球形耐火骨料與傳統(tǒng)的不規(guī)則形狀骨料相比，具有獨特的性能，主要包括高流動性，有利于致密堆積性，粒度分布易控性等。用球形骨料適當取代傳統(tǒng)骨料，可望改善耐火材料的施工性和使用性能，如消除澆注料不利于輸送和流動的脹流，改善澆注料自流性，獲得更均勻致密結(jié)構(gòu)，提高抗蝕性等。制造球形骨料的技術(shù)可行性和經(jīng)濟性是關(guān)系能否得到推廣使用的兩大要素。本文探討了可用于生產(chǎn)球形骨料的技術(shù)途徑，并對用這些方法生產(chǎn)球形骨料的成本與常規(guī)生產(chǎn)不規(guī)則骨料的成本作了比較分析。分析表明：運用當今的相關(guān)技術(shù)，如果制造球形骨料所用的原料與傳統(tǒng)不規(guī)則骨料所用的相同或類似，制造前者的花費不會高于后者的。這些原料可以是均化料、合成料、化學(xué)提純料或化學(xué)物相組成定制的原料。球形骨料的優(yōu)越性、可行性和經(jīng)濟性的結(jié)合，使之有望取代傳統(tǒng)不規(guī)則骨料而成為未來高性能耐火材料的重要原料。
1. 前言
高溫工業(yè)的發(fā)展需要高性能耐火材料。從上個世紀初到現(xiàn)在百余年間，耐火材料技術(shù)發(fā)生了可謂天翻地覆的變化。當今的耐火材料已然不僅僅是天然礦物混合料的簡單燒制物，而越來越多是經(jīng)過精心設(shè)計和制造的高端制品。耐火材料是一類 高溫工業(yè)正常運行乃至高溫工業(yè)某些技術(shù)進步的使能材料，使得諸如鋼鐵、水泥、有色金屬、玻璃、陶瓷及各種機械、化工產(chǎn)品的制造或加工成為可能。
長期以來，耐火材料性能的改善和創(chuàng)新，更多著手在基質(zhì)方面。而耐火材料的構(gòu)成，骨料是主要部分。骨料自身的特性、骨料和基質(zhì)的相互作用，在很大程度上影響耐火制品的整體性能，因而有必要對耐火骨料給于更多的關(guān)注。作者于2015年9月在?美國陶瓷學(xué)會通報?上發(fā)文，提出了耐火骨料工程的理念1。所謂耐火骨料工程包括設(shè)計和制造具有特定形狀、特定顯微結(jié)構(gòu)和特定化學(xué)組成的耐火骨料，使之在使用中發(fā)揮 效能。文中提出了八類特形特構(gòu)的耐火骨料，其中六類為球形骨料，如圖1所示。該六類球形骨料可成為耐火骨料工程的先行，用于取代形狀不規(guī)則的傳統(tǒng)骨料。隨著骨料工程技術(shù)的進步，特別是對骨料內(nèi)部和表面結(jié)構(gòu)的定制設(shè)計，將給相關(guān)耐火制品帶來更優(yōu)的使用性能。而能否成功地廣泛應(yīng)用球形骨料，取決于它們在應(yīng)用上的優(yōu)越性、生產(chǎn)技術(shù)和經(jīng)濟的可行性。本文探討可用于生產(chǎn)球形骨料的技術(shù)途徑，并對用這些方法生產(chǎn)球形骨料的成本與常規(guī)生產(chǎn)不規(guī)則骨料的成本進行比較分析。
(1) 粉體制備
耐火骨料的制坯要求所用原料須達到一定細度。一般情況下，細度在200-325目以下已可。但若要生產(chǎn)高質(zhì)量料球，粉體粒度可能需要細至微米級。粉體細磨是陶瓷、耐火材料生產(chǎn)的成熟工藝。也是傳統(tǒng)耐火熟料生產(chǎn)的 步驟，熟知的例子如均化礬土，其生產(chǎn)過程就包括了對不同級別礦石及其它原料的混合、破碎和細磨13。與此類似的還有合成耐火原料的生產(chǎn)，如莫來石、堇青石、尖晶石等。至于精制耐火原料，如氧化鋁、氧化鋯等，細磨過程則進行在對礦物原料的化學(xué)提純之前。
(2) 造球
壓球: 這種方法已被不少耐火材料廠家使用，近年來均化礬土熟料的生產(chǎn)壓出的料粒為球形或類球形14，塊度多在20-30mm。在傳統(tǒng)的熟料生產(chǎn)中，壓成的生料坯要經(jīng)過燒結(jié)、破碎，可得到粒度合適但形狀不規(guī)則的熟料。壓球法可用來制造大粒度球形骨料。制成的生料球經(jīng)燒結(jié)后直接使用，而不再破碎。
