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多晶莫來石耐火纖維在鍾罩窯上的應用

摘要 :本文概述了國內外多晶莫來石纖維的發展情況 ,重點論述了多晶莫來石纖維的形成機理和特性 ,指示了它在鍾罩窯上
應用獲得成功 ,對其節能效果進行了詳細的分析 ,並就纖維的結構和安裝提出了改進意見 ,最後 ,預示了多晶莫來石纖維的發展前景 。

  1 、引言 
  高溫窯爐砌築材料的選擇 ,是影響窯爐熱效率的重要因素之一 。為了提高窯爐的熱效率 ,目前國際上有從致密重質型向輕質或輕重相結合型發展趨勢 。其中采用超輕質陶瓷纖維作窯爐內襯 ,已從實驗走上實用階段 。工業窯爐特別是間歇窯上采用陶瓷纖維也是工業窯爐在技術上的一項重大改革 。 

  2 、多晶莫來石纖維發展概況 
  陶瓷纖維以其良好的隔熱性能和易於施工的優點 ,被譽為節能的新型材料 ,也是國家作為重點推廣的新技術 、新材料之一 。由於其材料本身的特性 ,大大地降低了能耗而引起人們的重視 。在普通矽酸鋁纖維 、高純矽酸鋁纖維 、高鋁纖維和高純含鉻矽酸鋁纖維相繼出現之後 ,70年代初期 ,國外又試製成功晶體纖維(多晶氧化鋁纖維和多晶莫來石纖維等) ,目前 ,浙江歐詩漫晶體纖維 有限公司已成功開發高性能HPMF多晶氧化鋁纖維 。多晶莫來石纖維(簡稱PMF)是由莫來石(MeIIite)微晶體構成的高溫耐火纖維 ,它集晶體材料和纖維材料於一體 ,具有較高的熱穩定性和纖維材料於一體 ,具有較高的熱穩定性和彈性 ,可耐1500高溫 ,是一種新型超輕質的隔熱材料 。纖維製品容重是耐火磚的1/25 ,導熱率是耐火磚的1/6 ,化學性能穩定 ,做高溫窯爐和熱工設備的砌體可節能5-40% 。 

  晶體陶瓷纖維研製發展是在70年代初期 ,由於化學 、陶瓷 、冶金工業及航天工業的技術發展要求能在更高溫度下使用纖維材料 。最早研製並建成規模工廠的是英國I.C.I公司 ,生產牌號“Saffil”氧化鋁纖維 ,A1Ot和SiO ,含量分別為95%和5% ,主要晶相為剛玉相 ,1980年產量達500噸 。在這以後 ,美國 、日本 、蘇聯等工業發達國家也相繼研製並建成具有一定規模的工廠 。如英 、美聯合舉辦世界上最大的耐火纖維公司之一的金剛砂公司(也譯為碳化矽公司) ,推出牌號為“Fiber-Max”多晶莫來石纖維 ,它含A120372% 、Sio227% ,使用溫度達1600-1700oC ,並相應研製開發出多晶纖維和非晶態纖維製成混合製品 ,已成功地用在鋼鐵 、化工等1500oC左右的陶瓷窯爐上 。這種晶體纖維生產難度大 ,目前世界上隻有美 、英 、蘇 、日4國能生產 ,年產量達1400噸。

  1986年9月28日 ,浙江歐詩漫晶體纖維有限公司的“年產10噸多晶莫來石纖維中試”項目 ,通過了浙江省科委技術鑒定 ,1990年12月28日在浙江杭州通過了冶金部多晶莫來石纖維應用技術 、研究技術鑒定 ,成為我國唯一生產多晶莫來石纖維的 公司 。該產品主要技術指標(包括纖維直徑 、容量 、高溫收縮率) ,經浙江大學現場測試 ,相當於美國金剛砂公司生產的“Fibermax”多晶莫來石纖維指標 ,已達到80年代初期國際先進水平 。

  3 、多晶莫來石纖維主要特性 
  多晶莫來石纖維和普通矽酸鋁纖維 、氧化鋁纖維同屬A1203-Sio2係耐火纖維 ,這些纖維在980oC以上就會產生石英 、莫來石 、剛玉三種晶體 。由不同晶體構成的纖維具有不同的使用溫度特性 ,見表1 。

  在高溫條件下 ,因方石英發生體積變化所產生巨大應力 ,足以使纖維結構碎裂粉化 ,這是造成矽酸鋁纖維不能承受1000oC以上高溫的主要原因 。由莫來石和剛玉兩種晶體構成的多晶纖維 ,有效地避免職上友誼賽缺陷 ,把使用溫度極限提高到1450-1500oC 。 

