李国年
我国每年大约产生41.1亿吨的工业固废，其中尾矿、冶金废渣、煤矸石、粉煤灰等铝硅系固废占比不小。这些固废大多被简单堆放或填埋，利用率仅为58%。大量固废堆积不仅占用土地，还可能造成土壤污染、产生二次污染。另一边，冶金行业高温炉体却面临着耐火材料能耗高、天然原料依赖强的难题。如今，一个双向奔赴的解决方案“应运而生”——用工业固废制备铝硅系轻质耐火材料，既破解了固废处理难题，又为冶金行业节能升级提供了新路径，有利于工业固废资源高效利用以及冶金高性能耐火材料的轻量化和功能化发展。
制备轻质骨料 从废料到宝藏
尾矿、冶金废渣、粉煤灰、煤矸石等工业固废往往富含铝和硅，这正是制备铝硅系轻质耐火材料的理想原料。中国尾矿堆积量超222亿吨，铁尾矿、铜尾矿、铝土矿尾矿通过添加造孔剂或直接烧制，可制备多孔陶瓷和轻质耐火骨料。铝土矿尾矿经活化处理后，能制成轻质低温泡沫陶瓷。冶金行业每年排出的高炉渣、钢渣、铝灰以往利用率不足30%，含有较高氧化铝和氧化硅，适合制备铝硅系轻质骨料。在“十四五”规划中，煤矸石与粉煤灰作为典型的铝硅系固废，被鼓励用于新型建筑材料。研究显示，掺入粉煤灰可生成高硬矿相，制备低密度、高强度的轻质骨料，添加铁的氧化物作为发泡剂，能进一步优化其性能。电瓷废料、水处理污泥等工业固废也展现出巨大的发展潜力，可制备出气孔率高、导热系数低的轻质隔热材料。
从“天然”到“人造” 性能提升明显
为什么研究人员要执着于用固废制备“人造骨料”？传统的天然骨料资源有限，且成分不稳定、孔道结构缺陷多、使用温度受限(一般低于1200℃)，难以满足冶金熔炼炉等工作环境的温度要求。利用固废制备的人工合成轻质骨料，则具备强度高、成分均匀、高温性能优异的特点。研究表明，复相莫来石空心球、微孔莫来石等新型骨料制备的耐火材料，不仅导热系数低，体积稳定性好，还能用于工作温度为1200℃~1500℃的工业炉高温部位，性能有明显提升。
突破瓶颈 提升抗侵蚀能力
将轻质材料用于严苛的冶金环境，其抗熔体侵蚀能力是关键。研究成果表明：通过调控气孔率和孔道结构，可以改善耐火材料的抗渣性能。轻质氧化铝基耐火材料中的微孔结构具有较大的比表面积和反应活性，易与钢液反应生成致密层，有效阻碍钢液进一步渗透，比传统片状氧化铝基耐火材料的抗侵蚀能力更优异。经过模拟精炼实验证明，轻质耐火材料对钢水洁净度的影响主要集中在冶炼初期，中后期与使用传统耐火材料无异。这些研究结果为铝硅系轻质耐火材料在冶金行业大规模应用扫清了关键障碍。
未来展望 推动绿色冶金发展
利用工业固废制备轻质耐火材料，是一项技术可行、性能优越、且具备明确应用前景的绿色技术。未来，技术人员还需在3个方向深入研究：一是按成分对工业固废分类，开发适合不同固废类型的轻质骨料制备工艺；二是通过微孔化和基质均匀化技术，降低材料体积密度和导热系数，提高抗渣侵蚀能力；三是设计出结构功能一体化的新型耐火材料，满足冶金行业对高性能材料的需求。
（作者系东北大学冶金学院绿色耐材&冶金涂层课题组硕士研究生）
