工業窯爐是指在工業生產中利用燃料燃燒或電能等轉換產生的熱量，將物料或工件進行熔煉、熔化、焙（煅）燒、加熱、干餾、氣化等的熱工設備，對工業發展具有重要支撐作用。窯具是指在高溫窯爐中循環使用，用于支撐或保護被燒產品的耐火制品，其性能關系著窯爐的運行效率以及承燒制品的質量 ，在功能陶瓷、粉體合成等領域應用廣泛。

工業窯爐

根據窯具服役條件不同主要分為三大類：

一是連續式和間歇式窯爐里窯車臺面用輕質背襯磚，該類窯具服役溫度普遍低于1200 ℃，其用途是承受窯車自重且減少窯車底部散熱，也可以歸類為保溫材料；

窯車襯磚/耐火磚

二是結構窯具，直接與窯爐燃氣火焰接觸，最高使用溫度普遍高于1400 ℃，主要有立柱、棚板和橫梁等品種，該類窯具要求具備高耐火度，還要有優異的高溫強度及良好的熱震穩定性；

三是用作燒結器皿的專用窯具，如匣缽、棚板等，此類窯具不一定直接與火焰接觸，然而需要承受瓷件的重力，稱為燒結器皿。

一、結構窯具

結構窯具是工業窯爐重要組成部分，服役時爐內溫度高，直接與燃氣火焰接觸或受發熱體輻射傳熱，通常承受重于自身，甚至重量數倍于已的載荷力而不變形或是斷裂，這就要求其應具備一定的高溫機械強度及良好的熱震穩定性。

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，并且此類窯具材質、制備工藝、應用領域既有相同的地方，也有各自的特點。

1.棚板（棚板、立柱、橫梁）

棚板（棚板、立柱、橫梁）是支撐燒成中瓷件的專用窯具，面積大、厚度薄，也是目前窯具用量最大的一種，窯爐工業中常用的棚板材質有堇青石-莫來石質、剛玉質、碳化硅質等。

碳化硅棚板

（1）堇青石-莫來石質棚板

堇青石-莫來石質棚板中堇青石（2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂）與莫來石（3Al₂O₃·2SiO₂）在常溫到1000 ℃的溫度范圍內，熱膨脹系數分別是1.1×10^-6 ℃ ^-1、5.3×10^-6 ℃ ^-1，

兩種材料的膨脹系數有較大差別，復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生的熱應力，進而提高熱震穩定性。

（2）剛玉莫來石質棚板

剛玉莫來石質棚板具有一定的高溫強度，較好的抗酸性介質侵蝕性，耐火度高，一般不與燒成產品發生反應等特性，主要用在高溫窯爐上，特別適宜應用于燒成電磁材料或電子陶瓷行業。

高溫棚板（使用溫度＞1600 ℃）承載量較大，同時承受較大的剪切應力，使得棚板容易發生高溫彎曲蠕變，在1600~1700 ℃溫度段，國產高溫棚板抗高溫彎曲蠕變性能仍存在許多不足。

（3）碳化硅質棚板

碳化硅質棚板其使用性能的優劣很大程度上取決于結合相性質，特別是高溫性能，SiO₂結合碳化硅制品制備原料純度高性能較好，產品價格又較氮化硅或賽隆結合碳化硅有較大優勢，近年來由于陶瓷快速燒成技術的成熟發展，國內市場對SiO₂ 結合碳化硅棚板的需求量進一步增大。

另外，重結晶碳化硅制品具備上述的優異特性，因此，它已成為目前高檔瓷件或先進窯爐的新型節能輕質窯具的首選材料。

不同材質的棚板應用特點

2.推板

陶瓷工業推板窯應用較為普遍，其中推板是其基本附屬材料，推板窯運行時，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生斷裂，冷熱循環使用壽命高達幾十次甚至上百次，因此，推板須具有較高的常溫、高溫強度和耐磨性，還應具有優異的熱震穩定性。目前，國內外常用的推板為碳化硅質和剛玉莫來石質。

推板

（1）碳化硅質推板

碳化硅質推板以氧化硅結合碳化硅的為主，因碳化硅在1300 ℃以上氧化較為顯著，其應用范圍應受到限制，僅適用一些低端制造領域或是窯爐溫度較低的領域，當前較大的應用領域有鋰電正極材料推板窯、無機粉體煅燒推板窯，應用溫度均不高。

