建筑衛(wèi)生陶瓷節(jié)能之一*——耐火材料的現(xiàn)狀與節(jié)能

郝小勇

(江蘇脒諾甫納米材料有限公司　江蘇 宜興　214221)

建筑衛(wèi)生陶瓷節(jié)能之一*——耐火材料的現(xiàn)狀與節(jié)能

郝小勇

(江蘇脒諾甫納米材料有限公司江蘇 宜興214221)

摘要詳細(xì)論述了建筑衛(wèi)生陶瓷耐火材料的組成體系、耐火材料的發(fā)展過程和現(xiàn)狀及其對(duì)建筑衛(wèi)生陶瓷的影響，并指出建筑衛(wèi)生陶瓷節(jié)能減排的關(guān)鍵在于窯爐的節(jié)能，先進(jìn)的保溫材料是耐火材料和保溫材料發(fā)展的方向，正確的選擇窯爐使用的耐火材料是節(jié)能的保障。

關(guān)鍵詞耐火材料節(jié)能陶瓷窯爐

耐火材料是硅酸鹽學(xué)科的一個(gè)分支，硅酸鹽材料一般分為水泥、玻璃、陶瓷和耐火材料。耐火材料根據(jù)應(yīng)用的行業(yè)可分為：冶金工業(yè)用耐火材料、水泥行業(yè)用耐火材料、玻璃行業(yè)用耐火材料和其它耐火材料。建筑衛(wèi)生陶瓷所使用的耐火材料應(yīng)屬于其它用耐火材料。從理論上，耐火材料又分為定型耐火材料和不定型耐火材料。一般不定型耐火材料多用于水泥、冶金窯爐，在玻璃行業(yè)和陶瓷行業(yè)用量不大，因而我們?cè)诖瞬挥懻?，但要?qiáng)調(diào)的是，不定型耐火材料尤其是耐火骨料、耐火澆注料和耐火材料的膠凝劑等對(duì)部分陶瓷窯爐的施工起到不可估量的作用。

1建筑衛(wèi)生陶瓷行業(yè)用耐火材料的組成體系

建筑衛(wèi)生陶瓷包括建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、原輔材料(釉料、熔塊、色釉料等)，其所使用的耐火材料千差萬別，有效地歸類這些耐火材料，從而進(jìn)行討論很有必要。通常，我們不固定的區(qū)分窯爐，而是從耐火材料的材質(zhì)方面進(jìn)行討論，筆者遵循這一原則來進(jìn)行建筑衛(wèi)生陶瓷用耐火材料的討論。

建筑衛(wèi)生陶瓷用耐火材料分為窯爐用耐火材料、窯車用耐火材料及其它耐火材料。窯爐用耐火材料包括窯爐的墻體和萱頂，一般分為內(nèi)外3層，內(nèi)層為輕質(zhì)保溫棉、氈、板等；中層為重質(zhì)或輕質(zhì)保溫磚，外層以紅磚或低溫保溫磚為主。內(nèi)層的輕質(zhì)保溫層近年來發(fā)展比較迅速，以低溫莫來石纖維為主，兼顧了高溫莫來石纖維、高鋁莫來石纖維、含鋯莫來石纖維等，溫度從1 200~1 600 ℃的各個(gè)體系。纖維制成工藝采用了拉絲、甩絲、噴吹等工藝。內(nèi)層也可使用輕質(zhì)莫來石、高鋁等輕質(zhì)磚或者板，以輕質(zhì)氧化鋁、莫來石等空心球磚為主體。中層的重質(zhì)材料仍然采用低鋁高硅、高鋁低硅、莫來石與堇青石、焦寶石與莫來石等材料制成的重質(zhì)材料為主。外層的低溫耐火材料主要以鋁礬土、焦寶石、粘土等制作而成，相對(duì)鋁含量偏低，耐溫性能較差但價(jià)格較低。

