干燥工藝對耐火纖維板性能的影響

　　文章于2019年發(fā)表于耐火材料期刊

　　耐火纖維板采用濕法工藝制備而成，制備過程通常為:將切短或破碎的耐火纖維棉同結合劑、助劑、填料等加水混合制備耐火纖維漿料，漿料經過真空吸濾成型制成纖維板坯體，坯體再經干燥和砂光制成耐火纖維板。該工藝制備的纖維板具有體積密度小、熱導率低等優(yōu)點，廣泛應用在冶金、機械、電力和石化行業(yè)。

　　干燥工藝對耐火纖維板的干燥效率、產品質量有重要影響。目前，耐火纖維板的干燥工藝有自然干燥、氣體強對流干燥、電加熱干燥以及微波干燥等多種。其中，氣體強對流干燥因設備投資小、穩(wěn)定性好、易操作等優(yōu)點而廣泛使用。但耐火纖維板坯體含水量較高，約在50%～60%(w)，使用氣體強對流干燥時耗時較長。微波干燥效率高(約為強對流干燥的3～5倍)，耗時較短；但其設備昂貴，后續(xù)維護費用較高，并且需根據產品的不同，設置不同的干燥工藝，對操作人員的綜合素質要求也較高。

　　截至目前，對于纖維板干燥工藝的對比研究較少。在本工作中，對比研究了循環(huán)熱風干燥和微波干燥對耐火纖維板性能和結構的影響。

　　1試驗

　　1.1試驗原料及設備

　　主要原料為普通硅酸鋁耐火纖維的原棉及破碎棉，其化學組成(w)為:Al₂O₃ 46.12%，SiO₂ 52.01%，F(xiàn)e₂O₃ 0.49%，K₂O 0.14%，Na₂O 0.09%，平均直徑為5.53μm;破碎棉由原棉采用自制的纖維破碎機破碎而成，破碎棉堆積密度約為55～65kg.m^-3。其他原料有30%(w)的堿性硅溶膠、可溶性淀粉、分散劑和混凝劑等。試驗用主要設備有:MEMD-F-S-6型立式微波干燥箱、WDL-3型熱風干燥箱、自制纖維破碎機、自制砂光機、自制真空成型吸濾機、邵氏硬度計(C型)、DMA型纖維直徑測定儀、EHY-600型耐壓強度試驗機、PBD-02P型平板導熱儀、德國索普EVO-18型掃描電子顯微鏡。

　　1.2試樣制備

　　先按纖維原棉與纖維破碎棉的質量比1∶9稱取纖維原棉和纖維破碎棉，再按每100kg混合棉加入98kg水、5kg有機結合劑、35kg硅溶膠、0.1kg分散劑和0.02kg混凝劑的比例稱取其他原料。

　　在打漿桶中加入清水，然后加入混合棉，攪拌3～5min后，依次加入有機結合劑、硅溶膠、分散劑和混凝劑，繼續(xù)攪拌2min制成耐火纖維漿料。將纖維漿料放入成型池中，采用自制的真空成型吸濾機成型為300mm×300mm×40mm的纖維板坯，然后分別使用微波干燥箱和熱風干燥箱在110℃干燥至恒重，同時測量其干燥線變化。最后，使用砂光機打磨纖維板的表面和側面，制成耐火纖維板。

　　1.3性能測定

　　按照GB/T17911-2006測定纖維板的熱導率和干燥及1000℃保溫12h熱處理后的加熱永久線變化，用邵氏硬度計測定纖維板的斷面(垂直于厚度方向)、磨前表面和磨后表面的邵氏硬度(HC)，按照GB/T14983-2008檢測纖維板的常溫耐壓強度(厚度壓縮10%)，并對熱處理前后試樣進行顯微結構分析(SEM)。

　　2結果與討論

　　2.1熱導率

　　兩種工藝干燥后纖維板的熱導率-熱面溫度曲線見圖1。可以看出:隨著熱面溫度的升高，采用不同方式干燥后纖維板的熱導率均不斷增大，但熱風干燥后纖維板的熱導率-熱面溫度曲線的斜率比微波干燥后纖維板的略大;在相同熱面溫度下，兩種工藝干燥后纖維板的熱導率差別不大，但微波干燥纖維板在800和1000℃的熱導率(分別為0.110和0.135W·m^-1·K^-1)略低于熱風干燥纖維板的(分別為0.114和0.139W·m^-1·K^-1)。