    表1              各 種 晶 體 纖 維 的 高 溫 特 性

晶體的種類
高溫下晶體相體積變化
組成
纖維種類
Al2O3(%)
使用溫度(oC)
   
石 英 
(SiO2
α石英 →α方石英 
+15.4%(1020oC)
矽酸鋁纖維
45-60
<1100
莫來石 
(3Al2O3· 2SiO2
單一莫來石相
莫來石纖維
72-75
-1500
剛玉 
(α- Al2O3
同質異構演變
氧化鋁纖維
80-95
-1400

  綜合評價纖維的高溫性能優劣的簡易方法 ,是測定其製品高溫加熱帳縮率與加熱時間之關係 ,收縮率變化小為優 。莫來石纖維的加熱收縮率與加熱時間的關係 ,見圖1 。

  多晶莫來石纖維和矽酸鋁纖維不同之處是 :多晶莫來石纖維有效地解決了矽酸鋁纖維無法解決的有寄存器礦相方石英的存在 ,從而使該纖維的使用溫度提高近500oC 。多晶莫來石纖維與矽酸鋁纖維的區別 ,見表2 。

    表2           多 晶 莫 來 石 纖 維 與 矽 酸 鋁 纖 維 的 對 比
名稱
製造方法
礦相組成
純度(Al2O3+SiO2)%
損壞溫度()
使用溫度()
矽酸鋁纖維
高溫熔融法(熔體)
玻璃態莫來石 、方石英
<98
1050-1100方石英析出
<1000
多晶莫來石纖維
化學膠體法(膠體)
晶體態莫來石
>99.5
>1600晶粒長大
<1500

     浙江歐詩漫晶體纖維有限公司生產的多晶莫來石纖維有兩個係列 :PMF-100係列和PMF-300係列 。前者是用多晶莫來石纖維棉毯 ,經裁切壓縮 ,包紮成塊狀 ,內不含任何粘結劑 。後者是用多晶莫來石纖維棉加入特殊的粘合材料 ,用真空成型方法製成有彈性的氈 、墊 、環等或硬質板 、筒 、塊 、盒等形狀 。見表3 。 

    表3            PMF 兩 個 係 列 性 能 的 對 比
項    目

PMF-100兩個係列
PMF-300係列
特 性
抗熱震 
重量輕 
低蓄熱 
低導熱率 
吸音性好
重量輕 
有強度 
低蓄熱 
抗熱震 
低導熱率 
易機械加工
性 能
組成 :Al 2 O 3 72-75%.SiO2 25-28% 
晶相 :單一莫來石相 
熔點 :1840oC 
使用溫度 :電爐<1500oC.火焰爐<1400oC 
導熱率(W/m.K) :0.226(1000oC) . 0.264(1200oC) . 0.336(1300oC) . 0.384(1400oC) 
重燒線收縮率 :1500×6h<1.0% 
容重 :100kg/m 
尺寸(長×寬×厚) :200mm×100mm×(30-50)mm
使用溫度 :1450oC 
容重 :200-380kg/m 
重繞收縮率 :1500×1h-0.22(1250oC) . 0.25(1350oC) 
尺寸 :<?300mm或<300mm
適 用
作各種高溫窯爐的熱內襯粘貼 。如鋼鐵 、化工 、機械等加熱爐 ,均熱爐 、鍛造爐 、熱處理爐 ;陶瓷 、建材 、電子等燒結窯 、燒成窯
高溫電阻爐 、感就爐 、鋼水包 、玻璃熔窯 、窯車 、高溫輻射管 、高溫器皿 、燒嘴 、鍋爐等 。軍工 、科研 、航空 、核瓜堆等特殊的高溫部位 。

   4 、多晶莫來石纖維在鍾罩窯上應用 
  我公司BTK-05型微控鍾罩窯(以下簡稱鍾罩窯)是采用纖維結構 ,內襯為多晶莫石纖維PMF-300係列 ,厚度為50毫米 ,外襯矽酸鋁纖維CF-300係列 ,厚度為130毫米 ,窯牆 、窯頂厚度都為180毫米 ,爐膛尺寸為1700毫米×600毫米×440毫米 ,容積約0.5米3 。兩種纖維之間用高溫膠粘貼 ,陶瓷釘橫穿窯牆或窯頂 ,其中一頭用墊圈卡子與外殼卡死 ,使窯牆或窯頂形成一個牢固的整體 ,見圖2 。內層要噴耐火塗料 ,同時 ,為防止塗層開裂 ,烘窯應按烘窯曲線緩慢地進行 。

