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多晶莫來(lái)石耐火纖維在鐘罩窯上的應(yīng)用

摘要:本文概述了國(guó)內(nèi)外多晶莫來(lái)石纖維的發(fā)展情況,重點(diǎn)論述了多晶莫來(lái)石纖維的形成機(jī)理和特性,指示了它在鐘罩窯上
應(yīng)用獲得成功,對(duì)其節(jié)能效果進(jìn)行了詳細(xì)的分析,并就纖維的結(jié)構(gòu)和安裝提出了改進(jìn)意見(jiàn),最后,預(yù)示了多晶莫來(lái)石纖維的發(fā)展前景。

  1、引言 
  高溫窯爐砌筑材料的選擇,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(guó)際上有從致密重質(zhì)型向輕質(zhì)或輕重相結(jié)合型發(fā)展趨勢(shì)。其中采用超輕質(zhì)陶瓷纖維作窯爐內(nèi)襯,已從實(shí)驗(yàn)走上實(shí)用階段。工業(yè)窯爐特別是間歇窯上采用陶瓷纖維也是工業(yè)窯爐在技術(shù)上的一項(xiàng)重大改革。 

  2、多晶莫來(lái)石纖維發(fā)展概況 
  陶瓷纖維以其良好的隔熱性能和易于施工的優(yōu)點(diǎn),被譽(yù)為節(jié)能的新型材料,也是國(guó)家作為重點(diǎn)推廣的新技術(shù)、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們的重視。在普通硅酸鋁纖維、高純硅酸鋁纖維、高鋁纖維和高純含鉻硅酸鋁纖維相繼出現(xiàn)之后,70年代初期,國(guó)外又試制成功晶體纖維(多晶氧化鋁纖維和多晶莫來(lái)石纖維等),目前,浙江歐詩(shī)漫晶體纖維 有限公司已成功開(kāi)發(fā)高性能HPMF多晶氧化鋁纖維。多晶莫來(lái)石纖維(簡(jiǎn)稱PMF)是由莫來(lái)石(MeIIite)微晶體構(gòu)成的高溫耐火纖維,它集晶體材料和纖維材料于一體,具有較高的熱穩(wěn)定性和纖維材料于一體,具有較高的熱穩(wěn)定性和彈性,可耐1500高溫,是一種新型超輕質(zhì)的隔熱材料。纖維制品容重是耐火磚的1/25,導(dǎo)熱率是耐火磚的1/6,化學(xué)性能穩(wěn)定,做高溫窯爐和熱工設(shè)備的砌體可節(jié)能5-40%。 

  晶體陶瓷纖維研制發(fā)展是在70年代初期,由于化學(xué)、陶瓷、冶金工業(yè)及航天工業(yè)的技術(shù)發(fā)展要求能在更高溫度下使用纖維材料。最早研制并建成規(guī)模工廠的是英國(guó)I.C.I公司,生產(chǎn)牌號(hào)“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(chǎn)量達(dá)500噸。在這以后,美國(guó)、日本、蘇聯(lián)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家也相繼研制并建成具有一定規(guī)模的工廠。如英、美聯(lián)合舉辦世界上最大的耐火纖維公司之一的金剛砂公司(也譯為碳化硅公司),推出牌號(hào)為“Fiber-Max”多晶莫來(lái)石纖維,它含A120372%、Sio227%,使用溫度達(dá)1600-1700oC,并相應(yīng)研制開(kāi)發(fā)出多晶纖維和非晶態(tài)纖維制成混合制品,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(chǎn)難度大,目前世界上只有美、英、蘇、日4國(guó)能生產(chǎn),年產(chǎn)量達(dá)1400噸。

  1986年9月28日,浙江歐詩(shī)漫晶體纖維有限公司的“年產(chǎn)10噸多晶莫來(lái)石纖維中試”項(xiàng)目,通過(guò)了浙江省科委技術(shù)鑒定,1990年12月28日在浙江杭州通過(guò)了冶金部多晶莫來(lái)石纖維應(yīng)用技術(shù)、研究技術(shù)鑒定,成為我國(guó)唯一生產(chǎn)多晶莫來(lái)石纖維的 公司。該產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)(包括纖維直徑、容量、高溫收縮率),經(jīng)浙江大學(xué)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,相當(dāng)于美國(guó)金剛砂公司生產(chǎn)的“Fibermax”多晶莫來(lái)石纖維指標(biāo),已達(dá)到80年代初期國(guó)際先進(jìn)水平。