窯車用耐火材料可分為窯車面、窯車支架、承燒板、匣缽等，除過組成窯車的基本架構(gòu)面材料外，其余的材料統(tǒng)稱為窯具材料。窯車用耐火材料與窯爐的墻體材料基本相同。窯具材料根據(jù)其使用用途不同可分為莫來石、高鋁莫來石、堇青石、莫來石-堇青石、SiC、氧化物結(jié)合碳化硅、氮化硅結(jié)合碳化硅等。在現(xiàn)代陶瓷窯爐不能忽視的是在輥道窯上使用的陶瓷輥棒，它使用的材料有氧化鋁質(zhì)、石英質(zhì)、氮化硅質(zhì)、滲硅碳化硅質(zhì)、重結(jié)晶碳化硅質(zhì)、氮化硅結(jié)合碳化硅質(zhì)等。建筑衛(wèi)生陶瓷輥道窯用輥棒以高鋁質(zhì)為主。

2各類耐火材料的發(fā)展過程和現(xiàn)狀分析

2.1　輕質(zhì)耐火材料

輕質(zhì)耐火材料是指氣孔率高、體積密度小、熱導(dǎo)率低的耐火材料。在工業(yè)窯爐和其他熱工設(shè)備上用作隔熱材料。與一般耐火磚相比較，輕質(zhì)耐火材料具有抗渣蝕性、力學(xué)強(qiáng)度、耐磨損性較差，高溫下體積收縮較大等特點(diǎn)，其分類方法如下：

1)按體積密度分類。體積密度為 0.3～1.3 g/cm3的稱作輕質(zhì)磚，低于 0.3 g/cm3的則為超輕質(zhì)磚。

2)按使用溫度分類。使用溫度為600～900 ℃稱為低溫隔熱材料，900～1 200 ℃為中溫隔熱材料，超過1 200 ℃為高溫隔熱材料。

3)按制品形狀分類。定形的輕質(zhì)耐火磚包括：粘土質(zhì)、高鋁質(zhì)、硅質(zhì)以及某些純氧化物輕質(zhì)磚等；不定形輕質(zhì)耐火材料包括：輕質(zhì)耐火混凝土等。

輕質(zhì)耐火材料具有質(zhì)量輕、施工方便等特點(diǎn)，因而在現(xiàn)代陶瓷窯爐中應(yīng)用最為廣泛。建筑衛(wèi)生陶瓷用隧道窯、輥道窯和其它陶瓷行業(yè)常用的推板窯等一些長形窯爐，由于有預(yù)熱帶、燒成帶、保溫帶、冷卻帶等工段，根據(jù)不同工段的不同溫度合理使用輕質(zhì)耐火材料對(duì)窯爐的節(jié)能尤為重要。

近幾年，輕質(zhì)莫來石磚、高鋁莫來石磚、莫來石纖維和高鋁莫來石纖維等輕質(zhì)耐火材料發(fā)展較快，為建筑衛(wèi)生陶瓷的窯爐節(jié)能提供了必要的材料保障。

輕質(zhì)耐火材料的產(chǎn)品最早以輕質(zhì)粘土磚為主，由于耐溫性能有限，只能在承燒溫度比較低的窯爐內(nèi)使用。自20世紀(jì)90年代后期，莫來石、氧化鋁熔融噴吹技術(shù)逐漸成熟從而開發(fā)了空心球磚。近年來，隨著耐火材料發(fā)泡工藝的日益成熟又開發(fā)了發(fā)泡型輕質(zhì)耐火材料，使耐火材料的熱導(dǎo)率大為降低，形成了隔熱性輕質(zhì)耐火材料。21世紀(jì)初，耐火纖維技術(shù)迅速發(fā)展，耐火纖維的壓成板、氈等定型材料工藝逐步完善且耐火纖維的溫度不斷提高，形成了目前的耐火纖維隔熱材料系列產(chǎn)品。

