多晶莫来石耐火纤维在钟罩窑上的应用
- 最后修订： 2009-12-25
多晶莫来石耐火纤维在钟罩窑上的应用
摘要：本文概述了国内外多晶莫来石纤维的发展情况，重点论述了多晶莫来石纤维的形成机理和特性，指示了它在钟罩窑上应用获得成功，对其节能效果进行了详细的分析，并就纤维的结构和安装提出了改进意见，最后，预示了多晶莫来石纤维的发展前景。
1、引言
高温窑炉砌筑材料的选择，是影响窑炉热效率的重要因素之一。为了提高窑炉的热效率，目前国际上有从致密重质型向轻质或轻重相结合型发展趋势。其中采用超轻质陶瓷纤维作窑炉内衬，已从实验走上实用阶段。工业窑炉特别是间歇窑上采用陶瓷纤维也是工业窑炉在技术上的一项重大改革。
2、多晶莫来石纤维发展概况
陶瓷纤维以其良好的隔热性能和易于施工的优点，被誉为节能的新型材料，也是国家作为重点推广的新技术、新材料之一。由于其材料本身的特性，大大地降低了能耗而引起人们的重视。在普通硅酸铝纤维、高纯硅酸铝纤维、高铝纤维和高纯含铬硅酸铝纤维相继出现之后，70年代初期，国外又试制成功晶体纤维（多晶氧化铝纤维和多晶莫来石纤维等），目前，浙江欧诗漫晶体纤维 有限公司已成功开发高性能HPMF多晶氧化铝纤维。多晶莫来石纤维（简称PMF）是由莫来石(MeIIite)微晶体构成的高温耐火纤维，它集晶体材料和纤维材料于一体，具有较高的热稳定性和纤维材料于一体，具有较高的热稳定性和弹性，可耐1500高温，是一种新型超轻质的隔热材料。纤维制品容重是耐火砖的1/25，导热率是耐火砖的1/6，化学性能稳定，做高温窑炉和热工设备的砌体可节能5-40%。
晶体陶瓷纤维研制发展是在70年代初期，由于化学、陶瓷、冶金工业及航天工业的技术发展要求能在更高温度下使用纤维材料。最早研制并建成规模工厂的是英国I.C.I公司，生产牌号“Saffil”氧化铝纤维，A1Ot和SiO，含量分别为95%和5%，主要晶相为刚玉相，1980年产量达500吨。在这以后，美国、日本、苏联等工业发达国家也相继研制并建成具有一定规模的工厂。如英、美联合举办世界上最大的耐火纤维公司之一的金刚砂公司（也译为碳化硅公司），推出牌号为“Fiber-Max”多晶莫来石纤维，它含A120372%、Sio227%，使用温度达1600-1700oC，并相应研制开发出多晶纤维和非晶态纤维制成混合制品，已成功地用在钢铁、化工等1500oC左右的陶瓷窑炉上。这种晶体纤维生产难度大，目前世界上只有美、英、苏、日4国能生产，年产量达1400吨。
1986年9月28日，浙江欧诗漫晶体纤维有限公司的“年产10吨多晶莫来石纤维中试”项目，通过了浙江省科委技术鉴定，1990年12月28日在浙江杭州通过了冶金部多晶莫来石纤维应用技术、研究技术鉴定，成为我国唯一生产多晶莫来石纤维的 公司。该产品主要技术指标（包括纤维直径、容量、高温收缩率），经浙江大学现场测试，相当于美国金刚砂公司生产的“Fibermax”多晶莫来石纤维指标，已达到80年代初期国际先进水平。
3、多晶莫来石纤维主要特性
多晶莫来石纤维和普通硅酸铝纤维、氧化铝纤维同属A1203-Sio2系耐火纤维，这些纤维在980oC以上就会产生石英、莫来石、刚玉三种晶体。由不同晶体构成的纤维具有不同的使用温度特性，见表1。
在高温条件下，因方石英发生体积变化所产生巨大应力，足以使纤维结构碎裂粉化，这是造成硅酸铝纤维不能承受1000oC以上高温的主要原因。由莫来石和刚玉两种晶体构成的多晶纤维，有效地避免职上友谊赛缺陷，把使用温度极限提高到1450-1500oC。
表1 各 种 晶 体 纤 维 的 高 温 特 性
1、引言
高温窑炉砌筑材料的选择，是影响窑炉热效率的重要因素之一。为了提高窑炉的热效率，目前国际上有从致密重质型向轻质或轻重相结合型发展趋势。其中采用超轻质陶瓷纤维作窑炉内衬，已从实验走上实用阶段。工业窑炉特别是间歇窑上采用陶瓷纤维也是工业窑炉在技术上的一项重大改革。
2、多晶莫来石纤维发展概况
陶瓷纤维以其良好的隔热性能和易于施工的优点，被誉为节能的新型材料，也是国家作为重点推广的新技术、新材料之一。由于其材料本身的特性，大大地降低了能耗而引起人们的重视。在普通硅酸铝纤维、高纯硅酸铝纤维、高铝纤维和高纯含铬硅酸铝纤维相继出现之后，70年代初期，国外又试制成功晶体纤维（多晶氧化铝纤维和多晶莫来石纤维等），目前，浙江欧诗漫晶体纤维 有限公司已成功开发高性能HPMF多晶氧化铝纤维。多晶莫来石纤维（简称PMF）是由莫来石(MeIIite)微晶体构成的高温耐火纤维，它集晶体材料和纤维材料于一体，具有较高的热稳定性和纤维材料于一体，具有较高的热稳定性和弹性，可耐1500高温，是一种新型超轻质的隔热材料。纤维制品容重是耐火砖的1/25，导热率是耐火砖的1/6，化学性能稳定，做高温窑炉和热工设备的砌体可节能5-40%。
晶体陶瓷纤维研制发展是在70年代初期，由于化学、陶瓷、冶金工业及航天工业的技术发展要求能在更高温度下使用纤维材料。最早研制并建成规模工厂的是英国I.C.I公司，生产牌号“Saffil”氧化铝纤维，A1Ot和SiO，含量分别为95%和5%，主要晶相为刚玉相，1980年产量达500吨。在这以后，美国、日本、苏联等工业发达国家也相继研制并建成具有一定规模的工厂。如英、美联合举办世界上最大的耐火纤维公司之一的金刚砂公司（也译为碳化硅公司），推出牌号为“Fiber-Max”多晶莫来石纤维，它含A120372%、Sio227%，使用温度达1600-1700oC，并相应研制开发出多晶纤维和非晶态纤维制成混合制品，已成功地用在钢铁、化工等1500oC左右的陶瓷窑炉上。这种晶体纤维生产难度大，目前世界上只有美、英、苏、日4国能生产，年产量达1400吨。
1986年9月28日，浙江欧诗漫晶体纤维有限公司的“年产10吨多晶莫来石纤维中试”项目，通过了浙江省科委技术鉴定，1990年12月28日在浙江杭州通过了冶金部多晶莫来石纤维应用技术、研究技术鉴定，成为我国唯一生产多晶莫来石纤维的 公司。该产品主要技术指标（包括纤维直径、容量、高温收缩率），经浙江大学现场测试，相当于美国金刚砂公司生产的“Fibermax”多晶莫来石纤维指标，已达到80年代初期国际先进水平。
3、多晶莫来石纤维主要特性
