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年产5000吨低本钱高可靠性纳米微晶陶瓷
产业化技术可行性研究报告
湖南大学材料科学与工程学院
2003年10月
总论
〔一〕工程概述
本工程以天然矿物和冶金工业废渣为主要原料,通过材料设计方法,采用高温溶胶-凝胶工艺和原位受控晶化技术,在高性能低本钱纳米陶瓷的制备技术方面取得了突破,是一项属于国内首创的制备纳米陶瓷制品的新工艺、新技术,具有很好的产业化前景。
用该项技术制备的高耐磨纳米微晶陶瓷结构均匀致密,抗弯强度可达300MPa,显微硬度10~12GPa,~,自磨损率不到氧化铝陶瓷的20%,可机加工性和耐腐蚀好,可广泛用作具有高附加值的耐磨结构材料,如研磨体、陶瓷轴承、机械密封件、纺织瓷件、管道、阀门等。
为将该工程技术推向产业化,现已投资110万元,在湖南大学建成了一条年产200吨纳米微晶陶瓷的中试生产线。该中试生产线的工艺流程及主要设备的设计与5000吨产业化生产线根本相同,可同时或单独使用电和液化气两种能源,工艺参数调整范围大,以适应不同产品对工艺条件的需要。目前用该中试生产线已成功制备了各种规格的研磨球和耐磨衬片。该技术的另一重要特点是:用一套玻璃熔制和微晶化设备可同时制备多种纳米微晶陶瓷制品,产品品种可依市场需求灵活调整,市场应变能力强。纳米微晶陶瓷制品的制造本钱不到氧化铝陶瓷的30%,此外,可利用工业废渣,有利于环境保护和社会经济的可持续开展。
建设一条年产5000吨的纳米微晶陶瓷生产线,工程总投资需3660万元〔含25%的技术无形资产〕,建成后可实现年产值10500万元,年利税3420万元,〔不含建设期〕。可生产的主要产品为高性能耐磨结构陶瓷系列产品,如研磨体、耐磨衬片、纺织瓷件、阀门芯片、轴承、机械密封件等。
〔二〕立项意义及必要性
纳米材料由于具有许多独特的优异性能而成为现代材料科学的研究热点。目前在纳米粉末的制备技术方面取得了很大进展,各种纳米粉末已开始工业化生产并获得日益广泛的应用。然而,用纳米粉末来制备纳米陶瓷时,由于纳米粉末的活性很高,高温烧结时晶粒生长很快,绝大多数情况下获得的不是纳米陶瓷,而是亚微米甚至微米陶瓷。只有采用热压、热等静压烧结或者小试样的快速等温烧结,才可能获得致密烧结的块体纳米陶瓷。在这种工艺条件下,一是对烧成设备的技术要求很高,二是很难制备复杂形状和大尺寸的纳米陶瓷制品。因此,开发一种高性能低本钱的纳米陶瓷制备新技术,是使纳米陶瓷制品实现产业化并获得广泛应用的关键。
本工程所开发的纳米陶瓷制品是一种较理想的高温自润滑耐磨材料,可在高温、腐蚀、无润滑等恶劣环境下用作耐磨结构材料,如研磨体、陶瓷轴承、机械密封件、纺织瓷件、管道、阀门、耐磨衬板等,对提升传统耐磨结构材料的可靠性和技术含量,推动机械制造、化工、轻纺等相关产业的技术进步有积极意义。此外,本工程可利用工业废渣来制备纳米陶瓷,是一项集新材料研制、固体废弃物再生利用和环境保护于一体的具有显著社会经济效益和推广应用价值的课题,对提高冶金工业废渣的利用率和附加值,降低其对环境污染的压力具有重要意义。
〔三〕工程的技术特点及水平
本工程运用材料设计理论,采用高温溶胶-凝胶工艺和原位受控晶化技术,以天然矿物和冶金工业废渣为主要原料,先将粗颗粒原料熔制为均质的玻璃体,然后从玻璃中原位析出晶相含量达90%以上,晶粒为50~200nm的纳米级晶粒。通过大量实验和理论分析,目前已成功地开发了多种纳米微晶陶瓷制品,并能从组成和微晶化工艺方面来有效控制晶相组成、晶粒大小及晶相含量,测试了该材料的力学性能和摩擦学性能,卓有成效地开展了许多具有原创性的研发工作,技术水平属国际首创,为高性能低本钱纳米微晶陶瓷的产业化奠定了坚实的根底。
本工程开发的纳米微晶陶瓷到达以下技术质量指标:
