某產(chǎn)業(yè)化技術(shù)可行性研究報(bào)告

1、年產(chǎn)5000噸低本錢高可靠性納米微晶陶瓷產(chǎn)業(yè)化技術(shù)可行性研究報(bào)告湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2003年10月一工程概述本工程以天然礦物和冶金工業(yè)廢渣為主要原料,通過(guò)材料設(shè)計(jì)方 法,采用高溫溶膠-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新工藝、新技術(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結(jié)構(gòu)均勻致密,抗彎強(qiáng)度 可達(dá)300MPa顯微硬度1012GPa密度2.72.8g/cm 3,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 附加值的耐磨結(jié)構(gòu)材料,如研磨體、陶瓷軸承、機(jī)械密封件

2、、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(wàn)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)線根本相同,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)需求靈活調(diào)整,市場(chǎng)應(yīng)變水平強(qiáng).納米微晶陶瓷制品的制造本錢不到氧 化鋁陶瓷的30%,止匕外,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

3、持續(xù)開(kāi)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(wàn)元含25%的技術(shù)無(wú)形資產(chǎn),建成后可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)值 10500萬(wàn)元, 年利稅3420萬(wàn)元,投資回收期約 1.7年不含建設(shè)期.可生產(chǎn)的 主要產(chǎn)品為高性能耐磨結(jié)構(gòu)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)械密封件等二立項(xiàng)意義及必要性納米材料由于具有許多獨(dú)特的優(yōu)異性能而成為現(xiàn)代材料科學(xué)的研 究熱點(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(kāi)始工業(yè)化生產(chǎn)并獲得日益廣泛的應(yīng)用.然而,用納米粉末來(lái)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)情況下獲得的不是納米陶瓷

4、,而是亞微米甚至微米陶瓷.只有采用熱壓、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,二是很難制備復(fù)雜形狀和大尺寸的納米陶瓷制品.因此,開(kāi)發(fā)一種高性能低本錢的納米陶瓷制備新技術(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(kāi)發(fā)的納米陶瓷制品是一種較理想的高溫自潤(rùn)滑耐磨材 料,可在高溫、腐蝕、無(wú)潤(rùn)滑等惡劣環(huán)境下用作耐磨結(jié)構(gòu)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)耐磨結(jié)構(gòu)材料的可靠性和技術(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)步有積極意義.止匕外,本工程可利

5、用工業(yè)廢渣來(lái)制備納米陶瓷,是一項(xiàng)集新材料研制、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.三工程的技術(shù)特點(diǎn)及水平本工程運(yùn)用材料設(shè)計(jì)理論,采用高溫溶膠-凝膠工藝和原位受控 晶化技術(shù),以天然礦物和冶金工業(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由晶相含量達(dá)90%以上,晶粒為50200nm的納米級(jí)晶粒.通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和理論分析,目前已 成功地開(kāi)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(lái)有效限制晶相組成、 晶粒大小及晶相含量, 測(cè)試了該材料的力學(xué)性 能

6、和摩擦學(xué)性能,卓有成效地開(kāi)展了許多具有原創(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(kāi)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/cm磨損率小于同規(guī)自磨損率：以國(guó)產(chǎn)最高質(zhì)量玻璃微珠作參照物, 格玻璃彳t珠的50%.四工程實(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(kāi)展了較系統(tǒng)和深入的根底研究, 取得了具有很好產(chǎn)業(yè)化前景的實(shí)驗(yàn) 研究成果.在國(guó)家高效磨削工程技術(shù)研究中央產(chǎn)業(yè)化投資基金的支持 下,已完成了中試研究和局部產(chǎn)品的開(kāi)發(fā),試制的產(chǎn)品經(jīng)投入市

7、場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用,用戶對(duì)其耐磨損和耐腐蝕性能十分滿意,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、采用高溫溶膠-凝膠工藝和原位受控晶化技術(shù)來(lái)制備納米微晶 陶瓷的新工藝屬國(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、采用天然礦物和工業(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,成熟可靠；而原位受控晶化技術(shù)那么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限制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,采用的工藝技術(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)

