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                  陶瓷纖維發展的現狀與趨勢
                 
                陶瓷纖維發展的現狀與趨勢
                  
                添加:2006/3/23   作者: 未知   來源: 未知   錄入:管理員 人氣:5124

                 李湘洲(長春理工大學西校區長春130022)

                    1前言

                    陶瓷纖維是一種廣泛應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耐火材料,因而它的應用技術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生產。80年代,陶瓷纖維的應用得到了迅速推廣,但主要都在1000℃以下的溫度范圍內使用,應用技術簡單落后。進入90年代,隨著含鋯纖維的開發和多晶氧化鋁纖維的應用推廣,使用溫度提高到1000℃-- 1400℃,但由于產品質量的缺陷和應用技術的落后,應用領域和應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,產品規格單一,以散棉、混合纖維或纖維塊為主,雖然產品的使用溫度有所提高,但強度很差,限制了應用范圍,也縮短了使用壽命。日前大多用于原有爐襯內貼面,節能效果未能得到充分體現。含鋯纖維是用熔融法生產的一種用途廣泛、成本較低的硅酸鋁系高檔陶瓷纖維產品(長期使用溫度可達1350℃),可大量用作砌筑各種爐窯的熱面或全纖維爐襯,但日前國內產品在這方面的質量和應用開發還很滯后。含鉻纖維的使用溫度比含鋯纖維的更高,可達1400℃,也屬于熔融法生產的硅酸鋁系陶瓷纖維,價格遠低于多晶纖維,在國外應用很廣泛,但國內還末見報道。

                    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。近年來國外已經開發成功或正在開發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。它的化學組成中MgO SiO2<1,容重為48—640kg/m3,導熱系數為0.44—0.70(W/m℃,熔點為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和其它雜質的含量很低,它以硅酸鈣和硅灰石為原料經熔融成纖維后制得。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。

                    用熔融法生產的石英纖維是一種性能優異的陶瓷纖維,但由于價格昂貴,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Al2O3纖維、多晶莫來石纖維和Z rO2纖維等陶瓷纖維。近年來,采用溶膠一凝膠法還成功開發一種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、高溫強度高、抗高溫蠕變等優點,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構材料的增強材料。

                    3陶瓷纖維的應用

                    3. 1高溫絕熱材料

                    近年來,國外在鋼鐵工業越來越多地應用各種陶瓷纖維制品,其應用范圍也在小斷擴展。在各種工業爐應用陶瓷纖維爐襯可以節能20%- 40%,還可以使工業爐的自重降低9 0%,鋼結構重量降低70%。

                    在推廣使用陶瓷纖維爐襯的同時,陶瓷纖維的應用技術也獲得了很大的發展。據預測,如果對陶瓷纖維的制品及其應用技術繼續進行改進,設法使陶瓷纖維爐襯盡量保持陶瓷纖維使用前的性能,可以使應用陶瓷纖維爐襯的高溫工業爐的能耗再降低4%左右。另外,由于多晶氧化鋁纖維和多晶莫來石纖維的應用,陶瓷纖維爐襯日前的最高使用溫度已可達1500- 1600℃,如果在陶瓷纖維爐襯上涂上高溫涂料.不但可以擴大陶瓷纖維爐襯的應用范圍,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℃。

                    在高溫工業爐中,不同材質和結構的陶瓷纖維爐襯在

                    燃料燃燒產物和高溫的雙重作用下,爐襯的表面會產生不同程度的結晶和燒結。在這些材質中,使用含鋁陶瓷纖維爐襯的變化最小,使用壽命最長。在爐襯結構方面,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合結構爐襯最好。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置致密層的方法,可以防止高溫氣流進入陶瓷纖維爐襯的內部,因而,可以改進爐襯的絕熱效果,延長爐襯的使用壽命;在陶瓷纖維爐襯的高溫側貼上硬質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

                    陶瓷纖維具有強度高、抗熱沖擊性好、耐化學腐蝕等特特點,是一種理想的高溫過濾材料。近年來已經使用陶瓷纖維成功開發出各種過濾器,例如燭式過濾器、織物過濾器和復合過濾器,廣泛應用于火力發電廠、金屬冶煉廠、化工廠的消煙除塵,還可用于柴油發動機廢氣中消除有害物質。

                    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、無機粘結劑、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是摩擦系數穩定、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架材料,可以改善涂料的強度、減少收縮率、降低容重、增加絕熱效果。陶瓷纖維與耐熱結合劑等組成的噴涂涂料,可用專門的噴射設備進行噴涂施工。涂料,可以直接噴涂在工業爐爐壁上形成爐襯,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、可以用于形狀復雜的爐壁和施工速度快等特點,是一種較為理想的爐襯結構。

                    3. 5增強材料

                    陶瓷纖維用作耐火材料的增強材料可以改善耐火材料的強度、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、輥道窯兩端頭轉動部分的孔洞處、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力,提高窯爐氣密性;纖維熱容小,對快速燒成有幫助。

                    (3)內襯材料

                    根據使用區間溫度要求的小同,選擇合適的陶瓷纖維作為內襯材料有以下優點: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,節約窯爐砌筑材料,降低成本;節約烘窯時間,投產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,降低結構費用,還可加快燒成速度。

                    4國內陶瓷纖維應用技術

                    (1)陶瓷纖維在1000℃以下工業窯爐中的應用已具有顯著的經濟效益并成為成熟的應用技術,是一種常規的節能措施。以冶金系統為例:耐火、焦化、煉鐵、煉鋼、軋鋼及機修等各生產環節1000℃以下工業窯爐應用陶瓷纖維的已達63%,新建1000℃以下間歇式爐大多采用節能型全纖維爐;傳統層鋪式纖維爐襯已被不同結構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長期使用溫度一般低于12000℃,在燃油火焰爐內使用溫度更低;含鋯纖維制品的批量生產及成功應用,解決了1 200- 1 300℃高溫窯爐所需材質;采用多晶纖維制品、混合纖維制品的造價低,纖維爐襯結構強度高。