抗压强度:>1200MPa;
显微硬度:>10GPa;
体积密度:>
自磨损率:以国产最高质量玻璃微珠作参照物,磨损率小于同规格玻璃微珠的50%。
〔四〕工程实施产业化的优势和风险
本工程在国家自然科学基金和湖南省中青年人才基金的资助下,开展了较系统和深入的根底研究,取得了具有很好产业化前景的实验研究成果。在国家高效磨削工程技术研究中心产业化投资基金的支持下,已完成了中试研究和局部产品的开发,试制的产品经投入市场实际应用,用户对其耐磨损和耐腐蚀性能十分满意,到达了预期的效果。本工程实施产业化的优势在于:
1、采用高温溶胶-凝胶工艺和原位受控晶化技术来制备纳米微晶陶瓷的新工艺属国际首创,技术含量高,具有技术先进的优势;
2、采用天然矿物和工业废渣为主要原料,廉价易得,具有原材料本钱低的优势;
3、高温溶胶-凝胶工艺源于玻璃的制备工艺,自动化程度高,成熟可靠;而原位受控晶化技术那么借鉴了微晶玻璃的制备工艺,主要在析晶速度和晶粒大小的控制方面取得了突破性成果,是微晶玻璃制备技术的提升和进步,因此,采用的工艺技术路线具有良好的工业根底优势;
4、可利用工业废渣,有利于环境保护和资源的再生利用,符合国家环保和产业化政策;
5、可开发的产品品种多,性能价格比大大优于同类产品,具有很好的市场竞争力和抗市场风险的优势。
本工程在产业化实施过程中的主要风险是由于玻璃料的组成有别于其它玻璃料,玻璃熔体的成形温度范围窄,对成形某些复杂形状的产品有一定的技术难度。
二、工程技术可行性和成熟性分析
〔一〕工程的技术创新点
1、首创了由非晶固体原位晶化制备纳米陶瓷的新技术
用高温溶胶-凝胶工艺和原位受控晶化技术制备纳米陶瓷制品,是一种完全不同于高温烧结法的纳米陶瓷制备新技术。由于该技术可从工艺路线上彻底解决纳米粉末的来源、粉末的团聚与分散性、高温烧结时的致密化与晶粒长大等一系列传统陶瓷制备技术中难以解决的科学和工程化问题,是最具产业化前景的高性能低本钱纳米陶瓷制备新技术。
2、获得了低本钱连续生产纳米晶陶瓷制品的新工艺
纳米陶瓷虽然具有许多优异性能,但高昂的制备本钱和难以控制的晶粒尺寸是制约其广泛应用的关键。本工程采用天然矿物和工业废渣为主要原料,且可用几十目的粗粉末,综合原料本钱可控制在1000元/吨以内,且可连续工业化生产,使纳米微晶陶瓷的产业化生产本钱可降至2500元/吨以内,与普通陶瓷相当,为95氧化铝陶瓷的30%。
3、实现了晶相组成、晶粒大小和晶相含量的控制技术
用本工程制备的纳米微晶陶瓷,其晶相组成、晶粒大小和晶相含量可通过材料组成设计、工艺参数调整来较准确地控制,以满足不同应用条件对材料性能的要求。
〔二〕工程的技术成熟性和产品的可靠性
本工程是在国家自然科学基金和湖南省中青年人才基金的资助下完成的。近五年来,工程负责人肖汉宁教授领导的研究小组开展了较系统和深入的根底研究,特别是在玻璃料的组成设计、晶核剂的选择及作用机理、核化晶化工艺制度等方面进行大量而系统的实验研究,已取得具有很好产业化前景的研究成果。该项成果已通过中试研究和新产品的开发,根本解决了在产业化过程中可能出现的工艺和装备设计等问题,并成功开发了各种规格的研磨球和耐磨衬片,产品经用户试用,对其耐磨损和耐腐蚀性能十分满意。此外,由于制备的纳米微晶陶瓷具有十分致密的且均匀的显微结构,产品性能比烧结陶瓷具有更高的可靠性。
本工程的另一重要优势是在原料和工艺技术路线的选择上从一开始就充分考虑了产业化的问题,即原材料的廉价易得和工艺技术的成熟可靠性。工程采用天然矿物和工业废渣为主要原料,且所有添加原料都是国产化工原料,符合廉价易得的原那么。高温溶胶-凝胶工艺源于玻璃的制备工艺,自动化程度高,成熟可靠,玻璃池窑和相关成形设备已有专业制造企业,其技术水平接近国外先进水平。原位受控晶化技术借鉴了微晶玻璃的制备工艺,主要在析晶速度和晶粒大小的控制方面取得了突破性进展,是微晶玻璃制备技术的提升和进步,相关设备可由玻璃和陶瓷行业的专业设备厂制造。因此,采用的工艺技术路线具有良好的工业根底,工装设备有定型产品或由专业制造厂承制,具有显著的先进性和成熟可靠性。
