耐火纖維的旋轉(zhuǎn)工藝

耐火纖維的旋轉(zhuǎn)工藝

1我國(guó)耐火纖維的應(yīng)用自20世紀(jì)80年代開(kāi)始在中國(guó)推廣防水纖維作為一種新型節(jié)能材料以來(lái)，防水纖維已在冶金、化工、機(jī)械、鍋爐等行業(yè)廣泛使用。僅機(jī)械部第二設(shè)計(jì)研究院一家就先后設(shè)計(jì)、制造了100多臺(tái)爐子(加熱爐、熱處理爐、熱風(fēng)爐等各種爐型)。在節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境方面作出了貢獻(xiàn)。但我國(guó)目前對(duì)耐火纖維的應(yīng)用還停留在一個(gè)較為初級(jí)的狀態(tài):硅酸鋁耐火纖維大多應(yīng)用在低于1200℃,無(wú)特殊氣氛條件下;國(guó)標(biāo)規(guī)定其有效使用壽命為4～5年;多晶莫來(lái)石纖維和含鋯纖維可用于1200～1400℃,在陶瓷、冶金行業(yè)已獲得推廣和應(yīng)用。但由于產(chǎn)品質(zhì)量的缺陷(如產(chǎn)品規(guī)格單一,強(qiáng)度差)和應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)方面的落后,其應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用方式都受到局限。目前大多僅用于磚體爐襯的熱貼面,節(jié)能效果大打折扣。我國(guó)耐火纖維的品種開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品形態(tài)多樣化等方面與國(guó)際上均有相當(dāng)差距,特別對(duì)于高品質(zhì)的氧化鋁纖維(Al2O3≥97%,3%～4%SiO2)的開(kāi)發(fā)、研究與使用幾乎處于空白狀態(tài),使耐火纖維在石化、汽車、航空航天及核工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用受到極大的限制。本文詳細(xì)介紹了英國(guó)ICISaffil公司在純氧化鋁纖維方面的制造機(jī)理、產(chǎn)品種類、形態(tài)、性能及人體的生物性反應(yīng),同時(shí)例舉了這種高品質(zhì)耐火纖維應(yīng)用在爐襯1600℃(或1400℃、真空氣氛或特殊氣氛爐)時(shí)的上佳表現(xiàn)。2絲纖維熱-熱處理工藝過(guò)程的研究將高純度的原材料溶解在溶劑中,通過(guò)旋轉(zhuǎn)將溶膠甩絲,即可獲得氧化鋁含量高達(dá)95%～97%的氧化鋁纖維。在確定Saffil纖維的相構(gòu)成時(shí),研究人員采納了毒理學(xué)方面專家的意見(jiàn):增大纖維直徑和提高氧化鋁化學(xué)組成成分。纖維的化學(xué)成分控制在防止自由態(tài)二氧化硅存在的純度上。因?yàn)樽杂蓱B(tài)二氧化硅在高溫下(～1200℃)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉绞⒔Y(jié)構(gòu);纖維的直徑控制在大于1μm,因?yàn)?μm以上的纖維粒子引起的生物活動(dòng)性最小。同時(shí),控制大于6μm直徑的氧化鋁纖維粒子的出現(xiàn),因?yàn)檫@種氧化鋁纖維粒子會(huì)引起皮膚疼痛。為使纖維具有高的耐熱保溫性和一定的機(jī)械性能,一種獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)工藝發(fā)展起來(lái)。通過(guò)這種工藝生產(chǎn)的纖維,其直徑在3.5μm附近分布。這種纖維設(shè)計(jì)的原理通過(guò)了一系列毒理方面的測(cè)試和論證。圖1是這種工藝生產(chǎn)纖維的典型纖維粒子直徑分布圖。從圖上可以看出,新工藝實(shí)現(xiàn)了對(duì)纖維直徑的嚴(yán)格控制。這一工藝的另一個(gè)特點(diǎn)是嚴(yán)格控制了渣球的出現(xiàn)(見(jiàn)圖2圖3纖維微結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片)。