我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展已進(jìn)入由傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)為主導(dǎo)向新能源、環(huán)保、節(jié)能、新材料等新興經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型時代。我國水泥行業(yè)在環(huán)保、節(jié)能、新材料等新興產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展時期一方面任務(wù)艱巨，面臨挑戰(zhàn)；另一方面，環(huán)保、節(jié)能、長壽命新材料等產(chǎn)業(yè)將大有作為。環(huán)保水泥，耐火材料無鉻化，節(jié)能環(huán)保長壽命全陶瓷預(yù)熱內(nèi)筒等等已悄然升起。

　　1、采用預(yù)熱器內(nèi)筒的作用及亟待解決的問題

　　在水泥行業(yè)為充分利用水泥生產(chǎn)中的余熱，節(jié)約能源，德國洪堡公司于上世紀(jì)五十年代以出窯高溫廢氣為載熱介質(zhì)，在窯尾安裝懸浮預(yù)熱器(Suspension Preheater.簡稱SP)來實現(xiàn)對水泥生料的加熱，并首先應(yīng)用于Φ4.0×92.5m回轉(zhuǎn)窯上，使原濕法窯的單位熱耗由6875KJ/kg.cl降低到4400kJ/kg.cl，而且生產(chǎn)能力大幅度增加，獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，開創(chuàng)了懸浮預(yù)熱技術(shù)在水泥工業(yè)上的應(yīng)用[1]。1971年，日本石川島播磨重工業(yè)公司在洪堡窯的基礎(chǔ)上又改進(jìn)成水泥預(yù)分解窯，簡稱NSP窯；NSP是New Suspension Preheater的縮寫，即新型懸浮預(yù)熱器的縮寫New Suspension pre-heater，簡稱NSP[2]。SP窯及NSP窯成為當(dāng)今水泥工業(yè)的主要發(fā)展窯型。

　　該工藝的主要特點即引入懸浮預(yù)熱器；目前多為五級、四級等。懸浮預(yù)熱器是新型干法水泥生產(chǎn)過程的核心設(shè)備之一，承擔(dān)著物料加熱、氣固分離、物料輸送及部分物理、化學(xué)反應(yīng)等多項功能；其中旋風(fēng)內(nèi)筒是預(yù)熱器的關(guān)鍵部件，可以避免物料的二次循環(huán)，以及再加熱重新生成CaCO3，導(dǎo)致能源浪費；同時還可以避免因物料流短路、紊流而導(dǎo)致分離效率降低、熱耗增高，甚至管道堵塞、停產(chǎn)等[3]。

　　目前為止，預(yù)熱器內(nèi)筒仍然是以鎳鉻耐熱合金鋼為主[6~8]。由于耐熱合金鋼耐酸堿氣氛的侵蝕性較差且不耐高溫磨損，因此，合金鋼內(nèi)筒的使用壽命都很短，完好服役期限大約10個月左右。

　　與合金不耐高溫、不耐酸堿腐蝕、耐磨性差等先天性不足相比，非金屬基陶瓷材料具有耐高溫、耐氧化，高溫強(qiáng)度高、耐磨性好以及受酸堿氣氛影響小等優(yōu)點，因此，采用非金屬基材料替代鎳鉻合金用于內(nèi)筒的制備已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)研究人員及生產(chǎn)企業(yè)的共識。但是，由于在材料及結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計問題，至今沒有成功的應(yīng)用。