2.2　重質(zhì)耐火材料

重質(zhì)耐火保溫磚主要有：

1)酸性磚：硅磚(SiO2)、耐火粘土磚(SiO2+Al2O3) 。

2)中性磚：高鋁磚、鉻磚(Cr2O3+Al2O3,MgO,FeO) 。

3)堿性磚：鎂磚、鉻鎂磚、白云石磚。

4)特種磚：尖晶石磚、鋯英石磚、氧化鋯磚、碳磚、碳化硅磚、其它磚。

陶瓷窯爐最早使用的耐火材料以重質(zhì)磚為主，隨著輕質(zhì)隔熱耐火材料的不斷發(fā)展完善，重質(zhì)磚在建筑衛(wèi)生陶瓷用隧道窯、軌道窯等除有特殊需求外不再使用。而在耐腐蝕的窯爐如熔塊窯、燒制色料的梭式窯、回轉(zhuǎn)窯等領(lǐng)域仍然使用重質(zhì)耐火材料。使用其目的是為了不掉渣、抗腐蝕強(qiáng)度好，特別是熔塊窯，物料直接和耐火材料接觸，更應(yīng)該謹(jǐn)慎選擇重質(zhì)耐火材料，尤其是對(duì)材質(zhì)、密度和導(dǎo)熱系數(shù)等因素進(jìn)行選擇。這類窯爐的特點(diǎn)與隧道窯、軌道窯相反，一般重質(zhì)耐火材料在內(nèi)層而重質(zhì)耐火材料和保溫材料在中外層。

重質(zhì)耐火材料的發(fā)展是隨著我國的冶金工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展的。第一次大力發(fā)展起始于20世紀(jì)50年代，得益于前蘇聯(lián)對(duì)我國鋼鐵工業(yè)的扶持；第二次發(fā)展是在20世紀(jì)90年代，隨著改革開放和市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的繁榮，我國的鋼鐵企業(yè)迅速發(fā)展和其它冶金的進(jìn)步重質(zhì)耐火材料也得到了高速發(fā)展。陶瓷窯爐用重質(zhì)耐火材料與玻璃工業(yè)類似，主要以酸性磚、中性磚和部分特種磚為主，選磚主要是根據(jù)窯爐的燒成溫度、氣氛和熔融材料的腐蝕性、酸堿性等決定。

2.3　窯具材料

建筑衛(wèi)生陶瓷窯爐所用窯具包括：墊具、支撐柱、墊板、匣缽、承燒板和其它品種，在隔焰燒成時(shí)還有隔焰板。自20世紀(jì)80年代，隨著窯爐的革新，能源的變化，明焰裸燒技術(shù)的運(yùn)用，窯具也隨之變化。碳化硅板為四方形，其面積大小根據(jù)窯形而定，為坯胎明燒窯具，20世紀(jì)80年代初開始使用。莫來石板有四方形和圓形、橢圓形等，耐火平板為坯胎裸燒窯具。三足墊板是由匣缽演化而成，因匣缽圓形有墻，三足墊板無墻，缽底有3個(gè)足而得名，為明火裸燒墊具。層梯缽用于碳化硅制作，呈梯狀，一般分10層，為瓷板類燒成窯具。堇青石耐火平板是裸燒窯具。燒成匣缽有碳化硅匣缽、硅線石粘土匣缽、耐火粘土匣缽。支柱又名墊腳，俗稱狗腳，用碳化硅制成，作碳化硅板墊層支柱。

