这儿的人和材料都可“能耐” 告诉你啥比真金还不怕火炼
2016-04-11 11:38:23
作者：本网整理来源：
3月30日，我国在西昌卫星发射中心用长征三号甲运载火箭，成功发射了第22颗北斗导航卫星。
普通人在看是否成功发射、是否精彩，而位于洛阳的先进耐火材料国家重点实验室的工程师们，却在关注火箭防氧化、耐高温适用的耐火材料。耐火材料种类繁多，不仅是火箭，包括人造蓝宝石、钢铁冶炼等关键环节，都离不开先进耐火材料制品。
他们做研究 每天消耗“30公斤牛肉”
“终于等到你……兄弟们，看看咱们的专利申请证书。”3月20日，科研项目组组长孙红刚博士兴奋地把发明专利证书发给了闫双志、谭清华等7名伙伴。他们团队的发明叫“一种梯度功能的钇稳定氧化锆耐火制品”。氧化锆耐火制品作为蓝宝石长晶炉炉衬材料,孙红刚团队的发明有效提高了宝石长晶炉用氧化锆制品的使用寿命和蓝宝石生产品质。
他们所在的先进耐火材料国家重点实验室（以下简称实验室），于2010年12月17日正式获科技部批准，依托中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司（简称中钢洛耐院）建设。2013年8月23日，实验室通过了科技部组织的专家验收。
现在，孙红刚团队主要从事氧化锆等先进耐火材料研究。氧化锆是目前最强的耐火材料，具有高硬度、高强度、高韧性、极高的耐磨性及耐化学腐蚀性等优良的物化性能，已经在航空航天、国防军工、原子能等领域获得广泛的应用。
做这项研究每天需要消耗大概30公斤的氧化锆。工程师们需要通过对氧化锆样品的反复试验，得出最佳的耐高温属性，进而设计出最适合工业生产的产品。
在孙红刚看来，氧化锆每公斤的价格在40元到50元，和牛肉价格差不多。算下来，每天他们要“吃掉”30公斤“牛肉”，折合成人民币就是1000多元钱。
他们眼光“毒” 究竟啥材料能入“眼”
耐火材料研发主要是通过研究耐火材料耐高温、耐冲刷、耐侵蚀等性能，为炼钢厂、发电厂等高温工业提供服务。
那么何为耐火材料，什么样的耐火材料才是先进耐火材料呢？研究先进耐火材料的意义在哪儿？
据实验室工程师介绍，一般耐火材料指的是耐火度不低于1580℃的一类无机非金属材料。耐火度是指耐火材料锥形体试样在没有荷重情况下，抵抗高温作用而不软化弯倒的摄氏温度。先进耐火材料包括各种功能耐火材料、高性能不定形耐火材料和新型耐火材料等，目前先进耐火材料耐火度能达到2500℃。
高温工业主要是指钢铁冶炼等行业，“高温工业技术的进步对耐火材料也提出了更高的要求”，中钢洛耐院研发中心副主任、重点实验室联系人曹喜营博士告诉东方今报记者，先进耐火材料的研发生产正是为了满足这种要求。
他们很“抠门” 进口货不如自己做
“国外设备之所以贵，一是性能比较高，二是外壳看上去漂亮。”实验室工程师何涛说，以前耐火材料生产、检测设备多是从外国进口，但有些实验性能可能在使用过程中并不需要。比如，你拿60块钱买的蛋糕和价值100块钱的蛋糕比，口感和外形肯定是不一样的，但它们有一点一样，那就是都能填饱肚子。
在何涛看来，有些实验的确需要进口设备才能完成，但并非所有实验离了国外设备仪器后都不能完成研发。何涛说，现在国内生产的实验设备，甚至实验室研发的设备，就已经能够替代进口设备。比如，何涛开发的“高温弯蠕变试验机”，就为窑具生产实现工艺进步提供了支撑。
何涛说，假设进口的设备精度误差能达到不超过千分之一，国产的能达到误差不超过千分之十，在实际应用中，部分实验设备精度误差能达到千分之十就够用了，那么我们花那么多外汇买个好看却没有必要的仪器干吗呢？而且，国外仪器不仅购买起来贵，使用起来也贵。如果进口设备出了故障，需要国外专家来修，设备也需要搬迁。而由于是精密仪器，为了保证移动不损坏，需要外国专家过来做方案现场指导，这些都需要付费，而且要价不低。
2013年春节前后，实验室有3台德国进口大型设备需要拆解后搬迁，德国专家指导一台设备搬迁的报价就要8万元人民币。
“搬个设备就要给他们24万元。”何涛觉得这钱要是给了太亏了。最后，他和实验室的黄振武教授一起，花了3000元钱自己设计出一套搬迁用具，把几台大型设备一起搬到了新的实验室中。
耐火材料能干啥？
助力PM2.5治理 这个可以有
无论是研发耐火材料还是研发耐火材料设备，以前的成果已经实实在在应用在生产中，实验室对难题的攻克仍在进行之中。
比如对低碳超低碳耐火材料碳结构调控机理研究。
由于对钢液不增碳、抗侵蚀性好、导热性低等一系列优点，低碳耐火材料是含碳耐火材料未来的发展趋势，但低碳耐火材料抗热震性差、抗渣渗透性不足限制了该类材料的进一步推广应用。实验室以此为契机，先后投入了100多万元进行低碳耐火材料的研究开发，使低碳耐火材料的抗热震性和抗渣渗透性得到了有效提升。
