耐磨陶瓷涂料在水泥設(shè)備中的應(yīng)用

　　由于在水泥生產(chǎn)線上有諸多設(shè)備和管道內(nèi)部長期受到物料或高濃度含塵氣體的沖刷，比如立磨選粉機(jī)出口、磨機(jī)出口風(fēng)管、選粉機(jī)、球磨機(jī)溜槽、下料斗、各種閥門內(nèi)腔、閘板及輸送管道等等，耐磨陶瓷涂料在以上各部位得到廣泛的應(yīng)用。目前，國產(chǎn)非金屬耐磨材料在水泥企業(yè)、鋼廠、電廠得到認(rèn)可和應(yīng)用。這里，鈦盾科技從立磨粉磨系統(tǒng)對襯體的要求出發(fā)，談?wù)勗摬牧系臋C(jī)理。
　　1.立磨粉磨系統(tǒng)對襯體的要求。
　　立磨生產(chǎn)的粉料在高速氣流的帶動下，要和襯體發(fā)生強(qiáng)烈的碰撞和摩擦，進(jìn)行能量交換。襯體遭受嚴(yán)重的沖擊和沖刷，溫度上升，易于受損。這就要求襯體具有以下性能：
　　1.1較高的機(jī)械強(qiáng)度及韌性。粉料在立磨、選粉機(jī)及管道中進(jìn)行輸送時，速度在20m／s左右，粉料對內(nèi)襯和管道壁產(chǎn)生垂直方向的壓應(yīng)力和平行方向的剪切應(yīng)力，從而對它們造成強(qiáng)烈的沖刷和磨蝕，不斷降低內(nèi)襯厚度，降低使用壽命。內(nèi)襯長時間經(jīng)受應(yīng)力作用，存在應(yīng)力疲勞危險，所以必須具有良好的抗沖擊韌性，尤其是剪切應(yīng)力，它是內(nèi)襯遭受破壞的主要原因。因此內(nèi)襯材料要有較高的機(jī)械強(qiáng)度和韌性。在水泥生產(chǎn)中，因?yàn)榈V渣硬度值最高，下面就以粉磨礦渣來進(jìn)行分析。
　　1.2良好的耐磨性能。由于高速氣流的帶動，粉料對襯體產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖刷，必然加快內(nèi)襯的磨損。因此內(nèi)襯必須具有良好的耐磨性能，高強(qiáng)度未必耐磨，但是耐磨必須具有高強(qiáng)度。耐磨性不僅和材料的強(qiáng)度有關(guān)，而且和材料的性質(zhì)密切相關(guān)。礦渣的硬度大概在莫氏6級、水泥熟料的硬度為莫氏4～5級，這就要求內(nèi)襯材料的硬度必須在6級以上，不然就不可能耐磨。因此內(nèi)襯材料應(yīng)該在7～9級范圍內(nèi)選擇。通常離子化合物和共價化合物有高的硬度，尤其是共價化合物。這是因?yàn)楣矁r鍵為強(qiáng)結(jié)合健，其空間有很強(qiáng)的方向性，構(gòu)成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成強(qiáng)結(jié)合。如碳化硅、碳化鈦、金剛石等，都具有高的硬度。而氧化物通常為離子化合物，部分氧化物的健強(qiáng)介于離子鍵和共價鍵之間，健強(qiáng)不及共價鍵，硬度稍低。因此內(nèi)襯應(yīng)在氧化物和碳化物、硼化物之中選擇，從而達(dá)到較高的耐磨性。
　　1.3良好的化學(xué)穩(wěn)定性。立磨及輸送管道要長期和礦渣接觸，礦渣為CaO-A1₂0₃一Si0：系化合物，化學(xué)成分一般為：CaO38％～46％，Si0₂26％～42％，A1₂0₃7％～O％，MgO 4％ ～13％，F(xiàn)e₂O₃．2％～1％，MnO 0．1％～1％，S1％～2％。主要礦相為C₂S，和ICAS。從化學(xué)成分和礦相可以知道，主要為堿性化合物，與制作方法有很大關(guān)系，且經(jīng)常變化。這就要求內(nèi)襯具有較好的耐堿性，不能與礦渣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。如果和礦渣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成變質(zhì)層，就會使內(nèi)襯材料性能降低，耐磨性下降。同時由于變質(zhì)層和原始內(nèi)襯膨脹系數(shù)有差別，在溫度變化時產(chǎn)生熱應(yīng)力，造成結(jié)構(gòu)剝落，加劇內(nèi)襯材料的磨損。因而要求內(nèi)襯材料必須具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。
