耐火纖維物理性能

耐火纖維的特性一般用化學(xué)成分和纖維直徑、長度、渣球含量、加熱線收縮、熱導(dǎo)率、壓縮性和回彈性等物理性能表示。（表3）

表3 各種耐火纖維性能

纖維直徑任意取100根纖維，用顯微鏡或其它精密儀器測定其直徑，可得出纖維直徑的分布范圍和平均直徑。熔融法生產(chǎn)的非晶質(zhì)耐火纖維，其直徑分布較寬，一般在1～8μm，其中噴吹法生產(chǎn)的耐火纖維平均直徑為2.5～3.5μm，而甩絲法生產(chǎn)的為3～5μm。纖維直徑的大小直接影響纖維的強(qiáng)度和熱導(dǎo)率。纖維直徑大、熱導(dǎo)率高，保溫性能差。理想的纖維直徑應(yīng)在3μm以下。

纖維長度測定纖維長度也采用抽絲法，這只是一種統(tǒng)計(jì)概念，尚缺乏統(tǒng)一的有效方法。甩絲法生產(chǎn)的纖維較長，能達(dá)到100～250mm，噴吹法較短，一般10～50mm，纖維長度大，則制品強(qiáng)度高。

渣球含量渣球是在纖維化過程中未成纖的球狀粒子。渣球含量是指試樣中殘留在篩孔為0.25mm篩子上的非纖維物質(zhì)占試樣的百分?jǐn)?shù)。把耐火纖維試樣經(jīng)熱處理，研磨后利用淘洗原理把纖維與渣球分開。再經(jīng)過烘干、過篩、稱量并計(jì)算出渣球含量百分率。對熔融法生產(chǎn)工藝來說，渣球是不可避免的產(chǎn)物。用噴吹法成纖，有時(shí)渣球含量高達(dá)20%～40%。中國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB3003—82）規(guī)定，普通硅酸鋁耐火纖維氈的渣球含量應(yīng)不大于5%，故耐火纖維在制成制品前需要進(jìn)行除渣處理。渣球含量高會降低纖維的保溫絕熱性，并降低纖維的強(qiáng)度和彈性。

熱導(dǎo)率在單位溫度梯度下，通過纖維材料單位面積的熱流速率。通常以符號λ表示。測定方法有兩種，即量熱器法和熱線法。量熱器法導(dǎo)熱儀是在單向熱流穩(wěn)定狀態(tài)傳遞的條件下測定試樣的熱導(dǎo)率。熱線法是一種非穩(wěn)態(tài)法，其原理是測量沿試樣長度方向埋設(shè)在試樣中線形熱源在一定時(shí)間內(nèi)的溫升，通過焊接在熱線中點(diǎn)的熱電偶測量熱線溫度隨時(shí)間的變化測定熱導(dǎo)率。熱導(dǎo)率的大小在很大程度上取決于試樣內(nèi)部的空隙含量及分布，故纖維材質(zhì)，纖維直徑大小，渣球含量等均對熱導(dǎo)率有影響，而試樣體積密度起決定作用。因此測量纖維制品的熱導(dǎo)率時(shí)，制樣方法和試樣的體積密度有無代表性，就顯得特別重要。

加熱線變化把纖維按規(guī)定方法制成試樣，加熱到指定溫度，保溫一定時(shí)間，冷卻到室溫后所產(chǎn)生的收縮百分率。玻璃態(tài)耐火纖維從800℃左右開始，發(fā)生反玻璃化過程，即析晶。這時(shí)單根纖維會發(fā)生卷曲，而測定加熱線收縮的試樣是纖維的集合體，則表現(xiàn)為體積收縮。隨著溫度的升高，晶粒長大，收縮增加。對于結(jié)晶質(zhì)纖維，隨著加熱溫度的升高，也發(fā)生小晶粒向大晶粒轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，引起纖維體積收縮。加熱線收縮的大小，標(biāo)志著纖維的耐高溫程度，有些國家把試樣保溫24h，加熱線收縮達(dá)到或接近2.5%時(shí)所對應(yīng)的溫度定義為該種纖維的最高使用溫度。