　　2、國外在內(nèi)筒長壽化方面的發(fā)展?fàn)顩r

　　新型干法水泥生產(chǎn)線的懸浮預(yù)熱內(nèi)筒的結(jié)構(gòu)主要為整體式及分片式兩種。分片式內(nèi)國內(nèi)外筒一般由幾十塊內(nèi)筒掛板和固定塊組成，各片之間相互聯(lián)接，這樣既可以保證內(nèi)筒整體的強(qiáng)度，又可以吸收內(nèi)筒因熱脹冷縮引起的尺寸變化，為各國水泥設(shè)備制造商所普遍采用，如日本ONODA水泥公司，德國KHD公司和丹麥的FLS公司等[8]。無論整體式還是分片式，內(nèi)筒材質(zhì)一直以鎳鉻系列耐熱鋼為主。由于內(nèi)筒（尤其是末級內(nèi)筒）工況條件極為惡劣，如高溫物料流的磨損、氧化以及含K2O、Na2O、SO2、Cl2等氣體的腐蝕[3]，使用壽命很短且易導(dǎo)致生產(chǎn)故障而停產(chǎn)。因此，國外的一些企業(yè)不得不取消末級內(nèi)筒，如史密斯旋風(fēng)預(yù)熱器及丹麥FLS公司在LP(低壓損)旋風(fēng)筒上就采用了這種設(shè)計，但犧牲的則是分離率降低，熱耗增加。

　　為解決內(nèi)筒長壽化，丹麥哈斯勒（HASLE）公司于上世界九十年代末曾進(jìn)行了以耐火材料（鋁硅系，Al2O3=62%）為主的陶瓷內(nèi)筒，其結(jié)構(gòu)是以 “工”或“ [ ”型磚互相咬合而形成整體內(nèi)筒，如圖。由于該磚塊為機(jī)壓成型且經(jīng)高溫?zé)?，受模具限制，磚塊尺寸較小，組裝不便且沒有應(yīng)力緩解、調(diào)控能力，因此，磚塊使用中易斷裂、掉磚甚至整體脫落，一直未能成功應(yīng)用[9]。另外，世界上水泥行業(yè)最重要的設(shè)備供應(yīng)商——丹麥?zhǔn)访芩挂苍灶愃频姆桨冈谖覈M(jìn)行試驗，最后也以失敗告終。內(nèi)筒長壽化一直未獲進(jìn)展。

　　3、國內(nèi)在內(nèi)筒長壽化方面的發(fā)展?fàn)顩r

　　內(nèi)筒在新型干法線節(jié)能減排、降低生產(chǎn)成本中的重要地位，國內(nèi)企業(yè)一直在內(nèi)鑒于筒長壽化方面不斷探索、試驗。針對懸浮預(yù)熱器合金內(nèi)筒使用壽命短，影響設(shè)備運轉(zhuǎn)及增加水泥的生產(chǎn)能耗等問題，國內(nèi)企業(yè)進(jìn)行了類似丹麥哈斯勒和史密斯的試驗，也未成功。

　　國內(nèi)專家也進(jìn)行了耐熱鋼掛片內(nèi)外涂抹無機(jī)耐磨防腐料的試驗研究，由于兩種材料膨脹系數(shù)差異較大，耐磨防腐涂抹料脫落問題導(dǎo)致研究工作終止。到目前為止，以非金屬材料替代合金鋼嘗試內(nèi)筒長壽化的工作還沒有獲得成功的先例。

　　4、非金屬基內(nèi)筒長壽化存在的問題及發(fā)展趨勢

　　就非金屬材料具有耐高溫、耐氧化，高溫強(qiáng)度高、耐磨性好以及受酸堿氣氛影響小等優(yōu)點看，非金屬材料是很適合用于懸浮預(yù)熱器的末級內(nèi)筒的使用條件的，也是被業(yè)內(nèi)人士所看好的。但是，無論丹麥?zhǔn)访芩?、哈斯勒（HASLE）的陶瓷內(nèi)筒，還是國內(nèi)其他企業(yè)研制的陶瓷內(nèi)筒都沒有試驗成功的原因不外乎以下幾點：

　?。?）結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。

　?。?）材料配方/制備工藝問題

　?。?）類似哈斯勒（HASLE）的陶瓷砌體結(jié)構(gòu)很難具備消化、緩沖應(yīng)力的能力，使用時的應(yīng)力很容易導(dǎo)致咬合部位斷裂，進(jìn)而整個內(nèi)筒脫落。

