轻量耐火材料的研究现状与发展趋势

耐火材料作为高温窑炉的内衬，对其节能降耗起着至关重要的作用。陶瓷行业中，使用轻质隔热材料砌筑的窑炉和窑车具有较好的节能效果，且实现了快速烧成。但对于工作衬与金属液、熔渣直接接触或与物料间有侵损反应的窑炉，要求工作衬致密度较高，以保证窑炉具有较好的抗侵蚀性能和长的使用寿命，这导致该类窑炉热容量大、热耗散大，热效率较低。高温窑炉工作衬用耐火材料一般由致密骨料和基质组成(熔铸耐火材料除外)，骨料相对致密，而基质较为疏松。通常侵蚀和损毁首先从基质开始，无论骨料是否损毁都会因变质层热物理性能变化而发生剥落，造成材料整体损毁，故重质骨料适当轻量化应该不会大幅降低耐火材料的强度和抗介质侵蚀性能。轻量耐火材料是指引入具有较高气孔率(尤其是闭气孔率)的骨料代替致密骨料，制备的致密度介于轻质和重质耐火材料之间的一类耐火材料，它的开发旨在不严重影响耐火材料高温使用性能的前提下，通过降低耐火材料的热容量和导热系数达到保温隔热、节能降耗的目的。基于上述原因，轻量骨料对轻量耐火材料的制备工艺过程、显微结构和使用性能具有决定性的影响。本文首先介绍了轻量耐火骨料的制备方法、材料体系和相关性能，包括部分烧结法、造孔剂烧失法、反应物原位分解造孔法、发泡法、引入纳米粒子烧结法、放电等离子体烧结法等。进而给出轻量骨料在耐火浇注料、不烧含碳耐火材料以及烧成定形制品中的应用、相关性能和使用效果。已有研究发现，在制备轻量骨料的过程中，在追求降低其热导率和体积密度的同时，很难获得令人满意的显气孔率和吸水率，该矛盾成为目前轻量耐火材料获得广泛推广和使用的技术瓶颈。文章还介绍了氧化镁碳热还原输运氧化结合反应烧结的方法，其无需制备轻量骨料，即可获得外层致密内部多孔的具有密度梯度的刚玉-尖晶石轻量耐火材料。文末围绕轻量耐火材料从轻量骨料的制备、轻量耐火材料的制备技术、使用效果评价以及标准和规范制订等方面对今后的研究进行了展望。

0引言

在人类共同应对全球气候变化的大背景下，各国纷纷制定出能源转型战略，提出更高的能效目标。2017年4月25日我国发布的《能源生产和消费革命战略(2016—2030)》中指出，至2020年，能源消费总量控制在50亿t标准煤以内，单位国内生产总值能耗比2015年下降15%，单位国内生产总值二氧化碳排放较2015年下降18%，能源开发利用效率大幅提高，主要工业产品能源效率达到或接近国际先进水平。坚持节能优先总方略，把节能贯穿于经济社会发展全过程和各领域中，将对钢铁、建材等耗煤行业实施更加严格的能效和排放标准，新增工业产能主要耗能设备能效达到国际先进水平。因此，热工设备多和能源消耗大的钢铁、建材、有色金属冶炼等行业具有良好的发展机遇，同时也面临严峻的挑战。

