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超強耐磨陶瓷涂層的機理

 

超強耐磨陶瓷涂層的機理

    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。為了 延長這些部位的使用壽命,設備供應商和水泥工作 者對高性價比的耐磨材料的創新從來就沒有停止過。 北京耐默科技有限公司近期,一種命名為耐磨陶瓷涂層的應用于以上各部 位的國產非金屬耐磨材料在國內水泥企業、鋼廠、 電廠得到認可并廣泛應用。本文就從立磨粉磨系統 對襯體的要求出發談談該材料的機理。
1立磨粉磨系統對襯體的要求
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20 m/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。水泥生產中因為礦 渣硬度值高,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 有髙強度。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 髙的耐磨性。
1.3良好的化學穩定性
立磨及輸送管道要長期和礦渣接觸,礦渣為CaO-Al2O3-SiO2系化合物,化學成分一般為:CaO 38%~46%, SiO, 26%~42%, Al2O37%~20%, MgO 4%~13%,Fe2O3 0.2%~1%, MnO0.1%~1%, S 1%~2%。 主要礦相為C2S3和C2AS。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 礦渣發生化學反應。如果和礦渣發生化學反應形成 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 穩定性。
2超強耐磨陶瓷涂料的理論依據
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,作了無數次試驗。從對材料 變形及斷裂的分析可知,在晶體結構穩定的情況下, 控制材料強度的主要參數有三個,即彈性模量E、斷 裂表面能R和裂紋尺寸C。其中E是非結構敏感的參數, 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。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 入手。
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,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。硼化錯等常被用 做磨料’廣泛地應用于磨具行業。
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、純是當前陶瓷發展的一個重要方向,近年來出 現了許多微晶、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,是傳統陶瓷所無法比擬 的。特別是近些年出現的各種纖維和晶須,具有完 整的晶體結構,幾乎無缺陷,強度可以提高一個數 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。而金屬網增強和增韌,也在水 泥行業中大面積使用,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, 隨著鉚纖維的加人,材料的韌性會顯著增加,原因 是引人了塑性機制,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采用微細顆粒增強村體的機械強度
當在陶瓷材料中加人高強顆粒時,材料抵抗應 力誘發的裂紋擴張會得到明顯的抑制。裂紋在應力 的作用下發生擴展遇到顆粒時,由于顆粒極高的強 度和小的膨脹系數,裂紋被“釘”扎住,要繼續擴 展必須要求更大的能量去穿透顆?;虬l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。加人顆粒后,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初性
為了提高耐磨陶瓷涂料養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護劑。 必須設計新的養護劑,該養護劑是一種化學涂料, 它釆用離子交換的方式,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強化是現代材料發展的一個重要方向, 具有很強的可操作性,而且非常有效。
2.6內村要選擇優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 水泥并加人了硅微粉,產品耐磨性很高,比傳統的 水泥結合強度要高出許多,采用了高強混凝土的設 計理念,加人了超級塑化劑,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,同時摻人復合高效減水劑, 優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 的粉料的數量,加入部分高分子材料,并配合交聯 劑,使結合強度增加數倍,耐磨性顯著提高。為了 優化陶瓷涂料的中溫性能,克服有機材料在中溫階 段的揮發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,可在陶瓷涂料中加人部分 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。共中磨損量的測定釆用美國耐磨性 實驗標準ASTMC704-94,由于試驗條件的限制,沒 有完全按照標準,而是作了適當的修正,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 粉的加人量和加水量,試驗工藝完全相同。結果見 表1。


從表1可以看出,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越性。超過了國 外知名產品實物標準,有較好的耐磨性能,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良的力學性能和耐 磨指數使它也可以應用于電丨‘循環流化床鍋爐內襯, 經受嚴酷的高溫和高速熱態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,現列舉和水泥有關材料的硬度指標,以明確設 計的理論依據,使客戶可以很清楚地看到產品的優 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10級,后來因為出現了一些人工 合成的硬度大的材料,又將莫氏硬度分為15級。硬 度試驗常用靜載壓入法,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 力灰為l~100kgf。
計算公式為:Hv = 1.84W/d2
相關材料的硬度指標如表2。

從表2可以看出剛玉、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、輯壓機、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。
5結束語
      北京耐默公司超強耐磨陶瓷涂料的開發是建立在完整地理論 基礎上的。有較好的耐磨性能,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良的力學性能和耐 磨指數使它還可以應用于水泥行業余熱發電系統以 及電廠循環流化床鍋爐內襯,經受嚴酷的高溫和高 速熱態含塵氣流的沖刷和磨損,有效地提高設備運 轉周期。