透析耐火陶瓷纖維及應(yīng)用發(fā)展

劉瀟

(湖北十堰市神風(fēng)化工材料公司，十堰 442000)

耐火陶瓷纖維材料是一種輕質(zhì)、高效的保溫絕熱材料，與傳統(tǒng)的絕熱材料相比，它具有以下優(yōu)勢(shì)：陶瓷纖維作爐襯體積密度低;陶纖爐襯比輕質(zhì)隔熱磚爐襯輕75%以上，比輕質(zhì)澆注料爐襯輕90%～95%。如采用纖維爐襯可大大減輕窯爐的鋼結(jié)構(gòu)負(fù)荷，延長(zhǎng)爐體使用壽命。陶瓷纖維作爐襯熱容量(蓄熱量)低：陶瓷纖維的熱容量?jī)H為輕質(zhì)耐熱襯里和輕質(zhì)澆注料襯里的1/10左右，而爐襯材料的熱容量與爐襯的重量成正比。低熱容量意味著窯爐在往復(fù)操作中吸收的熱量少，同時(shí)升溫的速度加快，大大減少了爐溫操作控制中的能源耗量，尤其對(duì)加熱爐的啟爐、停爐起到非常顯著的節(jié)能效果。隨著應(yīng)用技術(shù)的提高，陶瓷纖維還在不斷拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域，目前由于全球能源價(jià)格的不斷上漲、節(jié)能已成為中國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略的背景下，比隔熱磚與澆筑料等傳統(tǒng)耐材節(jié)能達(dá)10%～30%的陶瓷纖維在我國(guó)得到了更多更廣的應(yīng)用，發(fā)展前景十分看好。

1陶瓷纖維的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)及其發(fā)展變遷

陶瓷纖維最早出現(xiàn)在1941年，美國(guó)巴布、維爾考克斯公司用天然高嶺土，用電弧爐熔融噴吹成纖維。20世紀(jì)40年代后期，美國(guó)兩家公司生產(chǎn)硅酸鋁系列纖維，并首次應(yīng)用于航空工業(yè)；20世紀(jì)60年代，美國(guó)研制出多種陶瓷纖維制品，并用于工業(yè)窯爐壁襯。20世紀(jì)70年代，陶瓷纖維在我國(guó)開(kāi)始生產(chǎn)使用，其應(yīng)用技術(shù)在20世紀(jì)80年代得到迅速推廣，但主要適用溫度范圍在1000℃以下，應(yīng)用技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單落后。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，隨著含鋯纖維和多晶氧化鋁纖維的推廣應(yīng)用，使用溫度提高到1000～1400℃，但由于產(chǎn)品質(zhì)量缺陷和應(yīng)用技術(shù)的落后，應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用方式都受到局限。如多晶氧化鋁纖維不能制做成纖維毯，產(chǎn)品規(guī)格單一，以散棉、纖維塊為主，雖然使用溫度有所提高，但是強(qiáng)度很差，限制了使用范圍，也縮短了使用壽命。

陶瓷纖維爐襯當(dāng)平均溫度在400℃時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)小于0.11W/m?K；當(dāng)平均溫度在600℃時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)小于0.2W/m?K；當(dāng)平均溫度在1000℃時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)小于0.28W/m?K。導(dǎo)熱系數(shù)約為輕質(zhì)粘土磚的1/8，為輕質(zhì)耐熱襯里(澆注料)的1/10，絕熱效果十分顯著。

陶瓷纖維爐襯的熱敏性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于常規(guī)耐火材料爐襯，目前加熱爐一般使用微機(jī)控制，纖維爐襯的高熱敏性更適應(yīng)工業(yè)窯爐的自動(dòng)化控制。施工過(guò)程無(wú)需留設(shè)膨脹縫，施工技術(shù)因素對(duì)爐襯絕熱效果的影響小。纖維毯及模塊具有柔性和彈性，對(duì)劇烈的溫度波動(dòng)和機(jī)械震動(dòng)具有特別優(yōu)良的抵抗性能。在被加熱體能承受的前提下，纖維折疊模塊爐襯可以較快的速度加熱或冷卻而且不易破損。爐襯施工完畢即可投入使用，無(wú)需經(jīng)烘爐程序。陶瓷纖維能降低頻率小于1000Hz的高頻噪聲，對(duì)小于3000Hz的聲波，隔音能力優(yōu)于常用隔音材料，能顯著降低噪聲污染。

