解决ZrO2纤维板重烧线收缩率大的问题 中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司创新方法课题组
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摘要:氧化锆纤维板通常是由氧化锆纤维为原料,经切短后在水中分散,添加适量的结合剂混合后,在一定模具中真空吸滤制备成坯体,干燥后经高温烧制而成。由于其使用温度高达2000-2200℃,高温使用时线收缩大。提高高温烧成温度,可以减小纤维板的重烧线收缩率,但将导致纤维板的密度增大,热导率升高,进而影响纤维板的高温隔热性能,同时也增加了能源成本;较低的烧成温度,会使纤维板的重烧线收缩率增大,影响纤维板的正常使用性能,同时会降低纤维板的强度。根据冲突工具,得出解决方案为:(1)在烧结温度不变的情况下,提高材料的比表面积,降低材料的烧结温度,使其在较低温度下发生烧结,这样就需要降低氧化锆纤维原料的长径比,增大原料的比表面积,提高材料的烧结活性,减小纤维板的重烧收缩率。(2)引入一种新物质或者改变原有物质的内部结构。通过加入氧化锆溶胶促进氧化锆纤维板坯体的烧结,减小纤维板的重烧收缩率。

一、问题描述

氧化锆纤维板的制备主要是将一定长度的氧化锆纤维置入水中均匀分散,然后加入添加剂,混合搅拌均匀后加入絮凝剂直至溶液澄清,然后利用压滤或真空抽滤进行成型,干燥后在一定温度下进行烧成,最终获得成品。其主要制备流程如图1。

氧化锆纤维板主要使用在2000℃左右的超高温环境中,需要具备较小的线收缩率,一定的耐压和抗折强度。通过实验表明,纤维板坯体在不加入添加剂的情况下,其烧结温度越高,同时烧结时间越长,其纤维板线收缩率越小,强度越高,但高的烧结温度对高温炉设备要求苛刻,并大幅增加成本。加入合适的添加剂,一般的烧结温度在1600℃左右。

①定义技术系统实现的功能

本项目问题所在技术系统为:氧化锆纤维板的烧成系统。

本项目技术系统实现的功能是:通过电炉对氧化锆纤维板坯体进行烧结处理得到氧化锆纤维板产品,即氧化锆纤维板产品的烧成制备。

本项目实现该系统的约束有:氧化锆纤维原料和实验电炉结构组件。

②现有技术系统的工作原理

现有技术系统的工作原理是将氧化锆纤维(5-10mm)和结合剂混合得到纤维板坯体置于实验电炉高温下1700℃下进行热处理,最终获得材料氧化锆纤维板。由于氧化锆纤维板主要在超高温(1700℃-2200℃)环境中作为隔热材料使用。在超高温窑炉中,纤维板的收缩率大,将导致窑炉内衬缝隙增大,影响着窑炉的使用寿命。材料的烧成是晶粒长大的过程,它们之间首先是点接触,然后随着晶粒的长大开始面接触,最终全面烧结。文中材料是5-10mm的氧化锆纤维材料,由于纤维长径比较大,其比表面积就相对较小,纤维之间其接触点也较小。因此,需要在1700℃下烧成制备氧化锆纤维板,要求纤维板具备较小的重烧线收缩率。

③当前技术系统存在的问题

1、在≥1700℃下进行热处理,纤维板重烧线收缩率小,但处理温度较高,对设备要求苛刻,能源消耗较大,成本较高。

2、在≤1600℃下热处理时,纤维板的重烧线收缩率较大,纤维板容重较大。

④问题或类似问题的现有解决方案及其缺点

解决方案:

1、通过引入新物质来降低纤维板的重烧线收缩率和热处理温度。

2、通过减小氧化锆纤维的长径比,增大纤维的比表面积,提高纤维间的反应活性,来降低热处理温度,从而降低成本。缺点:纤维长度太短对纤维板的容重(即密度)影响较大。

⑤新系统的要求

氧化锆纤维板在≤1600℃的温度处理下,使之具备和≥1700℃处理后同样的重烧线变化率(达到≤1%)。

二、解题过程

(1)功能分析

由于该系统是有氧化锆纤维板坯体和电炉组成的烧成系统,因此系统元件主要有坯体纤维板、电炉发热系统和纤维板产品,其中坯体纤维板由纤维组成。

对已有产品系统建立了功能模型如下:

对新产品开发系统建立功能模型如下:

(2)“因果分析”或者“失效分析”

应用因果链分析方法知:在≤1600℃时对纤维板坯体进行烧结处理时,从外因来说,由于纤维板所处的电炉温度较低或保温时间短,达不到其烧结温度,因而造成纤维板的重烧线收缩率较大。另一方面从纤维板材料来说,由于烧结温度低,造成坯体纤维板中的纤维反应活性较小,原因是纤维比表面积较小,纤维之间接触点较少造成的。因而根据以上分析利用TRIZ问题分析方法中的因果分析得出以下图形:    

(3)冲突区域确定

  纤维之间接触面较少     

  纤维长度较长     

根据TRIZ问题分析方法中的因果分析得出冲突区域为:

