CN105523718A

CN105523718A - 一种陶瓷纤维、其制备方法及工业窑炉内衬

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Publication number: CN105523718A
Application number: CN201511025668.2A
Authority: CN
Inventors: 孟凡伟; 赵生祥; 荆桂花; 乔文广
Original assignee: Luyang Energy Saving Materials Co Ltd
Current assignee: Luyang Energy Saving Materials Co Ltd
Priority date: 2015-12-30
Filing date: 2015-12-30
Publication date: 2016-04-27

Abstract

本发明提供了一种陶瓷纤维，包括以下质量分数的组分：Al₂O₃：40％～60％，SiO₂：20％～40％，ZrO₂：15％～20％。本发明调整了Al₂O₃和SiO₂的用量，可确保本发明中的陶瓷纤维在高温下，优先析出莫来石，而不是方英石，莫来石活性小、晶粒生长慢，能够提高产品的稳定性；15～20％这一含量范围的ZrO₂能够抑制莫来石的生长，提高产品的使用温度。实验结果表明，本发明提供的陶瓷纤维耐热温度在1350℃以上，在1350℃下加热24小时，加热永久线变化≤-2.5％，并且提高加热温度至1400℃后，其加热永久线变化的波动较小，在-3％左右。本发明提供了一种陶瓷纤维的制备方法及工业窑炉内衬。

Description

一种陶瓷纤维、其制备方法及工业窑炉内衬

技术领域

本发明属于无机材料技术领域，尤其涉及一种陶瓷纤维、其制备方法及工业窑炉内衬。

背景技术

陶瓷纤维，是一种新型轻质的耐火材料，具有容重轻、耐高温、热稳定性好、热传导率低、热容小、抗机械振动好、受热膨胀小、隔热性能好等优点。中国从上世纪70年代开始陶瓷纤维的生产研究，主要采用焦宝石、煤矸石、高岭岩等天然矿物原料进行低温陶瓷纤维的生产；以焦宝石、煤矸石、高岭岩等天然矿物原料生产的陶瓷纤维，因其原料杂质多、纯度低，制备的陶瓷纤维最高使用温度一般在1200℃以下，限制了其在高温领域的应用。

随着高温领域对陶瓷纤维的要求，逐步开发出了以氧化铝粉、石英砂为主要原料，添加氧化锆等成分，制备出了含锆陶瓷纤维，提高了陶瓷纤维的耐温度，把陶瓷纤维的最高使用温度提高至1350℃，可用于工业窑炉内衬，拓展了陶瓷纤维的应用领域。

现有的含锆陶瓷纤维的主要成分中，Al₂O₃一般在30％～40％，SiO₂含量一般在45％以上，ZrO₂含量在15％以下，这种含锆陶瓷纤维虽然耐温度较高，但是稳定性较差，在高温下容易变形。

