作者：三門峽天寶特種耐火纖維廠
1、前言
陶瓷纖維是一種廣泛應(yīng)用于各類熱工窯爐的絕熱耐高溫材料。由于其容重大大低于其它耐火材料，因而蓄熱很小，隔熱效果明顯，作為爐襯材料可大大降低熱工窯爐的能源損耗，在節(jié)能方面為熱工窯爐帶來了一場革命。另一方面，由于陶瓷纖維的物理特性完全小同于傳統(tǒng)耐火材料，因而它的應(yīng)用技術(shù)和方法對熱工窯爐的砌筑同樣帶來了一場變革。
陶瓷纖維于70年代末在中國開始工業(yè)生產(chǎn)。80年代，陶瓷纖維的應(yīng)用得到了迅速推廣，但主要都在1000℃以下的溫度范圍內(nèi)使用，應(yīng)用技術(shù)簡單落后。進(jìn)入90年代，隨著含鋯纖維的開發(fā)和多晶氧化鋁纖維的應(yīng)用推廣，使用溫度提高到1000℃--1400℃，但由于產(chǎn)品質(zhì)量的缺陷和應(yīng)用技術(shù)的落后，應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用方式都受到了局限，如多晶氧化鋁(或莫來石)纖維不能制成纖維毯，產(chǎn)品規(guī)格單一，以散棉、混合纖維或纖維塊為主，雖然產(chǎn)品的使用溫度有所提高，但強(qiáng)度很差，限制了應(yīng)用范圍，也縮短了使用壽命。日前大多用于原有爐襯內(nèi)貼面，節(jié)能效果未能得到充分體現(xiàn)。含鋯纖維是用熔融法生產(chǎn)的一種用途廣泛、成本較低的硅酸鋁系高檔陶瓷纖維產(chǎn)品(長期使用溫度可達(dá)1350℃)，可大量用作砌筑各種爐窯的熱面或全纖維爐襯，但日前國內(nèi)產(chǎn)品在這方面的質(zhì)量和應(yīng)用開發(fā)還很滯后。含鉻纖維的使用溫度比含鋯纖維的更高，可達(dá)1400℃，也屬于熔融法生產(chǎn)的硅酸鋁系陶瓷纖維，價(jià)格遠(yuǎn)低于多晶纖維，在國外應(yīng)用很廣泛，但國內(nèi)還末見報(bào)道。
2、陶瓷纖維的種類及性能
陶瓷纖維的品種主要有普通硅酸鋁纖維，.高鋁硅酸鋁纖維，含cr2o2,zro2或b2o3的硅酸鋁纖維，多晶氧化鋁纖維和多晶莫來石纖維等。近年來國外已經(jīng)開發(fā)成功或正在開發(fā)一些新的陶瓷纖維品種，如鎂橄欖石纖維、sio2--cao-mgo〕系陶瓷纖維、al2o3-cao系陶瓷纖維和一些特殊的氧化物纖維。
鎂橄欖石纖維是.高溫鍛燒石棉后制得的一種陶瓷纖維。它的化學(xué)組成中mgosio2<1,容重為48—640kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)為0.44—0.70(w/m℃,熔點(diǎn)為1600--1700℃。鎂橄欖石纖維可以作為石棉代用材料在高溫條件下長期使用。
sio2-cao-mgo系陶瓷纖維中的al2o3和其它雜質(zhì)的含量很低，它以硅酸鈣和硅灰石為原料經(jīng)熔融成纖維后制得。這種陶瓷纖維的真空成型制品在1260℃加熱24h后的收縮率小于3.5％，使用安全。
另一種對健康無害的陶瓷纖維是化學(xué)組成中不含sio2的al2o3-cao系纖維，其al2o3和cao含量在90%以上。它是用化工原料al2o3粉和caco3粉經(jīng)高溫熔融后制得的一種陶瓷纖維。這種陶瓷纖維已有氈、毯和真空成型制品。
用熔融法生產(chǎn)的石英纖維是一種性能優(yōu)異的陶瓷纖維，但由于價(jià)格昂貴，一般不用作絕熱材料。在石英纖維上涂上si和a1可一進(jìn)一步提.高其絕熱性能。用過的石英纖維制品還可以再生使用，方法是將廢石英纖維絕熱制品粉碎，與水和粘結(jié)劑混合后成型制成高溫絕熱制品。