陶瓷纖維屬中性偏酸性材料，除與強(qiáng)酸堿反應(yīng)外，不被其他弱酸、堿及水、油、蒸汽侵蝕，與鉛、鋁、銅不浸潤(rùn)。隨著耐火纖維生產(chǎn)技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，耐火陶纖制品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了系列化與功能化。產(chǎn)品在使用溫度上，可以滿足從600～1600℃不同溫度檔次的使用要求；在形態(tài)上，已經(jīng)逐漸形成了從傳統(tǒng)的棉、毯、氈產(chǎn)品到纖維模塊、板、異型件、紙、纖維紡織品；從纖維棉到纖維噴涂、可塑料、澆注料等多種形態(tài)的二次加工或深加工產(chǎn)品，完全滿足各行業(yè)不同工業(yè)爐對(duì)耐火陶瓷纖維制品的使用要求。目前國(guó)內(nèi)陶瓷纖維已在電力、冶金、石油、化工、電子、船舶、交通運(yùn)輸、房屋建筑及一些輕工業(yè)部門(mén)得到廣泛的應(yīng)用，并用于宇航及原子能等尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。國(guó)外一些大的陶瓷纖維企業(yè)成功開(kāi)發(fā)并批量生產(chǎn)用于特殊應(yīng)用領(lǐng)域的多晶氧化鋯纖維、氮化硅纖維、碳化硅纖維、硼化物纖維等新產(chǎn)品，如美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)的多晶氧化鋁長(zhǎng)纖維，含有99.9%多晶α-Al2O3，纖維直徑為20μm，主要用于制造紡織物。由碳化硅纖維增強(qiáng)的金屬基(鈦基)復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料已用于制造航天飛機(jī)部件、高性能發(fā)動(dòng)機(jī)等耐高溫結(jié)構(gòu)材料，是21世紀(jì)航空航天及其他高技術(shù)領(lǐng)域的新材料。

近10年來(lái)，一些大的陶瓷纖維生產(chǎn)企業(yè)為了增強(qiáng)抗風(fēng)險(xiǎn)的能力,紛紛組建集團(tuán),并進(jìn)行了內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整.淘汰了一些落后的工藝與設(shè)備及生產(chǎn)線,在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上作了較大的調(diào)整,大幅度壓縮了在國(guó)際市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)力較差的普通硅酸鋁纖維產(chǎn)品,擴(kuò)大了高純硅酸鋁纖維、含鉻纖維、含鋯纖維、多晶氧化鋁纖維和多晶莫來(lái)石纖維等產(chǎn)品的生產(chǎn)能力。同時(shí),一些大的陶瓷纖維企業(yè)開(kāi)發(fā)成功并批量生產(chǎn)用于特殊應(yīng)用領(lǐng)域的多晶氧化鋯纖維、氮化硅纖維、碳化硅纖維、硼化物纖維等新產(chǎn)品,如美國(guó)DuPont(杜邦)公司生產(chǎn)的多晶氧化鋁長(zhǎng)纖維(商品名為FP纖維),含有99.9%多晶α-Al2O3,纖維直徑為20μm,主要用于制造紡織物。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,先進(jìn)的復(fù)合材料已研制開(kāi)發(fā)成功,其增強(qiáng)體主要是連續(xù)長(zhǎng)纖維和晶須,其中碳化硅纖維與晶須在復(fù)合材料中應(yīng)用最廣,由碳化硅纖維增強(qiáng)的金屬基(鈦基)復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料已用于制造航天飛機(jī)部件、高性能發(fā)動(dòng)機(jī)等耐高溫結(jié)構(gòu)材料,是21世紀(jì)航空航天及高技術(shù)領(lǐng)域的新材料。

2國(guó)內(nèi)外廠家競(jìng)相開(kāi)發(fā)陶瓷纖維新品種擴(kuò)大應(yīng)用范圍

陶瓷纖維是一種集傳統(tǒng)絕熱材料、耐火材料優(yōu)良性能于一體的纖維狀輕質(zhì)耐火材料。其產(chǎn)品涉及各領(lǐng)域,廣泛應(yīng)用于各工業(yè)部門(mén),是提高工業(yè)窯爐、加熱裝置等熱設(shè)備熱工性能,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕型化和節(jié)能的基礎(chǔ)材料。目前在國(guó)外陶瓷纖維的應(yīng)用帶來(lái)了十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益,導(dǎo)致陶瓷纖維的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大,一些主要工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的陶瓷纖維產(chǎn)量繼續(xù)保持持續(xù)增長(zhǎng)的發(fā)展勢(shì)頭,其中尤以玻璃態(tài)硅酸鋁纖維的發(fā)展最為迅速。同時(shí),隨著陶瓷纖維應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大,導(dǎo)致陶瓷纖維制品的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)隨之發(fā)生重大改變。陶瓷纖維深加工制品(如纖維繩、布等纖維制品)、纖維紙、纖維澆注料、可塑料、涂抹料等纖維不定形材料的產(chǎn)量大幅度增長(zhǎng),接近于陶瓷纖維產(chǎn)量的15%。陶瓷纖維新品種的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)和應(yīng)用,大大促進(jìn)了陶瓷纖維的應(yīng)用技術(shù)和施工方法的發(fā)展。

