谈高性能陶瓷辊棒的发展趋势

张脉官　姚素媛

摘 要：本文从新材料产业链出发，结合新技术（结构和功能材料）的快速发展，尤其是锂离子电池和新型建筑材料等产业的迅速崛起，给陶瓷辊棒的应用领域以及应用环境带来了较大的变化，通过对其制备工艺、装备改进以及应用等方面进行详细的阐述，为高性能陶瓷辊棒的未来发展提供了方向。

关键词：高性能;辊棒;发展方向

1 前 言

（1） 新材料产业是带动传统产业升级的革命性力量，是事关国家安全的战略性产业。新材料产业一方面与上下游进一步融合、多学科交叉，高性能、低成本及绿色化方向发展，产业结构呈垂直扩散趋势;另一方面与信息、医疗卫生、能源、交通、建筑、基础材料等产业的结合日趋紧密，产业结构呈横向扩散趋势。

高性能陶瓷为新材料中无机非金属材料的重要组成部分。高性能陶瓷具有强度高、耐高温、耐磨损等特点，主要应用于汽车、火车、飞机、机械等制造业。

伴随先进陶瓷各种功能的不断发掘，其在微电子工业、通讯产业、自动化控制和未来智能化技术等方面作为支撑材料的地位日益显著，市场容量也进一步提升。根据市场研究机构Research and Markets的预测，全球先进陶瓷市场规模将从2015年的631.1亿美元增长到2021年的1048.54亿美元，年复合增长率约8.83%;在多个终端行业需求量增长带动下，预计到2024 年，全球先进陶瓷市场规模将达1346亿美元。预计到2020年我国先进陶瓷产值将达4000亿元，行业前景大。

（2）2018年中国锂离子电池市场产量同比增长26.71%，达102.00GWh，中国在全球产量占比达54.03%，目前已经成为全球最大的锂离子电池制造国。

随着应用领域的不断扩展，锂电池已在全球新能源研究及开发中占有重要的地位。锂电池行业规模增长速度较快，技术渐趋定型，行业特点、竞争状况及用户特点比较明朗，进入壁垒逐步提高，产品品种及竞争者数量增多，现为成长期。

反应烧结工艺是锂离子电池材料制作中的关键一环。反应烧结装备以前主要以推板式通道炉、回转炉为主，由于锂电池材料生产已进入规模化、连续化作业，烧结辊道窑已取代其它类型的窑炉。烧结辊道窑是利用辊棒的同向转动来输送制品，完成烧成工艺的。辊棒作为烧结辊道窑传动系统的核心部件，承受匣钵与产品的重量，它的质量优劣直接影响到被烧制产品的质量及窑本身的使用效率。辊棒的材质也非常重要，要求在高温环境下连续运行时， 在产品重量和辊棒的自重作用下保持最小的变形，并且使产品在辊棒上沿直线移动而不发生故障。同时还要求耐热性能要高，即在高温时应具有抗氧化作用，还要具备一定的耐酸碱腐蚀性。 故传统陶瓷辊棒较难满足锂离子电池反应烧结工艺的要求。

（3）随着建陶行业向着大规格发展，全抛釉、大板、厚板及大规格瓷砖迅速发展，随着发泡陶瓷隔墙板及外墙作为一种建筑材料的异军突起，随着陶瓷厂节能环保的形式下要求不降温换辊棒的发展趋势，传统陶瓷辊棒逐渐难以满足市场的需求，高性能陶瓷辊棒具有广阔的市场，应迅速推广。

全拋釉风行已久，生产厂家多如过江之鲫，但优秀者寥寥无几。生产优秀全抛釉的一个关键指标是砖型。除了传统的龟背、翘角以外，又一个全抛釉砖型的硬伤是“波浪纹”。为了进一步改善砖型、减少“波浪纹”，提高产量，窑炉亟需配置高温强度、抗热震性、弹性模量等指标都非常优秀的高性能陶瓷辊棒。