圖1兩種工藝干燥后纖維板的熱導率-熱面溫度曲線

　　2.2力學性能

　　在使用施工過程中，一般需要對耐火纖維板進行適當裁剪、機加工等，良好的硬度和強度有利于提高保溫襯層施工尺寸精度和施工效率。兩種工藝干燥后纖維板的耐壓強度、斷面硬度、磨前表面硬度和磨后表面硬度見圖2。可以看出：1)微波干燥纖維板的耐壓強度、斷面硬度和磨后表面硬度均大于熱風干燥纖維板的，但其磨前表面硬度則顯著小于熱風干燥纖維板的。2)微波干燥纖維板的磨前表面硬度略大于其磨后表面的，但小于其斷面的；而熱風干燥纖維板的磨前表面硬度約為其磨后表面的3倍，也顯著高于其斷面的。這表明，微波干燥纖維板的硬度分布更加均勻。

　圖2.兩種工藝干燥后纖維板的耐壓強度、斷面硬度、磨前表面硬度和磨后表面硬度

　　在熱風干燥過程的前期，纖維板表面溫度比纖維板內部的高，表面水分先揮發(fā)，內部水分不斷向纖維板表面遷移，內部的硅溶膠也向纖維板表面遷移，造成干燥后纖維板內外的固態(tài)硅溶膠量差別較大，因此磨前表面硬度顯著高于磨后表面硬度。而微波干燥屬于體加熱，內外溫差小[6]，干燥速度快，干燥過程中遷移到纖維板表面的硅溶膠較少，干燥后纖維板內外的固態(tài)硅溶膠量分布更加均勻[7]，因此磨前表面硬度與磨后表面硬度差別很小。

　　2.3加熱永久線變化

　　干燥及1000℃加熱12h后，纖維板面方向(長、寬方向)和厚度方向的加熱永久線變化見圖3?？梢钥闯?1)干燥及1000℃加熱12h后，纖維板均發(fā)生收縮，并且厚度方向的收縮均大于面方向的收縮，燒后收縮大于干燥收縮。2)熱風干燥纖維板厚度方向的干燥收縮顯著高于微波干燥纖維板的，面方向的干燥收縮則略小于微波干燥纖維板的，表明微波干燥纖維板面方向和厚度方向的收縮相對均勻;經1000℃熱處理12h后，熱風干燥纖維板面方向和厚度方向的燒后收縮均小于微波干燥試樣的。

圖3.干燥及1000℃加熱12h后的加熱永久線變化

　　2.4干燥速度

　　試樣在采用兩種工藝干燥過程中的質量-時間曲線見圖4?？梢钥闯?隨著干燥時間的延長，微波干燥和熱風干燥過程中纖維板的質量減小速率均呈慢—快一慢的變化趨勢，并分別在18min和16h時基本達到恒定，表明微波干燥速率遠高于熱風干燥速率。熱風干燥方式是從試樣外部向內部傳熱，而微波干燥方式是對試樣整體同時進行加熱，因此微波干燥的速度比熱風干燥的快。

圖4.試樣在采用兩種工藝干燥過程中的質量-時間曲線

　　2.5顯微結構

　　兩種工藝干燥后纖維板的顯微結構照片見圖5。由圖5可以看出:在熱風干燥纖維板中，硅溶膠及其凝聚物主要黏附在纖維的表面以及纖維與纖維的接觸處。在微波干燥纖維板中，可以明顯看到硅溶膠呈薄片狀分布在纖維之間，使纖維之間的結合由點結合變成面結合，顯著提高了纖維之間的結合強度。

圖5.不同工藝干燥后試樣顯微結構照片

　　3結論

　　(1)微波干燥纖維板在800和1000℃的熱導率略低于熱風干燥纖維板的。(2)微波干燥纖維板的耐壓強度、斷面硬度和磨后表面硬度均大于熱風干燥纖維板的，但磨前表面硬度顯著小于熱風干燥纖維板的。(3)熱風干燥纖維板厚度方向的干燥收縮顯著高于微波干燥纖維板的，但面方向的干燥收縮則略小于微波干燥纖維板的，表明微波干燥纖維板面方向和厚度方向的收縮相對均勻；微波干燥纖維板在1000℃加熱12h的燒后收縮大于熱風干燥纖維板的。(4)微波干燥和熱風干燥所用時間分別為18min和16h，微波干燥速度遠大于熱風干燥的。這導致微波干燥過程中遷移到纖維板表面的硅溶膠比熱風干燥的少，干燥后纖維板中硅溶膠的分布比熱風干燥纖維板的更均勻，進而導致其硬度分布更加均勻。(5)微波干燥纖維板中硅溶膠呈薄片狀分布在纖維之間，熱風干燥纖維板的則呈點狀附著在纖維上。

　　作者：方勝 張豪楓 崔曉軍 余超 段斌文  中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司

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本文由濟南火龍熱陶瓷有限責任公司整理

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