球形耐火骨料與傳統的不規則形狀骨料相比，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，獲得更均勻致密結構，提高抗蝕性等。制造球形骨料的技術可行性和經濟性是關系能否得到推廣使用的兩大要素。本文探討了可用于生產球形骨料的技術途徑，并對用這些方法生產球形骨料的成本與常規生產不規則骨料的成本作了比較分析。分析表明：運用當今的相關技術，如果制造球形骨料所用的原料與傳統不規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、化學提純料或化學物相組成定制的原料。球形骨料的優越性、可行性和經濟性的結合，使之有望取代傳統不規則骨料而成為未來高性能耐火材料的重要原料。
1. 前言
高溫工業的發展需要高性能耐火材料。從上個世紀初到現在百余年間，耐火材料技術發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，而越來越多是經過精心設計和制造的高端制品。耐火材料是一類 高溫工業正常運行乃至高溫工業某些技術進步的使能材料，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新，更多著手在基質方面。而耐火材料的構成，骨料是主要部分。骨料自身的特性、骨料和基質的相互作用，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注。作者于2015年9月在?美國陶瓷學會通報?上發文，提出了耐火骨料工程的理念1。所謂耐火骨料工程包括設計和制造具有特定形狀、特定顯微結構和特定化學組成的耐火骨料，使之在使用中發揮 效能。文中提出了八類特形特構的耐火骨料，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，用于取代形狀不規則的傳統骨料。隨著骨料工程技術的進步，特別是對骨料內部和表面結構的定制設計，將給相關耐火制品帶來更優的使用性能。而能否成功地廣泛應用球形骨料，取決于它們在應用上的優越性、生產技術和經濟的可行性。本文探討可用于生產球形骨料的技術途徑，并對用這些方法生產球形骨料的成本與常規生產不規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。但若要生產高質量料球，粉體粒度可能需要細至微米級。粉體細磨是陶瓷、耐火材料生產的成熟工藝。也是傳統耐火熟料生產的 步驟，熟知的例子如均化礬土，其生產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，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壓出的料粒為球形或類球形14，塊度多在20-30mm。在傳統的熟料生產中，壓成的生料坯要經過燒結、破碎，可得到粒度合適但形狀不規則的熟料。壓球法可用來制造大粒度球形骨料。制成的生料球經燒結后直接使用，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、多層結構球等。若使用固體成孔劑，這種方法還可以用來制造多孔微孔球。造球的設備為轉盤或轉鼓。簡單結構的球粒在一臺設備上一次做成，復雜結構的球粒則可使用多臺設備串聯作業。滾粉造球方法是化肥、制藥工業早就使用的成熟技術15，近年來又 被普遍用于油田壓裂支撐劑的制造16。目前的滾粉造球設備的生產能力可達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聚合固化。若用后者，則需要在料漿中加入適當的聚合物質，并讓液滴落在含有能使聚合物偶聯固化的水浴中。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對滴嘴施加高頻振動，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。目前已有的工業規模造球設備的生產能力大為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。輥道窯可用于燒結小粒度、粘連性和輕質的球形骨料。與轉盤窯的情形類似，在輥道窯中燒制這樣的物料不會面臨像在回轉窯燒結中出現的出現的粘窯、物料倒流的問題。使用輥道窯燒結球形骨料需要高熱導和高抗熱震的匣缽。
4. 球形骨料與不規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與傳統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。與之相應的制造不規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是比較球形骨料和不規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（如結合劑、分散劑等）、不同的能耗（電耗和燃料消耗）、人工、設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合劑、添加劑就種類和數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。傳統破碎后礬土骨料和燒結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合劑和分散劑。但如果該法是用來制造輕質球形骨料的，其花費不會比傳統的澆注-發泡法高，因為傳統的方法也需要足夠的成孔劑、結合劑、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，由滴漿法造球的結構固化和干燥所用的時間可比澆注發泡法短許多，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構的蛻變問題。這種結構所致品質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量的結構梯度球形骨料。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省費用來補償。
(3) 燒成的造價
若傳統的不規則骨料是由燒結磚形坯體而來，磚坯的燒結需在隧道窯中進行。然而，球形骨料的燒成則可在回轉窯、轉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。
與在隧道窯中燒結磚形坯體不同，在回轉窯和轉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雜，需要考慮許多因素。業界有種說法認為，回轉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較之磚坯的燒結有突出的動力學優勢。因前者的粒度比后者的尺度小許多，燒結前者所需的時間當比燒結后者的要短許多。在回轉窯運行中，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過程。由此縮短的燒成時間可有效降低能耗。依據中國工信部于2014年頒布的的耐火材料生產準入條件29，以目前的耐火窯爐技術，實現回轉窯燒制的能耗低于隧道窯的能耗是可能的。對轉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，料床的厚度可以優化，從而實現燒結條件，使能耗降至 。
5．結語
生產球形耐火骨料的技術可行性和成熟度是實施應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的已有的其他材料的生產方法和設備的探討說明，球形耐火骨料可由“成球-燒結”方法制造。這些方法和設備或者已用在其它工業領域，或者已在耐火材料工業采用。球形耐火骨料的研發和生產可以“借用”其中的技術和裝備，必要時可重組其過程，從而獲得制造特定大小、結構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鍵因素。它包括這種新型骨料的使用優越性和造價的經濟性。關于球形骨料的優越性已作了討論，相信有更多的優越性會隨其應用進展被進一步發現。關于它們的生產造價，本文通過對其生產過程與傳統不規則骨料生產過程的對比，對其造價的經濟性作了估計。
通過對比可見，球形耐火骨料只要所用的原料和傳統骨料一樣或相似，其生產費用將會與傳統骨料相當。球形和不規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，球形骨料的生產費用可以比傳統骨料的低，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全粉料磚坯低。總之，球形骨料可以成為比傳統骨料更為經濟的高級耐火原料。
球形耐火骨料具有使用性能方面的優越性，也具有技術的可行性和生產的經濟性。它們與傳統不規則骨料相比，更有競爭力。可以預期，隨著耐火材料技術的進步，將有越來越多的傳統骨料被球形骨料所取代。
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