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1、2 0 0 5年第7期!第1 0 3期“佛 山 陶 瓷 1前言 陶瓷纤维是一种广泛应用于各类热工窑炉中的绝热 耐高温材料# 由于其容重大大低于其它耐火材料$因而蓄 热很小$隔热效果明显$作为炉衬材料可大大降低热工窑 炉的能源损耗$ 在节能方面为热工窑炉带来了一场革命# 另一方面$由于陶瓷纤维的物理特性完全不同于传统耐火 材料$因而它的应用技术和方法对热工窑炉的砌筑同样带 来了一场变革# 陶瓷纤维于7 0年代末在中国开始工业生产#8 0年 代$陶瓷纤维的应用在8 0年代得到了迅速推广$但主要都 在1 0 0 0 以下的温度范围内使用$应用技术简单落后#进 入9 0年代$ 随着含锆纤维的开发和多晶
2、氧化铝纤维的应 用推广$使 用 温 度 提 高 到1 0 0 0 1 4 0 0 $但由于产品质 量的缺陷和应用技术的落后$应用领域和应用方式都受到 了局限$如多晶氧化铝!或莫来石“纤维不能制成纤维毯$ 产品规格单一$以散棉%混合纤维或纤维块为主$虽然产品 的使用温度有所提高$但强度很差$限制了应用范围$也缩 短了使用寿命# 目前大多用于原有炉衬内贴面$节能效果 未能得到充分体现# 含锆纤维是用熔融法生产的一种用 途广泛%成本较低的硅酸铝系中档陶瓷纤维产品!长期使 用温度可达1 3 5 0 “$可大量用作砌筑各种炉窑的热面或 全纤维炉衬$但目前国内产品在这方面的质量和应用开发 还很滞后# 含铬
3、纤维的使用温度比含锆纤维的更高$可达 1 4 0 0 $也属于熔融法生产的硅酸铝系陶瓷纤维$价格远 低于多晶纤维$在国外应用很广泛$但国内还未见报道# 2陶瓷纤维的种类及性能 陶瓷纤维的品种主要有普通硅酸铝纤维$高铝硅酸铝 纤维$含C r 2O3%Z r O2或B2O3的硅酸铝纤维$多晶氧化铝纤 维和多晶莫来石纤维等#近年来国外已经开发成功或正在 开 发 一 些 新 的 陶 瓷 纤 维 品 种 $ 如 镁 橄 榄 石 纤 维 % S i O 2- C a O - M g O系陶瓷纤维%A l2O3- C a O系陶瓷纤维和一些 特殊的氧化物纤维# 镁橄榄石纤维是高温煅烧石棉后制得的一种陶瓷纤
4、维#它的化学组成中M g O S i O 21 . 1$容重为4 8 6 4 0 k g m 3 $ 导热系数为0 . 4 4 0 . 7 0 W m&$ 熔点为1 6 0 0 1 7 0 0 # 镁橄榄石纤维可以作为石棉代用材料在高温条件下长期 使用# S i O 2- C a O - M g O系陶瓷纤维的中A l2O3和其它杂质的含 量很低$ 它以硅酸钙和硅灰石为原料经熔融成纤维后制 得# 这种陶瓷纤维的真空成型制品在1 2 6 0 加热2 4 h后 的收缩率小于3 . 5 % ,使用安全# 陶瓷纤维发展的现状与趋势 李 湘 洲 !长春理工大学西校区长春1 3 0 0 2 2“ 本文论述
5、了我国陶瓷纤维材料的起源%种类和应用$介绍了国外的现状$并对国内 应用该材料存在问题和发展趋势进行了分析和展望# 陶瓷纤维$耐火$材料 ! 1 F O S H A NC E R A MI C SV o l . 1 5 N o . 7!S e r i a l N o . 1 0 3“ 另一种对健康无害的陶瓷纤维是化学组成中不含 S i O 2的A l2O3- C a O系纤维# 其A l203和C a O含量在9 0 %以 上$ 它是用化工原料A l 2O3粉和C a C O3粉经高温熔融后制 得的一种陶瓷纤维$ 这种陶瓷纤维已有毡%毯和真空成型 制品$ 用熔融法生产的石英纤维是一种性能优异的陶