发泡陶瓷作为中国首创的绿色建筑材料，是一个很好的战略支点和方向，而且这种新型的材料，未来还可以寄望于替代更多的材料成为产业发展的新蓝海。最近国内陶瓷装备整线龙头企业，在发泡陶瓷辊道窑设计及制造上已取得突破。发泡陶瓷辊道窑烧成周期为10～12h，能耗低，产品烧成后平整度高，后续切割量少，大大提高了产品质量，减低了制造成本。

使用辊道窑生产发泡陶瓷有许多优势，但也面临多项制约因素的挑战，如关键技术指标的突破，综合成本偏高，能耗指标偏高等，其中最重要的是辊道窑生产发泡陶瓷时承重和耐磨的技术问题，这对陶瓷辊棒提出新的要求。

发泡陶瓷辊道窑大多选用的“金刚”高性能辊棒，该辊棒采用冷等静压技术成型、并通过多年工艺配方的优化，具有高温强度高、抗高温蠕变能力强、韧性好、高温负荷大、致密度好等优势。发泡砖成品非常轻，比重在0.45左右，但实际生产发泡砖时，每块垫板上承重动辄550～600kg，且碳化硅横梁对于辊棒的磨损较大，普通辊棒难以承担如此“重任”;经过等静压成型的高性能辊棒堪当重任，最高使用温度可达1400℃，1300℃时弯曲强度达70～90MPa，有利于克服承重与变形的问题。

据不完全统计，目前全国已有20多家企业25条生产线生产发泡陶瓷（辊道窑及隧道窑）。而采用“金刚”高性能陶瓷辊棒在产的生产线有10多条，此外还有更多的企业在了解、调研当中。

（4）近年来，我国对环境的保护愈来愈重视。党的十九大提出，建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计。建陶行业作为佛山的支柱行业之一，在为佛山带来良好经济效益的同时，必然面临转型升级、淘汰落后产能的压力。各建陶行业正在向标杆企业学习，把握好新一轮的发展机遇，深化环境综合整治，实现清洁能源和清洁生产。为此，建陶烧成方面成为工作的重中之重，对陶瓷辊棒不仅要有承重要求，更要求在工作温度环境下实现冷穿棒不断裂的目标，大大提高建陶行业的生产效率、降低能耗、节约生产成本。

2 陶瓷辊棒产品的设计和装备以及应用

2.1 高性能（超高温高强等）陶瓷辊棒产品

高温结构陶瓷材料是高性能陶瓷材料发展的重点，其主要应用目标是燃气轮机和重载卡车用低散热柴油机等。在工业方面，高性能陶瓷辊棒是利用陶瓷强化增韧技术而附有高强、高韧性、使用温度高于1000℃以上的承重能力强的高温结构陶瓷。

传统陶瓷辊棒按照材质分为堇青石-莫来石质辊棒、熔融石英质辊棒、刚玉-莫来石质辊棒、碳化硅质辊棒。不同材质的陶瓷辊棒可在不同的使用工况下烧制不同的产品。一般烧制建筑材料用的陶瓷辊棒按使用温度可分为高温辊棒、超高温辊棒、急冷带抗弯辊棒等。

高性能陶瓷辊棒具有使用温度更高、高温强度更强的特点外，还具有较高的高温弹性模量和较低的高温蠕变速率等特性，不仅可以很好地满足陶瓷大板、厚板、薄板及超大规格瓷砖产品的生产，而且可以很好地满足新型建筑材料（如发泡陶瓷）的生产。

2.2 辊棒的应用

（1）在墙地砖生产中的应用

由于墙地砖产品的烧成温度为1250℃，所以目前生产墙地砖的辊道窑属于中低温窑炉。而高铝陶瓷辊棒可以承受的温度达 1350℃以上，因此高铝陶瓷辊棒完全可以满足其使用要求。