（2）剛玉莫來石質推板

剛玉、莫來石等傳統耐火原料具有很多優點，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較大，其抗熱震性能不太理想。而莫來石材料的熱膨脹系數顯著低于剛玉，其可以作為制品的次晶相或是結合相，因此剛玉莫來石質推板綜合了兩種材料的性能，特別是抗熱震性較剛玉質制品大幅提高，應用于燒成高溫陶瓷材料的推板窯，其使用壽命多達100次以上。

不同材質的推板應用特點

目前推板性能處于領先地位的有韓國YJC、圣戈班、日本三井金屬礦業及大阪窯業等企業，占據了國內軟磁鐵氧體燒結窯用推板市場，其使用壽命均明顯優于國內同類產品。國內的高溫推板還存在坯體在成型時內部容易產生層裂等缺陷，影響制品的性能穩定性，同時因成型模具制造工藝水平不高，導致加工精度不足，因此導致推板在尺寸精度和內在質量均難以保證等問題。

3.輥棒

輥道窯是利用輥棒的轉動運送坯體，使坯體逐漸通過預熱、燒結冷卻各帶完成燒結。陶瓷輥棒是輥道窯的關鍵部件，消耗量較大，在產品連續性高溫燒成中起承載傳輸的作用，其使用時既要耐高溫，在長期轉動過程中又要具備抗高溫蠕變的特性。陶瓷輥棒主要材質有剛玉質、鋁硅質、熔融石英質和碳化硅質，其中碳化硅輥棒的材質又有重結晶質和反應燒結碳化硅質。

鋰電正負極材料燒結用窯爐碳化硅輥棒

（1）氧化物質陶瓷輥棒

氧化物質陶瓷輥棒最高使用溫度基本小于1250 ℃，例如日用瓷的彩燒、素燒及墻地磚等低、中溫輥道窯基本全部使用氧化物質陶瓷輥棒，鐵氧體、日用衛生潔具、和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 ℃區間，普遍采用的抗熱震性能優異的熔融石英質輥棒，應用時熔融石英不會發生晶型轉變，輥棒的外觀尺寸精度和表面光潔度須滿足要求。

（2）碳化硅質陶瓷輥棒

碳化硅質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。重結晶碳化硅輥棒具有高溫高負載能力，應用于生產氧化鋁陶瓷和其他特種陶瓷制品的高溫環境下的輥道窯。

陶瓷輥棒制備工藝較為關鍵，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。通過高溫燒成工藝（真空擠出獲得的坯體）可以獲得吸水率較低、高溫強度高的產品，然而該種工藝生產的產品熱震穩定性通常不好；而采用等靜壓成型，并經高溫燒成工藝可獲得的制品吸水率較高且高溫強度大的產品，與擠出工藝相比，制品的抗熱震性是其特有的優勢。

二、燒結器皿（匣缽、坩堝、墊板）

窯爐燒結器皿是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、隧道窯進行熱處理的匣缽，該類產品材質取決于燒結體的種類與熱處理工藝。

1.匣缽/坩堝

匣缽/坩堝一般采用擠出，機壓、澆注以及等靜壓工藝成型，根據制品的組成和結構選擇合適的成型工藝，應用最為廣泛的材質有堇青石-莫來石質、剛玉莫來石質、碳化硅質及石墨質，其中以鋰離子正極材料的合成領域應用最為普遍。

陶瓷匣缽

（1）堇青石-莫來石質匣缽

堇青石-莫來石質匣缽主要原料為黏土、堇青石、莫來石，在一些應用領域為了提高其抗侵蝕性會適當引入剛玉、尖晶石等原料，制品燒成后物相種類、數量以及組織結構決定了其性能。堇青石-莫來石匣缽因其具有優異的抗熱震性以及經濟性，廣泛應用于在鋰電池正極材料領域。