  3、多晶莫來(lái)石纖維主要特性 
  多晶莫來(lái)石纖維和普通硅酸鋁纖維、氧化鋁纖維同屬A1203-Sio2系耐火纖維,這些纖維在980oC以上就會(huì)產(chǎn)生石英、莫來(lái)石、剛玉三種晶體。由不同晶體構(gòu)成的纖維具有不同的使用溫度特性,見(jiàn)表1。

  在高溫條件下,因方石英發(fā)生體積變化所產(chǎn)生巨大應(yīng)力,足以使纖維結(jié)構(gòu)碎裂粉化,這是造成硅酸鋁纖維不能承受1000oC以上高溫的主要原因。由莫來(lái)石和剛玉兩種晶體構(gòu)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)
硅酸鋁纖維
45-60
<1100
莫來(lái)石 
(3Al2O3· 2SiO2
單一莫來(lái)石相
莫來(lái)石纖維
72-75
-1500
剛玉 
(α- Al2O3
同質(zhì)異構(gòu)演變
氧化鋁纖維
80-95
-1400

  綜合評(píng)價(jià)纖維的高溫性能優(yōu)劣的簡(jiǎn)易方法,是測(cè)定其制品高溫加熱帳縮率與加熱時(shí)間之關(guān)系,收縮率變化小為優(yōu)。莫來(lái)石纖維的加熱收縮率與加熱時(shí)間的關(guān)系,見(jiàn)圖1。

  多晶莫來(lái)石纖維和硅酸鋁纖維不同之處是:多晶莫來(lái)石纖維有效地解決了硅酸鋁纖維無(wú)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(lái)石纖維與硅酸鋁纖維的區(qū)別,見(jiàn)表2。

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

     浙江歐詩(shī)漫晶體纖維有限公司生產(chǎn)的多晶莫來(lái)石纖維有兩個(gè)系列:PMF-100系列和PMF-300系列。前者是用多晶莫來(lái)石纖維棉毯,經(jīng)裁切壓縮,包扎成塊狀,內(nèi)不含任何粘結(jié)劑。后者是用多晶莫來(lái)石纖維棉加入特殊的粘合材料,用真空成型方法制成有彈性的氈、墊、環(huán)等或硬質(zhì)板、筒、塊、盒等形狀。見(jiàn)表3。 

    表3            PMF 兩 個(gè) 系 列 性 能 的 對(duì) 比
項(xiàng)    目

PMF-100兩個(gè)系列
PMF-300系列
特 性
抗熱震 
重量輕 
低蓄熱 
低導(dǎo)熱率 
吸音性好
重量輕 
有強(qiáng)度 
低蓄熱 
抗熱震 
低導(dǎo)熱率 
易機(jī)械加工
性 能
組成:Al 2 O 3 72-75%.SiO2 25-28% 
晶相:?jiǎn)我荒獊?lái)石相 
熔點(diǎn):1840oC 
使用溫度:電爐<1500oC.火焰爐<1400oC 
導(dǎo)熱率(W/m.K):0.226(1000oC) . 0.264(1200oC) . 0.336(1300oC) . 0.384(1400oC) 
重?zé)€收縮率:1500×6h<1.0% 
容重:100kg/m 
尺寸(長(zhǎng)×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(nèi)襯粘貼。如鋼鐵、化工、機(jī)械等加熱爐,均熱爐、鍛造爐、熱處理爐;陶瓷、建材、電子等燒結(jié)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(lái)石纖維在鐘罩窯上應(yīng)用 
  我公司BTK-05型微控鐘罩窯(以下簡(jiǎn)稱鐘罩窯)是采用纖維結(jié)構(gòu),內(nèi)襯為多晶莫石纖維PMF-300系列,厚度為50毫米,外襯硅酸鋁纖維CF-300系列,厚度為130毫米,窯墻、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,陶瓷釘橫穿窯墻或窯頂,其中一頭用墊圈卡子與外殼卡死,使窯墻或窯頂形成一個(gè)牢固的整體,見(jiàn)圖2。內(nèi)層要噴耐火涂料,同時(shí),為防止涂層開(kāi)裂,烘窯應(yīng)按烘窯曲線緩慢地進(jìn)行。

