节能环保长寿命全陶瓷材料预热内筒的最新进展

　　我国经济发展已进入由传统产业经济为主导向新能源、环保、节能、新材料等新兴经济转型时代。我国水泥行业在环保、节能、新材料等新兴产业经济发展时期一方面任务艰巨，面临挑战；另一方面，环保、节能、长寿命新材料等产业将大有作为。环保水泥，耐火材料无铬化，节能环保长寿命全陶瓷预热内筒等等已悄然升起。

　　1、采用预热器内筒的作用及亟待解决的问题

　　在水泥行业为充分利用水泥生产中的余热，节约能源，德国洪堡公司于上世纪五十年代以出窑高温废气为载热介质，在窑尾安装悬浮预热器(Suspension Preheater.简称SP)来实现对水泥生料的加热，并首先应用于Φ4.0×92.5m回转窑上，使原湿法窑的单位热耗由6875KJ/kg.cl降低到4400kJ/kg.cl，而且生产能力大幅度增加，获得了巨大的经济效益，开创了悬浮预热技术在水泥工业上的应用[1]。1971年，日本石川岛播磨重工业公司在洪堡窑的基础上又改进成水泥预分解窑，简称NSP窑；NSP是New Suspension Preheater的缩写，即新型悬浮预热器的缩写New Suspension pre-heater，简称NSP[2]。SP窑及NSP窑成为当今水泥工业的主要发展窑型。

　　该工艺的主要特点即引入悬浮预热器；目前多为五级、四级等。悬浮预热器是新型干法水泥生产过程的核心设备之一，承担着物料加热、气固分离、物料输送及部分物理、化学反应等多项功能；其中旋风内筒是预热器的关键部件，可以避免物料的二次循环，以及再加热重新生成CaCO3，导致能源浪费；同时还可以避免因物料流短路、紊流而导致分离效率降低、热耗增高，甚至管道堵塞、停产等[3]。

　　目前为止，预热器内筒仍然是以镍铬耐热合金钢为主[6~8]。由于耐热合金钢耐酸碱气氛的侵蚀性较差且不耐高温磨损，因此，合金钢内筒的使用寿命都很短，完好服役期限大约10个月左右。

　　与合金不耐高温、不耐酸碱腐蚀、耐磨性差等先天性不足相比，非金属基陶瓷材料具有耐高温、耐氧化，高温强度高、耐磨性好以及受酸碱气氛影响小等优点，因此，采用非金属基材料替代镍铬合金用于内筒的制备已经成为业内研究人员及生产企业的共识。但是，由于在材料及结构方面的设计问题，至今没有成功的应用。

　　2、国外在内筒长寿化方面的发展状况

　　新型干法水泥生产线的悬浮预热内筒的结构主要为整体式及分片式两种。分片式内国内外筒一般由几十块内筒挂板和固定块组成，各片之间相互联接，这样既可以保证内筒整体的强度，又可以吸收内筒因热胀冷缩引起的尺寸变化，为各国水泥设备制造商所普遍采用，如日本ONODA水泥公司，德国KHD公司和丹麦的FLS公司等[8]。无论整体式还是分片式，内筒材质一直以镍铬系列耐热钢为主。由于内筒（尤其是末级内筒）工况条件极为恶劣，如高温物料流的磨损、氧化以及含K2O、Na2O、SO2、Cl2等气体的腐蚀[3]，使用寿命很短且易导致生产故障而停产。因此，国外的一些企业不得不取消末级内筒，如史密斯旋风预热器及丹麦FLS公司在LP(低压损)旋风筒上就采用了这种设计，但牺牲的则是分离率降低，热耗增加。

　　为解决内筒长寿化，丹麦哈斯勒（HASLE）公司于上世界九十年代末曾进行了以耐火材料（铝硅系，Al2O3=62%）为主的陶瓷内筒，其结构是以 “工”或“ [ ”型砖互相咬合而形成整体内筒，如图。由于该砖块为机压成型且经高温烧成，受模具限制，砖块尺寸较小，组装不便且没有应力缓解、调控能力，因此，砖块使用中易断裂、掉砖甚至整体脱落，一直未能成功应用[9]。另外，世界上水泥行业最重要的设备供应商——丹麦史密斯也曾以类似的方案在我国进行试验，最后也以失败告终。内筒长寿化一直未获进展。

　　3、国内在内筒长寿化方面的发展状况

　　内筒在新型干法线节能减排、降低生产成本中的重要地位，国内企业一直在内鉴于筒长寿化方面不断探索、试验。针对悬浮预热器合金内筒使用寿命短，影响设备运转及增加水泥的生产能耗等问题，国内企业进行了类似丹麦哈斯勒和史密斯的试验，也未成功。

　　国内专家也进行了耐热钢挂片内外涂抹无机耐磨防腐料的试验研究，由于两种材料膨胀系数差异较大，耐磨防腐涂抹料脱落问题导致研究工作终止。到目前为止，以非金属材料替代合金钢尝试内筒长寿化的工作还没有获得成功的先例。

