产业化技术可行性研究报告

总论（一）项目概述本项目以天然矿物和冶金工业废渣为重要原料，通过材料设计办法，采用高温溶胶－凝胶工艺和原位受控晶化技术，在高性能低成本纳米陶瓷的制备技术方面获得了突破，是一项属于国内首创的制备纳米陶瓷制品的新工艺、新技术，含有较好的产业化前景。用该项技术制备的高耐磨纳米微晶陶瓷构造均匀致密，抗弯强度可达300MPa，显微硬度10~12GPa，密度2.7~2.8g/cm3，自磨损率不到氧化铝陶瓷的20％，可机加工性和耐腐蚀好，可广泛用作含有高附加值的耐磨构造材料，如研磨体、陶瓷轴承、机械密封件、纺织瓷件、管道、阀门等。为将该项目技术推向产业化，现已投资110万元，在湖南大学建成了一条年产200吨纳米微晶陶瓷的中试生产线。该中试生产线的工艺流程及重要设备的设计与5000吨产业化生产线基本相似，可同时或单独使用电和液化气两种能源，工艺参数调节范畴大，以适应不同产品对工艺条件的需要。现在用该中试生产线已成功制备了多个规格的研磨球和耐磨衬片。该技术的另一重要特点是：用一套玻璃熔制和微晶化设备可同时制备多个纳米微晶陶瓷制品，产品品种可依市场需求灵活调节，市场应变能力强。纳米微晶陶瓷制品的制造成本不到氧化铝陶瓷的30％，另外，可运用工业废渣，有助于环保和社会经济的可持续发展。建设一条年产5000吨的纳米微晶陶瓷生产线，项目总投资需3660万元（含25％的技术无形资产），建成后可实现年产值10500万元，年利税3420万元，投资回收期约1.7年（不含建设期）。可生产的重要产品为高性能耐磨构造陶瓷系列产品，如研磨体、耐磨衬片、纺织瓷件、阀门芯片、轴承、机械密封件等。（二）立项意义及必要性纳米材料由于含有许多独特的优秀性能而成为当代材料科学的研究热点。现在在纳米粉末的制备技术方面获得了很大进展，多个纳米粉末已开始工业化生产并获得日益广泛的应用。然而，用纳米粉末来制备纳米陶瓷时，由于纳米粉末的活性很高，高温烧结时晶粒生长很快，绝大多数状况下获得的不是纳米陶瓷，而是亚微米甚至微米陶瓷。只有采用热压、热等静压烧结或者小试样的快速等温烧结，才可能获得致密烧结的块体纳米陶瓷。在这种工艺条件下，一是对烧成设备的技术规定很高，二是很难制备复杂形状和大尺寸的纳米陶瓷制品。因此，开发一种高性能低成本的纳米陶瓷制备新技术，是使纳米陶瓷制品实现产业化并获得广泛应用的核心。本项目所开发的纳米陶瓷制品是一种较抱负的高温自润滑耐磨材料，可在高温、腐蚀、无润滑等恶劣环境下用作耐磨构造材料，如研磨体、陶瓷轴承、机械密封件、纺织瓷件、管道、阀门、耐磨衬板等，对提高传统耐磨构造材料的可靠性和技术含量，推动机械制造、化工、轻纺等有关产业的技术进步有主动意义。另外，本项目可运用工业废渣来制备纳米陶瓷，是一项集新材料研制、固体废弃物再生运用和环保于一体的含有明显社会经济效益和推广应用价值的课题，对提高冶金工业废渣的运用率和附加值，减少其对环境污染的压力含有重要意义。（三）项目的技术特点及水平本项目运用材料设计理论，采用高温溶胶－凝胶工艺和原位受控晶化技术，以天然矿物和冶金工业废渣为重要原料，先将粗颗粒原料熔制为均质的玻璃体，然后从玻璃中原位析出晶相含量达90％以上，晶粒为50~200nm的纳米级晶粒。通过大量实验和理论分析，现在已成功地开发了多个纳米微晶陶瓷制品，并能从构成和微晶化工艺方面来有效控制晶相构成、晶粒大小及晶相含量，测试了该材料的力学性能和摩擦学性能，卓有成效地开展了许多含有原创性的研发工作，技术水平属国际首创，为高性能低成本纳米微晶陶瓷的产业化奠定了坚实的基础。本项目开发的纳米微晶陶瓷达成下列技术质量指标：抗压强度：＞1200MPa；显微硬度：＞10GPa；体积密度：＞2.7g/cm3自磨损率：以国产最高质量玻璃微珠作参考物，磨损率不大于同规格玻璃微珠的50％。（四）项目实施产业化的优势和风险本项目在国家自然科学基金和湖南省中青年人才基金的资助下，开展了较系统和进一步的基础研究，获得了含有较好产业化前景的实验研究成果。在国家高效磨削工程技术研究中心产业化投资基金的支持下，已完毕了中试研究和部分产品的开发，试制的产品经投入市场实际应用，顾客对其耐磨损和耐腐蚀性能十分满意，达成了预期的效果。本项目实施产业化的优势在于：1、采用高温溶胶－凝胶工艺和原位受控晶化技术来制备纳米微晶陶瓷的新工艺属国际首创，技术含量高，含有技术先进的优势；2、采用天然矿物和工业废渣为重要原料，便宜易得，含有原材料成本低的优势；3、高温溶胶－凝胶工艺源于玻璃的制备工艺，自动化程度高，成熟可靠；而原位受控晶化技术则借鉴了微晶玻璃的制备工艺，重要在析晶速度和晶粒大小的控制方面获得了突破性成果，是微晶玻璃制备技术的提高和进步，因此，采用的工艺技术路线含有良好的工业基础优势；4、可运用工业废渣，有助于环保和资源的再生运用，符合国家环保和产业化政策；5、可开发的产品品种多，性能价格比大大优于同类产品，含有较好的市场竞争力和抗市场风险的优势。