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摘要： 针对耐火材料行业存在的高能耗问题，介绍了在节能降耗方面所做的一些工作.节能不仅要从耐火材料组织结构入手，通过降低材料热导率减少散热损失，还要考虑工业用窑炉的技术改进和废气余热利用、材料制备过程中工艺条件的选择与新工艺新技术的开发应用、废旧耐火材料的再资源化等方面，同时利用系统统筹方法，通过优化管理和参数匹配，并辅以微机管理技术对耐火材料生产过程实行最佳配置，以达到最大程度节约能量，保护环境的目的.
关键词： 耐火材料； 节能； 高能耗
中图分类号： TU 541文献标志码： A
Energy saving in the production of refractory materials
KANG Rui
（Yangquan Institute of Quality and Technical Supervision Inspection & Measurement，
Yangquan 045000， China）
Abstract： This paper carried out investigations on the energy saving problem in the production of refractory materials. On one hand， heat loss could be reduced by reducing the thermal conductivity of refractory materials， e.g. by changing the composition and organization of refractory materials. On the other hand， we can adopt various energy saving methods， e.g. kiln technology improvement， waste heat utilization， selecting the best technological conditions for refractory materials production， development and application of new processes and technologies， and recycling of waste refractory materials， etc. In addition， a critical path method is used to save energy and protect environment via optimizing the management and parameter matching， with the help of advanced monitoring and managing technique by means of computer.
Key words： refractory material； energy saving； high energy consumption
耐火材料是我国高温领域的一种战略性材料，服务于许多行业.其中，钢铁行业是第一大消费领域，使用量高达65%，水泥行业使用量达10%，建材、金属等行业也在大量消费耐火材料.经过几十年的发展，我国耐火材料产销量已跃居世界耐火材料首位，耐火制品及原料已出口到100多个国家和地区.然而，耐火材料所面临的困境也不容忽视：产品结构能耗高、资源消耗量大导致资源和能源的大量浪费；绿色节能型材料所占比重小，数量和品质都有待进一步提升.
我国虽有丰富的耐火原料资源，尤其是矾土、菱镁矿、石墨，但过多的不合理消耗造成了资源的匮乏，优质原料供不应求，产品质量很难稳定.随着国家“节约能源”和“淘汰高能耗行业落后产能”基本国策的提出，耐火材料行业迎来新的挑战和发展机遇，节能降耗刻不容缓.在本文中，主要介绍了耐火材料在节能方面的一些思路和所做的工作，为可持续发展寻求新的出路.
1节能耐火材料的开发和应用
通过改变耐火材料的组成成分可以满足节能需求.耐火材料主要用于各种窑炉、转炉等需要高温处理的部位，由于衬体存在一定热导率，炉体的散热量达到了总供给热量的15%～45%，能量损失相当严重，因此需要研发各种低热导率的工作衬用耐火材料.如降低含碳耐火材料的碳含量，使用无碳和低碳的钢包砖.目前，用于水泥回转窑高温带的主要是氧化镁-镁铝尖晶石、铁铝尖晶石耐火材料[1] .与镁铝尖晶石相比，铁铝尖晶石有更低的热导率和热膨胀率，保证了较低的窑体温度，降低了热损失，延长了回转窑的使用寿命.李艳等[2]对比了轻质耐磨砖和硅莫砖的性能，结果如表1所示.实践证实，使用较低热导率的轻质耐磨砖时，筒体温度下降了42 ℃，有效降低了热损耗，每年可节约标煤390 t.
能源研究与信息2013年第29卷
第3期康睿：耐火材料节能化研究
不定形耐火材料由于不需要高温烧成，已经成为耐火材料节能领域的重要成员.通过原料的轻质化和微孔化，可以显著降低热导率，减少单位材料的能量消耗，如氧化铝空心球、氧化镁空心球的应用.文献[3-4]分别采用原位分解法获得了莫来石、镁铝尖晶石等微孔骨料，孔径在10 μm以下.Vladimir 等[5] 高温合成了以六铝酸钙为主晶相的高纯轻质骨料，25～1 400 ℃时的热导率为0.15～0.5 W·m-1·K-1.