報(bào)載，近幾年日本開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出軍用發(fā)動(dòng)機(jī)用新型陶瓷纖維復(fù)合材料，如日本三菱株式會(huì)社為戰(zhàn)斗機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制了陶瓷纖維復(fù)合材料，該復(fù)合材料是將10μm的陶瓷纖維編織成三維結(jié)構(gòu)，涂以一種玻璃狀的物質(zhì)，這種陶瓷纖維耐熱，但易斷裂，將其制成復(fù)合材料，可提高其強(qiáng)度。碳纖維復(fù)合材料通常用于飛機(jī)及火箭箭體，但很少用于發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)樗蠹s只能用于300℃，所以一般用鎳基合金，而新的陶瓷纖維復(fù)合材料的耐高溫性比碳纖維復(fù)合材料好，而又比鎳基合金輕50%，該公司已在日本防衛(wèi)廳的戰(zhàn)斗機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)噴管上進(jìn)行了外場(chǎng)試驗(yàn)，并在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上成功制造了一個(gè)原型件，該公司2005年還在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。

美國(guó)和加拿大是陶瓷纖維的生產(chǎn)大國(guó),年產(chǎn)量達(dá)到了10萬(wàn)噸左右,約占世界耐火纖維年總產(chǎn)量的1/3。歐洲的陶瓷纖維產(chǎn)量位于第三,年產(chǎn)量達(dá)到6萬(wàn)噸左右。在年產(chǎn)30萬(wàn)噸的陶瓷纖維中,各種制品的比例大致為:毯和纖維模塊45%;真空成型板、氈及異形制品25%;散狀纖維棉15%:纖維繩、布等織品6%;纖維不定形材料6%:纖維紙3%。

陶瓷纖維制品的應(yīng)用領(lǐng)域主要是加工工業(yè)和熱處理工業(yè)(工業(yè)窯爐、熱處理設(shè)備及其它熱工設(shè)備),其消耗量約占40%,其次是鋼鐵工業(yè),其消耗量約占25%。國(guó)外在提高陶瓷纖維產(chǎn)量的同時(shí),注意研制開(kāi)發(fā)新品種,除1000型、1260型、1400型、1600型及混配纖維等典型陶瓷纖維制品外,近年來(lái)在熔體的化學(xué)組分中添加ZrO2、Cr2O3等成分,從而使陶瓷纖維制品的最高使用溫度提高到1300℃。此外,有些生產(chǎn)企業(yè)還在熔體的化學(xué)組分中添加CaO，MgO等成分,研制開(kāi)發(fā)成功多種新產(chǎn)品。如可溶性陶瓷纖維含62%～75%Al2O3的高強(qiáng)陶瓷纖維及耐高溫陶瓷紡織纖維等。

鋼鐵工業(yè)屬原材料工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，社會(huì)發(fā)展的重要支柱。鋼鐵工業(yè)的發(fā)展有賴于耐火材料工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，特別是近幾年來(lái)，新型隔熱耐火材料——陶瓷纖維的技術(shù)進(jìn)步，為冶金新技術(shù)的應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的保障。陶瓷纖維的適用范圍覆蓋了950～1600℃的高溫工業(yè)窯爐、加熱裝置及高溫管道，并成為應(yīng)用領(lǐng)域的高效節(jié)能材料。陶瓷纖維在國(guó)內(nèi)冶金行業(yè)的需求量大約在25000t/年。由于陶瓷纖維在冶金行業(yè)中應(yīng)用的層面和領(lǐng)域逐步深化和擴(kuò)大，所以，它已經(jīng)為業(yè)內(nèi)人士所普遍認(rèn)可。在冶金行業(yè)發(fā)展過(guò)程所面臨的挑戰(zhàn)中，調(diào)整產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，需要大量改造現(xiàn)有的生產(chǎn)裝備，這拉動(dòng)了陶瓷纖維需求量的提高；降低能耗，需要不斷加大低導(dǎo)熱系數(shù)耐火材料的應(yīng)用力度，陶瓷纖維的導(dǎo)熱系數(shù)僅是傳統(tǒng)重質(zhì)耐火材料的四分之一，這就使陶瓷纖維需求量不斷攀升；而提高生產(chǎn)裝備的科技含量則更要求大量使用陶瓷纖維材料，以提高窯爐襯里的科技含量和爐體輕型化水平?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著我國(guó)冶金行業(yè)的快速發(fā)展，陶瓷纖維的制造、銷(xiāo)售與應(yīng)用必將迎來(lái)一個(gè)前所未有的高峰，陶瓷纖維的產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用必將迎來(lái)一個(gè)前所未有的高峰，陶瓷纖維的產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用技術(shù)水平也將會(huì)有更大的飛躍。目前我國(guó)陶瓷纖維已處于持續(xù)調(diào)整發(fā)展的階段，陶瓷纖維的生產(chǎn)工藝與設(shè)備，尤其是干法針刺毯的生產(chǎn)工藝與設(shè)備具有世界先進(jìn)水平，含鉻、含鋯硅酸鋁纖維板，多晶氧化鋁纖維，多晶莫末石纖維及混配纖維制品等新型陶瓷纖維與制品相繼開(kāi)發(fā)成功，并投放了工業(yè)化生產(chǎn)，使纖維狀輕質(zhì)耐火材料構(gòu)成了完整的系列產(chǎn)品。

