產(chǎn)業(yè)化技術(shù)可行性研究報(bào)告

總論〔一〕工程概述本工程以自然礦物和冶金工業(yè)廢渣為主要原料，通過材料設(shè)計(jì)方法，承受高溫溶膠－凝膠工藝和原位受控晶化技術(shù)，在高性能低本錢納米陶瓷的制備技術(shù)方面取得了突破，是一項(xiàng)屬于國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的制備納米陶瓷制品的工藝、技術(shù)，具有很好的產(chǎn)業(yè)化前景。用該項(xiàng)技術(shù)制備的高耐磨納米微晶陶瓷構(gòu)造均勻致密，抗彎強(qiáng)度可達(dá)300MPa，顯微硬度10~12GPa，密度2.7~2.8g/cm3，自磨損率不到氧化鋁陶瓷的20％，可機(jī)加工性和耐腐蝕好，可廣泛用作具有高附加值的耐磨構(gòu)造材料，如研磨體、陶瓷軸承、機(jī)械密封件、紡織瓷件、管道、閥門等。為將該工程技術(shù)推向產(chǎn)業(yè)化，現(xiàn)已投資110萬元，在湖南大學(xué)建成了一條年產(chǎn)200噸納米微晶陶瓷的中試生產(chǎn)線。該中試生產(chǎn)線的工藝流程及主要設(shè)備的設(shè)計(jì)與5000噸產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線根本一樣，可同時(shí)或單獨(dú)使用電和液化氣兩種能源，工藝參數(shù)調(diào)整范圍大，以適應(yīng)不同產(chǎn)品對(duì)工藝條件的需要。目前用該中試生產(chǎn)線已成功制備了各種規(guī)格的研磨球和耐磨襯片。該技術(shù)的另一重要特點(diǎn)是：用一套玻璃熔制和微晶化設(shè)備可同時(shí)制備多種納米微晶陶瓷制品，產(chǎn)品品種可依市場(chǎng)需求機(jī)敏調(diào)整，市場(chǎng)應(yīng)變力量強(qiáng)。納米微晶陶瓷制品的制造本錢不到氧化鋁陶瓷的30％，此外，可利用工業(yè)廢渣，有利于環(huán)境保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)進(jìn)展。建設(shè)一條年產(chǎn)5000噸的納米微晶陶瓷生產(chǎn)線，工程總投資需3660萬元〔含2％的技術(shù)無形資產(chǎn)，建成后1050034201.7年〔不含建設(shè)期?？缮a(chǎn)的主要產(chǎn)品為高性能耐磨構(gòu)造陶瓷系列產(chǎn)品，如研磨體、耐磨襯片、紡織瓷件、閥門芯片、軸承、機(jī)械密封件等?！捕沉㈨?xiàng)意義及必要性納米材料由于具有很多獨(dú)特的優(yōu)異性能而成為現(xiàn)代材料科學(xué)的爭(zhēng)辯熱點(diǎn)。目前在納米粉末的制備技術(shù)方面取得了很大進(jìn)展，各種納米粉末已開頭工業(yè)化生產(chǎn)并獲得日益廣泛的應(yīng)用。然而，用納米粉末來制備納米陶瓷時(shí)，由于納米粉末的活性很高，高溫?zé)Y(jié)時(shí)晶粒生長(zhǎng)很快，絕大多數(shù)狀況下獲得的不是納米陶瓷，而是亞微米甚至微米陶瓷。只有承受熱壓、熱等靜壓燒結(jié)或者小試樣的快速等溫?zé)Y(jié)，才可能獲得致密燒結(jié)的塊體納米陶瓷。在這種工藝條件下，一是對(duì)燒成設(shè)備的技術(shù)要求很高，二是很難制備簡(jiǎn)單外形和大尺寸的納米陶瓷制品。因此，開發(fā)一種高性能低本錢的納米陶瓷制備技術(shù)，是使納米陶瓷制品實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并獲得廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。本工程所開發(fā)的納米陶瓷制品是一種較抱負(fù)的高溫自潤(rùn)滑耐磨材料，可在高溫、腐蝕、無潤(rùn)滑等惡劣環(huán)境下用作耐磨構(gòu)造材料，如研磨體、陶瓷軸承、機(jī)械密封件、紡織瓷件、管道、閥門、耐磨襯板等，對(duì)提升傳統(tǒng)耐磨構(gòu)造材料的牢靠性和技術(shù)含量，推動(dòng)機(jī)械制造、化工、輕紡等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步有樂觀意義。