耐火纤维制品

　　1941年美国巴布科克与威尔科克斯公司 (Babcock&WilcoxCo．)的中央研究所，发现用压缩空气喷吹高岭土熔体的流股，得到一种形状和石棉相似的纤维。后于1954年公布 了这种纤维的生产设备和工艺专利，并正式投入生产。20世纪60年代初，美国发展了耐火纤维制品的生产工艺，并将技术传到日本和欧洲。60年代中期，各国开始采用耐火纤维毯、耐火纤维湿毡代替耐火砖，作工业炉内衬，并陆续研制出高纯硅酸铝纤维、高铝耐火纤维等新品种。70年代又研制成功多晶纤维，并得到迅速发展，1974年英国帝国化学工业公司(Imperial ChemicalIndustries Ltd)首先建成一套生产多晶氧化铝纤维的半工业试验装置，1979年建成年产500～700t。的工业生产线。80年代日本又研制出含Al2O3  80%的莫来石质纤维，美国也生产Al2O3  72%的莫来石质纤维。使用范围从热处理炉扩大到加热炉等高温领域。

中国从20世纪70年代初开始试制硅酸铝质耐火纤维，并成功地用于工业炉。80年代在纤维的基础理论，新产品开发和推广应用方面都取得很大进展。已成功地研制出Al2O3 72%，Al2O3  80%，Al2O3 95%3种多晶质耐火纤维。在试验室还研制成功ZrO2多晶纤维。

　　耐火纤维分为非晶质(玻璃态)和多晶质(结晶态)两大类。非晶质耐火纤维，包括硅酸铝质、高纯硅酸铝质、含铬硅酸铝质和高铝质耐火纤维。多晶质耐火纤维，包括莫来石纤维、氧化铝纤维和氧化锆纤维。(表1)也有按耐火纤维最高允许使用温度分类的。

特性

耐火纤维还是良好的红外辐射材料，具有良好的热能力和红外加热效应，使用耐火纤维制品可有效节约能源，是理想的节能增效材料。生产实践证明，将耐火纤维应用于连续加热工业炉可节能15%以上，用在间歇式工业加热炉可节能30%以上，同时可提高生产率和改善产品质量，实现炉体结构轻型化、大型化，综合性能好。

耐火纤维柔软、弹性好，还是理想的密封材料，由于具有绝缘、消音、抗氧化、耐油和耐水性能，施工方便，因此在冶金、建材、石油、化工、船舶、电力、航天等领域应用广泛。

多晶耐火纤维是20世纪70年代初继非晶质耐火纤维之后发展起来的新型高温隔热材料，主要用在工作温度高于1400℃的高温窑炉，可节能25%～40%。多晶耐火纤维还可作为复合增强材料和催化剂载体，应用效果良好。多晶耐火纤维也可应用于宇航导弹和原子能领域。目前，国际上已工业化生产和应用的多晶耐火纤维主要有多晶氧化铝纤维(Al2O380%～90%，SiO221%～20%)、多晶莫来石纤维(Al2O372%～79%，SiO221%～28%)和多晶氧化锆纤维(ZrO292%，Y2O38%)等。

目前，能源问题已经引起世界各国的广泛关注，一方面能源消耗在逐年增加，

另一方面能源利用率仍十分低下，在我国这一矛盾表现得尤为突出。我国热工窑炉方面的能源利用率仅为发达国家的50%～60%，节能材料的研究开发已成为材料领域面临的紧迫任务，耐火纤维由于其具有优异的保温隔热性能而成为节能材料的开发热点。

国外多晶耐火纤维的研究开发起步较早，目前的生产技术已趋成熟，工艺稳定，纤维制品综合性能优越，已在许多领域获得应用。

作为多晶耐火纤维的主要品种，多晶氧化铝纤维具有优异的性价比和巨大的商业价值。自20世纪70年代以来，许多发达国家投入大量精力研制开发多晶氧化铝纤维。以英国的ICI公司为例，该公司已有20多年生产多晶氧化铝纤维的历史，生产的多晶纤维使用温度可达1600℃。国外多晶耐火纤维不仅用作高温绝热材料，而且还用作高级陶瓷、金属和塑料的增强材料。

国内多晶耐火纤维主要以多晶莫来石纤维和多晶氧化铝纤维为主，20世纪70年代末，洛阳耐火材料研究院和上海第二耐火材料厂开始多晶莫来石纤维的开发。目前国内多品莫来石的生产多以氯化铝水溶液和金属铝粉为原料，采用胶体法进行生产。主要用于使用温度为1350℃～1400℃的陶瓷贴面。由洛阳耐火材料研究院研制生产的多晶氧化铝纤维(Al2O380%～95%)主要用于1500℃～1650℃的高温窑，年产量为80吨。

