硅酸铝陶瓷纤维

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1、1 硅酸铝陶瓷纤维简介 1 前言 陶瓷纤维是一种广泛应用于各类热工窑炉的绝热耐高材料。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小同于传统耐火材料，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 70 年代末在中国开始工业生产。80 年代，陶瓷纤维的应用得到了迅速推广，但主要都在 1000以下的度范围内使用，应用技术简单落后。进入 90 年代，随着含锆纤维的开发和多晶氧化铝纤维的应用推广，使用度提高到 1000-1400，但由于产品质量的缺

2、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。日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高档陶瓷纤维产品（长期使用度可达 1350），可大量用作砌筑各种炉窑的热面或全纤维炉衬，但日前国内产品在这方面的质量和应用开发还很滞后。含铬纤维的使用度比含锆纤维的更高，可达 1400，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，但国内还末见报道。

3、 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 cr2o2,zro2 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、sio2-cao-mgo系陶瓷纤维、al2o3-cao 系陶瓷纤维和一些特殊的氧化物纤维。 镁橄榄石纤维是.高锻烧石棉后制得的一种陶瓷纤维。它的化学组成中 mgosio21,容重为 48640kg/m3,导热系数为 0.440.70（w/m,熔点为 1600-1700。镁橄榄石纤维可以作为石棉代用材料在高条件下长期使用。 sio2-cao-mgo 系陶瓷纤维

4、中的 al2o3 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 1260加热 24h 后的收缩率小于 3.5，使用安全。 另一种对健康无害的陶瓷纤维是化学组成中不含 sio2 的 al2o3-cao 系纤维，其 al2o3 和 cao 含量在 90以上。它是用化工原料 al2o3 粉和 caco3 粉经高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 si 和 a1 可一进一步提.高其绝热性能。用过的石英纤维制品还可以再生使用

5、，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 sio2 含量的玻璃纤维，其长期使用度在 1000以上。美国宇航局将它用作航天飞行器的绝热材料。 用溶胶一凝胶法可以生产 al2o3 纤维、多晶莫来石纤维和 zro2 纤维等陶瓷纤维。近年来，采用溶胶一凝胶法还成功开发一种 al2o3-y2o3 纤维。在这种纤维中 al2o3 的含量一般为 14.7-54.3，y2o3 的含量为 45.7-85.4，这种 al2o3-y2o3 纤维具有耐高、高强度高、抗高蠕变等优点，除可以用作高绝

6、热材料外，还可以用作高过滤材料和高结构材料的增强材料。 3 陶瓷纤维的应用 3.1 高绝热材料近年来，国外在钢铁工业越来越多地应用各种陶瓷纤维制品，其应用范围也在小断扩展。在各种工业炉应用陶瓷纤维炉衬可以节能 20-40，还可以使工业炉的自重降低 90，钢结构重量降低70。 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。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，陶瓷纤维炉衬日前的最高使用度已可达 1500-160

7、0，如果在陶瓷纤维炉衬上涂上高涂料.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度提高到 1800。 在高工业炉中，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高涂料，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侧贴上硬质陶瓷纤维

8、板或模块也可以起相同的作用。 3.2 过滤和催化剂载体材料陶瓷纤维具有强度高、抗热冲击性好、耐化学腐蚀等特特点，是一种理想的高过滤材料。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、化工厂的消烟除尘，还可用于柴油发动机废气中消除有害物质。 3.3 填密材料和摩擦材料陶瓷纤维制品具有压缩回弹性，可以用作高填密材料。用硅酸铝纤维、丁晴橡胶、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

9、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。 3.4 绝热涂料陶瓷纤维用作高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、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。 3.5 增强材料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。 3.6 陶瓷纤维在

10、陶瓷窑炉中的应用 （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）作保隔热材料，可以减小窑壁厚度、降低窑壁表面度;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度要求的小同，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

11、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 1/101/30,重量为其 1/101/20。可减小炉体重量，降低结构费用，还可加快烧成速度。 4 国内陶瓷纤维应用技术 （1）陶瓷纤维在 1000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 1000以下工业窑炉应用陶瓷纤维的已达 63，新建 1000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（55a12o3）纤维制品在火焰炉内长期使用度一般低于 12000，在燃油火焰炉内

12、使用度更低;含锆纤维制品的批量生产及成功应用，解决了 1200-1300高窑炉所需材质;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（72al2o3）和多晶氧化铝纤维（80、95al2o3）自问世以来，已在冶金、石化、电瓷行业 1300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，日前仅能提供散状多晶纤维叠条，并由叠条组成尺寸为 300mm300mm30-50mm 的纤

13、维贴面组件。组件容重为 100kg/m3，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 12501300高窑炉壁衬。 （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 80 年代末 90 年代初开发的陶瓷纤维应用新技术。日前北京、河南三门峡、上海、鞍山等地均引进了国外陶瓷纤维喷涂设备，并

14、在石化、冶金系统工业窑炉的运用，取得了成功。 5 国外发展趋势 （1） 新的溶胶一凝胶原料的开发。 新的溶胶一凝胶原料的开发主要是朝着有利于环境保护、 降低成木和提.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、锻烧制度对纤维性能及制备成本的影响，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

15、几种纤维的优越性能，并使一种纤维内含有几种成分，如以金属钨纤维或碳纤维为核心，通过气相沉积法可以制备出强度极高的钨-碳化硅或碳-碳化硅复合纤维。 （6）陶瓷纤维表面改性。利用化学气相沉积法或与离子镀相类似的方法将已制成的纤维表面再包裹一层相同或不同成分的化学物质，可以极大地改变纤维的表面性能。 （7）陶瓷纤维在复合材料中的应用研究。陶瓷纤维在复合材料中的应用研究始于 20 世纪 60 年代，该项研究一直是材料科学研究的热点，而且越来越受到重视，并且已经取得了很多成功的实例。如含有总体积 50左右的碳化硅纤维增强金属铝，具有比纯金属铝更小的密度，却有比普通金属铝大几十倍的抗拉强度和极高的硬度，能

16、在 400-500左右基木保持常时的强度。这种材料已在航天工程中大量应用。以陶瓷纤维增强的树脂材料只有合金钢密度的四分之一，却有与合金钢相近的抗弯和抗拉强度及抗热冲击性。 （8）超导陶瓷纤维。陶瓷纤维将来发展方向将更注重于发展具有特殊功能的特种纤维，在末来 10 年在产值中占重要地位的将是用于材料增强的增强纤维。对于耐火的传统纤维，其生产方法也将向着溶胶一凝胶法发展。 6 存在问题 陶瓷纤维已在国内机械、冶金、石油、化工、船舶、建材、电力等部门工业窑炉、加热装置及高管道中获得广泛应用，但尚存小足之处。 （1）陶瓷纤维组件结构单一，制作不规范，组件锚固件无专业厂生产，制作粗糙，尺寸不规范;纤维炉衬用粘结剂、涂料的产品质量低劣。 1）金属锚固件化学组成、高机械性能难以满足陶瓷纤维组件工作条件要求。 2）陶瓷质锚固件的原料化学纯度差，锚固件烧成度低，造成制品高结构强度差。 3）氮