產(chǎn)業(yè)化技術(shù)可行性研究報告

總論（一）項目概述本項目以天然礦物和冶金工業(yè)廢渣為重要原料，通過材料設(shè)計辦法，采用高溫溶膠－凝膠工藝和原位受控晶化技術(shù)，在高性能低成本納米陶瓷的制備技術(shù)方面獲得了突破，是一項屬于國內(nèi)首創(chuàng)的制備納米陶瓷制品的新工藝、新技術(shù)，含有較好的產(chǎn)業(yè)化前景。用該項技術(shù)制備的高耐磨納米微晶陶瓷構(gòu)造均勻致密，抗彎強度可達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％，可機加工性和耐腐蝕好，可廣泛用作含有高附加值的耐磨構(gòu)造材料，如研磨體、陶瓷軸承、機械密封件、紡織瓷件、管道、閥門等。為將該項目技術(shù)推向產(chǎn)業(yè)化，現(xiàn)已投資110萬元，在湖南大學建成了一條年產(chǎn)200噸納米微晶陶瓷的中試生產(chǎn)線。該中試生產(chǎn)線的工藝流程及重要設(shè)備的設(shè)計與5000噸產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線基本相似，可同時或單獨使用電和液化氣兩種能源，工藝參數(shù)調(diào)節(jié)范疇大，以適應不同產(chǎn)品對工藝條件的需要?，F(xiàn)在用該中試生產(chǎn)線已成功制備了多個規(guī)格的研磨球和耐磨襯片。該技術(shù)的另一重要特點是：用一套玻璃熔制和微晶化設(shè)備可同時制備多個納米微晶陶瓷制品，產(chǎn)品品種可依市場需求靈活調(diào)節(jié)，市場應變能力強。納米微晶陶瓷制品的制造成本不到氧化鋁陶瓷的30％，另外，可運用工業(yè)廢渣，有助于環(huán)保和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。建設(shè)一條年產(chǎn)5000噸的納米微晶陶瓷生產(chǎn)線，項目總投資需3660萬元（含25％的技術(shù)無形資產(chǎn)），建成后可實現(xiàn)年產(chǎn)值10500萬元，年利稅3420萬元，投資回收期約1.7年（不含建設(shè)期）?？缮a(chǎn)的重要產(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、機械密封件等。（二）立項意義及必要性納米材料由于含有許多獨特的優(yōu)秀性能而成為當代材料科學的研究熱點?，F(xiàn)在在納米粉末的制備技術(shù)方面獲得了很大進展，多個納米粉末已開始工業(yè)化生產(chǎn)并獲得日益廣泛的應用。然而，用納米粉末來制備納米陶瓷時，由于納米粉末的活性很高，高溫燒結(jié)時晶粒生長很快，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。只有采用熱壓、熱等靜壓燒結(jié)或者小試樣的快速等溫燒結(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，一是對燒成設(shè)備的技術(shù)規(guī)定很高，二是很難制備復雜形狀和大尺寸的納米陶瓷制品。因此，開發(fā)一種高性能低成本的納米陶瓷制備新技術(shù)，是使納米陶瓷制品實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并獲得廣泛應用的核心。本項目所開發(fā)的納米陶瓷制品是一種較抱負的高溫自潤滑耐磨材料，可在高溫、腐蝕、無潤滑等惡劣環(huán)境下用作耐磨構(gòu)造材料，如研磨體、陶瓷軸承、機械密封件、紡織瓷件、管道、閥門、耐磨襯板等，對提高傳統(tǒng)耐磨構(gòu)造材料的可靠性和技術(shù)含量，推動機械制造、化工、輕紡等有關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步有主動意義。另外，本項目可運用工業(yè)廢渣來制備納米陶瓷，是一項集新材料研制、固體廢棄物再生運用和環(huán)保于一體的含有明顯社會經(jīng)濟效益和推廣應用價值的課題，對提高冶金工業(yè)廢渣的運用率和附加值，減少其對環(huán)境污染的壓力含有重要意義。（三）項目的技術(shù)特點及水平本項目運用材料設(shè)計理論，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)廢渣為重要原料，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90％以上，晶粒為50~200nm的納米級晶粒。