滾粉造球：該方法適用于制造多種球形顆粒，包括實心球、空心球、芯殼、多層結(jié)構(gòu)球等。若使用固體成孔劑，這種方法還可以用來制造多孔微孔球。造球的設(shè)備為轉(zhuǎn)盤或轉(zhuǎn)鼓。簡單結(jié)構(gòu)的球粒在一臺設(shè)備上一次做成，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的球粒則可使用多臺設(shè)備串聯(lián)作業(yè)。滾粉造球方法是化肥、制藥工業(yè)早就使用的成熟技術(shù)15，近年來又 被普遍用于油田壓裂支撐劑的制造16。目前的滾粉造球設(shè)備的生產(chǎn)能力可達100噸/h17。用此法所制油田壓裂支撐劑的粒度范圍為0.3~1mm。然而也可用它適合制造較大粒度的料球，如1-10mm。造出球形料的致密度和球形度皆可滿足耐火骨料的要求。
滴漿造球：滴漿成球的原理類似于屋檐滴水。漿液在自身重力和滴嘴吸附力的雙重作用下蒜頭狀液滴，又逐漸離開滴嘴下落。在下落過程中，又受自身的表面張力作用而變成圓球。球形液滴可通過加熱固化或化學(xué)聚合固化。若用后者，則需要在料漿中加入適當?shù)木酆衔镔|(zhì)，并讓液滴落在含有能使聚合物偶聯(lián)固化的水浴中。所制成的料球粒度取決于滴嘴的孔徑和液滴的黏度。在自由成滴的情況下，由孔徑為0.5mm的滴嘴制成的料球粒徑一般在2mm以上。但對料漿施加壓力或?qū)Φ巫焓┘痈哳l振動，用此法則可制得粒度小于0.1mm的微球。滴漿造球法可被用來制造實心18、多孔19、或中空陶瓷球20。目前已有的工業(yè)規(guī)模造球設(shè)備的生產(chǎn)能力大為1.5噸/h21。但它造出的球粒度均勻、且球形度很高，因而可用來制造高質(zhì)量的耐火骨料。
輥道窯: 在這種窯中，被燒的物料被放在在輥道上移動的匣缽中。輥道窯可用于燒結(jié)小粒度、粘連性和輕質(zhì)的球形骨料。與轉(zhuǎn)盤窯的情形類似，在輥道窯中燒制這樣的物料不會面臨像在回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)中出現(xiàn)的出現(xiàn)的粘窯、物料倒流的問題。使用輥道窯燒結(jié)球形骨料需要高熱導(dǎo)和高抗熱震的匣缽。
4. 球形骨料與不規(guī)則骨料的造價比較分析
(1) 粉體制備的造價
如前所述，若耐火骨料不是直接從破碎和燒結(jié)礦塊而得，粉體制備是其制造的一個通用步驟。均化、合成、化學(xué)提純及組成定制的耐火骨料都需要這一步驟，不管它們是球形還是不規(guī)則形狀的。如果球形骨料使用同樣的原料，在該步驟中，粉體制備所需費用應(yīng)與傳統(tǒng)耐火骨料所需的相當。
(2) 成球過程的造價
前面概括了幾種成球方法。與之相應(yīng)的制造不規(guī)則骨料的方法是將粉體壓成磚坯或直徑大的球。有意義的造價對比應(yīng)是比較球形骨料和不規(guī)則骨料都采用相同原料的情形。在此前提下，如果它們的造價有差別，將系采用不同的添加劑（如結(jié)合劑、分散劑等）、不同的能耗（電耗和燃料消耗）、人工、設(shè)備折舊和維修等所致。表1示出了由滾粉法造球和壓制磚坯的造價對比。在使用相同原材料的情形下，這兩種成坯法中所用結(jié)合劑、添加劑就種類和數(shù)量而言都可以很接近，它們的造價對比可以簡化為制作工程所需的費用比較。表中的生產(chǎn)花費是按“中國制造”的情形估算的。
對比顯示，滾粉造球只比壓制磚坯的花費增加了4元人民幣。然而不規(guī)則骨料的制備還需把燒后的塊料破粉碎，以達到合適的粒度。傳統(tǒng)破碎后礬土骨料和燒結(jié)礬土塊之間通常有每噸150到250元人民幣的價差，其表明燒后破粉碎所需花費在100元/噸以上。與此相比，4元人民幣的價差不算什么。擠泥成球和制磚造坯的花費對比也當與此類似。
滴漿造球法可能需要較多的結(jié)合劑和分散劑。但如果該法是用來制造輕質(zhì)球形骨料的，其花費不會比傳統(tǒng)的澆注-發(fā)泡法高，因為傳統(tǒng)的方法也需要足夠的成孔劑、結(jié)合劑、固化劑和水。滴漿造球法不須燒后破粉碎和粒度分級，可以省去這方面的花費。再者，由滴漿法造球的結(jié)構(gòu)固化和干燥所用的時間可比澆注發(fā)泡法短許多，因而可避免長時間靜置所造成的氣孔遷移和聚集，進而避免骨料的孔隙結(jié)構(gòu)的蛻變問題。這種結(jié)構(gòu)所致品質(zhì)的提高又給球形骨料增加了附加值。
