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耐火材料工业的新进步和低碳转型新发展新要求
——写在纪念钟香崇院士诞辰100周年之际(之三)

2021-10-28 11:34:00

  进入21世纪,耐火材料工业的新进步和低碳转型新发展新要求,主要有以下几个方面:

  钢铁工业向低碳转型发展

  进入21世纪后,钢铁工业在发展中调控调整,在调控调整中不断发展壮大。陆续研发和采用了钢铁前沿技术、节能环保技术、人工智能控制技术等。例如,高纯净钢冶炼技术、紧凑型钢铁生产新流程技术、带钢连铸冷轧工艺技术、计算机集成制造系统(CTMS)技术以及“三干、三处理”技术等。技术与装备水平、品种质量、环保水平等都有了新的发展提高。到2010年,2000m3~5000m3级大型高炉约有110座,120t~300t级大型复吹转炉约有1250座,70t~150t级大型电炉约有45座,薄板坯连铸连轧机组13套(7套CSP、3套ASP、3套FTSR)。

  民营钢企快速发展,全国粗钢产量快速增加。1996年全国粗钢产量超1亿吨后,2003年2亿吨,2008年4亿吨,2010年6亿吨,2012年7亿吨,2015年8亿吨。2015年11月份,国家提出了供给侧结构性改革,通过京津冀(2+26城市)和汾渭平原雾霾治理、节能环保、超低排放、淘汰落后、取缔地条钢、产能置换、退城搬迁、能耗“双控”等一系列政策措施的推动,钢铁产能向沿海迁徙、布局优化发展。我国建成了鞍钢鲅鱼圈、首钢唐、宝钢湛江、山东钢铁日照、柳钢防城港等为代表的具有21世纪国际先进水平的沿海现代化钢铁基地(工厂)或沿海钢铁集群。引进建设投产或在建10余条国际先进的超低能耗超低排放的带钢无头轧制技术ESP(日照钢铁、福建鼎盛、太行钢铁等),薄带铸轧技术Castrip(沙钢),多功能全连续铸轧技术QSP-DUE(首钢唐世界首条MCCR-DUE产线)等近终形制造技术生产线以及Corex、FinexHismelt等非高炉炼铁新技术。代表世界领先水平的5000m3以上高炉增加至8座,300t以上转炉达到了14座。钢铁工业开始发展应用“AI + 5G”的智能制造工艺技术,打造智能梦工厂;沿着“一带一路”,从过去“引进来、买进来”向“卖出去、到海外建厂、总承包或兼并海外钢企、到海外原材料基地”发展。

  供给侧结构性改革以来,2019年我国粗钢产量又超9亿吨,2020年突破10亿吨达10.65亿吨,占全球约57%,民营钢企粗钢产量占全国近60%,铁矿石对外依存度高达约80%。钢铁行业开始采取“产能扩张、促产业集中、保资源安全”等一系列措施;提升产业基础能力和产业链水平,推进产业国际化进程,推动“国民共进”混合所有制改革,加快企业间兼并(联合)重组。由宝钢和武钢战略重组成立的中国宝武集团先后兼并重组控股了马钢、韶钢、重钢、八一钢铁、太钢等,目前正在推进兼并重组山东钢铁的工作,成为粗钢产能排名全球第一的钢集团。由鞍山钢铁与攀钢战略重组成立的鞍钢集团兼并重组控股了本钢,成为粗钢产能排名国内第二、全球第三的钢集团。

  自2021年初开始,国家采取严格措施对钢铁的产能与产量进行双控,对违规产能进行清理,确保2021年粗钢产量同比下降。2021年7月16日,全国碳排放权交易市场正式上线,占全国碳排放40%以上的超2000家发电企业作为首批交易主体进入该市场,钢铁等重点排放行业将陆续纳入这个市场。从2010年到2021年上半年,共237家企业约6.5亿吨粗钢产能已完成或正在实施超低排放改造,到2025年底前,全国力争80%以上产能完成改造,使能耗、污染物排放量有明显下降。但是,由于粗钢产量从2010年的6.27亿吨增长到2020年的10.65亿吨,钢铁行业CO2的总排放量还在增加,是仅次于电力行业的能源消耗大户和CO2排放大户。耐火材料需求侧用户除钢铁行业外,水泥、玻璃、有色等也都是高耗能、高碳排放的行业,并且许多都依赖大量进口原材料进行加工生产,这些行业都是工业领域碳中和目标的主要发力点。为了尽早实现碳达峰然后尽快向碳中和目标发展,钢铁行业成立了“低碳工作推进委员会”和以毛新平院士为主任的“低碳工作专家委员会”。钢铁行业下一步的主要行动可能是:一是继续推动实施超低排放改造,进一步降低单位碳排放强度;二是研发应用减污降碳绿色冶金新工艺新技术(如氢冶金技术和低碳碳钢铁流程再造技术等),以及碳捕获、利用技术等;三是提高电炉钢比例,使用绿色可再生能源包括太阳能、风能、氢能等;四是严禁新增钢铁产能,控制钢的总产能和总产量。