多晶莫来石纤维和普通硅酸铝纤维、氧化铝纤维同属A1203-Sio2系耐火纤维，这些纤维在980oC以上就会产生石英、莫来石、刚玉三种晶体。由不同晶体构成的纤维具有不同的使用温度特性，见表1。
在高温条件下，因方石英发生体积变化所产生巨大应力，足以使纤维结构碎裂粉化，这是造成硅酸铝纤维不能承受1000oC以上高温的主要原因。由莫来石和刚玉两种晶体构成的多晶纤维，有效地避免职上友谊赛缺陷，把使用温度极限提高到1450-1500oC。
表1 各 种 晶 体 纤 维 的 高 温 特 性
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晶体的种类
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高温下晶体相体积变化
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组成
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纤维种类
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Al2O3(%)
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使用温度（oC）
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石 英
（SiO2） |
α石英 →α方石英
+15.4%（1020oC） |
→
↗
→
↘
→
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硅酸铝纤维
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45-60
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<1100
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莫来石
（3Al2O3· 2SiO2） |
单一莫来石相
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莫来石纤维
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72-75
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-1500
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刚玉
（α- Al2O3） |
同质异构演变
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氧化铝纤维
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80-95
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-1400
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综合评价纤维的高温性能优劣的简易方法，是测定其制品高温加热帐缩率与加热时间之关系，收缩率变化小为优。莫来石纤维的加热收缩率与加热时间的关系，见图1。
多晶莫来石纤维和硅酸铝纤维不同之处是：多晶莫来石纤维有效地解决了硅酸铝纤维无法解决的有寄存器矿相方石英的存在，从而使该纤维的使用温度提高近500oC。多晶莫来石纤维与硅酸铝纤维的区别，见表2。
表2 多 晶 莫 来 石 纤 维 与 硅 酸 铝 纤 维 的 对 比
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名称
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制造方法
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矿相组成
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纯度（Al2O3+SiO2）%
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损坏温度（）
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使用温度（）
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硅酸铝纤维
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高温熔融法（熔体）
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玻璃态莫来石、方石英
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<98
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1050-1100方石英析出
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<1000
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多晶莫来石纤维
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化学胶体法（胶体）
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晶体态莫来石
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>99.5
