严格上讲,耐火纤维是硅酸铝质的高温熔融物纤维化和常温溶融物的纤维化,即硅酸铝质氧化物纤维和多晶氧化铝纤维,这两种耐火纤维都属于耐火纤维范畴。
从广义上讲,耐火纤维属于不定形耐火隔热材料,其纤维可分为无机纤维和复合纤维等。目前在工业炉窑墙体上用作隔热材料的纤维以无机氧化物纤维为主,大多数为硅酸铝系的非晶体纤维,如普通硅酸铝纤维、高纯硅酸铝纤维、高铝纤维、高纯含锆纤维和高纯含铬纤维。少数高温工业炉窑采用多晶莫来石纤维和多晶氧化铝纤维以粘贴的方法安装在炉衬工作面上。用在炉衬低温界面作隔热用的纤维包括:岩棉、矿渣棉和玻璃棉等。纤维的分类和使用温度见表1-3。
非晶体耐火纤维最髙使用温度(做电炉内衬时)小于℃,这类耐火纤维大多应用于间歇式炉上。例如:热处理炉、干燥窑等(炉温小于℃)的工作面上,根据炉墙温度梯度降的原理,各选用不同使用温度的耐火纤维形成复合结构炉衬。在炉温大于℃的工业炉窑上f尤其是轧钢加热炉上,非晶体耐火纤维基本上多用于炉墙的隔热层,而不允许用在工作面上。晶体纤维尤其是多晶莫来石纤维适应了轧钢加热炉的温度要求,在我国钢铁行业,轧钢加热炉墙内粘贴多晶莫来石纤维已在20世纪80年代获得成功,并且取得了可观的节能效果。
非晶体耐火纤维也称为玻璃态耐火纤维,它与晶体态纤维使用温度相差?℃,两者的差别在于Al含量不一样。玻璃态耐火纤维的A1含量在45%?58%,而晶体态纤维的A1含量在72%?95%。玻璃态纤维和晶体态纤维均属于AI-Si02系的耐火纤维,两种耐火纤维的生产工艺不同。玻璃态耐火纤维生产工艺称作高温熔融喷吹法或甩丝法,晶体态的耐火纤维生产工艺称作胶体法或化学法。这种生产工艺制造出来的耐火纤维,也称作氧化铝多晶纤维。在改变热处理工艺等,也可获得连续纤维或连续陶瓷纤维,在陶瓷材料加人连续陶瓷纤维,起到了陶瓷材料的增韧效果。
玻璃态耐火纤维生产工艺硅酸铝系耐火纤维在固态下存在的形式有两种:晶体态和玻璃态。其微观组织结构不同,Al含童不一样,生产工艺不同,最后的使用温度也不同。
物质是以原子(或离子)相互结合的,以分子或晶体的状态存在。它有3种不同的存在形态:气体、液体和固休。凡受外力作用时,形状和体积改变很小的物体称作固体。组成固体物质的微观结构可以是分子、原子和离子。一般情况下,在固体中相邻原子(或分子、离子)之间的距离比在气体和液体中的距离小,相互作用比较强。
固体材料又可分成晶体和非晶体(也称玻璃态)两大类。岩盐、金属等都是晶体。玻璃、沥青等都是非晶体。
从微观结构来看,组成晶体的微粒(原子、分子和离子)有规则的、周期性的排列组成一定的结晶格子,简称晶格。由于晶格粒子的分布有高度的规律性,晶体结构具有远程有序性。也就是说,在一定方向的直线上,微粒子有规则地重复千百万次。非晶体(玻璃态)中的微粒子分布杂乱无章,也会出现近程有序性,就是说只有相邻很近的一些粒子形成有规则的结构,从定义上讲,晶体结构的固体有一定熔化温度,非晶体(玻璃体)没有固定的熔化温度,仅有一个熔化区间。即晶体有确定的熔点和各向异性的特征,非晶体则没有。
