耐火纖維的應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)
一、硅酸鋁耐火纖維的應(yīng)用形態(tài)
1、 關(guān)于耐火纖維幾個(gè)概念的介紹：
（1）、耐火纖維：耐火纖維是指耐火度大于1580℃的晶質(zhì)和非晶質(zhì)纖維狀材料的總稱。因此，它包括以Al2O3、SiO2為主要成份的硅酸鋁纖維、以氧化鋁為主要成份的氧化鋁晶質(zhì)纖維以及其它耐火度大于1500℃的氧化鋯晶質(zhì)纖維、鎂橄欖石纖維等特殊的氧化物纖維。 注：耐火度是指材料在高溫下達(dá)到特定軟化程度的溫度，它表征耐火材料抵抗高溫作用的性能，它與耐火材料的熔點(diǎn)及使用溫度差別非常大。如硅酸鋁耐火纖維的耐火度大約為1750~1770℃，其熔點(diǎn)要在2000~2200℃，其使用溫度卻僅在1000~1350℃之間。
（2）、硅酸鋁耐火纖維：硅酸鋁耐火纖維是指以Al2O3、SiO2為主要成份的纖維狀材料的總稱，根據(jù)使用溫度不同，它又分為普通型硅酸鋁耐火纖維、標(biāo)型硅酸鋁耐火纖維、高純型硅酸鋁耐火纖維、高鋁型硅酸鋁耐火纖維、鋯鋁型耐火纖維、含鋯型硅酸鋁耐火纖維、多晶莫來石纖維等。
（3）、陶瓷纖維：陶瓷纖維是硅酸鋁耐火纖維中Al2O3含量為45-60%的纖維狀材料的俗稱，所有的陶瓷纖維都是非晶質(zhì)纖維，也可以稱作是玻璃態(tài)纖維，它是物質(zhì)由溶融的流液態(tài)在冷卻中形成的一種無定型固態(tài)纖維。 2、耐火纖維產(chǎn)品的種類及形態(tài) 見附圖表1與圖表2。
二、耐火纖維設(shè)計(jì)參數(shù) 通過對耐火纖維受熱過程中，特別是使用中出現(xiàn)的一系列問題的研究和實(shí)驗(yàn)。耐火纖維在使用過程中出現(xiàn)的變化，可以歸納如下： 1、由于再結(jié)晶,燒結(jié)過程和新相產(chǎn)生以及無機(jī)結(jié)合劑同纖維之間的反應(yīng)，造成纖維發(fā)生收縮。達(dá)到一定溫度時(shí)，因晶粒生長加快和燒結(jié)過程加加速，纖維材料在受熱作用下而損毀。
這就提出了以下問題：
（1）、在設(shè)計(jì)應(yīng)用耐火纖維時(shí)，必須明確耐火纖維受熱收縮與溫度的相關(guān)關(guān)系以及預(yù)期的壽命。
（2）、在應(yīng)用耐火纖維時(shí)，必須明確耐火纖維的彈性和抗熱震性能。
2、在應(yīng)用耐火纖維時(shí)，必須明確纖維材料在使用中受到腐蝕作用會(huì)加速其變質(zhì)，從而降低其使用溫度。因爐氣氛中某些成份如H2、CO、CH4和NH3以及堿金屬、氟、氯和SO32-都能影響再結(jié)晶過程，包括成核和晶體發(fā)育速度。它們同纖維材料發(fā)生反應(yīng)，從而降低了其使用溫度與產(chǎn)品性能。 3、纖維材料具有較好的抗風(fēng)蝕性能，其抗風(fēng)蝕性能因產(chǎn)品的具體形態(tài)不同各有所異，而且，纖維壁襯對高速氣流的抗沖刷能力隨著使用溫度的升高而下降，這是一個(gè)必須注意的因素。 4、錨固系統(tǒng)的受熱和被腐蝕也是影響纖維材料使用壽命的一個(gè)重要因素。 綜上所述，耐火纖維的設(shè)計(jì)參數(shù)主要有分類溫度和長期安全使用溫度、容重、導(dǎo)熱系數(shù)、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐收縮率、抗風(fēng)蝕性、彈性和抗透氣性、熱容量、黑度、抗拉強(qiáng)度等。 