壓縮性和回彈性耐火纖維具有優(yōu)良的壓縮性和回彈性。利用這一特性，在耐火纖維爐襯安裝時(shí)，可以采用預(yù)壓縮的方法來抵消使用過程中產(chǎn)生的收縮。采用耐火纖維填塞爐襯的膨脹縫，當(dāng)爐襯受熱膨脹時(shí)，耐火纖維被壓縮。當(dāng)爐襯冷卻收縮時(shí)，因纖維有回彈性，使纖維占據(jù)縫隙。耐火纖維的壓縮性和回彈性是它作為高溫密封材料所必需的性能。

耐火纖維的生產(chǎn)方法主要有熔融法和膠體法。生產(chǎn)ZrO₂纖維除膠體法外，也可采用先驅(qū)體法。

耐火纖維熔融法

玻璃態(tài)耐火纖維都采用熔融法生產(chǎn)。熔融法又可分為熔融噴吹法、熔融甩絲法、熔融高速離心法。

熔融噴吹法是將原料在高溫爐內(nèi)熔化成熔體，使其形成穩(wěn)定的流股，用壓縮空氣或蒸汽噴吹，使熔體形成纖維。熔融甩絲法是將原料在高溫爐內(nèi)熔化成熔體，使其形成穩(wěn)定的流股，讓熔體流股落到一組高速旋轉(zhuǎn)的滾筒上，靠滾筒的離心力使熔體甩成纖維。熔融高速離心法是將原料在高溫爐內(nèi)熔化成熔體，使其形成穩(wěn)定的流股，讓熔體流股落到高速旋轉(zhuǎn)的圓盤上，圓盤轉(zhuǎn)速可達(dá)到30000～120000r/min，利用轉(zhuǎn)盤的動能和離心力，將熔體甩成纖維。

熔融法生產(chǎn)耐火纖維的工藝流程見圖1，主要工序包括：原料準(zhǔn)備、熔化、成纖3個(gè)階段：

（1）原料準(zhǔn)備。選用優(yōu)質(zhì)原料，生產(chǎn)普通硅酸鋁纖維用的焦寶石原料，要求Al₂O₃ SiO₂不少于96%，Al₂O₃不少于45%，F(xiàn)e₂O₃不大于1.2%，Na₂O K₂O不大于0.5%。生產(chǎn)高純硅酸鋁纖維和高鋁纖維都使用工業(yè)氧化鋁和純凈硅石作原料，要求配合料中Al₂O₃ SiO₂大于99%。配好的料需經(jīng)充分混合均勻。

（2）熔化。耐火原料（配合料）的熔點(diǎn)一般都在1800℃以上，熔化溫度在2000～2200℃。采用電弧爐或電阻爐作為熔化設(shè)備。

生產(chǎn)耐火纖維用的電弧爐有單相和三相兩種。因單相電弧爐造成電路功率因數(shù)降低，幾乎都被淘汰了，工廠常用的設(shè)備都是三相電弧爐。電弧爐在熔煉物料時(shí)，爐內(nèi)不形成熔池，即一邊熔化，一邊形成流股，流股不連續(xù)，也不穩(wěn)定，不能連續(xù)作業(yè)，纖維質(zhì)量較差、熱效率不高。電弧爐的優(yōu)點(diǎn)是高溫區(qū)集中，爐料自身即可充當(dāng)耐火隔熱材料，因此，爐殼不必設(shè)置水冷卻系統(tǒng)，投資較省。