(4)理想解分析

最终理想解:纤维板坯体不经过热处理,在≤2200℃下高温使用时没有任何收缩

次理想解为:在≤1600℃下热处理,高温使用时不收缩

(5)问题解决

工具一 冲突理论分析

(1)冲突描述

制备氧化锆纤维板的原料主要为氧化锆纤维,氧化锆纤维原料的长度直接影响纤维板的重烧线收缩率。由于纤维长度越长,制备的纤维板密度越小,其纤维的比表面就越小,因而在高温下,其反应活性就越低,不利于高温下的烧结。反之氧化锆纤维长度越短,制备的纤维板密度就越大,孔隙率就越高,纤维的比表面积越大,在高温下起反应活性就越高,因而可以促进烧结,但同时造成纤维板体密增大,影响其导热率。

(2)转换成TRIZ标准冲突:

利用39个通用工程参数描述冲突如下:

改善的特性:No.4静止物体长度,No.8静止物体体积,

恶化的特性:No.2静止物体重量

(3)查找冲突矩阵,得到如下发明原理:

根据冲突矩阵得到相应的发明原理:No.10预操作,No.14曲面化,No.19周期性动作,No.28机械系统的替代,No.29气动与液压结构,No.35参数变化,No.40复合材料。其中可用到的发明原理有No.10,No.35,No.40。

方案一:依据No.10发明原理---预操作,得到解如下:

No.10 预操作

①在操作前开始前,使物体局部或全部产生所需的变化

②预先对物体进行特殊安排,使其在时间上有准备,或已处于易操作的位置。

采用第?条:对制备氧化锆纤维板的原料氧化锆纤维预先进行切短处理,以增加在热处理时其的反应活性,使之烧结。

方案二:依据No.35发明原理---参数变化,得到解如下:

No.35 参数变化

改变物体的物理状态,即使物体在气态、液态、固态之间变化;

改变物体的浓度或粘度;改变物体的柔性;④改变温度;⑤改变压力

采用第?条:对制备氧化锆纤维板的原料单根氧化锆纤维预先进行切短处理,使之单根纤维变为多根纤维,增大纤维的表面,以增加在热处理时其的反应活性,使之烧结。

方案三:依据No.40发明原理---复合材料,得到解如下:

No.40 复合材料

将材质单一的材料改为复合材料。

在不改变材料性能的条件下,通过加入新物质和氧化锆纤维形成复合型结构,提高热处理时的反应活性,降低纤维板的烧结温度。

方案四:依据发明原理No.14---曲面化;No.19-周期性动作;No28-机械系统的替代;No29-气动与液压装置,不能得到问题的解。

(4)依据选定的发明原理,得到问题的解:

根据发明原理可得到解决问题的解为:1、改变氧化锆纤维长度的参数在0.5-2mm,既提高了纤维板高温下的反应活性,使之低温下易烧结,又不使纤维板密度过大。2、氧化锆纤维长度不变(5mm),加入一种新物质氧化锆溶胶,促进低温下纤维板的烧结。

工具二:物质-场分析及76个标准解

①  建立问题的物质-场模型;

在氧化锆纤维板烧成系统中,氧化锆纤维板坯体中的纤维在热场的作用下烧结形成纤维板产品,但在热场温度确定的情况下,纤维板坯体中的纤维活性较低,造成纤维板烧结程度低,收缩率变大。

A.确定系统的物质和场:在本课题中物质分别为;S1-由氧化锆纤维组成的坯体纤维板、S2-氧化锆纤维板、S3-氧化锆溶胶,F-热场

B.建立物质-场模型:

物质场模型1:

a 氧化锆纤维板制备物质场模型

物质场模型2:

b 添加物对氧化锆纤维板物质场模型

②根据所建问题的物质-场模型,应用标准解解决流程,确定问题的通解;

根据所建的物质场模型,采用TRIZ理论76个标准解:No.10改变已有物质去除有害作用和No.9加入新物质去除有害作用

③依据选定的标准解,得到问题的解决方案;

方案五:依据No.10标准解,得到问题的解如下:

通过修改物质S1消除有害作用,即将物质氧化锆纤维(5mm)长度切断(0.5-1mm),增加纤维的比表面积,促进氧化锆纤维板的低温烧结,降低氧化锆纤维板的线收缩率。

方案六:依据No.9标准解,得到问题的解如下:

通过添加物质S3消除有害作用,通过加入一种新物质氧化锆溶胶,由于溶胶胶粒属于纳米级粒子,在低温下更容易进行烧结,因而可以促进氧化锆纤维板的低温烧结,降低氧化锆纤维版的线收缩率。

三、最终方案

依据上面得到的若干创新解,通过评价,确定最优解。

最终解为:在制备过程中,将氧化锆纤维原料进行切短处理(切短到0.5-1.5mm),并且加入新物质氧化锆溶胶,同时增加纤维板在热处理时的反应活性,降低氧化锆纤维板的烧结温度和重烧线收缩率。

四、创新点

通过增加物质的反应活性,如将氧化锆纤维原料进行切短处理,加入新物质氧化锆溶胶,降低氧化锆纤维板的烧结温度和重烧线收缩率。

五、形成的知识产权情况





注:专利类型包括国内实用新型、国内发明、国外专利等

六、应用情况及范围

    方案已得到应用。

 

七、产生的经济效益或社会效益

    发表论文1篇,徐培佩,徐建峰,关克田. ZrO2纤维隔热板的制备[J]. 耐火材料,2015,49(3):175-177。