　　2、超強(qiáng)耐磨陶瓷涂料的理論依據(jù)。
　　影響無機(jī)材料強(qiáng)度的因素是多方面的。材料強(qiáng)度的本質(zhì)是內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)間的結(jié)合力。為了使無機(jī)材料的實(shí)際強(qiáng)度提高到理論強(qiáng)度，材料科技工作者進(jìn)行了長期的大量的研究，作了無數(shù)次試驗(yàn)。從對材料變形及斷裂的分析可知，在晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的情況下，控制材料強(qiáng)度的主要參數(shù)有三個，即彈性模量E、斷裂表面能尺和裂紋尺寸C。其中E是非結(jié)構(gòu)敏感的參數(shù)，只和材料的性能有關(guān)；R與微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，主要與材料的晶界能、結(jié)合性和缺陷有關(guān)；裂紋尺寸C是一個控制強(qiáng)度的主要參數(shù)。因此要提高材料的強(qiáng)度和韌性，應(yīng)主要從消除缺陷和改善界面、阻止裂紋擴(kuò)展人手。
　　2.1 選擇彈性模量高的原料，提高材料硬度和耐磨性。彈性模量E是一個重要的材料常數(shù)，是原子間結(jié)合強(qiáng)度的標(biāo)志，實(shí)際上是原子間結(jié)合力曲線上任何點(diǎn)的曲線斜率。共價鍵、離子鍵結(jié)合的晶體，由于結(jié)合力較強(qiáng)，通常有較高的彈性模量。分子鍵結(jié)合力較弱，因此彈性模量也較小。而且彈性模量還和原子間距離有關(guān)。從上述可以知道，要想獲得高強(qiáng)耐磨材料，應(yīng)該選擇離子和共價化合物，如氧化物、氮化物、碳化物及硼化物和剛玉、板狀剛玉、致密剛玉、碳化硅、碳化鈦、硼化鈦。硼化鋯等常被用做磨料，廣泛地應(yīng)用于磨具行業(yè)。
　　2.2應(yīng)該形成微晶、高密度的微觀結(jié)構(gòu)。為了消除缺陷，提高晶體的完整性，細(xì)、密、勻、純是當(dāng)前陶瓷發(fā)展的一個重要方向，近年來出現(xiàn)了許多微晶、高密度、高純的陶瓷材料，如熱壓氮化硅陶瓷，密度接近理論值，幾乎不含氣孔，有極高的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性，是傳統(tǒng)陶瓷所無法比擬的。特別是近些年出現(xiàn)的各種纖維和晶須，具有完整的晶體結(jié)構(gòu)，幾乎無缺陷，強(qiáng)度可以提高一個數(shù)量級。因此，在設(shè)計超強(qiáng)耐磨陶瓷涂料時，應(yīng)該充分考慮材料的結(jié)構(gòu)，盡量控制氣孔的含量，提高澆注密度，細(xì)化原料的晶體發(fā)育，形成微晶結(jié)構(gòu)，增加晶體的完整性。
　　2.3采用鋼纖維增強(qiáng)和金屬網(wǎng)增強(qiáng)雙重補(bǔ)強(qiáng)機(jī)制。為了提高材料的耐磨性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，大力提高超強(qiáng)耐磨材料的使用壽命，增強(qiáng)材抖抵抗礦渣的高速機(jī)械沖擊對材料造成的沖刷和磨損，減少材料在長期應(yīng)力條件下疲勞造成的破壞，應(yīng)該采取增強(qiáng)措施，改善材料的結(jié)構(gòu)、優(yōu)化其性能。纖維增強(qiáng)有效果明顯，操作簡單，成本低廉的特點(diǎn)，已經(jīng)在材料設(shè)計中被廣泛采用。而金屬網(wǎng)增強(qiáng)和增韌，也在水泥行業(yè)中大面積使用，兩種方法復(fù)合會進(jìn)一步提高材料的韌性。鋼纖維增強(qiáng)的物理學(xué)原理告訴我們，隨著鉚纖維的加入，材料的韌性會顯著增加，原因是引入了塑性機(jī)制，改善了耐磨材料的變形機(jī)制，有效地提高了材料抵抗應(yīng)力疲勞造成的剝落和掉塊，從而提高了材料的韌性。