　?。?）盡管鋁硅系材料耐SO2、Cl2等酸性氣體的腐蝕性較強(qiáng)，但耐K2O、Na2O的腐蝕性較弱。高溫使用條件下，K2O、Na2O在鋁硅系材料中的滲透性很強(qiáng)，通過形成鉀霞石（K2O·Al2O3·2SiO2 ）和白榴石（K2O·Al2O3·4SiO2）而致材料“堿裂”變性，強(qiáng)度下降、脫落。由此看出，國內(nèi)外失敗的原因?qū)嶋H上就是沒有解決好材料和結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計問題。因此，要實現(xiàn)內(nèi)筒非金屬基內(nèi)筒長壽化的發(fā)展趨勢，必須著眼于材質(zhì)設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計的有機(jī)結(jié)合，因材料而設(shè)計結(jié)構(gòu)。材質(zhì)要求：燒結(jié)強(qiáng)度高、耐磨性好，且耐酸堿氣氛腐蝕；結(jié)構(gòu)要求：能夠消化、緩解熱膨脹應(yīng)力及由于旋風(fēng)筒內(nèi)氣固兩相形成的紊流撓動對結(jié)構(gòu)的不平衡沖擊而形成的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

　　經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研，國內(nèi)外關(guān)于非金屬基旋風(fēng)內(nèi)筒制備方面的專利，不外乎前面提到的已經(jīng)試驗的幾種，但都沒有成功，處于實驗階段即已失敗。

　　5 柵欄式結(jié)構(gòu)、高技術(shù)陶瓷新材料全陶瓷預(yù)熱器內(nèi)筒的研制

　　5．1主要研究內(nèi)容

　?。?）利用ANSYS、FLUENT等有限元分析軟件，對內(nèi)筒單體板塊及整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過對內(nèi)筒裝置的溫度場、應(yīng)力場進(jìn)行模擬分析，獲得結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域、關(guān)鍵連接件的應(yīng)力分布等數(shù)值模擬預(yù)報信息，進(jìn)而對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行板塊化、模塊化設(shè)計，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料研制提供方向。

　?。?）復(fù)合陶瓷材料的設(shè)計及制備工藝研究。一方面，材料不同組成方案、成型工藝、燒成溫度、氣氛、壓力對材料的強(qiáng)度及顯微結(jié)構(gòu)的影響，建立該體系材料的成型、燒結(jié)理論并建立燒結(jié)動力學(xué)模型，為復(fù)合板塊的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)工藝的確定提供理論指導(dǎo)。運用高技術(shù)精細(xì)陶瓷材料工藝技術(shù)，生產(chǎn)高性能陶瓷掛片及結(jié)構(gòu)部件。

　?。?）材料持久耐用性、使用安全性研究，復(fù)合陶瓷內(nèi)筒材料在使用過程中，自保護(hù)的形成過程及速度、覆蓋率的影響因素研究以及基于自保護(hù)的形成速度、覆蓋率等對材料持久耐用性、使用安全性的影響與預(yù)測。

　?。?）應(yīng)用研究，內(nèi)筒裝置的現(xiàn)場安裝、使用、維修等應(yīng)用研究。

　　5． 2本項目的關(guān)鍵技術(shù)

　　復(fù)雜形狀復(fù)合陶瓷材料的低成本制造工藝技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對陶瓷部件的需求越來越廣的同時也提出了更高的要求：①結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜；②尺寸精度高；③與其他金屬材料配合使用。如：油田用油水分離旋流氣、石油化工用耐磨、耐腐蝕閥件、缸套、泵體、泵件，以及風(fēng)機(jī)的葉輪、葉片、軸瓦，各行各業(yè)用的陶瓷球閥等。

　　國外對特異型陶瓷材料部件研究開展較早，美國、日本等國家已建成專業(yè)化的生產(chǎn)廠家，如：美國的康寧公司，日本的昭和電工等。國內(nèi)很多研究單位和企業(yè)也作了大量的工作，由于工藝落后，生產(chǎn)成本高，難以實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量也不穩(wěn)定。

　　本項目中如何解決特異型陶瓷材料的低成本生產(chǎn)工藝技術(shù)及材料結(jié)構(gòu)均勻、低應(yīng)力、高性能、高可靠性是產(chǎn)業(yè)化課題研究的關(guān)鍵。

