中國粉體網(wǎng)訊 隨著工業(yè)的快速發(fā)展，窯具作為一種特殊的耐火材料，已成為陶瓷、鋰電等行業(yè)燒結(jié)環(huán)節(jié)必不可少的高溫輔助材料制品。
所謂窯具，指的是什么?
窯具是指在工業(yè)窯爐中循環(huán)使用，用于支撐或保護(hù)被燒產(chǎn)品的耐火制品，在日用陶瓷、建筑陶瓷、衛(wèi)生陶瓷以及先進(jìn)陶瓷材料的生產(chǎn)中被大量應(yīng)用。近年來，隨著新能源賽道的崛起，鋰電正極材料在生產(chǎn)環(huán)節(jié)需要大量的高性能窯具，致使窯具進(jìn)一步受到關(guān)注。
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在使用過程中，一般將窯具輕薄化以減少蓄熱、節(jié)約能源，但又要有一定的承重能力，因此需要窯具具有較高的常溫及高溫強(qiáng)度；陶瓷的快燒工藝要求窯具具有更好的抗熱震性；對于電子陶瓷，為防止制品受到污染，要求窯具具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性；現(xiàn)代工業(yè)在機(jī)械操作過程中要求窯具具有精確的尺寸來保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行。
窯具分為哪幾類？
如果按照窯具的材質(zhì)分類的話，一般有堇青石、堇青石-莫來石、熔融石英、莫來石、鈦酸鋁-莫來石、碳化硅及剛玉質(zhì)制品等不同類型窯具。
根據(jù)窯具服役條件不同，我們又可將窯具分為３大類：
第一類是隧道窯、梭式窯等窯車臺面用輕質(zhì)邊圍磚，此類窯具使用環(huán)境溫度稍低，主要是能承受壓力的載荷且只要能達(dá)到低蓄熱的目的；
第二類是立柱、棚板和橫梁等，該類窯具直接與火焰接觸，使用環(huán)境溫度高，棚板、橫梁等部位還需要承受高溫及承重壓力的雙重作用，所以要求其應(yīng)具備一定的高溫抗折強(qiáng)度及良好的抗熱震穩(wěn)定性；
第三類是用作燒結(jié)器皿的專用窯具，如匣缽、坩堝等，此類窯具不一定直接與火焰接觸，僅承受瓷件自身的重力，所以其應(yīng)用環(huán)境有時要好得多。
窯具質(zhì)量與性能的好壞對燒成陶瓷制品的質(zhì)量、產(chǎn)量、能耗、合格率、等級率、生產(chǎn)成本及整個企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有舉足輕重的作用，因此提高窯具的材料性能和質(zhì)量，減少窯具的重量、延長使用壽命對燒成優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品起著重要的作用。
接下來，我們對各種窯具一一介紹。
結(jié)構(gòu)窯具
結(jié)構(gòu)窯具是工業(yè)窯爐重要組成部分，服役時爐內(nèi)溫度高，直接與燃?xì)饣鹧娼佑|或受發(fā)熱體輻射傳熱，通常承受重于自身，甚至重量數(shù)倍于已的載荷力而不變形或是斷裂，這就要求其應(yīng)具備一定的高溫機(jī)械強(qiáng)度及良好的熱震穩(wěn)定性。在此類窯具中，以棚板（橫梁、立柱通常與棚板配套使用，以棚板為代表）、推板、輥棒為主，市場容量較大。
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1、棚板、立柱、橫梁
以棚板為例，棚板作為支撐燒成中瓷件的專用窯具，是陶瓷工業(yè)中一種重要的輔助材料。棚板的面積大、厚度薄，也是目前窯具用量最大的一種，無論是生產(chǎn)還是使用，最具代表性。窯爐工業(yè)中常用的棚板材質(zhì)有堇青石-莫來石質(zhì)、剛玉質(zhì)、碳化硅質(zhì)等，其基本情況如下表所示。
堇青石-莫來石質(zhì)棚板中堇青石（2MgO·2Al2O3·5SiO2）與莫來石（3Al2O3·2SiO2）在常溫～1000℃熱膨脹系數(shù)分別是1.1×10-6℃-1、5.3×10-6℃-1，可以看出兩種材料的膨脹系數(shù)有較大差別，兩種材料復(fù)合制備使得兩相界面形成微裂紋，可有效降低因溫度急劇變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力，進(jìn)而提高熱震穩(wěn)定性。