耐火材料作为高温窑炉的内衬，对其节能降耗起着至关重要的作用。为节能降耗，陶瓷行业借助轻质隔热材料砌筑窑炉和窑车，以获得较好的节能效果。但对于工作衬与金属液、熔渣直接接触或与物料间有侵损反应的窑炉，要求工作衬具有较高的致密度，以保证窑炉具有较好的抗侵蚀性能和长使用寿命，这会导致该类高温设备外表面温度偏高，热散失加大，工作环境恶化。如果单靠增大窑炉墙体厚度来降低表面温度，将导致窑炉热容量增大，升温和降温速率偏慢，热效率偏低。已有研究证明隔热耐火材料越靠近高温工作面，其隔热节能效果越好。高温窑炉工作衬用耐火材料一般由致密骨料和基质组成(熔铸耐火材料除外)，骨料相对致密，而基质较为疏松;通常侵蚀和损毁首先从基质开始，无论骨料是否损毁都会因变质层热物理性能变化产生剥落等而损毁，故重质骨料适当轻量化应该不会大幅降低耐火材料的强度和抗介质侵蚀性能。为此在耐火材料界提出轻量耐火材料的概念，以区别于轻质耐火材料和重质耐火材料，通过引入具有较高气孔率(尤其是闭气孔率)骨料代替致密骨料，制备致密度高于轻质而低于重质耐火材料的一类耐火材料用于热工窑炉的工作衬，意在不太影响耐火材料高温使用性能的前提下，达到保温隔热、节能降耗的目的。近10年来，国内关于轻量耐火材料的研究逐渐增多，从轻量骨料的合成到轻量耐火材料的制备以及相关文献的引用率呈上升趋势，科研工作者和耐火企业开展合作，推进了轻量耐火材料的技术进步和应用。但就目前来讲，轻量耐火材料的使用还十分有限，今后将会有很大的上升空间，为促进轻量耐火材料的发展与应用，本文将从轻量骨料的制备、轻量耐火材料的研制与使用以及轻量耐火材料今后的研发重点等三个方面进行综合评述，以便于对轻量耐火材料感兴趣的科技工作者、生产企业和使用者了解相关概况。

轻量骨料的制备

轻量骨料是制备轻量耐火材料的主要组分，从一般意义上讲，使用轻量骨料代替致密骨料是轻量耐火材料区别于重质耐火材料的一个主要特点。从耐火材料使用角度上讲，除了要求轻量骨料具有较低的体积密度和热导率、较高的闭气孔率外，其还应具有较低的开口气孔率和吸水率，这是其区别于多孔陶瓷的重要特征，由此不会由于它的引入过多降低耐火材料的抗工作介质侵蚀性能和承载能力，也不至于对耐火材料的制备过程带来大的影响。下面就轻量骨料的制备方法、基本原理和相关原料体系进行简要介绍。

1.1 部分烧结法

对耐火原料的制备尤其是合成原料通常要进行烧结或熔铸，致密耐火原料通常是越致密越好，最好是达到完全致密化烧结，此时原料强度高、抗工作介质侵蚀性能好。在原料合成过程中，通过控制工艺(包括原料粒度、成型方法、成型压力、烧成温度、保温时间等)可以使耐火原料部分烧结，在内部保留一部分封闭气孔，从而达到降低原料体积密度和热导率的目的。但作为骨料，要求其具有足够高的承载能力和抗侵蚀性能，同时为了兼顾耐火材料制备过程的工艺性要求，还需要具有较低的吸水率(一般低于5%)，开口气孔率较低。理想的结构是内部包含较高的封闭气孔，表皮具有较高的致密度。

杜博等通过湿法球磨、浇注成型、1830℃烧成的工艺过程，研究了氧化铝粒度对轻量刚玉骨料的体积密度、气孔孔径分布以及热导率的影响，制备出体积密度在3.2~3.5g/cm3的轻量刚玉骨料，其在800℃的导热系数比普通板状刚玉低25%~42%;采用氧化铝微粉可以获得闭气孔率更高、气孔尺度更小的轻量刚玉骨料。Deng等研究了素坯成型压力对氧化锆陶瓷致密化的影响，对比表面积为15.4m2/g氧化铱稳定的四方氧化锆粉料，分别采用30MPa和75MPa单向加压成型，获得的素坯相对密度分别为40%和44%。图1为保温30min时烧成温度对试样相对密度的影响，图2和图3分别为相对密度对试样强度、断裂韧性、弹性模量以及断裂应变的影响。由于原料粉体存在团聚，低的成型压力导致烧成试样具有较多的孔洞和裂隙，从而致使试样致密度、强度、断裂韧性和断裂应变较低，但弹性模量相近。Nanjandug等采用挤出成型研究了氧化铝陶瓷致密度对强度和杨氏模量的影响，图4为相对密度对氧化铝陶瓷弯曲强度的影响，由图4可见，在烧结初期致密度的小幅提高，导致强度较为明显地增大。

