毕业论文---硅酸铝耐火纤维.doc

论 文 摘 要

硅酸铝纤维又叫陶瓷纤维是一种新型轻质耐火材料，该材料具有容重轻、耐高温、热稳定性好，热传导率低、热容小、抗机械振动好、受热膨胀小、隔热性能好等优点，经特殊加工，可制成硅酸铝纤维板、硅酸铝纤维毡、硅酸铝纤维绳、硅酸铝纤维毯等产品。新型密封材料具有耐高温导热系数低，容重轻，使用寿命长，抗拉强度大，弹性好，无毒等特点，是取代石棉的新型材料，广泛用于冶金、电力、机械、化工的热能设备上的保温。本文简单介绍了硅酸铝陶瓷纤维棉及制品的性能、应用及生产方法，详细阐述了硅酸铝耐火纤维的应用。讨论了该技术需要改进的问题，以及环境问题。

关键词：陶瓷纤维 纤维棉 制品 性能 应用

硅酸铝耐火纤维

一、硅酸铝陶瓷纤维的发展史
硅酸铝陶瓷纤维制品是60年代初期发展起来的一种纤维状的轻质耐火材料。按其结构形态来说它属于非晶质（玻璃态）纤维。它是以硬质粘土熟料或工业氧化铝粉与硅石粉合成料为原料，采用电弧炉或电阻炉熔融，经压缩空气喷吹（或甩丝法）成纤而制成的。其化学组成主要为三氧化二铝（30～55%）和二氧化硅。经再加工成毯、毡、板、纸、绳等制品及各种预制块及组件等。
硅酸铝陶瓷纤维材料已在冶金、建材、机械、石油、化工、电子、船舶、交通运输、轻工等部门行到广泛的应用，并用于宇航及原子能等尖端科学技术。我国的硅酸铝纤维棉工业始于70年代初，经过20多年的发展，国内硅酸铝棉及其制品的生产和应用已形成了完整的系列，生产技术已接近国际水平。硅酸铝陶瓷纤维及其制品以其优良的绝热保温性能、方便快捷的施工方式被广泛应用于各类高温窑炉的保温，使用温度可从700℃到1400℃。国内目前硅酸铝纤维棉及其制品产量约为3万吨/年。
二、硅酸铝耐火纤维的概述
（一）概念
硅酸铝耐火纤维或称陶瓷纤维，是以优质焦宝石、高纯氧化铝、二氧化硅、锆英沙等为原料，选择适当的工艺处理，经电阻炉熔融喷吹或甩丝，使化学组成与结构相同与不同的分散材料进行聚合纤维化制得的无机材料。
（二）分类
根据不同的原料和加工工艺可以生产出不同耐火温度的硅酸铝耐火纤维产品：普通耐火纤维棉（工作温度：﹤1000℃）、标准耐火纤维棉(工作温度：1050℃)、高纯耐火纤维棉(工作温度：1100℃)、高铝耐火纤维棉(工作温度：1200℃)、含锆耐火纤维棉(工作温度：1350℃)等系列产品。
（三）二次加工制成品
上述分类中散棉是二次制品的基本原料，用不同的二次加工方法可制成：毯、毡、板、异型制品、纸、绳等，并可根据用户需要进行折叠毯块、毡子切条打捆等加工。
三、硅酸铝耐火纤维二次加工制品
（一）硅酸铝耐火纤维棉
1.产品说明：具有性能稳定，纤维长、抗拉强度大，渣球少等特点。
2.产品应用：纤维纺织制品原料、纤维喷涂、浇筑料、涂抹料原料、水法产品原材料、设备高温区域缝隙填充料。
3.产品特性：（1）低热容量，低热导率　（2）优良的热稳定性　（3）优良的抗热震性能　（4）优良的化学稳定性　（5）不含结合剂和腐蚀性物质　（6）优良的吸音性能。
4.根据工作温度可将产品分为：普铝纤维棉、标准纤维棉、高纯纤维棉、高铝纤维棉、含锆纤维棉。