高硅氧纖維也是一種性能憂良的陶瓷纖維，它是用普通堿硅酸鹽玻璃纖維經(jīng)酸處理和熱處理后制得的高sio2含量的玻璃纖維，其長期使用溫度在1000℃以上。美國宇航局將它用作航天飛行器的絕熱材料。
用溶膠一凝膠法可以生產(chǎn)al2o3纖維、多晶莫來石纖維和zro2纖維等陶瓷纖維。近年來，采用溶膠一凝膠法還成功開發(fā)一種al2o3-y2o3纖維。在這種纖維中al2o3的含量一般為14.7-54.3％，y2o3的含量為45.7％-85.4％，這種al2o3-y2o3纖維具有耐高溫、高溫強(qiáng)度高、抗高溫蠕變等優(yōu)點(diǎn)，除可以用作高溫絕熱材料外，還可以用作高溫過濾材料和高溫結(jié)構(gòu)材料的增強(qiáng)材料。
3、陶瓷纖維的應(yīng)用
3.1高溫絕熱材料近年來，國外在鋼鐵工業(yè)越來越多地應(yīng)用各種陶瓷纖維制品，其應(yīng)用范圍也在小斷擴(kuò)展。在各種工業(yè)爐應(yīng)用陶瓷纖維爐襯可以節(jié)能20％-40％，還可以使工業(yè)爐的自重降低90％，鋼結(jié)構(gòu)重量降低70％。
在推廣使用陶瓷纖維爐襯的同時(shí)，陶瓷纖維的應(yīng)用技術(shù)也獲得了很大的發(fā)展。據(jù)預(yù)測，如果對陶瓷纖維的制品及其應(yīng)用技術(shù)繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)法使陶瓷纖維爐襯盡量保持陶瓷纖維使用前的性能，可以使應(yīng)用陶瓷纖維爐襯的高溫工業(yè)爐的能耗再降低4％左右。另外，由于多晶氧化鋁纖維和多晶莫來石纖維的應(yīng)用，陶瓷纖維爐襯日前的最高使用溫度已可達(dá)1500-1600℃，如果在陶瓷纖維爐襯上涂上高溫涂料.不但可以擴(kuò)大陶瓷纖維爐襯的應(yīng)用范圍，提高其使用壽命，還可以使陶瓷纖維爐襯的最高使用溫度提高到1800℃。
在高溫工業(yè)爐中，不同材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維爐襯在燃料燃燒產(chǎn)物和高溫的雙重作用下，爐襯的表面會產(chǎn)生不同程度的結(jié)晶和燒結(jié)。在這些材質(zhì)中，使用含鋁陶瓷纖維爐襯的變化最小，使用壽命最長。在爐襯結(jié)構(gòu)方面，以陶瓷纖維毯或模塊爐襯，以及由陶瓷纖維毯和模塊組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)爐襯最好。在陶瓷纖維爐襯表面涂高溫涂料，或者在陶瓷纖維爐襯和各層纖維之間設(shè)置致密層的方法，可以防止高溫氣流進(jìn)入陶瓷纖維爐襯的內(nèi)部，因而，可以改進(jìn)爐襯的絕熱效果，延長爐襯的使用壽命;在陶瓷纖維爐襯的高溫側(cè)貼上硬質(zhì)陶瓷纖維板或模塊也可以起相同的作用。
3.2過濾和催化劑載體材料陶瓷纖維具有強(qiáng)度高、抗熱沖擊性好、耐化學(xué)腐蝕等特特點(diǎn)，是一種理想的高溫過濾材料。近年來已經(jīng)使用陶瓷纖維成功開發(fā)出各種過濾器，例如燭式過濾器、織物過濾器和復(fù)合過濾器，廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電廠、金屬冶煉廠、化工廠的消煙除塵，還可用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣中消除有害物質(zhì)。
3.3填密材料和摩擦材料陶瓷纖維制品具有壓縮回彈性，可以用作高溫填密材料。用硅酸鋁纖維、丁晴橡膠、無機(jī)粘結(jié)劑、云母和非膨脹蛭石可以制得一種無石棉的高溫填密材料。用陶瓷纖維、高鋁水泥、合成橡膠和吸水聚合物還可制得一種在水中具有良好粘接性能的耐水密封材料。陶瓷纖維同玻璃纖維、巖棉一樣可以用來制造無石棉摩擦材料。這類摩擦材料的特點(diǎn)是摩擦系數(shù)穩(wěn)定、耐磨性良好、噪音低。
