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耐火纤维概论

耐火纤维也可称为陶瓷纤维和硅酸铝纤维,陶瓷纤维从广义上讲是耐火纤维的主要代表,是氧化铝、二氧化硅、硅酸铝和氧化锆等耐火纤维的总称,而耐火纤维同时也包含炭纤维、氮化物纤维、硼化物纤维和非氧化物纤维等。从狭义上讲,只有硅酸铝质熔融或溶胶纤维化的纤维才被称作陶瓷纤维,它与其它纤维是有区别的。

狭义的陶瓷纤维是Al2O3-Sii2O3形成的熔融物以细流股状态取出,再通过喷吹和甩丝法使之纤维化,这种方法被称为熔融纤维化方法。玻璃纤维、岩棉、矿渣棉等与其制法基本相同,但由于原料组成不同其使用性能不相同,使用性能最大差异是使用温度。对耐火纤维来说,其长期使用温度为1000-1250℃,熔融温度为1780℃以上。而岩棉、矿渣棉等的连续使用温度为600-700℃,玻璃棉(无碱玻璃棉)的连续使用温度小于380℃,超过它们的使用温度纤维丝会急剧收缩和粉碎。基于这种原因,这些材料不能作为高温炉窑的工作衬。

1941年,在美国的巴布科克和维尔-科克斯公司中央研究所开发出了耐火纤维。同年,美国B&W公司首次采用高岭土制成耐火纤维。耐火纤维最初仅仅被用在军事项目上,20世纪60年代后期被用在工业上。主要是炉墙砌砖的胀缝填料和作为隔热材料非工作衬,日本引进此技术后,先后开发出了耐火纤维毯、湿法成型毡、纤维纸和其它制品。

1968年以后,美国依然将耐火纤维毯作为炉墙绝热材料,在用作炉墙工作层时取行了意想不到的效果,这时才认识到作为热面耐火材料又达到了节能效果,因此,耐火纤维炉衬在国际上得到了迅速普及。

1973年世界发生石油危机后,耐火纤维在工业节能中所起的作用愈来愈受到人们的重视,其产量、品种与日俱增,用途越来越广泛。1969年,全世界的耐火纤维的产量仅1万吨,耐1979年已经达到了4.3万吨;1966年,欧洲耐火纤维的产量还不足1000吨,10年后增长到1.08万吨;日本耐火纤维的产量近年来以32%-50%的速度增长,1982年的产量就达到了2万吨,目前全世界耐火纤维年生产的总产量已经超过30万吨。

目前,所生产的使用的耐火纤维基本上是硅酸铝基的陶瓷纤维。最初陶瓷纤维都是高岭土之类的天然原料制造的,这种原料的Al2O3含量为40%-45%。国内最初的原料为焦宝石,其Al2O3含量为35%左右,喷出的纤维棉不是纯白色。近十年陶瓷纤维的主要原料采用了煤矸石系的高岭土,喷吹出来的纤维棉为纯白色,柔性也得到了提高。其理化指标见表1-1和表1-2

1-1煤矸石系的高岭土原矿(%

化学成份

Si2O3

Al2O3

Fe2O3

TiO2

CaO

MgO

K2O3

Na2O

烧失量

43.5-45

37.4-39

0.33-0.36

0.2-0.3

0.1-0.2

0.1-0.14

0-0.2

0.02-0.1

15-16

1-2煤矸石系的高岭土熟料

项目

Si2O3  %

Al2O3  %

Fe2O3  %

主晶莫来石相  %

耐火度℃

密度 g/cm3

烧失量

52.7-54.2

44.7-46.8

0.35

65

1770

2.5-2.6

0.2

由于耐火纤维使用温度和高温下抗收缩性能随着Al2O3含量的增加而提高,开始时人们改用配合料的方法加大Al2O3含量,但是高温熔融工艺限制了这种方法。当原料中Al2O3含量达到60%以上时,由于配合料粘度的温度系数太高,也就是说在高温下熔体粘度太低,纤维丝无法形成。因此说,高温熔融物就有适当的粘度和较小的表面张力。耐火纤维的制造和矿渣棉、岩棉不同,它的熔融温度远大于岩棉和矿渣棉,粘度的温度系数也远远大于它们。耐火纤维熔融纤维化工艺中,Al2O3/SiO2的最大比值一般限制在60/40以下,这主要是熔融物表面形成的张力所要求的。例如,纯氧化铝高温熔融物在喷吹时无法形成纤维,其Al2O3含量在60%以下,目前国内企业控制在56%左右。

从图1-1Al2O3-SiO2二元相图上可以看出,耐火纤维的耐火度可能过增加Al2O3含量得到改善。退着Al2O3含量增加,固体熔化的液相线提高,在Al2O3含量达到72%之前,即使Al2O3含量增加,固相线始终是水平的保持在1546℃以下,而固相和液相共存区域在不断地扩大。当Al2O3含量达到72%并超过时,固相线突然从1546℃上升到1912℃,这说明Al2O3含量为72%72%以上的耐火纤维从固相变为液相的温度大大提高。也就是说,耐火纤维的使用温度得到提高。从图1-1可以看到Al2O3含量超过72%,耐火纤维熔点提高得比较大,这是采用熔胶工艺制取晶体纤维的一个特征。因此Al2O3含量提高到72%以上的氧化铝纤维列入了晶体纤维的范畴。

这种氧化铝纤维是一种多晶氧化物纤维,它区别于单晶纤维(即只含一种晶质,纤维杆内晶粒结晶时向同一方向生长,纤维长径比很小)及玻璃质纤维(如玻璃纤维、岩棉、矿渣棉和陶瓷纤维等),它的晶粒比较小,在高温下晶相存在一系列复杂的转变。

多晶纤维出现在20世纪50年代,并经历了很长的发展时期,以规模生产多晶氧化铝纤维则是在20世纪70年代。工业发达的国家如美国、英国、德国和日本都投入了很大力量研究开发这种纤维。在这方面居于领先地位的一些公司有:英国的卜内门公司(即I.C.I公司)、德国的拜耳公司(Farbentabriken Bayer AC)、美国石油公司(Univeral Oil)、日本电气化学公司、日本往友化学公司等。

氧化铝纤维实际应用是在1975年,黄国帝国化学公司以“蓝宝石”纤维名称在市场上推广销售。它销售的制品仅有“单毡”的块状制品,这种制品可直接应用到炉墙工作层(当时的安装方法仅仅限于炉内衬帖面)。为了提高这种制品的强度,将“蓝宝石”氧化铝纤维与玻璃态耐火纤维棉混纺制出耐高温产品,由于恰巧遇到全世界石油危机,为达到炉窑节能降耗这种产品得到广泛应用,该产品也成为了使用温度超过1250工业炉窑普遍使用的炉衬材料。


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