（二）硅酸铝耐火纤维毯
1.产品应用：应用于工业窑炉、加热装置、高温管道壁衬、电力锅炉、气轮机及核电隔热、化工工业高温反应设备及加热设备的壁衬、建材工业玻璃池窑隔热、高层建筑防火、隔热、焊接件消除应力的隔热、异型金属铸件消除应力的隔热、窑炉炉门顶盖隔热、高温过滤材质。在中性、易氧化气氛下长期使用时仍能保持良好的抗拉强度、韧性和纤维结构。
2.产品特性：（1）低热容量，低热导率　（2）优良的热稳定性　（3）优良的抗拉强度　（4）优良的化学稳定性。　
3.根据工作温度可将产品分为：普铝纤维毯、标准纤维毯、高纯纤维毯、高铝纤维毯、含锆纤维毯。
4.制法：硅酸铝耐火纤维针刺毯，是经过机械针刺加强成所定规格的厚度，在截成适合的尺寸。

（三）硅酸铝耐火纤维毡（板）
1.产品应用:应用工业窑炉、加热装置壁衬、窑炉砌体膨胀缝 日用电器阻热、蓄热 窑炉砌体、炉门、顶盖密封。
2.产品性能:(1)低热容量，低热导率 (2)优良的热稳定性 (3)优良的抗拉强度 (4)优良的化学稳定性 (5)优良的热稳定性及抗热震性 (6)优良的吸音性。
3.根据工作温度可将产品分为:普铝纤维毡（板）、标准纤维毡（板）、高纯纤维毡（板）、高铝纤维毡（板）、含锆纤维板。
4.制法：硅酸铝耐火纤维毡，采用湿法加工工艺，加入无机结合剂和少量有机结合剂制成成品。

(四)硅酸铝耐火纤维纸
1.产品说明：颜色洁白，质地柔韧、平整度好、机械加工性能优良，具有良好的耐火隔热效果该产品不含石棉，是密封、隔热的理想用材。产品应用于工业绝热、密封、防腐材料，电热装置绝缘、隔热材料，仪器设备、电热元件的绝缘和隔热材料，汽车行业隔热材料。
2.产品性能：（1）低热容量，低热导率　（2）优良的热稳定性　（3）表面平整、厚度均匀　（4）优良的化学稳定性 （5）质地柔韧、抗撕裂　（6）优良的机械加工性能 （7）优良的电绝缘和隔音性能　（8）优良的抗热震性能。
3.根据化学成分不同可分为：标准型耐火纤维纸、高纯耐火纤维纸、高铝耐火纤维纸、含锆型耐火纤维纸。
4.产品应用：工业窑炉、加热装置壁衬、窑炉砌体膨胀缝 日用电器阻热、蓄热 窑炉砌体、炉门、顶盖密封。
5.制法：通常加入有机纤维和粘结剂，用一般造纸方法制造的制品。

