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】
特殊用途耐火材
1. 微波穿透耐高溫陶瓷簡介
以下介紹發展碳纖維所需之耐火材。因為碳纖維具有質量輕且高強度的特性，通常運用於儲能、航太軍需、運動休閒及汽車產業。2022年全球碳纖維市場規模達到27.2億美元，2028年將達到45.1億美元，預測期內複合年增長率為8.8%。國際碳纖維市場依然為日、美所壟斷，日、美擁有全球90%的大絲束碳纖維生產能力，占主導地位；台灣台塑、永虹等公司正在急起直追，未來後勢看好。因此，相關之製備高純度耐火材料的潛在應用市場龐大。而製備碳纖維需要極高的溫度及還原氣氛，所以其耐火爐體之材料，必須具有極高耐溫性和化學穩定性，此種耐火產品技術難度及價值遠高於傳統煉鋼或水泥窯爐用之廉價耐火材。未來可藉由開發提升耐火磚之性能來進入此一市場，以帶動國內耐火陶瓷傳統產業技術往高價值產品轉型。碳纖維石墨化製程溫度達1,800~2,000˚C，如果耐火材料之耐溫及化學穩定性不足，其石墨化之製程環境極容易使爐體之耐火材料結構產生劣化或氧化還原反應，導致逸出污染物，進而影響碳纖維的性質。
傳統加熱方式石墨化，熱量是由外面環境傳進去，加熱速度緩慢，且會有大量熱浪費損秏在環境中。而微波加熱石墨化則是由微波直接加熱在碳纖維，可以避免在環境中的損秏，有效率快速升溫，所以微波加熱之碳纖維石墨化方法，具有節省能源和節省時間(快速升溫)的優勢。
2. 微波穿透耐高溫陶瓷之製備
工研院材料與化工研究所正進行開發碳纖石墨化系統，圖四為其相關類似系統之示意圖，其系統包含捲線區和微波加熱區(紅色區)。而本單位開發之耐高溫多孔MgO管如圖五所示，裝置於此微波加熱區中。
圖四、碳纖維石墨化加熱系統示意圖
圖五、工研院開發之MgO長管形貌及外觀
耐火材料的特性與回收
1. 廢鎂鈣磚回收再利用
近年來環保意識興起，廢棄耐火材料進行循環利用帶來顯著的經濟效益，也是未來世界環保的大趨勢，本文將以不鏽鋼及二次鍊鋁業者常會產生之廢棄鎂鈣磚及煉鋁渣為範例，來介紹耐火材料的回收循環之現況。
首先，鎂鈣磚是鹼性耐火材料中的一種，常應用於煉製不鏽鋼之AOD爐之內襯耐火材料。其具有耐高溫性、抗渣性、抗熱震等優點，是近年來不鏽鋼煉鋼業者最常用之耐火材。但回收之鎂鈣磚會有降低耐火度，導致無法直接回用等問題，且其含有大量氧化鎂/鈣元素會吸水膨脹，也導致後端降階應用極為困難。目前只能暫時堆置在廠區，時間久了就會是嚴重的問題，所以廠商亟為迫切尋找廢棄鎂鈣磚循環再利用之方法。
隨著回收鎂鈣磚加入量的增加，合成的再生鎂鈣磚的體積密度與常溫力學性能不斷增強。其中MgO含量為60%(回收鎂鈣磚95%)的樣品在常溫條件之抗折強度和抗壓強度最高，分別為69.79 MPa和300 MPa，MgO含量為80%樣品的常溫抗折強度和抗壓強度最低，分別為47.63 MPa和111 MPa，但均遠高於市場標準(YB/T 4116-2003)要求的最低常溫抗壓強度(50 MPa)。回收鎂鈣比例較高之樣品，亦擁有比較高的體積密度2.97g/cm3。
2.廢鋁渣轉製耐火骨材
國內二次煉鋁廠商會產生大量之廢鋁渣，這些鋁渣含有大量的阿摩尼亞具有惡臭，後端處理也極為困難，因此工研院開發鋁渣的加值再利用處理技術，將鋁渣燒結成高尖晶石相耐火骨材，並將再生骨材摻配至不定形耐火材料配方，可廣泛使用到各類耐火爐。
當燒結製程完成後產出再生耐火骨材，將摻配再生耐火骨材進入不定形耐火材料配方之中，其關鍵規格包括：體密度、氣孔率、再熱線變化、折斷強度、耐壓強度等，依據再生耐火骨材特性進行配方開發，將適度鋁質水泥用量與添加劑進行收縮率控制以達成，開發出符合JIS相關規範CA-15之再生耐火粒料摻配不定形耐火材料產品 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。