我国制造多晶氧化铝纤维主要采用胶体工艺法，将铝盐制成溶液，加热收缩，

制成纺丝胶体，然后在特定条件下成纤和热处理，获得多晶氧化铝纤维。与国外相比，国内多晶耐火纤维在技术水平和产品质量上都还存在一定差距，生产工艺和装备也相对落后。

多晶耐火纤维属高档新型绝热材料，具有很大的发展潜力。今后的发展方向是研制一系列具有更高使用温度和更佳使用性能，能满足各种特殊要求的多晶耐火纤维相关制品。以多晶耐火纤维为原料生产纤维浇注料、可塑料以及涂料等来替代耐火砖及不定型耐火材料等传统耐火材料，可充分发挥多晶耐火纤维材料在节能、环保等方面的优异性能，拓展多晶耐火纤维的使用范围。

1、各种隔热工业窑炉的炉门密封、炉口幕帘。

2、高温烟道、风管的衬套、膨胀的接头。

3、石油化工设备、容器、管道的高温隔热、保温。

4、高温环境下的防护衣、手套、头套、头盔、靴等。

5、汽车发动机的隔热罩、重油发动机排气管的包裹、高速赛车的复合制动摩擦衬垫。

6、输送高温液体、气体的泵、压缩机和阀门用的密封填料、垫片。

7、高温电器绝缘。

8、防火门、防火帘、灭火毯、接火花用垫子和隔热覆盖等防火缝制品。

9、航天、航空工业用的隔热、保温材料、制动摩擦衬垫。

10、深冷设备、容器、管道的隔热、包裹。

11、高档写字楼中的档案库、金库、保险柜等重要场所的绝热、防火隔层，消防自动防火帘。

　　耐 火纤维以耐高温(1000~1400)℃、耐振动、尽热、吸声和重量轻等优点，已取代砖结构和浇注料而成为耐火、保温、隔热、隔声、防火的优选材料，在冶金、石油、化工、机械、建筑等行业得到广泛应用。传统的耐火纤维的施工技术主要指的是耐火纤维制品的施工技术。采用粘贴、拼接等技术和工艺进行施工，施工 难度大、速度慢，质量控制困难、接缝多，整体性差，操纵工人劳动强度大，环境恶劣。耐火纤维喷涂技术是纤维施工机械化的一项新技术新工艺。该技术是使用纤维喷枪，结合剂通过隔膜泵均匀地喷进纤维，二者在喷枪出口混合直接喷涂到工作表面上，形成三维网络状制品结构。克服了传统施工技术的缺点，有利于进步产业 炉窑的热效率。

一、耐火纤维制品的种类及其原料

　　以耐火纤维为主要原料制成的隔热耐火制品通称为耐火纤维制品。耐火纤 维分为非晶质（玻璃态）和多晶质（结晶态）两大类：非晶质耐火纤维包括硅酸铝质、高纯硅酸铝质、含铬硅酸铝质和高铝质耐火纤维；多晶质耐火纤维包括莫来石纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维。耐火纤维制品的最高使用温度因制品纤维品种、炉内气氛而不同，一般在（1100~1500）℃。  

应用 于高温耐火材料的结合剂品种繁多，性能各异。按照结合剂的化学性质分为无机结合剂和有机结合剂。无机结合剂主要有硅酸盐类、铝酸盐类、磷酸盐类、硫酸盐类、氯化物类和溶胶；有机结合剂包括自然有机物和有机合成物。应用于耐火纤维喷涂技术的高温结合剂一般是硅酸钠。

岩棉在保温、隔热上具有良好的性能，价格便宜，工作温度在（－268~700）℃之间。可用于连续工作温度在600℃以下的炉窑及管道衬层尽热保温。

硅 酸铝系耐火纤维密度在（250~300）kg/m3条件下导热系数最小。标准型普通硅酸铝纤维、高铝纤维喷涂分别用于工作温度在1000℃、1200℃以 下的热工设备，作耐火、隔热、保温层，高铝与含错复合纤维及含错纤维喷涂应用于1300℃左右的高温炉窑。   

常用硅酸铝系列结合剂 属热硬性结合剂。在答应的工作温度范围内，结合剂成分、配比应有助于形成粘结链和网络结构，既需快速促凝、固化后不收缩，又要具有均匀、分散、活动性，兼顾初始强化度和热态烧结性能。热硬性结合剂的耐火度不低于1750℃，粘度（6.0~8.0）×10-3Pa·s。