電阻爐的作用原理和電弧爐不同，它采用難熔金屬鉬作電極，工作時(shí)金屬電極直接浸入熔體中，電極間的電壓降全部消耗在熔體里，依靠熔融物料的電阻發(fā)熱而使配合料熔化。電阻爐工作的基本過程是由爐外熱源將爐內(nèi)電極間的爐料首先熔化形成熔池，電極通電，熔體充當(dāng)電解質(zhì)導(dǎo)體，通電時(shí)熔體電阻產(chǎn)生的熱繼續(xù)熔化附近的爐料，一部分熔體則從爐底由氮?dú)獗Ｗo(hù)的金屬鉬、鎢或銥流口排出爐外，以維持物料和能量的動態(tài)平衡。

電阻爐的熔池溫度高、熔區(qū)大，爐殼需要較完備的水冷系統(tǒng)?？捎萌喙╇娀虿捎萌齻€(gè)單相電爐變壓器供電。功率一般為幾百kW至1000kW，電極材料一般用鉬也可用鎢，需要水冷卻。流口材料一般為鉬、鎢或銥，用氮?dú)?、氬氣等氣體保護(hù)，以減少氧化損失。流口的正上方可設(shè)一根鉬塞棒，以控制流量。電阻爐工作原理見圖2。

電阻爐的最大優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品產(chǎn)量穩(wěn)定，質(zhì)量高、電耗低，采用電阻爐代替電弧爐，一般可節(jié)電50%左右。電阻爐熔化物料時(shí)，流股穩(wěn)定、流量可調(diào)節(jié)，原料損失少，粉塵和噪音都較電弧爐低。電阻爐一般能連續(xù)生產(chǎn)15～30d，自動化程度較高。因此越來越多的工廠選用電阻爐生產(chǎn)玻璃質(zhì)耐火纖維。

（3）成纖。熔融法生產(chǎn)耐火纖維的成纖方法可歸納為噴吹法和離心甩絲法兩類。

噴吹法是利用壓縮空氣噴吹熔體流股，使熔體纖維化。熔融物料受到高速噴射氣流的作用，首先分散成細(xì)滴，進(jìn)而熔體細(xì)滴被氣流作用拉長使之纖維化。噴吹壓力一般為0.6～0.8MPa，噴吹速度400～700m/s，適合進(jìn)行噴吹的熔體粘度為0.2～5Pa·s。粘度太小或表面張力太大的熔體易產(chǎn)生渣球;粘度過高，噴吹成的纖維成棒狀物。噴嘴的氣流排布對成纖率和纖維質(zhì)量也有影響，一般采用“V”型分布。噴吹法設(shè)備簡單，制得的纖維較細(xì)，但纖維直經(jīng)的波動范圍較大，纖維短且渣球含量較高，較適合年產(chǎn)500t以下的中小型工廠選用這種方法。

甩絲法是使熔體流股落在高速旋轉(zhuǎn)的離心輥表面上，利用離心力的作用把熔體分散并拉伸成纖維。甩絲設(shè)備一般為三輥式結(jié)構(gòu)（1個(gè)布料輥、兩個(gè)甩絲輥），布料輥的直徑約100～200mm，甩絲輥的直徑為布料輥的1.5～3倍。旋轉(zhuǎn)速度依次加快，布料輥的線速度為20～30m/s;一級甩絲輥70～110m/s;二級甩絲輥85～135m/s。輥速可根據(jù)生產(chǎn)的耐火纖維品種進(jìn)行調(diào)整。用甩絲法成纖，其熔體最合適的粘度范圍為5～15Pa·s。甩絲法的主要優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)量大，成纖率高，纖維中渣球含量低，纖維的長度較大。缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜，維修困難，電耗較高。