精細(xì)的工藝,加上高的氧化鋁含量,生產(chǎn)出一種在1600℃下具有很好化學(xué)穩(wěn)定性的保溫新材料。圖4給出了容重為96kg/m3的氧化鋁纖維在各種氣氛下的熱導(dǎo)率,表1是氧化鋁纖維的物理性能。氧化鋁纖維的制造工藝將溶解膠質(zhì)通過(guò)旋轉(zhuǎn)甩出的膠質(zhì)絲收集后經(jīng)過(guò)一系列熱處理過(guò)程使晶粒微結(jié)構(gòu)得到發(fā)展,加入3%～4%的SiO2對(duì)控制晶粒成長(zhǎng)有利。逐步排出氣孔,改善疏松度可以獲得熱-機(jī)械性能俱佳的氧化鋁纖維。適當(dāng)調(diào)整制造工藝,可獲得適合不同用途的各種等級(jí)纖維。為準(zhǔn)確理解溶液成分及絲纖維熱處理工藝過(guò)程對(duì)氧化鋁纖維性能的影響,我們對(duì)纖維制造工藝作進(jìn)一步說(shuō)明:將鋁鹽如AlCl3部分水解,由于水親合力,鋁鹽將水分解形成Al—OH—Al和Al—H—Al橋構(gòu)成的八面晶體。進(jìn)一步的水親合過(guò)程能產(chǎn)生更復(fù)雜的含有Al(H22O5)3+、Al3+和Al(OH)3等混合膠體。這時(shí),加入適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)聚合物可以控制膠體的流動(dòng)性能,使之在低溫下即可通過(guò)旋轉(zhuǎn)甩絲得到纖維。纖維在隨后的加熱過(guò)程中燒去有機(jī)添加劑并將鋁鹽轉(zhuǎn)化為氧化鋁。膠質(zhì)內(nèi)粒子成分和膠體的流動(dòng)形態(tài)決定了絲纖維在隨后熱處理中微結(jié)構(gòu)的成長(zhǎng)。在熱處理的中間階段產(chǎn)生出一種含有50%～60%結(jié)晶體的纖維CG,即催化纖維。此時(shí),氧化鋁是Z態(tài),晶粒大小在60·左右。這種纖維是微孔性的,容重約為2.7g/cm3。晶體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5a,從圖中可以看出孔隙率均勻和極好的晶體各向異性。這種形態(tài)的纖維在家用和工業(yè)用無(wú)火焰加熱器上被用來(lái)作精密合金鑄造用催化劑的載體。隨后的熱處理使氣孔率改變,且將Z-Al2O3轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al2O3。晶粒尺寸、容重均有所增大,見(jiàn)圖5b。表2表明隨著晶體微觀結(jié)構(gòu)的改變,纖維性能也隨著改變。在Saffil高溫纖維中需控制的一個(gè)重要的參數(shù)是T-Al2O3的量以獲得最佳的熱工與機(jī)械性能。對(duì)低T-Al2O3纖維(LA)和高T-Al2O3纖維(HA)試驗(yàn)表明:HA纖維在高溫應(yīng)用中熱收縮率小,而LA纖維在機(jī)械性能方面有較好表現(xiàn)。3復(fù)合纖維材料氧化鋁纖維可用作加熱爐內(nèi)襯,其最高使用溫度1600℃。纖維有高的回彈性(見(jiàn)圖6)。在1200℃仍能保持較高的纖維回彈性。在1200℃以上,纖維壓縮回彈率隨著纖維微觀結(jié)構(gòu)逐漸變化而加大。但纖維氈在施工中采用預(yù)壓縮或纖維塊經(jīng)預(yù)扎致密、交錯(cuò)安裝等技術(shù),使纖維在高溫下得以回彈,不會(huì)產(chǎn)生高溫收縮縫。爐襯的使用壽命得以增加。氈制品模塊結(jié)構(gòu)在工藝和經(jīng)濟(jì)兩方面對(duì)真空成型產(chǎn)品形成了一系列的挑戰(zhàn)。低渣球量的纖維對(duì)表面光潔度質(zhì)量要求較高產(chǎn)品的處理場(chǎng)合非常適用,如汽車工業(yè)表面鋼板的處理。目前越來(lái)越多的連續(xù)退火爐使用氧化鋁纖維作隔熱內(nèi)襯。