图1 两种成型压力试样致密度随烧成温度的变化

图2 试样相对密度对 (a)强度和(b)断裂韧性的影响

图3 试样相对密度对(a)杨氏模量和(b)断裂应变的影响

图4 部分烧结氧化铝陶瓷相对密度对试样弯曲强度的影响

1.2 造孔剂烧失法

造孔剂烧失法常用于制备轻质耐火材料和保温隔热材料。通过控制造孔剂的加入量以及烧成工艺可以获得轻量耐火骨料。造孔剂可以选用炭黑、淀粉、有机高分子微球、农业废弃物、碳纤维、有机纤维等。高温下在陶瓷粉料烧结的同时造孔剂烧失，形成气孔，从而可以获得多孔陶瓷或轻量骨料。Liu和Wang以聚甲基丙烯酸甲酯微球为造孔剂，采用干压法成型，在1550℃保温2h，制备出多孔氧化铱稳定氧化锆(YSZ)陶瓷，研究了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球加入粒径和加入量对多孔YSZ陶瓷弯曲强度和热导率的影响，当微球粒径为5μm、加入量为20%时，获得了气孔率为18.4%、弯曲强度为106.8MPa、导热率为1.105W/(m·K)的多孔氧化锆陶瓷。

图5 PMMA微球粒径和加入量对YSZ陶瓷气孔率的影响

图6 PMMA微球粒径和加入量对YSZ陶瓷弯曲强度的影响

图5和图6分别为1550℃保温2h条件下PMMA微球加入粒径和加入量对YSZ陶瓷气孔率和弯曲强度的影响。图7是粒径为20μm的PMMA微球的加入量对YSZ陶瓷气孔率和热导率的影响。结合图5-图7可以看出，通过适当控制PMMA微球加入粒径和加入量可以调整YSZ陶瓷的气孔率、弯曲强度和热导率，为此可以兼顾在较高气孔率下获得较高的强度。Dele-Afolabi等将农业废弃物经过干燥和酸浸后作为造孔剂，加入量为5%~20%(质量分数)，在1450℃烧成，获得了气孔率为44%~67%、耐压强度为12.6~120.5MPa的氧化铝多孔陶瓷。Mohanta等以米糠为造孔剂，以蔗糖为结合剂，采用干压成型，1700℃保温2h，造孔剂加入量为5%~40%，制备出气孔率介于20%~66%、热导率介于1.2~24W/(m·K)的氧化铝多孔陶瓷。Sandoval等以淀粉为造孔剂和结合剂，以滑石、高岭土和氧化铝为原料，在1330℃保温4h制备出堇青石多孔陶瓷。Pabst等以玉米淀粉为造孔剂，在1530℃保温2h制备出氧化锆-氧化铝复相多孔陶瓷。Isobe等以聚醋酸乙烯为造孔剂，采用挤出成型，在1550℃保温2h制备出具有气孔取向的多孔氧化铝陶瓷。Isobe等以直径为14μm、长度为600μm的碳纤维为造孔剂，采用挤出成型，在1600℃保温2h制备出总气孔率为38%、弯曲强度达171MPa的氧化铝多孔陶瓷。Isobe等以直径为19μm、长度为800μm的尼龙纤维为造孔剂，采用挤出成型，在1500℃保温2h制备出气孔具有取向性的氧化铝多孔陶瓷。但这类方法在生产过程中通常会产生对环境有污染的气体。