　　（1）微觀結(jié)構(gòu)均勻、低應(yīng)力、近凈尺寸、特異型陶瓷材料生產(chǎn)成型、干燥、燒成工藝技術(shù)的研究，為今后特異型陶瓷材料部件的低成本生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

　　a）高固相含量/高流動性漿料制備技術(shù)

　　b）溫度場/磁場/力場交互作用條件下的成型技術(shù)

　　c）蒸汽保護(hù)/紅外干燥技術(shù)

　　d）復(fù)合陶瓷材料的氣氛保護(hù)燒結(jié)技術(shù)。為今后該材料的產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。

　　e）高技術(shù)精細(xì)陶瓷材料的無損探傷檢測及過程控制技術(shù)的研究。

　　（2）利用ANSYS、FLUENT等有限元分析軟件，針對陶瓷復(fù)合材料的特性對不同結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行模擬應(yīng)力分析。為今后無機(jī)非金屬結(jié)構(gòu)陶瓷材料部件開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。特別是特異型陶瓷材料模擬預(yù)應(yīng)力分析。

　　不同結(jié)構(gòu)形式—板狀掛件結(jié)構(gòu)—弧型板層裝螺絲連接結(jié)構(gòu)—豎梁橫板柵欄結(jié)構(gòu)等模擬預(yù)應(yīng)力分析。

　　不同連接方式—自由松動連接—剛性連接—柔性連接等模擬預(yù)應(yīng)力分析。

　　5．3本項目達(dá)到的水平

　　經(jīng)過多的歷程，我們成功的開發(fā)出柵欄結(jié)構(gòu)高技術(shù)陶瓷材料陶瓷預(yù)熱器內(nèi)筒（掛片），較好地解決了非金屬材料在預(yù)熱器內(nèi)筒所存在的幾方面問題。通過用戶使用和中國水泥協(xié)會組織的15名專家鑒定委員會鑒定，產(chǎn)品使用效果,技術(shù)性能指標(biāo)，處于國內(nèi)領(lǐng)先，達(dá)到國際先進(jìn)水平，走在了世界的前沿。

　　科技成果：

　?。?）獲得實用新型專利4項

　?。?）申請發(fā)明專利4項

　?。?）成功開發(fā)出了國際首創(chuàng)的專利產(chǎn)品板式和柵欄結(jié)構(gòu)兩個系列高技術(shù)陶瓷材料內(nèi)筒（掛片）

　　（4)產(chǎn)品使用效果,技術(shù)性能指標(biāo),處于國內(nèi)領(lǐng)先,達(dá)到國際先進(jìn)水平!

　　5．4高技術(shù)精細(xì)陶瓷掛片材料性能

　　全陶瓷預(yù)熱器內(nèi)筒是我公司為新型干法線窯前預(yù)熱系統(tǒng)研制的新型產(chǎn)品，該產(chǎn)品具有耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損、節(jié)能降耗、長壽命等特點。金屬材料與陶瓷材料的詳細(xì)對比如下：

　　5．5柵欄結(jié)構(gòu)特點：

　　柵欄式結(jié)構(gòu), 能夠消化、緩解熱膨脹應(yīng)力及由于旋風(fēng)筒內(nèi)氣固兩相形成的紊流撓動對結(jié)構(gòu)的不平衡沖擊而形成的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。個別掛片損壞，不影響整體內(nèi)筒結(jié)構(gòu)功能。

　　6、部分工程實例

　　冀東磐石水泥有限公司：

　　3200噸線五級（4000*2300）原耐熱鋼內(nèi)筒壽命短且多次造成生產(chǎn)故障，五級預(yù)熱器無內(nèi)筒維持生產(chǎn)。 2008年6月我公司全陶瓷內(nèi)筒筒安裝使用，截止2010年7月已連續(xù)運行25多個月，內(nèi)筒整體性完好如初。

　　中材天山水泥股份沙灣分公司：

　　2008年12月三級筒用我公司全陶瓷內(nèi)筒替代耐熱鋼內(nèi)筒，2009年10月2、4、5全部更換。

　　冀東涇陽水泥公司：

　　在對我公司生產(chǎn)制造情況，磐石使用情況等仔細(xì)考察后于2009年初日產(chǎn)5000噸線兩套五級筒用我公司全陶瓷內(nèi)筒，四級筒用耐熱鋼。2010年3三月停產(chǎn)檢修，我公司全陶瓷內(nèi)筒完好如初。4級耐熱鋼筒已到壽命更換。