8、化政策；5、可開(kāi)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(guò)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)成形莫些復(fù)雜形狀的產(chǎn)品有一定的技術(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)新點(diǎn)1、首創(chuàng)了由非晶固體原位晶化制備納米陶瓷的新技術(shù)用高溫溶膠一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)法的納米陶瓷制備新技術(shù).由于該技術(shù)可從工藝路線上徹底解決納米粉末的來(lái)源、粉末的團(tuán)聚與分散性、 高溫 燒結(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(wèn)題,是最

9、具產(chǎn)業(yè)化前景的高性能低本錢納米陶瓷制 備新技術(shù).2、獲得了低本錢連續(xù)生產(chǎn)納米晶陶瓷制品的新工藝納米陶瓷雖然具有許多優(yōu)異性能,但高昂的制備本錢和難以限制 的晶粒尺寸是制約其廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵.本工程采用天然礦物和工業(yè)廢渣為主要原料,且可用幾十目的粗粉末, 綜合原料本錢可限制在 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)成 本可降至2500元/噸以內(nèi),與普通陶瓷相當(dāng),為95氧化鋁陶瓷的30%.3、實(shí)現(xiàn)了晶相組成、晶粒大小和晶相含量的限制技術(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(guò)材料組成設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)調(diào)整來(lái)較準(zhǔn)確地限制,以滿足不同應(yīng)用條件對(duì)材料性能

10、的要求.二工程的技術(shù)成熟性和產(chǎn)品的可靠性本工程是在國(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(lái),工程負(fù)責(zé)人肖漢寧教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開(kāi)展了較 系統(tǒng)和深入的根底研究,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)行大量而系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究, 已取得具有很好產(chǎn)業(yè)化前景的研究成果.該項(xiàng)成果已通過(guò)中試研究和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā),根本解決了在產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中可能由現(xiàn)的工藝和裝備設(shè) 計(jì)等問(wèn)題,并成功開(kāi)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十分滿意.止匕外,由于制備的納米微晶陶瓷具有十分致密的且均勻的顯微結(jié)構(gòu),產(chǎn)品性能比燒結(jié)陶瓷具有更高的可靠性

11、.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(kāi) 始就充分考慮了產(chǎn)業(yè)化的問(wèn)題, 即原材料的廉價(jià)易得和工藝技術(shù)的成 熟可靠性.工程采用天然礦物和工業(yè)廢渣為主要原料,且所有添加原料都是國(guó)產(chǎn)化工原料, 符合廉價(jià)易得的原那么. 高溫溶膠-凝膠工藝源 于玻璃的制備工藝,自動(dòng)化程度高,成熟可靠,玻璃池窯和相關(guān)成形設(shè)備已有專業(yè)制造企業(yè), 具技術(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控制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,采用的工藝技術(shù)路線具有良好的工業(yè)根底, 工裝設(shè)備有定型產(chǎn)品

12、或由專業(yè)制造廠承制, 具有顯著的先進(jìn)性和成熟可靠性.由于本工程已完成中試研究和局部產(chǎn)品的開(kāi)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)線相同,因此,中試成果獲得產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的前景非?？春?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,密切關(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)力預(yù)測(cè)工程開(kāi)發(fā)的納米微晶陶瓷是一種機(jī)械和化學(xué)性能優(yōu)異的新材料, 可在高溫、腐蝕、無(wú)潤(rùn)滑等惡劣環(huán)境下用作耐磨結(jié)構(gòu)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)良的電子結(jié)構(gòu)陶瓷,可替

13、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)水平強(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)用高性能研磨體主要依賴進(jìn)口, 年進(jìn)口額超過(guò)600萬(wàn)美元.紡織瓷件中摩擦輪和導(dǎo)線輪的年進(jìn)口額也 在500萬(wàn)美元以上.本工程采用的玻璃熔制和微晶化設(shè)備可開(kāi)發(fā)一系列結(jié)構(gòu)陶瓷制品, 產(chǎn)品品種可依市場(chǎng)需求靈活調(diào)整,抗市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)水平強(qiáng).由于該工程采用的主要原料是天然礦物和工業(yè)廢渣,該結(jié)構(gòu)陶瓷制品的制造本錢不到氧化鋁陶瓷的30%止匕外,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)開(kāi)展,可享受國(guó)