陶瓷纖維應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，致使高強(qiáng)度、抗風(fēng)蝕硬性纖維壁襯應(yīng)用日益普及。同時(shí)，陶瓷纖維生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，也大大推動(dòng)了陶瓷纖維的應(yīng)用技術(shù)和施工方法的發(fā)展。

3我國(guó)陶瓷纖維研發(fā)的進(jìn)展

我國(guó)陶瓷纖維生產(chǎn)起步較晚,在20世紀(jì)70年代初期,才先后在北京耐火材料廠和上海耐火材料廠研制成功并投入批量生產(chǎn)。其后10余年主要以“電弧爐熔融、一次風(fēng)噴吹成纖、濕法手工制氈”的工藝生產(chǎn)陶瓷纖維制品,工藝落后,產(chǎn)品單一。自1984年首鋼公司耐火材料廠從美國(guó)CE公司引進(jìn)電阻法甩絲成纖陶瓷纖維針刺毯生產(chǎn)線后.至1987年,又有河南陜縣電器廠、廣東高明硅酸鋁纖維廠和貴陽(yáng)耐火材料廠分別從美國(guó)BW公司和Ferro公司引進(jìn)了3條不同規(guī)模、不同成纖方法的陶瓷纖維針刺毯生產(chǎn)線及真空成型技術(shù),從此改變了我國(guó)陶瓷纖維生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)設(shè)備落后和產(chǎn)品單一的面貌。自1986年開(kāi)始.我國(guó)通過(guò)對(duì)引進(jìn)的陶瓷纖維生產(chǎn)設(shè)備和工藝消化、吸收,并結(jié)合國(guó)情研制、設(shè)計(jì)建成了不同類(lèi)型的電阻法甩絲(或噴吹)成纖干法針刺毯生產(chǎn)線82條,安裝在45家企業(yè)內(nèi)。年產(chǎn)量已達(dá)到10萬(wàn)t以上,成為世界最大的生產(chǎn)國(guó)。產(chǎn)品品種多樣化.除批量生產(chǎn)低溫型、標(biāo)準(zhǔn)型、高純型、高鋁型等多種陶瓷纖維針刺毯及超輕質(zhì)樹(shù)脂干法氈(板)外，還可生產(chǎn)14%～17%ZrO2的合鋯纖維毯。其使用溫度可達(dá)1300℃以上。

20世紀(jì)80年代末期,日本直井機(jī)織公司、車(chē)鐵及英特萊等機(jī)織品公司相繼在北京投資建成了陶瓷纖維紡織品專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)企業(yè),并批量生產(chǎn)陶瓷纖維布、帶、扭繩、套管、方盤(pán)根等陶瓷纖維紡織品,纖維織品生產(chǎn)所需的散狀纖維棉及工藝裝備均已實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。90年代初,北京、上海、遼寧鞍山、山東、河南三門(mén)峽等地先后從美國(guó)、法國(guó)、日本等國(guó)引進(jìn)了陶瓷纖維的噴涂技術(shù)和設(shè)備;并在冶金、石化部門(mén)工業(yè)窯爐上應(yīng)用了陶瓷纖維噴涂爐襯,節(jié)省了能耗,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益,現(xiàn)已得到了普遍推廣,并在冶金、石化和機(jī)械等部門(mén)工業(yè)爐和加熱裝置中的應(yīng)用取得了成功的經(jīng)驗(yàn)。與陶瓷纖維噴涂技術(shù)同步發(fā)展的陶瓷纖維澆注料、可塑料、涂抹料等纖維不定形材料,不僅已建有國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè),而且已在各類(lèi)工業(yè)窯爐、加熱裝置和高溫管道上推廣應(yīng)用。

與陶瓷纖維噴涂技術(shù)同步發(fā)展的陶瓷纖維澆注料、可塑料、涂抹料等纖維不定形材料,不僅已建有國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè),而且已在各類(lèi)工業(yè)窯爐、加熱裝置和高溫管道上推廣應(yīng)用。我國(guó)目前陶瓷纖維已處于持續(xù)調(diào)整發(fā)展的階段,陶瓷纖維的生產(chǎn)工藝與設(shè)備,尤其是干法針刺毯的生產(chǎn)工藝與設(shè)備具有世界先進(jìn)的含鉻、含鋯硅酸鋁纖維板,多晶氧化鋁纖維,多晶莫耒石纖維及混配纖維制品等新型陶瓷纖維與制品相繼開(kāi)發(fā)成功,并投放了工業(yè)化生產(chǎn),使纖維狀輕質(zhì)耐火材料構(gòu)成了完整的系列產(chǎn)品。陶瓷纖維應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大,致使高強(qiáng)度、抗風(fēng)蝕硬性纖維壁襯應(yīng)用日益普及。同時(shí),陶瓷纖維生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,也大大推動(dòng)了陶瓷纖維的應(yīng)用技術(shù)和施工方法的發(fā)展。