液体的微观结构也有近程有序性,从这个现象来看,非晶体(玻璃体)的固态与液体是很相似的,甚至难以区分D最早的文献认为:只有晶体才能算为固体。在晶体溶化的过程中,组成晶体的原子热运动加强了,原子在平衡的位置附近的振动振幅加大了,热运动的影响使得有一些原子离开它们原有的活动范围,因而破坏了晶体结构的排列有序性。因此温度在熔点时,晶体由固态转变为液态时,微粒子的远程有序性结构消失,只剩下近程有序结构。
玻璃态耐火纤维的生产工艺采用的是高温熔融法,原料中的A1含量在30%?55%(包括人工组合添加配料),喷吹出来的(或离心甩丝)耐火纤维原棉属于介稳定态的玻璃体。它的生产方法是用电弧炉或电阻炉将原料融化成液体,高温液体以细流股的方式流出,被压缩空气或蒸汽喷吹成纤维。为了增大耐火纤维制品的拉伸强度,纤维的制取采用了三辊离心甩丝法,即将高温熔融液体浇注在高速旋转的辊子上,靠离心力将液体甩成纤维丝。玻璃态耐火纤维制取工艺如图1-2所示。
上述方法制成的纤维称作纤维原棉,原棉中含有部分未被吹成纤维的颗粒即渣球(喷丸)。渣球存在形式为多样化,有球状、月牙状等,直径大小从几十微米到数百微米。总的来说,渣球同平均直径仅有3?5pm纤维比较非常大,它对耐火纤维制品的隔热性能和拉伸强度起削减作用。因此,在一般情况下都采取重力分离法来分离渣球。渣球分离处理后,再经过热处理制成纤维毯等制品。玻璃态耐火纤维针刺毯工艺流程如图1-3所示。
我国20世纪80年代,BW针刺毯生产线没有引进之前,耐火纤维制品基本上是湿法成型。首先将纤维原棉切割成适合级配的碎块,混配成浆状放人定尺的金属模内,金属模壁上设有排水的小孔并与真空泵相连。金属模内衬要放人尼龙网纱,以便在挤压和抽真空时挡住纤维棉溢出。成型产品的厚度可根据抽力和挤压力来调节,这种湿法成型耐火纤维制品工艺如图所示。
生产工艺采用高温熔融法,是把近0℃髙温熔岩液体在几秒内形成固体,在这种骤冷条件下形成的固体与原料熔融前固体的显微组织结构差异很大。由于高温液体速凝,其冷却速度远大于物体微观组织内的原子扩散速度,因而晶格形成和排列的过程没有条件进行,这样物体内的微观组织形成了一种非稳定结构,即物体呈介稳定状态。这种介稳定状态的物体内保持着一定的势能,在有条件下(如温度升高给原子扩散创造了条件),它就会释放内能向稳定态组织结构转变,其转变的第一步是在玻璃态相内原子开始重新排列,即结晶或称析晶。
玻璃态耐火纤维产品及使用温度玻璃态耐火纤维根据产品Al含量和所填加的用于抑制高温下结晶的第三种成分材料不同可分为四大类产品:普通硅酸铝纤维、高纯硅酸铝纤维、高铝纤维和含锆硅酸铝纤维(含铬硅酸铝纤维)。玻璃态耐火纤维的制品可根据制作工艺和使用方式来规定,玻璃态耐火纤维产品理化性能指标(以体积密度?kg/m3针刺毯为例)见表1-4。
(表1-4玻璃态耐火纤维产品理化性能指标)
(表1-5硅酸铝纤维棉)
(表1-6硅酸铝纤维毯)
(表1-7硅酸铝纤维毡)
(表1-8硅酸铝纤维板)
(表1-9硅酸铝纤维异型件)
(表1-10硅酸铝纤维干法制品)
(表1-11硅酸铝纤维浇注料)
(表1-12硅酸铝纤纺织品)
(表1-13硅酸铝纤维组件)
(表1-14硅酸铝纤维喷涂料)
鲁阳公司对玻璃态耐火纤维的各种产品,分别归纳为十大类共58个品种。表1-5?表1-14为产品的分类Q产品编码说明如下:
