淺談含鋯陶瓷纖維制品的應(yīng)用技術(shù)

王 霞 林 軍

摘要 本文詳細(xì)敘述了含鋯陶瓷纖維制品的制備工藝及其應(yīng)用領(lǐng)域,對(duì)其應(yīng)用過程中容易出現(xiàn)的問題作了基礎(chǔ)分析,并從損壞機(jī)理出發(fā),探討了陶瓷纖維制品失效的本質(zhì)原因。

關(guān)鍵詞 鋯陶瓷纖維;應(yīng)用技術(shù);損壞機(jī)理

1 前言

陶瓷纖維作為耐火纖維的主要代表,廣義上講是指包括含氧化鋁、二氧化硅、硅酸鋁和氧化鋯等耐火纖維的總稱,狹義上講是包括硅酸鋁(Al2O3·SiO2)質(zhì)熔融或溶膠纖維化的纖維[1]。陶瓷纖維常用的成形方法為熔融纖維化方法,即先將原料熔融,再通過噴吹和甩絲法使其纖維化。

陶瓷纖維具有耐高溫、強(qiáng)度高、耐腐蝕性、抗劇烈溫度變化、絕熱性能好、密度小等特性,其主要用作爐墻砌磚的脹縫填料、高溫保溫內(nèi)襯、增強(qiáng)復(fù)合材料、熔融金屬或高溫氣液體的過濾材料和航空航天材料等[2]。陶瓷纖維及其制品性能的損壞或失效與一般陶瓷制品不同:一般陶瓷制品的損壞主要表現(xiàn)為開裂或脆性斷裂,而陶瓷纖維及其制品的損壞主要體現(xiàn)在陶瓷纖維的粉化脫落,使用溫度過高時(shí),陶瓷纖維內(nèi)部晶相轉(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致制品的收縮加劇,并使其逐漸斷裂。

隨著工業(yè)文明的不斷進(jìn)步,工程材料的需求在不斷提升,對(duì)材料性能的要求也在不斷提高。普通陶瓷纖維制品已經(jīng)不能滿足特定場合的應(yīng)用條件,含鋯陶瓷纖維制品作為從陶瓷纖維制品中發(fā)展出來的新型纖維制品,具有耐火度高、使用溫度高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于鋼鐵、銅及其合金冶煉中的配件、堿液過濾器、焦化廠保溫部件等較高溫的生產(chǎn)環(huán)境中[3,4]。

2 鋯纖維制品的制備工藝

2.1 制備工藝流程

鋯纖維制品(如澆口杯、轉(zhuǎn)接管、堵套、流槽、分流盤等)的制備,較為普遍的是采用濕法擠壓成形工藝,成形機(jī)采用自動(dòng)加壓成形機(jī),模具一般采用多孔石墨質(zhì)模具。圖1為鋯纖維制品制備的具體工藝流程。

2.2 關(guān)鍵工藝介紹

現(xiàn)將幾個(gè)關(guān)鍵工序作逐一介紹。

(1) 配 料

鋯纖維制品中采用的主原料為含鋯10%～17%的硅酸鋁陶瓷纖維棉,一般纖維棉中都含有一定量的渣球,而渣球含量直接影響耐火纖維制品的整體強(qiáng)度、體積密度和使用溫度,故使用前需經(jīng)過除渣處理,常采用濕法沉淀分離或干法懸浮分離將渣球清除。本工藝采用的是濕法沉淀分離法,操作簡單且分離效果較好。

除主原料鋯纖維外,配料中還加入了一定量的凝固劑和無機(jī)粘結(jié)劑,再配以水,調(diào)成棉質(zhì)漿料。在水泥池中用真空攪拌機(jī)打漿,使?jié){料混合均勻。

(2) 擠壓成形

將水泥池中陳腐好的漿料抽出,注入石墨多孔模具并加壓,加壓時(shí)棉漿中多余的水從孔中排出,成形后產(chǎn)品的含水率在18%～22%。

對(duì)同一配方而言,產(chǎn)品最后的比重取決于棉漿的加入量和加壓的壓力大小,棉漿加入量越大、加壓力越大,產(chǎn)品比重就越大。為保證產(chǎn)品比重的均勻性,成形時(shí)用同一容積的容器取出棉漿,壓力設(shè)定為一固定值,這樣得到的產(chǎn)品比重均勻性較好,產(chǎn)品強(qiáng)度也較均一。

(3) 浸漬粘結(jié)劑

將烘干后具有一定強(qiáng)度的產(chǎn)品,浸漬在無機(jī)粘結(jié)劑中,浸漬時(shí)間約30min,以保證浸漬充分。

浸漬粘結(jié)劑是一個(gè)非常重要的工序,由于采用濕法加壓工藝,粘結(jié)劑在成形過程中往往隨著水分一同從孔中排出,產(chǎn)品中只留有少量的粘結(jié)劑。而粘結(jié)劑是保證產(chǎn)品強(qiáng)度的一個(gè)重要組分,同時(shí)還能起到填充壓制產(chǎn)品中的部分空隙、易后續(xù)機(jī)加工及使產(chǎn)品表面光滑的作用,因此制品成形后需再浸漬粘結(jié)劑。如對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)度和產(chǎn)品表面性能有特殊要求,還需反復(fù)浸漬、烘干幾次。