現(xiàn)代建筑衛(wèi)生陶瓷用耐火窯具形成了以下兩大體系：

1)以堇青石、莫來石形成的體系，有堇青石材質(zhì)、高鋁莫來石材質(zhì)、堇青石-莫來石質(zhì)、硅線石-莫來石質(zhì)、紅柱石-莫來石質(zhì)等，使用最多的是堇青石-莫來石質(zhì)。我國目前有南、北、中3個(gè)重要的生產(chǎn)基地，南方以廣東揭陽市熱金寶特種耐火材料有限公司為龍頭使用半干法壓制、壓力注漿、可塑法壓制、高壓真空擠出成形等工藝生產(chǎn)各種形狀的“高晶體結(jié)構(gòu)堇青石-莫來石”制品。該公司是世界上產(chǎn)品品種最為齊全的窯具制造商之一。中部以中鋼集團(tuán)洛陽耐火材料研究院有限公司為代表生產(chǎn)包括煉鋼、煉鐵、煉鋁、電力、環(huán)保、石油、玻璃與陶瓷等全系列耐火材料，涵蓋了堇青石-莫來石、莫來石、剛玉-莫來石、碳化硅、氮化硅-碳化硅、塞隆-碳化硅等一系列窯具材料。同時(shí)中鋼洛耐院也是我國耐火材料的大型研發(fā)機(jī)構(gòu)，是國資委管轄的重要央企之一。北方以北京創(chuàng)導(dǎo)工業(yè)陶瓷有限公司為主，該公司主要生產(chǎn)堇青石-莫來石材料。其主要產(chǎn)品有：耐火窯具、窯體結(jié)構(gòu)材料、輕量低蓄熱窯車及其它精細(xì)耐火材料和工業(yè)陶瓷制品，廣泛應(yīng)用于陶瓷工業(yè)、磚瓦工業(yè)、微晶石材工業(yè)、粉末冶金、磁性材料、新能源產(chǎn)業(yè)、食品工業(yè)、玻璃制品工業(yè)、磨具工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、探礦工業(yè)和航天工程等領(lǐng)域。

表1　各種SiC窯具材料的性能

2)碳化硅系列窯具，作為窯具用SiC材料都是多孔質(zhì)的，顯氣孔率達(dá)15%~20%。SiC窯具根據(jù)結(jié)合劑的不同分為粘土結(jié)合，氧化物結(jié)合，碳化硅結(jié)合和再結(jié)晶。各種SiC窯具材料性能見表1。

建筑衛(wèi)生陶瓷用SiC窯具以氧化物結(jié)合碳化硅、氮化硅結(jié)合碳化硅為主，日用陶瓷部分用粘土結(jié)合碳化硅、色料梭式窯、部分推板窯用粘土結(jié)合碳化硅。我國碳化硅窯具的生產(chǎn)基地很多，其中宜興、邯鄲、九江、洛陽均有很多生產(chǎn)企業(yè)，品種多樣。目前陶瓷窯爐使用較多的是宜興產(chǎn)和九江產(chǎn)碳化硅板材，立柱等結(jié)構(gòu)件各地都有生產(chǎn)。

2.4　陶瓷輥棒

陶瓷輥棒的材質(zhì)有碳化硅質(zhì)、石英質(zhì)、氧化鋁質(zhì)等，分別用在不同的領(lǐng)域。建筑衛(wèi)生陶瓷輥道窯一般使用高鋁質(zhì)陶瓷輥棒。目前國內(nèi)陶瓷輥棒生產(chǎn)工藝比較成熟，基本上采用擠出與等靜壓結(jié)合的成形工藝，燒成在平頂梭式窯中吊燒，燒成方法類似于電瓷產(chǎn)品的燒成。高鋁質(zhì)陶瓷輥棒分為細(xì)輥和粗輥，產(chǎn)品規(guī)格從25~80 mm不等，長度最長可達(dá)4 800 mm，廣泛用于內(nèi)墻磚、釉面磚、地板磚、仿古磚、?；u、外墻磚、滲化磚、廣場(chǎng)磚、日用陶瓷和衛(wèi)生陶瓷等。目前國內(nèi)能夠生產(chǎn)陶瓷輥棒的企業(yè)有10多家，以佛山金剛、三英輥棒、宜興海登皇格較為突出，其中金剛輥棒和三英輥棒幾乎占據(jù)半壁江山，屬于該行業(yè)的超大型企業(yè)。