耐火纖維膠體法

多晶質(zhì)耐火纖維最常用的生產(chǎn)方法是膠體法?；竟に囘^程包括：膠體制備、膠體纖維化和熱處理3個(gè)階段。

（1）膠體制備

把金屬鋁粉按一定的比例溶解到氯化鋁水溶液中制成透明的溶液，獲得的溶液叫母液，制取母液的過程叫溶鋁。溶鋁過程分為初期的大量鋁粉溶解的劇烈過程和后期的殘余鋁粉加熱溶解的緩慢過程兩個(gè)階段。當(dāng)溶液被加熱到40～50℃就開始發(fā)生溶鋁反應(yīng)，同時(shí)放出大量熱量，并使溶液溫度升高。若不控制溶液溫度，會導(dǎo)致物料噴冒。隨著反應(yīng)進(jìn)行，鋁粉逐漸被消耗，溶鋁過程由劇烈變緩慢，溶液出現(xiàn)降溫趨勢，需要外加熱源加熱，使溶液維持100～110℃以利于殘余鋁粉溶解完全。反應(yīng)結(jié)束，放出溶液，經(jīng)過濾除去雜質(zhì)，就得到母液。將母液按比例配入硅溶膠，進(jìn)行攪拌濃縮，當(dāng)濃縮液的密度達(dá)到1.30～1.48g/cm時(shí)，可加入冰乙酸及其他有機(jī)添加劑，再攪拌10～30min，就制成了膠體。

（2）膠體纖維化

把膠體加到甩絲盤上，在離心力的作用下，通過甩絲盤側(cè)壁上的小孔，高速離開甩絲盤成細(xì)流股，并繼續(xù)被氣流拉伸成纖維坯體。這就完成了膠體的纖維化過程。膠體適合成纖時(shí)的粘度為5～20Pa·s，甩絲盤線速度為1850～2200m/min，成纖環(huán)境溫度25～45℃，相對濕度小于40%，坯體平均直徑6～7mm。

（3）熱處理

纖維坯體經(jīng)過熱處理形成多晶結(jié)構(gòu)。熱處理過程分3個(gè)階段，即干燥、分解和燒成。干燥過程主要是纖維坯體殘存的溶劑和部分冰乙酸排除，在200℃以下完成。在分解階段，脫去化學(xué)結(jié)合水和冰乙酸，并使氯化鋁經(jīng)分解形成氧化鋁。纖維坯體的凝膠結(jié)構(gòu)完全被破壞而形成具有一定強(qiáng)度的多孔無定形氧化鋁纖維結(jié)構(gòu)。分解過程在200～700℃完成。燒成階段，多孔無定形氧化鋁向晶型轉(zhuǎn)化，在1150℃左右開始析出莫來石結(jié)晶相，隨著溫度升高和保溫時(shí)間延長，晶體長大。好的纖維應(yīng)具有微晶結(jié)構(gòu)，晶粒大小在5～50nm，熱處理溫度為1200～1350℃。

耐火纖維分為非晶質(zhì)（玻璃態(tài)）和多晶質(zhì)（結(jié)晶態(tài)）兩大類。非晶質(zhì)耐火纖維，包括硅酸鋁質(zhì)、高純硅酸鋁質(zhì)、含鉻硅酸鋁質(zhì)和高鋁質(zhì)耐火纖維。多晶質(zhì)耐火纖維，包括莫來石纖維、氧化鋁纖維和氧化鋯纖維。（表1）也有按耐火纖維最高允許使用溫度分類的。（表2）

表1 耐火纖維的分類

表2 耐火纖維在不同氣氛下的使用溫度

注：表中纖維種類是美國、日本和西歐一些國家的分類。

硅酸鋁質(zhì)耐火纖維用雜質(zhì)含量較低的粘土熟料（焦寶石）作為原料，經(jīng)1800～2000℃高溫熔融、噴吹或甩絲成纖，纖維中Al₂O₃含量45%左右，長期使用溫度不超過1000℃。

高純硅酸鋁耐火纖維采用工業(yè)氧化鋁和高純硅石砂或石英砂作原料，亦可加入少量B₂O₃，或ZrO₂等作為添加劑，經(jīng)配料混合、熔融噴吹或甩絲成纖，制成的纖維含Al₂O₃50%左右，Al₂O₃ SiO₂> 99%，最高使用溫度1260℃，長期使用溫度約1100℃。

