耐磨陶瓷涂料在水泥设备中的应用

由于在水泥生产线上有诸多设备和管道内部长期受到物料或高浓度含尘气体的冲刷,比如立磨选粉机出口、磨机出口风管、选粉机、球磨机溜槽、下料斗、各种阀门内腔、闸板及输送管道等等,耐磨陶瓷涂料在以上各部位得到广泛的应用。目前,国产非金属耐磨材料在水泥企业、钢厂、电厂得到认可和应用。这里,钛盾科技从立磨粉磨系统对衬体的要求出发,谈谈该材料的机理。

1.立磨粉磨系统对衬体的要求。

立磨生产的粉料在高速气流的带动下,要和衬体发生强烈的碰撞和摩擦,进行能量交换。衬体遭受严重的冲击和冲刷,温度上升,易于受损。这就要求衬体具有以下性能:

1.1较高的机械强度及韧性。粉料在立磨、选粉机及管道中进行输送时,速度在20m/s左右,粉料对内衬和管道壁产生垂直方向的压应力和平行方向的剪切应力,从而对它们造成强烈的冲刷和磨蚀,不断降低内衬厚度,降低使用寿命。内衬长时间经受应力作用,存在应力疲劳危险,所以必须具有良好的抗冲击韧性,尤其是剪切应力,它是内衬遭受破坏的主要原因。因此内衬材料要有较高的机械强度和韧性。在水泥生产中,因为矿渣硬度值最高,下面就以粉磨矿渣来进行分析。

1.2良好的耐磨性能。由于高速气流的带动,粉料对衬体产生强烈的冲刷,必然加快内衬的磨损。因此内衬必须具有良好的耐磨性能,高强度未必耐磨,但是耐磨必须具有高强度。耐磨性不仅和材料的强度有关,而且和材料的性质密切相关。矿渣的硬度大概在莫氏6级、水泥熟料的硬度为莫氏4~5级,这就要求内衬材料的硬度必须在6级以上,不然就不可能耐磨。因此内衬材料应该在7~9级范围内选择。通常离子化合物和共价化合物有高的硬度,尤其是共价化合物。这是因为共价键为强结合健,其空间有很强的方向性,构成空间网络结构,形成强结合。如碳化硅、碳化钛、金刚石等,都具有高的硬度。而氧化物通常为离子化合物,部分氧化物的健强介于离子键和共价键之间,健强不及共价键,硬度稍低。因此内衬应在氧化物和碳化物、硼化物之中选择,从而达到较高的耐磨性。

1.3良好的化学稳定性。立磨及输送管道要长期和矿渣接触,矿渣为CaO-A1203一Si0:系化合物,化学成分一般为:CaO38%~46%,Si0226%~42%,A12037%~O%,MgO 4% ~13%,Fe2O3.2%~1%,MnO 0.1%~1%,S1%~2%。主要矿相为C2S,和ICAS。从化学成分和矿相可以知道,主要为碱性化合物,与制作方法有很大关系,且经常变化。这就要求内衬具有较好的耐碱性,不能与矿渣发生化学反应。如果和矿渣发生化学反应形成变质层,就会使内衬材料性能降低,耐磨性下降。同时由于变质层和原始内衬膨胀系数有差别,在温度变化时产生热应力,造成结构剥落,加剧内衬材料的磨损。因而要求内衬材料必须具有良好的化学稳定性。

2、超强耐磨陶瓷涂料的理论依据。

影响无机材料强度的因素是多方面的。材料强度的本质是内部质点间的结合力。为了使无机材料的实际强度提高到理论强度,材料科技工作者进行了长期的大量的研究,作了无数次试验。从对材料变形及断裂的分析可知,在晶体结构稳定的情况下,控制材料强度的主要参数有三个,即弹性模量E、断裂表面能尺和裂纹尺寸C。其中E是非结构敏感的参数,只和材料的性能有关;R与微观结构有关,主要与材料的晶界能、结合性和缺陷有关;裂纹尺寸C是一个控制强度的主要参数。因此要提高材料的强度和韧性,应主要从消除缺陷和改善界面、阻止裂纹扩展人手。