陶瓷輥棒性能要求：高溫耐火性能好、抗彎曲強(qiáng)度高、高溫荷載能力強(qiáng)、蠕變性小、抗震能力強(qiáng)、熱膨脹小等。輥棒外觀要求壁厚一致、同心度好、表面光潔、直線度好等。

3耐火材料對(duì)建筑衛(wèi)生陶瓷節(jié)能的影響

耐火材料是保證陶瓷窯爐提高燒成效率和節(jié)約能源的最重要的輔助材料，正確的選擇和使用對(duì)于陶瓷生產(chǎn)企業(yè)十分重要。目前，國內(nèi)建筑衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)面臨著從大到強(qiáng)質(zhì)的轉(zhuǎn)變過程，在陶瓷同質(zhì)化嚴(yán)重、生產(chǎn)過剩等條件下，企業(yè)對(duì)生產(chǎn)實(shí)行精細(xì)化管控、對(duì)能源消耗實(shí)行優(yōu)化配置、對(duì)環(huán)境污染整治得更好，則該企業(yè)的發(fā)展前景將更好。因此，優(yōu)化和配置耐火材料對(duì)企業(yè)的發(fā)展相當(dāng)重要。在這個(gè)優(yōu)化配置的過程中我們可以看到各種新型的耐火材料一直發(fā)揮著重要作用。因此必須重視和采用先進(jìn)工藝技術(shù),加強(qiáng)對(duì)耐火材料產(chǎn)品的質(zhì)量控制。

3.1　窯體耐火材料與窯車耐火材料的選擇

窯體耐火材料和窯車耐火材料的合理選擇就是陶瓷燒成過程中節(jié)能的一個(gè)方面，對(duì)于輥道窯、隧道窯來說，由于窯爐分為預(yù)熱帶、燒成帶、保溫帶和冷卻帶，在預(yù)熱到可以根據(jù)溫度的變化曲線分區(qū)段選擇合理的耐火材料，而燒成帶和保溫帶在現(xiàn)在的陶瓷窯爐，燒成中統(tǒng)稱為燒成帶，這一階段是陶瓷窯爐溫度最高，散熱最大的階段，所以在耐火材料的選擇上尤其重要。

窯體與窯車耐火材料的選擇原則是本著保溫節(jié)能的目的進(jìn)行，根據(jù)窯爐情況的不同兼顧耐火材料的強(qiáng)度、耐腐蝕性和其他化學(xué)性能。一般情況下，使用新型耐火材料如硅酸鋁纖維和高鋁纖維制成的板、氈做內(nèi)部保溫比較好，其它輕質(zhì)耐火材料作為輔助。陶瓷纖維依據(jù)安全工作溫度(連續(xù)使用溫度)分為：普通型陶瓷纖維毯、標(biāo)準(zhǔn)型陶瓷纖維毯、高純型陶瓷纖維毯、高鋁型陶瓷纖維毯、含鋯型陶瓷纖維毯，這些產(chǎn)品應(yīng)用于窯爐窯體的不同部位。隧道窯和輥道窯的窯車在窯內(nèi)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此隨著時(shí)間和位置的變化，窯車襯磚蓄積的熱量以及向車下散失的熱量也在改變。窯車的蓄熱和散熱在隨著窯車的移動(dòng)不斷變化，故應(yīng)選擇蓄積熱量小，體積密度小、熱容量小、導(dǎo)熱系數(shù)小的輕質(zhì)保溫耐火材料。選擇這類材料不但有助于降低窯內(nèi)上下溫差，利于制品的均勻焙燒，而且還可減少向窯車下散熱，降低窯車金屬部件和車下溫度。 窯車襯磚的表面和四周，因接觸高溫和承受荷重，并且經(jīng)周期性的溫度變化，故這些部位材料應(yīng)能承受高溫荷重和耐冷、急熱變化。在滿足上述條件下，應(yīng)盡量采用保溫性能好的材料。窯爐的保溫性能越好，散熱越少，窯爐的熱利用率就越高，節(jié)能效果就越好。