图7粒径20μm的PMMA微球的加入量对YSZ陶瓷气孔率和热导率的影响

1.3 反应物原位分解造孔法

反应物原位分解造孔法是指在轻量骨料合成过程中至少有一种反应物在高温产生分解，并有气体放出，产生体积收缩，原位形成孔洞，在后续的烧成过程中以气孔的形式保存下来。这种反应物可以是碳酸盐、氢氧化物、硅酸盐含水矿物、稻壳等。Deng等以氧化铝和氢氧化铝为原料制备了多孔氧化铝陶瓷，研究了氢氧化铝加入量和烧成温度对试样强度、弹性模量和断裂韧性的影响，在相同的致密化程度下，随着氢氧化铝加入量的增大，试样的强度和断裂韧性提高，这是由于氢氧化铝高温下分解产生的氧化铝具有较高的活性，促进晶粒之间的结合。图8为具有不同Al(OH)3加入量试样相对密度对烧结温度的依赖性，且由图8可以看出随烧结温度升高，三种物料逐渐致密化。Suzuki等以白云石、单斜氧化锆和α-Al2O3粉为原料，引入0.5%LiF在1300℃保温2h制备出CaZrO3/MgAl2O4复相多孔陶瓷，获得了气孔率为31%、弯曲强度达118MPa的复相多孔陶瓷。Salomǎo等以碳酸钙和α-Al2O3粉为原料，在1500℃保温3h制备出六铝酸钙多孔陶瓷，并分析了多孔结构的形成过程和机理。

图8 具有不同Al(OH)3加入量试样相对密度对烧结温度的依赖性

1.4 发泡法

发泡法是在泥料中引入发泡剂，通过机械搅拌生成泡沫，与物料混合形成含有泡沫的泥浆，经浇注成型、干燥、烧成等过程获得多孔陶瓷或轻量耐火骨料。该方法可以很好地控制气孔率、气孔大小和气孔分布，也是制备轻质耐火材料和建筑材料的常用方法。ChenHuan等采用发泡制备出氧化铝泥浆，再将其与氧化铝粉混合造球，获得具有核壳结构的外部较为致密、内部多孔的刚玉轻量骨料，并将其用于制备刚玉-尖晶石轻量浇注料，使得浇注料具有较低的热导率和较好的抗侵蚀性能。利用该方法在1800℃保温3h制备出体积密度为3.08g/cm3、显气孔率为10.9%、1000℃热导率为0.753W/(m·K)的轻量刚玉骨料，其显微结构如图9所示。Ahmad等将发泡法与泥浆涂覆相结合同样制备出了具有核壳结构的氧化铝多孔陶瓷，其显微结构见图10。

图9具有核壳结构的轻量刚玉骨料显微结构

(a)核壳结构的显微结构;(a1)(a)中白色虚线框区域放大的SEM图;

(a2)(a)中白色小实线框区域放大的SEM图;(b)(a)中用白色实线框区域放大的SEM图

图10发泡法结合泥浆涂覆经1600℃保温1h烧成得到的轻量刚玉骨料的显微结构

(a)高度多孔基材上均匀涂层的横截面SEM图;

(b)界面之间的涂层和基板放大1000倍的SEM图

1.5 引入纳米粒子烧结制备轻量骨料技术

纳米粒子具有大的比表面积和烧结活性，纳米粒子的引入可以促进晶粒之间的结合，使得气孔来不及排除而以闭气孔的形式存在于烧结体中，从而获得轻量骨料，并使轻量骨料具有较高的强度和抗侵蚀性能。Paul和Lange将部分烧结氧化铝多孔陶瓷(相对密度为59%)用莫来石和氧化锆先驱体溶液进行浸渗和烧结，研究了浸渗次数对多孔氧化铝陶瓷致密化程度和强度的影响，获得了具有密度和成分梯度的氧化铝陶瓷，同时也揭示了浸渗次数和烧结对氧化铝陶瓷致密化进程的影响。Fu等以氧化铝微粉为主要原料，以淀粉为造孔剂和结合剂，通过引入一定量的氧化铝溶胶，在1800℃保温3h，得到了体积密度为3.05g/cm3、显气孔率为9.1%、闭气孔率为12.3%、平均孔径为0.43μm的微孔刚玉骨料，并研究了其抗渣性能，其与板状刚玉显微结构的对比见图11，可见微孔刚玉具有较小的气孔结构。