一）、分類溫度和使用溫度 1、分類溫度：分類溫度即zui高使用溫度，它是指纖維材料在實(shí)際使用過程中的zui高使用溫度。具體定義為耐火纖維制品在非荷載條件下加熱保持24小時(shí)，高溫線收縮率為4%時(shí)的測試溫度。耐火纖維在該溫度下長期使用，其壽命會(huì)很短，因此，在實(shí)際中切勿輕率采用。 2、長期安全使用溫度：長期安全使用溫度是指耐火纖維在一定溫度下保持24小時(shí)，高溫線收縮率≤2.5%時(shí)的測試溫度。在此溫度下，非晶質(zhì)纖維結(jié)晶，晶質(zhì)纖維晶型轉(zhuǎn)變及晶粒生長速度緩慢，纖維性能穩(wěn)定，纖維柔軟富有彈性。
3、使用溫度和纖維的壽命的關(guān)系：耐火纖維的使用溫度和使用壽命與其使用條件（窯爐氣氛、腐蝕物質(zhì)的組成和含量等條件）密切關(guān)聯(lián)。
（1）、耐火纖維在允許使用溫度條件下使用，晶體發(fā)育是緩慢的，纖維的性質(zhì)比較穩(wěn)定，在氧化氣氛中不受外力碰撞的情況下，壽命可達(dá)5—10年。
（2）、還原性爐氣應(yīng)采用以高純合成料為原料的纖維作為工業(yè)窯爐壁襯材料，并在耐火纖維壁襯表面涂抹防腐涂料，這樣不僅提高纖維爐襯的化學(xué)穩(wěn)定性能，并提高纖維爐襯的抗風(fēng)性能和降低纖維壁襯的加熱收縮。為使在還原性氣氛下工作的纖維壁襯獲得與氧化性氣氛下工作相同的絕熱效果，還必須根據(jù)還原性氣氛的組成，通過計(jì)算加厚纖維壁襯厚度。
（3）應(yīng)根據(jù)窯爐使用燃料的類別（煤氣、油、煤）、窯爐氣氛、窯爐氣氛中含腐蝕物質(zhì)的組成確定耐火纖維的使用溫度。
A、還原氣氛下較氧化氣氛下使用溫度低100至150℃，標(biāo)準(zhǔn)型硅酸鋁纖維在還原性氣氛下使用溫度為850~900℃。
B、燃油工業(yè)窯爐，耐火纖維壁襯使用溫度應(yīng)較電加熱工業(yè)窯爐纖維壁襯使用溫度低150~200℃。 C、真空氣氛下較氧化性氣氛下的使用溫度低200~250℃。
二）、容重
耐火纖維兩個(gè)重要的特性是容重小和導(dǎo)熱系數(shù)小，硅酸鋁耐火纖維之所以具有良好的節(jié)能效果，其關(guān)鍵也就在于這兩個(gè)特性。
1、容重：也稱為體積密度，是耐火纖維的重要質(zhì)量指標(biāo)，它是指單位體積耐火纖維的質(zhì)量。耐火纖維制品的容重一般為：氈（200~220㎏/m3）、板（280~320㎏/m3）、纖維組件（200~240㎏/m3）纖維毯（64㎏/m3、96㎏/m3、128㎏/m3、160㎏/m3）。
由于硅酸鋁耐火纖維的容重很小，而爐襯的蓄熱損失又與爐襯材料的容重成正比，所以，采用耐火纖維作爐襯，不僅可以大大減少爐墻的蓄熱損失，而且可以大大減輕爐子的重量。此外，還可以大大縮短升溫時(shí)間。
2、導(dǎo)熱系數(shù) ：導(dǎo)熱系數(shù)是物質(zhì)的一種物理性質(zhì)，它表征物質(zhì)的導(dǎo)熱能力，導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值大小就是單位時(shí)間內(nèi)每單位長度溫度差為1℃時(shí)每單位面積所通過的熱量,其單位為w/m.k；是衡量材料絕熱保溫性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)。硅酸鋁耐火纖維的另一個(gè)重要特性就是導(dǎo)熱系數(shù)小，因而保溫性能好。
三）、抗氣流沖刷性能