3.4絕熱涂料陶瓷纖維用作高溫絕熱涂料的網(wǎng)架材料，可以改善涂料的強(qiáng)度、減少收縮率、降低容重、增加絕熱效果。陶瓷纖維與耐熱結(jié)合劑等組成的噴涂涂料，可用專門的噴射設(shè)備進(jìn)行噴涂施工。涂料，可以直接噴涂在工業(yè)爐爐壁上形成爐襯，也可以噴涂在建筑鋼材上形成耐火涂層。與其它爐襯相比，噴涂爐襯具有表面光滑、氣密性好、絕熱效果好、不易剝落、可以用于形狀復(fù)雜的爐壁和施工速度快等特點(diǎn)，是一種較為理想的爐襯結(jié)構(gòu)。
3.5增強(qiáng)材料陶瓷纖維用作耐火材料的增強(qiáng)材料可以改善耐火材料的強(qiáng)度、抗熱沖擊性和絕熱效果，降低耐火材料的重量。
3.6陶瓷纖維在陶瓷窯爐中的應(yīng)用
(1)填充密封材料窯爐的膨脹縫、金屬部件的間隙處、輥道窯兩端頭轉(zhuǎn)動(dòng)部分的孔洞處、吊頂式窯爐的接縫處、窯車及接頭處均可采用陶瓷纖維材料填充或密封。
(2)外層隔熱材料陶瓷窯爐多采用陶瓷散棉或陶瓷纖維氈(板)作保溫隔熱材料，可以減小窯壁厚度、降低窯壁表面溫度;纖維本身有彈性和填充性，可緩解磚壁膨脹熱應(yīng)力，提高窯爐氣密性;纖維熱容小，對快速燒成有幫助。
(3)內(nèi)襯材料根據(jù)使用區(qū)間溫度要求的小同，選擇合適的陶瓷纖維作為內(nèi)襯材料有以下優(yōu)點(diǎn):窯壁厚度減小，重量減輕，加快窯爐尤其是間歇窯的升溫速度，節(jié)約窯爐砌筑材料，降低成本;節(jié)約烘窯時(shí)間，投產(chǎn)快可延長外層砌體的使用壽命。
(4)用于全纖維窯爐中即窯壁和爐襯均采用陶瓷纖維。纖維爐襯的蓄熱量僅為磚砌爐襯的1/10—1/30,重量為其1/10—1/20�？蓽p小爐體重量，降低結(jié)構(gòu)費(fèi)用，還可加快燒成速度。
4、國內(nèi)陶瓷纖維應(yīng)用技術(shù)
(1)陶瓷纖維在1000℃以下工業(yè)窯爐中的應(yīng)用已具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益并成為成熟的應(yīng)用技術(shù)，是一種常規(guī)的節(jié)能措施。以冶金系統(tǒng)為例:耐火、焦化、煉鐵、煉鋼、軋鋼及機(jī)修等各生產(chǎn)環(huán)節(jié)1000℃以下工業(yè)窯爐應(yīng)用陶瓷纖維的已達(dá)63％，新建1000℃以下間歇式爐大多采用節(jié)能型全纖維爐;傳統(tǒng)層鋪式纖維爐襯已被不同結(jié)構(gòu)的組件式纖維爐襯所取代。
(2).高鋁(55%a12o3)纖維制品在火焰爐內(nèi)長期使用溫度一般低于12000℃，在燃油火焰爐內(nèi)使用溫度更低;含鋯纖維制品的批量生產(chǎn)及成功應(yīng)用，解決了1200-1300℃高溫窯爐所需材質(zhì);采用多晶纖維制品、混合纖維制品的造價(jià)低，纖維爐襯結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高。
(3)隨著陶瓷纖維應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，高強(qiáng)度、抗風(fēng)蝕硬質(zhì)纖維壁襯應(yīng)用日益廣泛。硬質(zhì)制品必須采用真空成型工藝生產(chǎn)，同時(shí)對不同制品在生產(chǎn)中加入的結(jié)合劑、集料、添加劑的配比都不相同。
