窑具材料的研究现状及发展趋势

窑具材料的研究现状及发展趋势

鲁兵1)方昌荣1)王周福2)王玺堂2)

1)中冶集团武汉冶建技术研究有限公司武汉 430081

2)武汉科技大学高温陶瓷与耐火材料湖北省重点实验室

摘要介绍了窑具的用途、应用范围及性能要求，并概述了当前普遍使用和研究的集中窑具的优缺点和现状，展望了窑具的发展趋势，同事指出了我国窑具行业存在的问题，并提出了解决方案。

关键词窑具，碳化硅，堇青石，莫来石，熔融石英，钛酸铝

窑具是在陶瓷产品和磁性材料的烧成工序中起支撑和保护作用的一种异性耐火材料，主要包括匣钵、棚板、垫饼立柱和推板等。窑具的性能直接影响到陶瓷等被烧成对象的质量和生产成本。

一般窑具材料应具备一下基本性能：

（1）高耐火性、良好的抗热震性及化学稳定性。现代陶瓷的烧成向快烧方向发展，抗热震性显得尤为重要；高温化学稳定性好的窑具不易与制品发生反应。

（2）常温和高温强度打。窑具的作用之一就是承重，必须经受住制品及窑具本身的负荷；高强度窑具材料可使窑具做得又轻又薄，以提高装窑密度，改善制品质量。

（3）良好的导热性和低蓄热性。制品的生产趋向优质、高产、低耗，烧成工艺趋向快速，这就要求窑具蓄热少，传热快。

（4）外观规整，尺寸精确。产品烧成变形与匣钵平整度有关；匣钵尺寸精确，有利于机械化操作，提高生产效率。

目前的窑具材料主要有碳化硅、堇青石、堇青石－莫来石、莫来石、莫来石－刚玉、熔融石英、钛酸铝、钛酸铝－莫来石等材质，其中以碳化硅质和堇青石质窑具的研究和使用最为广泛。

1窑具材料的研究现状

1.1碳化硅质窑具

碳化硅（SiC）是一种耐高温，抗侵蚀，抗热震，到热性能好，机械强度高的高级耐火材料。由于碳化硅是共价键结合的化合物，很难单纯采用常压烧结的方法来制取高致密材料，必须采用一些特殊工艺手段或者依靠第二相物质促进其烧结。根据结合相不同，可以将碳化硅质窑具分为以下几种：粘土结合、二氧化硅结合、莫来石结合、自结合、氧氮化硅结合、SiALON结合、重结晶（R－SiC）、氮化硅结合（N－SiC）、反应烧结（RS－SiC）和烧结а－SiC（S－SiC）等。

目前，科学工作者对碳化硅质窑具进行了一系列的研究。

于岩[1－4]分别研究了矿化剂K2O、CaF2及复合矿化剂CaF2－CaO、CaO－MnO2对硅微粉结合SiC窑具的析晶结构和性能的影响。结果表明：CaF2－CaO 矿化剂的最佳添加量为1.5%；K2O的最佳添加量为1.5%，CaO－MnO2混合矿化剂的最佳加入量为2.0%，CaF2的较佳添加量为1.5%。

周丽红等[5]研究了氮化制度和添加物对Si2N2O结合SiC窑具材料性能的影响，并分析了不同氮化制度下材料的显微结构，表明优化氮化制度及引入适量的

添加物可提高材料的常温和热态李学性能，有利于板桥状Si2N2O晶粒的形成和长大，使材料结构更为致密、均匀。

李柳生等[6]利用热力学分析了氧氮化硅结合相的生产机理，探讨了硅粉加入量对氧氮化硅生成量、材料的各项理化性能以及抗氧化性能的影响。结果表明：氧氮化硅的含量随硅粉加入量的增加而增加，制品的产稳耐压强度和荷重软化温度相应提高。

李小明等[7]利用自分散法进行了低温烧成SiC窑具的研究，对多种金属粉末及供氧剂作了试验，结果表明，这种方法对于研制具有良好抗热震性的SiC窑具制品是可行的。

碳化硅质窑具在空气介质中使用时，高温下会被氧化，氧化产物а－方石英会发生体积膨胀，使窑具结构疏松，以致产生裂纹而直接影响其使用寿命。为了提高氮化硅窑具的抗氧化性，人们进行了大量研究。

刘春侠等[8]对比了Si2N2O结合SiC和Si3N4结合SiC两种窑具材料在不同温度（1150～1450℃）下的抗氧化性。结果表明，在显气孔率、氧化面积均相近的情况下，Si2N2O结合SiC材料在低温下（＜1250℃）具有较好的抗氧化性，而Si3N4结合SiC材料在高温下（≥1250℃）具有较好的抗氧化性。

阮玉忠等[9]采用浸渍Ca3（PO4）2饱和溶液的方法来填充SiC窑具的气孔，降低其气孔率，阻碍O2在SiC窑具中的扩散，从而增强SiC窑具的抗氧化性。结果表明，浸渍次数越多，氧化速度越小。