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隨著高溫功能陶瓷如軟磁（鐵氧體）材料和電子絕緣陶瓷的發(fā)展，傳統(tǒng)堇青石－莫來石棚板的應(yīng)用已經(jīng)受到一定的局限，而剛玉－莫來石棚板得到廣泛使用，該棚板具有優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、抗熱震性和較高的使用溫度（1700℃），且化學(xué)穩(wěn)定性良好，不易與所承燒的產(chǎn)品發(fā)生反應(yīng)。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，大噸位液壓成形，超高溫?zé)�，可生產(chǎn)出具有優(yōu)良高溫強(qiáng)度、抗熱震性和極低高溫蠕變變形的剛玉－莫來石高溫棚板。
反應(yīng)燒結(jié)碳化硅材料具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨、耐腐蝕及良好的抗氧化、抗熱震等性能，是應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)陶瓷和窯具材料之一。碳化硅質(zhì)棚板其使用性能的優(yōu)劣很大程度上取決于結(jié)合相性質(zhì)，特別是高溫性能，SiO2結(jié)合碳化硅制品制備原料純度高性能較好，且價格又較氮化硅或賽隆結(jié)合碳化硅有較大優(yōu)勢，近年來由于陶瓷快速燒成技術(shù)的成熟發(fā)展，國內(nèi)市場對SiO2結(jié)合碳化硅棚板的需求量進(jìn)一步增大。
2、推板
陶瓷工業(yè)推板窯應(yīng)用較為普遍，其中推板是其基本附屬材料，通常推板性能決定了窯爐的運(yùn)行效率。推板窯運(yùn)行時，要求高溫下其承受陶瓷坯體或匣缽的載荷、巨大頂力、與軌道的摩擦阻力而不發(fā)生斷裂，冷熱循環(huán)使用壽命高達(dá)幾十次甚至上百次，因此，推板須具有較高的常溫、高溫強(qiáng)度和耐磨性，還應(yīng)具有優(yōu)異的熱震穩(wěn)定性。目前，國內(nèi)外常用的推板為碳化硅質(zhì)和剛玉莫來石質(zhì)，如下表所示。
碳化硅質(zhì)推板以氧化硅結(jié)合碳化硅的為主，因碳化硅在1300℃以上氧化較為顯著，其應(yīng)用范圍受到限制，僅適用一些低端制造領(lǐng)域或是窯爐溫度較低的領(lǐng)域，當(dāng)前較大的應(yīng)用領(lǐng)域有鋰電正極材料推板窯，無機(jī)粉體煅燒推板窯，應(yīng)用溫度均不高。
剛玉、莫來石等傳統(tǒng)耐火原料具有很多優(yōu)點(diǎn)，如高荷重軟化溫度，較好的抗蠕變性，但純剛玉制品因熱膨脹系數(shù)較大，其抗熱震性能不太理想。而莫來石材料的熱膨脹系數(shù)顯著低于剛玉，其可以作為制品的次晶相或是結(jié)合相，因此剛玉莫來石質(zhì)推板綜合了兩種材料的性能，特別是抗熱震性較剛玉質(zhì)制品大幅提高，應(yīng)用于燒成高溫陶瓷材料的推板窯，其使用壽命多達(dá)100次以上。
目前推板性能處于領(lǐng)先地位的有韓國YJC、圣戈班、日本三井金屬礦業(yè)及大阪窯業(yè)等企業(yè)，并在國內(nèi)有多家代理商，占據(jù)了國內(nèi)軟磁鐵氧體燒結(jié)窯用推板市場，其使用壽命均明顯優(yōu)于國內(nèi)同類產(chǎn)品。
3、輥棒
輥道窯是利用棍棒的轉(zhuǎn)動運(yùn)送坯體，使坯體逐漸通過預(yù)熱、燒結(jié)冷卻各帶完成燒結(jié)。輥道窯的優(yōu)點(diǎn)是：棍棒上下加熱窯內(nèi)溫度均勻，產(chǎn)品燒成周期短，燃料消耗低。陶瓷輥棒是輥道窯的關(guān)鍵部件，消耗量較大。它在產(chǎn)品連續(xù)性高溫?zé)芍衅鸪休d傳輸?shù)淖饔�，其使用時既要耐高溫，在長期轉(zhuǎn)動過程中又要具備抗高溫蠕變的特性。陶瓷輥棒主要材質(zhì)有：剛玉質(zhì)、鋁硅質(zhì)、熔融石英質(zhì)和碳化硅質(zhì)。其中碳化硅輥棒的材質(zhì)又有重結(jié)晶質(zhì)和反應(yīng)燒結(jié)碳化硅質(zhì)。