陶瓷纖維模塊是為了簡(jiǎn)化和加快窯爐施工、提高爐襯整體性而推出的新型耐火爐襯制品。陶瓷纖維模塊顏色潔白、尺寸規(guī)整，能直接固定于工業(yè)窯爐爐殼鋼板錨固釘上，具有良好的耐火隔熱效果，提高了窯爐耐火隔熱的整體性，推動(dòng)了窯爐砌筑技術(shù)的進(jìn)步分類(lèi)溫度1050～1400℃。陶瓷纖維模塊處于預(yù)壓狀態(tài)，在爐襯砌筑完畢后，陶瓷纖維模塊的膨脹使?fàn)t襯無(wú)縫隙，并可補(bǔ)償纖維爐襯收縮，以提高纖維爐襯的絕熱性能，整體性能好；優(yōu)良的熱穩(wěn)定性及抗熱震性；陶瓷纖維模塊安裝迅速，并且錨固件設(shè)置于壁襯冷面，可降低錨固件材質(zhì)的要求。應(yīng)用于陶瓷、玻璃等建材行業(yè)窯爐的爐襯絕熱；熱處理行業(yè)的熱處理爐的爐襯絕熱；其他工業(yè)窯爐爐襯。

隨著國(guó)家節(jié)能減排計(jì)劃的推進(jìn)，燒磚隧道窯的改造迫在眉睫，陶瓷纖維模塊在燒磚隧道窯吊頂方面以其卓越的保溫性能受到用戶青睞。模塊，包括折疊塊、切片塊、派洛塊、真空成型塊。由于多晶莫來(lái)石纖維制作方法及晶向結(jié)構(gòu)不同，其纖維長(zhǎng)度較短且柔軟性差。無(wú)法制作成大模塊，導(dǎo)致多晶纖維無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用。現(xiàn)在多晶纖維多使用在澆注料或耐火磚爐墻、爐頂內(nèi)表面貼塊，使用多晶纖維貼塊可有效降低爐外壁溫度同時(shí)減少爐墻蓄熱損失。目前國(guó)內(nèi)陶瓷纖維制造廠家使用的模塊形式多為折疊塊，該結(jié)構(gòu)使用針刺毯進(jìn)行折疊，成型時(shí)使用機(jī)械設(shè)備對(duì)模塊進(jìn)行預(yù)壓。由于折疊塊制作方法導(dǎo)致表面凹凸不平影響抗沖刷涂料噴涂的效果。切片塊就是在此基礎(chǔ)之上改進(jìn)而來(lái)，其制作方法與折疊塊相同，只是在成型后將纖維毯折疊處切去使模塊表面平整。

陶瓷纖維新品種的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)和應(yīng)用,大大促進(jìn)了陶瓷纖維的應(yīng)用技術(shù)和施工方法的發(fā)展。含鋯纖維是用熔融法生產(chǎn)的一種用途廣泛、成本較低的硅酸鋁纖維，可大量用作砌筑各種熱工窯爐的熱面全纖維爐襯，目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在這方面的質(zhì)量和應(yīng)用開(kāi)發(fā)還相對(duì)落后，現(xiàn)在國(guó)外出現(xiàn)了含鉻纖維，使用溫度比含鋯纖維更高，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有這方面的報(bào)道。

4陶瓷纖維的制造工藝及應(yīng)用前景

陶瓷纖維的制法有三種：即抽絲法、吹絲法和紡絲法。陶瓷纖維紙中的陶瓷纖維常用的是吹絲法。吹絲法是將熔融狀的混合原料，在惰性氣體的壓力下以細(xì)流狀態(tài)噴向高速旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)之周邊表面。在圓盤(pán)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的拉力下，將其紡成細(xì)絲纏繞在圓盤(pán)上，而得到幾微米的陶瓷纖維。

用于抄造陶瓷纖維紙的陶瓷纖維，必須經(jīng)過(guò)凈化處理把不合格的非纖維狀的陶瓷顆粒除去。然后采用打漿機(jī)對(duì)其纖維長(zhǎng)度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，務(wù)必使纖維的長(zhǎng)寬比等于10以上。在流送過(guò)程中應(yīng)保持陶瓷纖維呈懸浮、分散狀態(tài)。可在常規(guī)的長(zhǎng)網(wǎng)、圓網(wǎng)、斜網(wǎng)等造紙機(jī)上抄造完成。

根據(jù)產(chǎn)品的用途，抄造陶瓷纖維紙前可向漿料中加入黏合劑，也可不加。不過(guò)為了滿足工業(yè)生產(chǎn)所需求的強(qiáng)度，目前生產(chǎn)的陶瓷纖維紙中均已加入高溫黏合劑。