以表面涂覆為特征的流化床噴液造球法適用于高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)梯度球形骨料。以霧滴團聚為特征的流化床造球適用于制造細粒球形骨料。與滴漿造球法類似，由噴漿造球而造成的額外花費可以由質(zhì)量提高的附加價值和由免去燒后破粉碎以及粒度分級的節(jié)省費用來補償。
(3) 燒成的造價
若傳統(tǒng)的不規(guī)則骨料是由燒結(jié)磚形坯體而來，磚坯的燒結(jié)需在隧道窯中進行。然而，球形骨料的燒成則可在回轉(zhuǎn)窯、轉(zhuǎn)盤窯或輥道窯中完成。該后三種窯型哪種合適，取決于料球的大小、比重和粘連性，前已提及。
與在隧道窯中燒結(jié)磚形坯體不同，在回轉(zhuǎn)窯和轉(zhuǎn)盤窯中燒制球料不需要窯車和往窯車上擺磚、從窯車上卸磚，從而可省去一定的人工費。
燒制過程的能耗估計較復(fù)雜，需要考慮許多因素。業(yè)界有種說法認為，回轉(zhuǎn)窯燒制的能耗高于隧道窯的，因為前者中物料的填充率較后者低，而窯壁溫度較后者的高。然而球形坯料的燒結(jié)較之磚坯的燒結(jié)有突出的動力學(xué)優(yōu)勢。因前者的粒度比后者的尺度小許多，燒結(jié)前者所需的時間當比燒結(jié)后者的要短許多。在回轉(zhuǎn)窯運行中，料球向多個方向的不停移動加速了熱量在料床中的傳遞，從而可進一步加快燒結(jié)過程。由此縮短的燒成時間可有效降低能耗。依據(jù)中國工信部于2014年頒布的的耐火材料生產(chǎn)準入條件29，以目前的耐火窯爐技術(shù)，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯燒制的能耗低于隧道窯的能耗是可能的。對轉(zhuǎn)盤窯和輥道窯燒制的能耗估計也可用類似的方法，因為在這兩種窯中，料床的厚度可以優(yōu)化，從而實現(xiàn)燒結(jié)條件，使能耗降至 。
5．結(jié)語
生產(chǎn)球形耐火骨料的技術(shù)可行性和成熟度是實施應(yīng)用這類新型骨料所要考慮的主要因素。本文通過對一些與之相關(guān)的已有的其他材料的生產(chǎn)方法和設(shè)備的探討說明，球形耐火骨料可由“成球-燒結(jié)”方法制造。這些方法和設(shè)備或者已用在其它工業(yè)領(lǐng)域，或者已在耐火材料工業(yè)采用。球形耐火骨料的研發(fā)和生產(chǎn)可以“借用”其中的技術(shù)和裝備，必要時可重組其過程，從而獲得制造特定大小、結(jié)構(gòu)和組成的球骨料的工藝。
性價比是決定球形耐火骨料生存力的關(guān)鍵因素。它包括這種新型骨料的使用優(yōu)越性和造價的經(jīng)濟性。關(guān)于球形骨料的優(yōu)越性已作了討論，相信有更多的優(yōu)越性會隨其應(yīng)用進展被進一步發(fā)現(xiàn)。關(guān)于它們的生產(chǎn)造價，本文通過對其生產(chǎn)過程與傳統(tǒng)不規(guī)則骨料生產(chǎn)過程的對比，對其造價的經(jīng)濟性作了估計。
通過對比可見，球形耐火骨料只要所用的原料和傳統(tǒng)骨料一樣或相似，其生產(chǎn)費用將會與傳統(tǒng)骨料相當。球形和不規(guī)則形這兩類骨料使用相同的粉體制備過程，它們在粉體制備上的費用是相同的。在成粒方面，球形骨料的生產(chǎn)費用可以比傳統(tǒng)骨料的低，因為前者的只需成球一步，而后者則須有壓制坯體和破粉碎燒后塊料兩步。盡管制造球坯的費用可能會比壓制磚坯稍高，但破粉碎燒后塊料所需的費用要高得多。燒制球形骨料所需的人工費和能耗也可能比燒結(jié)全粉料磚坯低。總之，球形骨料可以成為比傳統(tǒng)骨料更為經(jīng)濟的高級耐火原料。
球形耐火骨料具有使用性能方面的優(yōu)越性，也具有技術(shù)的可行性和生產(chǎn)的經(jīng)濟性。它們與傳統(tǒng)不規(guī)則骨料相比，更有競爭力?？梢灶A(yù)期，隨著耐火材料技術(shù)的進步，將有越來越多的傳統(tǒng)骨料被球形骨料所取代。
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