（2）在日用瓷和卫生洁具生产中的应用

日用瓷和卫生洁具的烧成温度在 1250～1350℃之间，而且产品的单位重量大，因此在辊道窑里烧成时要求辊棒的耐火度高且高温强度好。过去大部分是采用碳化硅质辊棒。但碳化硅质辊棒价格较贵，碳化硅质辊棒直线度公差较大，且易氧化、寿命短，也增加了生产成本。现在除了在高温烧结区使用少量的碳化硅质辊棒外，较多的还是使用高铝质辊棒。

（3）在铁氧体材料生产中的应用

铁氧体材料（即磁性材料）的烧成温度在 1280 ～1350℃之间，利用高铝质辊棒无论在辊道窑的高温带还是低温带都能很好地满足要求。

（4）在玻璃行业中退火工序的应用

玻璃行业中玻璃退火工序的温度区域在 600 ～900℃，属于低温工作环境。目前应用在这个行业中的辊棒是熔融石英质辊棒。国外已经以熔融石英陶瓷空心辊棒替代耐热钢辊棒使用获得成功。使用熔融石英辊棒后，大大减少了厚玻璃底部表面的缺陷数量，生产高质量薄玻璃时的氧化锡附着现象也明显减少。另外，由于熔融石英辊棒的导热率极低，降低了玻璃底部表面的过快冷却，从而消除了应力裂纹。可见，熔融石英陶瓷辊棒在玻璃行业推广后，对降低生产成本、提高产品质量和档次具有明显的作用。但由于熔融石英质辊棒的价格昂贵，因而有人提出在玻璃退火工序中，采用高铝质辊棒代替熔融石英质辊棒。

（5）在金属带材热处理炉中的应用

金属带材（如硅钢、不锈钢和镀锌铁板）热处理炉过去一般使用石墨辊和陶瓷涂层辊作为炉底辊套，由于存在氧化和结瘤等问题，国外通过采用熔融石英陶瓷辊棒而获得了成功。使用熔融石英陶瓷辊棒后，不但可以延长炉底辊的使用寿命，而且可以提高热处理温度以提高金属带材的档次和质量。

传统陶瓷辊棒可以满足众多客户的使用要求，但是面对新型市场，如发泡陶瓷、锂电池等新型材料生产，传统辊棒已不能满足要求，需要更高性能的陶瓷辊棒。

2.3 高性能陶瓷辊棒的性能以及相应机理

A） 超高温特性

（1） 配方方面。选用高纯的耐火度较高的粘土。辊棒中的玻璃相显著降低，辊棒的耐火度也较高，确保辊棒的高温性能。

（2） 烧制方面。采用超高温烧制，烧成温度高达1600℃以上。高性能陶瓷辊棒的荷重软化温度及耐火度均优于传统陶瓷辊棒，使用温度显著提高。

B） 高强度特性

（1） 高性能陶瓷辊棒是采用液压擠出成型方式，该成型方式有别于传统真空挤出成型，挤出力较大，管坯致密度显著增大，保证了产品的高强性能。

（2） 采用冷等静压成型，并对等静压设备和等静压工艺进行改良。如超高压泄压阀的优化和外支撑等静压成型工艺和专用模具的运用，对管坯的颗粒进行重排，管坯的致密度再次得到提高，辊棒的高温强度最大化。

C） 高抗热震性

（1） 通过一次莫来石和二次莫来石的形成及生长研究，采用先进科学方法进行探索莫来石形成、发育和生长等热力学和动力学，制备出的高性能陶瓷辊棒的莫来石含量更大，莫来石呈针柱状生长的网络化结构，产品的抗热震性得以保障。

（2） 在陶瓷辊棒基体中引入第二相，由于热膨胀系数的不同，冷却时可以产生热应力，第二相颗粒的存在可以产生残余应力场，形成微裂纹，微裂纹对材料有增强增韧的作用。因为这些裂纹吸收弹性应变能，使驱动主裂纹扩展的能量降低，提高了材料的断裂表面能。

