建筑卫生陶瓷节能之一*——耐火材料的现状与节能

郝小勇

(江苏脒诺甫纳米材料有限公司　江苏 宜兴　214221)

建筑卫生陶瓷节能之一*——耐火材料的现状与节能

郝小勇

(江苏脒诺甫纳米材料有限公司江苏 宜兴214221)

摘要详细论述了建筑卫生陶瓷耐火材料的组成体系、耐火材料的发展过程和现状及其对建筑卫生陶瓷的影响，并指出建筑卫生陶瓷节能减排的关键在于窑炉的节能，先进的保温材料是耐火材料和保温材料发展的方向，正确的选择窑炉使用的耐火材料是节能的保障。

关键词耐火材料节能陶瓷窑炉

耐火材料是硅酸盐学科的一个分支，硅酸盐材料一般分为水泥、玻璃、陶瓷和耐火材料。耐火材料根据应用的行业可分为：冶金工业用耐火材料、水泥行业用耐火材料、玻璃行业用耐火材料和其它耐火材料。建筑卫生陶瓷所使用的耐火材料应属于其它用耐火材料。从理论上，耐火材料又分为定型耐火材料和不定型耐火材料。一般不定型耐火材料多用于水泥、冶金窑炉，在玻璃行业和陶瓷行业用量不大，因而我们在此不讨论，但要强调的是，不定型耐火材料尤其是耐火骨料、耐火浇注料和耐火材料的胶凝剂等对部分陶瓷窑炉的施工起到不可估量的作用。

1建筑卫生陶瓷行业用耐火材料的组成体系

建筑卫生陶瓷包括建筑陶瓷、卫生陶瓷、原辅材料(釉料、熔块、色釉料等)，其所使用的耐火材料千差万别，有效地归类这些耐火材料，从而进行讨论很有必要。通常，我们不固定的区分窑炉，而是从耐火材料的材质方面进行讨论，笔者遵循这一原则来进行建筑卫生陶瓷用耐火材料的讨论。

建筑卫生陶瓷用耐火材料分为窑炉用耐火材料、窑车用耐火材料及其它耐火材料。窑炉用耐火材料包括窑炉的墙体和萱顶，一般分为内外3层，内层为轻质保温棉、毡、板等；中层为重质或轻质保温砖，外层以红砖或低温保温砖为主。内层的轻质保温层近年来发展比较迅速，以低温莫来石纤维为主，兼顾了高温莫来石纤维、高铝莫来石纤维、含锆莫来石纤维等，温度从1 200~1 600 ℃的各个体系。纤维制成工艺采用了拉丝、甩丝、喷吹等工艺。内层也可使用轻质莫来石、高铝等轻质砖或者板，以轻质氧化铝、莫来石等空心球砖为主体。中层的重质材料仍然采用低铝高硅、高铝低硅、莫来石与堇青石、焦宝石与莫来石等材料制成的重质材料为主。外层的低温耐火材料主要以铝矾土、焦宝石、粘土等制作而成，相对铝含量偏低，耐温性能较差但价格较低。

窑车用耐火材料可分为窑车面、窑车支架、承烧板、匣钵等，除过组成窑车的基本架构面材料外，其余的材料统称为窑具材料。窑车用耐火材料与窑炉的墙体材料基本相同。窑具材料根据其使用用途不同可分为莫来石、高铝莫来石、堇青石、莫来石-堇青石、SiC、氧化物结合碳化硅、氮化硅结合碳化硅等。在现代陶瓷窑炉不能忽视的是在辊道窑上使用的陶瓷辊棒，它使用的材料有氧化铝质、石英质、氮化硅质、渗硅碳化硅质、重结晶碳化硅质、氮化硅结合碳化硅质等。建筑卫生陶瓷辊道窑用辊棒以高铝质为主。

2各类耐火材料的发展过程和现状分析

2.1　轻质耐火材料

轻质耐火材料是指气孔率高、体积密度小、热导率低的耐火材料。在工业窑炉和其他热工设备上用作隔热材料。与一般耐火砖相比较，轻质耐火材料具有抗渣蚀性、力学强度、耐磨损性较差，高温下体积收缩较大等特点，其分类方法如下：