  压减粗钢的总产能和总产量可能是控制和减少碳的总排放量,进而早日实现碳达峰的重要举措。从当前的技术发展看,碳达峰所对应的时间点和碳排放量就是这些高耗能行业的产量峰值(最高值)年份及其碳排放总量。缩短产量峰值平台期,早日实现碳达峰,将有助于确保2060年前实现碳中和。钢铁制造企业如果实现碳中和,包括提供耐火材料产品的企业在内,生产碳中和钢材的供应链、产业链上的每一个环节也都要实现碳中和,如果做不到,就要付出成本,例如外购碳指标。耐火材料行业除自身面临碳中和目标的要求外,钢铁等高温行业低碳转型、实现碳中和目标的发展过程也将对耐火材料行业产生重大的影响。

  21世纪耐火材料工业取得的新进步

  进入21世纪后,耐火材料行业一方面继续深化和大力推广“八五”“九五”期间取得的科技成果;另一方面科研和高校等单位通过申请科技部、国家基金委、“863”计划等科技项目支持,接续研发应用了一批自主产权的新技术、新产品;同时,中国金属学会耐火材料分会、全国耐火材料标准化技术委员会在推动行业学术交流、行业标准化工作等方面发挥了重要作用。耐火材料专业高等教育、企业研发中心等不断发展,科创能力持续增强。生产装备大型化、自动化、智能化水平不断提升,行业运行质量、节能环保效果不断改善。耐火材料工业整体水平又有了明显提高,不断满足了钢铁等高温工业向高质量的发展。

  ——耐火材料行业技术水平,科创能力持续提高。

  SiAlON(或Si3N4)结合SiC在大型特大型高炉上得到应用,适应了大型高炉“薄壁结构”和高效冷却壁技术的发展。2010年后炼铁高炉开始推广应用高风温顶燃式热风炉,这与耐火材料技术进步密切相关。目前,顶燃式热风炉炉内中高温区域已经普遍采用硅砖替代传统低蠕变高铝砖,并研制应用了高导热硅砖。研制的RH等精炼炉用碱性镁铝质不烧砖、转炉滑板挡渣出钢技术用优质滑板和机构、低碳的镁碳和铝镁碳砖、水泥窑烧成带挂渣皮皮)镁铁烧成砖、炼铜转炉炉衬用能够形成渣皮保护的铬刚玉砖、煤气化炉用低铬刚玉砖以及新型纳米结合保温隔热材料等得到了普遍推广应用。为了适应洁净钢冶炼生产技术发展需要,无碳、低碳(或低碳Al2O3成分)的碱性镁质材料应用范围和使用比例不断提高。低能耗的不定形、不烧或低温处理的产品所占比例达到70%以上。包括用后耐火材料在内的二次固废资源的应用研究深度和范围不断提高和扩大,钢铁行业用后耐火材料已近100%得到回收利用。研究提出并不断完善了梯度理论、自反应烧结、原位反应、自保护和“渣皮理论”等。推动了耐火材料工业的技术进步和向低碳(CO2)低能耗、资源综合利用的发展。

  耐火材料专业高等教育和企业研发基地(中心)不断发展壮大。武汉科技大学、西安建筑科技大学、辽宁科技大学、郑州大学和北京科技大学等5所高等院校有耐火材料专业本硕博三个层次的高等教育,其他许多高校如洛阳理工学院、河南科技大学、济南大学、东北大学、天津大学等的材料工程学院也不断地为耐火材料行业输送本科生、研究生;包括洛阳耐火材料研究院的耐火材料国家工程研究中心、先进耐火材料国家重点实验室在内的涵盖耐火材料的国家级的重点实验室、工程研究(技术)中心已达10余个,省级各类企业中心(技术中心、工程中心、工程技术中心等)多达近80个;前后有企业院士工作站近10个、企业博士后研发基地10余个。耐火材料行业的高等教育、人才培养、研发平台等都得到了大的发展,科创能力持续提高。

