1.西安菲爾特金屬過(guò)濾材料有限公司，陜西 西安 710201；2.西部金屬材料股份有限公司，陜西 西安 710201

以鐵鉻鋁纖維(一般都含少量稀土元素)為原料制備的金屬纖維制品(包括纖維氈和織物等)是一種耐高溫產(chǎn)品，具有開(kāi)孔率高、透氣均勻、抗熱震性和導(dǎo)熱性好等特點(diǎn)，可作為表面燃燒器的火焰載體材料?；诋?dāng)前的國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)現(xiàn)，金屬纖維制品的表面燃燒器也稱(chēng)金屬纖維燃燒器，其特點(diǎn)有(1)燃燒頭外形適應(yīng)性強(qiáng)，如有圓盤(pán)形、圓柱形、球形等，并具有良好的抗熱震性和抗機(jī)械沖擊性；(2)燃燒強(qiáng)度高，燃燒功率調(diào)節(jié)范圍大，可在100～10 000 kW/m2范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)；(3)NOx排放濃度低，在20 mg/Nm3以下；(4)金屬纖維制品的表面燃燒器是全預(yù)混燃燒器，完全燃燒時(shí)過(guò)量空氣系數(shù)較低，故節(jié)能效果明顯。

近年來(lái)，隨著國(guó)家環(huán)境治理步伐的加快，特別是北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB 11/ 139—2015《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的發(fā)布，表面燃燒器出現(xiàn)了井噴式發(fā)展。與表面燃燒器相關(guān)的金屬纖維制品廠(chǎng)家為避開(kāi)知識(shí)產(chǎn)權(quán)壁壘、搶占部分市場(chǎng)，紛紛開(kāi)發(fā)了自己的金屬纖維制品，這便造就了當(dāng)今表面燃燒器用金屬纖維制品“百花齊放”的局面。

西安菲爾特金屬過(guò)濾材料有限公司是生產(chǎn)金屬纖維及制品的一家知名公司，生產(chǎn)表面燃燒器用金屬纖維制品已有近十年的歷史。公司不僅擁有鐵鉻鋁纖維燒結(jié)板和集束鐵鉻鋁長(zhǎng)纖維針織物兩種成熟的產(chǎn)品，還時(shí)刻關(guān)注國(guó)內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)狀況，具備較強(qiáng)的前沿市場(chǎng)洞察力和敏銳度。本文將以市場(chǎng)上現(xiàn)有的產(chǎn)品為依據(jù)，介紹目前國(guó)內(nèi)外表面燃燒器用金屬纖維制品的開(kāi)發(fā)狀況，分析各種產(chǎn)品的特點(diǎn)，以期為下游客戶(hù)選擇合適的金屬纖維制品提供參考。

1 金屬纖維開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

1.1 主要材質(zhì)

目前，表面燃燒器用金屬纖維制品的材質(zhì)絕大多數(shù)是鐵鉻鋁合金。這種鐵鉻鋁合金有是否添加稀土元素之分。一般情況下，表面燃燒器長(zhǎng)期藍(lán)焰燃燒時(shí)，火焰浮于燃燒面上方，燃燒面表面溫度約850 ℃，可選用未添加稀土元素的鐵鉻鋁纖維；表面燃燒器長(zhǎng)期紅焰燃燒，或藍(lán)焰和紅焰經(jīng)常交替出現(xiàn)時(shí)，燃燒面表面溫度可達(dá)900 ℃以上，此時(shí)只能選用添加稀土元素的鐵鉻鋁纖維。