（五）硅酸铝纤维异型制品
1.产品说明：是为满足某些热工设备特殊部位的耐火、隔热而定向生产的陶瓷纤维异型制品。该产品为非脆性材质，强度高、尺寸准确，可根据客户需求制作各种形态。产品具有良好的耐火隔热效果，可直接触火焰。
2.产品特点：质地坚韧、抗风蚀强；无缝隙炉衬；低蓄热、热损失少；可直接接触火焰用于热面； 优良的施工、安装性能；优良的抗热震性；耐压强度高、使用寿命长；吸音效果显著。
3.典型应用：工业窑炉观察孔、温度计插入孔；工业窑炉烧嘴、炉门；有色金属熔沟、槽垫衬、铸造帽口；机电设备连接垫片。
4.制法：在耐火纤维中加入结合剂，采用真空吸滤成型。按照使用要求制成各种异型制品。
5.理化指标：
表1 硅酸铝纤维异型制品的理化指标表
品种
性能
普通型
（STD）
高纯型
（HP）
高铝型
（HA、ST）
含锆型
（ZA）
混配型
（MCA）
连续使用温度
1100℃
≤1100℃
≤1200℃
≤1350℃
1350-1450℃
最高使用温度
1100℃
1260℃
1400℃
1430℃
1400-1500℃
加热收缩率%
1150℃×6h≤4
1260℃×6h≤4
1400℃×6h≤4
1400℃×6h≤3
1400-1500℃×6h≤3
容量kg/m2
软制品
硬制品
软制品
硬制品
软制品
硬制品
软制品
硬制品
软制品
硬制品
≤200
200-320
≤200
200-320
≤200
200-320
≤200
200-320
≤200
200-320
抗压强度(压缩10%)MP
0.1-0.2
0.1-0.2
0.1-0.2
0.1-0.2
0.1-0.2
导热系数w/m.k
800℃
0.23
800℃
0.20
800℃
0.23
800℃
0.20
800℃
0.19
800℃
0.18
800℃
0.18
800℃
0.18
800℃
0.18
800℃
0.17
典型化学成分%
Al2O3
≥45
≥45-47
≥55
≥35
——
Al2O3+SiO2
≥96
≥96
≥98
+ ZrO2≥98
≥98
Fe2O3
≤1.20
≤0.05
≤0.30
≤0.30
≤0.20
K2O+Na2O
≤0.50
≤0.25
≤0.25
≤0.25
≤0.20
灼碱
-5
-5
-5
-5
-5