表1轻质耐磨砖与硅莫砖性能对比
Tab.1Porperty comparison between light wearresistant
brick and SiMo brick 性能参数硅莫砖轻质耐磨砖密度/（g·cm-3）2.71.6热导率（1 000 ℃）/（W·m-1·K-1）2.01.3
2工业窑炉的改进与余热利用
工业窑炉是使用耐火材料的主要设备，也是陶瓷、冶金、建材等工业领域中至关重要的热能设备.因此，加强窑炉管理和技术创新是耐火材料节能的重点.
制定耐火材料工业窑炉技术目录，积极发展新技术，淘汰落后技术；淘汰落后窑炉，制止其重复建设.例如，淘汰落后的倒焰炉，开发新型间歇式隧道窑.该窑型是在梭式窑的基础上，前端增加了预热带，后端增加了冷却带，具有隧道窑的高“热效率”优点.
采用微机操作等技术改进现有窑炉，有针对性地解决问题，降低热耗.三相电弧炉[6] 以“熔块法”生产电熔刚玉和电熔镁砂，成为行业耗能大户.河南义马某厂经过改进和创新，建成了单极直流电炉，预计降低电耗200 kW·h·d-1，降低石墨电极消耗30%～40%，降低原料消耗20%.张豫等[7] 改进了智能高温电炉，采用氧化铝纤维耐火材料作炉材，二硅化钼作发热元件，经测试，能耗低于普通电炉50%，工作效率高于普通电炉5倍以上.李仪[8]对比了顶烧式隧道窑与侧烧窑的主要热工指标，如表2所示.不难看出，顶烧式隧道窑二次空气温度高，窑墙散热损失小，煤气消耗量、预热带上下温差、单位产品燃料消耗小，充分节约了燃料.
表2两种窑炉的主要热工指标
Tab.2Main thermal indexes of two different industry kilns
热工指标侧烧窑顶烧窑二次空气温度/℃150550窑墙散热损失/W489326消耗煤气热值/W549328预热带上下温差/℃35080单位产品燃料消耗/（L·t-1）11075
鉴于很多工业窑炉的热效率都低于70%，而其排放的废气热值占窑炉总能耗的20%以上，废气的余热利用率仅为4%～5%，具有很大的节能潜力.谭业锋[9] 研究了热管技术在窑炉废气余热利用方面的应用，设计出结构合理的低温高效热管换热设备，可将废气余热用于冬季民用取暖，实现了经济、社会和环境效益的统一.其设计思路可推广到其它类似窑炉换热器中.
3工艺条件的选择与创新
除了窑炉必须节能外，更要重视生产过程中的工艺创新，例如，利用微波和远红外线快速干燥，降低烧成温度，缩短烧成周期等，都可有效节约燃料.郑化[10] 采用行星式高能球磨机机械法制备氧化镁微粉，在粉磨过程中通过添加助磨剂，可使粉磨时间控制在90 min以内，氧化镁粉体粒径降至6 μm左右，粉磨效率提高了20%～30%，从而达到一定的节能目的.
富氧燃烧是近代燃烧领域的节能技术之一.该技术可以降低燃料燃点，加快燃烧速度，促进燃烧完全，提高热利用率[11] .与普通空气燃烧相比，其节能效果显著.表3为日本富氧燃烧节能效果的试验数据[11].
表3助燃富氧空气氧含量与节能效果
Tab.3Oxygen content and energy saving effect
in oxygenenriched combustion
氧含量/%232527节能率/%10～2520～4030～50
4废旧耐火材料的再利用
在我国，废旧耐火材料通常被填埋，重新回收利用的比例还不足30%，而欧洲耐火材料再生利用比例可达到50%以上，被废弃的耐火材料很少.随着能源短缺的日益加剧以及对减少固体废弃物要求的提高，耐火材料的回收利用已经成为一项社会责任和可持续发展的驱动力.逐渐转向开发高附加值产品的研究，不仅解决了其带来的环境污染问题，更有利于实现废料的再利用，为耐火材料节能减排开辟一条新途径.
