陶瓷辊研究

【摘要】：陶瓷辊棒是辊道窑炉中经常更换的主要易
损部件之一, 它的质量直接影响着窑炉的正常运转和生产陶瓷产品的产量和质量。

本文对陶瓷辊棒的概况、生成和目前的应用领域进行了简单的介绍，以及通过国内外陶瓷辊棒研究状况的比较，指出目前国内生产陶瓷辊棒存在的问题，最后对陶瓷辊棒的制备技术提出新的展望。

前言
随着我国建筑行业的快速发展提高，建筑陶瓷、卫
生陶瓷、日用陶瓷等需求量与日俱增，因而具有快烧、
节能、自动化程度高的辊道窑大量应用于陶瓷行业中。

随着辊道窑应用范围和数量的增大，对辊道窑中的一些
部件要求也不断提高。

陶瓷辊棒作为辊道窑的关键部件，在高温烧结过程中起着支撑和传送煅烧陶瓷产品的作用。

辊棒的各项技术指标直接影响到辊道窑的使用性能、煅
烧陶瓷产品的质量和产量。

因此，研究和讨论陶瓷辊棒
的生产技术对我国陶瓷行业的进一步发展有重要意义。

1 陶瓷辊棒的简介
1.1 陶瓷辊棒在辊道窑中的作用和性能要求
陶瓷产品在辊道窑中的烧成温度一般都在1250℃以
上，因而需要能在高温下支承和运输这些陶瓷产品的窑具，陶瓷辊棒就是在高温下起着支承和传送陶瓷产品的
作用，帮助其完成整个烧成工艺过程的窑具[1-4]。

所以陶瓷辊棒是辊道窑中很重要的部件，它的质量情况直接影
响着窑炉的正常运转和生产出的陶瓷产品的产量和质量。

陶瓷辊棒的各项技术指标直接影响到辊道窑的使用性能，辊棒的长度决定了窑炉的有效宽度，辊棒的圆度和直线
度将影响到产品的烧结质量和运行规律，热震稳定性会
影响到陶瓷辊棒的使用寿命和工厂的生产成本，辊棒的
高温强度是承载产品重量的依据，而辊棒的耐火度和高
温荷重软化点决定了辊道窑的最高使用温度[5-6]。

随着我国建陶工业的迅速发展，通过国外先进技术
的引进，陶瓷辊棒的发展趋势是向宽断面、高使用温度
方向发展，因此对辊道窑用陶瓷辊棒提出了更高的质量
要求。

表1 是目前国内工业上对陶瓷辊棒使用的各项性
能指标要求[7]。

1.2 陶瓷辊棒的分类
辊棒按材质划分目前分为两种：一种是金属辊棒；
另一种是陶瓷辊棒[7-8]。

一般金属质辊棒承受1000℃以下的温度，虽其抗热震性好，去污能力强，但高温机械强
度低，高温蠕变大，且价格昂贵，因而较多是在辊道窑
低温带中使用。

相反陶瓷辊棒高温力学性能好，高温蠕
变小，生产成本较低，所以陶瓷辊棒能大量使用于辊道窑。

按材质分类，陶瓷辊棒分为碳化硅质辊棒、高铝质
辊棒和熔融石英质辊棒；碳化硅质辊棒又可分为重结晶
碳化硅辊棒和反应烧结碳化硅辊棒；高铝质辊棒可细分
为刚玉质辊棒、莫来石- 刚玉质辊棒、堇青石- 莫来石
质辊棒、锆莫来石质辊棒[9-12]。

1.2.1 碳化硅质陶瓷辊棒
碳化硅质辊棒具有优良的高温强度、抗热冲击性、
耐磨损、耐腐蚀等性能，但是由于SiC 陶瓷辊棒的生产
成本高，抗氧化性比较差，在高于1350℃会剧烈氧化，
影响使用寿命，而且SiC 陶瓷辊棒在高温下产生的SiO
气体会对窑内的产品以及窑具造成污染，影响产品质量
[13-14]。