此外，本工程可利用工業(yè)廢渣來制備納米陶瓷，是一項(xiàng)集材料研制、固體廢棄物再生利用和環(huán)境保護(hù)于一體的具有顯著社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用價(jià)值的課題，對(duì)提高冶金工業(yè)廢渣的利用率和附加值，降低其對(duì)環(huán)境污染的壓力具有重要意義?！踩彻こ痰募夹g(shù)特點(diǎn)及水平本工程運(yùn)用材料設(shè)計(jì)理論，承受高溫溶膠－凝膠工藝和原位受控晶化技術(shù)，以自然礦物和冶金工業(yè)廢渣為主要原料，先將粗顆粒原料熔制為均質(zhì)的玻璃體，然后從玻璃中原位析出晶相含量達(dá)90％以上，晶粒為50~200nm的納米級(jí)晶粒。通過大量試驗(yàn)和理論分析，目前已成功地開發(fā)了多種納米微晶陶瓷制品，并能從組成和微晶化工藝方面來有效把握晶相組成、晶粒大小及晶相含量，測(cè)試了該材料的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能，卓有成效地開展了很多具有原創(chuàng)性的研發(fā)工作，技術(shù)水平屬國(guó)際首創(chuàng)，為高性能低本錢納米微晶陶瓷的產(chǎn)業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)的根底。本工程開發(fā)的納米微晶陶瓷到達(dá)以下技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)：抗壓強(qiáng)度：＞1200MPa；顯微硬度：＞10GPa；體積密度：＞2.7g/cm3自磨損率：以國(guó)產(chǎn)最高質(zhì)量玻璃微珠作參照物，磨損率小于同規(guī)格玻璃微珠的50％?！菜摹彻こ虒?shí)施產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)勢(shì)和風(fēng)險(xiǎn)本工程在國(guó)家自然科學(xué)基金和湖南省中青年人才基金的資助下，開展了較系統(tǒng)和深入的根底爭(zhēng)辯，取得了具有很好產(chǎn)業(yè)化前景的試驗(yàn)爭(zhēng)辯成果。在國(guó)家高效磨削工程技術(shù)爭(zhēng)辯中心產(chǎn)業(yè)化投資基金的支持下，已完成了中試爭(zhēng)辯和局部產(chǎn)品的開發(fā)，試制的產(chǎn)品經(jīng)投入市場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，用戶對(duì)其耐磨損和耐腐蝕性能格外滿意，到達(dá)了預(yù)期的效果。本工程實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)勢(shì)在于：1、承受高溫溶膠－凝膠工藝和原位受控晶化技術(shù)來制備納米微晶陶瓷的工藝屬國(guó)際首創(chuàng)，技術(shù)含量高，具有技術(shù)先進(jìn)的優(yōu)勢(shì)；2、承受自然礦物和工業(yè)廢渣為主要原料，廉價(jià)易得，具有原材料本錢低的優(yōu)勢(shì)；3、高溫溶膠－凝膠工藝源于玻璃的制備工藝，自動(dòng)化程度高，成熟牢靠；而原位受控晶化技術(shù)則借鑒了微晶玻璃的制備工藝，主要在析晶速度和晶粒大小的把握方面取得了突破性成果，是微晶玻璃制備技術(shù)的提升和進(jìn)步，因此，承受的工藝技術(shù)路線具有良好的工業(yè)根底優(yōu)勢(shì)；4、可利用工業(yè)廢渣，有利于環(huán)境保護(hù)和資源的再生利用，符合國(guó)家環(huán)保和產(chǎn)業(yè)化政策；5、可開發(fā)的產(chǎn)品品種多，性能價(jià)格比大大優(yōu)于同類產(chǎn)品，具有很好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和抗市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)勢(shì)。本工程在產(chǎn)業(yè)化實(shí)施過程中的主要風(fēng)險(xiǎn)是由于玻璃料的組成有別于其它玻璃料，玻璃熔體的成形溫度范圍窄，對(duì)成形某些簡(jiǎn)單外形的產(chǎn)品有肯定的技術(shù)難度。二、工程技術(shù)可行性和成熟性分析〔一〕工程的技術(shù)創(chuàng)點(diǎn)1、首創(chuàng)了由非晶固體原位晶化制備納米陶瓷的技術(shù)用高溫溶膠－凝膠工藝和原位受控晶化技術(shù)制備納米陶瓷制品，是一種完全不同于高溫?zé)Y(jié)法的納米陶瓷制備技術(shù)。