郑忠燕[12] 通过对半成品镁碳废砖进行预处理，选择合理的碾料方式，同时添加1%的添加剂，将半成品镁碳废砖加入量的比例提高到30%，实现了半成品镁碳废砖的有效回收利用.钟莲云[13] 以耐火材料废料为主要原料，天然矿物为助熔剂，通过合理设计晶界相的组成，成功制备了一系列性能优异的Al2O3含量45%～85%的Al2O3基瓷球.张国富[14] 分析了炼钢中废弃铝碳耐火材料的回收利用情况，指出将少量废弃铝碳材料与未使用过的材料混合，由于铁水渗透到氧化铝天然石墨基质中的量微不足道，损毁非常低，不影响使用.
5系统节能的提出与应用
杨大东[15] 提出了“系统节能”的概念.系统节能就是指在不改变现有的设备、工艺技术状况，不涉及单个环节的耗能水平或用能效率的情况下，通过改变管理和控制方面的参数匹配，使其调整到一组最佳值，从而使企业在一定产出条件下达到能耗总量最低的技术方法.辅以计算机管理后，可实现动态快速的跟踪和优化决策.
上海耐火材料厂在使用该方法进行管理之后，实现了工序能耗环比下降3.49 kg·t-1，直接节能效益和间接经济效益达236万元，项目的投资效益比高达1 ∶39.[15]
6结语
资源短缺、环境污染日益成为制约耐火行业发展的瓶颈.面对诸多困难，耐火材料行业更应接受挑战，解决自身产品结构不合理、产能过剩、资源利用过于粗放、能耗高等问题，发展高效、节能、功能化、绿色环保为内涵的先进耐火材料，走资源节约、环境友好型的可持续发展道路.
参考文献：
[1]郭宗奇，NIEVOLL J.氧化镁-铁铝尖晶石耐火材料在水泥回转窑中的应用[J].中国水泥，2007（5）：63-65.
[2]李艳，毛恩亮，白雪松.耐火材料节能技术在水泥行业的应用[J].水泥，2012（5）：31.
[3]LI S，LI N.Effects of composition and temperature on porosity and pore size distribution of porous ceramics prepared from Al（OH）3 and kaolinite gangue[J].Ceramics International，2007，33（4）：551-556.
[4]鄢文.原位分解法制备多孔陶瓷的影响因素及相关应用研究[D].武汉：武汉科技大学，2008.
[5]VLADIMIR V P，VALERY V M，LARISA D，et al.Super low thermal conductivity heat insulating lightweight material on the basis of calcium hexaaluminate[C]∥Proceeding of UNITECR 01，Cancun，2001：1186 -1192.
[6]魏同，吴运广.我国耐火材料生产节能方向[J].耐火与石灰，2007，32（1）：4-8.
[7]张豫，李志强，牛学臣，等.改进智能高温高效节能电炉及耐火材料[J].稀有金属材料与工程，2008，37（S1）：725-728.
[8]李仪.陶瓷耐火材料工业窑炉节能的措施[J].陶瓷，1981（4）：42-47.
[9]谭业锋.工业窑炉废气余热的回收与利用研究[D].济南：山东大学，2006.
[10]郑化.有机助磨剂在机械法制备和改性MgO微粉中的应用[D].武汉：武汉科技大学，2010.
[11]苏俊林，潘亮，朱长明.富氧燃烧技术研究现状及发展[J].研究与开发，2008（3）：1-4.
[12]郑忠燕.半成品镁碳废砖回收利用的研究[J].四川冶金，2011，33（3）：71-73.
[13]钟莲云.用硅酸铝质耐火材料废料制备氧化铝基陶瓷的技术及机理研究[D].武汉：武汉理工大学，2006.