因此，SiC 陶瓷辊棒在辊道窑中的应用范围较小，通常使用在高温烧成带。

1.2.2 高铝质陶瓷辊棒
高铝质陶瓷辊棒是辊道窑中使用最多的辊棒，其优
点是抗氧化好，抗高温蠕变强、高温力学强度大，耐磨损，抗热震性好，而且高铝质陶瓷辊棒原料来源广，价格低
廉[15-16]。

莫来石- 刚玉质辊棒不但具备有高温力学性能好、
耐火度高等特点，而且与单一的刚玉质或是莫来石质辊
棒相比，具有更加优异的抗热震性能。

莫来石- 刚玉复
相材料辊棒的高温机械强度和抗蠕变性能都优于刚玉或
莫来石单相材料，原因是由于两种不同形状的晶体在高
温条件下相互之间交错穿插填充，形成了更加紧密的堆
陶瓷辊棒的研究现状
4 │中国陶瓷│ CHINA CERAMICS │ 2009(45) 第 6 期
积和结合程度更高的网络状显微结构。

还可以合理利用
两种材料不同的热膨胀系数，在刚玉颗粒周围形成适宜
的微裂纹结构，有利于提高材料整体机械强度，从而提
高其耐热震性能[17-20]。

堇青石- 莫来石质辊棒是早先时候发展的辊棒，堇
青石- 莫来石质辊棒的最高使用温度也可以达到1350℃，
膨胀系数低，热震稳定性好，成本低。

但是由于堇青石-
莫来石质辊棒的高温抗折强度较低，限制了其在辊道窑
中的利用[21-22]。

锆莫来石质辊棒是最近发展起来的辊棒，在莫来石
- 刚玉辊棒的基础上加入适量的锆石英，利用ZrO2 相变
增韧作用来提高辊棒的热震稳定性，因而同时具有优异
的化学稳定性和抗热震性, 含有的玻璃相少, 可在1500
℃下使用[23]。

1.2.3 熔融石英质陶瓷棍棒
熔融石英质陶瓷棍棒具有热震稳定性好、热膨胀系
数小、导热率低、耐玻璃及金属液侵蚀等特点[24]。

但是
由于熔融石英质陶瓷棍棒的抗折强度不高，在常温下一
般小于40Mpa，所以这就限制了其应用范围，通常熔融
石英辊棒应用在玻璃行业中的退火工序和金属带材( 如硅钢、不锈钢和镀锌铁板) 热处理炉中。

2 陶瓷辊棒的生产与使用
2.1 陶瓷辊棒的生产
目前生产高温陶瓷辊棒所采用的工艺流程如图1[9] ：
在陶瓷辊棒的工艺流程中，成型工艺是关键工艺之
一。

目前陶瓷辊棒生产主要采用三种成型方法：注浆成型、等静压成型和可塑挤出成型[25-26]。

注浆成型是将陶瓷粉料配成具有流动性的泥浆，然
后注入多孔模具内，水分在被模具吸入后便形成了具有
一定厚度的均匀泥层，脱水干燥过程中同时形成具有一
定强度的坯体的。