图11 (a)板状刚玉与(b)微孔刚玉的显微结构

Perko等引入11nm氧化锆与亚微米氧化锆形成核壳结构，纳米粉作为壳，亚微米氧化锆为核，在1400℃保温2h获得氧化锆多孔陶瓷，用该方法制备的氧化锆多孔陶瓷相对密度为60%时，其强度可达430MPa。Dakskobler等在氧化铝微粉悬浮液中引入2.5%(质量分数)AlN,AlN水解形成勃姆石，吸附于氧化铝微粉颗粒表面，经烧结过程转化为活性氧化铝，促进晶粒之间的结合，使得多孔氧化铝陶瓷具有较高的强度，相对密度为72.3%的多孔氧化铝，弯曲强度可达234MPa。Fujita等通过在莫来石部分烧结体中浸渗由氧化铝溶胶转化而得的氧化铝，经1200℃保温2h烧结得到莫来石-刚玉复相多孔陶瓷，控制浸渗次数和烧成温度可以调节该复相材料的致密化程度。Kocjan和Shen以100~150nm的氧化钇稳定氧化锆粉体为主要原料，采用离心浇注法成型，在1200℃保温2h获得气孔率为18.3%~43%、热导率为0.63~1.88W/(m·K)、弯曲强度为70~540MPa的多孔氧化锆陶瓷。

1.6 放电等离子体烧结技术

放电等离子烧结技术(Sparkplasmasintering,SPS)是通过粉末颗粒之间的等离子体放电，并对粉末加热加压进行烧结，制取高性能材料的一种新型烧结技术。在SPS烧结过程中，电极通入直流脉冲电流的瞬间，在颗粒间所产生的放电等离子体能使烧结体内部各个颗粒自身均匀地产生焦耳热并使颗粒表面活化，局部产生的高温，借助蒸发凝聚机制，通过体扩散和晶界扩散提高传质速度，从而促进烧结，尤其是使得颗粒之间颈部长大。Sung-TagOh等利用放电等离子体烧结技术，在950℃、5.5MPa下保温15min获得相对密度为81%的多孔氧化铝陶瓷，弯曲强度达160MPa。借助等离子体放电烧结技术制备的氧化铝多孔陶瓷晶粒细小、晶粒之间结合面积大，高于1300℃热压烧结试样。两者显微结构见图12，图12(b)箭头所指为等离子体烧结晶粒之间的颈部结合。Chakravarty等以氢氧化铝为原料，在1000~1200℃、10MPa下保温2min，获得了气孔率为20%~60%、高强度的多孔氧化铝陶瓷，高强度源于晶粒之间良好的结合。

图12不同方法制备的相对密度为81%的多孔氧化铝陶瓷断面的SEM照片

(a)1300℃热压烧结保温15min与

(b)PECS在950℃等离子体放电烧结15min(箭头指向颈部生长的区域)

1.7 轻量耐火骨料制备方法对比

表1为上述六种轻量耐火骨料制备方法的综合对比。从目前的文献报道可见，轻量耐火骨料基于Al2O3体系的研究较多。部分烧结法、添加物烧失法、反应物原位分解法以及添加纳米粒子烧结法实现工业化生产可能性更大，放电等离子体烧结法不适合于大批量生产轻量骨料，添加物烧失法存在环境污染，反应物原位分解法由于不存在环境污染，通过进一步加大实验室研究和中试研究，更易实现批量化生产。然而，表1中所列六种轻量耐火骨料的制备方法，要想实现大批量生产，仍然需要解决好在追求低导热率、降低体积密度的同时，降低显气孔率和吸水率，以便于后续耐火材料的制备和施工，并且不会对最终产物的性能带来过大的影响。