二、喷涂施工新技术的应用

　　1．应用范围

耐 火纤维制品有很多优点，但其强度和耐火砖、高强度浇注料相比，还是有较大差距，故耐火纤维制品适用于直接与炉衬接触、无颗粒气流冲洗及燃气流速 ≤20m/s（若喷涂表面涂料可增强抗气流冲洗能力）的各种产业炉窑的耐火衬里和复合炉衬的保温层。采自中国资产治理网。另外，通过纤维原料的选用，塔、罐、容器等的外保温也可用纤维制品。喷涂技术是耐火纤维施工技术的改进和进步，施工速度快，质量较好。适合使用耐火纤维制品的结构同样适合喷涂技术的使 用。

2．特点及优越性

目前国内大部分炉窑的炉墙仍采用砖砌层结构，其缺点是点火升温时，蓄热量大，升温速度慢，热耗增加；保温效果差，散热损失大，工作环境恶劣；热惰性大，不适合自动化控制燃烧。

对 于复合结构的内衬，炉衬材料由耐火砖至浇注料发展到轻质纤维毡、毯、块等，固然在一定程度上进步了炉窑技术性能指标，但纤维制品的施工工艺落后，施工质量难以保证，内衬的寿命受到较大影响。主要缺点是人力投进大，施工速度慢，施工质量很难控制；纤维制品间有贯通式直缝，密封性差，易窜火；球面及异型结构难 以施工，维修和抢修困难。

对于加热炉等产业炉衬来说，纤维喷涂材料采用优质纤维原棉，高性能纤维系列结合剂为原料，在一次性整体喷涂过程中形成网络结构，与其他施工方法相比，具有以下优点：

(1)一次性喷涂所获得的衬层无接缝，有效地避免了纤维制品在高温下的定向收缩，消除了窜气、露点腐蚀等对炉壳、锚固钉的危害，强化了密封、保温顺耐火性能，进步了产业炉窑的热效率。

(2) 纤维喷涂技术可以降低复杂形面，如球面、拐角、炉门及排烟管结合处等部位整体锚固的施工难度，进步了异形结合处的密封性能。衬层坚固、均匀而平整，具有较强的抗腐蚀能力。喷涂施工方便、灵活，锚固钉用量少，且全部埋在纤维炉衬里，有效防止钉头烧损，避免热短路。

(3)喷涂纤维衬层具有比平展毡、毯较低的导热系数，比立展折叠块有较好的热强度，锚固件埋于喷涂层内不直接传递热量，节能达15%~30%。

(4)喷涂层经济公道，可以根据产业炉工况，采用多种纤维分层复合喷涂，有利于实现复合材料传热机理的温度梯度分布，降低衬层材料的综合造价。

(5)耐火纤维喷涂速度比常规施工方法进步4.5倍，尤其对抢修工程更具有上风。涂层结构属柔性质料，喷涂施工竣工后即可投进使用，减少近4/5的烘炉时间。

三、耐火纤维喷涂施工质量控制

　　1．衬里施工期间直至烘炉时的环境温度不得低于5℃，雨季施工应有防雨措施，用木塞或牛皮纸将加热炉所有接管内孔及燃烧器孔全部封堵严密。

2．钢结构除锈标准应达到St3级。锚固钉焊接根部应满焊、无咬肉，垂直偏差≤5mm，高度误差±2mm，间距误差±5mm。

3．根据喷涂衬里的厚度分层喷涂耐火纤维，每层间挂不锈钢网，衬里应将锚固钉完全覆盖，且内表面与锚固钉顶端应有（25~30） mm的间隔，喷涂过程中严禁使用回弹料。

耐火纤维的生产与应用

　　耐火纤维是属不定型耐火隔热材料，它具有容重轻、导热系数小、抗热震性好、使用方 便、节能效率高等特点。自１９４１年美国Ｂ＆Ｗ公司首次制成高岭土耐火纤维以来，耐火纤维 以其高效的节能效益在工业窑炉中被得到了广泛的应用，生产技术、产量、品种及用途也得 到了较快的发展，取得了很大的成就。 目前国内外生产的耐火纤维主要有两大类：陶瓷纤维（玻璃态）和多晶纤维（晶体态）。 陶瓷纤维的品种国际上通常是按牌号温度（亦称分类温度）进行分类的，其等级有１０５０、１２６０、 １４００，国内也有按硅酸铝纤维、高铝纤维、含锆纤维等进行分类。牌号温度不是安全使用温 度，在氧化气氛炉中使用要降低２００．３００＂Ｃ，在还原气氛炉中使用要降低３００－４００℃。

