工业窑炉是指在工业生产中利用燃料燃烧或电能等转换产生的热量，将物料或工件进行熔炼、熔化、焙（煅）烧、加热、干馏、气化等的热工设备，对工业发展具有重要支撑作用。窑具是指在高温窑炉中循环使用，用于支撑或保护被烧产品的耐火制品，其性能关系着窑炉的运行效率以及承烧制品的质量 ，在功能陶瓷、粉体合成等领域应用广泛。

工业窑炉

根据窑具服役条件不同主要分为三大类：

一是连续式和间歇式窑炉里窑车台面用轻质背衬砖，该类窑具服役温度普遍低于1200 ℃，其用途是承受窑车自重且减少窑车底部散热，也可以归类为保温材料；

窑车衬砖/耐火砖

二是结构窑具，直接与窑炉燃气火焰接触，最高使用温度普遍高于1400 ℃，主要有立柱、棚板和横梁等品种，该类窑具要求具备高耐火度，还要有优异的高温强度及良好的热震稳定性；

三是用作烧结器皿的专用窑具，如匣钵、棚板等，此类窑具不一定直接与火焰接触，然而需要承受瓷件的重力，称为烧结器皿。

一、结构窑具

结构窑具是工业窑炉重要组成部分，服役时炉内温度高，直接与燃气火焰接触或受发热体辐射传热，通常承受重于自身，甚至重量数倍于已的载荷力而不变形或是断裂，这就要求其应具备一定的高温机械强度及良好的热震稳定性。

在此类窑具中，以棚板（横梁、立柱通常与棚板配套使用，以棚板为代表）、推板、辊棒为主，市场容量较大，并且此类窑具材质、制备工艺、应用领域既有相同的地方，也有各自的特点。

1.棚板（棚板、立柱、横梁）

棚板（棚板、立柱、横梁）是支撑烧成中瓷件的专用窑具，面积大、厚度薄，也是目前窑具用量最大的一种，窑炉工业中常用的棚板材质有堇青石-莫来石质、刚玉质、碳化硅质等。

碳化硅棚板

（1）堇青石-莫来石质棚板

堇青石-莫来石质棚板中堇青石（2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂）与莫来石（3Al₂O₃·2SiO₂）在常温到1000 ℃的温度范围内，热膨胀系数分别是1.1×10^-6 ℃ ^-1、5.3×10^-6 ℃ ^-1，

两种材料的膨胀系数有较大差别，复合制备使得两相界面形成微裂纹，可有效降低因温度急剧变化产生的热应力，进而提高热震稳定性。

（2）刚玉莫来石质棚板

刚玉莫来石质棚板具有一定的高温强度，较好的抗酸性介质侵蚀性，耐火度高，一般不与烧成产品发生反应等特性，主要用在高温窑炉上，特别适宜应用于烧成电磁材料或电子陶瓷行业。

高温棚板（使用温度＞1600 ℃）承载量较大，同时承受较大的剪切应力，使得棚板容易发生高温弯曲蠕变，在1600~1700 ℃温度段，国产高温棚板抗高温弯曲蠕变性能仍存在许多不足。

（3）碳化硅质棚板

碳化硅质棚板其使用性能的优劣很大程度上取决于结合相性质，特别是高温性能，SiO₂结合碳化硅制品制备原料纯度高性能较好，产品价格又较氮化硅或赛隆结合碳化硅有较大优势，近年来由于陶瓷快速烧成技术的成熟发展，国内市场对SiO₂ 结合碳化硅棚板的需求量进一步增大。

另外，重结晶碳化硅制品具备上述的优异特性，因此，它已成为目前高档瓷件或先进窑炉的新型节能轻质窑具的首选材料。

不同材质的棚板应用特点

2.推板

陶瓷工业推板窑应用较为普遍，其中推板是其基本附属材料，推板窑运行时，要求高温下其承受陶瓷坯体或匣钵的载荷、巨大顶力、与轨道的摩擦阻力而不发生断裂，冷热循环使用寿命高达几十次甚至上百次，因此，推板须具有较高的常温、高温强度和耐磨性，还应具有优异的热震稳定性。目前，国内外常用的推板为碳化硅质和刚玉莫来石质。

推板

（1）碳化硅质推板

碳化硅质推板以氧化硅结合碳化硅的为主，因碳化硅在1300 ℃以上氧化较为显著，其应用范围应受到限制，仅适用一些低端制造领域或是窑炉温度较低的领域，当前较大的应用领域有锂电正极材料推板窑、无机粉体煅烧推板窑，应用温度均不高。