通過大量實驗和理論分析，現(xiàn)在已成功地開發(fā)了多個納米微晶陶瓷制品，并能從構(gòu)成和微晶化工藝方面來有效控制晶相構(gòu)成、晶粒大小及晶相含量，測試了該材料的力學性能和摩擦學性能，卓有成效地開展了許多含有原創(chuàng)性的研發(fā)工作，技術(shù)水平屬國際首創(chuàng)，為高性能低成本納米微晶陶瓷的產(chǎn)業(yè)化奠定了堅實的基礎(chǔ)。本項目開發(fā)的納米微晶陶瓷達成下列技術(shù)質(zhì)量指標：抗壓強度：＞1200MPa；顯微硬度：＞10GPa；體積密度：＞2.7g/cm3自磨損率：以國產(chǎn)最高質(zhì)量玻璃微珠作參考物，磨損率不大于同規(guī)格玻璃微珠的50％。（四）項目實施產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)勢和風險本項目在國家自然科學基金和湖南省中青年人才基金的資助下，開展了較系統(tǒng)和進一步的基礎(chǔ)研究，獲得了含有較好產(chǎn)業(yè)化前景的實驗研究成果。在國家高效磨削工程技術(shù)研究中心產(chǎn)業(yè)化投資基金的支持下，已完畢了中試研究和部分產(chǎn)品的開發(fā)，試制的產(chǎn)品經(jīng)投入市場實際應用，顧客對其耐磨損和耐腐蝕性能十分滿意，達成了預期的效果。本項目實施產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)勢在于：1、采用高溫溶膠－凝膠工藝和原位受控晶化技術(shù)來制備納米微晶陶瓷的新工藝屬國際首創(chuàng)，技術(shù)含量高，含有技術(shù)先進的優(yōu)勢；2、采用天然礦物和工業(yè)廢渣為重要原料，便宜易得，含有原材料成本低的優(yōu)勢；3、高溫溶膠－凝膠工藝源于玻璃的制備工藝，自動化程度高，成熟可靠；而原位受控晶化技術(shù)則借鑒了微晶玻璃的制備工藝，重要在析晶速度和晶粒大小的控制方面獲得了突破性成果，是微晶玻璃制備技術(shù)的提高和進步，因此，采用的工藝技術(shù)路線含有良好的工業(yè)基礎(chǔ)優(yōu)勢；4、可運用工業(yè)廢渣，有助于環(huán)保和資源的再生運用，符合國家環(huán)保和產(chǎn)業(yè)化政策；5、可開發(fā)的產(chǎn)品品種多，性能價格比大大優(yōu)于同類產(chǎn)品，含有較好的市場競爭力和抗市場風險的優(yōu)勢。本項目在產(chǎn)業(yè)化實施過程中的重要風險是由于玻璃料的構(gòu)成有別于其它玻璃料，玻璃熔體的成形溫度范疇窄，對成形某些復雜形狀的產(chǎn)品有一定的技術(shù)難度。二、項目技術(shù)可行性和成熟性分析（一）項目的技術(shù)創(chuàng)新點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－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燒結(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源、粉末的團聚與分散性、高溫燒結(jié)時的致密化與晶粒長大等一系列傳統(tǒng)陶瓷制備技術(shù)中難以解決的科學和工程化問題，是最具產(chǎn)業(yè)化前景的高性能低成本納米陶瓷制備新技術(shù)。2、獲得了低成本持續(xù)生產(chǎn)納米晶陶瓷制品的新工藝納米陶瓷即使含有許多優(yōu)秀性能，但高昂的制備成本和難以控制的晶粒尺寸是制約其廣泛應用的核心。本項目采用天然礦物和工業(yè)廢渣為重要原料，且可用幾十目的粗粉末，綜合原料成本可控制在1000元／噸以內(nèi)，且可持續(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)，與普通陶瓷相稱，為95氧化鋁陶瓷的30％。3、實現(xiàn)了晶相構(gòu)成、晶粒大小和晶相含量的控制技術(shù)用本項目制備的納米微晶陶瓷，其晶相構(gòu)成、晶粒大小和晶相含量可通過材料構(gòu)成設(shè)計、工藝參數(shù)調(diào)節(jié)來較精確地控制，以滿足不同應用條件對材料性能的規(guī)定。（二）項目的技術(shù)成熟性和產(chǎn)品的可靠性本項目是在國家自然科學基金和湖南省中青年人才基金的資助下完畢的。