由于本工程已完成中试研究和局部产品的开发,且中试生产线的工艺技术路线与本工程拟建设的5000吨产业化生产线相同,因此,中试成果获得产业化应用的前景非常看好,已有包括世界500强之一的美国Molex公司在内的国内外多家企业在探讨该工程的产业化合作事宜,密切关注着该工程的进展。
三、工程产品市场调研和竞争力预测
工程开发的纳米微晶陶瓷是一种机械和化学性能优异的新材料,可在高温、腐蚀、无润滑等恶劣环境下用作耐磨结构材料,如陶瓷轴承、机械密封件、纺织瓷件、研磨体、管道、阀门、耐磨衬板、化工填料等。同时,纳米微晶陶瓷也是一种优良的电子结构陶瓷,可替代滑石瓷和氧化铝陶瓷用作电子装置用各种绝缘子、管座、电阻基体和密封外壳等。与其它材质的同类产品比,纳米微晶陶瓷的性能价格比更高,市场竞争能力强,经济效益显著。目前国内的陶瓷研磨体市场高达5亿元/年以上,其中电子工业用高性能研磨体主要依赖进口,年进口额超过600万美元。纺织瓷件中摩擦轮和导线轮的年进口额也在500万美元以上。
本工程采用的玻璃熔制和微晶化设备可开发一系列结构陶瓷制品,产品品种可依市场需求灵活调整,抗市场风险能力强。由于该工程采用的主要原料是天然矿物和工业废渣,该结构陶瓷制品的制造本钱不到氧化铝陶瓷的30%。此外,利用了工业废渣,有利于环境保护和社会经济可持续开展,可享受国家对环保产业的各项优惠政策。
本工程拟开发以下产品,对其进入市场的竞争力和价格定位的调研结果分述如下:
微晶陶瓷研磨体:主要用作精细化工、涂料、油漆、油墨、陶瓷、搪瓷等行业中砂磨机和球磨机用研磨体,也可应用于化工反响塔中的填料。与目前市场上使用的玻璃质研磨体、普通陶瓷质研磨体、氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷研磨体比,其主要技术经济指标比照方表1所示。显然,微晶陶瓷研磨体具更高的性能价格比,进入市场的竞争力强,可很快成为研磨体市场的新宠。
表1各种陶瓷研磨体的性能及市场售价
性能指标
纳米微晶陶瓷
玻璃
普通陶瓷
氧化铝
氧化锆
体积密度,g/cm3
~
~
~
~
~
显微硬度,GPa
10~12
~
~
13~15
11~14
抗压强度,MPa
1200~1500
300~400
400~700
1600~2000
2000~2500
相对磨损率
1
3~4
2~5
~3
市场售价,元/kg
10~12
~18
8~10
30~50
180~200
耐磨陶瓷衬片:主要用作工业球磨机内衬、火电厂输送煤粉的管道内衬、输送泥砂或水泥砂浆的管道内衬和各种需要耐摩损耐腐蚀的内衬材料。目前主要以氧化铝或碳化硅陶瓷为主,每吨售价达2~5万元。用微晶陶瓷制作耐磨衬片,其耐磨性优于氧化铝,~,可取得显著的经济效益和社会效益。
微晶陶瓷纺织瓷件:包括陶瓷摩擦片、导线轮和止捻器。目前纺织机械用陶瓷部件的材质主要是氧化铝和氧化锆两种类型。氧化铝陶瓷的硬度高,但晶粒尺寸较大,一般为5~10mm,残留气孔率也在2%左右,因此其外表光洁度和耐磨性都不太理想。氧化锆陶瓷的硬度较低,~1mm,残留气孔率可小于1%,用作纺织瓷件时具有自润滑性,因此,其耐磨性和使用寿命优于氧化铝陶瓷,但价格也高出氧化铝陶瓷一倍以上。本工程开发的纳米微晶陶瓷比氧化锆陶瓷的晶粒更细小,结构更致密,硬度相近,同样具有自润滑性,因此,是制造纺织瓷件更理想的新材料,而且同规格纳米微晶陶瓷部件的售价只是氧化铝陶瓷的60%,氧化锆陶瓷的30%左右,进入国际市场的潜力也很大。