　　多晶纤维的分类有：多晶莫来石纤维、多晶氧化铝纤维、多晶氧化锆纤维，多晶莫来石纤维和多晶氧化铝纤维的的安全使用温度为１６５０℃，多晶氧化锆纤维的安全使用温度为１８００＂Ｃ。． 陶瓷纤维的生产与应用已很普遍，产量也很大，国内具有代表性的几大厂家，年产量都 在３０００－５０００吨左右，产品主要应用于１２５０℃以下的各种工业窑炉。多晶纤维由于其技术含 量高，生产工艺复杂，在国外也只有少数几个工业发达的国家才能生产，如英国的Ｉ（２Ｉ公司、 美国的联合碳化硅公司、日本的三棱化学公司等。我国多晶莫来石耐火纤维的研制和生产是 从８０年代初开始的，其初期技术的开发与应用得到了原国家经委科技局、能源局、冶金工业 部科技司的大力支持，历经２５年的发展，我国多晶莫来石纤维的各项技术指标已达到了国际 先进水平，并已在冶金、电子、陶瓷、玻璃、化工、军工等高温工业窑炉得到了成功应用。 杭州宏达晶体纤维有限公司是国内规模最大、最具代表性的多晶莫来石耐火纤维的专业生产 厂家，年产量在５００吨以上，并与原轻工部上海玻璃搪瓷研究所（现属上海东华大学）共同 承担了国家“九五”重点科研攻关项目——“多晶纤维复合制品的研究与在高温炉窑上的应 用开发”。多晶纤维的开发与应用，弥补了陶瓷纤维不能在１３００＂Ｃ以上使用的缺点，开拓了 １３００＂Ｃ一１７００＂Ｃ更为广泛的高温应用领域。

二．耐火纤维的生产工艺与理化性能

　　１．玻璃态耐火纤维 玻璃态耐火纤维的制取采用高温熔融法，其方法是用电阻炉（早期用电弧炉）将原料熔

化成液体，同时，液体以细流股流出，并被压缩空气喷吹成纤维。但现已大都采用离心甩丝 法制取纤维，即将熔融料的高温液体浇注在高速旋转的辊子上，靠离心力将液体甩成纤维。 采用离心甩丝法生产的纤维，质量要高于喷吹法。其丝长、渣球含量少。制成的纤维叫作纤 维原棉，可制成各种纤维制品，如毯、毡、板、绳、真空成型制品及各种预制组件。玻璃态

纤维制取工艺流程如下图１。

ｑｌ

喷蜘丝

图１玻璃态纤维制取工艺

玻璃态耐火纤根据氧化铝含量的不同，主要可分为四种：普通硅酸铝纤维、高纯硅酸铝 纤维、高铝纤维、含锆纤维。其主要理化性能指标见表１。 表１玻璃态纤维的理化性能

纤维类别

普通硅酸铝

Ａ］２０３

Ｓｉ０２

媳

长期

析晶量％

（． １００℃Ｘ５００ｈ）

高温收缩率％

（１１５０＂ＣＸ ６ｈ） ３．６

２．６ ２

使用

温度℃

ｌ０００ １１００ １１５０ １１５０

含量％

４５ ４８ ５８ ３５

含量％

５０ ５ｌ ４１

莫来石

５０ ５０ ４０ ６０

方石英

１６ ｌＯ １３ ５

玻璃相

３４ ４０ ３７ ３５

高纯硅酸铝

高铝型 含锆型

５０

１５

２

玻璃态纤维最初是用高岭土之类的天然原料制成的，这种原料的氧化铝含量为４０－４５％。由

于玻璃态纤维的耐火性能及抗收缩性能随着Ａ１２０３含量的增加而提高，因此，为提高玻璃态纤 维的使用温度，后来采用了配合料的方法以提高原料的Ａ１２０３含量。但氧化铝含量提高到６０％ 以上时，由于配合料熔体粘度的温度系数太高，导至在高温下熔体粘度太低，而无法生成纤 维，故用熔融法生产的玻璃态纤维其Ａ１２０３含量只能在６０％以下，从而限制了纤维的使用温

