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现代新材质节能窑具技术知识概述
来源:耐火材料商情网 日期:2019-08-30

    窑具是指在工业窑炉中循环使用、用于支撑或保护被烧产品的高温结构材料。陶瓷工业窑炉是窑具应用的最主要领域。从世界窑具工业的发展历史看,任何一个国家的陶瓷窑炉用燃料结构发生变化时(煤、重油→清洁燃料),都会极大地促进本国窑具工业的发展。我国陶瓷工业目前正处于这一变化的阶段,窑具的功能已发生变化,主要是用于支撑被烧制的陶瓷制品,因而对窑具材料高温强度要求较高。
    窑具使用清洁燃料后,节能就变得非常重要,窑具形状、结构要求必须轻巧。同时,陶瓷快烧工艺的发展对窑具热震稳定性的要求也越来越高。传统的黏土质、高铝质、熔融石英石质、氧化硅结合碳化硅质、堇青石—莫来石质、粗颗粒氧化硅结合碳化硅质及普通堇青石质窑具已无法满足上述要求,取而代之的是以高品质重结晶碳化硅和反应烧结碳化硅及氮化硅结合碳化硅、等为代表的现代窑具。我国的现代窑具工业经过近15年的发展,无论是在材料性能,还是外观造型与结构设计方面都取得了长足的进步我国现代窑具发展现状及外观造型与结构设计存在的差距
    重结晶碳化硅窑具。此种材料用做窑具的研究在国内开展虽然较早。但始终没有形成生产规模,只能提供小批量的样品,性能上与国外也有不小的差距。90年代中期,沈阳星光技术陶瓷有限公司先后从德国FCT公司引进了R-SiC的生产技术与关键设备,大大缩小了与国内外在此项技术与生产水平上的差距。重结晶碳化硅制品是一种将高纯度碳化硅粗粉和高活性碳化硅微粉混合,经注浆成型后在2450℃高温下进行真空烧结使其再结晶而形成的高技术碳化硅材料。由于其材料纯度高(SIC≥99.5%)无中间结合相,因此它具有优良的高温机械性能,最高使用温度可达1700℃。
    重结晶碳化硅材料适合作为窑具、窑炉配件在陶瓷、耐火材料、电瓷、电子瓷等行业使用,它的最显著的特点是其尺寸稳定性和高温承载能力,并有良好的节能效果。可制成棍棒、空心梁、棚板及异型件等产品。RSIC材料也具有很好的抗氧化和抗侵蚀能力同时有很高的硬度和耐磨性,可以制成结构部件在冶金、机械、化工及军工领域应用。
    粗颗粒氮化硅结合碳化硅窑具。国内对此种材料的研究已开展了20多年,用做窑具也有15年以上的历史。但国内研究深度显然不够,与国外同材质理化性能的差距十分悬殊。棚板寿命不如SiO2-SiC棚板,但成本却较后者高;
    我们经过多年研究开发试验已获突破理化性能为国内同材质中最高水平是一种全新的结构陶瓷材料,它采用高纯度碳化硅粉料和金属硅粉,经注浆成型工艺制成多孔坯体后,在较高温度下,经反应烧结而形成。在烧结过程中向炉内充高纯氮气,使坯体中的硅与氮气反应生成Si3N4,氮化硅结合碳化硅是两相复合材料,一般情况下其中SIC占75%左右,Si3N4占23%左右,它的强度高,抗氧化能力强,作为窑具材料特别适合在中、低温,大载荷的窑炉中使用,使用温度1500℃左右。
    氮化硅结合碳化硅材料除具有RSIC材料的一切性能外,它的强度比RSIC材料高50%倍,他同时具备随温度升高抗弯强度增加的特性,并有良好的高温承载能力和抗腐蚀的性能,可制成窑具、窑炉配件和结构部件在陶瓷耐火材料、电瓷、电子陶瓷、冶金化工、机械、环保等领域应用。