2.1 选择弹性模量高的原料,提高材料硬度和耐磨性。弹性模量E是一个重要的材料常数,是原子间结合强度的标志,实际上是原子间结合力曲线上任何点的曲线斜率。共价键、离子键结合的晶体,由于结合力较强,通常有较高的弹性模量。分子键结合力较弱,因此弹性模量也较小。而且弹性模量还和原子间距离有关。从上述可以知道,要想获得高强耐磨材料,应该选择离子和共价化合物,如氧化物、氮化物、碳化物及硼化物和刚玉、板状刚玉、致密刚玉、碳化硅、碳化钛、硼化钛。硼化锆等常被用做磨料,广泛地应用于磨具行业。

2.2应该形成微晶、高密度的微观结构。为了消除缺陷,提高晶体的完整性,细、密、匀、纯是当前陶瓷发展的一个重要方向,近年来出现了许多微晶、高密度、高纯的陶瓷材料,如热压氮化硅陶瓷,密度接近理论值,几乎不含气孔,有极高的机械强度和耐磨性,是传统陶瓷所无法比拟的。特别是近些年出现的各种纤维和晶须,具有完整的晶体结构,几乎无缺陷,强度可以提高一个数量级。因此,在设计超强耐磨陶瓷涂料时,应该充分考虑材料的结构,尽量控制气孔的含量,提高浇注密度,细化原料的晶体发育,形成微晶结构,增加晶体的完整性。

2.3采用钢纤维增强和金属网增强双重补强机制。为了提高材料的耐磨性和结构强度,大力提高超强耐磨材料的使用寿命,增强材抖抵抗矿渣的高速机械冲击对材料造成的冲刷和磨损,减少材料在长期应力条件下疲劳造成的破坏,应该采取增强措施,改善材料的结构、优化其性能。纤维增强有效果明显,操作简单,成本低廉的特点,已经在材料设计中被广泛采用。而金属网增强和增韧,也在水泥行业中大面积使用,两种方法复合会进一步提高材料的韧性。钢纤维增强的物理学原理告诉我们,随着铆纤维的加入,材料的韧性会显著增加,原因是引入了塑性机制,改善了耐磨材料的变形机制,有效地提高了材料抵抗应力疲劳造成的剥落和掉块,从而提高了材料的韧性。

2.4采用微细颗粒增强衬体的机械强度。当在陶瓷材料中加入高强颗粒时,材料抵抗应力诱发的裂纹扩张会得到明显的抑制。裂纹在应力的作用下发生扩展遇到颗粒时,由于颗粒极高的强度和小的膨胀系数,裂纹被“钉”扎住,要继续扩展必须要求更大的能量去穿透颗粒或发生裂纹偏转,增加界面面积,从而增加能量的消耗,提高材料的强度和韧性。加入颗粒后,材料的弹性模量和剪切模量都有所增加,材料的强度和耐磨性得到显著地提高,可以增加耐磨材料的使用寿命,降低生产成本。

2.5化学强化材料的强度和韧性。为了提高耐磨陶瓷涂料养护期的强度和促进结合剂的水化进程,需要在材料的表面涂抹养护剂。必须设计新的养护剂,该养护剂是一种化学涂料,它采用离子交换的方式,使表面的摩尔体积比内部的大,由于表面体积膨胀大受到内部材料的限制,就产生两向状态的压应力,从而提高材料的屈服强度和断裂韧性。通常是用一种大的离子置换小的离子,由于这种置换受扩散和带电离子的影响,压力层厚度受到限制。化学强化是现代材料发展的一个重要方向,具有很强的可操作性,而且非常有效。

2.6内衬要选择优良的结合剂提高结合性能。国外某知名公司生产的陶瓷耐磨料结合剂为水泥,具有很强的结合强度。其产品采用了高标号的水泥并加入了硅微粉,产品耐磨性很高,比传统的水泥结合强度要高出许多,采用了高强混凝土的设计理念,加入了超级塑化剂,极大地改善了混凝土的流变学特性,加水量仅为5%。因此依据MDF和高性能混凝土的设计思路,参照特种高强混凝土的配方,在严格控制颗粒级配的同时,控制粉料的粒度组成和各种微粉的比例,同时掺入复合高效减水剂,优化混凝土的流变性和提高结合性能。而且为了提高混凝土的强度和耐磨性,尽量减少水泥和硬度小的粉料的数量,加入部分高分子材料,并配合交联剂,使结合强度增加数倍,耐磨性显著提高。为了优化陶瓷涂料的中温性能,克服有机材料在中温阶段的挥发和分解造成的强度降低和水泥脱水产生晶型转化导致的强度衰减,可在陶瓷涂料中加入部分纳米微粉,利用它们极高的表面能和水化形成的胶凝产生强度,提高中温强度以保持陶瓷涂料在各个温度的性能和耐磨性,再和高强碳化物、硼化物配合使用,寿命会大幅度提高。经磨损实验测试,性能优于进口的耐磨陶瓷涂料,磨损量远低于进口材料。