14、家對(duì)環(huán)保產(chǎn)業(yè)的各項(xiàng)優(yōu)惠政策.本工程擬開(kāi)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、普通陶瓷質(zhì)研磨體、 氧化鋁陶瓷和氧化培陶瓷研磨體比, 其主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比照方表 1所示 顯然,微晶陶瓷研磨體具更高的性能價(jià)格比,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)的新寵.表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 陶瓷玻璃普通陶 瓷氧化鋁氧化培體積密度, g/cm32.72.82.45-2 .82.42.83.43.6

15、5.76.0顯微硬度,GPa10-126.07.26.57.513-1511-14抗壓強(qiáng)度,MPa12001500300-40 0400-70 01600-20 002000-25 00相對(duì)磨損率13-42-51.5-30.8市場(chǎng)售價(jià),元/kg10-123.5-188-1030-50180200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)25萬(wàn)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1.21.5 萬(wàn)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

16、.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培兩種類型.氧化鋁陶瓷的硬度高,但晶粒尺寸較大,一般為510色殘留氣孔率也在2% 左右,因此其外表光潔度和耐磨性都不太理想.氧化鑄陶瓷的硬度較低,但晶粒尺寸為0.51 色殘留氣孔率可小于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)格也高由氧化鋁陶瓷一倍以上. 本工程開(kāi)發(fā)的納米微晶陶瓷比氧化培 陶瓷的晶粒更細(xì)小,結(jié)構(gòu)更致密,硬度相近,同樣具有自潤(rùn)滑性,因 此,是制造紡織瓷件更理想的新材料,而且同規(guī)格納米微晶陶瓷部件的售價(jià)只是氧化鋁陶瓷的 60%,氧化培陶瓷的 3

17、0%左右,進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)的潛力也很大.電子結(jié)構(gòu)陶瓷：主要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.由于本工程采用的工藝技術(shù)路線具有生產(chǎn)效率高、 產(chǎn)品的均勻性和可靠性好等特點(diǎn),而售價(jià)比滑石瓷和氧化鋁陶瓷更低, 且有利于提升電子元器件的穩(wěn)定性和可靠 性,在市場(chǎng)開(kāi)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.總之,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)定可靠、性能價(jià)格比更高等優(yōu)勢(shì), 進(jìn)入市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)水平強(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噸低本錢高可靠性納米微

18、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(wèn) 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).工程的投資總額為人民幣 3660萬(wàn)元,其中有形資產(chǎn)投入 2745萬(wàn) 元固定資產(chǎn)投入 2000萬(wàn)元,流動(dòng)資金 745萬(wàn)元,無(wú)形資產(chǎn) 915 萬(wàn)元占總資產(chǎn)的 25%,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10500萬(wàn)元,年利稅3420萬(wàn)元,投資回收期1.7年.本工程建設(shè)資金 2000萬(wàn)元,其中土地占用 25畝,購(gòu)置費(fèi)200萬(wàn) 元；生產(chǎn)廠房、辦公和倉(cāng)貯用房 8000品,需基建投資320萬(wàn)元；生產(chǎn) 線設(shè)備投資1380萬(wàn)元,水電等配套設(shè)施費(fèi) 100萬(wàn)元.主要設(shè)備名稱 及價(jià)格預(yù)算如表2所示,在設(shè)備選型時(shí)應(yīng)注重設(shè)備的先進(jìn)性和可靠性, 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(wàn) 元總金額萬(wàn) 元115耐玻璃池窯1座16016022n2電熔玻璃池窯1座35353全自動(dòng)晶化輻道 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由料用粕金加熱 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精密磨床6臺(tái)159012普通