（2）刚玉莫来石质推板

刚玉、莫来石等传统耐火原料具有很多优点，如高荷重软化温度，较好的抗蠕变性，但纯刚玉制品因热膨胀系数较大，其抗热震性能不太理想。而莫来石材料的热膨胀系数显著低于刚玉，其可以作为制品的次晶相或是结合相，因此刚玉莫来石质推板综合了两种材料的性能，特别是抗热震性较刚玉质制品大幅提高，应用于烧成高温陶瓷材料的推板窑，其使用寿命多达100次以上。

不同材质的推板应用特点

目前推板性能处于领先地位的有韩国YJC、圣戈班、日本三井金属矿业及大阪窑业等企业，占据了国内软磁铁氧体烧结窑用推板市场，其使用寿命均明显优于国内同类产品。国内的高温推板还存在坯体在成型时内部容易产生层裂等缺陷，影响制品的性能稳定性，同时因成型模具制造工艺水平不高，导致加工精度不足，因此导致推板在尺寸精度和内在质量均难以保证等问题。

3.辊棒

辊道窑是利用辊棒的转动运送坯体，使坯体逐渐通过预热、烧结冷却各带完成烧结。陶瓷辊棒是辊道窑的关键部件，消耗量较大，在产品连续性高温烧成中起承载传输的作用，其使用时既要耐高温，在长期转动过程中又要具备抗高温蠕变的特性。陶瓷辊棒主要材质有刚玉质、铝硅质、熔融石英质和碳化硅质，其中碳化硅辊棒的材质又有重结晶质和反应烧结碳化硅质。

锂电正负极材料烧结用窑炉碳化硅辊棒

（1）氧化物质陶瓷辊棒

氧化物质陶瓷辊棒最高使用温度基本小于1250 ℃，例如日用瓷的彩烧、素烧及墙地砖等低、中温辊道窑基本全部使用氧化物质陶瓷辊棒，铁氧体、日用卫生洁具、和Al₂O₃基板等烧成用的中、高温辊道窑除烧成带外其他低温位置也可以采用高铝陶瓷辊棒。

玻璃退火工序温度在600~900 ℃区间，普遍采用的抗热震性能优异的熔融石英质辊棒，应用时熔融石英不会发生晶型转变，辊棒的外观尺寸精度和表面光洁度须满足要求。

（2）碳化硅质陶瓷辊棒

碳化硅质陶瓷辊棒使用温度可超1300 ℃，常被用为中、高温辊道窑烧成带用辊棒的首选材质。重结晶碳化硅辊棒具有高温高负载能力，应用于生产氧化铝陶瓷和其他特种陶瓷制品的高温环境下的辊道窑。

陶瓷辊棒制备工艺较为关键，特别是成型工艺控制，通常采用真空挤出和等静压成型两种制备工艺。通过高温烧成工艺（真空挤出获得的坯体）可以获得吸水率较低、高温强度高的产品，然而该种工艺生产的产品热震稳定性通常不好；而采用等静压成型，并经高温烧成工艺可获得的制品吸水率较高且高温强度大的产品，与挤出工艺相比，制品的抗热震性是其特有的优势。

二、烧结器皿（匣钵、坩埚、垫板）

窑炉烧结器皿是支撑烧成陶瓷坯体的专用窑具，或盛放粉体（正极材料、磁性粉体、高纯陶瓷材料等粉体的煅烧与合成）后在辊道窑、推板窑、隧道窑进行热处理的匣钵，该类产品材质取决于烧结体的种类与热处理工艺。

1.匣钵/坩埚

匣钵/坩埚一般采用挤出，机压、浇注以及等静压工艺成型，根据制品的组成和结构选择合适的成型工艺，应用最为广泛的材质有堇青石-莫来石质、刚玉莫来石质、碳化硅质及石墨质，其中以锂离子正极材料的合成领域应用最为普遍。

陶瓷匣钵

（1）堇青石-莫来石质匣钵

堇青石-莫来石质匣钵主要原料为黏土、堇青石、莫来石，在一些应用领域为了提高其抗侵蚀性会适当引入刚玉、尖晶石等原料，制品烧成后物相种类、数量以及组织结构决定了其性能。堇青石-莫来石匣钵因其具有优异的抗热震性以及经济性，广泛应用于在锂电池正极材料领域。

