排放量，同時可以控制生產(chǎn)成本。

耐火材料生產(chǎn)中的骨料，可以提升耐火材料的整體強度與抗震性，但由于基質(zhì)、骨料二者的體積密度、氣孔率有很大的差異，骨料氣孔率為4%，而基質(zhì)氣孔率普遍達到15%左右。從理論上看，由于耐火材料是骨料和基質(zhì)共同組成的復(fù)合型材料，骨料強度大于基質(zhì)時，便可限制其擴散度，在實際應(yīng)用中不需要過高的強度，因此可以適當(dāng)降低骨料的占比，從而實現(xiàn)降低耐火材料密度、體積的目的。

4.3自動化配料系統(tǒng)

在耐火材料生產(chǎn)制作中，過去都是以人工配制為主，這不僅增加人員投入、提高錯誤率、數(shù)據(jù)記錄不變，并且工作效率非常低。為了減少人為因素的影響，在自動化技術(shù)支撐下，耐火材料也逐漸實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)，自動化生產(chǎn)系統(tǒng)可以在線檢測材料生產(chǎn)情況，控制生產(chǎn)鏈條流程，主要包括材料稱重、輸送、存儲、檢測等一系列功能。并且借助自動化系統(tǒng)可以根據(jù)生產(chǎn)配方標(biāo)準(zhǔn)，計算某個批次或時間段生產(chǎn)所需材料總量，控制移動稱重車輛運輸材料。系統(tǒng)會對不同存儲倉材料進行計量，在得到配料任務(wù)后將相應(yīng)的材料運輸?shù)脚帕峡诓⑿敦?。配料車上裝有控制設(shè)備，技術(shù)人員可以通過計算機操作平臺、PLC軟件實現(xiàn)遠程操控，上位機、下位機通過通訊系統(tǒng)可以隨時保持聯(lián)系[3]。系統(tǒng)配料時的所有信息都可以在控制中心顯示屏中呈現(xiàn)，并且可以實時記錄配料、生產(chǎn)數(shù)據(jù)等信息，將所有的配料數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。自動化生產(chǎn)系統(tǒng)具有精度高、效率高等優(yōu)勢，減少人力資源的投入，降低人為因素影響。同時，自動化生產(chǎn)系統(tǒng)需要投入新型生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)環(huán)境密封性更好，更好的防止粉塵進入到生產(chǎn)車間。也正是自動化生產(chǎn)系統(tǒng)有諸多優(yōu)勢，才能使近些年大批量工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)不斷朝向自動化生產(chǎn)方向發(fā)展。

4.4成型自動化生產(chǎn)

耐火材料成型工藝包括大量工序，如：材料混合、材料輸送、材料稱重、出磚、碼垛等。例如材料稱重過去都是人工將材料搬到稱重器上，不僅投入大量勞動力、生產(chǎn)力低下，還難以保證稱重精度。而自動化生產(chǎn)線可以在減少人為干擾下自動完成工作，提升產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量與效率。自動化生產(chǎn)線可以自動化控制生產(chǎn)設(shè)備，如混合機、稱重機、布料器等，借助自動檢測系統(tǒng)，在自動化設(shè)備中依照生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定生產(chǎn)參數(shù)即可自動化上料，誤差可以控制在30g以內(nèi)，稱重、布料效率大大提升[4]。全自動壓力機可以一站式完成布料、壓制、脫模等工序，還可以調(diào)節(jié)生產(chǎn)參數(shù)實現(xiàn)不同材料、外形尺寸的產(chǎn)品生產(chǎn)需求。在成型生產(chǎn)過程中，該設(shè)備可以嚴(yán)格管控成型規(guī)格，誤差值不超過0.5%，并且還可以保障材料均勻進入到模腔中，控制成品的密度。材料壓制時由于是設(shè)備控制，可以降低掉角、缺口、層裂的發(fā)生概率，極大的提升了耐火材料生產(chǎn)質(zhì)量。

4.5全自動溫控隧道

在過去，耐火材料生產(chǎn)都是采用隧道窯，該設(shè)施為人工操作、應(yīng)用傳統(tǒng)能源，會增加污染和人為影響。近些年，相關(guān)企業(yè)設(shè)計出了新型全自動超高溫隧道設(shè)施，該設(shè)施用于生產(chǎn)耐火材料效率高、成本低、質(zhì)量好，在溫度控制、壓力控制方面十分出色，保障了耐火材料的生產(chǎn)質(zhì)量。特別是近些年大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，可以借助氣壓傳感器、溫度傳感器，將生產(chǎn)信息傳遞給控制中心，通過建模形式觀察現(xiàn)有生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)是否滿足要求，并科學(xué)調(diào)節(jié)燒制中的助燃空氣、燃料配比，保持燒制過程中壓力、溫度穩(wěn)定。借助大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可以制作不同模型，從而降低生產(chǎn)中二氧化碳排放量，實現(xiàn)更加智能的生產(chǎn)模式[5]。