  該窯主要用于SrTiO料子預(yù)燒及電子陶瓷等燒成,自1990年7月投產(chǎn)以來(lái),工藝溫度曲線重復(fù)性好,窯車液壓升降平穩(wěn),爐溫穩(wěn)定度高,產(chǎn)品選題好,操作簡(jiǎn)便,勞動(dòng)強(qiáng)度低,節(jié)能顯著,于1991年1月29日通過(guò)了機(jī)電部部級(jí)鑒定。鑒定意見(jiàn):該窯達(dá)到了80年代初期國(guó)外同類窯爐水平,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

  一年來(lái),鐘罩窯同襯的PMF粘結(jié)牢固,至今沒(méi)有脫落,仍保持彈性,只是內(nèi)壁涂層出現(xiàn)細(xì)裂紋,這是纖維在高溫下產(chǎn)生收縮所致。燒了一段時(shí)間以后,待纖維收縮縫穩(wěn)定下來(lái),可用新纖維將裂縫修補(bǔ)好。 

  5、 節(jié)能效果分析 
  將鐘罩窯同我公司12米電熱隧道窯、日本CK-1-5型鐘罩窯相比較,可以得出其節(jié)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(xiàn)以預(yù)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(shí)進(jìn)一車,預(yù)燒一窯料子共需34小時(shí),預(yù)燒溫度為1360,平均每窯耗電1190千瓦小時(shí),求得其耗為10.93千瓦小時(shí)/公斤合格料子。

  用鐘罩窯預(yù)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(shí)間為9小時(shí),燒成周期為24小時(shí)左右,以半年來(lái)預(yù)燒SrTiO3料子求得每窯平均耗電207千瓦小時(shí),其單耗為20.7千瓦小時(shí)/公斤合格料子?,F(xiàn)將以上結(jié)果列于表4。 

    表4        同 12 米 電 熱 隧 道 窯 預(yù) 燒 情 況 的 對(duì) 比
項(xiàng)    目
窯型
PMF-100兩個(gè)系列
PMF-300系列
產(chǎn)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

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

  鐘罩窯每燒1窯節(jié)電為1190-207=983千瓦小時(shí),每月燒10窯,全年以燒120窯計(jì)算,全年節(jié)電約為11.8萬(wàn)度,折合金額達(dá)2萬(wàn)多元。
  同日本CK-1-5型鐘罩窯的對(duì)比,見(jiàn)表5。 
  由表5可以看出,我公司鐘罩同日本CK-1-5型鐘罩窯在預(yù)燒瓷料溫度相近時(shí)要節(jié)電,其節(jié)電效率為:(1.63-1.20)/1.63*100%=26.4% 

   表5             同 日 本 CK-1-5 型 鐘 罩 窯 的 對(duì) 比
項(xiàng)    目
窯型
CK-1-5
鐘罩窯
預(yù)燒料子名稱
鋯鈦酸鉛瓷料
2B 4 -1700瓷料
預(yù)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(jìn)意見(jiàn) 
  (1)改進(jìn)窯體結(jié)構(gòu),如調(diào)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(fā)揮。安裝時(shí),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(xiàn)裂縫。在爐體四角設(shè)置預(yù)制塊,以消除拐角結(jié)合面的裂縫。

  (2)將多晶莫來(lái)石纖維加入適量添加劑,并采用真空成型工藝制成氈、板、硬板及各種異型制品或混合纖維制品,以增加其強(qiáng)度,并方便安裝。 

  7、結(jié)束語(yǔ) 
  多晶莫來(lái)石纖維在BTK-05型微控鐘罩窯上的應(yīng)用填補(bǔ)了我國(guó)電子行業(yè)全纖維鐘罩窯的空白,節(jié)能非常顯著,達(dá)30%以上,燒成質(zhì)量穩(wěn)定,能滿足各種燒成工藝的要求。從節(jié)能和提高產(chǎn)品合格率創(chuàng)造的價(jià)值計(jì)算,兩年便可收回部投資。(新聞來(lái)源:德清縣晶爐耐火材料有限公司)


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