（4)多晶莫來石纖維(72%al2o3)和多晶氧化鋁纖維(80%、95％al2o3)自問世以來，已在冶金、石化、電瓷行業(yè)1300℃以上窯爐中使用陸續(xù)取得成功，但由于多晶纖維生產(chǎn)技術(shù)及工藝限制，日前僅能提供散狀多晶纖維疊條，并由疊條組成尺寸為300mm×300mm×30-50mm的纖維貼面組件。組件容重為100kg/m3，纖維疊條組件通過粘結(jié)劑粘貼于耐火磚壁。此外，用高鋁纖維按一定比例與多晶氧化鋁纖維(或多晶莫來石纖維)混合采用真空成型工藝生產(chǎn)混配纖維制品，可用作1250℃－1300℃高溫窯爐壁襯。
(5)陶瓷纖維應(yīng)用配套件是推進(jìn)陶瓷纖維應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的主要條件。對于大型窯爐纖維壁襯，已由不同結(jié)構(gòu)的纖維組件爐襯取代了傳統(tǒng)的層鋪式纖維爐襯，這一發(fā)展趨勢促進(jìn)了陶瓷纖維應(yīng)用配套件的發(fā)展，并出現(xiàn)了一些專業(yè)生產(chǎn)陶瓷纖維應(yīng)用配套技術(shù)。
(6)陶瓷纖維噴涂技術(shù)及噴涂爐襯是80年代末90年代初開發(fā)的陶瓷纖維應(yīng)用新技術(shù)。日前北京、河南三門峽、上海、鞍山等地均引進(jìn)了國外陶瓷纖維噴涂設(shè)備，并在石化、冶金系統(tǒng)工業(yè)窯爐的運(yùn)用，取得了成功。
5、國外發(fā)展趨勢
(1)新的溶膠一凝膠原料的開發(fā)。新的溶膠一凝膠原料的開發(fā)主要是朝著有利于環(huán)境保護(hù)、降低成木和提.高纖維先驅(qū)體的可加工性能方向發(fā)展。
(2)新的凝膠、纖維先驅(qū)體及纖維的制備工藝。許多研究者為了制備相同化學(xué)成分的纖維，研究了原料的不同混合方法、加入順序及反應(yīng)環(huán)境。還研究了纖維先驅(qū)體的不同控制或仿制工藝、烘干、鍛燒制度對纖維性能及制備成本的影響，以希望找出最佳途徑。
(3)具有新的化學(xué)成分的陶瓷纖維的制備及性能的測試比較。
(4)有關(guān)晶須生長方法和新品種晶須的合成與性能研究。
(5)復(fù)合纖維的研究。研究者們試圖制備一種纖維同時(shí)具有幾種纖維的優(yōu)越性能，并使一種纖維內(nèi)含有幾種成分，如以金屬鎢纖維或碳纖維為核心，通過氣相沉積法可以制備出強(qiáng)度極高的鎢-碳化硅或碳-碳化硅復(fù)合纖維。
(6)陶瓷纖維表面改性。利用化學(xué)氣相沉積法或與離子鍍相類似的方法將已制成的纖維表面再包裹一層相同或不同成分的化學(xué)物質(zhì)，可以極大地改變纖維的表面性能。
(7)陶瓷纖維在復(fù)合材料中的應(yīng)用研究。陶瓷纖維在復(fù)合材料中的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)60年代，該項(xiàng)研究一直是材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)，而且越來越受到重視，并且已經(jīng)取得了很多成功的實(shí)例。如含有總體積50％左右的碳化硅纖維增強(qiáng)金屬鋁，具有比純金屬鋁更小的密度，卻有比普通金屬鋁大幾十倍的抗拉強(qiáng)度和極高的硬度，能在400-500℃左右基木保持常溫時(shí)的強(qiáng)度。這種材料已在航天工程中大量應(yīng)用。以陶瓷纖維增強(qiáng)的樹脂材料只有合金鋼密度的四分之一，卻有與合金鋼相近的抗彎和抗拉強(qiáng)度及抗熱沖擊性。
(8)超導(dǎo)陶瓷纖維。陶瓷纖維將來發(fā)展方向?qū)⒏⒅赜诎l(fā)展具有特殊功能的特種纖維，在末來10年在產(chǎn)值中占重要地位的將是用于材料增強(qiáng)的增強(qiáng)纖維。對于耐火的傳統(tǒng)纖維，其生產(chǎn)方法也將向著溶膠一凝膠法發(fā)展。