基于碳酸锂/氢氧化锂碱性强、熔点低、对酸性耐火材料均有较强的腐蚀性，铝硅质匣钵的寿命普遍较低。

不同材质匣钵在锂离子正极材料领域应用的情况

（2）石墨匣钵

石墨匣钵通常用作还原气氛下高温烧结物料装载的容器，应用于磷酸铁锂烧结、电磁材料烧结，传统的石墨匣钵是通过机加工的方式进行生产的，效率低、成本高。

（3）碳化硅匣钵

碳化硅匣钵耐高温、化学性质稳定，较多应用于制药、精细化工、工程冶金、酸洗等行业。

（4）刚玉质匣钵

刚玉质匣钵主要用在热震条件不苛刻，使用温度高的环境下对一些高纯粉体的煅烧，例如高纯度氧化铝粉体煅烧，匣钵需要经过1800 ℃高温烧成，在整个原料控制上保证杂质有效控制，并经过足够的高温烧实现较低的热膨胀系数。

2.承烧板

承烧板服役时要承受移动时的推力与装卸产品时的摩擦力，冷热循环使用不开裂，在抗热震性满足条件下，提高承烧板的抗弯性能与抗裂性能是关键。承烧板要求其材质化学惰性极好，不与所承烧产品发生反应，一般分为氧化铝质、氧化锆质、复合质等，主要应用在电子陶瓷、特种陶瓷等领域。

陶瓷承烧板

（1）刚玉质承烧板

刚玉质承烧板具有强度高、耐腐蚀、耐高温和耐磨等优良性能，高温(＞1650 ℃ )变形小，但烧结温度高、热震稳定性较差，锆钛酸铅压电陶瓷在烧制过程中，刚玉质承烧板面临中心翘曲、表面层状粉化及剥落等现象。

（2）氧化锆质承烧板

氧化锆质承烧板经常被用于介电陶瓷、粉末冶金、片式电容器、铁氧体磁性材料等制品的烧结垫板，是为了防止零件烧结时出现粘连和防止电子元件电磁性能

的流失等。

由于氧化锆的三种晶型在升温和降温会发生晶型转变，产生的体积效应容易造成制品开裂，因此多数只作为表层材料，而基体采用抗热震性能好的铝硅质材料。

（3）复合质承烧板

导电陶瓷、装置瓷等的烧成温度一般在1400～1650 ℃之间，一般多为刚玉-莫来石质、刚玉质、复合质。

其中钛酸钡陶瓷是电子陶瓷行业内的明星产品，由于钛酸钡熔点低（1625 ℃）、密度高，呈碱性，传统铝硅质窑具易与其反应，导致制品受到污染。国外相关窑具生产企业将等离子喷涂技术应用于承烧板制备工艺，即承烧板中间夹层为刚玉-莫来石质材料和外围为氧化锆熔敷涂层，具有抗热冲击能力高，不与承烧的片式叠层陶瓷电容器发生反应或粘连等特点。同时此类技术路线制备工艺复杂，成本高，国内企业主要采用喷涂氧化锆等惰性涂层并通过烧结的工艺实现复合工艺，该工艺制备成本低，不足之处是涂层自身以及与基体的结合强度较低，使用寿命难以达到国外应用等离子喷涂的工艺产品。

电子喷涂承烧板

此外，由于单一材质的承烧板存在某些难以克服的弱点，复合结构承烧板则能够综合各种材料的性能优势成为发展趋势。复合结构承烧板通常采用两层或多层结构，例如，基体外围复合一层其他类型材料，故而俗称“三明治”型。复合结构窑具关键技术在于外层与中间层材料界面位置形成稳定的结合层或过渡层，且无不良反应，同时外层材料具有良好的抗剥落性。

目前，莫来石-刚玉质与碳化硅质的复合三明治板在市场获得了广泛应用，结合了碳化硅材料高荷重软化温度，高抗热震性与刚玉材料耐腐蚀性的优点，以满足特种陶瓷材料高温承烧板的功能。

参考来源：

1. 窑具应用现状及发展前景，钱凡、王龙光、马渭奎、杨文刚、刘国齐、于建宾、禄向阳（中国陶瓷）；

2. 窑具材料的研究现状及展望，张伟奇、丁颖颖、陈宁、李素平（中国陶瓷）；

3. 锂电池正极材料合成用堇青石-莫来石质匣钵研究进展，段雪珂、王新福、刘国齐、王龙光、陈红伟、钱凡（耐火材料）；

4. 国内外陶瓷窑具材料的发展现状，贾江议、柴俊兰（中国陶瓷）。

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