含鉻硅酸鋁耐火纖維以工業(yè)氧化鋁、硅石粉和氧化鉻為原料，按照硅石粉40%～60%、工業(yè)氧化鋁40%～55%，氧化鉻3%～6%配料，經(jīng)熔融噴吹或甩絲成纖，最高使用溫度1400℃，長期使用溫度1150～1200℃。

高鋁耐火纖維以工業(yè)氧化鋁和高純硅石作為主要原料，配合料經(jīng)熔融噴吹或甩絲成纖，得到氧化鋁含量58%以上的高純度玻璃態(tài)硅酸鋁耐火纖維。最高使用溫度1400℃，長期使用溫度為1200℃。

莫來石質(zhì)耐火纖維用氯化鋁、金屬鋁粉、硅溶膠、冰乙酸及各種有機(jī)添加劑作原料，經(jīng)制膠、纖維化、熱處理等工藝過程，制得Al₂O₃72%～80%的多晶纖維，其主成分為莫來石，使用溫度1300～1500℃。

氧化鋁耐火纖維用氯化鋁、金屬鋁粉、硅溶膠、冰乙酸和各種有機(jī)添加劑作原料，經(jīng)制膠，纖維化，熱處理等工藝過程，制得Al₂O₃95%左右、SiO₂約5%的多晶纖維，其主要礦物成分為θ-Al₂O₃或α-Al₂O₃，使用溫度1400～1600℃。

氧化鋯耐火纖維用醋酸鋯、氧氯化鋯及YCl₃、MgCl₂、CaCl₂等作原料，經(jīng)制膠、纖維化、熱處理等工藝過程，制得主成分為ZrO₂（含穩(wěn)定劑）大于98%的耐火纖維，使用溫度1600℃。

美國、日本和西歐的一些國家，通常按耐火纖維的最高允許使用溫度進(jìn)行分類，其方法是把耐火纖維樣品加熱保溫24h，其線收縮接近并小于2.5%時(shí)的溫度作為分類溫度。實(shí)際允許最高長期使用溫度要比分類溫度低，在氧化氣氛下允許最高長期使用溫度應(yīng)比分類溫度低100～150℃，在還原氣氛下應(yīng)低200～250℃，在真空氣氛下應(yīng)低400～450℃。

1941年美國巴布科克與威爾科克斯公司（Babcock & Wilcox Co.）的中央研究所，發(fā)現(xiàn)用壓縮空氣噴吹高嶺土熔體的流股，得到一種形狀和石棉相似的纖維。后于1954年公布了這種纖維的生產(chǎn)設(shè)備和工藝專利，并正式投入生產(chǎn)。20世紀(jì)60年代初，美國發(fā)展了耐火纖維制品的生產(chǎn)工藝，并將技術(shù)傳到日本和歐洲。60年代中期，各國開始采用耐火纖維毯、耐火纖維濕氈代替耐火磚，作工業(yè)爐內(nèi)襯，并陸續(xù)研制出高純硅酸鋁纖維、高鋁耐火纖維等新品種。70年代又研制成功多晶纖維，并得到迅速發(fā)展，1974年英國帝國化學(xué)工業(yè)公司（Imperial Chemical Industries Ltd）首先建成一套生產(chǎn)多晶氧化鋁纖維的半工業(yè)試驗(yàn)裝置，1979年建成年產(chǎn)500～700t的工業(yè)生產(chǎn)線。80年代日本又研制出含Al₂O₃80%的莫來石質(zhì)纖維，美國也生產(chǎn)Al2O3 72%的莫來石質(zhì)纖維。使用范圍從熱處理爐擴(kuò)大到加熱爐等高溫領(lǐng)域。

中國從20世紀(jì)70年代初開始試制硅酸鋁質(zhì)耐火纖維，并成功地用于工業(yè)爐。80年代在纖維的基礎(chǔ)理論，新產(chǎn)品開發(fā)和推廣應(yīng)用方面都取得很大進(jìn)展。已成功地研制出Al₂O₃72%，Al₂O₃80%，Al₂O₃95%3種多晶質(zhì)耐火纖維。在試驗(yàn)室還研制成功ZrO₂多晶纖維。