　　2.4采用微細(xì)顆粒增強(qiáng)襯體的機(jī)械強(qiáng)度。當(dāng)在陶瓷材料中加入高強(qiáng)顆粒時，材料抵抗應(yīng)力誘發(fā)的裂紋擴(kuò)張會得到明顯的抑制。裂紋在應(yīng)力的作用下發(fā)生擴(kuò)展遇到顆粒時，由于顆粒極高的強(qiáng)度和小的膨脹系數(shù)，裂紋被“釘”扎住，要繼續(xù)擴(kuò)展必須要求更大的能量去穿透顆粒或發(fā)生裂紋偏轉(zhuǎn)，增加界面面積，從而增加能量的消耗，提高材料的強(qiáng)度和韌性。加入顆粒后，材料的彈性模量和剪切模量都有所增加，材料的強(qiáng)度和耐磨性得到顯著地提高，可以增加耐磨材料的使用壽命，降低生產(chǎn)成本。
　　2.5化學(xué)強(qiáng)化材料的強(qiáng)度和韌性。為了提高耐磨陶瓷涂料養(yǎng)護(hù)期的強(qiáng)度和促進(jìn)結(jié)合劑的水化進(jìn)程，需要在材料的表面涂抹養(yǎng)護(hù)劑。必須設(shè)計新的養(yǎng)護(hù)劑，該養(yǎng)護(hù)劑是一種化學(xué)涂料，它采用離子交換的方式，使表面的摩爾體積比內(nèi)部的大，由于表面體積膨脹大受到內(nèi)部材料的限制，就產(chǎn)生兩向狀態(tài)的壓應(yīng)力，從而提高材料的屈服強(qiáng)度和斷裂韌性。通常是用一種大的離子置換小的離子，由于這種置換受擴(kuò)散和帶電離子的影響，壓力層厚度受到限制?；瘜W(xué)強(qiáng)化是現(xiàn)代材料發(fā)展的一個重要方向，具有很強(qiáng)的可操作性，而且非常有效。
　　2.6內(nèi)襯要選擇優(yōu)良的結(jié)合劑提高結(jié)合性能。國外某知名公司生產(chǎn)的陶瓷耐磨料結(jié)合劑為水泥，具有很強(qiáng)的結(jié)合強(qiáng)度。其產(chǎn)品采用了高標(biāo)號的水泥并加入了硅微粉，產(chǎn)品耐磨性很高，比傳統(tǒng)的水泥結(jié)合強(qiáng)度要高出許多，采用了高強(qiáng)混凝土的設(shè)計理念，加入了超級塑化劑，極大地改善了混凝土的流變學(xué)特性，加水量僅為5%。因此依據(jù)MDF和高性能混凝土的設(shè)計思路，參照特種高強(qiáng)混凝土的配方，在嚴(yán)格控制顆粒級配的同時，控制粉料的粒度組成和各種微粉的比例，同時摻入復(fù)合高效減水劑，優(yōu)化混凝土的流變性和提高結(jié)合性能。而且為了提高混凝土的強(qiáng)度和耐磨性，盡量減少水泥和硬度小的粉料的數(shù)量，加入部分高分子材料，并配合交聯(lián)劑，使結(jié)合強(qiáng)度增加數(shù)倍，耐磨性顯著提高。為了優(yōu)化陶瓷涂料的中溫性能，克服有機(jī)材料在中溫階段的揮發(fā)和分解造成的強(qiáng)度降低和水泥脫水產(chǎn)生晶型轉(zhuǎn)化導(dǎo)致的強(qiáng)度衰減，可在陶瓷涂料中加入部分納米微粉，利用它們極高的表面能和水化形成的膠凝產(chǎn)生強(qiáng)度，提高中溫強(qiáng)度以保持陶瓷涂料在各個溫度的性能和耐磨性，再和高強(qiáng)碳化物、硼化物配合使用，壽命會大幅度提高。經(jīng)磨損實(shí)驗(yàn)測試，性能優(yōu)于進(jìn)口的耐磨陶瓷涂料，磨損量遠(yuǎn)低于進(jìn)口材料。
　　3.超強(qiáng)耐磨陶瓷涂料的試驗(yàn)結(jié)果。