四、硅酸铝耐火纤维产品优点
1.硅酸铝耐火纤维使用温度达10500C，高铝耐火纤维使用温度达12000C。
2.导热系数低。与普通耐火材料相比，用于绝热层可减薄厚度一半左右。
3.容重轻。仅为普通耐火材料容重的1/10～1/20，为普通绝热材料的1/5左右，用于建炉可减轻炉体重量。
4.热容量小。用做炉子的耐火层，升温速度显著加快，节约能源30%以上。
5.抗热震性能好。由于纤维柔软、有弹性、能抗热冲击和震动，能消除热应力，耐急冷、急热性能优越。制品可从10000C以上高温直接浸入冷水中而不开裂，可填充膨胀缝或用做密封垫。
6.对熔融金属不润湿。硅酸铝耐火纤维对AL、PB、SN、CU等金属在液态时不润湿，可以过滤态铝、可以制做出铜槽和铝槽。
7.隔音好。可以减少燃烧噪声，可以做为高温消声材料。
8.化学稳定性能好。除强碱、强酸侵蚀外，一般酸碱均不侵蚀。
9.绝热性能好。可用做高温绝缘防火材料。
五、硅酸铝耐火纤维用途
（一）做工业炉内衬材料。一般炉温在1000℃以内的热处理、加热炉、陶瓷素烧窑等的内衬，用硅酸铝耐火纤维制品代替耐火砖，炉壁厚度可减少二分之一，重量可减到原壁的五分之一至十分之一，加快升温和冷却速度，节约燃料20％以上，减少温差，提高炉子周转率。提高产品质量。
硅酸铝纤维在工业炉应用中其硅酸铝纤维材料性能的几点误区及分析：
1.硅酸铝纤维材料的使用温度上的误区：
温度参数的标识十分混乱：使用温度、最高使用温度、极限温度、分类温度、长期工作温度等不同的标识。
实际上硅酸铝纤维材料的使用温度不仅仅与材料的化学成份相关，而且与使用气氛、燃料和环境条件密切相关。
例如：同一种材料在实验电阻炉标准气氛中保持其基本性能不变的最高温度为1260℃，则在中、强还原性气氛中最高使用温度将下降100≈180℃，在燃重油环境中由于硫、磷等元素对硅酸铝纤维的侵蚀使用温度将更低。
使用温度则应由设计人员、用户和纤维生产厂家的技术人员根据使用燃料、环境和加热制度确定使用温度和选用材料。
2.硅酸铝纤维材料化学成份上的误区：
在多年硅酸铝纤维材料的应用中，常发现实际温度并未超过该材料的的使用温度范围，但纤维材料产生严重收缩和粉化。经检验化学成分，Al2O3达到产品要求，而SiO2偏低，并且Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O等杂质含量严重超标。这类杂质为低熔点氧化物，过量的低熔点氧化物将使硅酸铝纤维材料的共熔点降低。若Al2O3和SiO2以外的杂质含量达到3.5%以上，则比控制在1%以内，将使硅酸铝纤维材料实际使用温
度降低近100℃。
所以我们在选用硅酸铝纤维材料时，不仅要检验Al2O3的成份，还要严格控制其他杂质含量。
3.硅酸铝纤维材料渣球含量的影响：
制品中的渣球含量是影响容重的重要因素。纤维制品中渣球含量过多，将降低综合节能性能，同时损害了用户的利益。
国外将粒度＞0.25mm渣球的含量控制在≤5%，而国内因纤维制造技术的限制，将渣球的含量控制在≤15%[1]，即纤维制品中近1/8是渣球，比国外含量高出一倍。所以在确定硅酸铝纤维制品容重时，要充分考虑渣球的含量多少。
（二）做电子扩散炉保温材料。用硅酸铝耐火纤维代替其他保温材料，炉体可以缩少二分之一，升温时间缩短三分之一，恒温区温差能达±0.3℃，节电30％以上。
（三）做各类箱式电炉、并式电炉、罩式电炉的内衬。在原来炉子内侧贴一层硅酸铝耐火纤维（2㎝），就可以缩短升温时间，节电25％以上，若代替耐火砖使用，效果更为显著。
（四）做各种船舶、石油化工工业设备炉体，反应罐防火门芯材料的耐火分隔和管绝热保温材料，效果显著。
（五）做红外线发射体的反射保温衬板。应用于红外线干燥，能节电30％，用硅酸铝耐火纤维板作为反射材料，节电效果通提高到40％。
（六）做原子反应堆的内衬材料，高温的密封材料、吸音材料、过滤材料、电子工业的轻质、耐冲击、耐热绝缘材料等，均可收到理想的效果。
六、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，模具无专业厂生产，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。
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。 
七、发展建议 
（一）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。
（二）制定陶瓷纤维应用配套件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。
（三）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。 
（四）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。
八、硅酸铝耐火纤维的发展趋势
硅酸铝耐火纤维作为绝热节能材料在西方国家得到了广泛而深入的开发利用。可以说，近十年国外在纤维行业的技术发展主要集中在应用技术的开发，以及由应用而提出的深加工产品开发方面。除了我们已熟知的一些纤维应用领域和方法外，还有很多领域是国内尚未涉及或刚刚起步的。比如说，轧钢加热炉的全纤维衬炉顶、全纤维衬钢包盖、全纤维衬陶瓷梭式窑、全纤维台面窑车、石化行业的全纤维衬裂解炉以及应用于炼铝工业、工业锅炉、汽车散热部件的隔热等。就纤维衬的安装技术和铆固件来说，更是五花八门，而且安装技术也在不断地发展。总的趋势是朝安装更方便、更迅捷的方向发展。如采用手电钻、手电焊对折叠组件的一次性快速固定等。对纤维衬的维修也有专用的材料和技术，这种材料具有可塑性，采用压入法可压入到纤维衬的深部。由于纤维炉衬的施工需要专门的技术和设备，加上专业化分工越来越细，西方国家有相当数量的小公司专门从事耐火纤维的应用。它们制作的耐火纤维深加工产品（如折叠块等）已形成了标准化、系列化，耐火材料炉衬的设计和安装不仅积累了丰富的经验，也具有很先进的手段。

参考文献
[1]《耐火材料实用手册》钱之荣、范光举主编。
[2]《实用耐火原料手册》郭海珠、余森编著。
[3]《耐火纤维应用技术》张克铭编著。
[4]《工业炉耐热炉衬》华泽錞、张德信、高捷。
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