由于該技術(shù)可從工藝路線上徹底解決納米粉末的來源、粉末的團(tuán)聚與分散性、高溫?zé)Y(jié)時(shí)的致密化與晶粒長(zhǎng)大等一系列傳統(tǒng)陶瓷制備技術(shù)中難以解決的科學(xué)和工程化問題，是最具產(chǎn)業(yè)化前景的高性能低本錢納米陶瓷制備技術(shù)。2、獲得了低本錢連續(xù)生產(chǎn)納米晶陶瓷制品的工藝納米陶瓷雖然具有很多優(yōu)異性能，但昂揚(yáng)的制備本錢和難以把握的晶粒尺寸是制約其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。本工程承受自然礦物和工業(yè)廢渣為主要原料，且可用幾十目的粗粉末，綜合原料本錢可把握在1000元／噸以內(nèi)，且可連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)，使納米微晶陶瓷的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)本錢可降至2500元／噸以內(nèi)，與一般陶瓷相9530％。3、實(shí)現(xiàn)了晶相組成、晶粒大小和晶相含量的把握技術(shù)用本工程制備的納米微晶陶瓷，其晶相組成、晶粒大小和晶相含量可通過材料組成設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)調(diào)整來較準(zhǔn)確地把握，以滿足不同應(yīng)用條件對(duì)材料性能的要求?！捕彻こ痰募夹g(shù)成熟性和產(chǎn)品的牢靠性本工程是在國(guó)家自然科學(xué)基金和湖南省中青年人才基金的資助下完成的。近五年來，工程負(fù)責(zé)人肖漢寧教授領(lǐng)導(dǎo)的爭(zhēng)辯小組開展了較系統(tǒng)和深入的根底爭(zhēng)辯，特別是在玻璃料的組成設(shè)計(jì)、晶核劑的選擇及作用機(jī)理、核化晶化工藝制度等方面進(jìn)展大量而系統(tǒng)的試驗(yàn)爭(zhēng)辯，已取得具有很好產(chǎn)業(yè)化前景的爭(zhēng)辯成果。該項(xiàng)成果已通過中試爭(zhēng)辯和產(chǎn)品的開發(fā)，根本解決了在產(chǎn)業(yè)化過程中可能消滅的工藝和裝備設(shè)計(jì)等問題，并成功開發(fā)了各種規(guī)格的研磨球和耐磨襯片，產(chǎn)品經(jīng)用戶試用，對(duì)其耐磨損和耐腐蝕性能格外滿足。此外，由于制備的納米微晶陶瓷具有格外致密的且均勻的顯微構(gòu)造，產(chǎn)品性能比燒結(jié)陶瓷具有更高的牢靠性。本工程的另一重要優(yōu)勢(shì)是在原料和工藝技術(shù)路線的選擇上從一開頭就充分考慮了產(chǎn)業(yè)化的問題，即原材料的廉價(jià)易得和工藝技術(shù)的成熟牢靠性。工程承受自然礦物和工業(yè)廢渣為主要原料，且全部添加原料都是國(guó)玻璃池窯和相關(guān)成形設(shè)備已有專業(yè)制造企業(yè)，其技術(shù)水平接近國(guó)外先進(jìn)水平。原位受控晶化技術(shù)借鑒了微晶玻璃的制備工藝，主要在析晶速度和晶粒大小的把握方面取得了突破性進(jìn)展，是微晶玻璃制備技術(shù)的提升和進(jìn)步，相關(guān)設(shè)備可由玻璃和陶瓷行業(yè)的專業(yè)設(shè)備廠制造。因此，承受的工藝技術(shù)路線具有良好的工業(yè)根底，工裝設(shè)備有定型產(chǎn)品或由專業(yè)制造廠承制，具有顯著的先進(jìn)性和成熟牢靠性。由于本工程已完成中試爭(zhēng)辯和局部產(chǎn)品的開發(fā)，且中試生產(chǎn)線的工藝技術(shù)路線與本工程擬建設(shè)的5000噸產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線一樣，因此，中試成果獲得產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的前景格外看好，已有包括世界500強(qiáng)之一的美國(guó)Molex公司在內(nèi)的國(guó)內(nèi)外多家企業(yè)在探討該工程的產(chǎn)業(yè)化合作事宜，親熱關(guān)注著該工程的進(jìn)展。三、工程產(chǎn)品市場(chǎng)調(diào)研和競(jìng)爭(zhēng)力推測(cè)工程開發(fā)的納米微晶陶瓷是一種機(jī)械和化學(xué)性能優(yōu)異的材料，可在高溫、腐蝕、無潤(rùn)滑等惡劣環(huán)境下用作耐磨構(gòu)造材料，如陶瓷軸承、機(jī)械密封件、紡織瓷件、研磨體、管道、閥門、耐磨襯板、化工填料等。