再比如红外高发射率节能涂料的开发和应用，节能涂料产品的节能效果是由纳米陶瓷涂层的性能所决定的，涂层的开裂和老化（涂层的使用寿命）一直是困扰行业科研工作者的首要问题，实验室研究团队通过不懈努力，成功开发出了使用温度高、寿命长、节能效果明显的红外高发射率节能涂料产品，并将这些产品应用到陶瓷辊道窑、轧钢加热炉以及耐火材料烧成窑上，其节能效率达10%左右，可有效改善窑炉温度均匀性，提高产品质量和窑炉的生产效率及减少废气排放、降低空中PM2.5含量等。
煤气化技术是煤炭清洁利用的核心技术，它是将煤在高温下直接转化为可利用的天然气，而这一过程是在煤气化发生炉中完成的。
气化炉内同时存在高温、高压和液态的煤渣，液态的煤渣会与气化炉内衬耐火材料发生化学反应，逐渐造成耐火材料的损毁。现有气化炉内衬耐火材料的使用寿命不超过两年，而为了达到气化炉的高效、连续运行，企业期望耐火材料能够使用三年以上。实验室通过研究气化炉煤渣与耐火材料相互作用机制，进行耐火材料的长寿化设计和绿色环保型耐火材料的开发，从而促进我国煤气化技术的快速发展。
据实验室工程师介绍，针对该项目的研究，实验室还自主设计了一台国内唯一的多因素抗渣实验炉，克服了国内现有设备在实验可靠性上存在的局限，在耐火材料性能测试、理论研究等方面发挥了重要的作用。
接下来，实验室将重点研究的领域有节能耐火材料、高效长寿耐火材料、环境友好耐火材料等。
河南耐火材料啥水平？
科研水平全球领先
全球的煤化工70%在中国，煤化工行业中需要广泛应用耐火材料，国内耐火材料的研发在全世界是排在靠前位置，而河南在耐火材料行业又处于全国领先地位，洛阳耐火材料研究所（中钢洛耐院前身，简称洛耐所）正是在这种环境下，不断取得科研成果的。
据了解，当初洛耐所能落户河南，洛阳有高温工业基础是原因之一。当时洛耐所只做耐火材料技术研究和耐火材料检测设备设计，不参与产品生产。
1999年洛耐所改制成科技企业之后，“不仅需要做产品生产研发，还需要开拓市场”。市场的充分竞争，使得实验室不仅在科研上成绩斐然，也让产品应用更适应市场需求。
如今，实验室不仅研发先进耐火材料产品，还参与耐火材料的应用基础研究、表征方法和标准研究，以促进和支撑具有高效、功能化、节能、环保特点的先进耐火材料发展。
近几年，实验室最有影响力的成果当数“耐火材料高温耐磨性研究”，这项成果让实验室首次作为国际耐火材料试验方法标准项目（ISO 16349）召集人制定国际标准，也体现出实验室在全球耐火材料行业的领先地位。
“这项国际标准制定后，国内厂家可以根据它做日常生产，并且在接到出口订单时不用再修改生产工艺和流程。”参与此项研究的实验室教授级高级工程师石干告诉记者。
这事儿靠耐火材料成吗？
每天都在研究耐火材料性能的工程师们，对隔温耐火材料有着自己的想法。
炉子里如何长出蓝宝石？
做手机屏幕的蓝宝石，其长晶炉需要先进耐火材料隔温层的保护。
孙红刚介绍，蓝宝石长晶炉温度很高，里面熔炼氧化铝的金属锅是用钨钼做成的，能承受2000多摄氏度高温，但炉子外面需要使用耐火材料起到隔热保温的作用。
孙红刚告诉记者，蓝宝石长晶炉需要2000多摄氏度高温熔化氧化铝，再弄一个氧化铝晶体（也就是蓝宝石）作为种子，在晶体周围很小程度降温的同时，慢慢往上拉这个氧化铝晶体，熔化的氧化铝在降温时会包裹氧化铝晶体，附着生长成蓝宝石，缓慢提升就会长成圆柱形的蓝宝石，然后再进行切割加工。
啥时候能飞到太阳上？
据实验室工程师介绍，目前最耐高温的是特殊陶瓷材料，可以耐受接近3000℃的高温，但这些高温陶瓷对高温下的气氛等也有严格的要求。
太阳表面温度约为6000℃，不可触及。那么未来有没有一种耐火材料，能承受太阳的高温，让我们做出一种飞行器，进到太阳里面一探究竟呢？
在实验室工程师眼中，这种材料一定是像氮化物、氧化物那样组成的无机非金属材料。类似材料在火箭、导弹上都有使用，因为导弹和火箭飞行速度很快，摩擦产生的温度很高，如果表面直接是金属材料会熔化，就需要包裹一层无机非金属材料组成的防氧化隔温层。
不过，目前在短时间内还不能突破技术瓶颈，做出体积比较大，又能承受太阳高温的飞行器。
实验室研发工程师赵世贤告诉记者，他的团队是通过对耐火材料“细胞”的研究，以达到改变其耐火性能的目的。“我们的耐火材料也可以像陶瓷一样，往精细化上发展，和生物工程交叉改变组织，未来有一天，可能利用高纯氧化物、氮化物造一个飞行器，飞到太阳里面探索未知空间”。
火星上建房子 靠谱吗？
据实验室工程师介绍，一般情况下，耐高温的材料都是耐低温的，当然这些材料在低温情况下会变得比较脆弱，这需要加工过程中有效地克服这种改变。
几年前，国外科学家就提出了在远离地球的火星上建房子的设想，火星上平均温度是-60℃左右，那么在火星上建房子需要特殊材料吗？
实验室工程师告诉记者，要完成这种设想，建造房子的材料很重要，但更重要的是火星环境是否适宜人类居住。即便是使用既耐高温又耐低温的材料建成了房子，如果大的环境并不适宜人类居住，也没有意义。
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