近五年來，項目負責人肖漢寧專家領(lǐng)導的研究小組開展了較系統(tǒng)和進一步的基礎(chǔ)研究，特別是在玻璃料的構(gòu)成設(shè)計、晶核劑的選擇及作用機理、核化晶化工藝制度等方面進行大量而系統(tǒng)的實驗研究，已獲得含有較好產(chǎn)業(yè)化前景的研究成果。該項成果已通過中試研究和新產(chǎn)品的開發(fā)，基本解決了在產(chǎn)業(yè)化過程中可能出現(xiàn)的工藝和裝備設(shè)計等問題，并成功開發(fā)了多個規(guī)格的研磨球和耐磨襯片，產(chǎn)品經(jīng)顧客試用，對其耐磨損和耐腐蝕性能十分滿意。另外，由于制備的納米微晶陶瓷含有十分致密的且均勻的顯微構(gòu)造，產(chǎn)品性能比燒結(jié)陶瓷含有更高的可靠性。本項目的另一重要優(yōu)勢是在原料和工藝技術(shù)路線的選擇上從一開始就充足考慮了產(chǎn)業(yè)化的問題，即原材料的便宜易得和工藝技術(shù)的成熟可靠性。項目采用天然礦物和工業(yè)廢渣為重要原料，且全部添加原料都是國產(chǎn)化工原料，符合便宜易得的原則。高溫溶膠－凝膠工藝源于玻璃的制備工藝，自動化程度高，成熟可靠，玻璃池窯和有關(guān)成形設(shè)備已有專業(yè)制造公司，其技術(shù)水平靠近國外先進水平。原位受控晶化技術(shù)借鑒了微晶玻璃的制備工藝，重要在析晶速度和晶粒大小的控制方面獲得了突破性進展，是微晶玻璃制備技術(shù)的提高和進步，有關(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)路線含有良好的工業(yè)基礎(chǔ)，工裝設(shè)備有定型產(chǎn)品或由專業(yè)制造廠承制，含有明顯的先進性和成熟可靠性。由于本項目已完畢中試研究和部分產(chǎn)品的開發(fā)，且中試生產(chǎn)線的工藝技術(shù)路線與本項目擬建設(shè)的5000噸產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線相似，因此，中試成果獲得產(chǎn)業(yè)化應用的前景非?？春茫延猩婕笆澜?00強之一的美國Molex公司在內(nèi)的國內(nèi)外多家公司在探討該項目的產(chǎn)業(yè)化合作事宜，親密關(guān)注著該項目的進展。三、項目產(chǎn)品市場調(diào)研和競爭力預測項目開發(fā)的納米微晶陶瓷是一種機械和化學性能優(yōu)秀的新材料，可在高溫、腐蝕、無潤滑等惡劣環(huán)境下用作耐磨構(gòu)造材料，如陶瓷軸承、機械密封件、紡織瓷件、研磨體、管道、閥門、耐磨襯板、化工填料等。同時，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多個絕緣子、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格比更高，市場競爭能力強，經(jīng)濟效益明顯?，F(xiàn)在國內(nèi)的陶瓷研磨體市場高達5億元／年以上，其中電子工業(yè)用高性能研磨體重要依賴進口，年進口額超出600萬美元。紡織瓷件中摩擦輪和導線輪的年進口額也在500萬美元以上。本項目采用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)品品種可依市場需求靈活調(diào)節(jié)，抗市場風險能力強。由于該項目采用的重要原料是天然礦物和工業(yè)廢渣，該構(gòu)造陶瓷制品的制造成本不到氧化鋁陶瓷的30%。另外，運用了工業(yè)廢渣，有助于環(huán)保和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，可享有國家對環(huán)保產(chǎn)業(yè)的各項優(yōu)惠政策。本項目擬開發(fā)下列產(chǎn)品，對其進入市場的競爭力和價格定位的調(diào)研成果分述以下：微晶陶瓷研磨體：重要用作精細化工、涂料、油漆、油墨、陶瓷、搪瓷等行業(yè)中砂磨機和球磨機用研磨體，也可應用于化工反映塔中的填料。與現(xiàn)在市場上使用的玻璃質(zhì)研磨體、普通陶瓷質(zhì)研磨體、氧化鋁陶瓷和氧化鋯陶瓷研磨體比，其重要技術(shù)經(jīng)濟指標對例如表1所示。顯然，微晶陶瓷研磨體具更高的性能價格比，進入市場的競爭力強，可很快成為研磨體市場的新寵。