(1)产品分类以数字编码的第一位数码表示:
1一普通型硅酸铝纤维产品;2—标准型硅酸铝纤维产品;
3—高纯型硅酸铝纤维产品;4_髙铝型硅酸铝纤维产品;
5—含锆型硅酸铝纤维产品。
(2)产品生产工艺以数宇编码的第二位数码表示:
1一甩丝成纤工艺;2—喷吹成纤工艺;3_湿法成型工艺;4一以热固性树脂干法制品生产工艺;5—真空成型工艺;6_真空吸滤工艺;7_喷涂工艺;8—折叠组件工艺;9一浇注工艺;0—纺织品工艺。
(3)产品形态以数字编码的第三位数码表示:
1_纤维棉;21维毯;3—纤维毡;4一纤维板;5_纤维异型件;6_纤维捣打料;7—纤维浇注料;8—纤维纺织品;9一纤维组件;0—纤维喷涂料。
在表1-4?表1-14中,5种玻璃态的耐火纤维即普通型硅酸铝纤维、标准型硅酸铝纤维、髙纯型硅酸铝纤维、髙铝型硅酸铝纤维和含锆型硅酸铝纤维,在℃加热h都有不同程度的析晶。这种析晶过程,就是介稳定态的玻璃相物体内部原子进行有序排列,形成内能最小的晶格结构。可以看出,硅酸铝系非晶质耐火纤维无论具体组成如何,在受热过程中都存在着析晶。析晶与加热时间有密切的关系,长时间加热,莫来石开始析晶的温度为℃,短时间加热,莫来石开始析晶的温度接近lOOO℃。耐火纤维出现方石英的析晶温度:长时间加热析晶温度为℃,短时间加热析晶温度约为℃。
耐火纤维在加热过程中析出莫来石晶体后,析晶量随着温度的升高或时间的延长而增加。在析晶过程的同时,先析出细晶粒要逐渐长大,而一些晶粒生长过程也是另一部分晶粒缩小或消灭的过程。其结果是平均晶粒尺寸都增长了。这种晶粒长大并不是小晶粒的相互粘结,而是晶界移动的结果。随着莫来石晶粒的不断长大,纤维的微观组织进一步收缩,微观组织的收缩在宏观会呈现,耐火纤维杆径出现不均匀的“缩径”,当耐火纤维晶粒相互吞并长到与纤维杆直径相近时,此处出现的缩径足以使纤维断裂即粉化,这个温度就是耐火纤维的使用极限温度。
普通耐火纤维由于杂质含量髙及A1含量低等方面的原因,开始析晶时晶粒生长得比较快,它是玻璃态耐火纤维使用温度最低的一种。髙纯耐火纤维杂质含量小于〗%,析晶温度比普通型耐火纤维析晶温度滞后一些,析出的晶粒长大也比较缓慢,因此,髙纯耐火纤维的使用温度比普通硅酸铝纤维要高一些。
高铝耐火纤维在加热过程中析晶温度滞后于髙纯耐火纤维,晶粒生长的速度更慢,其长期使用温度稍高于高纯耐火纤维。含锆耐火纤维(或含铬纤维),其显微组织中ZrO2弥撒在高纯耐火纤维的基体里,它的主要作用是抑制耐火纤维在加热过程中析晶和晶粒长大。但在℃左右ZrO2会逐渐缓慢地烧损或挥发,随着时间的延长,其抑制作用会越来越小,析晶和晶粒长大也加快,最后使用温度基本与高铝耐火纤维相同。
总之,在连续式的火焰气氛加热炉窑作内衬,国内生产的玻璃态耐火纤维其长期使用温度,也可以说是安全使用温度:普通型耐火纤维约为℃;标准型耐火纤维约为lotxrc;高纯型耐火纤维约为U00X;高铝型耐火纤雄约为℃;含锆型耐火纤维约为℃;大于℃的炉窑可选用多晶莫来石或多晶氧化铝耐火纤维。
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