對于燃料爐以及采用風(fēng)扇循環(huán)的爐子，要求耐火纖維具有一定的抗氣流沖刷能力，下表是硅酸鋁耐火纖維制品抗氣流沖刷能力的參考數(shù)據(jù)。 制品名稱 纖維針刺毯 真空成型氈 真空成型板 纖維折疊模塊 zui大允許風(fēng)速m/s
15-18
8
≥25
20-25
如果氣流速度超過上表所列數(shù)值范圍，應(yīng)對纖維制品表面進(jìn)行硬化處理。
四）、熱化學(xué)穩(wěn)定性
耐火纖維的熱穩(wěn)定性是任何致密或輕質(zhì)耐火材料*的，一般致密耐火磚在經(jīng)過若干次急冷急熱后便會(huì)產(chǎn)生龜裂、甚至剝落破損。而耐火纖維制品是由直徑2-5um的纖維相互交織在一起構(gòu)成的多孔制品，即使溫度急劇變化，也不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力，在急冷急熱條件下，不會(huì)發(fā)生剝落，還能抵御彎折、扭曲和機(jī)械振動(dòng)。因此，從理論上講它不受任何溫度急變的限制。由于耐火纖維制品本身是一種柔軟富有彈性的多孔材料，單體纖維的膨脹為纖維本身吸收，因此在使用時(shí)可*不考慮留膨脹縫及烘爐問題，窯爐鋼結(jié)構(gòu)也因此無需考慮纖維制品的膨脹應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)輕型化，節(jié)約了筑爐鋼材用量。 五）、彈性及抗透氣性
耐火纖維用作高溫氣體的密封材料和墊襯材料，要求具有彈性（壓縮復(fù)原性）和抗透氣性。耐火纖維的壓縮回彈率隨纖維制品的體積密度增大而提高，其透氣阻力也相應(yīng)增大，即纖維制品的透氣性減少，因此，作為高溫氣體的密封材料和墊襯材料時(shí)，應(yīng)選體積密度大（至少128kg/m3）的纖維制品，以提高其壓縮回彈率和透氣阻力。此外，含結(jié)合劑的纖維制品比無結(jié)合劑纖維制品的壓縮回彈性大。
六）、熱容量 耐火纖維的熱容量是指耐火纖維作爐襯，當(dāng)爐子升溫時(shí)自身溫度升高1℃時(shí)吸收的熱量。下表列出了硅酸鋁纖維的平均熱容量，僅供參考。 硅酸鋁耐火纖維制品的熱容量
平均溫度（℃） 140 245 350 445 550 熱容量（J/kg.k） 850 988 1050 1088 1105 七）、黑度 （添加概念）英國麥凱尼公司對標(biāo)準(zhǔn)型硅酸鋁纖維和高鋁纖維的黑度檢測表明，兩種纖維的黑度均為0.95。 八）、抗拉強(qiáng)度 為滿足耐火纖維制品在施工時(shí)的強(qiáng)度要求，耐火纖維制品應(yīng)具有一定的抗拉強(qiáng)度，無粘接劑的纖維針刺毯常溫下的抗拉強(qiáng)度值，根據(jù)纖維成纖工藝不同波動(dòng)于0.03-0.08MPa。 三、評定耐火纖維質(zhì)量的指標(biāo) 評定耐火纖維質(zhì)量的主要指標(biāo)： （1） 化學(xué)組成 從耐火纖維生產(chǎn)發(fā)展表明，國外已逐漸用高純合成原料取代天然原料，以提高耐火纖維制品化學(xué)組成的純度，即指： A、保證各檔次耐火纖維制品組成中Al2O3、SiO2、ZrO2等高溫氧化物的要求含量。例如：高純型（1100℃）、高鋁型（1200℃）纖維制品中，Al2O3 +SiO2=99%，含鋯型（＞1300℃）制品中SiO2 +Al2O3 +ZrO2＞99%。 B、嚴(yán)格控制Fe2O3、Na2O、K2O、TiO2、MgO、CaO…等有害雜質(zhì)在規(guī)定含量以下。 