（3） 由于氧化锆单斜与四方相之间的可逆转变并伴随有体积效应，在辊棒中，单用氧化锆很难制造出完全烧结而又不开裂的制品。一般加入适量的CaO、Y2O3、MgO等阳离子半径与锆离子半径相差12%以内的氧化物，经高温稳定后可以形成固溶体，形成部分稳定的氧化锆，降低四方相到单斜相的转变温度。研究表明，利用多种复合的稳定剂，可以使固溶体不分解，而且具有很好的力学性能和较低的热膨胀系数，利用应力诱导相变使四方相氧化锆转变为单斜相氧化锆，起到相变增韧的作用。采用氧化锆相变机制进行改善辊棒的抗热震性。

（4） 辊棒在断裂时的裂纹扩展过程中，纤维/晶须拔出需要消耗能量，消耗拔出功。在界面开裂区域后面，晶须拔出区，材料断裂时由基体传向晶须的力在二者界面上产生剪应力，达到基体的剪切屈服强度，纤维晶须的抗拉强度较高而不致断裂，此时晶须就从基体中拔出。

晶须桥联增韧是晶须重要的高温补强、增韧机制，它指基体出现裂纹后，晶须承受外界载荷并在基体裂纹的相对两边之间架桥。桥联晶须对基体产生一个使裂纹闭合的力，阻止裂纹扩展，消耗外加载荷做功，增加材料的断裂韧性，改善其抗热震性。

（5） 当在复相陶瓷中存在纳米颗粒时，情况就会发生变化，颗粒在基体中的分布，对基体的影响以及补强增韧效果与微米颗粒有所不同。把纳米颗粒的作用归纳为：①组织结构的微细化，抑制晶粒成长和促进异常晶粒的长大;②微裂纹的产生使断裂强度、断裂韧性提高1～3倍，从而对陶瓷热膨胀系数、导热系数、抗热震性能产生影响;③晶粒内产生亚晶界，使基体再细化而产生增强作用;④残余应力的产生使晶粒内破坏成为主要形式;⑤提高耐高温性能;⑥控制复相陶瓷的硬度、弹性模量。纳米增韧增强复合陶瓷，可分为氧化物基与非氧化物基。对于纳米陶瓷辊棒氧化物体系，由于纳米弥散相抑制了氧化物基体晶粒的异常生长，同时纳米弥散相与基体之间存在热膨胀系数之差导致材料的断裂模式从沿晶和穿晶断裂混合型变为穿晶型。这种材料主要是纳米粒子在基体颗粒内引起裂纹偏转，材料在断裂过程中必须消耗更多的断裂能，从而提高复相陶瓷抗热震性能。

2.4 高性能陶瓷辊棒的关键技术指标

（1）耐火度≥1810℃;

（2）最高使用温度：1400℃;

（3）室温弹性模量：≥110GPa;

（4）高温弯曲强度（1350℃）：≥65MPa;

（5）高温蠕变速率（保温温度1350℃，时间20h，压力3MPa，位移变化率）：≤2%;

（6）耐急冷急热性（1350℃～室温）：10次不裂。

2.5 装备方面

高性能陶瓷辊棒的生产设备明显优于传统陶瓷辊棒的生产设备，对产品的工艺和质量保证性更强。

在管坯成型前，将陶瓷辊棒坯料放在料筒内，在液压油缸和活塞杆的作用下，端头将陶瓷辊棒坯料向料筒前端方向挤压，直至将陶瓷辊棒坯料从造粒模具盘的造粒孔中挤出，以增大陶瓷辊棒坯料的致密度，完成造粒过程，具有传动平稳且推力强劲的特点，可以保证获得高致密度的陶瓷辊棒胚料，满足等静压陶瓷辊棒坯管生产工艺的要求。