1)按体积密度分类。体积密度为 0.3～1.3 g/cm3的称作轻质砖，低于 0.3 g/cm3的则为超轻质砖。

2)按使用温度分类。使用温度为600～900 ℃称为低温隔热材料，900～1 200 ℃为中温隔热材料，超过1 200 ℃为高温隔热材料。

3)按制品形状分类。定形的轻质耐火砖包括：粘土质、高铝质、硅质以及某些纯氧化物轻质砖等；不定形轻质耐火材料包括：轻质耐火混凝土等。

轻质耐火材料具有质量轻、施工方便等特点，因而在现代陶瓷窑炉中应用最为广泛。建筑卫生陶瓷用隧道窑、辊道窑和其它陶瓷行业常用的推板窑等一些长形窑炉，由于有预热带、烧成带、保温带、冷却带等工段，根据不同工段的不同温度合理使用轻质耐火材料对窑炉的节能尤为重要。

近几年，轻质莫来石砖、高铝莫来石砖、莫来石纤维和高铝莫来石纤维等轻质耐火材料发展较快，为建筑卫生陶瓷的窑炉节能提供了必要的材料保障。

轻质耐火材料的产品最早以轻质粘土砖为主，由于耐温性能有限，只能在承烧温度比较低的窑炉内使用。自20世纪90年代后期，莫来石、氧化铝熔融喷吹技术逐渐成熟从而开发了空心球砖。近年来，随着耐火材料发泡工艺的日益成熟又开发了发泡型轻质耐火材料，使耐火材料的热导率大为降低，形成了隔热性轻质耐火材料。21世纪初，耐火纤维技术迅速发展，耐火纤维的压成板、毡等定型材料工艺逐步完善且耐火纤维的温度不断提高，形成了目前的耐火纤维隔热材料系列产品。

2.2　重质耐火材料

重质耐火保温砖主要有：

1)酸性砖：硅砖(SiO2)、耐火粘土砖(SiO2+Al2O3) 。

2)中性砖：高铝砖、铬砖(Cr2O3+Al2O3,MgO,FeO) 。

3)碱性砖：镁砖、铬镁砖、白云石砖。

4)特种砖：尖晶石砖、锆英石砖、氧化锆砖、碳砖、碳化硅砖、其它砖。

陶瓷窑炉最早使用的耐火材料以重质砖为主，随着轻质隔热耐火材料的不断发展完善，重质砖在建筑卫生陶瓷用隧道窑、轨道窑等除有特殊需求外不再使用。而在耐腐蚀的窑炉如熔块窑、烧制色料的梭式窑、回转窑等领域仍然使用重质耐火材料。使用其目的是为了不掉渣、抗腐蚀强度好，特别是熔块窑，物料直接和耐火材料接触，更应该谨慎选择重质耐火材料，尤其是对材质、密度和导热系数等因素进行选择。这类窑炉的特点与隧道窑、轨道窑相反，一般重质耐火材料在内层而重质耐火材料和保温材料在中外层。

重质耐火材料的发展是随着我国的冶金工业的发展而发展的。第一次大力发展起始于20世纪50年代，得益于前苏联对我国钢铁工业的扶持；第二次发展是在20世纪90年代，随着改革开放和市场经济的繁荣，我国的钢铁企业迅速发展和其它冶金的进步重质耐火材料也得到了高速发展。陶瓷窑炉用重质耐火材料与玻璃工业类似，主要以酸性砖、中性砖和部分特种砖为主，选砖主要是根据窑炉的烧成温度、气氛和熔融材料的腐蚀性、酸碱性等决定。

2.3　窑具材料

建筑卫生陶瓷窑炉所用窑具包括：垫具、支撑柱、垫板、匣钵、承烧板和其它品种，在隔焰烧成时还有隔焰板。自20世纪80年代，随着窑炉的革新，能源的变化，明焰裸烧技术的运用，窑具也随之变化。碳化硅板为四方形，其面积大小根据窑形而定，为坯胎明烧窑具，20世纪80年代初开始使用。莫来石板有四方形和圆形、椭圆形等，耐火平板为坯胎裸烧窑具。三足垫板是由匣钵演化而成，因匣钵圆形有墙，三足垫板无墙，钵底有3个足而得名，为明火裸烧垫具。层梯钵用于碳化硅制作，呈梯状，一般分10层，为瓷板类烧成窑具。堇青石耐火平板是裸烧窑具。烧成匣钵有碳化硅匣钵、硅线石粘土匣钵、耐火粘土匣钵。支柱又名垫脚，俗称狗脚，用碳化硅制成，作碳化硅板垫层支柱。