如果工作溫度足夠高,所有級(jí)別的Saffil纖維將最終轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)穩(wěn)定態(tài):T-Al2O3,但此時(shí)若有少量SiO2存在,在這種條件下轉(zhuǎn)變?yōu)槟獊?lái)石晶體,可以阻止Al2O3晶粒長(zhǎng)大,保持結(jié)構(gòu)的一致性,從而延長(zhǎng)隔熱壽命。純氧化鋁纖維氈也用于化學(xué)環(huán)境較為惡劣,陶瓷纖維不能使用的地方。如在還原性氣氛下或真空條件下,陶瓷纖維會(huì)有大量SiO2燒損的地方。一個(gè)突出的例子是高鋁纖維氈可以在(5～10)×133Pa真空度,溫度為1400℃下,在鉬加熱管下工作。另一個(gè)實(shí)例是應(yīng)用在陶瓷燒結(jié)窯爐內(nèi),溫度為1410℃,含35%CO還原氣氛。在這種間歇式窯爐上使用氧化鋁纖維作隔熱層可節(jié)約燃料32%。散棉氧化鋁纖維可為多方面供貨。通過(guò)真空成型工藝可生產(chǎn)形狀各異、大小尺寸不同的隔熱產(chǎn)品,這一技術(shù)是將氧化鋁纖維與有機(jī)或無(wú)機(jī)粘結(jié)劑和填料、添加劑和其它纖維相混合,制成形狀簡(jiǎn)單或復(fù)雜的制品,經(jīng)加工后可滿足很高的精度要求。M.H.Detric有限公司用纖維生料經(jīng)真空成型可制成形狀各異的樣品。3.3高溫收縮特性應(yīng)用各種隔熱制品的最重要目的是獲得最佳的性能價(jià)格比,需綜合考慮原材料價(jià)格、隔熱性能、使用壽命和維修費(fèi)用等主要參數(shù)。爐子工作溫度越高燃料節(jié)省越大,但在隔熱系統(tǒng)上的花費(fèi)也越多。通過(guò)將氧化鋁纖維與廉價(jià)的陶瓷纖維相混合開(kāi)發(fā)出混合纖維產(chǎn)品系列,具有各檔熱工性能。隔熱產(chǎn)品的一個(gè)最重要的性能參數(shù)是在最高使用溫度下的高溫線收縮率,這一參數(shù)的主要影響因素是氧化鋁纖維含量。圖7曲線給出了SaffilLA纖維(低T-Al2O3)和HA纖維(高T-Al2O3)兩種纖維的高溫收縮特性及其與標(biāo)準(zhǔn)1260陶瓷纖維和經(jīng)改良耐高溫陶瓷纖維的比較。氧化鋁纖維和陶瓷纖維(45%Al2O3,55%SiO2)混合纖維的高溫線收縮率隨溫度呈非線性增長(zhǎng),見(jiàn)圖8曲線。隨著氧化鋁含量增加,纖維線收縮率下降,但這一下降受氧化鋁纖維含量影響,氧化鋁纖維量低于50%或Al2O3含量低于72%時(shí),影響最為顯著,此時(shí),混合纖維收縮率等同于莫來(lái)石纖維。在溫度高于玻璃脫琉溫度時(shí),陶瓷纖維在穩(wěn)定的氧化鋁纖維搭建的框架中收縮。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高到燒結(jié)溫度,此時(shí),一般陶瓷纖維將發(fā)生大面積收縮,而混合纖維將發(fā)生SiO2與氧化鋁纖維共同生成莫來(lái)石晶體。當(dāng)陶瓷纖維中SiO2全部轉(zhuǎn)化為莫來(lái)石后,纖維性能得到很大提高,圖9給出了混合纖維自由態(tài)SiO2全部生成莫來(lái)石后的高溫線收縮。氧化鋁纖維在陶瓷業(yè)和石化工業(yè)上有許多用途,在鋼鐵工業(yè)中的爐子上業(yè)已得到了廣泛的應(yīng)用。在這些應(yīng)用中,有許多工作環(huán)境非常惡劣,如加熱溫度在1450℃的鍛造爐、鋼錠二次加熱爐、均熱退火爐等。燃料的類型對(duì)纖維爐襯的隔熱性能和使用壽命有較大影響,重油燃燒對(duì)纖維爐襯有嚴(yán)重污染和反應(yīng)問(wèn)題。對(duì)這一問(wèn)題的推薦解決方案是在爐襯上噴涂表面涂層。ThermalCeramics有限公司是近幾年主要的氧化鋁纖維及其制品的制造商,生產(chǎn)氧化鋁纖維及混合纖維的板、氈等。表3列出了一些成功應(yīng)用氧化鋁纖維作爐子內(nèi)襯的例子。4確定復(fù)合基層材料使用溫度目前,普遍認(rèn)為纖維在使用溫度下保持3%的加熱線收縮較為合適。用這一標(biāo)準(zhǔn)可確定各種耐火材料的使用溫度。圖10給出了各種混合纖維中Al2O3量和纖維長(zhǎng)期使用溫度的關(guān)系。對(duì)于1600℃及以上的溫度,需用96%的氧化鋁纖維?