发明内容

本发明的目的在于提供一种陶瓷纤维、其制备方法及工业窑炉内衬，本发明中的陶瓷纤维同时具有较高的耐温度和较高的高温稳定性。

本发明提供一种陶瓷纤维，包括以下质量分数的组分：

Al₂O₃：40％～60％，SiO₂：20％～40％，ZrO₂：15％～20％。

优选的，所述Al₂O₃的质量分数为45～55％。

优选的，所述SiO₂的质量分数为30～38％。

优选的，所述ZrO₂的质量分数为15～17％。

优选的，所述陶瓷纤维的直径为2～4μm。

本发明提供一种陶瓷纤维的制备方法，包括以下步骤：

A)将铝源、锆源和硅源混合，得到混合物料；

B)将所述步骤A)中的混合物料熔融，得到熔融的物料；

C)将所述步骤B)中熔融的物料拉伸成纤维，得到陶瓷纤维；

所述陶瓷纤维中包括以下质量分数的组分：Al₂O₃：40％～60％，SiO₂：20％～40％，ZrO₂：15％～20％。

优选的，所述铝源包括氧化铝粉；

所述锆源包括锆英砂；

所述硅源包括石英砂。

优选的，所述氧化铝粉的重量份数为40～55份；

所述锆英砂的重量份数为20～35份；

所述石英砂的重量份数为20～35份。

优选的，所述步骤B)中熔融的温度为2000～2400℃。

一种工业窑炉内衬，由上述陶瓷纤维制成。

本发明提供了一种陶瓷纤维，包括以下质量分数的组分：Al₂O₃：40％～60％，SiO₂：20％～40％，ZrO₂：15％～20％。本发明调整了Al₂O₃和SiO₂的用量，可确保本发明中的陶瓷纤维在高温下，优先析出莫来石，而不是析出方英石，莫来石活性小、晶粒生长慢，能够提高产品的稳定性；15～20％这一含量范围的ZrO₂能够有效抑制莫来石的生长，提高产品的使用温度。实验结果表明，本发明提供的陶瓷纤维耐热温度在1350℃以上，在1350℃下加热24小时，加热永久线变化≤-2.5％，并且提高加热温度至1400℃后，其加热永久线变化的波动较小，在-3％左右；渣球率≤12％(粒径＞212μm)，抗拉强度为0.06MPa～0.09MPa，平均500℃下的导热系数为0.075W/m·K～0.085W/m·K，并且具有更加优异的耐碱侵蚀性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中陶瓷纤维耐碱侵蚀实验的样品图；

图2为本发明实施例1中陶瓷纤维耐碱侵蚀实验图；

图3为本发明实施例2中陶瓷纤维耐碱侵蚀实验图；

图4为本发明实施例3中陶瓷纤维耐碱侵蚀实验图；

图5为本发明实施例4中陶瓷纤维耐碱侵蚀实验图；

图6为本发明比较例1中陶瓷纤维耐碱侵蚀实验图。

具体实施方式

本发明提供了一种陶瓷纤维，包括以下质量分数的组分：Al₂O₃：40％～60％，SiO₂：20％～40％，ZrO₂：15％～20％。

本发明提供的陶瓷纤维同时具有较高的耐温度和较高的高温稳定性。

在本发明中，所述陶瓷纤维中Al₂O₃的质量分数为40～60％，优选为45～55％，更优选为45～49％；所述SiO₂的质量分数为20～40％，优选为30～38％，更优选为32～34％；所述ZrO₂的质量分数为15～20％，优选为15～17％。具体的，在本发明的实施例中，可采用以下配比：Al₂O₃45％、ZrO₂15％、SiO₂40％；Al₂O₃45％、ZrO₂17％、SiO₂38％；Al₂O₃49％、ZrO₂15％、SiO₂32％或Al₂O₃49％、ZrO₂17％、SiO₂34％。

在本发明中，所述陶瓷纤维的直径优选为2～4μm，更优选为3μm；所述陶瓷纤维的渣球率优选≤12％(粒径＞212μm)。

本发明还提供了一种陶瓷纤维的制备方法，包括以下步骤：

A)将铝源、锆源和硅源混合，得到混合物料；

B)将所述步骤A)中的混合物料熔融，得到熔融的物料；

C)将所述步骤B)中熔融的物料拉伸成纤维，得到陶瓷纤维；

在本发明中，所述铝源优选包括氧化铝粉；所述锆源优选包括锆英砂；所述硅源优选包括石英砂。具体的，在本发明的实施例中，所述锆英砂的粒径优选为80～120目，更优选为90～110目，其中ZrO₂含量≥65％、SiO₂含量≥31％、Fe₂O₃含量＜0.1％；；所述氧化铝粉的粒径优选为120～200目，更优选为150～180目，其中Al₂O₃含量≥97.5％、Fe₂O₃含量≤0.05％；；所述石英砂的粒径优选为80～120目，更优选为90～110目，其中SiO₂含量≥98.5％、Fe₂O₃含量＜0.1％；以重量份数计，所述氧化铝粉优选为40～55份，更优选为45～50份；所述锆英砂优选为20～35份，更优选为25～30份；所述石英砂优选为20～35份，更优选为25～30份。本发明优选采用启动混料设备完成上述铝源、锆源和硅源的混合。