1.2 幾種表面燃燒器用鐵鉻鋁纖維

1.2.1 集束拉拔鐵鉻鋁纖維

集束拉拔鐵鉻鋁纖維是采用集束拉拔法[1-2]制備而成的。先將50～300根鐵鉻鋁原料絲(絲徑為500 μm)放在一起，中間利用隔離層(通常采用電鍍法在鐵鉻鋁原料絲表面覆上一層銅)隔開(kāi)，然后一起穿入銅管中形成復(fù)合體；隨后對(duì)此復(fù)合體進(jìn)行多次拉拔，每次拉拔的加工率控制在8%～10%范圍內(nèi)，總加工率控制在80%以下；接著進(jìn)行再結(jié)晶退火，如此拉拔和退火交替進(jìn)行，直至將此復(fù)合體拉拔至最終的尺寸；最后采用電解或化學(xué)法將復(fù)合體上的銅溶解掉，即得集束拉拔鐵鉻鋁纖維。

集束拉拔鐵鉻鋁纖維表面形貌如圖1所示，其為連續(xù)長(zhǎng)纖維，常規(guī)絲徑在12～40 μm，可直接用于制備集束鐵鉻鋁長(zhǎng)纖維針織物和機(jī)織物，也可通過(guò)牽伸加工成短纖維用于制備纖維燒結(jié)板、纖維覆網(wǎng)燒結(jié)板、集束鐵鉻鋁短纖維針織物及機(jī)織物等。

圖1 集束拉拔鐵鉻鋁纖維表面形貌

1.2.2 卷材刮削鐵鉻鋁纖維

卷材刮削鐵鉻鋁纖維以厚度為1.0～2.0 mm的帶材為原料，先通過(guò)軋制復(fù)合的方法制備出鐵鉻鋁帶與銅帶的復(fù)合帶(具體疊配方式為鐵鉻鋁帶+銅帶+鐵鉻鋁帶)；然后將復(fù)合帶纏繞成緊密的卷，通過(guò)車(chē)床進(jìn)行刮削，生產(chǎn)原理如圖2所示；最后利用硝酸溶解掉刮削產(chǎn)物中的銅，即得卷材刮削鐵鉻鋁纖維[3-4]。

圖2 卷材刮削鐵鉻鋁纖維生產(chǎn)原理

卷材刮削鐵鉻鋁纖維表面形貌如圖3所示，其仍為連續(xù)長(zhǎng)纖維，橫截面近似長(zhǎng)方形(圖4)，可用于制備卷材刮削鐵鉻鋁短纖維針織物和機(jī)織物。

圖3 卷材刮削鐵鉻鋁纖維表面形貌

圖4 卷材刮削鐵鉻鋁纖維橫截面

1.2.3 熔抽鐵鉻鋁纖維

熔抽鐵鉻鋁纖維是利用專(zhuān)門(mén)的設(shè)備，從液態(tài)金屬中直接生產(chǎn)出來(lái)的。其制備原理如圖5所示，即加熱圓盤(pán)外圍的表面，并將圓盤(pán)略微浸入金屬熔體液面之下，使金屬熔體在圓盤(pán)外圍的表面發(fā)生凝固，接著凝固的金屬將呈纖維狀隨圓盤(pán)高速轉(zhuǎn)動(dòng)而被連續(xù)抽出。

圖5 熔抽鐵鉻鋁纖維制備原理

熔抽鐵鉻鋁纖維為短纖維，表面形貌如圖6所示，長(zhǎng)度一般為50.0～150.0 mm，可用于制備熔抽鐵鉻鋁纖維機(jī)織物。

圖6 熔抽鐵鉻鋁纖維表面形貌

1.2.4 振動(dòng)切削鐵鉻鋁纖維

振動(dòng)切削鐵鉻鋁纖維是利用一種具有彈性的刀具，在鐵鉻鋁棒上直接切削下來(lái)的。其制備原理如圖7所示，當(dāng)滿(mǎn)足一定的切削條件時(shí)，彈性刀具在切入方向上相對(duì)于纖維坯件即鐵鉻鋁棒產(chǎn)生自激振動(dòng)，從而生產(chǎn)出振動(dòng)切削鐵鉻鋁短纖維。此時(shí)，彈性刀具的振幅A應(yīng)滿(mǎn)足[5]：