轻量耐火材料的研究

轻量耐火材料通常是指体积密度介于轻质耐火材料和重质耐火材料之间，且具有较低的热导率和足够的承载能力以及良好的抗侵蚀性能的一类耐火材料。目前尚无轻量耐火材料与轻质耐火材料和重质耐火材料有关体积密度或气孔率的具体划分。目前，轻量耐火材料的研究主要集中在耐火浇注料、不烧含碳耐火材料、轻量烧成耐火材料和具有密度梯度的轻量耐火材料的制备与性能研究。

2.1 轻量耐火浇注料

耐火浇注料是目前用量最多的耐火材料，关于轻量耐火浇注料的报道也最多。松本尚也等研究了五种高铝质骨料对Al2O3-SiC-C浇注料抗渣性能的影响，五种高铝质骨料分别是烧结板状刚玉、电熔白刚玉、电熔棕刚玉、回转窑煅烧致密高铝矾土熟料和竖窑煅烧的轻量高铝矾土熟料，结果表明，随着氧化铝含量的增加和气孔率的降低，抗侵蚀性能增强，气孔率高的物料(竖窑烧结高铝矾土熟料)降低了试样的抗侵蚀性能。鄢文等以体积密度为2.33g/cm3、气孔率为36.0%的刚玉-尖晶石轻量骨料为主要原料，重点研究了基质部分氧化硅微粉的加入量对刚玉-尖晶石浇注料抗侵蚀性能和抗渗性能的影响，当基质部分引入1.95%~2.60%(质量分数)氧化硅微粉时，该浇注料具有好的抗侵蚀和抗浸渗性能。梁永和等利用动态渣蚀法对比研究了轻量刚玉骨料和板状刚玉对精炼钢包用铝镁浇注料抗侵蚀性能的影响，结果证明两者对其影响效果相当。Fu等对比研究了微孔刚玉轻量骨料与板状刚玉对铝镁浇注料性能的影响，结果表明:引入微孔刚玉骨料，浇注料体积稳定性、强度、隔热性能和抗热震性能提高，引入微孔刚玉骨料的浇注料由于骨料气孔孔径比板状刚玉小，使得抗渣浸渗和侵蚀性能远优于板状刚玉作为骨料的浇注料。ZouYang等利用Andreassen颗粒填充模型较为系统地研究了颗粒组成对微孔刚玉作为骨料的铝镁浇注料显微结构和抗渣性能的影响，当粒度分布系数q为0.28时具有较好的性能。LiuGuangping等研究了引入一种以六铝酸钙为主晶相的轻量合成骨料对铝镁浇注料性能的影响，该轻量骨料的引入使得浇注料的强度、隔热性能、抗热震性、抗渣性能得到改善。

2.2 轻量含碳不烧耐火材料

HisashiTomiya等用体积密度为3.36g/cm3的轻量刚玉骨料制备Al2O3-MgO-C砖，并用于钢包试验，结果表明，用轻量刚玉骨料取代致密的刚玉骨料，实验砖热导率降低20%，砖衬蚀损情况与致密料相当，同时可使出钢温度偏高。彭从华等以微孔方镁石-尖晶石原料为骨料，以酚醛树脂为结合剂，制备了方镁石-尖晶石-碳砖，研究了其抗渣性能，结果表明，其具有较好的抗渣性能，并有望获得低热导率和优良抗热震性能的耐火材料。

