黃天恒、游勝閔、張名惠 / 工研院材化所
近年來環保意識興起，節能減碳是未來世界環保的大趨勢。提高產業能源使用效率，是節能減碳相當重要的手段。而耐火材在諸多高耗能產業中扮演極為關鍵的角色，因此本文將從傳統耐火材料之分類、應用場域切入，再推展到特殊耐火材開發，以探討耐火材高值化之可行性。最後並將分析回收耐火材再使用之可能性及其他去化路徑，以此提升台灣耐火原料自給自足之潛力。
【內文精選】
前 言
耐火材在某些場合及某一溫度條件下需具有特定的機械強度與化學穩定性質。目前使用之耐火材料形態種類繁多，在學術或商業上依出廠前概分為兩大類，即定形耐火材(磚)與不定形耐火材，如圖一所示；不定形耐火材包括：可鑄性耐火材、可塑性耐火材、搗固性耐火材、耐火泥及噴漿材。近年來定形耐火磚僅占耐火材市場之30%，其餘70%為不定形耐火材。
圖一、耐火材料之主要型式
目前臺灣製造耐火磚所使用的原料包括天然礦物原料及人工精煉的合成材料。在天然礦物原料方面，除極少量火黏土及矽石自產外，其他原料幾乎全為國外進口，主要以中國為主，占耐火材料廠之70~80%；此外，人工精煉的合成材料幾乎全部由日本及歐美進口。台灣耐火磚之原料幾乎100%靠進口，透過回用、下階應用，除可促成循環經濟，也可以降低對進口原料依賴度。目前國內耐火材年產量可超過21萬噸，中鋼集團是國內最大耐火材料需求公司，以2019年資料來看，其中國產化耐火材料年使用量為10.3萬噸、全年總使用量為14.7萬噸，總金額高達新台幣58.2億元，如表二統計；其中也可看到目前國外進口耐火材重量份額約占30%，但是其成本份額卻達到44%，顯示進口耐火材多為高單價產品。
定形耐火材料簡介
①普通耐火材料(耐火度為1,580~1,770˚C)：以氧化矽為主要成分，常用的有矽磚和黏土磚。矽磚是含氧化矽93%以上的矽質製品，其抗酸性爐渣侵蝕能力強，荷重軟化溫度高，重複煅燒後體積不收縮，甚至略有膨脹，但其易受鹼性渣的侵蝕，抗熱振性差；矽磚主要用於焦爐、玻璃熔窯、酸性煉鋼爐等熱工設備。另外，黏土磚中含30%~46%氧化鋁，以耐火黏土為主要原料，對酸性爐渣有抗蝕性、用途廣泛，是目前生產量最大的一類耐火材料。
②高級耐火材料(耐火度為1,770~2,000˚C)：高鋁質製品中的主晶相是莫來石和剛玉，剛玉的含量隨著氧化鋁含量的增加而增高，含氧化鋁95%以上的剛玉製品是一種用途較廣的優質耐火材料。碳質製品是另一類中性耐火材料，根據含碳原料的成分和製品的礦物組成，分為碳磚、石墨製品和碳化矽質製品三類。
③特級耐火材料(耐火度為2,000˚C以上)： 以鎂質製品為代表， 含氧化鎂80%~85%以上， 以方鎂石為主晶相。對鹼性渣和鐵渣有很好的抵抗性。純氧化鎂的熔點高達2,800˚C，耐火度較黏土磚和矽磚都高。鹼性耐火材料主要用於平爐、吹氧轉爐、電爐、有色金屬冶煉以及一些高溫熱工設備。
不定形耐火材料簡介
不定形耐火材料由具有一定粒度級配的耐火骨材(Aggregate)和細粉料組成，搭配結合劑及添加劑混合澆灌而成耐火材料，如圖二所示。其用於熱工設備襯裏，不經燒成工序，可直接烘烤使用。與耐火磚相較，具有工藝簡單(因省去燒成工序)、節約能源、成本低廉、便於機械化施工等特點。耐火骨材(22)按材質分有黏土質、高鋁質、剛玉質、矽質、鎂質、鎂鋁尖晶石質等耐火骨材。按氣孔率可分為緻密骨材(又稱重質骨材)和輕質骨材(又稱多孔骨材)。緻密骨材係指氣孔率不大於30%的骨材，又可進一步分為特緻密骨材、高緻密骨材和普通緻密骨材。輕質骨材係指氣孔率大於45%的骨材，又可進一步分為普通輕質骨材、超輕質骨材和特種輕質骨材(如氧化鋁、氧化鋯空心球)。一般骨材的粗、中、細級配比例為(35~45):(30~40):(15~25)。
圖二、不定形耐火材料成分與結構
多數耐火骨材顆粒為多相多晶物料，因此耐火骨材顆粒形狀既與材料本身的各相晶體結構、結晶習性和雜質含量有關，也與材料的加工處理方法有關。如採用電熔法製得的莫來石，因莫來石是從熔體中析出來的，多為自形晶，故按莫來石的結晶習性，多呈柱狀多晶聚集體，破碎時是沿著結合力較差的長度方向晶界斷裂，破碎後也多呈柱狀多晶顆粒 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》443期，更多資料請見下方附檔。