得到混合物料后，本发明将所述混合物料熔融，得到熔融的物料，在本发明中，所述熔融的温度优选为2000～2400℃，更优选为2100～2300℃。

本发明将熔融的物料采用离心甩丝或喷吹的方法拉伸成纤维，得到陶瓷纤维。在本发明中，所述离心甩丝和喷吹技术均是本领域技术人员常用的成纤维的方法。

按照上述方法得到的陶瓷纤维中，包括以下质量分数的组分：Al₂O₃：40％～60％，SiO₂：20％～40％，ZrO₂：15％～20％。

本发明还提供了一种工业窑炉内衬，由上述陶瓷纤维制成，本发明可以将所述陶瓷纤维编织成陶瓷纤维毯，以应用于温度在1200℃～1350℃的工业窑炉中。在本发明中，所述陶瓷纤维编织陶瓷纤维毯的方法为本领域技术人员常用的方法。

本发明按照GB/T17911-2006加热永久线变化测定方法测试了本实施例得到的陶瓷纤维毯在1350℃和1400℃下的永久加热线变化，结果表明，本实施例得到的陶瓷纤维的在1350℃下的永久加热线变化为≤-2.5％，并且提高加热温度至1400℃后，其加热永久线变化的波动较小，在-3％左右。

本发明按照GB/T17911-2006抗拉强度测定方法测试了本实施例得到的陶瓷纤维的抗拉强度，结果表明，本实施例中陶瓷纤维的抗拉强度为0.06MPa～0.09MPa。

本发明按照YB/T4130-2005水流量平板法测试了本实施例得到的陶瓷纤维的导热系数，结果表明，本实施例中陶瓷纤维的导热系数为0.075～0.085W/m·K(平均500℃)。

取本发明中的陶瓷纤维毯样品，样品长度为150mm、宽度为100mm，取3块，在其中一块样品中部挖取直径为30mm、深度为10mm大小的2个小孔，各称取6g碳酸钠放在小孔中，其余两块样品分别放在其上部及底部，然后放置在电加热炉中，在1260℃下加热6h，检测其耐碱侵蚀性能优劣，结果表明，本发明中的陶瓷纤维制成的陶瓷纤维毯受侵蚀程度较低，具有优良的耐碱侵蚀性能。

本发明提供了一种陶瓷纤维，包括以下质量分数的组分：Al₂O₃：40％～60％，SiO₂：20％～40％，ZrO₂：15％～20％。本发明调整了Al₂O₃和SiO₂的用量，可确保本发明中的陶瓷纤维在高温下，优先析出莫来石，而不是析出方英石，莫来石活性小、晶粒生长慢，能够提高产品的稳定性；15～20％这一含量范围的ZrO₂能够有效抑制莫来石的生长，提高产品的使用温度。实验结果表明，本发明提供的陶瓷纤维耐热温度在1350℃以上，在1350℃下加热24小时，加热永久线变化≤-2.5％，并且提高加热温度至1400℃后，其加热永久线变化的波动较小，在-3％左右；渣球率≤12％(粒径＞212μm)，抗拉强度为0.06MPa～0.09MPa，平均500℃下的导热系数为0.075～0.085W/m·K。

为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种陶瓷纤维、其制备方法及工业窑炉内衬进行详细描述，但不能将其理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

称取45重量份氧化铝粉、25重量份锆英砂、30重量份石英砂，各原料同时放入气动混料设备，经自动混料完成后，将混合均匀的原料输送到电阻中，在2100℃的温度下进行熔融，然后将熔融好的熔融液，从电阻炉底部放出，在熔融液放出的过程中，采用离心甩丝技术，把熔融液拉伸成陶瓷纤维，该陶瓷纤维的化学组分为：Al₂O₃45％；ZrO₂15％；SiO₂40％。

本发明将本实施例得到的陶瓷纤维编织成陶瓷纤维毯，厚度25mm，体积密度为128Kg/m³；

本发明按照GB/T17911-2006加热永久线变化测定方法测试了本实施例得到的陶瓷纤维毯在1350℃和1400℃下的永久加热线变化，结果如表1所示，表1为本发明实施例1～4和比较例1得到的陶瓷纤维毯的永久加热线变化。