2.3 轻量耐火材料烧成砖

今井一成和高田隆夫利用轻量镁砂骨料取代致密的镁砂制备镁铝砖，并用于水泥窑过渡带，研究了轻量骨料的引入对耐火砖热导率、弹性模量、抗侵蚀性能以及回转窑表面温度的影响，结果表明，利用轻量骨料制备的耐火砖的1000℃热导率由普通砖的4.5W/(m·K)降低到3.6W/(m·K)，弹性模量降低，抗侵蚀性能相当，窑皮温度比普通砖降低20℃[37]。RenBo等以氧化硅溶胶涂覆的莫来石轻量骨料为主要原料，制备了高铝-碳化硅耐火材料，希望用于水泥回转窑过渡带，研究了氧化硅溶胶涂覆对该耐火砖强度、热导率和抗碱侵蚀性能的影响，结果表明，用氧化硅溶胶涂覆莫来石轻量骨料制备的耐火砖强度与普通砖相当，热导率显著降低，由于氧化硅溶胶的引入，其抗碱性能优异。LinXiaoli等研究轻量方镁石-尖晶石骨料中尖晶石含量对该轻量骨料抗水泥熟料侵蚀和结窑皮性能的影响，当轻量骨料中尖晶石含量为15%~40%(质量分数)时，该类轻量骨料具有较好的抗水泥熟料侵蚀性能和挂窑皮特性。

2.4 具有密度梯度的轻量耐火材料

笔者利用氧化镁碳热还原输运氧化结合反应烧结法制备了刚玉-尖晶石轻量耐火材料，研究了基质配料和烧成温度对轻量耐火材料体积密度、耐压强度、荷重软化温度的影响。结果表明，利用多孔体中气相沉积时化学反应动力学与物质传输之间的矛盾可以制备出外部致密而内部多孔的轻量耐火材料，如图13所示。

图13 孔隙中氧化镁沉积示意图

以板状刚玉为骨料，以氧化铝微粉、氧化镁细粉和石墨为基质，利用该方法获得试样的体积密度低于普通镁铝砖，实现了轻量化;其与普通砖的耐压强度相当，甚至比普通砖更高;两者荷重软化温度相当，如表2所示。该方法为制备轻量耐火材料开辟了一条新的途径。

轻量耐火材料今后的研发重点

轻量耐火材料与重质耐火材料相比在节能降耗方面具有明显的优势，尽管它出现了近10年，但是要得到很好的推广使用仍有很多工作要做，这需要耐火材料研发人员、生产企业和使用单位共同努力，才能尽快地推进这类新材料更为广泛地使用。为此需要从如下几个方面进一步开展工作。

(1)轻量骨料制备技术。重点解决在实现轻量化的同时，具有较低的开口气孔率和吸水率，以便不会对轻量耐火材料的制备带来过大的影响;另外，目前国内的研究多集中在轻量高铝系列原料和尖晶石类原料，轻量镁质原骨料鲜有报道，可以借助目前镁质原料控制开采的机会，开发出轻量镁质原料，通过引入轻量镁砂可以降低镁碳砖的热导率，降低炼钢过程的热损失及耗能。

(2)轻量耐火材料的新品种和新技术的开发。可以根据耐火材料的工况进行分类，对不涉及工作介质侵蚀或者使用条件相对较好的耐火材料的使用领域进行优先开发，以便拉动轻量原料生产和耐火材料制备技术的积累。例如，可以选用电炉盖、轧钢加热炉、钢包永久衬等非接触部位开展轻量耐火材料的制备与使用，逐渐拓展到工作条件相对苛刻的转炉、电炉、精炼炉、钢包衬、鱼雷罐、玻璃窑熔池、煤气化炉壁工作衬等场合。加大轻量耐火材料使用环境损毁机理研究，为改进制备工艺提供依据。加大轻量耐火材料制备新技术开发，加强与其相关基础理论和工艺研究，以便突破已有框架，实现创新。

(3)加强轻量耐火材料使用窑炉的热工标定和模拟计算。联合耐火材料研发人员、生产企业和使用单位进行高温窑炉热工标定，通过标定获得节能降耗的第一手资料，为轻量耐火材料的推广使用提供推动力。可以借助模拟计算，这样可以节约大量实验成本，并且可以解决很多实验无法完成的研究。

(4)加强轻量耐火材料材料技术和质量标准以及表征技术的研发。经过一段时间的积累，通过技术规范和标准的制订，规范轻量耐火材料的生产、经营和使用。