耐火纖維可用作高溫下與火焰接觸，但不與高速氣流、熔融金屬和熔渣接觸的爐襯。主要作為高溫隔熱保溫材料，也可作為密封、吸音、過濾材料，以及高溫復(fù)合材料的增強(qiáng)材料。其最高使用溫度隨材質(zhì)不同而異、玻璃質(zhì)耐火纖維1000～1300℃，多晶莫來石纖維和多晶氧化鋁纖維1250～1500℃，氧化鋯纖維1600℃。

耐火纖維是非致密材料，金屬熔體和熔渣能滲入纖維而導(dǎo)致爐襯的損壞。因此，耐火纖維一般不用于與熔融物直接接觸的部分，耐火纖維制品的強(qiáng)度低于致密耐火材料，在那些經(jīng)常遭受機(jī)械擠壓、碰撞、摩擦的部位，應(yīng)采用特殊的保護(hù)措施。耐火纖維制品不耐沖刷，當(dāng)選用耐火纖維材料作爐襯時(shí)，爐內(nèi)氣流速度一般應(yīng)小于10m/s。爐窯的氣氛對耐火纖維的使用壽命有密切關(guān)系，在還原氣氛和真空下的最高使用溫度應(yīng)低于在氧化氣氛下的使用溫度，一般在還原氣氛下低100～150℃，在真空下低250～300℃。

耐火纖維氈是以耐火纖維為原料，加入結(jié)合劑，經(jīng)加壓成型的隔熱耐火纖維制品。根據(jù)使用結(jié)合劑的品種和生產(chǎn)工藝不同，耐火纖維氈可分為耐火纖維濕法氈(真空成型氈)、耐火纖維干法氈和耐火纖維濕氈。

中文名稱

耐火纖維氈

英文名稱

refractory fiber felt

定　　義

以耐火纖維為原料，加入結(jié)合劑，經(jīng)加壓成型的隔熱耐火纖維制品。如采用濕法加工工藝，加入的結(jié)合劑可為甲基纖維素或乳膠。制品具有適宜的柔軟性和強(qiáng)度、容重范圍大、耐高溫、低熱容。用于高溫隔熱、密封等。

應(yīng)用學(xué)科

材料科學(xué)技術(shù)（一級學(xué)科），無機(jī)非金屬材料（二級學(xué)科），耐火材料（三級學(xué)科）

耐火纖維磚(refractory fibrebrick)是指纖維為原料，配以氧化鋁微粉，加入結(jié)合劑壓制而成的耐火纖維制品。耐火纖維磚主要用于工業(yè)爐內(nèi)襯 。

二氧化硅耐火纖維布 7678耐火纖維布 2678耐火纖維布 8699耐火纖維布 8692耐火纖維布橡膠耐火纖維布涂膠耐火纖維布涂覆耐火纖維布裝飾耐火纖維布阻燃耐火纖維布鋁箔耐火纖維布防水耐火纖維布等等。 有硅酸鋁制的玻纖布做的、石棉布做的鋁箔布有耐溫350-1000度。防火，耐火纖維?？篃彷椛?。 長期供應(yīng)各種規(guī)格玻璃纖維布，網(wǎng)格布，玻璃纖維紙，玻璃纖維防火縫紉線，鋁箔玻纖布，膨體玻纖耐火纖維布、帶、繩、燈芯。各種玻纖帶、玻璃纖維針刺毯、玻纖表面氈、玻纖纏繞帶、高硅氧布；各色玻纖布。硅酸鋁陶瓷纖維耐高溫防火棉、板、管、縫氈；高溫防火紙，耍絲針刺毯。耐火纖維布、帶、繩、磚。硬質(zhì)擋火板。防火棉、防火板、防火紙。防火裝飾板；防火卷簾、防火包、防火包帶、阻火圈、防火堵料、防火粒狀棉。硅橡膠耐火纖維布、耐火纖維布阻燃布料。 防火等級：A級-不燃。