同時(shí)，納米微晶陶瓷也是一種優(yōu)良的電子構(gòu)造陶瓷，可替代滑石瓷和氧化鋁陶瓷用作電子裝置用各種絕緣子、管座、電阻基體和密封外殼等。與其它材質(zhì)的同類產(chǎn)品比，納米微晶陶瓷的性能價(jià)格比更高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力量強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。目前國(guó)內(nèi)的陶瓷研磨體市場(chǎng)高達(dá)5億元／年以上，其中電子工業(yè)用高性能研磨體600500萬美元以上。本工程承受的玻璃熔制和微晶化設(shè)備可開發(fā)一系列構(gòu)造陶瓷制品，產(chǎn)品品種可依市場(chǎng)需求機(jī)敏調(diào)整，抗市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)力量強(qiáng)。由于該工程承受的主要原料是自然礦物和工業(yè)廢渣，該構(gòu)造陶瓷制品的制造本錢不到氧化鋁陶瓷的30%。此外，利用了工業(yè)廢渣，有利于環(huán)境保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)進(jìn)展，可享受國(guó)家對(duì)環(huán)保產(chǎn)業(yè)的各項(xiàng)優(yōu)待政策。本工程擬開發(fā)以下產(chǎn)品，對(duì)其進(jìn)入市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力和價(jià)格定位的調(diào)研結(jié)果分述如下：微晶陶瓷研磨體：主要用作精細(xì)化工、涂料、油漆、油墨、陶瓷、搪瓷等行業(yè)中砂磨機(jī)和球磨機(jī)用研磨體，也可應(yīng)用于化工反響塔中的填料。與目前市場(chǎng)上使用的玻璃質(zhì)研磨體、一般陶瓷質(zhì)研磨體、氧化鋁陶瓷和1進(jìn)入市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)，可很快成為研磨體市場(chǎng)的寵。1各種陶瓷研磨體的性能及市場(chǎng)售價(jià)性能指標(biāo) 納米微晶陶瓷玻璃一般陶瓷氧化鋁氧化鋯體積密度，g/cm3 2.7~2.82.45~2.82.4~2.83.4~3.65.7~6.0顯微硬度，GPa 10~12抗壓強(qiáng)度，MPa 1200~15006.0~7.2300~4006.5~7.5400~70013~151600~202311~142023~2500相對(duì)磨損率 1市場(chǎng)售價(jià)，元/kg 10~123~43.5~182~58~101.5~330~500.8180~200耐磨陶瓷襯片：主要用作工業(yè)球磨機(jī)內(nèi)襯、火電廠輸送煤粉的管道內(nèi)襯、輸送泥砂或水泥砂漿的管道內(nèi)襯和各種需要耐摩損耐腐蝕的內(nèi)襯材料。目前主要以氧化鋁或碳化硅陶瓷為主，每噸售價(jià)達(dá)2~5萬元。用微晶陶瓷制作耐磨襯片，其耐磨性優(yōu)于氧化鋁，假設(shè)以1.2~1.5萬元／噸的價(jià)格進(jìn)入市場(chǎng)，可取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。微晶陶瓷紡織瓷件：包括陶瓷摩擦片、導(dǎo)線輪和止捻器。目前紡織機(jī)械用陶瓷部件的材質(zhì)主要是氧化鋁和氧化鋯兩種類型。氧化鋁陶瓷的硬度高，但晶粒尺寸較大，一般為5~10m2％左右，0.5~1m，殘留氣孔率可小于1％，用作紡織瓷件時(shí)具有自潤(rùn)滑性，因此，其耐磨性和使用壽命優(yōu)于氧化鋁陶瓷，但價(jià)格也高出氧化鋁陶瓷一倍以上。本工程開發(fā)的納米微晶陶瓷比氧化鋯陶瓷的晶粒更細(xì)小，構(gòu)造更致密，硬度相近，同樣具有自潤(rùn)滑性，因此，是制造紡織瓷件更抱負(fù)的材料，而且同規(guī)格納米微晶陶瓷部件的售價(jià)只是氧化6030％左右，進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)的潛力也很大。