　　4、非金属基内筒长寿化存在的问题及发展趋势

　　就非金属材料具有耐高温、耐氧化，高温强度高、耐磨性好以及受酸碱气氛影响小等优点看，非金属材料是很适合用于悬浮预热器的末级内筒的使用条件的，也是被业内人士所看好的。但是，无论丹麦史密斯、哈斯勒（HASLE）的陶瓷内筒，还是国内其他企业研制的陶瓷内筒都没有试验成功的原因不外乎以下几点：

　　（1）结构设计不合理。

　　（2）材料配方/制备工艺问题

　　（3）类似哈斯勒（HASLE）的陶瓷砌体结构很难具备消化、缓冲应力的能力，使用时的应力很容易导致咬合部位断裂，进而整个内筒脱落。

　　（4）尽管铝硅系材料耐SO2、Cl2等酸性气体的腐蚀性较强，但耐K2O、Na2O的腐蚀性较弱。高温使用条件下，K2O、Na2O在铝硅系材料中的渗透性很强，通过形成钾霞石（K2O·Al2O3·2SiO2 ）和白榴石（K2O·Al2O3·4SiO2）而致材料“碱裂”变性，强度下降、脱落。由此看出，国内外失败的原因实际上就是没有解决好材料和结构方面的设计问题。因此，要实现内筒非金属基内筒长寿化的发展趋势，必须着眼于材质设计和结构设计的有机结合，因材料而设计结构。材质要求：烧结强度高、耐磨性好，且耐酸碱气氛腐蚀；结构要求：能够消化、缓解热膨胀应力及由于旋风筒内气固两相形成的紊流挠动对结构的不平衡冲击而形成的结构应力。

　　经文献调研，国内外关于非金属基旋风内筒制备方面的专利，不外乎前面提到的已经试验的几种，但都没有成功，处于实验阶段即已失败。

　　5 栅栏式结构、高技术陶瓷新材料全陶瓷预热器内筒的研制

　　5．1主要研究内容

　　（1）利用ANSYS、FLUENT等有限元分析软件，对内筒单体板块及整体结构进行优化设计，通过对内筒装置的温度场、应力场进行模拟分析，获得结构应力集中区域、关键连接件的应力分布等数值模拟预报信息，进而对其结构进行板块化、模块化设计，为结构优化、材料研制提供方向。

　　（2）复合陶瓷材料的设计及制备工艺研究。一方面，材料不同组成方案、成型工艺、烧成温度、气氛、压力对材料的强度及显微结构的影响，建立该体系材料的成型、烧结理论并建立烧结动力学模型，为复合板块的产业化生产工艺的确定提供理论指导。运用高技术精细陶瓷材料工艺技术，生产高性能陶瓷挂片及结构部件。

　　（3）材料持久耐用性、使用安全性研究，复合陶瓷内筒材料在使用过程中，自保护的形成过程及速度、覆盖率的影响因素研究以及基于自保护的形成速度、覆盖率等对材料持久耐用性、使用安全性的影响与预测。

　　（4）应用研究，内筒装置的现场安装、使用、维修等应用研究。

　　5． 2本项目的关键技术

　　复杂形状复合陶瓷材料的低成本制造工艺技术。随着科学技术的不断发展，各行各业对陶瓷部件的需求越来越广的同时也提出了更高的要求：①结构形状复杂；②尺寸精度高；③与其他金属材料配合使用。如：油田用油水分离旋流气、石油化工用耐磨、耐腐蚀阀件、缸套、泵体、泵件，以及风机的叶轮、叶片、轴瓦，各行各业用的陶瓷球阀等。

　　国外对特异型陶瓷材料部件研究开展较早，美国、日本等国家已建成专业化的生产厂家，如：美国的康宁公司，日本的昭和电工等。国内很多研究单位和企业也作了大量的工作，由于工艺落后，生产成本高，难以实现规模化生产，产品质量也不稳定。

　　本项目中如何解决特异型陶瓷材料的低成本生产工艺技术及材料结构均匀、低应力、高性能、高可靠性是产业化课题研究的关键。

　　（1）微观结构均匀、低应力、近净尺寸、特异型陶瓷材料生产成型、干燥、烧成工艺技术的研究，为今后特异型陶瓷材料部件的低成本生产奠定了基础。

　　a）高固相含量/高流动性浆料制备技术

　　b）温度场/磁场/力场交互作用条件下的成型技术

　　c）蒸汽保护/红外干燥技术

　　d）复合陶瓷材料的气氛保护烧结技术。为今后该材料的产业化奠定了基础。

　　e）高技术精细陶瓷材料的无损探伤检测及过程控制技术的研究。

　　（2）利用ANSYS、FLUENT等有限元分析软件，针对陶瓷复合材料的特性对不同结构设计进行模拟应力分析。为今后无机非金属结构陶瓷材料部件开发奠定了基础。特别是特异型陶瓷材料模拟预应力分析。

