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硅酸铝陶瓷纤维简介
硅酸铝陶瓷纤维简介

作者:三门峡天宝特种耐火纤维厂

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℃以下的温度范围内使用,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,使用温度提高到1000℃--1400℃,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。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(长期使用温度可达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。含铬纤维的使用温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。
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.高温锻烧石棉后制得的一种陶瓷纤维。它的化学组成中mgosio2<1,容重为48—640kg/m3,导热系数为0.44—0.70(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温条件下长期使用。

sio2-cao-mgo系陶瓷纤维中的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,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sio2含量的玻璃纤维,其长期使用温度在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纤维具有耐高温、高温强度高、抗高温蠕变等优点,除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

3.1高温绝热材料近年来,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,陶瓷纤维炉衬日前的最高使用温度已可达1500-1600℃,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1800℃。

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。

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,可以用作高温填密材料。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。

3.4绝热涂料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1/10—1/30,重量为其1/10—1/20。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(55%a12o3)纤维制品在火焰炉内长期使用温度一般低于12000℃,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1200-1300℃高温窑炉所需材质;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(72%al2o3)和多晶氧化铝纤维(80%、95%al2o3)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300mm×300mm×30-50mm的纤维贴面组件。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1250℃-1300℃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,能在400-500℃左右基木保持常温时的强度。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、加热装置及高温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、高温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,锚固件烧成温度低,造成制品高温结构强度差。

3)氮化硅质锚固件在国内尚属试制阶段,无产品供应。

4)贴面剂(粘结剂)及纤维衬表面用防腐蚀涂料只有少数专业厂生产,且品种单一(如仅有磷酸氢二铝质粘结剂),质量小稳定,储存期短。

(2)不按纤维炉衬技术及经济性选定炉衬材质,造成纤维炉衬造价高,使用寿命短。陶瓷纤维应用技术水平直接关系其使用效果,即使纤维制品质量稍有不足,也可通过应用技术和方法获得理想的应用效果。为此,必须使我国陶瓷纤维应用技术与陶瓷纤维生产技术同步发展,方能开拓陶瓷纤维生产、应用的新局面。

7、发展建议

(1)发展不同结构的陶瓷纤维组件生产,陶瓷纤维厂应与工业窑炉设计部门、陶瓷纤维使用单位结合,开发生产适合不同类型、不同温度范围及不同使用条件的陶瓷纤维组件。在组件结构、材质及尺寸上应逐步定型化、系列化。

(2)制定陶瓷纤维应用配套件、辅廿材料等产品的技术标准和使用规范,并由专业应用配套件、辅助材料定点厂生产金属、陶瓷、氮化硅质等锚固件;粘结剂、涂料等辅助材料的生产系列化、规范化,以满足不同使用条件、不同结构窑炉的需要。

(3)实施陶瓷纤维国家技术标准,并及时制定新开发产品的技术标准,产品标准的技术性能指标、测定方法和测定条件应与国际标准一致。

(4)目前已从国外引进不同类型陶瓷纤维喷涂设备,并在石化、冶金系统工业窑炉中取得成功应用的实例。希望通过该项技术解决长久以来一直困扰着人们的多晶纤维、混配纤维在1300℃以上.高温窑炉的应用方法、应用寿命及应用效果等问题。

发布:admin 时间:[2011/4/7]
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     三门峡市天宝特种耐火纤维有限公司 (原三门峡市节能产品厂)主要生产经营:耐火纤维、耐火材料、绝热材料、耐火纤维毯、陶瓷纤维毯、保温涂料、硅酸铝异型制品、耐火纤维毡、耐火纤维板、耐火纤维棉、高温粘结剂、耐火涂料、硅酸铝纤维纸、硅酸铝纤维毯、岩棉制品、耐火纤维针刺毯、硅酸铝纤维板、普通、标准、高纯、高铝、含锆硅酸铝耐火纤维、多晶莫来石耐火纤维及多晶氧化铝纤维制成的毯、毡、纸、硬板、异型件、折叠模块 、炉料等产品。

 
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