陶瓷纖維廣泛應(yīng)用于各類(lèi)熱工窯爐的絕熱耐高溫材料，由于其容重大大低于其他耐火材料，因而蓄熱很小，隔熱效果明顯，作為爐襯材料可大大降低熱工窯爐的能源損耗，在節(jié)能方面為熱工窯爐帶來(lái)了一場(chǎng)革命。另一方面它的應(yīng)用技術(shù)和方法對(duì)熱工窯爐的砌筑同樣帶來(lái)了一場(chǎng)革命。目前,“電阻法噴吹成纖、干法針刺制毯”和“電阻法甩絲成纖、干法針刺制毯”仍為國(guó)際上陶瓷纖維生產(chǎn)的兩種典型的工藝技術(shù)。由于陶瓷纖維的應(yīng)用范圍越來(lái)越擴(kuò)大,以及隨著高新技術(shù)的發(fā)展,要求陶瓷纖維產(chǎn)品向功能性方向發(fā)展,以滿足特定領(lǐng)域內(nèi)所需的專(zhuān)用功能性產(chǎn)品,如使產(chǎn)品具有優(yōu)良的耐高溫性能、機(jī)械力學(xué)性能、柔韌性能和可紡性能等。在制造方法方面,熔融法與化學(xué)法同時(shí)并存且同步發(fā)展,以適應(yīng)不同品種用途的需要。熔融法常用于生產(chǎn)非晶質(zhì)纖維,其技術(shù)含量低,生產(chǎn)成本低,產(chǎn)品的應(yīng)用量大面廣,主要用于工業(yè)窯爐、加熱裝置耐火、隔熱應(yīng)用領(lǐng)域中的基礎(chǔ)材料?；瘜W(xué)法用于生產(chǎn)多晶晶質(zhì)纖維,該法技術(shù)含量高,生產(chǎn)成本也高,附加值高,但產(chǎn)品仍較少,主要用于1300℃以上高溫工業(yè)窯爐的耐火隔熱及航天、航空、核能等尖端技術(shù)領(lǐng)域。

各種陶瓷纖維模塊是采用具有優(yōu)良性能的對(duì)應(yīng)材質(zhì)的纖維針刺毯按纖維組塊結(jié)構(gòu)、尺寸、由專(zhuān)業(yè)技工，用組塊加工專(zhuān)用設(shè)備制作而成，為保證壁襯砌筑完成后組塊之間相互擠壓形成無(wú)縫隙緊密的保溫整體。在制作過(guò)程中均保持一定壓縮量，產(chǎn)品配套錨固系統(tǒng)可與窯爐殼體牢固連接、尺寸精確、安裝簡(jiǎn)便。加快了爐襯施工速度，減輕窯爐重量，大幅度提高窯爐耐火絕熱性能。

陶瓷膜與有機(jī)聚合物膜相比，具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、機(jī)械強(qiáng)度高、孔徑均勻分布窄、微觀結(jié)構(gòu)可控、使用壽命長(zhǎng)等，因而可滿足特別苛刻的使用要求，在石油化工、化學(xué)工業(yè)、冶金工業(yè)、食品工業(yè)、環(huán)境工程、新能源等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，正日益受到重視。但實(shí)用的陶瓷膜一般為非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，膜制備工藝過(guò)程復(fù)雜，制造周期長(zhǎng)，成本高。另外，商品化陶瓷膜一般采用多通道管式構(gòu)型，膜管壁厚，膜的裝填密度低，導(dǎo)致單位體積有效過(guò)濾面積小和分離效率低。近年來(lái)，新型中空纖維構(gòu)型陶瓷膜受到廣泛關(guān)注，中空纖維陶瓷膜除具有傳統(tǒng)的陶瓷膜本身優(yōu)點(diǎn)以外，還具有裝填密度大、單位體積膜有效分離面積大、膜壁薄、滲透通量高和節(jié)省原料、易于實(shí)現(xiàn)分離設(shè)備小型化等優(yōu)點(diǎn)。新型中空纖維構(gòu)型陶瓷膜的應(yīng)用可望大大提高陶瓷膜分離性能。中空纖維陶瓷膜由于其獨(dú)特的性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在用于廢水(氣)處理的無(wú)機(jī)分離膜、固體氧化物陶瓷膜燃料電池、微通道反應(yīng)器、催化劑載體等領(lǐng)域的應(yīng)用正受到越來(lái)越多的關(guān)注。新型中空纖維陶瓷膜由于具有裝填密度大、單位體積膜有效分離面積大、膜壁薄、滲透通量高和節(jié)省原料等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注，在用于多孔和致密陶瓷分離膜、固體氧化物燃料電池、微通道反應(yīng)器、催化劑載體等方面都有著潛在的應(yīng)用前景。在概括中空纖維陶瓷膜特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜述了中空纖維陶瓷膜的制備方法研究進(jìn)展，著重分析比較了不同制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)。將相轉(zhuǎn)化法應(yīng)用于中空纖維陶瓷膜的制備，可實(shí)現(xiàn)通過(guò)一步成型制造具有自支撐非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的復(fù)合陶瓷膜，有利于提高膜的滲透通量、簡(jiǎn)化膜制備工藝和顯著降低制造成本。