式中：f——進(jìn)給量；

Φ——纖維坯件前后兩轉(zhuǎn)的相位差。

圖7 振動(dòng)切削鐵鉻鋁纖維制備原理

振動(dòng)切削鐵鉻鋁纖維為短纖維，其表面形貌如圖8所示，長(zhǎng)度為10.0～30.0 mm，可用于制備纖維覆網(wǎng)燒結(jié)板。

圖8 振動(dòng)切削鐵鉻鋁纖維表面形貌

1.2.5 單絲鐵鉻鋁纖維

單絲鐵鉻鋁纖維是采用單絲拉拔法制備的一種長(zhǎng)纖維，其表面形貌如圖9所示，絲徑約40 μm，抗拉強(qiáng)力大于100 cN，延伸率大于10%，可用于制備單絲鐵鉻鋁長(zhǎng)纖維針織物。

圖9 單絲鐵鉻鋁纖維表面形貌

2 金屬纖維制品

2.1 燒結(jié)制品

2.1.1 纖維燒結(jié)板

纖維燒結(jié)板是以集束拉拔鐵鉻鋁纖維為原料，經(jīng)過(guò)鋪氈、燒結(jié)、平整沖孔等工序制備而成的，其表面形貌如圖10所示。使用時(shí)，纖維燒結(jié)板未打孔部位的火焰較小，且多為輻射傳熱的紅焰，打孔部位的火焰又大又長(zhǎng)，且一般為對(duì)流傳熱的藍(lán)焰。于是，纖維燒結(jié)板表面便形成了氣流梯度，這在一定程度上提高了燃燒的穩(wěn)定性。這種燃燒技術(shù)被稱(chēng)為梯度燃燒技術(shù)[6]。

圖10 纖維燒結(jié)板

由纖維燒結(jié)板制備的表面燃燒器的NOx排放濃度可達(dá)到20 mg/Nm3以下，燃燒功率最高可達(dá)3 MW/m2，但由于打孔部位高溫藍(lán)焰的存在，其在食品烘烤、紡織品干燥、PVC低溫退火等行業(yè)的應(yīng)用受到了一定的限制。另外，組成纖維燒結(jié)板的纖維絲徑一般都小于20 μm，打孔部位纖維受氣流沖刷后易脫落，故會(huì)造成孔洞堵塞或孔洞變大等情況，進(jìn)而影響燃燒的穩(wěn)定性；未打孔部位透氣較少，透氣度一般都在500 L/(dm2·min)以下，若空氣中灰塵較多，則此處極易出現(xiàn)堵塞，最終影響整個(gè)表面燃燒器的燃燒效果。

2.1.2 纖維覆網(wǎng)燒結(jié)板

纖維覆網(wǎng)燒結(jié)板主要是由振動(dòng)切削鐵鉻鋁纖維與鐵鉻鋁編織網(wǎng)高溫?zé)Y(jié)復(fù)合而成的，部分制品還在鐵鉻鋁編織網(wǎng)外側(cè)增加了一層鐵鉻鋁箔材，其表面形貌如圖11所示。纖維覆網(wǎng)燒結(jié)板的透氣均勻性較好，透氣度可達(dá)500～1 000 L/(dm2·min)，可用于燃?xì)忮仩t、烘烤、干燥等領(lǐng)域。纖維覆網(wǎng)燒結(jié)板因一側(cè)有鐵鉻鋁編織網(wǎng)作為支撐，其剛度更大、壽命更長(zhǎng)。另外，經(jīng)過(guò)軋制處理的纖維覆網(wǎng)燒結(jié)板已形成一個(gè)個(gè)小的燃燒單元，各燃燒單元周?chē)睦w維已幾乎被壓實(shí)成致密區(qū)，這樣一旦個(gè)別單元出現(xiàn)纖維脫落，甚至逐漸形成孔洞，都不會(huì)蔓延至別的單元，不會(huì)對(duì)整個(gè)表面燃燒器的使用造成較大影響。個(gè)別廠(chǎng)家的同類(lèi)產(chǎn)品還在鐵鉻鋁編織網(wǎng)側(cè)覆上一層鐵鉻鋁箔材，這使得該類(lèi)產(chǎn)品的透氣均勻性又上了一個(gè)臺(tái)階，強(qiáng)度也有一定程度的提高，但該產(chǎn)品的透氣度會(huì)有20%左右的下降。再者，覆有鐵鉻鋁箔材的纖維覆網(wǎng)燒結(jié)板的剛度較高，只適于制作平板狀或圓筒狀的燃燒頭，否則鐵鉻鋁編織網(wǎng)與振動(dòng)切削鐵鉻鋁纖維之間易出現(xiàn)分層開(kāi)裂的現(xiàn)象。