3.2　窯具材料的選擇

窯具是一種在燒制陶瓷或者其他材料的過程中，對(duì)所燒制的材料起到保護(hù)和支持作用的工具，能夠保證材料在燒制過程中的質(zhì)量和完整性，因?yàn)楦G具的質(zhì)量會(huì)影響到大批量的需要經(jīng)過燒制工序的產(chǎn)品的質(zhì)量，所以，窯具在材料的選擇上要謹(jǐn)慎。

1)材料要耐高溫，因?yàn)闊G要長期處于高溫狀態(tài)，所以不僅耐高溫并且有較強(qiáng)的抗熱疲勞性能。

2)材料應(yīng)具備穩(wěn)定性和抗震性，有利于燒制過程中保持產(chǎn)品的平穩(wěn)，還要有較好的稱重能力，能夠承受產(chǎn)品的重量。

3)材料要具備高傳熱性能，能夠快速傳熱。

4)窯具材料要求盡量為低蓄熱材料，以免造成能源浪費(fèi)。

目前,國內(nèi)外概括起來窯具的材料主要有:鎂鋁硅系材料、SiC系材料及其他新型窯具。

1)鎂鋁硅系材料包括半堇青石、粘土、粘土-堇青石、堇青石-莫來石質(zhì)等。此系列材料的窯具主要成分為Al2O3、MgO和SiO2，在氧化氣氛下的最高使用溫度可達(dá)到1 300 ℃左右,能滿足大多數(shù)陶瓷制品的燒成要求;同時(shí)其膨脹系數(shù)低、熱震穩(wěn)定性好、而且價(jià)格較便宜,因此是現(xiàn)代陶瓷工業(yè)用量最大的窯具。

2)SiC系材料由于強(qiáng)度高,熱導(dǎo)率高,熱膨脹系數(shù)低,耐熱沖擊性好,適用于各種使用條件苛刻的環(huán)境。這類窯具的使用溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它類型窯具,使用溫度在1 300 ℃以上，但一般情況下小于1 600 ℃。目前,國內(nèi)制造碳化硅窯具一般以粘土、硅微粉、氮化硅粉或硅粉與碳化硅結(jié)合,形成不同品種的SiC窯具。

3)新型窯具主要有:堇青石-鈦酸鋁質(zhì)、堇青石-氧化鋯質(zhì)、鈦酸鋁-莫來石質(zhì)、重結(jié)晶SiC質(zhì)、滲硅SiC質(zhì)等。這類窯具承燒溫度較高，最高的可達(dá)2 200 ℃以上，主要應(yīng)用于特種行業(yè)。

4結(jié)語

建筑衛(wèi)生陶瓷節(jié)能減排的關(guān)鍵在于窯爐的節(jié)能，而窯爐技術(shù)的革新，則要從窯爐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、燒成技術(shù)的創(chuàng)新、合理選用噴槍、余熱回收利用、大范圍采用自動(dòng)控制技術(shù)，以及研發(fā)更先進(jìn)的保溫材料和涂層技術(shù)等方面進(jìn)行，正確地選擇窯爐耐火材料和窯車的窯具材料是窯爐實(shí)現(xiàn)節(jié)能的第一步也是最重要的一步。隨著高性能耐火材料和保溫材料的發(fā)展，窯爐耐火材料的可選擇范圍越來越廣，根據(jù)不同窯爐選擇適合的耐火材料對(duì)窯爐的節(jié)能效果影響深遠(yuǎn)。

作者簡介：*郝小勇(1968-)，本科，教授級(jí)高級(jí)工程師；主要從事粉體及硅酸鋯生產(chǎn)應(yīng)用的研究。

中圖分類號(hào)：TQ175

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1002-2872(2015)05-0009-04