注浆成型对泥浆性能要求高，而且注
浆成型需占有庞大的生产场地，产品致密度较差，劳动
强度较大，生产效率较低，目前应用较小，已被塑性挤
出成型所取代。

等静压成型又称静水压成型，它是利用液体介质不
可压缩性和均匀传递压力性的一种成型方法。

该方法先将坯料在辊坯成型模具上制成管状，然后在其表面套一层皮囊外套，放入液压机中，通过液体向皮囊传递压力，然后从液压机里取出脱模，坯体即可进窑烧成。

等静压成型
辊棒坯料含水率为1% 左右，成型压力可在80-150MPa
之间，视坯料组成和辊坯的直径和长度而定。

等静压成
型的优点是辊坯无干燥变形，坯体强度大。

其缺点是设
备投资大，生产工艺复杂。

可塑挤出成型是利用泥料具有可塑性的特点，经一
定工艺处理泥料制成一定形状的坯体。

此法的工艺过程是：坯料经球磨、过筛，通过高压泥浆泵和高压压滤机
脱水成泥饼，或用预处理的原料、加水混台均匀而成附
坯料。

经真空练泥机混体使坯料的组分和水份更加均化
并脱气。

塑性成型机有两大类型，一类是活塞式液压挤
出机, 另一种类型为真空螺旋挤出成型机。

表2 就是这三这种方法优缺点之间的比较。

2.2 陶瓷辊棒的使用
陶瓷辊棒的正确使用与否，对辊棒的寿命和减轻企
业的经济负担都有直接的影响。

因此，为达到好的使用
效果，应当遵守如下准则[22] ：
1）使用之前，需在辊棒的表面均匀地涂上一层由硅
酸锆和刚玉砂及高岭土等主要成份的辊棒涂料，该涂料
能起防止辊棒表面化学腐蚀的保护作用。

2）辊棒在装进窑炉之前应保证辊棒预热干燥接近
24h，并保证辊棒是干燥的。

3）辊棒无论装进或移出窑炉都应在旋转状态下进行，
并且这些操作尽可能快速完成。

4）不能将取出的辊棒置于气流中，且不能与冷的物
体接触，应将其放在铺有绝热陶瓷棉的地上，并在陶瓷辊棒上盖上陶瓷棉，使其慢慢冷却。

5）辊棒在窑内工作4 周左右后，应抽出辊棒进行清
理，用专门的清辊机清理辊棒上的烧结粘合物，清理后重新涂上辊棒涂料以备后用。

3 陶瓷辊棒的应用[8,10]
3.1 在墙地砖生产中的应用
由于墙地砖产品的烧成温度为1250℃，所以目前生
产墙地砖的辊道窑属于中低温窑炉，而高铝陶瓷辊棒可以承受的温度达1350℃以上，因此高铝陶瓷辊棒完全可以满足其使用要求。

3.2 在日用瓷和卫生洁具生产中的应用
日用瓷和卫生洁具的烧成温度在1250-1350℃之间，
而且产品的单位重量大，因此在辊道窑里烧成时要求辊棒的耐火度高还要高温强度好。

所以在过去大部分是采用SiC 质辊棒来使用，但由于SiC 质辊棒价格较贵，SiC 质辊棒直线度公差较大，常常造成堵窑现象，也增加了生产成本。

现在除了在高温烧结区使用少量的SiC 质辊棒外，较多的还是使用高铝质辊棒。

3.3 在铁氧体材料生产中的应用
铁氧体材料（即磁性材料）的烧成温度在
1280-1350℃之间，利用高铝质辊棒无论在辊道窑的高温带还是低温带都是能很好满足要求。

3.4 在玻璃行业中退火工序的应用
玻璃行业中玻璃退火工序的温度区域在600-900℃，
属于低温工作环境。

目前应用在这个行业中的辊棒是熔融石英质辊棒。

国外已经用熔融石英陶瓷空心辊棒替代耐热钢辊棒使用获得成功，使用熔融石英辊棒后，大大减少了厚玻璃底部表面的缺陷数量，生产高质量薄玻璃时的氧化锡附着现象明显减少。

另外，由于熔融石英辊棒的导热率极低，降低了玻璃底部表面的过快冷却，从而消除了应力裂纹。

可见，熔融石英陶瓷辊棒在玻璃行业推广后，对降低生产成本、提高产品质量和档次具有明显的作用。

但由于熔融石英质辊棒的价格昂贵，因而有人提出用高铝质辊棒来代替熔融石英质辊棒来应用在玻璃退火工序中。

3.5 金属带材热处理炉中的应用
金属带材( 如硅钢、不锈钢和镀锌铁板) 热处理炉
过去一般使用石墨辊和陶瓷涂层辊作为炉底辊套，由于存在氧化和结瘤等问题，国外通过采用熔融石英陶瓷辊棒而获得了成功。