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氧化物質(zhì)陶瓷輥棒最高使用溫度基本小于1250℃，例如日用瓷的彩燒、素?zé)皦Φ卮u等低、中溫輥道窯基本全部使用氧化物質(zhì)陶瓷輥棒，鐵氧體、日用衛(wèi)生潔具、Al2O3基板等燒成用的中、高溫輥道窯除燒成帶外其他低溫位置也可以采用高鋁陶瓷輥棒。玻璃退火工序溫度在600～900℃區(qū)間，普遍采用的抗熱震性能優(yōu)異的熔融石英質(zhì)輥棒，應(yīng)用時熔融石英不會發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，輥棒的外觀尺寸精度和表面光潔度須滿足要求。
碳化硅質(zhì)陶瓷輥棒使用溫度可超1300℃，常被用為中、高溫輥道窯燒成帶用輥棒的首選材質(zhì)。重結(jié)晶碳化硅輥棒具有高溫高負(fù)載能力，應(yīng)用于生產(chǎn)氧化鋁陶瓷和其他特種陶瓷制品的高溫環(huán)境下的輥道窯。重結(jié)晶碳化硅熱電偶保護(hù)管以其優(yōu)越的耐腐蝕性和高導(dǎo)熱性能滿足高溫測量領(lǐng)域不斷的需求，另外冷風(fēng)管和一些特異型管也應(yīng)用在各種不同工業(yè)窯爐。
需要指出的是，陶瓷輥棒制備工藝較為關(guān)鍵，特別是成型工藝控制，通常采用真空擠出和等靜壓成型兩種制備工藝。通過高溫?zé)晒に嚕ㄕ婵諗D出獲得的坯體）可以獲得吸水率較低、高溫強(qiáng)度高的產(chǎn)品，然而該種工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品熱震穩(wěn)定性通常不好；而采用等靜壓成型，并經(jīng)高溫?zé)晒に嚳色@得的制品吸水率較高且高溫強(qiáng)度大的產(chǎn)品，與擠出工藝相比，制品的抗熱震性是其特有的優(yōu)勢。
燒結(jié)器皿（匣缽、坩堝、墊板）
支撐燒成陶瓷坯體的專用窯具，或盛放粉體（正極材料、磁性粉體、高純陶瓷材料等粉體的煅燒與合成）后在輥道窯、推板窯、隧道窯進(jìn)行熱處理的匣缽，根據(jù)使用廠家燒成工藝不同此類窯具會經(jīng)受不同受熱條件，該類產(chǎn)品材質(zhì)取決于燒結(jié)體的種類與熱處理工藝。
1、匣缽/坩堝
盛放粉體（鋰電池正極材料、磁性粉體、高純陶瓷粉）后在輥道窯、推板窯、隧道窯進(jìn)行熱處理的匣缽，一般采用擠出，機(jī)壓、澆注以及等靜壓工藝成型，根據(jù)制品的組成和結(jié)構(gòu)選擇合適的成型工藝。應(yīng)用最為廣泛的材質(zhì)有堇青石-莫來石質(zhì)、剛玉莫來石質(zhì)、碳化硅質(zhì)及石墨質(zhì)，其中以鋰離子正極材料的合成領(lǐng)域應(yīng)用最為普遍。
堇青石-莫來石匣缽因其具有優(yōu)異的抗熱震性以及經(jīng)濟(jì)性，廣泛應(yīng)用于鋰電池正極材料領(lǐng)域。
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基于碳酸鋰/氫氧化鋰堿性強(qiáng)，熔點(diǎn)低，對酸性耐火材料均有較強(qiáng)的腐蝕性，鋁硅質(zhì)匣缽的壽命普遍較低。
剛玉質(zhì)匣缽主要用在熱震條件不苛刻，使用溫度高的環(huán)境下對一些高純粉體的煅燒，例如高純度氧化鋁粉體煅燒，匣缽需要經(jīng)過1800℃高溫?zé)桑捎肁l2O3含量99.9wt%氧化鋁活性粉和低鈉白剛玉等進(jìn)行生產(chǎn)的，結(jié)合劑采用低灰份（Ash≤0.01wt%），在整個原料控制上保證雜質(zhì)有效控制，并經(jīng)過足夠的高溫?zé)龑?shí)現(xiàn)較低的熱膨脹系數(shù)。
