耐磨陶瓷涂料在水泥設備中的應用

　　由于在水泥生產線上有諸多設備和管道內部長期受到物料或高濃度含塵氣體的沖刷，比如立磨選粉機出口、磨機出口風管、選粉機、球磨機溜槽、下料斗、各種閥門內腔、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用。目前，國產非金屬耐磨材料在水泥企業(yè)、鋼廠、電廠得到認可和應用。這里，鈦盾科技從立磨粉磨系統(tǒng)對襯體的要求出發(fā)，談談該材料的機理。
　　1.立磨粉磨系統(tǒng)對襯體的要求。
　　立磨生產的粉料在高速氣流的帶動下，要和襯體發(fā)生強烈的碰撞和摩擦，進行能量交換。襯體遭受嚴重的沖擊和沖刷，溫度上升，易于受損。這就要求襯體具有以下性能：
　　1.1較高的機械強度及韌性。粉料在立磨、選粉機及管道中進行輸送時，速度在20m／s左右，粉料對內襯和管道壁產生垂直方向的壓應力和平行方向的剪切應力，從而對它們造成強烈的沖刷和磨蝕，不斷降低內襯厚度，降低使用壽命。內襯長時間經受應力作用，存在應力疲勞危險，所以必須具有良好的抗沖擊韌性，尤其是剪切應力，它是內襯遭受破壞的主要原因。因此內襯材料要有較高的機械強度和韌性。在水泥生產中，因為礦渣硬度值最高，下面就以粉磨礦渣來進行分析。
　　1.2良好的耐磨性能。由于高速氣流的帶動，粉料對襯體產生強烈的沖刷，必然加快內襯的磨損。因此內襯必須具有良好的耐磨性能，高強度未必耐磨，但是耐磨必須具有高強度。耐磨性不僅和材料的強度有關，而且和材料的性質密切相關。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，這就要求內襯材料的硬度必須在6級以上，不然就不可能耐磨。因此內襯材料應該在7～9級范圍內選擇。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。這是因為共價鍵為強結合健，其空間有很強的方向性，構成空間網(wǎng)絡結構，形成強結合。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，部分氧化物的健強介于離子鍵和共價鍵之間，健強不及共價鍵，硬度稍低。因此內襯應在氧化物和碳化物、硼化物之中選擇，從而達到較高的耐磨性。
　　1.3良好的化學穩(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系，且經常變化。這就要求內襯具有較好的耐堿性，不能與礦渣發(fā)生化學反應。如果和礦渣發(fā)生化學反應形成變質層，就會使內襯材料性能降低，耐磨性下降。同時由于變質層和原始內襯膨脹系數(shù)有差別，在溫度變化時產生熱應力，造成結構剝落，加劇內襯材料的磨損。因而要求內襯材料必須具有良好的化學穩(wěn)定性。
　　2、超強耐磨陶瓷涂料的理論依據(jù)。
　　影響無機材料強度的因素是多方面的。材料強度的本質是內部質點間的結合力。為了使無機材料的實際強度提高到理論強度，材料科技工作者進行了長期的大量的研究，作了無數(shù)次試驗。從對材料變形及斷裂的分析可知，在晶體結構穩(wěn)定的情況下，控制材料強度的主要參數(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是非結構敏感的參數(shù)，只和材料的性能有關；R與微觀結構有關，主要與材料的晶界能、結合性和缺陷有關；裂紋尺寸C是一個控制強度的主要參數(shù)。因此要提高材料的強度和韌性，應主要從消除缺陷和改善界面、阻止裂紋擴展人手。
　　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)，是原子間結合強度的標志，實際上是原子間結合力曲線上任何點的曲線斜率。共價鍵、離子鍵結合的晶體，由于結合力較強，通常有較高的彈性模量。分子鍵結合力較弱，因此彈性模量也較小。而且彈性模量還和原子間距離有關。從上述可以知道，要想獲得高強耐磨材料，應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，廣泛地應用于磨具行業(yè)。
　　2.2應該形成微晶、高密度的微觀結構。為了消除缺陷，提高晶體的完整性，細、密、勻、純是當前陶瓷發(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，有極高的機械強度和耐磨性，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，具有完整的晶體結構，幾乎無缺陷，強度可以提高一個數(shù)量級。因此，在設計超強耐磨陶瓷涂料時，應該充分考慮材料的結構，盡量控制氣孔的含量，提高澆注密度，細化原料的晶體發(fā)育，形成微晶結構，增加晶體的完整性。
　　2.3采用鋼纖維增強和金屬網(wǎng)增強雙重補強機制。為了提高材料的耐磨性和結構強度，大力提高超強耐磨材料的使用壽命，增強材抖抵抗礦渣的高速機械沖擊對材料造成的沖刷和磨損，減少材料在長期應力條件下疲勞造成的破壞，應該采取增強措施，改善材料的結構、優(yōu)化其性能。纖維增強有效果明顯，操作簡單，成本低廉的特點，已經在材料設計中被廣泛采用。而金屬網(wǎng)增強和增韌，也在水泥行業(yè)中大面積使用，兩種方法復合會進一步提高材料的韌性。鋼纖維增強的物理學原理告訴我們，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制，改善了耐磨材料的變形機制，有效地提高了材料抵抗應力疲勞造成的剝落和掉塊，從而提高了材料的韌性。
