工業(yè)窯爐是指在工業(yè)生產(chǎn)中利用燃料燃燒或電能等轉(zhuǎn)換產(chǎn)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(shè)備，對工業(yè)發(fā)展具有重要支撐作用。窯具是指在高溫窯爐中循環(huán)使用，用于支撐或保護被燒產(chǎn)品的耐火制品，其性能關(guān)系著窯爐的運行效率以及承燒制品的質(zhì)量 ，在功能陶瓷、粉體合成等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

工業(yè)窯爐

根據(jù)窯具服役條件不同主要分為三大類：

一是連續(xù)式和間歇式窯爐里窯車臺面用輕質(zhì)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(jié)構(gòu)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(yōu)異的高溫強度及良好的熱震穩(wěn)定性；

三是用作燒結(jié)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(jié)器皿。

一、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，直接與燃氣火焰接觸或受發(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)具備一定的高溫機械強度及良好的熱震穩(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，并且此類窯具材質(zhì)、制備工藝、應(yīng)用領(lǐng)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(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。

碳化硅棚板

（1）堇青石-莫來石質(zhì)棚板

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

兩種材料的膨脹系數(shù)有較大差別，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，進而提高熱震穩(wěn)定性。

（2）剛玉莫來石質(zhì)棚板

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

高溫棚板（使用溫度＞1600 ℃）承載量較大，同時承受較大的剪切應(yīng)力，使得棚板容易發(fā)生高溫彎曲蠕變，在1600~1700 ℃溫度段，國產(chǎn)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(zhì)棚板

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，產(chǎn)品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一步增大。

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

不同材質(zhì)的棚板應(yīng)用特點

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，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(fā)生斷裂，冷熱循環(huán)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(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)。

推板

（1）碳化硅質(zhì)推板

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)用范圍應(yīng)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、無機粉體煅燒推板窯，應(yīng)用溫度均不高。

（2）剛玉莫來石質(zhì)推板

剛玉、莫來石等傳統(tǒng)耐火原料具有很多優(yōu)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(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100次以上。

不同材質(zhì)的推板應(yīng)用特點

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)，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。國內(nèi)的高溫推板還存在坯體在成型時內(nèi)部容易產(chǎn)生層裂等缺陷，影響制品的性能穩(wěn)定性，同時因成型模具制造工藝水平不高，導(dǎo)致加工精度不足，因此導(dǎo)致推板在尺寸精度和內(nèi)在質(zhì)量均難以保證等問題。

3.輥棒

輥道窯是利用輥棒的轉(zhuǎn)動運送坯體，使坯體逐漸通過預(yù)熱、燒結(jié)冷卻各帶完成燒結(jié)。陶瓷輥棒是輥道窯的關(guān)鍵部件，消耗量較大，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)。

鋰電正負極材料燒結(jié)用窯爐碳化硅輥棒

（1）氧化物質(zhì)陶瓷輥棒

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、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(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。

（2）碳化硅質(zhì)陶瓷輥棒

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。

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。

二、燒結(jié)器皿（匣缽、坩堝、墊板）

窯爐燒結(jié)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(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

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(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。

陶瓷匣缽

（1）堇青石-莫來石質(zhì)匣缽

堇青石-莫來石質(zhì)匣缽主要原料為黏土、堇青石、莫來石，在一些應(yīng)用領(lǐng)域為了提高其抗侵蝕性會適當(dāng)引入剛玉、尖晶石等原料，制品燒成后物相種類、數(shù)量以及組織結(jié)構(gòu)決定了其性能。堇青石-莫來石匣缽因其具有優(yōu)異的抗熱震性以及經(jīng)濟性，廣泛應(yīng)用于在鋰電池正極材料領(lǐng)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(zhì)匣缽的壽命普遍較低。

不同材質(zhì)匣缽在鋰離子正極材料領(lǐng)域應(yīng)用的情況

（2）石墨匣缽

石墨匣缽?fù)ǔＳ米?/span>還原氣氛下高溫?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加工的方式進行生產(chǎn)的，效率低、成本高。

（3）碳化硅匣缽

碳化硅匣缽耐高溫、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，較多應(yīng)用于制藥、精細化工、工程冶金、酸洗等行業(yè)。

（4）剛玉質(zhì)匣缽

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)?/span>，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)龑崿F(xiàn)較低的熱膨脹系數(shù)。

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)，一般分為氧化鋁質(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。

陶瓷承燒板

（1）剛玉質(zhì)承燒板

剛玉質(zhì)承燒板具有強度高、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。

（2）氧化鋯質(zhì)承燒板

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。

由于氧化鋯的三種晶型在升溫和降溫會發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生的體積效應(yīng)容易造成制品開裂，因此多數(shù)只作為表層材料，而基體采用抗熱震性能好的鋁硅質(zhì)材料。

（3）復(fù)合質(zhì)承燒板

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)。

其中鈦酸鋇陶瓷是電子陶瓷行業(yè)內(nèi)的明星產(chǎn)品，由于鈦酸鋇熔點低（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。同時此類技術(shù)路線制備工藝復(fù)雜，成本高，國內(nèi)企業(yè)主要采用噴涂氧化鋯等惰性涂層并通過燒結(jié)的工藝實現(xiàn)復(fù)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(jié)合強度較低，使用壽命難以達到國外應(yīng)用等離子噴涂的工藝產(chǎn)品。

電子噴涂承燒板

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

目前，莫來石-剛玉質(zhì)與碳化硅質(zhì)的復(fù)合三明治板在市場獲得了廣泛應(yīng)用，結(jié)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(yōu)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(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)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(xiàn)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(zhì)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(nèi)外陶瓷窯具材料的發(fā)展現(xiàn)狀，賈江議、柴俊蘭（中國陶瓷）。

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