  ——企业队伍不断壮大,形成了许多领头企业。

  基于“八五”“九五”耐火材料科技成果,2000年后,许多来自科研院所、国企的专业技术与管理人员(包括退休人员)陆续“下海”办厂创业或加盟到民企,或民间资本与高校合作创办企业,或一个民企“裂变”为多个民企,逐步形成了包括耐火原料、产品的加工制造、设备、窑炉、检测仪器、自动控制、软件应用等门类较为齐全的耐火材料产业链。民企发展快速,数量不断增加,水平不断提高,成为我国耐火材料行业的主力军,但是也带来了产能、产量过剩,企业小、散、多,集中度低,无序竞争等严重问题。2006年,承担建材行业“八五”“九五”耐火材料科技攻关主要任务的中国建材院耐火所组建成立的瑞泰科技在深交所挂牌上市;同年,以科技成果陶瓷纤维等系列节能纤维产品为主业的鲁阳股份于深交所挂牌上市;濮耐股份和北京利尔先后于2008年、2010年在深交所挂牌上市;国内合成树脂领头企业圣泉集团于2021年7月份在上交所上市。中洛耐院有限公司和中钢耐火公司合并重组并增资扩股后成立的中钢洛耐科技股份有限公司,于2020年底开始冲刺科创板上市;山东耐材、浙江红鹰、浙江自立、海城后英等与科研院所、高等院校密切合作、发展壮大。这些公司、集团已经发展成为行业领头、国际上有一定知名度的耐火材料企业。宝武集团正在或可能将对其旗下的武钢耐火、马钢耐火、太钢耐火、山东耐火等公司以及托管的中钢集团中钢洛耐科技公司进行优化重组整合。例如通过对瑞泰科技(含湘钢耐火公司等)和武钢耐火公司、马钢耐火公司进行资产重组等控股瑞泰科技。优化重组整合后,这些国有耐火企业在新发展阶段将发挥重要的行业引领作用。

  ——耐火材料行业的装备自动化、智能化、管理现代化、绿色制造水平不断提高。

  伴随着《中国制造2025》计划的实施,两化融合不断深入,耐火材料行业的自动化水平、智能化水平、环保水平等又有了大的发展。以改扩建后的洛阳利尔耐火材料公司为例,从原料分配、料、混料、布料系统到加料、成型、取码砖、传送、烧成、仓储、检测等实现了全线自动化甚至智能化操作,通过采用集散控制系统(DCS-Distributed Contorl System),建立了工厂DCS管控中心。ERP、MES等管理系统得到推广并开始应用机器人、物联网、云计算、大数据等新一代技术。已有多家耐火材料企业进入绿色工厂行列。我国耐火材料行业向装备自动化、智能化、管理现代化、绿色工厂发展转变。劳动效率、产品质量、工作环境、环保水平等,今非昔比,都有了较大的提高和改善。

  ——耐火材料吨钢消耗大幅度下降。

  耐火材料吨钢消耗从改革开放初期的35kg~40 kg降到1990年代末期的25kg~30kg,再降到2021年初的13kg~14kg,预计到“十四五”或“十五五”将降到约9kg的国际领先水平。主要有以下4个方面的原因:

  一是钢铁工业不断采用国际先进的大型化的工艺技术与装备,以及现代化智能化的紧凑式制造流程技术。

  二是耐火材料行业与钢铁工业同步发展;耐火材料的品种质量达到国际先进水平,不定形材料所占比例和二次资源的应用比例不断提高。

  三是普遍推广使用了先进高效低耗技术。例如高通铁沟自流浇注料和修补技术、钢包内衬整体浇注和套浇技术、转炉溅渣护炉和滑板挡渣出钢技术、长寿命打(料)技术、连铸中间包定径水口(或浸入式水口)快速更换和中间包长寿技术、渣皮保护长寿技术等。

  四是耐火材料承包制。2010年至今,钢铁企业普遍采用了耐火材料承包制,独具我国特色。专业的事交给专业的人,包括铁沟、铁、转炉、钢包、精炼炉、中包等所有涉及消耗耐火材料的全部设施,从设计、生产供货、仓储到现场的砌筑、冷热维修、拆除、用后耐材处置、温度监控、寿命在线管控甚至行车调运等,“能包尽包”,甚至高炉、热风炉等的大修、基建也进行承包。作为供给侧的耐火材料承包企业与需求侧用户的融合度越来越高,承包制也彻底改变了以往粗放式的耐火材料的使用方式。耐火材料的使用评价权由过去用户掌控,变为“我(生产)的产品我负责(整体使用、维护、改进)”。结算方式从过去“卖砖”(按吨耐火材料多少钱卖给钢企)转变为“铁水、钢水”(按吨钢或吨铁多少钱与钢企结算)。由于集中度低,竞争日趋激烈,基本是低价中标,逼迫耐火材料承包商依靠科技进步,精打细算,以最少的耐火材料消耗达到最高的使用寿命,安全地多产铁、多产钢,从而多结算。

