我國陶瓷工業(yè)用耐磨材料的現(xiàn)狀

我國陶瓷工業(yè)用耐磨材料的現(xiàn)狀

中國是陶瓷生產(chǎn)的主要大國。目前,全國有陶瓷生產(chǎn)企業(yè)10000家以上,其中規(guī)模以上企業(yè)約4000家,從業(yè)人員300萬左右。全行業(yè)總產(chǎn)值約4500億元。2010年,我國規(guī)模以上企業(yè)日用陶瓷產(chǎn)量271.23億件,建筑陶瓷78.08億m2,衛(wèi)生陶瓷1.74億件,高技術(shù)陶瓷產(chǎn)量500萬t。耐火材料是陶瓷行業(yè)非常重要且必不可少的輔助材料,也是陶瓷行業(yè)科學(xué)發(fā)展,實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。充分了解和掌握我國陶瓷工業(yè)用耐火材料發(fā)展現(xiàn)狀,對行業(yè)的調(diào)整提升、節(jié)能減排具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。陶瓷工業(yè)用耐火材料按用途可分為窯體用耐火材料、窯車用耐火材料和窯具耐火材料。不同窯型、不同產(chǎn)品所選用的耐火材料見表1,其中,建筑陶瓷現(xiàn)在已很少用隧道窯。據(jù)測算,當(dāng)前我國陶瓷工業(yè)正在運(yùn)行的隧道窯有2000余條,輥道窯約有4000條,梭式窯有2000余座;每年新建或改造的隧道窯約有200條,輥道窯約800條,梭式窯200余座。每年新建或改造窯爐所需的輕質(zhì)耐火磚約50萬t,每年窯具材料(包括一級窯具、二級窯具、輥棒等)消耗在200萬t以上。因此,我國已經(jīng)成為陶瓷耐火材料消耗大國。我國陶瓷工業(yè)用耐火材料以堇青石-莫來石、碳化硅、各類陶瓷纖維、各類輕質(zhì)耐火磚、氧化鋁(輥棒)等。這5類材料占目前我國陶瓷工業(yè)用耐火材料的90%以上,現(xiàn)將這5類制品的使用現(xiàn)狀介紹如下:這類制品過去主要用作窯具,但最近幾年新建窯爐的窯頂及梭式窯的窯墻也開始使用此類材料。日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷的燒成窯具普遍使用此類材料,有的日用陶瓷廠專門設(shè)有窯具生產(chǎn)車間,但質(zhì)量不如專業(yè)廠家。該類材料最高使用溫度1350℃,具有膨脹系數(shù)低、抗熱震性好、成本低的特點(diǎn),能滿足大多數(shù)陶瓷產(chǎn)品的燒成需求。碳化硅制品分為氧化物結(jié)合SiC、重結(jié)晶SiC、滲硅反應(yīng)燒結(jié)SiC、Si3N4結(jié)合SiC以及無壓燒結(jié)SiC。其中,氧化物結(jié)合SiC普遍用于日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷生產(chǎn)的一級窯具,使用溫度高于1270℃,使用壽命在1年左右,但這種材料存在的氧化和落臟問題一直沒有得到很好解決。重結(jié)晶SiC是將注漿制品在2000℃左右溫度下燒成,在燒成過程中細(xì)顆粒碳化硅蒸發(fā),低溫時(shí)再結(jié)晶,將大顆粒碳化硅結(jié)合起來,該類材料適用于1350～1600℃燒成的陶瓷制品,其缺點(diǎn)是抗氧化性差。近年來,各類窯爐的燒嘴普遍采用此類材料。