现代建筑卫生陶瓷用耐火窑具形成了以下两大体系：

1)以堇青石、莫来石形成的体系，有堇青石材质、高铝莫来石材质、堇青石-莫来石质、硅线石-莫来石质、红柱石-莫来石质等，使用最多的是堇青石-莫来石质。我国目前有南、北、中3个重要的生产基地，南方以广东揭阳市热金宝特种耐火材料有限公司为龙头使用半干法压制、压力注浆、可塑法压制、高压真空挤出成形等工艺生产各种形状的“高晶体结构堇青石-莫来石”制品。该公司是世界上产品品种最为齐全的窑具制造商之一。中部以中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司为代表生产包括炼钢、炼铁、炼铝、电力、环保、石油、玻璃与陶瓷等全系列耐火材料，涵盖了堇青石-莫来石、莫来石、刚玉-莫来石、碳化硅、氮化硅-碳化硅、塞隆-碳化硅等一系列窑具材料。同时中钢洛耐院也是我国耐火材料的大型研发机构，是国资委管辖的重要央企之一。北方以北京创导工业陶瓷有限公司为主，该公司主要生产堇青石-莫来石材料。其主要产品有：耐火窑具、窑体结构材料、轻量低蓄热窑车及其它精细耐火材料和工业陶瓷制品，广泛应用于陶瓷工业、砖瓦工业、微晶石材工业、粉末冶金、磁性材料、新能源产业、食品工业、玻璃制品工业、磨具工业、钢铁工业、探矿工业和航天工程等领域。

表1　各种SiC窑具材料的性能

2)碳化硅系列窑具，作为窑具用SiC材料都是多孔质的，显气孔率达15%~20%。SiC窑具根据结合剂的不同分为粘土结合，氧化物结合，碳化硅结合和再结晶。各种SiC窑具材料性能见表1。

建筑卫生陶瓷用SiC窑具以氧化物结合碳化硅、氮化硅结合碳化硅为主，日用陶瓷部分用粘土结合碳化硅、色料梭式窑、部分推板窑用粘土结合碳化硅。我国碳化硅窑具的生产基地很多，其中宜兴、邯郸、九江、洛阳均有很多生产企业，品种多样。目前陶瓷窑炉使用较多的是宜兴产和九江产碳化硅板材，立柱等结构件各地都有生产。

2.4　陶瓷辊棒

陶瓷辊棒的材质有碳化硅质、石英质、氧化铝质等，分别用在不同的领域。建筑卫生陶瓷辊道窑一般使用高铝质陶瓷辊棒。目前国内陶瓷辊棒生产工艺比较成熟，基本上采用挤出与等静压结合的成形工艺，烧成在平顶梭式窑中吊烧，烧成方法类似于电瓷产品的烧成。高铝质陶瓷辊棒分为细辊和粗辊，产品规格从25~80 mm不等，长度最长可达4 800 mm，广泛用于内墙砖、釉面砖、地板砖、仿古砖、玻化砖、外墙砖、渗化砖、广场砖、日用陶瓷和卫生陶瓷等。目前国内能够生产陶瓷辊棒的企业有10多家，以佛山金刚、三英辊棒、宜兴海登皇格较为突出，其中金刚辊棒和三英辊棒几乎占据半壁江山，属于该行业的超大型企业。

陶瓷辊棒性能要求：高温耐火性能好、抗弯曲强度高、高温荷载能力强、蠕变性小、抗震能力强、热膨胀小等。辊棒外观要求壁厚一致、同心度好、表面光洁、直线度好等。

3耐火材料对建筑卫生陶瓷节能的影响

耐火材料是保证陶瓷窑炉提高烧成效率和节约能源的最重要的辅助材料，正确的选择和使用对于陶瓷生产企业十分重要。目前，国内建筑卫生陶瓷生产企业已经面临着从大到强质的转变过程，在陶瓷同质化严重、生产过剩等条件下，企业对生产实行精细化管控、对能源消耗实行优化配置、对环境污染整治得更好，则该企业的发展前景将更好。因此，优化和配置耐火材料对企业的发展相当重要。在这个优化配置的过程中我们可以看到各种新型的耐火材料一直发挥着重要作用。因此必须重视和采用先进工艺技术,加强对耐火材料产品的质量控制。

3.1　窑体耐火材料与窑车耐火材料的选择

窑体耐火材料和窑车耐火材料的合理选择就是陶瓷烧成过程中节能的一个方面，对于辊道窑、隧道窑来说，由于窑炉分为预热带、烧成带、保温带和冷却带，在预热到可以根据温度的变化曲线分区段选择合理的耐火材料，而烧成带和保温带在现在的陶瓷窑炉，烧成中统称为烧成带，这一阶段是陶瓷窑炉温度最高，散热最大的阶段，所以在耐火材料的选择上尤其重要。