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>1600晶粒长大
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<1500
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浙江欧诗漫晶体纤维有限公司生产的多晶莫来石纤维有两个系列：PMF-100系列和PMF-300系列。前者是用多晶莫来石纤维棉毯，经裁切压缩，包扎成块状，内不含任何粘结剂。后者是用多晶莫来石纤维棉加入特殊的粘合材料，用真空成型方法制成有弹性的毡、垫、环等或硬质板、筒、块、盒等形状。见表3。
表3 PMF 两 个 系 列 性 能 的 对 比
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项 目
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类
别 |
PMF-100两个系列
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PMF-300系列
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特 性
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抗热震
重量轻 低蓄热 低导热率 吸音性好 |
重量轻
有强度 低蓄热 抗热震 低导热率 易机械加工 |
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性 能
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组成：Al 2 O 3 72-75%.SiO2 25-28%
晶相：单一莫来石相 熔点：1840oC 使用温度：电炉<1500oC.火焰炉<1400oC 导热率（W/m.K）：0.226（1000oC） . 0.264（1200oC） . 0.336（1300oC） . 0.384（1400oC） 重烧线收缩率：1500×6h<1.0% 容重：100kg/m 尺寸（长×宽×厚）：200mm×100mm×(30-50)mm |
使用温度：1450oC
容重：200-380kg/m 重绕收缩率：1500×1h-0.22(1250oC) . 0.25（1350oC） 尺寸：<?300mm或<300mm |
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适 用
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作各种高温窑炉的热内衬粘贴。如钢铁、化工、机械等加热炉，均热炉、锻造炉、热处理炉；陶瓷、建材、电子等烧结窑、烧成窑
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高温电阻炉、感就炉、钢水包、玻璃熔窑、窑车、高温辐射管、高温器皿、烧嘴、锅炉等。军工、科研、航空、核瓜堆等特殊的高温部位。
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4、多晶莫来石纤维在钟罩窑上应用
我公司BTK-05型微控钟罩窑（以下简称钟罩窑）是采用纤维结构，内衬为多晶莫石纤维PMF-300系列，厚度为50毫米，外衬硅酸铝纤维CF-300系列，厚度为130毫米，窑墙、窑顶厚度都为180毫米，炉膛尺寸为1700毫米×600毫米×440毫米，容积约0.5米3。两种纤维之间用高温胶粘贴，陶瓷钉横穿窑墙或窑顶，其中一头用垫圈卡子与外壳卡死，使窑墙或窑顶形成一个牢固的整体，见图2。内层要喷耐火涂料，同时，为防止涂层开裂，烘窑应按烘窑曲线缓慢地进行。
该窑主要用于SrTiO料子预烧及电子陶瓷等烧成，自1990年7月投产以来，工艺温度曲线重复性好，窑车液压升降平稳，炉温稳定度高，产品选题好，操作简便，劳动强度低，节能显著，于1991年1月29日通过了机电部部级鉴定。鉴定意见：该窑达到了80年代初期国外同类窑炉水平，填补了国内空白。
一年来，钟罩窑同衬的PMF粘结牢固，至今没有脱落，仍保持弹性，只是内壁涂层出现细裂纹，这是纤维在高温下产生收缩所致。烧了一段时间以后，待纤维收缩缝稳定下来，可用新纤维将裂缝修补好。
5、 节能效果分析
将钟罩窑同我公司12米电热隧道窑、日本CK-1-5型钟罩窑相比较，可以得出其节能效果。
我公司12米电热隧道窑的额定功率为50千瓦，炉膛尺寸为：12000毫米×202毫米×260毫米，现以预烧SrTiO3为例。隧道窑共容纳34部窑车，每车装料3.2公斤，全窑共装料子3.2×34=108.8公斤，每小时进一车，预烧一窑料子共需34小时，预烧温度为1360，平均每窑耗电1190千瓦小时，求得其耗为10.93千瓦小时/公斤合格料子。
用钟罩窑预烧SrTiO料子，每窑装40钵，每钵装2.5公斤，全窑装料100公斤，升温及保温时间为9小时，烧成周期为24小时左右，以半年来预烧SrTiO3料子求得每窑平均耗电207千瓦小时，其单耗为20.7千瓦小时/公斤合格料子。现将以上结果列于表4。
表4 同 12 米 电 热 隧 道 窑 预 烧 情 况 的 对 比
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项 目
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窑型
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PMF-100两个系列
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PMF-300系列
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产品名称