  該窯主要用於SrTiO料子預燒及電子陶瓷等燒成 ,自1990年7月投產以來 ,工藝溫度曲線重複性好 ,窯車液壓升降平穩 ,爐溫穩定度高 ,產品選題好 ,操作簡便 ,勞動強度低 ,節能顯著 ,於1991年1月29日通過了機電部部級鑒定 。鑒定意見 :該窯達到了80年代初期國外同類窯爐水平 ,填補了國內空白 。

  一年來 ,鍾罩窯同襯的PMF粘結牢固 ,至今沒有脫落 ,仍保持彈性 ,隻是內壁塗層出現細裂紋 ,這是纖維在高溫下產生收縮所致 。燒了一段時間以後 ,待纖維收縮縫穩定下來 ,可用新纖維將裂縫修補好 。 

  5 、 節能效果分析 
  將鍾罩窯同我公司12米電熱隧道窯 、日本CK-1-5型鍾罩窯相比較 ,可以得出其節能效果 。 

  我公司12米電熱隧道窯的額定功率為50千瓦 ,爐膛尺寸為 :12000毫米×202毫米×260毫米 ,現以預燒SrTiO3為例 。隧道窯共容納34部窯車 ,每車裝料3.2公斤 ,全窯共裝料子3.2×34=108.8公斤 ,每小時進一車 ,預燒一窯料子共需34小時 ,預燒溫度為1360 ,平均每窯耗電1190千瓦小時 ,求得其耗為10.93千瓦小時/公斤合格料子 。

  用鍾罩窯預燒SrTiO料子 ,每窯裝40缽 ,每缽裝2.5公斤 ,全窯裝料100公斤 ,升溫及保溫時間為9小時 ,燒成周期為24小時左右 ,以半年來預燒SrTiO3料子求得每窯平均耗電207千瓦小時 ,其單耗為20.7千瓦小時/公斤合格料子 。現將以上結果列於表4 。 

    表4        同 12 米 電 熱 隧 道 窯 預 燒 情 況 的 對 比
項    目
窯型
PMF-100兩個係列
PMF-300係列
產品名稱
SrTiO
SrTiO3
每窯裝載量(kg)
108.8
100
合格率%
100
100
燒成周期 h
34
24
耗電 kw.h
1190
207
單耗kw.h/kg合格料子
10.93
2.07

  鍾罩窯節能效率為 :(10.93-2.07)/1.093*100%=81% 

  鍾罩窯每燒1窯節電為1190-207=983千瓦小時 ,每月燒10窯 ,全年以燒120窯計算 ,全年節電約為11.8萬度 ,折合金額達2萬多元 。
  同日本CK-1-5型鍾罩窯的對比 ,見表5 。 
  由表5可以看出 ,我公司鍾罩同日本CK-1-5型鍾罩窯在預燒瓷料溫度相近時要節電 ,其節電效率為 :(1.63-1.20)/1.63*100%=26.4% 

   表5             同 日 本 CK-1-5 型 鍾 罩 窯 的 對 比
項    目
窯型
CK-1-5
鍾罩窯
預燒料子名稱
鋯鈦酸鉛瓷料
2B 4 -1700瓷料
預燒溫度
800
1000
裝料重量 kg
94.7
100
耗電量 kw.h
154.95
120
合格率 %
100
100
單耗 KW.h/kg合格料子
1.63
1.20

   6 、改進意見 
  (1)改進窯體結構 ,如調整高低溫纖維容重大小和安裝厚度 ,使它們的隔熱保溫性能得到最大限度的發揮 。安裝時 ,纖維條塊之間要壓緊一些 ,盡量避免它們之間接合處因纖維受熱收縮出現裂縫 。在爐體四角設置預製塊 ,以消除拐角結合麵的裂縫 。

  (2)將多晶莫來石纖維加入適量添加劑 ,並采用真空成型工藝製成氈 、板 、硬板及各種異型製品或混合纖維製品 ,以增加其強度 ,並方便安裝 。 

  7 、結束語 
  多晶莫來石纖維在BTK-05型微控鍾罩窯上的應用填補了我國電子行業全纖維鍾罩窯的空白 ,節能非常顯著 ,達30%以上 ,燒成質量穩定 ,能滿足各種燒成工藝的要求 。從節能和提高產品合格率創造的價值計算 ,兩年便可收回部投資 。(新聞來源 :德清縣晶爐耐火材料有限公司)


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