　　根據(jù)超強(qiáng)耐磨材料的理論設(shè)計，可以選擇致密剛玉、碳化硅、碳化硼、?？瞎栉⒎?、聚丙烯酸脂和復(fù)合減水劑制備剛玉基和碳化硅基兩種超強(qiáng)耐磨陶瓷涂料進(jìn)行試驗(yàn)。為了體現(xiàn)可對比性，以國內(nèi)某公司的陶瓷耐磨涂料、國外知名公司陶瓷耐磨涂料作為對比樣品，分別檢測了制品的顯氣孔率、體積密度、耐壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、燒后線變化率、磨損量等技術(shù)指標(biāo)。共中磨損量的測定采用美國耐磨性實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ASTMC704．一94，由于試驗(yàn)條件的限制，沒有完全按照標(biāo)準(zhǔn)，而是作了適當(dāng)?shù)男拚?，其結(jié)果可以大致說明幾種材料的耐磨性能。試驗(yàn)中控制了微粉的加入量和加水量，試驗(yàn)工藝完全相同。
　　新工藝的兩種耐磨陶瓷涂料比同材質(zhì)的耐磨陶瓷涂料有明顯的優(yōu)越性。超過了國外知名產(chǎn)品實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)，有極好的耐磨性能，完全可以取代進(jìn)口的耐磨陶瓷涂料，是水泥行業(yè)立磨、輥壓機(jī)、選粉機(jī)、粉體管道閥門和粉料輸送管道內(nèi)襯的理想材料。超強(qiáng)耐磨陶瓷涂料優(yōu)良的力學(xué)性能和耐磨指數(shù)使它也可以應(yīng)用于電廠循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)襯，經(jīng)受嚴(yán)酷的高溫和高速熱態(tài)含塵氣流的沖刷和磨損，有效提高爐襯的使用壽命。
　　4.相關(guān)材料的硬度比較。
　　為了便于說明超強(qiáng)耐磨陶瓷涂料的材料設(shè)計思路，現(xiàn)列舉和水泥有關(guān)材料的硬度指標(biāo)，以明確設(shè)計的理論依據(jù)，使客戶可以很清楚地看到產(chǎn)品的優(yōu)越性和了解新產(chǎn)品，從而有力地推動這種材料在生產(chǎn)中的應(yīng)用，使之發(fā)揮其應(yīng)有的效力。硬度是材料的一種重要的力學(xué)性能，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于測量方法不同，測到的硬度所代表的材料性能也不同。陶瓷及礦物材料常用的劃痕硬度叫做莫氏硬度，它只表示硬度由小到大的順序。一般將莫氏硬度分為lO級，后來因?yàn)槌霈F(xiàn)了一些人工合成的硬度大的材料，又將莫氏硬度分為15級。硬度試驗(yàn)常用靜載壓人法，有布氏硬度、維氏硬度和洛氏硬度。維氏硬度適用于較硬材料如陶瓷的硬度測試。其方法為，用金剛石四角錐在樣塊上施加靜壓力，通過測定壓痕四邊形的對角長度，經(jīng)過計算得到材料的硬度指標(biāo)。角錐的角度為136。；施加的壓力W為1～100kgf。計算公式為：Hv=1．84W/d。剛玉、碳化硅、碳化硼等可以有效地抵擋礦渣和水泥的磨損，而高分子聚合物和石英不具有耐磨性，不適于用做立磨、輥壓機(jī)、選粉機(jī)、粉體管道閥門和輸送管道的內(nèi)襯材料，鑄鋼可以用做耐磨襯體，但耐磨效果值得商榷。
　　總之超強(qiáng)耐磨陶瓷涂料的開發(fā)是建立在完整地理論基礎(chǔ)上的。目前國產(chǎn)耐磨陶瓷涂料超過了國外知名產(chǎn)品實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)，有極好的耐磨性能，完全可以取代進(jìn)口的耐磨陶瓷涂料，是水泥行業(yè)立磨、輥壓機(jī)、選粉機(jī)、粉體管道閥門和粉料輸送管道內(nèi)襯的理想材料。例如由北京鈦盾科技發(fā)展有限責(zé)任公司生產(chǎn)的超強(qiáng)耐磨陶瓷涂料優(yōu)良的力學(xué)性能和耐磨指數(shù)可以應(yīng)用于水泥行業(yè)余熱發(fā)電系統(tǒng)以及電廠循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)襯，經(jīng)受嚴(yán)酷的高溫和高速熱態(tài)含塵氣流的沖刷和磨損，有效地提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)周期。