高端耐材也要低耗

赵义 黄凯  沈明科 马铮 方斌祥 叶林

　　节约能源不仅能够产生巨大经济效益，而且从长远考虑社会效益更为显著。面对当前严峻的钢铁市场大环境，节能降耗、降本增效成为我国耐火材料行业提高竞争力的重要措施。

　　板状刚玉作为耐火材料中的一种大型重要原料，其生产是通过大型竖窑快速烧结而成，需耗大量能耗源，因此，从生产工艺角度思考，降低其能耗是提升板状刚玉竞争力的必要方式。

　　板状刚玉生产的节能降耗方式

　　早期板状刚玉是由Thomas S．Curtis于1934年在竖窑中烧制而成的，接着便开始工业化生产使用，用作耐火材料和陶瓷行业窑炉的内衬材料。后来，美国铝业公司（即现在的安迈铝业公司）大力发展板状刚玉产品，并开发一系列烧结板状刚玉产品。国内接触板状刚玉比较晚，其发展经历大致可以分为4个阶段：初期接触阶段、了解发展阶段、尝试生产阶段、发展壮大阶段。从烧结板状刚玉的基本生产工艺和生产设备出发，笔者在此探讨节能降耗的几种方式。

　　原料的选择。目前国内生产板状刚玉的原料大部分是采用工业氧化铝粉即γ-Al2O3，而安迈铝业采用煅烧氧化铝粉。煅烧氧化铝粉是工业氧化铝粉经过一定的高温处理得到的，较工业氧化铝粉而言，煅烧氧化铝粉具有较高的活性和烧结性能，能适当得降低烧结温度。然而，煅烧氧化铝粉成本较高，成为国内一些板状刚玉生产厂家不选它的主要原因。因此，综合考虑，在原料方面采用工业氧化铝和煅烧氧化铝粉复配使用，以一定的比例复配使用后，既可以控制原料成本，也可以提高原料的烧结性能，降低烧结温度，减少天然气用量，降低能耗，从而降低生产成本。目前，已有厂家采用该方法在试生产，并取得不错的效果。

　　球磨技术的改进。板状刚玉所用的原料在成球之前需要球磨成细粉，而目前大部分厂家只是控制球磨机出粉粒度为325目的通过率，并没有从细粉粒度上去研究。然而，原料粒度是影响烧结效果的一个重要因素，粒度的减小会增大原料的比表面积，增加烧结活性，促进烧结效果，降低烧结需要的温度，从而减少天然气用量。

　　原料粉的粒度主要是通过球磨机控制来实现的，安迈球磨机中使用的研磨球为钢质，而国内大部分生产厂家采用的还是瓷球。球磨机中采用钢质磨球的生产效率要比瓷球效率高20%~30%，节约电力消耗10%~15%。另外，在同样的条件下，钢质磨球生产出的细粉粒度要比瓷球生产出的粒径小5%左右，这样，可以大幅度提高原料的烧结活性，降低烧成时需要的能耗。

　　成球方式的选择。板状刚玉的烧制是一个固相烧结，通过物质迁移使粉末体产生强度并导致致密化和再结晶的过程，因此，板状刚玉的半成品球的致密度是影响制品烧结效果的一个重要因素。半成品致密度的提高是可以改变粉料颗粒之间的接触状态，缩短颗粒之间的距离，增大接触面积，提高固相之间传递能量的速度和效率，从而提高烧结效果。

　　利用余热进行完全干燥。半成品球在成型过程中加入大量的水分结合，其含水率达到18%~23%，因此在进入竖窑之前必须进行干燥处理，要求进窑前半成品球的含水率低于5%，否则，在窑炉中会出现大量炸球碎料状况，进而影响到整个窑炉的气氛分布，降低天然气的燃烧效率，增加天然气消耗量。同时，有大量的逆流热气从竖窑窑口排向大气中，造成热能散失浪费。为此，大多数厂家也会利用余热进行干燥处理，但是，由于烘干仓设计问题，除竖窑的逆流热风供能外，该烘干仓还需要额外提供能源，来供烧嘴加热产生热空气，促进原料球的快速干燥。这种方法虽然最终也可以达到很好的烘干效果，但增加了天然气的消耗量。

　　为了仅靠竖窑的逆流热风能量就达到半成品球完全干燥的效果，浙江自立氧化铝材料科技有限公司发明了一种改进换热的刚玉原料球的烘干仓，该烘干仓包括加热室，加热室上部为带有进风口和出风口的烘干工作区，加热室下部为出料区，烘干工作区内设有热风输送管。热空气由进风口进入热风输送管总管后，沿各支管管道流动，可加热热风输送管管壁。刚玉半成品球由进料管进入加热室的烘干工作区内部，一方面与烘干工作区中的热空气进行热交换，实现烘干效果；另一方面与热风输送管的管壁接触进行热交换，实现刚玉半成品球的干燥。此方法干燥后的球含水率基本上都小于5%，起到较好的烘干效果，同时，也回收利用了窑炉口的逆流热风能量，减少烘干仓中天然气消耗。

