王 霞 林 軍

摘要 本文詳細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,陶瓷纖維內(nèi)部晶相轉(zhuǎn)變會導(dǎo)致制品的收縮加劇,并使其逐漸斷裂。

隨著工業(yè)文明的不斷進步,工程材料的需求在不斷提升,對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,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,成形機采用自動加壓成形機,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)品強度也較均一。

(3) 浸漬粘結(jié)劑

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

浸漬粘結(jié)劑是一個非常重要的工序,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)品強度的一個重要組分,同時還能起到填充壓制產(chǎn)品中的部分空隙、易后續(xù)機加工及使產(chǎn)品表面光滑的作用,因此制品成形后需再浸漬粘結(jié)劑。如對產(chǎn)品強度和產(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出現(xiàn)斷裂外,最易出現(xiàn)的問題就是鋯纖維制品磨損嚴重,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理[5],即基于一個原因造成的兩個方面的破壞。一個原因指的是陶瓷纖維的失效永遠是與使用溫度和使用時間成正比關(guān)系。使用溫度超過制品最高使用溫度時,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間延長而嚴重,一般具有可評估性。兩個方面是指:一是指制品在長時間高溫加熱下,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)變造成纖維制品損壞失效。

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、比強度高、比重小、耐腐蝕性能好等特點,同時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,同時粉化脫落,致使制品失效。

參考文獻

[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.先進陶瓷及無機非金屬材料[M].北京:

科學出版社,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].無機化

學,2007,25(2).

[5] 張克銘.陶瓷纖維衰變及損壞機理[J].工業(yè)爐,

2006,28(2):44.