　　2.4采用微細顆粒增強襯體的機械強度。當在陶瓷材料中加入高強顆粒時，材料抵抗應力誘發(fā)的裂紋擴張會得到明顯的抑制。裂紋在應力的作用下發(fā)生擴展遇到顆粒時，由于顆粒極高的強度和小的膨脹系數(shù)，裂紋被“釘”扎住，要繼續(xù)擴展必須要求更大的能量去穿透顆?；虬l(fā)生裂紋偏轉，增加界面面積，從而增加能量的消耗，提高材料的強度和韌性。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，降低生產成本。
　　2.5化學強化材料的強度和韌性。為了提高耐磨陶瓷涂料養(yǎng)護期的強度和促進結合劑的水化進程，需要在材料的表面涂抹養(yǎng)護劑。必須設計新的養(yǎng)護劑，該養(yǎng)護劑是一種化學涂料，它采用離子交換的方式，使表面的摩爾體積比內部的大，由于表面體積膨脹大受到內部材料的限制，就產生兩向狀態(tài)的壓應力，從而提高材料的屈服強度和斷裂韌性。通常是用一種大的離子置換小的離子，由于這種置換受擴散和帶電離子的影響，壓力層厚度受到限制?；瘜W強化是現(xiàn)代材料發(fā)展的一個重要方向，具有很強的可操作性，而且非常有效。
　　2.6內襯要選擇優(yōu)良的結合劑提高結合性能。國外某知名公司生產的陶瓷耐磨料結合劑為水泥，具有很強的結合強度。其產品采用了高標號的水泥并加入了硅微粉，產品耐磨性很高，比傳統(tǒng)的水泥結合強度要高出許多，采用了高強混凝土的設計理念，加入了超級塑化劑，極大地改善了混凝土的流變學特性，加水量僅為5%。因此依據(jù)MDF和高性能混凝土的設計思路，參照特種高強混凝土的配方，在嚴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，同時摻入復合高效減水劑，優(yōu)化混凝土的流變性和提高結合性能。而且為了提高混凝土的強度和耐磨性，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，使結合強度增加數(shù)倍，耐磨性顯著提高。為了優(yōu)化陶瓷涂料的中溫性能，克服有機材料在中溫階段的揮發(fā)和分解造成的強度降低和水泥脫水產生晶型轉化導致的強度衰減，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生強度，提高中溫強度以保持陶瓷涂料在各個溫度的性能和耐磨性，再和高強碳化物、硼化物配合使用，壽命會大幅度提高。經磨損實驗測試，性能優(yōu)于進口的耐磨陶瓷涂料，磨損量遠低于進口材料。
　　3.超強耐磨陶瓷涂料的試驗結果。
　　根據(jù)超強耐磨材料的理論設計，可以選擇致密剛玉、碳化硅、碳化硼、?？瞎栉⒎?、聚丙烯酸脂和復合減水劑制備剛玉基和碳化硅基兩種超強耐磨陶瓷涂料進行試驗。為了體現(xiàn)可對比性，以國內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、耐壓強度、抗折強度、燒后線變化率、磨損量等技術指標。共中磨損量的測定采用美國耐磨性實驗標準ASTMC704．一94，由于試驗條件的限制，沒有完全按照標準，而是作了適當?shù)男拚?，其結果可以大致說明幾種材料的耐磨性能。試驗中控制了微粉的加入量和加水量，試驗工藝完全相同。
　　新工藝的兩種耐磨陶瓷涂料比同材質的耐磨陶瓷涂料有明顯的優(yōu)越性。超過了國外知名產品實物標準，有極好的耐磨性能，完全可以取代進口的耐磨陶瓷涂料，是水泥行業(yè)立磨、輥壓機、選粉機、粉體管道閥門和粉料輸送管道內襯的理想材料。超強耐磨陶瓷涂料優(yōu)良的力學性能和耐磨指數(shù)使它也可以應用于電廠循環(huán)流化床鍋爐內襯，經受嚴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.相關材料的硬度比較。
　　為了便于說明超強耐磨陶瓷涂料的材料設計思路，現(xiàn)列舉和水泥有關材料的硬度指標，以明確設計的理論依據(jù)，使客戶可以很清楚地看到產品的優(yōu)越性和了解新產品，從而有力地推動這種材料在生產中的應用，使之發(fā)揮其應有的效力。硬度是材料的一種重要的力學性能，但在實際應用中，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，后來因為出現(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，經過計算得到材料的硬度指標。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、選粉機、粉體管道閥門和輸送管道的內襯材料，鑄鋼可以用做耐磨襯體，但耐磨效果值得商榷。
　　總之超強耐磨陶瓷涂料的開發(fā)是建立在完整地理論基礎上的。目前國產耐磨陶瓷涂料超過了國外知名產品實物標準，有極好的耐磨性能，完全可以取代進口的耐磨陶瓷涂料，是水泥行業(yè)立磨、輥壓機、選粉機、粉體管道閥門和粉料輸送管道內襯的理想材料。例如由北京鈦盾科技發(fā)展有限責任公司生產的超強耐磨陶瓷涂料優(yōu)良的力學性能和耐磨指數(shù)可以應用于水泥行業(yè)余熱發(fā)電系統(tǒng)以及電廠循環(huán)流化床鍋爐內襯，經受嚴酷的高溫和高速熱態(tài)含塵氣流的沖刷和磨損，有效地提高設備運轉周期。