；旌侠w維使用溫度在1300℃或1400℃,具體應(yīng)由其它環(huán)境因素決定。5fibrothal制品在混合纖維制品中加入無(wú)機(jī)粘結(jié)劑能改善纖維的加熱線收縮,像加入填料會(huì)增加纖維密度一樣。圖11曲線給出了真空成型板(加有SiO2粘結(jié)劑,以增加剛性)線收縮特性。通過(guò)對(duì)粘結(jié)劑模數(shù)的優(yōu)選和改善交互反應(yīng)可以大大增強(qiáng)耐高溫性能。由KanthalGmbH公司提供的Fibrothal制品(HT1750/1900)是一種用Saffil纖維添加無(wú)機(jī)粘結(jié)劑制品。這種產(chǎn)品可以用來(lái)制作堅(jiān)固且重量輕的耐火磚、Half型外殼、圓管等。搗實(shí)成形后直接安裝在爐內(nèi),方便可行。這類產(chǎn)品最高可用到1800℃,其密度為0.32g/cm3,具有很好的機(jī)械性能。而且因?yàn)檠趸X含量很高,這類產(chǎn)品具有很好的抗化學(xué)腐蝕性。由于氧化鋁纖維具有很好的各向均勻性,這類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)完整性很高。這種新型成型工藝也相應(yīng)得到了發(fā)展。石化行業(yè)對(duì)纖維爐襯常常提出特殊的要求:連續(xù)使用壽命高,可靠使用壽命超過(guò)10年,維修量小。如乙烯裂解爐,爐內(nèi)溫度常為1200～1300℃,燒嘴溫度1500℃。6氧化鋁纖維各種氧化鋁纖維制品還可用于隔熱上,這種材料可制成USA航空航天飛機(jī)熱保護(hù)系統(tǒng)用零件。如航天飛機(jī)的空氣二次進(jìn)風(fēng)處,溫度大約在1300℃,氧化鋁纖維可以用來(lái)作隔熱系統(tǒng)。這種纖維還可用于各種內(nèi)部固定或航天材料板。目前,用在航天飛機(jī)前部和側(cè)面作熱屏蔽的航天材料板是由SiO2-Al2O3纖維和SiO2纖維合成的。然而,第2代板材有希望能承受大于1500℃的二次進(jìn)風(fēng)空氣溫度。氧化鋁纖維的加入能改善混合纖維的加熱線收縮性能,抗拉強(qiáng)度可增加20%,耐熱溫度提高15%。7氧化鋁纖維的用量圖12給出了各種纖維50mm厚每平方米價(jià)格。通常,氧化鋁含量越高,纖維的允許使用溫度越高,同時(shí)價(jià)格也越高,即制造費(fèi)用越高。隨著使用溫度的升高,50mm厚纖維層的保溫節(jié)能效果越顯著,燃料節(jié)約率越高。8對(duì)人體健康的影響近20年以來(lái),高溫陶瓷纖維為能源節(jié)約、環(huán)境改善作出了巨大貢獻(xiàn)。然而由于其纖維顆粒細(xì)小,對(duì)從事纖維制造或施工、使用的工人的身體健康有害,這對(duì)纖維的使用是一個(gè)很大的限制。盡管目前科學(xué)委員會(huì)還未就纖維顆粒大小、特性對(duì)動(dòng)物和人體影響的試驗(yàn)結(jié)果形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí),但纖維大小對(duì)人體健康的重要性已獲得認(rèn)識(shí)。目前普遍認(rèn)為:1μm以下的纖維顆粒需引起重視。根據(jù)這一觀點(diǎn),對(duì)氧化鋁材料的顆粒大小進(jìn)行控制使其對(duì)健康的潛在傷害最小。對(duì)兔子用注射、喂食、吸入等方式做毒性試驗(yàn),用石棉做,結(jié)果為陽(yáng)性;用氧化鋁纖維做試驗(yàn),生物反應(yīng)是陰性的。9爐襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有許多窯爐、爐子要求采用能夠承受1800℃以下各檔溫度的爐襯,根據(jù)特殊用途優(yōu)化選擇爐襯熱面有以下幾項(xiàng)指標(biāo):(1)在爐子使用溫度下?tīng)t襯材料的工作特性(2)對(duì)爐內(nèi)氣氛的耐久性(3)爐襯的節(jié)能效果(4)生產(chǎn)周期(開(kāi)爐時(shí)間)(5)維修、保養(yǎng)費(fèi)用(6)安裝費(fèi)用氧化鋁纖維及其合成纖維(氧化鋁纖