本发明按照GB/T17911-2006抗拉强度测定方法测试了本实施例得到的陶瓷纤维的抗拉强度，结果表明，本实施例中陶瓷纤维的抗拉强度为0.075MPa。

本发明按照YB/T4130-2005水流量平板法测试了本实施例得到的陶瓷纤维的导热系数，结果表明，本实施例中陶瓷纤维的导热系数为0.079W/m·K(平均500℃)。

实施例2

称取45重量份氧化铝粉、30重量份锆英砂、25重量份石英砂，各原料同时放入气动混料设备，经自动混料完成后，将混合均匀的原料输送到电阻中，在2100℃的温度下进行熔融，然后将熔融好的熔融液，从电阻炉底部放出，在熔融液放出的过程中，采用离心甩丝技术，把熔融液拉伸成陶瓷纤维，该陶瓷纤维的化学成分为：Al₂O₃45％；ZrO₂17％；SiO₂38％。

本发明按照GB/T17911-2006抗拉强度测定方法测试了本实施例得到的陶瓷纤维的抗拉强度，结果表明，本实施例中陶瓷纤维的抗拉强度为0.082MPa。

本发明按照YB/T4130-2005水流量平板法测试了本实施例得到的陶瓷纤维的导热系数，结果表明，本实施例中陶瓷纤维的导热系数为0.082W/m·K(平均500℃)。

实施例3

称取50重量份氧化铝粉、25重量份锆英砂、25重量份石英砂，各原料同时放入气动混料设备，经自动混料完成后，将混合均匀的原料输送到电阻中，在2100℃的温度下进行熔融，然后将熔融好的熔融液，从电阻炉底部放出，在熔融液放出的过程中，采用离心甩丝技术，把熔融液拉伸成陶瓷纤维，该陶瓷纤维的化学成分为：Al₂O₃49％；ZrO₂15％；SiO₂32％。

本发明按照GB/T17911-2006抗拉强度测定方法测试了本实施例得到的陶瓷纤维的抗拉强度，结果表明，本实施例中陶瓷纤维的抗拉强度为0.085Mpa。

本发明按照YB/T4130-2005水流量平板法测试了本实施例得到的陶瓷纤维的导热系数，结果表明，本实施例中陶瓷纤维的导热系数为0.080W/m·K(平均500℃)。

实施例4

称取50重量份氧化铝粉、30重量份锆英砂、20重量份石英砂，各原料同时放入气动混料设备，经自动混料完成后，将混合均匀的原料输送到电阻中，在2100℃的温度下进行熔融，然后将熔融好的熔融液，从电阻炉底部放出，在熔融液放出的过程中，采用离心甩丝技术，把熔融液拉伸成陶瓷纤维，该陶瓷纤维的化学成分为：Al₂O₃49％；ZrO₂17％；SiO₂34％。

本发明按照GB/T17911-2006抗拉强度测定方法测试了本实施例得到的陶瓷纤维的抗拉强度，结果表明，本实施例中陶瓷纤维的抗拉强度为0.080Mpa。

本发明按照YB/T4130-2005水流量平板法测试了本实施例得到的陶瓷纤维的导热系数，结果表明，本实施例中陶瓷纤维的导热系数为0.079W/m·K(平均℃)。

比较例1

按照实施例1中的离心甩丝工艺制备的含锆纤维，其化学成分为：Al₂O₃：35％；ZrO₂：15％；SiO₂：50％。

本发明将本比较例得到的陶瓷纤维编织成陶瓷纤维毯，厚度25mm，体积密度为128Kg/m³；

本发明按照GB/T17911-2006加热永久线变化测定方法测试了本比较例得到的陶瓷纤维毯在1350℃和1400℃下的永久加热线变化，结果如表1所示，表1为本发明实施例1～4和比较例1得到的陶瓷纤维毯的永久加热线变化。

本发明按照GB/T17911-2006抗拉强度测定方法测试了本实施例得到的陶瓷纤维的抗拉强度，结果表明，本实施例中陶瓷纤维的抗拉强度为0.081Mpa。

本发明按照YB/T4130-2005水流量平板法测试了本实施例得到的陶瓷纤维的导热系数，结果表明，本实施例中陶瓷纤维的导热系数为0.095W/m·K(平均500℃)。

