了解一下耐火材料“棚板”


来源:中国粉体网   山川

[导读]  棚板的面积大、厚度薄,是目前窑具用量最大的一部分,无论是生产还是使用,它非常具有代表性。

中国粉体网讯  随着社会经济的快速发展,窑具作为一种特殊的耐火材料,已成为陶瓷工业和耐火材料工业等行业必不可少的高温辅助材料制品。


窑具一般分为三大类:第一类是隧道窑、梭式窑等窑车台面用轻质边围砖,此类窑具使用环境温度稍低,主要是能承受压力的载荷且只要能达到低蓄热的目的即可;第二类是立柱、棚板和横梁等,该类窑具直接与火焰接触,使用环境温度高,棚板、横梁等需要承受高温及承重压力的双重作用,所以要求其应具备一定的高温抗折强度及良好的抗热震稳定性;第三类是支承烧成中陶瓷坯体的专用窑具,如匣钵、垫板等,此类窑具不一定直接与火焰接触,又只承受瓷件的重力,所以其使用环境要好得多。


在这些窑具中,棚板的面积大、厚度薄,也是目前窑具用量最大的一部分,无论是生产还是使用,它非常具有代表性。生产中常用的棚板材料有莫来石质、堇青石质、氧化物结合SiC质、反应烧结碳化硅(SiSiC)等。


莫来石堇青石质棚板


随着低温快速烧成制度的推广,堇青石—莫来石窑具在我国现代陶瓷工业中已经得到了广泛的应用。堇青石—莫来石棚板以莫来石为骨料、堇青石为基料烧制而成。由于堇青石具有(SiO2)n圆环状结构,此结构中有较大的空隙,故具有热膨胀系数小的特点,而莫来石热膨胀系数大,导致两种材料的膨胀系数不匹配,使得两相界面形成微细裂纹,能有效降低温度变化产生的热应力,有效地避免了灾难性裂纹的扩散,极大地提高了堇青石—莫来石质耐火材料的热稳定性能;同时,由于莫来石晶体的耐火度高(熔点为1810℃)、机械强度高(室温下抗弯强度为49MPa),因此使用莫来石做骨料能有效地提高棚板的高温强度。


(堇青石-莫来石棚板)


堇青石—莫来石棚板在使用过程中通常受到温度快速变化的影响,产生了较高的热应力,在热应力的长期作用下,使得棚板的强度逐渐降低,最终形成灾难裂纹的产生,使棚板开裂。因此,要缓解热应力增长对堇青石—莫来石棚板使用寿命的影响,就必须提高堇青石—莫来石棚板的抗热震性能。


刚玉莫来石棚板


目前,在高温梭式窑上刚玉-莫来石棚板得到广泛使用,该棚板具有优良的高温强度、抗热震性和较高的使用温度(1700℃),且化学稳定性良好,不易与所承烧的产品发生反应,特别适用于烧成软磁(铁氧体)材料和电子绝缘陶瓷。但是由于高温棚板在高温(一般>1600℃)下承载量较大,同时承受较大的剪切应力,易使棚板发生高温弯曲蠕变。国内现有的适用于1600℃~1700℃温度段的高温棚板的抗高温弯曲蠕变性能大都不理想,致使当前高品质的高温棚板仍然摆脱不了对进口产品的依赖。因此,研制低高温弯曲蠕变的高温棚板,具有非常重要的现实意义。


SiC质棚板


SiC质材料具有强度高、耐高温、化学性能稳定、热膨胀系数小、导热系数大和抗热震性良好等优良特性,其主要取决于结合相的组成与性质,作为棚板材料越来越得到人们的重视。在碳化硅棚板中碳化硅的用量高达70%~80%,结合相只占20%~30%,但材料远未发挥碳化硅固有的优良性质,材料的高温性能(如强度、蠕变、抗热震、耐氧化等)还有待改进。从结合剂的不同分类,SiC棚板一般可分为四大类:粘土结合SiC、氧化硅结合SiC、氮化硅(或氮氧化硅)结合SiC和再结晶SiC。


1、粘土结合的碳化硅棚板制品


粘土结合的碳化硅棚板制品主要用粘土作为结合剂与一定颗粒级配的SiC混合后,采用一定的方法成型,根据含量的不同于1350~1500℃之间的氧化气氛中烧成,颗粒被粘土结合起来,其中的结合相主要为莫来石和石英(或方石英),而结晶态的二氧化硅或者因为存在晶型转变,或者因其膨胀系数较高导致材料的抗热震性下降;用作结合剂的粘土在烧成时烧失量较大而影响材料的致密化,从而影响材料的强度和抗氧化能力;此外,粘土引入的杂质成分使材料中玻璃相增多,也增大了高温蠕变并降低了高温强度。


2、氮化硅结合碳化硅制品


氮化硅结合碳化硅制品是我国80年代中期开始研制生产的一种高级SiC棚板材料,这种材料具有更好的物化性能:高温强度好、导热系数高、热稳定性好、荷重软化点高、热膨胀系数低、抗高温蠕变能力强和抗酸能力强等。



(氮化硅结合碳化硅棚板)


在棚板使用后期,随着氧化和变质程度加剧及热应力、机械应力的协同作用,棚板的结构受到损伤,可靠性下降,甚至发生灾难性破坏。总体来说,氮化硅质棚板材料具有很高的强度以及其它优异的性能,其结合的SiC虽有良好性能,但其工艺过程对设备要求较高。


3、SiO2结合碳化硅制品


SiO2结合碳化硅制品的原料纯度较高,低熔物杂质含量少,性能较黏土结合碳化硅制品好很多,而价格同氮化硅结合和重结晶碳化硅制品相比又有很大优势,因此该制品得到了广泛的应用。以SiO2为结合剂的制品,可利用SiC的氧化性能在没有矿物添加时于1350~1500℃中强氧化气氛下烧成,它是借助SiC烧成的颗粒接触表面氧化生成的SiO2薄膜,将颗粒结合起来;也可在SiC泥料中加入含SiO2的矿物成分在1300~1400℃的温度下,由于结合剂形成液相从而生成SiO2结合SiC制品,此制品具有优异性能。不少研究者从SiO2加入量,高热处理温度和添加黏土、Al2O3和CaO微粉等方面对现有的SiO2-SiC棚板进行了性能优化。


4、反应烧结碳化硅棚板


反应烧结碳化硅棚板具有高强度、高硬度、高耐磨、耐腐蚀及良好的抗氧化、抗热震等性能,是应用最广泛的结构陶瓷和窑具产品之一。


其他棚板


除了以上比较常见的棚板材料外,利用氮化硼、刚玉等耐氧化性好、硬度高、抗高温性能好的陶瓷材料也引起了研究人员的关注,从而使其成为可利用棚板材料,但因其来源少、价格昂贵,在产业化生产使用上具有一定的局限性。


参考来源:

[1]刘平安等.陶瓷烧成中棚板材料的研究现状及展望

[2]周会俊等.高温刚玉-莫来石棚板的生产与应用

[3]贺俊.堇青石—莫来石棚板抗热震性能的研究


(中国粉体网编辑整理/山川)


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