  双碳目标下,耐火材料行业的低碳转型新发展新要求

  纵观全国耐火材料的产量发展,从1949年的约7.4万吨逐步增长,到2011年产量达到峰值2949.69万吨,2012年、2013年两年为峰值平台期,2014年下降到约2800万吨,2017年为近年来最低约为2300万吨,近3年在2400万吨左右波动。扣除基建用和出口等外,国内消耗性耐火材料的总量总体上从2011年开始呈逐年下降趋势。2020年钢铁行业消耗性耐火材料的总量已经下降到约1400万吨,加上水泥、玻璃、陶瓷、有色、煤化工等行业消耗的耐火材料的总量共计约为2000万吨。可以认为,我国耐火材料行业整体上于2011年就实现了碳达峰。近十年来,需求侧行业(钢铁、水泥、有色等)的产量快速增长,但消耗的耐火材料总量不增反降,说明我国耐火材料行业进步明显。

  尽管耐火材料行业整体上于2011年实现了碳达峰,但是就某一个企业而言,尤其是通过扩建或重组等规模越来越大的企业,能源消耗和CO2排放的总量可能还在增长,碳达峰尚未实现。因此,一是行业要继续努力,向低碳转型发展,力争在2060年前更早地实现行业的碳中和目标。具体是哪一年实现,如何实现,对应的耐火材料产量大概是多少等问题,需要全行业深入研究,尽快制定出碳中和目标的时间表、路线图、施工图,并为之努力奋斗;二是相关企业应该尽快研究提出本企业的碳达峰、碳中和目标发展计划。

  耐火材料是随着钢铁等高温行业的发展而发展的。钢铁、水泥、玻璃、陶瓷、有色、煤化工等高耗能高碳排放行业是耐火材料行业需求侧的主要用户,也是工业领域碳中和目标的主要发力点。这些行业低碳转型发展、一直到实现碳中和目标、然后进入零碳发展阶段,这个过程和耐火材料行业本身实现碳中和目标的要求,将对耐火材料行业的新发展产生重大影响,可能带来一场产业技术革命性变革。以钢铁行业为例,压减粗钢的总产能和总产量并提高电炉钢的比例可能是最终实现碳中和目标的重要举措,同时将采用低碳冶金新技术等。一是粗钢总产量可能逐步下降并提高电炉短流程产钢比例、降低高炉长流程产钢比例,消耗的耐火材料总量将随之大幅度减少。二是国家严控“两高”项目,基建用耐火材料将大幅度降低;三是低碳绿色冶金新技术等将对耐火材料提出新要求;四是钢铁行业实现碳中和的过程中,可能将对耐火材料总包工序不断提出低碳排放的要求,或将优先选择低碳强度的耐火材料产品,并要求提供产品的碳排放强度指标等。此外,国家有可能征收高耗能高碳排放产品的出口附加税,限制高耗能高碳排放产品的出口,同时国外如欧盟等提出将从2026年开始对进口产品征收碳关税。因此,为了适应和满足新发展阶段的新发展要求,耐火材料行业应继续深化供给侧结构性改革,并采取以下具体措施:淘汰落后工艺技术装备、产能和减产量、提高集中度、节能环保、优化产业布局、协同研发应用低碳零碳制造创新技术、制定低碳零碳产品标准等。

  结束语

  在纪念钟香崇先生诞辰100周年之际,我们缅怀钟香崇先生为我国耐火材料工业做出的突出贡献。通过以钟香崇先生为代表的几代耐火人的不断努力奋斗,我国耐火材料工业取得了长足发展:从新中国成立后至改革开放前的紧跟钢铁工业发展步伐的自主开发,到从改革开放后至21世纪初的跟随钢铁等高温工业的引进消化吸收,全部实现国产化并开始大量出口,形成了独具我国耐火资源特色的耐火材料工业体系,发展到进入21世纪后逐渐与钢铁等高温工业同步发展,能够自主开发出国际先进的耐火材料新工艺、新技术、新原料、新产品,全国耐火材料产量占全球约65%,成为全球第一生产和出口大国,并开始到海外进行总包或建原料和产品生产基地。现在,我国耐火材料工业进入了高质量发展的新发展阶段,在国际上举足轻重,为我国钢铁等高温工业的发展做出了贡献,为我国实现第一个百年目标做出了贡献。

  今后,我们要继承和发扬钟香崇先生等老一辈的初心精神,立足新发展阶段,贯彻新发展理念,构建新发展格局,继续努力,“一茬接着一茬干,一棒接着一棒跑”,加快构建并形成绿色、低碳、循环、智能的高质量耐火材料产业体系和生态产业链,不断适应和满足新发展阶段的新发展要求,在2060年前早日实现碳中和目标,开创耐火材料工业高质量发展的新局面。(李庭寿 王泽田)

  《中国冶金报》(10月28日7版头条)

 

来源:中国冶金报-中国钢铁新闻网

编辑:温晓霞

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