[14]张国富.炼钢中废弃铝碳耐火材料的回收利用[J].耐火与石灰，2011，36（4）：18-22.
[15]杨大东.耐火材料生产过程系统节能技术研究[J].能源研究与信息，1994，10（1）：33-44.
关键词： 耐火材料； 节能； 高能耗
中图分类号： TU 541文献标志码： A
Energy saving in the production of refractory materials
KANG Rui
（Yangquan Institute of Quality and Technical Supervision Inspection & Measurement，
Yangquan 045000， China）
Abstract： This paper carried out investigations on the energy saving problem in the production of refractory materials. On one hand， heat loss could be reduced by reducing the thermal conductivity of refractory materials， e.g. by changing the composition and organization of refractory materials. On the other hand， we can adopt various energy saving methods， e.g. kiln technology improvement， waste heat utilization， selecting the best technological conditions for refractory materials production， development and application of new processes and technologies， and recycling of waste refractory materials， etc. In addition， a critical path method is used to save energy and protect environment via optimizing the management and parameter matching， with the help of advanced monitoring and managing technique by means of computer.
Key words： refractory material； energy saving； high energy consumption
耐火材料是我国高温领域的一种战略性材料，服务于许多行业.其中，钢铁行业是第一大消费领域，使用量高达65%，水泥行业使用量达10%，建材、金属等行业也在大量消费耐火材料.经过几十年的发展，我国耐火材料产销量已跃居世界耐火材料首位，耐火制品及原料已出口到100多个国家和地区.然而，耐火材料所面临的困境也不容忽视：产品结构能耗高、资源消耗量大导致资源和能源的大量浪费；绿色节能型材料所占比重小，数量和品质都有待进一步提升.
我国虽有丰富的耐火原料资源，尤其是矾土、菱镁矿、石墨，但过多的不合理消耗造成了资源的匮乏，优质原料供不应求，产品质量很难稳定.随着国家“节约能源”和“淘汰高能耗行业落后产能”基本国策的提出，耐火材料行业迎来新的挑战和发展机遇，节能降耗刻不容缓.在本文中，主要介绍了耐火材料在节能方面的一些思路和所做的工作，为可持续发展寻求新的出路.
1节能耐火材料的开发和应用
通过改变耐火材料的组成成分可以满足节能需求.耐火材料主要用于各种窑炉、转炉等需要高温处理的部位，由于衬体存在一定热导率，炉体的散热量达到了总供给热量的15%～45%，能量损失相当严重，因此需要研发各种低热导率的工作衬用耐火材料.如降低含碳耐火材料的碳含量，使用无碳和低碳的钢包砖.目前，用于水泥回转窑高温带的主要是氧化镁-镁铝尖晶石、铁铝尖晶石耐火材料[1] .与镁铝尖晶石相比，铁铝尖晶石有更低的热导率和热膨胀率，保证了较低的窑体温度，降低了热损失，延长了回转窑的使用寿命.李艳等[2]对比了轻质耐磨砖和硅莫砖的性能，结果如表1所示.实践证实，使用较低热导率的轻质耐磨砖时，筒体温度下降了42 ℃，有效降低了热损耗，每年可节约标煤390 t.
能源研究与信息2013年第29卷
第3期康睿：耐火材料节能化研究
不定形耐火材料由于不需要高温烧成，已经成为耐火材料节能领域的重要成员.通过原料的轻质化和微孔化，可以显著降低热导率，减少单位材料的能量消耗，如氧化铝空心球、氧化镁空心球的应用.文献[3-4]分别采用原位分解法获得了莫来石、镁铝尖晶石等微孔骨料，孔径在10 μm以下.Vladimir 等[5] 高温合成了以六铝酸钙为主晶相的高纯轻质骨料，25～1 400 ℃时的热导率为0.15～0.5 W·m-1·K-1.