　　中聯(lián)水泥青州公司：（浙江）

　　2009年6月日產(chǎn)6000噸線三級筒用我公司全陶瓷內(nèi)筒，2009年12兩套五級筒更換。

　　海螺集團(tuán)：

　　狄港海螺水泥有限責(zé)任公司5000噸線于2010年7月安裝使用。

　　山水集團(tuán)：

　　山水煙臺康達(dá)水泥有限公司5000噸生產(chǎn)線于2010年7月安裝使用。

　　7、用戶使用證明產(chǎn)品具有如下特點和功效:

　?。?）與耐熱鋼掛片比較，提高了預(yù)熱器內(nèi)筒的使用壽命，同工況與耐熱鋼比較壽命延長2倍以上。

　?。?）標(biāo)準(zhǔn)板塊化設(shè)計，通用互換性好，備件充足，重量輕，不需要任何專用設(shè)備，安裝檢修方便。

　?。?）陶瓷掛片間的安裝間隙，隨系統(tǒng)運行由生料細(xì)粉填平，內(nèi)筒整體性好。其旋風(fēng)筒氣固分離效率高、熱量交換效率高。

　　（4）陶瓷內(nèi)筒材料經(jīng)2000多度燒結(jié)，使用過程表面形成光滑的氧化物陶瓷保護(hù)層。消除了內(nèi)筒原料掛皮、脫落、堵塞預(yù)熱器現(xiàn)象。

　?。?）陶瓷內(nèi)筒材料經(jīng)2000多度燒結(jié)，使用溫度達(dá)1300度以上，系統(tǒng)試運行等瞬間溫度過高內(nèi)筒也不會受影響。為高溫懸浮窯外分解創(chuàng)造了條件。

　?。?）與國外其他非金屬基陶瓷掛片相比，我公司全陶瓷內(nèi)筒在全球范圍內(nèi)，首次成功實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與材料的統(tǒng)一優(yōu)化。

　　8、經(jīng)濟(jì)效益與社會效益

　　2008年，我國水泥產(chǎn)量14億噸，約占世界的50%。全國共有新型干法線1000多條，干法線產(chǎn)量接近總量的54%；將來還要在淘汰現(xiàn)有立窯基礎(chǔ)上至少改造建成200條以上的新型干法線，屆時中國將擁有新型干法線1200多條的生產(chǎn)規(guī)模。而龐大的水泥生產(chǎn)規(guī)模也為長壽化內(nèi)筒的新產(chǎn)品的推廣提供了廣闊的市場空間，特別是對國外先進(jìn)的運用生活建筑垃圾制造綠色水泥對長壽陶瓷材料內(nèi)筒倍受青睞。

　　每條生產(chǎn)線平均每年減少一次因內(nèi)筒脫落堵塞預(yù)熱器下料口導(dǎo)致的停產(chǎn)清理事故,據(jù)專家分析僅此一項 日產(chǎn)5000噸生產(chǎn)線將產(chǎn)生節(jié)能\環(huán)保\降耗等效益200萬元.，社會經(jīng)濟(jì)效益高達(dá)200億元/年。項目社會效益顯著同時，減少了停窯，高鉻耐熱鋼等造成的環(huán)境污染。

　　展望未來, 國家新興產(chǎn)業(yè)政策對環(huán)保/節(jié)能/新材料等產(chǎn)業(yè)優(yōu)先扶持，水泥行業(yè)節(jié)能\降耗\環(huán)保等方面任務(wù)艱巨,發(fā)展?jié)摿薮?，陶瓷新材料產(chǎn)業(yè)大有作為。我國自主研發(fā)的節(jié)能環(huán)保長壽命高技術(shù)陶瓷材料預(yù)熱內(nèi)筒（掛片）將率先走在世界前列，與時俱進(jìn)，與世界共享!