　　不同结构形式—板状挂件结构—弧型板层装螺丝连接结构—竖梁横板栅栏结构等模拟预应力分析。

　　不同连接方式—自由松动连接—刚性连接—柔性连接等模拟预应力分析。

　　5．3本项目达到的水平

　　经过多的历程，我们成功的开发出栅栏结构高技术陶瓷材料陶瓷预热器内筒（挂片），较好地解决了非金属材料在预热器内筒所存在的几方面问题。通过用户使用和中国水泥协会组织的15名专家鉴定委员会鉴定，产品使用效果,技术性能指标，处于国内领先，达到国际先进水平，走在了世界的前沿。

　　科技成果：

　　（1）获得实用新型专利4项

　　（2）申请发明专利4项

　　（3）成功开发出了国际首创的专利产品板式和栅栏结构两个系列高技术陶瓷材料内筒（挂片）

　　（4)产品使用效果,技术性能指标,处于国内领先,达到国际先进水平!

　　5．4高技术精细陶瓷挂片材料性能

　　全陶瓷预热器内筒是我公司为新型干法线窑前预热系统研制的新型产品，该产品具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、节能降耗、长寿命等特点。金属材料与陶瓷材料的详细对比如下：

　　5．5栅栏结构特点：

　　栅栏式结构, 能够消化、缓解热膨胀应力及由于旋风筒内气固两相形成的紊流挠动对结构的不平衡冲击而形成的结构应力。个别挂片损坏，不影响整体内筒结构功能。

　　6、部分工程实例

　　冀东磐石水泥有限公司：

　　3200吨线五级（4000*2300）原耐热钢内筒寿命短且多次造成生产故障，五级预热器无内筒维持生产。 2008年6月我公司全陶瓷内筒筒安装使用，截止2010年7月已连续运行25多个月，内筒整体性完好如初。

　　中材天山水泥股份沙湾分公司：

　　2008年12月三级筒用我公司全陶瓷内筒替代耐热钢内筒，2009年10月2、4、5全部更换。

　　冀东泾阳水泥公司：

　　在对我公司生产制造情况，磐石使用情况等仔细考察后于2009年初日产5000吨线两套五级筒用我公司全陶瓷内筒，四级筒用耐热钢。2010年3三月停产检修，我公司全陶瓷内筒完好如初。4级耐热钢筒已到寿命更换。

　　中联水泥青州公司：（浙江）

　　2009年6月日产6000吨线三级筒用我公司全陶瓷内筒，2009年12两套五级筒更换。

　　海螺集团：

　　狄港海螺水泥有限责任公司5000吨线于2010年7月安装使用。

　　山水集团：

　　山水烟台康达水泥有限公司5000吨生产线于2010年7月安装使用。

　　7、用户使用证明产品具有如下特点和功效:

　　（1）与耐热钢挂片比较，提高了预热器内筒的使用寿命，同工况与耐热钢比较寿命延长2倍以上。

　　（2）标准板块化设计，通用互换性好，备件充足，重量轻，不需要任何专用设备，安装检修方便。

　　（3）陶瓷挂片间的安装间隙，随系统运行由生料细粉填平，内筒整体性好。其旋风筒气固分离效率高、热量交换效率高。

　　（4）陶瓷内筒材料经2000多度烧结，使用过程表面形成光滑的氧化物陶瓷保护层。消除了内筒原料挂皮、脱落、堵塞预热器现象。

　　（5）陶瓷内筒材料经2000多度烧结，使用温度达1300度以上，系统试运行等瞬间温度过高内筒也不会受影响。为高温悬浮窑外分解创造了条件。

　　（6）与国外其他非金属基陶瓷挂片相比，我公司全陶瓷内筒在全球范围内，首次成功实现了结构与材料的统一优化。

　　8、经济效益与社会效益

　　2008年，我国水泥产量14亿吨，约占世界的50%。全国共有新型干法线1000多条，干法线产量接近总量的54%；将来还要在淘汰现有立窑基础上至少改造建成200条以上的新型干法线，届时中国将拥有新型干法线1200多条的生产规模。而庞大的水泥生产规模也为长寿化内筒的新产品的推广提供了广阔的市场空间，特别是对国外先进的运用生活建筑垃圾制造绿色水泥对长寿陶瓷材料内筒倍受青睐。

　　每条生产线平均每年减少一次因内筒脱落堵塞预热器下料口导致的停产清理事故,据专家分析仅此一项 日产5000吨生产线将产生节能\环保\降耗等效益200万元.，社会经济效益高达200亿元/年。项目社会效益显著同时，减少了停窑，高铬耐热钢等造成的环境污染。

　　展望未来, 国家新兴产业政策对环保/节能/新材料等产业优先扶持，水泥行业节能\降耗\环保等方面任务艰巨,发展潜力巨大，陶瓷新材料产业大有作为。我国自主研发的节能环保长寿命高技术陶瓷材料预热内筒（挂片）将率先走在世界前列，与时俱进，与世界共享!