6、瓷纤 维#但由于价格昂贵#一般不用作绝热材料$ 在石英纤维 上涂上S i和A l可进一步提高其绝热性能$ 用过的石英 纤维制品还可再生使用# 方法是将废石英纤维绝热制品 粉碎#与水和粘结剂混合后成型制成高温绝热制品$ 高硅氧纤维也是一种性能忧良的陶瓷纤维# 它是用 普通碱硅酸盐玻璃纤维经酸处理和热处理后制得的高 S i O 2含量的玻璃纤维#其长期使用温度在1 0 0 0 以上$美 国宇航局将它用作航天飞行器的绝热材料$ 用溶胶-凝胶法可以生产A l 2O3纤维% 多晶莫来石纤 维和Z r O 2纤维等陶瓷纤维$ 近年来#采用溶胶-凝胶法还 成功开发一种A l 2O3- Y2O3纤维$ 在这种
7、纤维中#A l2O3的含 量一般为1 4 . 7 % 5 4 . 3 %#Y 2O3的含量为4 5 . 7 % 8 5 . 4 %$ 这 种A l 2O3- Y2O3纤维具有耐高温%高温强度高%抗高温蠕变等 优点#除了可以用作高温绝热材料外#还可以用作高温过 滤材料和高温结构材料的增强材料$ 3陶瓷纤维的应用 近年来# 国外在钢铁工业中越来越多地应用各种陶 瓷纤维制品#其应用范围也在不断扩展$ 在各种工业炉中 应用陶瓷纤维炉衬#可以节能2 0 % 4 0 %#还可以使工业炉 的自重降低9 0 %#钢结构重量降低7 0 %$ 在推广使用陶瓷纤维炉衬的同时# 陶瓷纤维的应用 技术也获得了很大的发展
8、$ 据预测#如果对陶瓷纤维的制 品及其应用技术继续进行改进# 设法使陶瓷纤维炉衬尽 量保持陶瓷纤维使用前的性能# 可以使应用陶瓷纤维炉 衬的高温工业炉的能耗再降低4 %左右$ 另外#由于多晶氧 化铝纤维和多晶莫来石纤维的应用# 陶瓷纤维炉衬目前 的最高使用温度已可达1 5 0 0 1 6 0 0 $ 如果在陶瓷纤维 炉衬上涂上高温涂料# 不但可以扩大陶瓷纤维炉衬的应 用范围#提高其使用寿命#还可以使陶瓷纤维炉衬的最高 使用温度提高到1 8 0 0 $ 在高温工业炉中#不同材质和结构的陶瓷纤维炉衬在 燃料燃烧产物和高温的双重作用下# 炉衬的表面会产生 不同程度的结晶和烧结$ 在这些材质中#使用含
9、铝陶瓷纤 维炉衬的变化最小# 使用寿命最长$ 在炉衬结构方面#以 陶瓷纤维毯或模块炉衬# 以及由陶瓷纤维毯和模块组成 的复合结构炉衬最好$ 在陶瓷纤维炉衬表面涂上高温涂 料# 或者在陶瓷纤维炉衬和各层纤维之间设置致密层的 方法#可以防止高温气流进入陶瓷纤维炉衬的内部#因而# 可以改进炉衬的绝热效果#延长炉衬的使用寿命&在陶瓷 纤维炉衬的高温侧贴上硬质陶瓷纤维板或模块也可以起 相同的作用$ 陶瓷纤维具有强度高%抗热冲击性好%耐化学腐蚀等 特点#是一种理想的高温过滤材料$近年来已经使用陶瓷 纤维成功开发出各种过滤器#例如烛式过滤器%织物过滤 器和复合过滤器#广泛应用于火力发电厂%金属冶炼厂% 化工
10、厂的消烟除尘# 还可用于柴油发动机废气中消除有 害物质$ 陶瓷纤维制品具有压缩回弹性# 可以用作高温填密 材料$ 用硅酸铝纤维%丁腈橡胶%无机粘结剂%云母和非膨胀 蛭石可以制得一种无石棉的高温填密材料$ 用陶瓷纤维%高铝水泥%合成橡胶和吸水聚合物还可 以制得一种在水中具有良好粘接性能的耐水密封材料$ 陶瓷纤维同玻璃纤维%岩棉一样#可以用来制造无石 棉摩擦材料$ 这类摩擦材料的特点是摩擦系数稳定%耐磨 性良好%噪音低$ 陶瓷纤维用作高温绝热涂料的网架材料可以改善涂 料的强度%减少收缩率%降低容重%增加绝热效果$ 陶瓷纤 维与耐热结合剂等组成的喷涂涂料可用专门的喷射设备 进行喷涂施工$ 涂料可以直
11、接喷涂在工业炉炉壁上形成 炉衬#也可以喷涂在建筑钢材上形成耐火涂层$ 与其它炉 衬相比#喷涂炉衬具有表面光滑%气密性好%绝热效果好% 2 2 0 0 5年第7期!第1 0 3期“佛 山 陶 瓷 不易剥落# 可以用于形状复杂的炉壁和施工速度快等特 点$是一种较为理想的炉衬结构% 陶瓷纤维用作耐火材料的增强材料可以改善耐火 材料的强度#抗热冲击性和绝热效果$降低耐火材料的 重量% ( 1 )填充密封材料 窑炉的膨胀缝#金属部件的间隙处#辊道窑两端头转 动部分的孔洞处#吊顶式窑炉的接缝处#窑车及接头处均 可采用陶瓷纤维材料填充或密封% ( 2 )外层隔热材料 陶瓷窑炉多采用陶瓷散棉或陶瓷纤维毡!板“