　　提高燃烧系统效率。竖窑燃烧系统是生产板状刚玉最重要也是耗能最大的地方。板状刚玉是要经过1900℃~1950℃的高温快速烧结，而这么高的烧结温度是通过天然气的燃烧实现，因此，提高烧嘴天然气的燃烧效率是节约能源的一个重要方式。

　　天然气的燃烧是一个化学放热的过程，其燃烧的充分性由天然气和助燃风之间的比例及其之间混合的均匀度来决定。若助燃风不够可能导致天然气燃烧不充分，若助燃风比例过高又会带走一部分热量造成能源浪费。目前，国内大部分厂家是在分别向竖窑中通入天然气和助燃风，在烧嘴处混合后燃烧，这样可能造成天然气和助燃风之间的比例难以控制，不能保证天然气和助燃风混合均匀，也难以确保天然气得到充分燃烧。而安迈铝业公司则在是在进入窑炉之前，在一个特定的容器中进行天然气和助燃风之间的混合，这样可以保证天然气和助燃风混合的比例及均匀性。因此，为了提高燃烧系统的效率，降低天然气的消耗量，首先就要改进燃烧系统，包括烧嘴、气体混合装置等，确保天然气的燃烧能够充分、集中。

　　出炉机余热的充分利用。板状刚玉的烧制是一个快速烧成、快速冷却的过程，因此，成品从窑炉出炉机中出来时还是温度较高，带有较高热能。若靠自然冷却，不但影响其生产效率，而且造成热能的大量浪费。因此，可以考虑在出炉机下发安装一个冷却仓，进行冷风冷却，同时冷却后的热风进行回收送往前面的烘干仓，提高烘干仓的干燥效果。经过冷却仓后的板状刚玉成品球温度可以低于35℃，可以进行后面的加工处理，提高生产效率。另外，大量的热量回收利用，降低了能源消耗。

　　加工破碎系统的改进。板状刚玉的加工破碎系统中基本都是采用巴马克方式加工，然而，现在巴马克内衬和耐磨体都是采用耐磨铁，而此材质导致的问题是向板状刚玉成品中带入较多Fe杂质，影响产品质量。另外，其消耗量高，价格昂贵。现在有些厂家开始使用99瓷质耐磨衬砖代替耐磨铁用于巴马克，也取得了较好的效果。此方法可以降低原耐磨材料费用的50%~70%，同时，还可以降低产品中铁杂质含量。

　　板状刚玉与电熔刚玉的节能对比

　　电熔刚玉生产是众所周知的高耗能大户，每吨电熔刚玉耗电2000千瓦时~3000千瓦时，而烧结板状刚玉综合能耗只有电熔刚玉的20%~35%。电熔刚玉生产过程中要排放大量的废气和废渣，而烧结板状刚玉生产以天然气为热源，除了天然气中的二氧化碳排放外，无其它废气和废渣排放。所以，无论是从节能方面还是从环境保护方面，烧结板状刚玉都可以做到优于电熔刚玉。

　　在刚玉使用性能和指标上，烧结板状刚玉也存在较大优势。首先，烧结板状刚玉杂质含量低且分布均匀，电熔刚玉杂质含量高且分布不均匀。烧结板状刚玉以高纯工业氧化铝为原料，生产过程中不添加任何外加剂， 所以，其产品中杂质如铁、硅、钠均为微量。而电熔刚玉生产过程中需要铁、碳作为添加剂，铁、碳、硅、钠等杂质含量远远高于烧结板状刚玉。还有，电熔刚玉熔融块冷却时，不同部位冷却速度不一样，造成不同部位的杂质含量不一样。因此，电熔刚玉强调严格捡选，而烧结板状刚玉不需要捡选，质量分布较为稳定和均匀。另外，烧结板状刚玉具有特性的显微结构和较多的球形封闭气孔，这决定其具有较好的抗热震和抗剥落性能。而电熔刚玉开口气孔较多，封闭气孔较少，在抗侵蚀抗渗透等性能上不如烧结板状刚玉。

　　近几年国内烧结板状刚玉已得到快速发展，无论是从技术指标还是从产量上已经达到了较高水平，打破了安迈铝业公司的垄断局面，从而大幅度降低了烧结板状刚玉的价格。因此，从某个角度来讲，以烧结板状刚玉来取代电熔刚玉在耐火制品中使用，不但可以延长耐火制品的使用寿命，也可以降低耐材和能源的消耗量。

　　烧结板状刚玉属于高端耐火原料，在未来耐火行业中使用的范围会越来越广泛，使用的数量也会越来越多。因此，降低板状刚玉在生产过程中的能耗，不但是降低生产成本、增强竞争优势的一种方式，也可以为整个耐火材料行业节能降耗做出贡献。