电子结构陶瓷:主要替代滑石瓷和氧化铝陶瓷用作电子装置用各种绝缘子、管座、电阻基体和密封外壳等。由于本工程采用的工艺技术路线具有生产效率高、产品的均匀性和可靠性好等特点,而售价比滑石瓷和氧化铝陶瓷更低,且有利于提高电子元器件的稳定性和可靠性,在市场开拓中也具有明显优势。
纳米微晶陶瓷还可广泛应用于其它耐磨损、耐腐蚀的领域,如化工行业的阀门、管道,催化剂载体等。总之,用本项技术制备的纳米微晶陶瓷具有制备本钱低、性能稳定可靠、性能价格比更高等优势,进入市场的竞争能力强。
四、工程建设内容及投资预算
工程的总体目标是建设一条年产5000吨低本钱高可靠性纳米微晶陶瓷制品生产线,实现纳米陶瓷制品的连续和自动化生产。
工程的建设内容包括生产线的总体设计、设备选型和制造,生产线的建设施工,设备安装调试,试生产并解决相应的生产工艺技术问题,稳定生产工艺和产品质量,到达设计的产量和质量指标。
工程的投资总额为人民币3660万元,其中有形资产投入2745万元〔固定资产投入2000万元,流动资金745万元〕,无形资产915万元〔占总资产的25%〕,工程建设周期约需1年。建成投产后,可实现年产值10500万元,年利税3420万元,。
本工程建设资金2000万元,其中土地占用25亩,购置费200万元;生产厂房、办公和仓贮用房8000m2,需基建投资320万元;生产线设备投资1380万元,水电等配套设施费100万元。主要设备名称及价格预算如表2所示,在设备选型时应注重设备的先进性和可靠性,关键设备或部件进口。
表25000吨纳米微晶陶瓷生产线主要设备名称及价格预算
序号
设备名称
数量
单价〔万元〕
总金额〔万元〕
1
15m2玻璃池窑
1座
160
160
2
2m2电熔玻璃池窑
1座
35
35
3
全自动晶化辊道窑
3座
45
135
4
自动配料混料系统
1套
26
26
5
自动给料机
1台
7
7
6
玻璃制球机
10台
36
7
出料用铂金加热器
10台
42
8
数控磨床
3台
30
90
9
玻璃模压成型机
2台
48
96
10
抛光机
10台
6
60
11
精密磨床
6台
15
90
12
普通车床
5台
12
60
13
运输车辆
3台
16
48
14
检测设备
16台套
125
15
其他设备
32台套
370
16
合计
1380
五、效益分析
本工程采用的玻璃熔制和微晶化设备可同时制备多种纳米陶瓷制品,产品品种可依市场需求灵活调整,抗市场风险能力强。由于该工程采用的主要原料是天然矿物和工业废渣,该纳米微晶陶瓷制品的制造本钱不到氧化铝陶瓷的30%,此外,利用了工业废渣,有利于环境保护和社会经济可持续开展,可享受国家对环保产业的各项优惠政策。
本工程上马后,可根据市场需求调节各种产品的产量,并具备进一步开发新产品的能力。本工程拟开发以下产品,其产量、产值和预期经济效益可归纳如表3所示,产品的价格定位以性能价格比和市场竞争力为依据。按表3中所列产量计算,该生产线可实现年产值10500万元,年利税3420万元,具有技术含量高,投入产出比高,产品品种多,制造本钱低,抗市场风险能力强等特点,其经济效益和社会效益显著。
表3纳米微晶陶瓷产品及效益分析
产品名称
计算单位
年产量
总本钱
〔元〕
销售价〔元〕
产值
〔万元〕
利税
〔万元〕
微晶陶瓷微珠、研磨体
吨
3000
6700
10000
3000
990
高强度耐磨衬片
吨
1000
7750
12000
1200
425
纺织机械用陶瓷摩擦轮
片
40万
35
50
2000
600
纺织机械用陶瓷导线轮
个
30万
28
45
1350
510
纺机用止捻器
个
10万
77
115
1150
370
电子结构陶瓷
件
1500万
1800
525
合计
10500
3420