新型中空纖維陶瓷膜除具有陶瓷膜本身優(yōu)點(diǎn)以外，與傳統(tǒng)多通道或平板構(gòu)型的膜相比，還具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：裝填密度高，單位體積膜有效過(guò)濾面積非常大，易于實(shí)現(xiàn)分離設(shè)備小型化。中空纖維陶瓷膜分離效率將比傳統(tǒng)構(gòu)型陶瓷膜有顯著提高。中空纖維膜管壁薄，因而可減小膜滲透阻力和縮短滲透路徑，提高流體滲透通量。此外，膜壁厚度遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的管式和平板陶瓷膜，可大大節(jié)省微粉原料。中空纖維膜可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要采取內(nèi)壓式或外壓式兩種不同過(guò)濾方式。

模板法是以有機(jī)聚合物中空纖維或活化碳纖維為模板，先將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的模板浸入預(yù)先制備的穩(wěn)定氧化物先驅(qū)體溶膠中，通過(guò)浸漬涂覆法，在纖維模板表面形成一層凝膠層，然后經(jīng)干燥和高溫?zé)色@得中空纖維陶瓷膜。采用有機(jī)模板法制備中空纖維陶瓷膜時(shí)，根據(jù)模板微觀結(jié)構(gòu)的不同，可形成對(duì)稱(chēng)或非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)中空纖維陶瓷膜?？梢灶A(yù)見(jiàn)，非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的形成將有助于降低膜的滲透阻力和提高膜滲透性。但模板法制備中空纖維陶瓷膜，需要預(yù)先采用金屬醇鹽制備穩(wěn)定的聚合物溶膠，并往往需要經(jīng)多次涂覆才能獲得合適厚度的凝膠層，工藝過(guò)程復(fù)雜，制備的膜易開(kāi)裂和變形，不適合大規(guī)模生產(chǎn)，主要用于實(shí)驗(yàn)室中空纖維膜制備。

陶瓷纖維產(chǎn)品質(zhì)量主要取決于原料的質(zhì)量,一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的陶瓷纖維生產(chǎn)企業(yè)都是以高純度合成粉料為原料,使熔融法生產(chǎn)的非晶質(zhì)纖維化學(xué)組成中的Fe2O3，Na2O，CaO等有害雜質(zhì)含量低于1%,從而提高了纖維板的質(zhì)量和耐熱性能。一般是對(duì)現(xiàn)有的工藝設(shè)備和生產(chǎn)工藝進(jìn)行改造與完善,生產(chǎn)功能性產(chǎn)品,擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)主要有:晶質(zhì)氧化鋁連續(xù)長(zhǎng)纖維、復(fù)合材料生產(chǎn)用的新型纖維增強(qiáng)體和納米結(jié)構(gòu)晶質(zhì)氧化鋁連續(xù)長(zhǎng)纖維的開(kāi)發(fā)等。

近些年，由于能源價(jià)格不斷上漲，燃料成本將會(huì)成為扼制陶瓷業(yè)發(fā)展的瓶頸，節(jié)能愈加重要。人們對(duì)窯爐熱損失愈來(lái)愈關(guān)心，有的直接在原有耐火內(nèi)襯表面加貼一層耐火陶瓷纖維以提高熱效率。在加貼前必須將窯壁上明顯的裂紋或剝落部位修復(fù)好。不過(guò)隔熱耐火磚與耐火纖維也不能任意濫用。迄今為止如堿性吹氧煉鋼爐、水泥回轉(zhuǎn)窯等內(nèi)襯，由于高溫化學(xué)侵蝕嚴(yán)重，都暫時(shí)不能用纖維作內(nèi)襯。對(duì)于連續(xù)加熱設(shè)備如陶瓷隧道窯，早已實(shí)現(xiàn)了采用耐火陶瓷纖維用作連續(xù)加熱設(shè)備的內(nèi)襯。據(jù)報(bào)道，快速推板窯與隧道窯中采用耐火陶瓷纖維節(jié)能效果都很顯著。尤其是超高溫加熱，如燒成溫度在1538～1649℃的窯爐中，采用耐火纖維的節(jié)能效果最佳。目前，歐美及日本的陶瓷窯爐設(shè)備全部采用陶瓷纖維內(nèi)襯。不久前日本將燃?xì)馑淼栏G分解為諸如車(chē)廂結(jié)構(gòu)進(jìn)行分節(jié)制造、然后再運(yùn)抵瓷廠施工現(xiàn)場(chǎng)組裝，這一切都是由于采用陶瓷纖維材料，大大節(jié)省了窯爐造價(jià)，更簡(jiǎn)便的緣故。從材質(zhì)改型方面推進(jìn)陶瓷纖維制品節(jié)能效果的研究也正在進(jìn)行中。