度。

　　同时，由于高温液体在通过喷吹或甩丝成纤的瞬间，迅速冷凝，其冷却的速度远大于物 体微观组织内原子的扩散速度，因此晶格的排列与形成的过程没能够进行，这样在物体内就 形成了一种非稳定结构，即物体呈介稳定状态。这种介稳定状态的物体内保持着一定的势能， 在一定的条件下（如温度升高给原子扩散创造了条件），它就会向稳定态转变，其转变过程中 在玻璃相内开始析晶，即先析出方石英，而后开始析出莫来石晶体。开始析晶的温度是９００ ℃一１２ ００＂Ｃ，温度的继续升高析晶量将迅速增加，晶粒开始长大，晶粒的长大将造成纤维的收 缩，纤维的收缩会造成纤维杆在长度方向上出现下均匀的“缩径”，最后纤维将断折、粉化。

因此，玻璃态纤维的长期使用温度不能超过１２００℃。

　　另外，熔融液体杂质含量高也是影响玻璃态纤维使用温度的一个主要原因。

２．．晶体纤维的生产工艺及理化性能

　　Ａ１２０广Ｓｉ０２系多晶体纤维的生产是采用“胶体法”工艺制取。首选将金属铝粉加人氯化

铝水溶液中，反应生成减式氯化铝溶液，再加入硅胶溶液和有机酸，经加温浓缩后制成可成 纤维的胶体溶液，通过高速离心甩丝成纤维原坯体，再经高温热处理成进行晶相转变，制成 晶体纤维原棉。晶体态纤维制取工艺流程如下图２。

图２晶体态纤维制取工艺 多晶纤维主要有三种：Ａ７２多晶莫来石纤维；Ａ８０和Ａ９５多晶氧化铝纤维。国内生的主

要以多晶莫来石纤维为主，其理化性能指标见表２。

表２多晶莫石纤维理化性能指标 纤维名称

Ａ１２０３％

Ｓｉ０２％

使用

温度

１６５０

二次线变化％

１５００＂Ｃ Ｘ ２４ｈ＜Ｉ

晶相

导热系数

（ｗ／ｒｅ＿ｋ）

熔点

１８４０℃

多晶莫来

石纤维

７２．７５

２５．２８

莫来石相

１３００℃一０．３３７ １５００℃．０．３８７

晶体纤维是一种在低温下制取纤维的原坯体的，而最终是在高温煅烧结晶后形成的，。在 制造过程中纤维的内部原子就呈有序排列，物体内部微观组织已逐渐晶体化，‘这样就消除了 处于介稳定态的玻璃相，因此它在高温应用过程中基本消除了析品现象，从而使其使用温度 比玻璃态纤维提高了近４５０＂Ｃ。

三．耐火纤维的应用

　　根据窑炉的不同使用要求，采用耐火纤维原棉可制作成纤维粘贴块、纤维折叠块、纤维板、

纤维异型制品。

１．纤维粘贴块：纤维粘贴块主要适用于耐火砖砌筑、浇注料炉体结构的高温窑炉作内衬 绝热，如钢厂的轧钢加热炉、陶瓷烧成窑等。纤维粘贴块不含任何有机添加剂，具有较大的 弹性。粘贴厚度为５０—８０ｍｍ。施工时只要在炉体表面和纤维被贴表面各涂上一层高温粘结剂即

可。见图３。

图３炉墙粘贴纤维结构示意图

２．纤维折叠块：纤维折叠块是采用纤维针刺毯折叠经压缩而成的纤维模块，其内部金属

杆用于安装锚固。主要可应用于热处理炉、石化裂解炉、陶瓷烧成窑及其它各种工业窑炉。

安装时只要将纤维折叠块吊挂在炉子外壳钢板上就行，施工极为方便。见图４。

９３

图４纤维折叠块安装结构示意图 ３．纤维针刺毯：除用于制作纤维折叠块外，还可用于窑炉内衬及窑车底部平铺，窑门等

特殊部位的密封，窑炉膨胀缝的填充等。

４．纤维板：采用耐火纤维原棉加有机添加剂经湿法真空成型而成。主要可应用于各窑炉

炉衬的砌筑、层铺、吊挂等。

５．纤维的异型制品：是属不定型耐火纤维制品，可根据用户需要制作成不同规格、不同

　　形状纤维异型制品。如箱式电炉炉衬、镶嵌式电阻丝组块、高温特殊部位的异型件等。

耐火纤维在高温工业窑炉的应用与传统的耐火砖砌筑及浇注料炉衬相比，具有较大的优 越性：１．减少了炉衬厚度，降低了炉体重量，实现了窑炉的轻型化结构。２．由于升温速率高 降温速度快，提高了炉子的生产效率。３．抗震性好，耐急冷急热，炉体使用寿命长。４．由于 耐火纤维的导热系数非常小，是一种低蓄热材料，因此提高了炉子的热效率，其节能效果十

分明显，节能率达３０％以上。