高溫剛玉－莫來石棚板的生產與應用

摘要 本文介紹了高溫剛玉-莫來石棚板的生產技術與應用情況，重點闡述了該棚板在高溫承重下的抗彎曲蠕變性能。

關鍵詞 剛玉，莫來石，棚板，高溫彎曲蠕變

1引 言

目前，在高溫梭式窯上剛玉-莫來石棚板得到廣泛使用，該棚板具有優良的高溫強度、抗熱震性和較高的使用溫度(1700℃)，且化學穩定性良好，不易與所承燒的產品發生反應，特別適用于燒成軟磁(鐵氧體)材料和電子絕緣陶瓷。但是由于高溫棚板在高溫(一般>1600℃)下承載量較大，同時承受較大的剪切應力，易使棚板發生高溫彎曲蠕變。國內現有的適用于1600℃～1700℃溫度段的高溫棚板的抗高溫彎曲蠕變性能大都不理想，致使當前高品質的高溫棚板仍然擺脫不了對進口產品的依賴。因此，研制低高溫彎曲蠕變的高溫棚板，具有非常重要的現實意義。

由于棚板屬于功能性耐火材料，對內部顯微結構、玻璃相含量、表面平整度等要求極高，因此生產工藝技術對其性能有著重要影響。

2高溫剛玉-莫來石棚板的生產技術

2.1 原料選擇

原料包括板狀剛玉、電熔白剛玉、電熔莫來石、Al2O3微粉和硅灰。對原料的基本要求如下:

（1） 化學成分與礦物組成穩定。

（2） 雜質含量低，特別對于K2O和Na2O含量。

（3） 粒度穩定，顆粒分布合理。

筆者所在公司采用的原料指標見表1。

2.2 泥料制備

泥料級配合理與否，直接影響棚板的高溫性能。根據筆者的長期經驗，泥料采用的粒度組成(wt%)如下:1～3mm占30%～35%、0.5～1mm占10%～12%、0.1～0.5mm占13%～16%、<0.1mm占38%～40%；水分占3%～4%。當棚板較厚時，粒度可適當放大。泥料在濕碾機中混練均勻。

2.3 成 形

高溫棚板主要為薄板狀，面積較大，而厚度尺寸相對較小，不宜使用摩擦壓磚機成形，所以本產品使用大噸位液壓機或振動成形機進行成形。

2.4干燥及燒成

由于棚板為薄板狀，面積較大，干燥過程中容易發生變形和開裂現象，尤其是厚度在10mm以下的棚板，所以坯體需要先自然干燥，一般需2～3天，然后放入電加熱干燥器進行干燥。棚板采用立放式干燥，所以干燥時還需要一些卡子對其進行固定，這樣對保持坯體不變形有重要作用。

剛玉-莫來石高溫棚板的燒成制度為：1000℃之前緩慢升溫，并適度保溫，這樣有利于結合劑的揮發；在莫來石反應的溫度范圍內宜放慢升溫速度，有利于顯微結構致密化，但不能保溫，否則即使提高最終的燒成溫度也不能達到致密化。最終的燒成溫度依使用溫度而定，一般要高于使用溫度50℃～100℃。

窯爐采用梭式窯，這樣操作的話，上下溫差較小。

2.5質量控制

目前，國內通常采用測試制品的體積密度、顯氣孔率、熱膨脹系數、常(高)溫抗折強度、荷重軟化溫度等常規性能指標來判定其性能，事實上這并不能反映出制品的真正質量和使用效果。經常是國內產品的部分性能指標較好，甚至超過進口產品，但由于缺乏高溫模擬使用試驗環節，實際使用效果和預期的差別很大。因此，應建立完善的模擬使用系統，對產品進行模擬使用試驗。

洛耐院模擬實際的使用條件對高溫棚板進行了高溫彎曲蠕變及熱震試驗。試驗方法：將高溫棚板如圖1所示放入高溫爐內，做相應溫度、承重下的抗彎試驗，降溫曲線按照用戶使用情況制定。如用戶需要300mm×300mm×30mm的棚板，使用條件為1650℃×3h，承重6kg。那么相應就做該棚板1650℃×6h、荷重8kg的抗彎試驗。承載物均勻分布于兩支架中間的板面上。試驗完畢后用塞尺測量最大的變形量。試驗三次無彎曲變形、不開裂，就可認為該棚板達到客戶的使用要求。該實驗指標能較客觀地反映高溫棚板在荷重情況下的實際抗彎曲蠕變情況和抗熱震性。

筆者所在公司生產的高溫棚板性能見表2所示，產品圖片見圖2。

一直以來，大家都認為高溫抗折強度可以直接反映窯具在高溫下承受載荷的能力。而根據筆者所做試驗發現：影響該能力的因素非常復雜，僅依靠高溫抗折強度并不能完全確定材料的高溫承載能力。例如：測定一材料1250℃的高溫抗折強度為11MPa，在1250℃和1230℃下，對該試樣施加2.35MPa的應力后直接進入加速蠕變階段，施力后僅幾分鐘試樣就發生斷裂。而在1210℃下，試樣則在出現短暫的減速蠕變后進入穩態蠕變階段。所以說模擬實際使用條件對高溫棚板進行高溫彎曲蠕變試驗是非常必要的。

常、高溫抗折強度的差值可以很好地反映棚板內部玻璃相的多少，對產品的抗熱震性和抗高溫蠕變性有一定的參考價值。質量好的棚板高溫抗折強度應該與常溫抗折強度接近。

3高溫剛玉-莫來石硼板的顯微結構

從圖3中可看到不同粒度的剛玉顆粒構成了棚板的骨架結構。結合相莫來石在棚板的高溫燒成過程中原位生成，并在剛玉顆粒的堆積孔隙中交錯生長。剛玉顆粒邊界圓滑則反映出在莫來石原位生成過程中與剛玉顆粒的界面發生了包晶反應，提高了結晶相的直接結合程度，這種結合方式使得棚板的結構更加致密、牢固，沿晶界滑移難以進行，顯著提高了棚板的抗蠕變性能。在莫來石晶體內部殘存有不規則微粒狀的剛玉晶體，它是Al2O3微粉與硅灰反應的殘存相，由于多余Al2O3的存在，可以確保棚板內部莫來石化完全且極少生成玻璃相。

4高溫剛玉莫來石棚板的應用

抗彎型棚板承重能力沒有承重型棚板高，但其抗蠕變性能突出，特別是使用在超高溫下（＞1650℃）。承重型棚板在1600℃下使用，抗彎曲蠕變性好，承重能力突出。如300mm×300mm×30mm的GPB2棚板在1600℃使用溫度下可承重16kg。超薄型棚板是指厚度在10mm左右的棚板，該板可以幫助用戶提高窯車的利用率，節約能源，卻不喪失優良的高溫性能。

GPB3抗彎型棚板目前已在南京某廠使用，使用效果良好，未出現熱震問題。

根據使用的實際情況，剛玉-莫來石高溫棚板在連續使用后，當中點撓度變形達到跨距的0.5%時，棚板需翻轉后方可繼續使用，否則可能會出現斷裂。

5結 語

筆者采用板狀剛玉、電熔白剛玉、電熔莫來石、Al2O3微粉和硅灰為主要原料，采用大噸位液壓成形、超高溫燒成，研制出具有優良高溫強度、抗熱震性和極低的高溫蠕變變形的剛玉-莫來石高溫棚板。該棚板應用在1650℃以上的高溫梭式窯爐上，能夠滿足長期高溫高荷重的使用要求，得到用戶普遍認可，可以替代同類進口產品。