由于本工程承受的工藝技術(shù)路線具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品的均勻性和牢靠性好等特點(diǎn)，而售價(jià)比滑石瓷和氧化鋁陶瓷更低，且有利于提高電子元器件的穩(wěn)定性和牢靠性，在市場(chǎng)開拓中也具有明顯優(yōu)勢(shì)。納米微晶陶瓷還可廣泛應(yīng)用于其它耐磨損、耐腐蝕的領(lǐng)域，如化工行業(yè)的閥門、管道，催化劑載體等?？傊?，用本項(xiàng)技術(shù)制備的納米微晶陶瓷具有制備本錢低、性能穩(wěn)定牢靠、性能價(jià)格比更高等優(yōu)勢(shì)，進(jìn)入市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力量強(qiáng)。四、工程建設(shè)內(nèi)容及投資預(yù)算工程的總體目標(biāo)是建設(shè)一條年產(chǎn)5000噸低本錢高牢靠性納米微晶陶瓷制品生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)納米陶瓷制品的連續(xù)和自動(dòng)化生產(chǎn)。工程的建設(shè)內(nèi)容包括生產(chǎn)線的總體設(shè)計(jì)、設(shè)備選型和制造，生產(chǎn)線的建設(shè)施工，設(shè)備安裝調(diào)試，試生產(chǎn)并解決相應(yīng)的生產(chǎn)工藝技術(shù)問題，穩(wěn)定生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量，到達(dá)設(shè)計(jì)的產(chǎn)量和質(zhì)量指標(biāo)。36602745萬元〔2023萬元，流淌資金745萬元，無形資產(chǎn)915萬元〔占總資產(chǎn)的2％，工程建設(shè)周期約需1年。建成投產(chǎn)后，可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)值1050034201.7年。2023萬元，其中土地占用25200萬元；生產(chǎn)廠房、辦公和倉貯用房8000m2，3201380100萬元。主要設(shè)備名稱及價(jià)格預(yù)2所示，在設(shè)備選型時(shí)應(yīng)留意設(shè)備的先進(jìn)性和牢靠性，關(guān)鍵設(shè)備或部件進(jìn)口。表2 5000噸納米微晶陶瓷生產(chǎn)線主要設(shè)備名稱及價(jià)格預(yù)算序號(hào)設(shè)備名稱數(shù)量單價(jià)〔萬元〕總金額〔萬元〕115m2玻璃池窯1座16016022m2電熔玻璃池窯1座35353全自動(dòng)晶化輥道窯3座451354自動(dòng)配料混料系統(tǒng)1套26265自動(dòng)給料機(jī)1臺(tái)776玻璃制球機(jī)10臺(tái)3.6367出料用鉑金加熱器10臺(tái)4.2428數(shù)控磨床3臺(tái)30909玻璃模壓成型機(jī)2臺(tái)489610拋光機(jī)10臺(tái)66011周密磨床6臺(tái)159012一般車床5臺(tái)126013運(yùn)輸車輛3臺(tái)164814檢測(cè)設(shè)備16臺(tái)套12515其他設(shè)備32臺(tái)套37016合16合計(jì)1380本工程承受的玻璃熔制和微晶化設(shè)備可同時(shí)制備多種納米陶瓷制品，產(chǎn)品品種可依市場(chǎng)需求機(jī)敏調(diào)整，抗市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)力量強(qiáng)。由于該工程承受的主要原料是自然礦物和工業(yè)廢渣，該納米微晶陶瓷制品的制造本錢不到氧化鋁陶瓷的30％，此外，利用了工業(yè)廢渣，有利于環(huán)境保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)進(jìn)展，可享受國(guó)家對(duì)環(huán)保產(chǎn)業(yè)的各項(xiàng)優(yōu)待政策。本工程上馬后，可依據(jù)市場(chǎng)需求調(diào)整各種產(chǎn)品的產(chǎn)量，并具備進(jìn)一步開發(fā)產(chǎn)品的力量。本工程擬開發(fā)以下產(chǎn)品，其產(chǎn)量、產(chǎn)值和預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益可歸納如表3所示，產(chǎn)品的價(jià)格定位以性能價(jià)格比