4.6生產(chǎn)過程智能監(jiān)測

借助自動化系統(tǒng)平臺的智能監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測耐火材料的生產(chǎn)過程，系統(tǒng)自動檢測殘次品，并直接將殘次品剔除，避免進入到下一道生產(chǎn)線。借助智能監(jiān)測系統(tǒng)還可以減少資源浪費問題，如在生產(chǎn)中檢測到出磚表面凹凸不平、開裂等情況，系統(tǒng)借助機械臂將這些材料剔除放入到相應(yīng)位置保管，也可以根據(jù)系統(tǒng)提示人工挑出。特別是在鎂碳磚生產(chǎn)中，智能化監(jiān)測系統(tǒng)可以發(fā)揮極大的優(yōu)勢。

4.7服役過程智能檢測

耐火材料現(xiàn)場服役時會經(jīng)過高溫熔體、液體沖刷、物質(zhì)侵蝕等流程，隨著次數(shù)的增加會降低材料保護效果，如果不能及時的進行修復(fù)、更換，容易造成生產(chǎn)設(shè)備損壞，甚至?xí)斐砂踩鹿省Ｍㄟ^智能檢測系統(tǒng)實時監(jiān)測耐火材料爐襯，不僅能及時掌握爐內(nèi)情況，確保高溫作業(yè)安全性，還可以針對現(xiàn)存問題借助大數(shù)據(jù)提出整改意見。如鐵鉤外部鋼殼劃定網(wǎng)格時，會布置大量溫感器監(jiān)測現(xiàn)場情況，根據(jù)系統(tǒng)計算的背部溝襯厚度；借助紅外線測溫系統(tǒng)，計算容器外殼運行溫度，從而判定殘襯厚度[6]。

5雙碳背景下耐火材料科技創(chuàng)新方向

5.1耐火原料的減碳化

對耐火材料生產(chǎn)工藝流程創(chuàng)新，研發(fā)低碳排放的可替代原料；研發(fā)低碳排放的新型加熱技術(shù)，提高材料制備效率；研發(fā)高強、輕質(zhì)微孔骨料，將傳統(tǒng)電熔原料更替為燒結(jié)原料；研發(fā)綠色無污染的無機結(jié)合劑，替代之前的高碳排放有機結(jié)合劑，如瀝青、酚醛樹脂等；發(fā)展綠色無污染的表面活性劑，如減水劑、添加劑等。

5.2研究先進高溫材料與材料部件化

對結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計，通過對材料跨尺度、梯度結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合以及表面改性研究，優(yōu)化調(diào)控材料的力學(xué)性能、熱物理性能、功能性。充分利用現(xiàn)有的新型節(jié)能減排工藝，積極開發(fā)高性能、長壽命綠色高溫隔熱材料，提升能源利用率，聚焦行業(yè)新能源領(lǐng)域材料，研發(fā)綠色、高效、長壽的新型耐火材料[7]。加強市場合作，跨專業(yè)開展多學(xué)科交叉研發(fā)，充分采用自動化、智能化生產(chǎn)技術(shù)，借助融合材料、自動化監(jiān)測、新型傳感器以及人工智能技術(shù)等，讓高溫材料朝向部件化與模塊化方向發(fā)展，實現(xiàn)耐火材料服役的實時監(jiān)控，使耐火材料服役壽命最大化。

5.3耐火材料評價與方法創(chuàng)新

由于耐火材料服役處于高溫、高壓、高腐、高沖擊的環(huán)境，借助人工智能技術(shù)建立耐火材料服役失效模型，預(yù)測研究耐火材料服役壽命，為不同生產(chǎn)環(huán)境耐火材料的研發(fā)、升級提供數(shù)據(jù)支撐。加強耐火材料關(guān)鍵性能協(xié)同提升研究，包括耐侵蝕性、抗震性、抗?jié)B性等等，調(diào)控材料的物理組成和化學(xué)反應(yīng)，優(yōu)化梯度材料設(shè)計方案、調(diào)整微型結(jié)構(gòu)，借助熱力學(xué)模擬計算開展新型高性能材料的研發(fā)制備。

5.4低碳化制備技術(shù)

開展骨料制備耐火材料均勻成型技術(shù)研究，提升耐火材料微型結(jié)構(gòu)功能性，實現(xiàn)輕量化發(fā)展，更好的制備出復(fù)雜形狀的材料。聯(lián)合研發(fā)定型制品成型設(shè)備，進一步加強材料外形控制。研發(fā)新型燒結(jié)設(shè)備，如等離子燒結(jié)、微波燒結(jié)等，均能有效降低資源損耗以及碳排放量。

6結(jié) 語

綜上所述，在“碳達峰”、“碳中和”的雙碳背景下，充分研究如何減少耐火材料生產(chǎn)中產(chǎn)生的污染情況，對推動國家雙碳目標(biāo)實現(xiàn)有著重要意義。這就需要結(jié)合國家對高溫行業(yè)生產(chǎn)碳排放提出的新標(biāo)準(zhǔn)、新要求，加強綠色、輕質(zhì)高效、智能化技術(shù)的研究，在保證耐火材料生產(chǎn)質(zhì)量和效率的基礎(chǔ)上，減少碳排放、降低污染指數(shù)，實現(xiàn)耐火材料生產(chǎn)工藝進行升級優(yōu)化的目標(biāo)。

參考文獻

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[5] 杜國義，朱守先，羅雯.基于"雙碳"背景的國家新能源綜合示范區(qū)建設(shè)--內(nèi)蒙古自治區(qū)的實踐與探索[J].中國能源， 2022（06）：44-45.

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