在某種程度下嚴(yán)格控制纖維制品有害雜質(zhì)含量，比保證纖維制品化學(xué)組成中高溫氧化物含量更為重要。非晶質(zhì)纖維受熱析晶、晶粒生長導(dǎo)致纖維性能劣化，直至失去纖維結(jié)構(gòu)。高雜質(zhì)含量不僅促進(jìn)晶核生成和析晶，并導(dǎo)致液相溫度和玻璃體粘度的降低，促進(jìn)晶粒生長。嚴(yán)格控制有害雜質(zhì)含量，是提高纖維制品性能，尤其是耐熱性能的重要環(huán)節(jié)，雜質(zhì)在結(jié)晶過程中起著自發(fā)晶核作用，不僅提高?；俣?，促進(jìn)結(jié)晶。雜質(zhì)在纖維接觸處的燒結(jié)和聚晶，使晶粒生長速度增大，從而造成晶粒粗化，線收縮率增大，是纖維性能劣化、使用壽命降低的重要原因。 一般天然料纖維雜質(zhì)含量 3—4% 高純料纖維雜質(zhì)含量 ＜1% （2）加收縮率，是評定耐火纖維維制品耐熱性的指標(biāo)，統(tǒng)一規(guī)定采用耐火纖維制品在非荷載下加熱至一定溫度，保溫24小時(shí)的高溫線收縮率表示其耐熱性能。只有按此規(guī)定測得的線收縮率值方能真正反映制品耐熱性能，即指制品的持續(xù)使用溫度。在此溫度下，非晶體纖維結(jié)晶，晶粒沒明顯長大，性能穩(wěn)定，富有彈性。日本觀點(diǎn)，只要晶粒尺寸小于纖維直徑，纖維性能不會(huì)產(chǎn)生質(zhì)的變化。 上圖表明纖維受熱條件下結(jié)晶，晶粒生長導(dǎo)致纖維收縮，在一定溫度下保溫24小時(shí)，其75%收縮量均已體現(xiàn)，其余25%的收縮量將在長期使用的過程中緩慢的體現(xiàn)。國內(nèi)某些工廠以某溫度下保溫6小時(shí)的收縮率作為制品耐熱性能的指標(biāo)，實(shí)際僅體現(xiàn)30%左右的線收縮率，故不能反映纖維制品的耐熱性。 （3）導(dǎo)熱系數(shù)，是評定耐火纖維絕熱性能的*指標(biāo)，也是窯爐爐壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，如何準(zhǔn)確確定導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值，是決定爐襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與否的關(guān)鍵。導(dǎo)熱系數(shù)取決于纖維制品的結(jié)構(gòu)、體積密度、溫度、環(huán)境氣氛、濕度等因素的變化。在各種物質(zhì)中，以氣體導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值zui小，常溫下空氣導(dǎo)熱系數(shù)為0.025W/M.K。工業(yè)中，氣體被廣泛用作絕熱體。但是，只有當(dāng)氣體不發(fā)生對流時(shí)，才具有優(yōu)良的絕熱性能。靜止空氣是一種低導(dǎo)熱率、低熱容量的優(yōu)良絕熱材料，耐火纖維具有接近空氣的導(dǎo)熱率。正是因?yàn)槟突鹄w維是由固態(tài)纖維和空氣組成的混合結(jié)構(gòu)，其氣孔率達(dá)到93%，大量低導(dǎo)熱率空氣充滿于氣孔中，并破壞了固態(tài)分子的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而獲得優(yōu)良的絕熱性能。
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