(4) 培 燒

將浸漬、干燥后的產(chǎn)品放入培燒窯內(nèi)煅燒,培燒溫度為600～800℃,燒成周期10～12h。

由普通含鋯陶瓷纖維制成的產(chǎn)品,其內(nèi)部均為玻璃態(tài)相,具有較高的內(nèi)能,培燒可適當(dāng)降低其內(nèi)部勢能。經(jīng)培燒后配方中的各原料發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng),從而使制品結(jié)合緊密。

3 鋯纖維制品應(yīng)用技術(shù)及其失效機(jī)理

鋯纖維制品內(nèi)部的特殊晶相,使得其應(yīng)用技術(shù)較為特殊,應(yīng)用領(lǐng)域也更加廣泛。由于鋯纖維制品顯微組織中ZrO2彌散在纖維基體內(nèi),起到抑制陶瓷纖維在加熱過程中析晶和晶粒長大的作用,從而提高了制品的使用溫度,延長了制品的使用壽命。一般硅酸鋁陶瓷纖維最高使用溫度為1260℃,連續(xù)使用溫度為1100℃;而鋯纖維制品最高使用溫度為1400℃,連續(xù)使用溫度1300℃,因而鋯纖維制品被較多地運(yùn)用在高溫環(huán)境下,如鋁合金熔液及鋼鐵水鑄造行業(yè)、航天零部件、高溫爐內(nèi)保溫件等。

雖然鋯纖維具有良好的高溫性能,但也存在使用損壞失效的情況。由于其內(nèi)部為纖維狀玻璃相,其抗剪切性能遠(yuǎn)不如抗拉伸性能。制品的損壞基本是由纖維縮短、粉碎、脫落造成的,其耐磨性能較普通陶瓷差,所以制品除了在使用過程中會(huì)出現(xiàn)斷裂外,最易出現(xiàn)的問題就是鋯纖維制品磨損嚴(yán)重,導(dǎo)致尺寸不能匹配使用。

根據(jù)張克銘提出的陶瓷纖維失效的主要機(jī)理[5],即基于一個(gè)原因造成的兩個(gè)方面的破壞。一個(gè)原因指的是陶瓷纖維的失效永遠(yuǎn)是與使用溫度和使用時(shí)間成正比關(guān)系。使用溫度超過制品最高使用溫度時(shí),制品損壞具有驟然性;在使用溫度范圍內(nèi),其失效情況伴隨著時(shí)間延長而嚴(yán)重,一般具有可評(píng)估性。兩個(gè)方面是指:一是指制品在長時(shí)間高溫加熱下,纖維內(nèi)部發(fā)生晶體析晶、晶粒長大和晶相轉(zhuǎn)變而導(dǎo)致制品收縮,造成纖維桿自身斷裂粉化;二是指制品收縮導(dǎo)致制品間隙擴(kuò)大,火焰竄入后燒損爐壁、錨固件而使結(jié)構(gòu)破壞。晶體態(tài)纖維主要是晶粒長大和晶相轉(zhuǎn)變?cè)斐衫w維制品損壞失效。

4 結(jié)論

(1) 含鋯陶瓷纖維與普通陶瓷纖維一樣,具有耐高溫、比強(qiáng)度高、比重小、耐腐蝕性能好等特點(diǎn),同時(shí)具有比普遍陶瓷纖維更高的使用溫度,能滿足更苛刻的使用條件。

(2) 鋯纖維制品制備工藝較普通陶瓷纖維制品制備工藝差異不大,生產(chǎn)操作簡單。利用鋯廢渣制備含鋯陶瓷纖維制品,可大大節(jié)約原料成本。

(3) 鋯纖維制品的失效機(jī)理為內(nèi)部晶體析晶、晶粒長大和晶相轉(zhuǎn)變,制品內(nèi)部的單斜鋯晶相在持續(xù)高溫中變?yōu)樗姆较?莫來石晶體在高溫中不斷析出并且晶粒也慢慢長大;石英晶相富集并轉(zhuǎn)變?yōu)榉绞⒕?這些都導(dǎo)致制品收縮加劇、纖維變短,同時(shí)粉化脫落,致使制品失效。

參考文獻(xiàn)

[1] 張克銘.耐火纖維應(yīng)用技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,

2007.

[2] 傅正義,李建保.先進(jìn)陶瓷及無機(jī)非金屬材料[M].北京:

科學(xué)出版社,2007:91～93.

[3] 王英姿,候憲欽,陶文宏.氧化鋯陶瓷纖維特點(diǎn)及制備方

法[J].河南建材,2005(1).

[4] 李建軍.氧化鋯基連續(xù)陶瓷纖維關(guān)鍵制備技術(shù)[J].無機(jī)化

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[5] 張克銘.陶瓷纖維衰變及損壞機(jī)理[J].工業(yè)爐,

2006,28(2):44.