陶瓷纖維雖然為高溫工業(yè)領(lǐng)域的絕熱耐火起著重要作用,但也存在很大的生產(chǎn)弊端,尤其是它具有可吸入性，對(duì)環(huán)境及人體有一定的危害，國(guó)外一些企業(yè)加強(qiáng)了對(duì)非晶質(zhì)陶瓷纖維的限制使用。目前,一種生物溶解性非晶質(zhì)陶瓷纖維在絕熱耐火材料市場(chǎng)出現(xiàn),這種超級(jí)纖維屬無(wú)污染的環(huán)境友好型材料。陶瓷纖維最初是作為耐火保溫材料而發(fā)展起來(lái)的。由于其纖細(xì)的形狀,逐漸作為過(guò)濾材料而得到新的應(yīng)用,陶瓷纖維過(guò)濾器依賴于陶瓷纖維的發(fā)展和應(yīng)用。高溫?zé)煔鈨艋殉蔀椴牧?、冶金、化工、電力等行業(yè)實(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排”的一個(gè)重要技術(shù)攻關(guān)課題。許多工業(yè)煙氣屬于高溫?zé)煔?如冶煉、焚燒、火力發(fā)電、燃煤鍋爐、工業(yè)爐窯、余熱回收利用等。采用傳統(tǒng)的布袋除塵器凈化高溫?zé)焿m,通常要將煙氣冷卻至250℃以下并控制在露點(diǎn)溫度以上。因此,采取降溫方法凈化高溫?zé)煔鈩?shì)必造成設(shè)備、運(yùn)行費(fèi)用增加和熱能浪費(fèi)。

陶瓷纖維作為過(guò)濾器普遍強(qiáng)度較低,發(fā)展低成本高強(qiáng)度的連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷纖維過(guò)濾器是今后的發(fā)展方向。陶瓷纖維過(guò)濾器由于其優(yōu)良的特性將會(huì)在高溫?zé)煔膺^(guò)濾等方面發(fā)揮越來(lái)越重要的作用,具有脫硫、脫硝、煙氣催化轉(zhuǎn)化等功能的陶瓷纖維過(guò)濾材料將是熱氣體凈化材料的發(fā)展方向。陶瓷纖維過(guò)濾在我國(guó)高溫?zé)煔鈨艋矫孢€沒(méi)有起步,但近幾年來(lái)的應(yīng)用情況表明,在世界范圍內(nèi)陶瓷過(guò)濾器用量呈現(xiàn)出高增長(zhǎng)趨勢(shì)。陶瓷過(guò)濾器最突出的應(yīng)用是燃煤發(fā)電領(lǐng)域的煙塵凈化。最大限度地提高發(fā)電效率和減少對(duì)大氣造成的污染已成為世界各國(guó),特別是中國(guó)這樣一個(gè)燃煤大國(guó)的主要任務(wù)。通過(guò)循環(huán)流化床(CFBC)發(fā)電、煤氣化(IGCC)發(fā)電及其組合式發(fā)電,可以大大提高發(fā)電效率,達(dá)到節(jié)能減排的目的。煤氣化發(fā)電不同于傳統(tǒng)的蒸氣機(jī)發(fā)電過(guò)程。它是將煤加熱氣化后,在煤氣進(jìn)入燃?xì)馐桨l(fā)電機(jī)之前,需要凈化到高純度。大多數(shù)發(fā)電廠將進(jìn)入氣燃機(jī)的允許含塵濃度限制在5mg/m3以下,理論上最好低于1mg/m2。除塵系統(tǒng)的工作溫度常在350～1000℃、壓力為1～2.5MPa。因此,要在如此高溫、高壓下達(dá)到如此高的凈化效果,陶瓷過(guò)濾器必然成為第一選擇?？梢灶A(yù)見(jiàn),為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo),高溫?zé)煔馓沾蛇^(guò)濾技術(shù)在中國(guó)的推廣應(yīng)用已為期不遠(yuǎn)。新型陶瓷纖維是近年發(fā)展起來(lái)的高技術(shù)功能纖維。除了防紫外線纖維、蓄熱保溫纖維和抗菌防臭纖維外，還有防中子纖維、導(dǎo)電纖維、磁性纖維等，陶瓷微粉在纖維中的應(yīng)用范圍也十分廣闊。

5結(jié)語(yǔ)

總之，陶瓷纖維是一種性能優(yōu)異、纖維狀輕質(zhì)的新型絕熱節(jié)能材料，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用及國(guó)防領(lǐng)域的耐高溫、絕熱部位。隨著各國(guó)對(duì)節(jié)能的重視，陶瓷纖維得到了很好的應(yīng)用和快速發(fā)展。并且陶瓷纖維替代其他絕熱材料的空間也是十分巨大。預(yù)計(jì)未來(lái)幾年我國(guó)陶瓷纖維產(chǎn)量年復(fù)合增長(zhǎng)率在30%以上。隨著對(duì)功能性整理織物要求的不斷提高，以及新型陶瓷微粉材料研究開(kāi)發(fā)的不斷深入，開(kāi)發(fā)陶瓷纖維將會(huì)有良好的發(fā)展前途和廣闊的應(yīng)用前景。

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.05.008