(a) 纖維側(cè)

(b) 編織網(wǎng)側(cè)

2.2 織物

2.2.1 集束鐵鉻鋁長(zhǎng)纖維針織物

集束鐵鉻鋁長(zhǎng)纖維針織物是以絲徑22～35 μm的集束拉拔鐵鉻鋁長(zhǎng)纖維為原料，經(jīng)過(guò)加捻、退火、針織等工序制備而成的，其表面形貌如圖12所示。這種織物中纖維間孔隙較小，氣體絕大部分是從針織物線(xiàn)圈形成的孔洞中透過(guò)的。因此該織物用于表面燃燒器時(shí)，表面會(huì)形成梯度火焰，屬于梯度燃燒技術(shù)范疇，與纖維燒結(jié)板有相近的應(yīng)用領(lǐng)域。另外，這種織物的透氣度可達(dá)3 500～4 000 L/(dm2·min)，整體透氣性比纖維燒結(jié)板好，因此適用于火焰強(qiáng)度更大的場(chǎng)合，特別適用于燃?xì)忮仩t行業(yè)[7]。

2.2.2 集束鐵鉻鋁短纖維針織物

集束鐵鉻鋁短纖維針織物是以集束拉拔鐵鉻鋁長(zhǎng)纖維為原料，經(jīng)過(guò)牽伸(長(zhǎng)纖維變?yōu)?0.0～150.0 mm的短纖維)、紡紗、針織等工序制備而成的，其表面形貌如圖13所示。這種織物的透氣均勻性較好，透氣度一般為3 200～3 800 L/(dm2·min)，可以用于烘干、紅外加熱、燃?xì)馊紵阮I(lǐng)域，但這種織物由于沒(méi)經(jīng)過(guò)輥壓處理，再加上織物中纖維較短，故纖維脫落現(xiàn)象較嚴(yán)重，這限制了其在食品行業(yè)及火焰強(qiáng)度較高的燃?xì)馊紵袠I(yè)的應(yīng)用。另外，這種織物的彈性較大，制作燃燒頭時(shí)伸展織物所施加的力會(huì)對(duì)燃燒頭的整體透氣性影響較大，從而造成這類(lèi)織物的燃燒頭透氣性差異較大[8]。

圖13 集束鐵鉻鋁短纖維針織物表面形貌

2.2.3 卷材刮削鐵鉻鋁短纖維針織物

卷材刮削鐵鉻鋁短纖維針織物是以卷材刮削鐵鉻鋁短纖維為原料，經(jīng)過(guò)牽伸、包覆、針織、水洗、烘干等工序制備而成的，其表面形貌如圖14所示。該織物的整體透氣均勻性較好，透氣度一般在1 500～2 500 L/(dm2·min)，適用于紅焰和藍(lán)焰兩種表面燃燒狀態(tài)，但用作表面燃燒器時(shí)燃燒功率會(huì)因其透氣度較低而受到一定的限制。另外，這種織物經(jīng)過(guò)輥壓定型處理，織物的彈性很小，故用于制作燃燒頭時(shí)，燃燒頭的透氣性波動(dòng)不大，適用于大批量標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。但是，這種織物長(zhǎng)期使用也會(huì)出現(xiàn)纖維脫落的現(xiàn)象，因此限制了其在食品行業(yè)中的應(yīng)用。