表1轻质耐磨砖与硅莫砖性能对比
Tab.1Porperty comparison between light wearresistant
brick and SiMo brick 性能参数硅莫砖轻质耐磨砖密度/（g·cm-3）2.71.6热导率（1 000 ℃）/（W·m-1·K-1）2.01.3
2工业窑炉的改进与余热利用
工业窑炉是使用耐火材料的主要设备，也是陶瓷、冶金、建材等工业领域中至关重要的热能设备.因此，加强窑炉管理和技术创新是耐火材料节能的重点.
制定耐火材料工业窑炉技术目录，积极发展新技术，淘汰落后技术；淘汰落后窑炉，制止其重复建设.例如，淘汰落后的倒焰炉，开发新型间歇式隧道窑.该窑型是在梭式窑的基础上，前端增加了预热带，后端增加了冷却带，具有隧道窑的高“热效率”优点.
采用微机操作等技术改进现有窑炉，有针对性地解决问题，降低热耗.三相电弧炉[6] 以“熔块法”生产电熔刚玉和电熔镁砂，成为行业耗能大户.河南义马某厂经过改进和创新，建成了单极直流电炉，预计降低电耗200 kW·h·d-1，降低石墨电极消耗30%～40%，降低原料消耗20%.张豫等[7] 改进了智能高温电炉，采用氧化铝纤维耐火材料作炉材，二硅化钼作发热元件，经测试，能耗低于普通电炉50%，工作效率高于普通电炉5倍以上.李仪[8]对比了顶烧式隧道窑与侧烧窑的主要热工指标，如表2所示.不难看出，顶烧式隧道窑二次空气温度高，窑墙散热损失小，煤气消耗量、预热带上下温差、单位产品燃料消耗小，充分节约了燃料.
表2两种窑炉的主要热工指标
Tab.2Main thermal indexes of two different industry kilns
热工指标侧烧窑顶烧窑二次空气温度/℃150550窑墙散热损失/W489326消耗煤气热值/W549328预热带上下温差/℃35080单位产品燃料消耗/（L·t-1）11075
鉴于很多工业窑炉的热效率都低于70%，而其排放的废气热值占窑炉总能耗的20%以上，废气的余热利用率仅为4%～5%，具有很大的节能潜力.谭业锋[9] 研究了热管技术在窑炉废气余热利用方面的应用，设计出结构合理的低温高效热管换热设备，可将废气余热用于冬季民用取暖，实现了经济、社会和环境效益的统一.其设计思路可推广到其它类似窑炉换热器中.
3工艺条件的选择与创新
除了窑炉必须节能外，更要重视生产过程中的工艺创新，例如，利用微波和远红外线快速干燥，降低烧成温度，缩短烧成周期等，都可有效节约燃料.郑化[10] 采用行星式高能球磨机机械法制备氧化镁微粉，在粉磨过程中通过添加助磨剂，可使粉磨时间控制在90 min以内，氧化镁粉体粒径降至6 μm左右，粉磨效率提高了20%～30%，从而达到一定的节能目的.
富氧燃烧是近代燃烧领域的节能技术之一.该技术可以降低燃料燃点，加快燃烧速度，促进燃烧完全，提高热利用率[11] .与普通空气燃烧相比，其节能效果显著.表3为日本富氧燃烧节能效果的试验数据[11].
表3助燃富氧空气氧含量与节能效果
Tab.3Oxygen content and energy saving effect
in oxygenenriched combustion
氧含量/%232527节能率/%10～2520～4030～50
4废旧耐火材料的再利用
在我国，废旧耐火材料通常被填埋，重新回收利用的比例还不足30%，而欧洲耐火材料再生利用比例可达到50%以上，被废弃的耐火材料很少.随着能源短缺的日益加剧以及对减少固体废弃物要求的提高，耐火材料的回收利用已经成为一项社会责任和可持续发展的驱动力.逐渐转向开发高附加值产品的研究，不仅解决了其带来的环境污染问题，更有利于实现废料的再利用，为耐火材料节能减排开辟一条新途径.