液压挤出成型为非连续加料方式，采用抽真空方式保证管坯的致密度。为了能最大限度地提高陶瓷辊棒坯体的质量，努力提高成型模具的设计制造质量，通过表面高频淬火、激光强化、渗碳、碳氮共渗及超硬金属陶瓷喷涂等方法，至力提高成型模具工作表面的硬度，且对机嘴、锥体及锥套的锥度角进行科学论证。此外，选用适宜的设计制造精度，确保机嘴、漏泥板、基体、锥套、锥体及锁紧螺母等配合面的尺寸精度、表面光洁度及形状位置精度等，以便获得形状尺寸精度较高的陶瓷辊棒坯体。

冷等静压成型方式、高压及其稳定性、增压器和泄压器的稳定性、合适的等静压介质等是制备高性能陶瓷辊棒的管坯致密度的有力保障。为此，对等静压设备方面改良：①相对于传统的内支撑等静压技术，采用外支撑等静压方法，可解决内支撑等静压形成的轴向等压线、陶瓷辊棒圆度差和外径难以保持一致的技术难题，与此同时，对于等静压成型模具进行科学论证;②施加均匀的静态的高压及合适的高等静压介质的研究，保证管坯致密度、强度和均匀性。

通过对挤出成型设备、造粒设备和冷等静压的设备优化及改良，完善辊棒的制备工艺，辊棒的各项性能均得到显著提升，尤其是高温强度和高温蠕变等高温性能，为传统陶瓷辊棒无法比拟的，可应用在建陶以外的众多行业中，有助于广东省乃至全国的制造业的发展。

2.6 技术及发展趋势方面

从应用方面出发，陶瓷辊棒进行系列化，针对建陶的不同区域和不同的客户群体及使用要求，采用新型的无机材料晶体生长技术、先进的配方技术及智能化烧成调控技术获取产品的高性能，采用氧化锆增韧获取具有其它陶瓷辊棒所不及的性能优点。从保护环境、节约能源等方面出发，首先可以大量开发低温烧成陶瓷辊棒，实现节约能源、减低成本;其次是回收、利用陶瓷辊棒废料来研究制取新的陶瓷辊棒，从而实现资源重新利用并减轻环境负荷，具有重大意义;最后开发研究抗碱性陶瓷辊棒，提高辊棒的使用寿命。

从使用性能方面出发，一般来说，瓦、陶器、陶瓷在辊道窑中的烧成温度为900～1400℃，由于供辊道窑输送用的陶瓷辊棒需经受高温，要求具有良好的抗蠕变性和抗热剥落性，然而，传统陶瓷辊棒通常由氧化铝、莫来石材质制成，不能充分满足对抗蠕变性和抗热剥落性的要求，碳化硅陶瓷辊棒虽然耐高温，但其价格高昂且易氧化腐蚀，鉴于这些技术问题，研发耐热性、抗蠕变性和抗热剥落性高，污染小，使用寿命长，适应在1400～1700℃高温下辊道窑中使用的陶瓷辊棒十分必要。

从外观方面出发，开发弧形等外观结构异常的陶瓷辊棒，弥补使用性能的不足，达到高性能陶瓷辊棒的使用要求。如传统辊棒在自重以及荷载下容易變形，这就导致一些走砖问题，并成为行业尤其是窑炉公司的一大困扰。以往，企业会通过在辊棒上面涂高温水泥、涂料以解决辊棒走砖问题，但结果是直接影响到瓷砖的质量甚至造成相关设备的损坏，而弧形辊棒则可以从根本上解决这一问题。

3 结 论

随着锂电池和新型建材的快速发展，以及目前传统建材的转型升级，对在辊道窑中起传动作用的陶瓷辊棒，提出了更高的性能要求。目前，采用冷等静压技术的高温陶瓷辊棒，具有高温荷载大、高温蠕变速率小、使用寿命长等特点，是未来制备高性能陶瓷辊棒的发展方向。