    反应烧结碳化硅窑具。在国际上此种材料用做窑具始于20世纪90年代初期。其最大特点是气孔率几乎为零,抗弯强度和抗氧化性远优于R-SiC,在1350℃以下使用为安全温度,但其最高使用温度不能超过1350℃。国内在1994年开始也有类似产品生产,但性能比进口产品差之甚远。沈阳星光技术陶瓷有限公司经过近三年的不断研发已成功开发该产品目前已全面投产,我国此种窑具在技术性能与生产工艺方面基本与国际接轨,产品已出口到德国、意大利和韩国等。
    窑具的外观造型与结构设计是窑具工业整体进步不可忽视的因素。窑具的形状与结构也是影响其寿命的关键。根据国际上的习惯,按形状可以将窑具分为一级窑具和二级窑具。一级窑具是指用于搭建陶瓷产品装烧空间的主体耐火部件,基本不与装烧产品直接接触,如支柱、横梁、棚板等;二级窑具是置放于一级窑具之上或一级窑具搭建的装烧空间,直接用于支撑或保护装烧产品的小型耐火部件,通常其形状较为复杂、结构轻巧,如日用瓷行业使用的仿型匣钵、三角支架、鱼形板,卫生瓷行业使用的X型支架、台盆支架、座烧垫等。
    我国一级窑具系统基本已达到国际水平,只有个别部件存在差距。
    二级窑具是窑具中品种最多、形状最复杂、制造难度最大的系列。目前我国窑具行业与国外的最主要差距就在二级窑具系统,特别是日用陶瓷用二级窑具,品种少、规格不全,没有形成系列,尺寸精度差,外观粗糙,结构不合理,配合程度差是其主要表现。日用瓷仿型匣钵(三角匣钵)、平面三角架、鱼形板等国内已有生产,但与国外产品仍有差距。除台盆支架稍差外,国内卫生陶瓷用二级窑具已基本能满足要求。由于国内二级窑具品种短缺,陶瓷厂在使用时往往用一级窑具代替二级窑具,致使窑炉有效使用空间减少,造成装窑量下降、成品率下降、能耗升高、窑具消耗量增加。
    我国窑具工业目前存在的几个问题
    窑具用关键原料性能不稳。氧化硅结合碳化硅质、堇青石—莫来石质、粗颗粒氧化硅结合碳化硅质及普通堇青石质窑具在国内已有多家小厂生产,但均不成规模,设备简陋,缺乏质量控制手段,化学成分、物理性能、矿物组成的粒度分布等均不稳定,无法满足生产高质量窑具的要求。生产SiC窑具所用的SiC微粉杂质含量较高,生产重结晶碳化硅工厂需要进口原料,以便保证产品质量。
    氧化硅结合碳化硅质、堇青石—莫来石质、粗颗粒氧化硅结合碳化硅质及普通堇青石质窑具等产品生产设备与模具成型压机普遍较为落后,甚至还有不少摩擦压机。这些压机在生产非平面二级窑具时会造成坯体密度不匀。同时国内模具设备水平不高,加工精度较差,无法满足高质量窑具精确外形尺寸的要求。
    测试手段落后,测试数据不完善。目前国内采用的依靠体积密度、气孔率、膨胀系数、抗折强度、荷重软化点等测出的耐火材料的常规性能,已无法反映出窑具的真正质量和使用效果。使用中我们发现国产窑具的上述性能都很好,甚至超过进口产品,但使用效果却差别很大。对窑具寿命影响极大的微观结构性能(孔结构、孔径分布、颗粒尺寸分布等)和力学性能(弹性模量、断裂能)及高温力学性能测试、高温耐磨抗冲刷性能测试等在国内却很少测试。
    总之,目前我国窑具材料品种已十分齐全,一级窑具也基本上能满足要求。随着中国融入国际经济的步伐越来越快,我国陶瓷工业遇到了发展的良好机遇。但由于受政策性影响传统耐火材料绝大多数企业属国家不支持行业,尤其对“两高一低(高污染、高能耗、低附加值)”企业、实行减少出口退税或征税同时在环保方面进行一定程度的封杀。国家对矿藏资源也进行了一定控制开采,不是以往单纯追求GDP增长,而是在积累一定财富基础上进行稳健调整重点扶植环保、节能、技术含量高的产业。
    因此,我们应清晰看到耐火窑具行业发展的本质就是“材料性能、产品质量、标准规范化的产品”。

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