郑忠燕[12] 通过对半成品镁碳废砖进行预处理，选择合理的碾料方式，同时添加1%的添加剂，将半成品镁碳废砖加入量的比例提高到30%，实现了半成品镁碳废砖的有效回收利用.钟莲云[13] 以耐火材料废料为主要原料，天然矿物为助熔剂，通过合理设计晶界相的组成，成功制备了一系列性能优异的Al2O3含量45%～85%的Al2O3基瓷球.张国富[14] 分析了炼钢中废弃铝碳耐火材料的回收利用情况，指出将少量废弃铝碳材料与未使用过的材料混合，由于铁水渗透到氧化铝天然石墨基质中的量微不足道，损毁非常低，不影响使用.
5系统节能的提出与应用
杨大东[15] 提出了“系统节能”的概念.系统节能就是指在不改变现有的设备、工艺技术状况，不涉及单个环节的耗能水平或用能效率的情况下，通过改变管理和控制方面的参数匹配，使其调整到一组最佳值，从而使企业在一定产出条件下达到能耗总量最低的技术方法.辅以计算机管理后，可实现动态快速的跟踪和优化决策.
上海耐火材料厂在使用该方法进行管理之后，实现了工序能耗环比下降3.49 kg·t-1，直接节能效益和间接经济效益达236万元，项目的投资效益比高达1 ∶39.[15]
6结语
资源短缺、环境污染日益成为制约耐火行业发展的瓶颈.面对诸多困难，耐火材料行业更应接受挑战，解决自身产品结构不合理、产能过剩、资源利用过于粗放、能耗高等问题，发展高效、节能、功能化、绿色环保为内涵的先进耐火材料，走资源节约、环境友好型的可持续发展道路.
参考文献：
[1]郭宗奇，NIEVOLL J.氧化镁-铁铝尖晶石耐火材料在水泥回转窑中的应用[J].中国水泥，2007（5）：63-65.
[2]李艳，毛恩亮，白雪松.耐火材料节能技术在水泥行业的应用[J].水泥，2012（5）：31.
[3]LI S，LI N.Effects of composition and temperature on porosity and pore size distribution of porous ceramics prepared from Al（OH）3 and kaolinite gangue[J].Ceramics International，2007，33（4）：551-556.
[4]鄢文.原位分解法制备多孔陶瓷的影响因素及相关应用研究[D].武汉：武汉科技大学，2008.
[5]VLADIMIR V P，VALERY V M，LARISA D，et al.Super low thermal conductivity heat insulating lightweight material on the basis of calcium hexaaluminate[C]∥Proceeding of UNITECR 01，Cancun，2001：1186 -1192.
[6]魏同，吴运广.我国耐火材料生产节能方向[J].耐火与石灰，2007，32（1）：4-8.
[7]张豫，李志强，牛学臣，等.改进智能高温高效节能电炉及耐火材料[J].稀有金属材料与工程，2008，37（S1）：725-728.
[8]李仪.陶瓷耐火材料工业窑炉节能的措施[J].陶瓷，1981（4）：42-47.
[9]谭业锋.工业窑炉废气余热的回收与利用研究[D].济南：山东大学，2006.
[10]郑化.有机助磨剂在机械法制备和改性MgO微粉中的应用[D].武汉：武汉科技大学，2010.
[11]苏俊林，潘亮，朱长明.富氧燃烧技术研究现状及发展[J].研究与开发，2008（3）：1-4.
[12]郑忠燕.半成品镁碳废砖回收利用的研究[J].四川冶金，2011，33（3）：71-73.
[13]钟莲云.用硅酸铝质耐火材料废料制备氧化铝基陶瓷的技术及机理研究[D].武汉：武汉理工大学，2006.
[14]张国富.炼钢中废弃铝碳耐火材料的回收利用[J].耐火与石灰，2011，36（4）：18-22.
[15]杨大东.耐火材料生产过程系统节能技术研究[J].能源研究与信息，1994，10（1）：33-44.