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石墨與碳化硅質(zhì)匣缽具有高導(dǎo)熱，耐高溫，抗熱震性能優(yōu)異等特點(diǎn)，抗氧化能力差，但在還原氣氛下抗堿侵蝕性能較出色。石墨匣缽?fù)ǔＳ米鬟�原氣氛下高溫?zé)Y(jié)物料裝載的容器，應(yīng)用于磷酸鐵鋰燒結(jié)、電磁材料燒結(jié)，傳統(tǒng)的石墨匣缽是通過機(jī)加工的方式進(jìn)行生產(chǎn)的，效率低、成本高。碳化硅匣缽除此之外較多應(yīng)用于制藥，精細(xì)化工、工程冶金，酸洗等行業(yè)。
2、承燒板
承燒板服役時要承受移動時的推力與裝卸產(chǎn)品時的摩擦力，冷熱循環(huán)使用不開裂，在承燒板抗熱震性滿足條件下，提高承燒板的抗彎性能與抗裂性能是關(guān)鍵。承燒板要求其材質(zhì)化學(xué)惰性極好，不與所承燒產(chǎn)品發(fā)生反應(yīng)。承燒板材質(zhì)分為氧化鋁質(zhì)、氧化鋯質(zhì)、復(fù)合質(zhì)等，主要應(yīng)用在電子陶瓷、特種陶瓷等領(lǐng)域。
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剛玉質(zhì)承燒板是指主晶相為α-Al2O3的高端窯具，具有強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫和耐磨等優(yōu)良性能，高溫（＞1650℃)變形小，但燒結(jié)溫度高，熱震穩(wěn)定性較差，鋯鈦酸鉛壓電陶瓷在燒制過程中，剛玉質(zhì)承燒板面臨中心翹曲、表面層狀粉化及剝落等現(xiàn)象。
氧化鋯是一種抗腐蝕，耐高溫的耐火氧化物，氧化鋯質(zhì)承燒板經(jīng)常被用于介電陶瓷、粉末冶金、片式電容器、鐵氧體磁性材料等制品的燒結(jié)墊板，是為了防止零件燒結(jié)時出現(xiàn)粘連和防止電子元件電磁性能的流失等。
導(dǎo)電陶瓷、裝置瓷等的燒成溫度一般在1400～1650℃之間，一般多為剛玉-莫來石質(zhì)、剛玉質(zhì)，復(fù)合質(zhì)。
鈦酸鋇陶瓷是電子陶瓷行業(yè)內(nèi)的明星產(chǎn)品，其制備工藝中燒結(jié)是重要步驟，是決定鈦酸鋇致密化與顯微結(jié)構(gòu)的最后階段，因此承燒板的品質(zhì)尤為重要。由于鈦酸鋇熔點(diǎn)低（1625℃）、密度高，呈堿性，傳統(tǒng)鋁硅質(zhì)窯具易與其反應(yīng)，導(dǎo)致制品受到污染。國外相關(guān)窯具生產(chǎn)企業(yè)將等離子噴涂技術(shù)應(yīng)用于承燒板制備工藝，即承燒板中間夾層為剛玉-莫來石質(zhì)材料和外圍為氧化鋯熔敷涂層，具有抗熱沖擊能力高，不與承燒的片式疊層陶瓷電容器發(fā)生反應(yīng)或粘連等特點(diǎn)。
總結(jié)
隨著工業(yè)的發(fā)展，被燒的產(chǎn)品種類增多，窯具的應(yīng)用領(lǐng)域在擴(kuò)大，其不僅用在陶瓷行業(yè)，同時也在精細(xì)化工、鋰離子電池等行業(yè)應(yīng)用。針對被燒產(chǎn)品的性能特點(diǎn)，對窯具材料的性能要求不僅局限在機(jī)械強(qiáng)度和熱震穩(wěn)定性上，某些領(lǐng)域同時要求窯具具有良好的抗侵蝕性，并對被燒產(chǎn)品不污染。侵蝕介質(zhì)不同，對窯具材料的要求不同。如在生產(chǎn)鋰離子電池正極材料過程中，要求窯具材料在具有良好的熱震穩(wěn)定性的同時，還具有良好的抗堿性鋰化合物的侵蝕。在生產(chǎn)壓電陶瓷時，要求窯具材料具有抗鉛及其化合物的侵蝕。
參考來源：
[1]錢凡等.窯具應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景
[2]劉平安等.創(chuàng)新型節(jié)能框架式窯具在陶瓷燒成中的應(yīng)用
[3]張偉奇等.窯具材料的研究現(xiàn)狀及展望
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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