12、作保温 隔热材料$可以减小窑壁厚度#降低窑壁表面温度&纤维本 身有弹性和填充性$可缓解砖壁膨胀热应力$提高窑炉气 密性&纤维热容小$对快速烧成有帮助% ( 3 )内衬材料 根据使用区间温度要求的不同$ 选择合适的陶瓷纤 维作为内衬材料有以下优点窑壁厚度减小$重量减轻$ 加快窑炉尤其是间歇窑的升温速度$节约窑炉砌筑材料$ 降低成本&节约烘窑时间$投产快&可延长外层砌体的使 用寿命% ( 4 )用于全纤维窑炉中 即窑壁和炉衬均采用陶瓷纤维% 纤维炉衬的蓄热量仅 为砖砌炉衬的1 1 0 1 3 0$重量为其1 1 0 1 2 0% 可减小 炉体重量$降低结构费用$还可加快烧成速度% 4国内陶瓷纤维应
13、用技术 ( 1 )陶瓷纤维在1 0 0 0 以下工业窑炉中的应用已 具有显著的经济效益并成为成熟的应用技术$ 是一种常 规的节能措施% 以冶金系统为例耐火#焦化#炼铁#炼钢# 轧钢及机修等各生产环节1 0 0 0 以下工业窑炉应用陶瓷 纤维的已达6 3 %$ 新建1 0 0 0 以下间歇式炉大多采用节 能型全纤维炉& 传统层铺式纤维炉衬已被不同结构的组 件式纤维炉衬所取代% ( 2 )高铝!5 5 % A l 203“纤维制品在火焰炉内长期使用温 度一般低于1 2 0 0 $在燃油火焰炉内使用温度更低&含锆 纤维制品的批量生产及成功应用$解决了1 2 0 0 1 3 0 0 高温窑炉所需材质&
14、采用多晶纤维制品#混合纤维制品的 造价低$纤维炉衬结构强度高% !3“ 随着陶瓷纤维应用范围的扩大$高强度#抗风蚀 硬质纤维壁衬应用日益广泛% 硬质制品必须采用真空成 型工艺生产$ 同时对不同制品在生产中加入的结合剂#集 料#添加剂的配比都不相同% !4“ 多晶莫来石纤维!7 2 % A l 2O3“和多晶氧化铝纤维 !8 0 %#9 5 % A l 2O3“自问世以来$已在冶金#石化#电瓷行业 1 3 0 0 以上窑炉中使用陆续取得成功$ 但由于多晶纤维 生产技术及工艺限制$目前仅能提供散状多晶纤维叠条$ 并由叠条组成尺寸为3 0 0 m m 3 0 0 m m 3 0 5 0 m m的纤维
15、 贴面组件% 组件容重为1 0 0 k g m 3 $纤维叠条组件通过粘结剂粘贴 于耐火砖壁% 此外$用高铝纤维按一定比例与多晶氧化铝 纤维!或多晶莫来石纤维“混合采用真空成型工艺生产混 配纤维制品$可用作1 2 5 0 1 3 0 0 高温窑炉壁衬% ( 5 )陶瓷纤维应用配套件是推进陶瓷纤维应用技术 发展的主要条件% 对于大型窑炉纤维壁衬$已由不同结构 的纤维组件炉衬取代了传统的层铺式纤维炉衬$这一发展 趋势促进了陶瓷纤维应用配套件的发展$并出现了一些专 业生产陶瓷纤维应用配套技术% !6“ 陶瓷纤维喷涂技术及喷涂炉衬是8 0年代末9 0 年代初开发的陶瓷纤维应用新技术%目前北京#河南三门
16、 峡#上海#鞍山等地均引进了国外陶瓷纤维喷涂设备$并 在石化#冶金系统工业窑炉的运用中取得了成功% 5国外发展趋势 ( 1 )新的溶胶-凝胶原料的开发%新的溶胶-凝胶原 料的开发主要是朝着有利于环境保护#降低成本和提高纤 维先驱体的可加工性能方向发展% ( 2 )新的凝胶#纤维先驱体及纤维的制备工艺% 许多 研究者为了制备相同化学成分的纤维$研究了原料的不同 混合方法#加入顺序及反应环境% 还研究了纤维先驱体的 不同控制或仿制工艺#烘干#煅烧制度对纤维性能及制备 3 F O S H A NC E R A MI C SV o l . 1 5 N o . 7!S e r i a l N o . 1 0 3“ 成本的影响#以希望找出最佳途径$ ( 3 )具有新的化学成分的陶瓷纤维的制备及性能的 测试比较$ ( 4 )有关晶须生长方法和新品种晶须的合成与性能研究$ ( 5 )复合纤维的研究$研究者们试图制备一种纤维 同时具有几种纤维的优越性能# 并使一种纤维中含有 几种成分#如以金属钨纤维或碳纤