3.超强耐磨陶瓷涂料的试验结果。

根据超强耐磨材料的理论设计,可以选择致密刚玉、碳化硅、碳化硼、埃肯硅微粉、聚丙烯酸脂和复合减水剂制备刚玉基和碳化硅基两种超强耐磨陶瓷涂料进行试验。为了体现可对比性,以国内某公司的陶瓷耐磨涂料、国外知名公司陶瓷耐磨涂料作为对比样品,分别检测了制品的显气孔率、体积密度、耐压强度、抗折强度、烧后线变化率、磨损量等技术指标。共中磨损量的测定采用美国耐磨性实验标准ASTMC704.一94,由于试验条件的限制,没有完全按照标准,而是作了适当的修正,其结果可以大致说明几种材料的耐磨性能。试验中控制了微粉的加入量和加水量,试验工艺完全相同。

新工艺的两种耐磨陶瓷涂料比同材质的耐磨陶瓷涂料有明显的优越性。超过了国外知名产品实物标准,有极好的耐磨性能,完全可以取代进口的耐磨陶瓷涂料,是水泥行业立磨、辊压机、选粉机、粉体管道阀门和粉料输送管道内衬的理想材料。超强耐磨陶瓷涂料优良的力学性能和耐磨指数使它也可以应用于电厂循环流化床锅炉内衬,经受严酷的高温和高速热态含尘气流的冲刷和磨损,有效提高炉衬的使用寿命。

4.相关材料的硬度比较。

为了便于说明超强耐磨陶瓷涂料的材料设计思路,现列举和水泥有关材料的硬度指标,以明确设计的理论依据,使客户可以很清楚地看到产品的优越性和了解新产品,从而有力地推动这种材料在生产中的应用,使之发挥其应有的效力。硬度是材料的一种重要的力学性能,但在实际应用中,由于测量方法不同,测到的硬度所代表的材料性能也不同。陶瓷及矿物材料常用的划痕硬度叫做莫氏硬度,它只表示硬度由小到大的顺序。一般将莫氏硬度分为lO级,后来因为出现了一些人工合成的硬度大的材料,又将莫氏硬度分为15级。硬度试验常用静载压人法,有布氏硬度、维氏硬度和洛氏硬度。维氏硬度适用于较硬材料如陶瓷的硬度测试。其方法为,用金刚石四角锥在样块上施加静压力,通过测定压痕四边形的对角长度,经过计算得到材料的硬度指标。角锥的角度为136。;施加的压力W为1~100kgf。计算公式为:Hv=1.84W/d。刚玉、碳化硅、碳化硼等可以有效地抵挡矿渣和水泥的磨损,而高分子聚合物和石英不具有耐磨性,不适于用做立磨、辊压机、选粉机、粉体管道阀门和输送管道的内衬材料,铸钢可以用做耐磨衬体,但耐磨效果值得商榷。

总之超强耐磨陶瓷涂料的开发是建立在完整地理论基础上的。目前国产耐磨陶瓷涂料超过了国外知名产品实物标准,有极好的耐磨性能,完全可以取代进口的耐磨陶瓷涂料,是水泥行业立磨、辊压机、选粉机、粉体管道阀门和粉料输送管道内衬的理想材料。例如由北京钛盾科技发展有限责任公司生产的超强耐磨陶瓷涂料优良的力学性能和耐磨指数可以应用于水泥行业余热发电系统以及电厂循环流化床锅炉内衬,经受严酷的高温和高速热态含尘气流的冲刷和磨损,有效地提高设备运转周期。