6、存在問題
陶瓷纖維已在國內(nèi)機(jī)械、冶金、石油、化工、船舶、建材、電力等部門工業(yè)窯爐、加熱裝置及高溫管道中獲得廣泛應(yīng)用，但尚存小足之處。
(1)陶瓷纖維組件結(jié)構(gòu)單一，制作不規(guī)范，組件錨固件無專業(yè)廠生產(chǎn)，制作粗糙，尺寸不規(guī)范;纖維爐襯用粘結(jié)劑、涂料的產(chǎn)品質(zhì)量低劣。
1)金屬錨固件化學(xué)組成、高溫機(jī)械性能難以滿足陶瓷纖維組件工作條件要求。
2)陶瓷質(zhì)錨固件的原料化學(xué)純度差，錨固件燒成溫度低，造成制品高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差。
3)氮化硅質(zhì)錨固件在國內(nèi)尚屬試制階段，無產(chǎn)品供應(yīng)。
4)貼面劑(粘結(jié)劑)及纖維襯表面用防腐蝕涂料只有少數(shù)專業(yè)廠生產(chǎn)，且品種單一(如僅有磷酸氫二鋁質(zhì)粘結(jié)劑)，質(zhì)量小穩(wěn)定，儲存期短。
(2)不按纖維爐襯技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性選定爐襯材質(zhì)，造成纖維爐襯造價(jià)高，使用壽命短。陶瓷纖維應(yīng)用技術(shù)水平直接關(guān)系其使用效果，即使纖維制品質(zhì)量稍有不足，也可通過應(yīng)用技術(shù)和方法獲得理想的應(yīng)用效果。為此，必須使我國陶瓷纖維應(yīng)用技術(shù)與陶瓷纖維生產(chǎn)技術(shù)同步發(fā)展，方能開拓陶瓷纖維生產(chǎn)、應(yīng)用的新局面。
7、發(fā)展建議
(1)發(fā)展不同結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維組件生產(chǎn)，陶瓷纖維廠應(yīng)與工業(yè)窯爐設(shè)計(jì)部門、陶瓷纖維使用單位結(jié)合，開發(fā)生產(chǎn)適合不同類型、不同溫度范圍及不同使用條件的陶瓷纖維組件。在組件結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及尺寸上應(yīng)逐步定型化、系列化。
(2)制定陶瓷纖維應(yīng)用配套件、輔廿材料等產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和使用規(guī)范，并由專業(yè)應(yīng)用配套件、輔助材料定點(diǎn)廠生產(chǎn)金屬、陶瓷、氮化硅質(zhì)等錨固件;粘結(jié)劑、涂料等輔助材料的生產(chǎn)系列化、規(guī)范化，以滿足不同使用條件、不同結(jié)構(gòu)窯爐的需要。
(3)實(shí)施陶瓷纖維國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并及時(shí)制定新開發(fā)產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)性能指標(biāo)、測定方法和測定條件應(yīng)與國際標(biāo)準(zhǔn)一致。
(4)目前已從國外引進(jìn)不同類型陶瓷纖維噴涂設(shè)備，并在石化、冶金系統(tǒng)工業(yè)窯爐中取得成功應(yīng)用的實(shí)例。希望通過該項(xiàng)技術(shù)解決長久以來一直困擾著人們的多晶纖維、混配纖維在1300℃以上.高溫窯爐的應(yīng)用方法、應(yīng)用壽命及應(yīng)用效果等問題。 |