                    (3)隨著陶瓷纖維應用范圍的擴大,高強度、抗風蝕硬質纖維壁襯應用日益廣泛。硬質制品必須采用真空成型工藝生產,同時對不同制品在生產中加入的結合劑、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1300℃以上窯爐中使用陸續取得成功,但由于多晶纖維生產技術及工藝限制,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混配纖維制品,可用作1250℃-1300℃高溫窯爐壁襯。

                    (5)陶瓷纖維應用配套件是推進陶瓷纖維應用技術發展的主要條件。對于大型窯爐纖維壁襯,已由不同結構的纖維組件爐襯取代了傳統的層鋪式纖維爐襯,這一發展趨勢促進了陶瓷纖維應用配套件的發展,并出現了一些專業生產陶瓷纖維應用配套技術。

                    (6)陶瓷纖維噴涂技術及噴涂爐襯是80年代末90年代初開發的陶瓷纖維應用新技術。日前北京、河南三門峽、上海、鞍山等地均引進了國外陶瓷纖維噴涂設備,并在石化、冶金系統工業窯爐的運用,取得了成功。

                    5國外發展趨勢

                    (1)新的溶膠一凝膠原料的開發。新的溶膠一凝膠原料的開發主要是朝著有利于環境保護、降低成木和提.高纖維先驅體的可加工性能方向發展。

                    (2)新的凝膠、纖維先驅體及纖維的制備工藝。許多研究者為了制備相同化學成分的纖維,研究了原料的不同混合方法、加入順序及反應環境。還研究了纖維先驅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)具有新的化學成分的陶瓷纖維的制備及性能的測試比較。

                    (4)有關晶須生長方法和新品種晶須的合成與性能研究。

                    (5)復合纖維的研究。研究者們試圖制備一種纖維同時具有幾種纖維的優越性能,并使一種纖維內含有幾種成分,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度極高的鎢-碳化硅或碳-碳化硅復合纖維。

                    (6)陶瓷纖維表面改性。利用化學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物質,可以極大地改變纖維的表面性能。

                    (7)陶瓷纖維在復合材料中的應用研究。陶瓷纖維在復合材料中的應用研究始于20世紀60年代,該項研究一直是材料科學研究的熱點,而且越來越受到重視,并且已經取得了很多成功的實例。如含有總體積50%左右的碳化硅纖維增強金屬鋁,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度和極高的硬度,能在400-500℃左右基木保持常溫時的強度。這種材料已在航天工程中大量應用。以陶瓷纖維增強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度及抗熱沖擊性。

                    (8)超導陶瓷纖維。陶瓷纖維將來發展方向將更注重于發展具有特殊功能的特種纖維,在末來10年在產值中占重要地位的將是用于材料增強的增強纖維。對于耐火的傳統纖維,其生產方法也將向著溶膠一凝膠法發展。

                    6存在問題

                    陶瓷纖維已在國內機械、冶金、石油、化工、船舶、建材、電力等部門工業窯爐、加熱裝置及高溫管道中獲得廣泛應用,但尚存小足之處。

                    (1)陶瓷纖維組件結構單一,制作不規范,組件錨固件無專業廠生產,制作粗糙,尺寸不規范;纖維爐襯用粘結劑、涂料的產品質量低劣。

                    1)金屬錨固件化學組成、高溫機械性能難以滿足陶瓷纖維組件工作條件要求。

                    2)陶瓷質錨固件的原料化學純度差,錨固件燒成溫度低,造成制品高溫結構強度差。

                    3)氮化硅質錨固件在國內尚屬試制階段,無產品供應。

                    4)貼面劑(粘結劑)及纖維襯表面用防腐蝕涂料只有少數專業廠生產,且品種單一(如僅有磷酸氫二鋁質粘結劑),質量小穩定,儲存期短。

                    (2)不按纖維爐襯技術及經濟性選定爐襯材質,造成纖維爐襯造價高,使用壽命短。

                    陶瓷纖維應用技術水平直接關系其使用效果,即使纖維制品質量稍有不足,也可通過應用技術和方法獲得理想的應用效果。為此,必須使我國陶瓷纖維應用技術與陶瓷纖維生產技術同步發展,方能開拓陶瓷纖維生產、應用的新局面。

                    7發展建議

                    (1)發展不同結構的陶瓷纖維組件生產,陶瓷纖維廠應與工業窯爐設計部門、陶瓷纖維使用單位結合,開發生產適合不同類型、不同溫度范圍及不同使用條件的陶瓷纖維組件。在組件結構、材質及尺寸上應逐步定型化、系列化。

                    (2)制定陶瓷纖維應用配套件、輔廿材料等產品的技術標準和使用規范,并由專業應用配套件、輔助材料定點廠生產金屬、陶瓷、氮化硅質等錨固件;粘結劑、涂料等輔助材料的生產系列化、規范化,以滿足不同使用條件、不同結構窯爐的需要。

                    (3)實施陶瓷纖維國家技術標準,并及時制定新開發產品的技術標準,產品標準的技術性能指標、測定方法和測定條件應與國際標準一致。

                    (4)目前已從國外引進不同類型陶瓷纖維噴涂設備,并在石化、冶金系統工業窯爐中取得成功應用的實例。希望通過該項技術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.高溫窯爐的應用方法、應用壽命及應用效果等問題。
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