窑体与窑车耐火材料的选择原则是本着保温节能的目的进行，根据窑炉情况的不同兼顾耐火材料的强度、耐腐蚀性和其他化学性能。一般情况下，使用新型耐火材料如硅酸铝纤维和高铝纤维制成的板、毡做内部保温比较好，其它轻质耐火材料作为辅助。陶瓷纤维依据安全工作温度(连续使用温度)分为：普通型陶瓷纤维毯、标准型陶瓷纤维毯、高纯型陶瓷纤维毯、高铝型陶瓷纤维毯、含锆型陶瓷纤维毯，这些产品应用于窑炉窑体的不同部位。隧道窑和辊道窑的窑车在窑内处于不稳定状态，因此随着时间和位置的变化，窑车衬砖蓄积的热量以及向车下散失的热量也在改变。窑车的蓄热和散热在随着窑车的移动不断变化，故应选择蓄积热量小，体积密度小、热容量小、导热系数小的轻质保温耐火材料。选择这类材料不但有助于降低窑内上下温差，利于制品的均匀焙烧，而且还可减少向窑车下散热，降低窑车金属部件和车下温度。 窑车衬砖的表面和四周，因接触高温和承受荷重，并且经周期性的温度变化，故这些部位材料应能承受高温荷重和耐冷、急热变化。在满足上述条件下，应尽量采用保温性能好的材料。窑炉的保温性能越好，散热越少，窑炉的热利用率就越高，节能效果就越好。

3.2　窑具材料的选择

窑具是一种在烧制陶瓷或者其他材料的过程中，对所烧制的材料起到保护和支持作用的工具，能够保证材料在烧制过程中的质量和完整性，因为窑具的质量会影响到大批量的需要经过烧制工序的产品的质量，所以，窑具在材料的选择上要谨慎。

1)材料要耐高温，因为烧窑要长期处于高温状态，所以不仅耐高温并且有较强的抗热疲劳性能。

2)材料应具备稳定性和抗震性，有利于烧制过程中保持产品的平稳，还要有较好的称重能力，能够承受产品的重量。

3)材料要具备高传热性能，能够快速传热。

4)窑具材料要求尽量为低蓄热材料，以免造成能源浪费。

目前,国内外概括起来窑具的材料主要有:镁铝硅系材料、SiC系材料及其他新型窑具。

1)镁铝硅系材料包括半堇青石、粘土、粘土-堇青石、堇青石-莫来石质等。此系列材料的窑具主要成分为Al2O3、MgO和SiO2，在氧化气氛下的最高使用温度可达到1 300 ℃左右,能满足大多数陶瓷制品的烧成要求;同时其膨胀系数低、热震稳定性好、而且价格较便宜,因此是现代陶瓷工业用量最大的窑具。

2)SiC系材料由于强度高,热导率高,热膨胀系数低,耐热冲击性好,适用于各种使用条件苛刻的环境。这类窑具的使用温度远远高于其它类型窑具,使用温度在1 300 ℃以上，但一般情况下小于1 600 ℃。目前,国内制造碳化硅窑具一般以粘土、硅微粉、氮化硅粉或硅粉与碳化硅结合,形成不同品种的SiC窑具。

3)新型窑具主要有:堇青石-钛酸铝质、堇青石-氧化锆质、钛酸铝-莫来石质、重结晶SiC质、渗硅SiC质等。这类窑具承烧温度较高，最高的可达2 200 ℃以上，主要应用于特种行业。

4结语

建筑卫生陶瓷节能减排的关键在于窑炉的节能，而窑炉技术的革新，则要从窑炉结构的优化、烧成技术的创新、合理选用喷枪、余热回收利用、大范围采用自动控制技术，以及研发更先进的保温材料和涂层技术等方面进行，正确地选择窑炉耐火材料和窑车的窑具材料是窑炉实现节能的第一步也是最重要的一步。随着高性能耐火材料和保温材料的发展，窑炉耐火材料的可选择范围越来越广，根据不同窑炉选择适合的耐火材料对窑炉的节能效果影响深远。

作者简介：*郝小勇(1968-)，本科，教授级高级工程师；主要从事粉体及硅酸锆生产应用的研究。

中图分类号：TQ175

文献标识码：B

文章编号：1002-2872(2015)05-0009-04