使用熔融石英陶瓷辊棒后，不但可以延长炉底辊的使用寿命，而且可以提高热处理温度以提高金属带材的档次和质量。

4 国内陶瓷辊棒的研究状况
4.1 国内外陶瓷辊棒的性能比较
经过近几年的研究与发展，国内陶瓷辊棒的生产技
术有了很大的进步，无论是从材质、原料还是生产工艺
方面都有了很大的提高，使得陶瓷辊棒的各项性能指标
不断改进，满足了工业的生产要求，同时也缩小了与国
外陶瓷辊棒生产技术的差距。

下表便是国内一家陶瓷辊
棒生产公司的产品同国外陶瓷辊棒的各项性能指标比较。

从上面来两张表上可以看出国内生产陶瓷棍棒的技
术已经很接近国外的水平了。

从主成分来看，国内产品
与国外产品相比较，尽管国外产品氧化铝平均含量较高，但彼此差距不大，而且还可以看出国内生产的辊棒抗折
强度已经达到了国外水平，但是在吸水率、热震稳定性、和体积密度等性能方面还是存在一定的差距，这也是国
内陶瓷辊棒使用寿命没有国外长的根本原因[27-29]。

4.2 国内生产陶瓷辊棒存在的问题
虽然近几年国内生产陶瓷辊棒的技术有了很大的进
步，但是同国外先进技术相比较起来，还是存在一定差离，也就是国内生产陶瓷辊棒还存在许多问题[30]。

1) 生产辊棒的原料不纯，含杂质过多
Na2O、K2O 等杂质含量过多时，在烧成和长期使用
过程中极易形成玻璃相，当它的含量增加到一定的程度，制品的热震稳定性能就变差，高温抗折强度也变小，是造成陶瓷辊棒寿命变短的主要原因。

2) 烧成温度较高
目前国内大多数陶瓷辊棒的烧成温度都在1580℃以
上，高温烧结不仅消耗了大量的能源，而且增加了切割成本，同时对窑炉和窑具都有较大的伤害，这些都增加了生产成本。

3) 辊棒废料无法利用
随着陶瓷辊棒的大量生产和使用，加工切割之后的
边角余料以及断裂损耗而丢弃的废弃辊棒急剧增多。

这些废料由于无法大量回收，被堆积在工厂内外，不仅占地面积日益扩大，而且浪费资源，严重污染环境。

4) 吸水率偏高
国内生产的高铝质陶瓷棍棒的吸水率都在8% 左右，
略高于国外水平。

制品的吸水率增高会导致抗渗透性下降，强度减小，从而使得辊棒的寿命缩短。

5) 热震稳定性偏差
陶瓷辊棒的热震稳定性偏差会导致在生产中窑炉烧
结带有大量的陶瓷辊棒断裂，从而影响正常生产。

6) 辊棒的外形尺寸偏差过大
国内生产的辊棒常出现直径和圆度变形量大，变形
过大会造成辊棒卡套和辊棒配合不好，甚至无法使用，同时还会造成制品运行不稳和跑偏，容易发生粘叠现象。

7) 抗碱性腐蚀较差
由于在辊道窑中煅烧的陶瓷产品还有大量的钙、镁
等碱性杂志，对辊棒的腐蚀较大，从而影响辊棒的寿命。

5 展望
从保护环境、节约能源等方面出发，针对上面提出
的问题，首先可以大量开发低温烧成陶瓷辊棒，实现节约能源，减低成本；其次就是回收利用陶瓷辊棒废料废料，利用辊棒废料来研究制取新的陶瓷辊棒，从而实现资源重新利用并减轻环境负荷，具有重大意义；最后开发研究抗碱性陶瓷辊棒，提高辊棒的使用寿命。

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