圖14 卷材刮削鐵鉻鋁短纖維針織物表面形貌

2.2.4 單絲鐵鉻鋁長(zhǎng)纖維針織物

單絲鐵鉻鋁長(zhǎng)纖維針織物是以絲徑40 μm的單絲鐵鉻鋁纖維為原料，經(jīng)過(guò)包覆、捻線(xiàn)、針織、水洗、烘干等工序制備而成的，其表面形貌如圖15所示。這種織物纖維間孔隙較大、整體透氣均勻性較好，用于表面燃燒時(shí)火焰的均一性較好，即藍(lán)焰和紅焰不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，幾乎可應(yīng)用于表面燃燒器所有領(lǐng)域。另外，該織物的透氣度一般為3 000～4 000 L/(dm2·min)，燃燒過(guò)程中火焰強(qiáng)度的調(diào)節(jié)范圍較大，紅焰與藍(lán)焰之間可任意轉(zhuǎn)換。但這種織物的制作工藝較復(fù)雜、成本較高，同時(shí)織物本身的彈性較大，故制作燃燒頭時(shí)，燃燒頭的整體透氣性會(huì)隨伸展織物的強(qiáng)力不同而發(fā)生較大變化[9]。

圖15 單絲鐵鉻鋁長(zhǎng)纖維針織物表面形貌

2.2.5 集束鐵鉻鋁長(zhǎng)纖維機(jī)織物

集束鐵鉻鋁長(zhǎng)纖維機(jī)織物是以絲徑為30～40 μm的集束拉拔鐵鉻鋁長(zhǎng)纖維為原料，經(jīng)過(guò)上漿、整經(jīng)、機(jī)織、水洗、烘干等工序制備而成的，其表面形貌如圖16所示。該織物透氣均勻性好，但透氣度較小，一般在500～800 L/(dm2·min)，可應(yīng)用在干燥、烘干、加熱等領(lǐng)域火焰強(qiáng)度較低的環(huán)境中。另外，這種織物采用斜紋組織，織物中纖維相互之間很緊密，長(zhǎng)期使用后孔隙不易變形，火焰穩(wěn)定性好。再者，這種織物的制備工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本較低，適宜大面積推廣。

圖16 集束鐵鉻鋁長(zhǎng)纖維機(jī)織物表面形貌

2.2.6 集束鐵鉻鋁短纖維機(jī)織物

集束鐵鉻鋁短纖維機(jī)織物是以絲徑為12～22 μm 的集束拉拔鐵鉻鋁長(zhǎng)纖維為原料，經(jīng)過(guò)牽伸、紡紗、整經(jīng)、機(jī)織等工序制備而成的，其表面形貌如圖17所示。該織物透氣均勻性較好，透氣度為400～ 1 000 L/(dm2·min)，適用于干燥、烘干、加熱等領(lǐng)域火焰強(qiáng)度要求較低的環(huán)境中，但其在使用中存在纖維易脫落現(xiàn)象，因此限制了該織物在食品行業(yè)中的應(yīng)用。另外，該織物所用纖維的絲徑一般都小于22 μm，因此該織物的使用壽命小于集束鐵鉻鋁長(zhǎng)纖維機(jī)織物。再者，該織物制備工序較繁瑣且過(guò)程損耗較大，因此價(jià)格較高[7]。