基于碳酸鋰/氫氧化鋰堿性強、熔點低、對酸性耐火材料均有較強的腐蝕性，鋁硅質匣缽的壽命普遍較低。

不同材質匣缽在鋰離子正極材料領域應用的情況

（2）石墨匣缽

石墨匣缽通常用作還原氣氛下高溫燒結物料裝載的容器，應用于磷酸鐵鋰燒結、電磁材料燒結，傳統的石墨匣缽是通過機加工的方式進行生產的，效率低、成本高。

（3）碳化硅匣缽

碳化硅匣缽耐高溫、化學性質穩定，較多應用于制藥、精細化工、工程冶金、酸洗等行業。

（4）剛玉質匣缽

剛玉質匣缽主要用在熱震條件不苛刻，使用溫度高的環境下對一些高純粉體的煅燒，例如高純度氧化鋁粉體煅燒，匣缽需要經過1800 ℃高溫燒成，在整個原料控制上保證雜質有效控制，并經過足夠的高溫燒實現較低的熱膨脹系數。

2.承燒板

承燒板服役時要承受移動時的推力與裝卸產品時的摩擦力，冷熱循環使用不開裂，在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鍵。承燒板要求其材質化學惰性極好，不與所承燒產品發生反應，一般分為氧化鋁質、氧化鋯質、復合質等，主要應用在電子陶瓷、特種陶瓷等領域。

陶瓷承燒板

（1）剛玉質承燒板

剛玉質承燒板具有強度高、耐腐蝕、耐高溫和耐磨等優良性能，高溫(＞1650 ℃ )變形小，但燒結溫度高、熱震穩定性較差，鋯鈦酸鉛壓電陶瓷在燒制過程中，剛玉質承燒板面臨中心翹曲、表面層狀粉化及剝落等現象。

（2）氧化鋯質承燒板

氧化鋯質承燒板經常被用于介電陶瓷、粉末冶金、片式電容器、鐵氧體磁性材料等制品的燒結墊板，是為了防止零件燒結時出現粘連和防止電子元件電磁性能

的流失等。

由于氧化鋯的三種晶型在升溫和降溫會發生晶型轉變，產生的體積效應容易造成制品開裂，因此多數只作為表層材料，而基體采用抗熱震性能好的鋁硅質材料。

（3）復合質承燒板

導電陶瓷、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、剛玉質、復合質。

其中鈦酸鋇陶瓷是電子陶瓷行業內的明星產品，由于鈦酸鋇熔點低（1625 ℃）、密度高，呈堿性，傳統鋁硅質窯具易與其反應，導致制品受到污染。國外相關窯具生產企業將等離子噴涂技術應用于承燒板制備工藝，即承燒板中間夾層為剛玉-莫來石質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生反應或粘連等特點。同時此類技術路線制備工藝復雜，成本高，國內企業主要采用噴涂氧化鋯等惰性涂層并通過燒結的工藝實現復合工藝，該工藝制備成本低，不足之處是涂層自身以及與基體的結合強度較低，使用壽命難以達到國外應用等離子噴涂的工藝產品。

電子噴涂承燒板

此外，由于單一材質的承燒板存在某些難以克服的弱點，復合結構承燒板則能夠綜合各種材料的性能優勢成為發展趨勢。復合結構承燒板通常采用兩層或多層結構，例如，基體外圍復合一層其他類型材料，故而俗稱“三明治”型。復合結構窯具關鍵技術在于外層與中間層材料界面位置形成穩定的結合層或過渡層，且無不良反應，同時外層材料具有良好的抗剝落性。

目前，莫來石-剛玉質與碳化硅質的復合三明治板在市場獲得了廣泛應用，結合了碳化硅材料高荷重軟化溫度，高抗熱震性與剛玉材料耐腐蝕性的優點，以滿足特種陶瓷材料高溫承燒板的功能。

參考來源：

1. 窯具應用現狀及發展前景，錢凡、王龍光、馬渭奎、楊文剛、劉國齊、于建賓、祿向陽（中國陶瓷）；

2. 窯具材料的研究現狀及展望，張偉奇、丁穎穎、陳寧、李素平（中國陶瓷）；

3. 鋰電池正極材料合成用堇青石-莫來石質匣缽研究進展，段雪珂、王新福、劉國齊、王龍光、陳紅偉、錢凡（耐火材料）；

4. 國內外陶瓷窯具材料的發展現狀，賈江議、柴俊蘭（中國陶瓷）。

粉體圈小吉

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