表1多個陶瓷研磨體的性能及市場售價性能指標納米微晶陶瓷玻璃普通陶瓷氧化鋁氧化鋯體積密度，g/cm32.7~2.82.45~2.82.4~2.83.4~3.65.7~6.0顯微硬度，GPa10~126.0~7.26.5~7.513~1511~14抗壓強度，MPa1200~1500300~400400~7001600~~2500相對磨損率13~42~51.5~30.8市場售價，元/kg10~123.5~188~1030~50180~200耐磨陶瓷襯片：重要用作工業(yè)球磨機內(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)襯和多個需要耐摩損耐腐蝕的內(nèi)襯材料?，F(xiàn)在重要以氧化鋁或碳化硅陶瓷為主，每噸售價達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，若以1.2~1.5萬元／噸的價格進入市場，可獲得明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。微晶陶瓷紡織瓷件：涉及陶瓷摩擦片、導線輪和止捻器?，F(xiàn)在紡織機械用陶瓷部件的材質(zhì)重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，普通為5~10m，殘留氣孔率也在2％左右，因此其表面光潔度和耐磨性都不太抱負。氧化鋯陶瓷的硬度較低，但晶粒尺寸為0.5~1m，殘留氣孔率可不大于1％，用作紡織瓷件時含有自潤滑性，因此，其耐磨性和使用壽命優(yōu)于氧化鋁陶瓷，但價格也高出氧化鋁陶瓷一倍以上。本項目開發(fā)的納米微晶陶瓷比氧化鋯陶瓷的晶粒更細小，構(gòu)造更致密，硬度相近，同樣含有自潤滑性，因此，是制造紡織瓷件更抱負的新材料，并且同規(guī)格納米微晶陶瓷部件的售價只是氧化鋁陶瓷的60％，氧化鋯陶瓷的30％左右，進入國際市場的潛力也很大。電子構(gòu)造陶瓷：重要替代滑石瓷和氧化鋁陶瓷用作電子裝置用多個絕緣子、管座、電阻基體和密封外殼等。由于本項目采用的工藝技術(shù)路線含有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品的均勻性和可靠性好等特點，而售價比滑石瓷和氧化鋁陶瓷更低，且有助于提高電子元器件的穩(wěn)定性和可靠性，在市場開拓中也含有明顯優(yōu)勢。納米微晶陶瓷還可廣泛應用于其它耐磨損、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?，用本項技術(shù)制備的納米微晶陶瓷含有制備成本低、性能穩(wěn)定可靠、性能價格比更高等優(yōu)勢，進入市場的競爭能力強。四、項目建設(shè)內(nèi)容及投資預算項目的總體目的是建設(shè)一條年產(chǎn)5000噸低成本高可靠性納米微晶陶瓷制品生產(chǎn)線，實現(xiàn)納米陶瓷制品的持續(xù)和自動化生產(chǎn)。項目的建設(shè)內(nèi)容涉及生產(chǎn)線的總體設(shè)計、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)并解決對應的生產(chǎn)工藝技術(shù)問題，穩(wěn)定生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品質(zhì)量，達成設(shè)計的產(chǎn)量和質(zhì)量指標。項目的投資總額為人民幣3660萬元，其中有形資產(chǎn)投入2745萬元（固定資產(chǎn)投入萬元，流動資金745萬元），無形資產(chǎn)915萬元（占總資產(chǎn)的25％），項目建設(shè)周期約需1年。建成投產(chǎn)后，可實現(xiàn)年產(chǎn)值10500萬元，年利稅3420萬元，投資回收期1.7年。本項目建設(shè)資金萬元，其中土地占用25畝，購置費200萬元；生產(chǎn)廠房、辦公和倉貯用房8000m2，需基建投資320萬元；生產(chǎn)線設(shè)備投資1380萬元，水電等配套設(shè)施費100萬元。重要設(shè)備名稱及價格預算如表2所示，在設(shè)備選型時應重視設(shè)備的先進性和可靠性，核心設(shè)備或部件進口。表25000噸納米微晶陶瓷生產(chǎn)線重要設(shè)備名稱及價格預算序號設(shè)備名稱數(shù)量單價（萬元）總金額（萬元）115m2玻璃池窯1座16016022m2電熔玻璃池窯1座35353全自動晶化輥道窯3座451354自動配料混料系統(tǒng)1套26265自動給料機1臺776玻璃制球機10臺3.6367出料用鉑金加熱器10臺4.2428數(shù)控磨床3臺30909玻璃模壓成型機2臺489610拋光機10臺66011精密磨床6臺159012普通車床5臺126013運輸車輛3臺164814檢測設(shè)備16臺套12515其它設(shè)備32