圖17 集束鐵鉻鋁短纖維機(jī)織物表面形貌

2.2.7 卷材刮削鐵鉻鋁短纖維機(jī)織物

卷材刮削鐵鉻鋁短纖維機(jī)織物是以卷材刮削鐵鉻鋁纖維為原料，經(jīng)過(guò)牽伸、包覆、整經(jīng)、機(jī)織、水洗、烘干等工序制備而成的，其表面形貌如圖18所示。該織物中經(jīng)紗和緯紗都未經(jīng)過(guò)加捻，故紗線(xiàn)較為蓬松，這有利于改善織物的透氣性，織物透氣度一般為700～1 500 L/(dm2·min)，主要應(yīng)用于紅焰燃燒的表面燃燒器，但其存在長(zhǎng)期使用后纖維易脫落的弊端，故不宜用于食品行業(yè)。

圖18 卷材刮削鐵鉻鋁短纖維機(jī)織物表面形貌

2.2.8 熔抽鐵鉻鋁纖維機(jī)織物

熔抽鐵鉻鋁纖維機(jī)織物是以長(zhǎng)度為50.0～120.0 mm 的熔抽鐵鉻鋁纖維為原料，經(jīng)過(guò)梳理、紡紗、整經(jīng)、機(jī)織等工序制備而成的，其表面形貌如圖19所示。從圖19可以看出，該織物中紗線(xiàn)粗細(xì)均勻性較差，紗線(xiàn)間孔隙大小不一致現(xiàn)象較為嚴(yán)重。該織物透氣度測(cè)量結(jié)果為1 700～2 500 L/(dm2·min)，但波動(dòng)較大。該織物可實(shí)現(xiàn)紅焰和藍(lán)焰的自由切換，燃燒功率調(diào)節(jié)范圍大，可應(yīng)用在加熱、烘干、干燥等領(lǐng)域?qū)崃糠植季鶆蛐砸蟛桓叩沫h(huán)境中。該織物所用原料也是短纖維，長(zhǎng)期使用時(shí)纖維脫落的風(fēng)險(xiǎn)很大，因此也不適合在食品行業(yè)中應(yīng)用。

圖19 熔抽鐵鉻鋁纖維機(jī)織物表面形貌

3 展望

纖維燒結(jié)板、纖維覆網(wǎng)燒結(jié)板、集束鐵鉻鋁長(zhǎng)纖維機(jī)織物、卷材刮削鐵鉻鋁短纖維針織物及機(jī)織物、熔抽鐵鉻鋁短纖維機(jī)織物等六種產(chǎn)品，是目前國(guó)外主流的表面燃燒器用金屬纖維制品，它們?cè)诓煌念I(lǐng)域都有著較為廣泛的應(yīng)用，但當(dāng)它們?cè)趪?guó)內(nèi)使用時(shí)卻會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，如國(guó)外進(jìn)口的纖維覆網(wǎng)燒結(jié)板用于燃?xì)忮仩t時(shí)，由于我國(guó)空氣質(zhì)量較差，纖維覆網(wǎng)燒結(jié)板極易出現(xiàn)堵塞。因此，適合我國(guó)國(guó)情的表面燃燒器用金屬纖維制品是國(guó)外相關(guān)公司向我國(guó)推廣其產(chǎn)品時(shí)必須要考慮的因素。纖維覆網(wǎng)燒結(jié)板、集束鐵鉻鋁長(zhǎng)纖維針織物、集束鐵鉻鋁短纖維針織物、單絲鐵鉻鋁長(zhǎng)纖維針織物等四種產(chǎn)品，是國(guó)內(nèi)公司參照國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品并依據(jù)我國(guó)國(guó)情開(kāi)發(fā)出來(lái)的表面燃燒器用金屬纖維制品，目前已在相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行推廣和應(yīng)用，但由于應(yīng)用時(shí)間尚短，產(chǎn)品的壽命、穩(wěn)定性、透氣性等關(guān)鍵數(shù)據(jù)都還不明確，還有待在長(zhǎng)期使用過(guò)程中加以積累。