反應(yīng)燒結(jié)SiC是將碳化硅和含碳材料混合后,通過澆注法或真空擠壓法成型,在高濃度硅的條件下燒成,燒成過程中硅擴(kuò)散到坯體內(nèi)部與含碳材料反應(yīng)形成新的碳化硅,這類制品密度高、抗折強(qiáng)度高,是1350℃以下常用的材料。Si3N4結(jié)合SiC制品的氮化硅是在高溫可控氣氛下反應(yīng)形成的。該制品抗氧化性好,主要用于輥道窯的輥棒。無壓燒結(jié)SiC是將亞微細(xì)碳化硅粉體成型后在無壓條件下燒成,形成反應(yīng)燒結(jié)碳化硅,它具有強(qiáng)度高、抗氧化性好、使用溫度高等特點(diǎn)。目前,由于其售價(jià)較高,只在其他材料無法滿足要求的情況下使用。陶瓷纖維的品種主要有普通硅酸鋁纖維,高鋁硅酸鋁纖維,含Cr2O3、ZrO2或B2O3的硅酸鋁纖維,多晶氧化鋁纖維和多晶莫來石纖維等。近年來還開發(fā)了一些新的陶瓷纖維品種,如鎂橄欖石纖維、SiO2-CaO-MgO系陶瓷纖維、Al2O3-CaO系陶瓷纖維和一些特殊的氧化物纖維。陶瓷纖維在陶瓷窯爐上的應(yīng)用如下:①窯爐的膨脹縫、金屬部件的間隙處、輥道窯兩端頭轉(zhuǎn)動(dòng)部分輥棒間隙處、吊頂式窯爐的接縫處、窯頂、窯車及接頭處均可采用陶瓷纖維材料填充或密封。②陶瓷窯爐外層隔熱材料多采用陶瓷散棉或陶瓷纖維氈(板)作保溫隔熱材料。其可以減小窯壁厚度、降低窯壁表面溫度;纖維本身有彈性和填充性,可緩解磚壁膨脹熱應(yīng)力,提高窯爐氣密性;纖維熱容小,對快速燒成有幫助。③內(nèi)襯材料。根據(jù)使用區(qū)間溫度要求的不同,選擇合適的陶瓷纖維作為內(nèi)襯材料,可以使窯壁厚度減小,質(zhì)量減輕,降低成本,節(jié)約烘窯時(shí)間。④用于全纖維窯爐窯壁和爐襯。纖維爐襯的蓄熱量僅為磚砌爐襯的1/10～1/30,質(zhì)量為其1/10～1/20。可減輕爐體質(zhì)量,降低結(jié)構(gòu)費(fèi)用,還可提高燒成速度。目前,由于多晶氧化鋁纖維和多晶莫來石纖維的應(yīng)用,陶瓷纖維爐襯的最高使用溫度已可達(dá)1500～1600℃,純纖維窯爐內(nèi)襯在窯爐技術(shù)上的應(yīng)用已經(jīng)成熟,采用纖維加部分其他耐火材料的窯爐類型減少。陶瓷纖維在建造窯爐方面最大的優(yōu)點(diǎn)是其密度小,小于0.2g·cm-3。因此,采用陶瓷纖維的窯爐,節(jié)能效果最大可以達(dá)到30%～35%,又可以實(shí)現(xiàn)快速燒成,取得非常高的熱效利用率。此外,陶瓷纖維還具有良好的抗熱震性,很好的高溫化學(xué)穩(wěn)定性,這些優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)致了間歇式梭式窯大量應(yīng)用陶瓷纖維。陶瓷纖維制品形成了纖維棉、纖維氈、纖維毯、纖維砌塊及纖維構(gòu)件等非常多的品種。近年來,陶瓷窯在節(jié)能效果上的進(jìn)步,許多方面得益于陶瓷纖維材料的應(yīng)用。陶瓷纖維的使用壽命與窯爐內(nèi)的燒成氣氛密切相關(guān),在氧化氣氛下應(yīng)用,其壽命可達(dá)10年左右。而在還原氣氛下,有可能縮短纖維的使用壽命。適當(dāng)提高氧化鋁的含量,可以增加纖維表面的抗腐蝕能力。在陶瓷纖維的表面噴施一層1～2mm厚的莫來石與碳化硅涂層,或者莫來石-氧化鋁涂層,可以延長陶瓷纖維的使用壽命。陶瓷纖維的產(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)的含量低于1%,從而提高了纖維板的質(zhì)量和耐熱性能。