表1本发明实施例1～4和比较例1得到的陶瓷纤维毯的永久加热线变化

按照国际规定，陶瓷纤维毯在某一温度下保持24小时，加热永久线变化≤2.5％，为允许使用温度，由表1中的数据可以看出，在1350℃时，与比家里1相比，实施例1～4中的陶瓷纤维毯的加热线变化值均在-2.5％以内，说明了本发明提供的陶瓷纤维具有更好的耐热性能，在1400℃时，本发明实施例1～4中的陶瓷纤维毯的加热线变化值比比较例1中的变化值更小，说明本发明中的陶瓷纤维具有更好的热稳定性。

耐碱侵蚀实验

分别取实施例1～4中的陶瓷纤维毯样品及比较例1中的陶瓷纤维毯样品，如图1所示，图1为本发明实施例中陶瓷纤维耐碱侵蚀实验的样品图。样品长度为150mm、宽度为100mm，每种样品各取3块，在其中一块样品中部挖取直径为30mm、深度为10mm大小的2个小孔(如图1左图所示)，各称取6g碳酸钠放在小孔中(如图1右图所示)，其余两块样品分别放在其上部及底部，然后放置在电加热炉中，在1260℃下加热6h，对比各样品耐碱侵蚀性能优劣。

各样品耐碱侵蚀实验效果如图2～6所示：图2为本发明实施例1中陶瓷纤维耐碱侵蚀实验图；图3为本发明实施例2中陶瓷纤维耐碱侵蚀实验图；图4为本发明实施例3中陶瓷纤维耐碱侵蚀实验图；图5为本发明实施例4中陶瓷纤维耐碱侵蚀实验图；图6为本发明比较例1中陶瓷纤维耐碱侵蚀实验图。其中，图2～6的左图为中间层的陶瓷纤维毯耐碱侵蚀实验效果，右图为上层和下层的陶瓷纤维毯耐碱侵蚀实验效果(竖直放置的为上层，平躺放置的为下层)。

通过图2～6的耐碱侵蚀实验结果可见，比较例1中国陶瓷纤维毯样品受碱侵蚀严重，中部样品已侵蚀穿透、侵蚀孔较大，并且底部样品也已侵蚀穿透。与比较例1样品相比，各实施例陶瓷纤维样品受碱侵蚀程度低，中部样品底部的侵蚀孔较小，底部样品虽存在一定程度的侵蚀，但未侵蚀穿透。因此，实施例样品具有更加优良的耐碱侵蚀性能。

通过上述实施例和比较例，说明了本发明图中的化学组分设计，能够确保在高温下，优先析出莫来石晶相，而莫来石活性小，晶粒生长慢，产品能够保持良好的稳定性，并且同时有效抑制莫来石的生长，提高产品的使用温度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种陶瓷纤维，包括以下质量分数的组分：

Al₂O₃：40％～60％，SiO₂：20％～40％，ZrO₂：15％～20％。

2.根据权利要求1所述的陶瓷纤维，其特征在于，所述Al₂O₃的质量分数为45～55％。

3.根据权利要求1所述的陶瓷纤维，其特征在于，所述SiO₂的质量分数为30～38％。

4.根据权利要求1所述的陶瓷纤维，其特征在于，所述ZrO₂的质量分数为15～17％。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的陶瓷纤维，其特征在于，所述陶瓷纤维的直径为2～4μm。

6.一种陶瓷纤维的制备方法，包括以下步骤：

A)将铝源、锆源和硅源混合，得到混合物料；

B)将所述步骤A)中的混合物料熔融，得到熔融的物料；

C)将所述步骤B)中熔融的物料拉伸成纤维，得到陶瓷纤维；

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述铝源包括氧化铝粉；

所述锆源包括锆英砂；

所述硅源包括石英砂。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述氧化铝粉的重量份数为40～55份；

所述锆英砂的重量份数为20～35份；

所述石英砂的重量份数为20～35份。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤B)中熔融的温度为2000～2400℃。

10.一种工业窑炉内衬，由权利要求1～5任意一项所述的陶瓷纤维或权利要求6～9任意一项所述的制备方法制得的陶瓷纤维制得。