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SrTiO
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SrTiO3
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每窑装载量(kg)
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108.8
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100
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合格率%
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100
|
100
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烧成周期 h
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34
|
24
|
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耗电 kw.h
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1190
|
207
|
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单耗kw.h/kg合格料子
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10.93
|
2.07
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钟罩窑节能效率为：(10.93-2.07)/1.093*100%=81%
钟罩窑每烧1窑节电为1190-207=983千瓦小时，每月烧10窑，全年以烧120窑计算，全年节电约为11.8万度，折合金额达2万多元。
同日本CK-1-5型钟罩窑的对比，见表5。
由表5可以看出，我公司钟罩同日本CK-1-5型钟罩窑在预烧瓷料温度相近时要节电，其节电效率为：(1.63-1.20)/1.63*100%=26.4%
表5 同 日 本 CK-1-5 型 钟 罩 窑 的 对 比
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项 目
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窑型
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CK-1-5
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钟罩窑
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预烧料子名称
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锆钛酸铅瓷料
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2B 4 -1700瓷料
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预烧温度
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800
|
1000
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装料重量 kg
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94.7
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100
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耗电量 kw.h
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154.95
|
120
|
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合格率 %
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100
|
100
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单耗 KW.h/kg合格料子
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1.63
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1.20
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6、改进意见
（1）改进窑体结构，如调整高低温纤维容重大小和安装厚度，使它们的隔热保温性能得到最大限度的发挥。安装时，纤维条块之间要压紧一些，尽量避免它们之间接合处因纤维受热收缩出现裂缝。在炉体四角设置预制块，以消除拐角结合面的裂缝。
（2）将多晶莫来石纤维加入适量添加剂，并采用真空成型工艺制成毡、板、硬板及各种异型制品或混合纤维制品，以增加其强度，并方便安装。
7、结束语
多晶莫来石纤维在BTK-05型微控钟罩窑上的应用填补了我国电子行业全纤维钟罩窑的空白，节能非常显著，达30%以上，烧成质量稳定，能满足各种烧成工艺的要求。从节能和提高产品合格率创造的价值计算，两年便可收回部投资。