近年來,建筑陶瓷窯爐向大型化發(fā)展,輥道窯具有燒成周期短、產(chǎn)品規(guī)格大、燒成溫度高的特點(diǎn)。生產(chǎn)墻地磚的氧化鋁輥棒產(chǎn)品向超高溫、超韌、超長度方向發(fā)展。氧化鋁輥棒是輥道窯中最關(guān)鍵的耐火材料,在窯爐中起承載和傳送產(chǎn)品的作用。輥道窯除在建筑陶瓷上應(yīng)用外,在日用瓷及特種陶瓷中也有著廣泛的應(yīng)用。隨著行業(yè)的發(fā)展,對輥棒的強(qiáng)度和高溫力學(xué)性能提出了更新的要求。輥棒的直徑目前發(fā)展到80mm左右,長度發(fā)展到5500mm,使用溫度最高可達(dá)1350℃。目前,陶瓷輥棒存在的問題仍然是高溫強(qiáng)度較低,脆性大,使用壽命較短。陶瓷輥棒一般采用冷等靜壓工藝成型,立式倒焰吊頂窯吊裝工藝燒成,燒成溫度1530℃,燒成時(shí)間14h。陶瓷工業(yè)用輕質(zhì)耐火材料是耐火度不低于1580℃,體積密度在0.6～1.0g·cm-3的無機(jī)非金屬材料。輕質(zhì)耐火材料按天然原料可分為黏土質(zhì)、高鋁質(zhì)、硅質(zhì)、鎂質(zhì)。陶瓷窯爐用合成堇青石、合成莫來石、工業(yè)氧化鋁等制成的輕質(zhì)磚較多,具有體積密度小(<1.3g·cm-3)、熱容小、氣孔率高(65%～78%)、重?zé)湛s小(<1%～2%)的特點(diǎn)。生產(chǎn)這類高鋁磚的原料有硅線石、藍(lán)晶石、紅柱石、莫來石、硬水鋁石、鋁礬土、剛玉和工業(yè)氧化鋁等。輕質(zhì)高鋁材料可細(xì)分為5類:低莫來石(硅線石)、莫來石質(zhì)、莫來石-剛玉質(zhì)、剛玉-莫來石、剛玉質(zhì)。隨Al2O3含量增加,高鋁制品中主要晶相莫來石和剛玉的數(shù)量增加,玻璃相減少,制品的耐火度相應(yīng)上升。2開發(fā)和推廣使用高強(qiáng)低蓄熱窯具我國陶瓷產(chǎn)品能耗指標(biāo)與世界先進(jìn)水平差距仍然很大(見表2),除燒嘴選擇與溫度控制原因外,最主要的原因仍然是耐火材料及窯爐設(shè)計(jì)的問題。耐火材料生產(chǎn)廠家應(yīng)結(jié)合陶瓷廠應(yīng)用的實(shí)際狀況,更加有針對性地解決陶瓷燒成能耗過多的問題,降低窯爐爐體散熱損失。國內(nèi)的許多窯爐外壁溫度高,散熱大,在選用優(yōu)質(zhì)耐火材料和保溫材料方面,還有很多工作要做。窯車離開窯時(shí)的蓄熱屬于熱損失,應(yīng)采用輕質(zhì)耐火材料,以降低窯車的蓄熱。最新的輕質(zhì)窯車是在多鋁紅柱石和堇青石板殼內(nèi)充填陶瓷纖維。它具有傳統(tǒng)窯車材料的穩(wěn)定性,蓄熱卻比用傳統(tǒng)材料降低70%,因此可以顯著降低燃料、運(yùn)營、維修的費(fèi)用。目前衛(wèi)生陶瓷、日用陶瓷燒成中窯具與陶瓷產(chǎn)品質(zhì)量比在6:1左右,窯具與陶瓷產(chǎn)品質(zhì)量比每降低1,單位熱耗可減少約1.37MJ·kg-1。因此,開發(fā)并推廣使用高強(qiáng)低蓄熱窯具值得行業(yè)注意。輥道窯用于燒陶瓷磚取得了明顯節(jié)能效果,如果將輥道窯用于燒衛(wèi)生瓷、日用瓷、陶瓷瓦等陶瓷產(chǎn)品,能源節(jié)約量將是巨大的。需要解決的是碳化硅輥棒等造價(jià)較高的問題。高檔耐火材料所用原料資源日益緊張,而原料的穩(wěn)定是