本项目在产业化实施过程中的重要风险是由于玻璃料的构成有别于其它玻璃料，玻璃熔体的成形温度范畴窄，对成形某些复杂形状的产品有一定的技术难度。二、项目技术可行性和成熟性分析（一）项目的技术创新点1、首创了由非晶固体原位晶化制备纳米陶瓷的新技术用高温溶胶－凝胶工艺和原位受控晶化技术制备纳米陶瓷制品，是一种完全不同于高温烧结法的纳米陶瓷制备新技术。由于该技术可从工艺路线上彻底解决纳米粉末的来源、粉末的团聚与分散性、高温烧结时的致密化与晶粒长大等一系列传统陶瓷制备技术中难以解决的科学和工程化问题，是最具产业化前景的高性能低成本纳米陶瓷制备新技术。2、获得了低成本持续生产纳米晶陶瓷制品的新工艺纳米陶瓷即使含有许多优秀性能，但高昂的制备成本和难以控制的晶粒尺寸是制约其广泛应用的核心。本项目采用天然矿物和工业废渣为重要原料，且可用几十目的粗粉末，综合原料成本可控制在1000元／吨以内，且可持续工业化生产，使纳米微晶陶瓷的产业化生产成本可降至2500元／吨以内，与普通陶瓷相称，为95氧化铝陶瓷的30％。3、实现了晶相构成、晶粒大小和晶相含量的控制技术用本项目制备的纳米微晶陶瓷，其晶相构成、晶粒大小和晶相含量可通过材料构成设计、工艺参数调节来较精确地控制，以满足不同应用条件对材料性能的规定。（二）项目的技术成熟性和产品的可靠性本项目是在国家自然科学基金和湖南省中青年人才基金的资助下完毕的。近五年来，项目负责人肖汉宁专家领导的研究小组开展了较系统和进一步的基础研究，特别是在玻璃料的构成设计、晶核剂的选择及作用机理、核化晶化工艺制度等方面进行大量而系统的实验研究，已获得含有较好产业化前景的研究成果。该项成果已通过中试研究和新产品的开发，基本解决了在产业化过程中可能出现的工艺和装备设计等问题，并成功开发了多个规格的研磨球和耐磨衬片，产品经顾客试用，对其耐磨损和耐腐蚀性能十分满意。另外，由于制备的纳米微晶陶瓷含有十分致密的且均匀的显微构造，产品性能比烧结陶瓷含有更高的可靠性。本项目的另一重要优势是在原料和工艺技术路线的选择上从一开始就充足考虑了产业化的问题，即原材料的便宜易得和工艺技术的成熟可靠性。项目采用天然矿物和工业废渣为重要原料，且全部添加原料都是国产化工原料，符合便宜易得的原则。高温溶胶－凝胶工艺源于玻璃的制备工艺，自动化程度高，成熟可靠，玻璃池窑和有关成形设备已有专业制造公司，其技术水平靠近国外先进水平。原位受控晶化技术借鉴了微晶玻璃的制备工艺，重要在析晶速度和晶粒大小的控制方面获得了突破性进展，是微晶玻璃制备技术的提高和进步，有关设备可由玻璃和陶瓷行业的专业设备厂制造。因此，采用的工艺技术路线含有良好的工业基础，工装设备有定型产品或由专业制造厂承制，含有明显的先进性和成熟可靠性。由于本项目已完毕中试研究和部分产品的开发，且中试生产线的工艺技术路线与本项目拟建设的5000吨产业化生产线相似，因此，中试成果获得产业化应用的前景非常看好，已有涉及世界500强之一的美国Molex公司在内的国内外多家公司在探讨该项目的产业化合作事宜，亲密关注着该项目的进展。三、项目产品市场调研和竞争力预测项目开发的纳米微晶陶瓷是一种机械和化学性能优秀的新材料，可在高温、腐蚀、无润滑等恶劣环境下用作耐磨构造材料，如陶瓷轴承、机械密封件、纺织瓷件、研磨体、管道、阀门、耐磨衬板、化工填料等。同时，纳米微晶陶瓷也是一种优良的电子构造陶瓷，可替代滑石瓷和氧化铝陶瓷用作电子装置用多个绝缘子、管座、电阻基体和密封外壳等。与其它材质的同类产品比，纳米微晶陶瓷的性能价格比更高，市场竞争能力强，经济效益明显。现在国内的陶瓷研磨体市场高达5亿元／年以上，其中电子工业用高性能研磨体重要依赖进口，年进口额超出600万美元。纺织瓷件中摩擦轮和导线轮的年进口额也在500万美元以上。本项目采用的玻璃熔制和微晶化设备可开发一系列构造陶瓷制品，产品品种可依市场需求灵活调节，抗市场风险能力强。由于该项目采用的重要原料是天然矿物和工业废渣，该构造陶瓷制品的制造成本不到氧化铝陶瓷的30%。另外，运用了工业废渣，有助于环保和社会经济可持续发展，可享有国家对环保产业的各项优惠政策。本项目拟开发下列产品，对其进入市场的竞争力和价格定位的调研成果分述以下：微晶陶瓷研磨体：重要用作精细化工、涂料、油漆、油墨、陶瓷、搪瓷等行业中砂磨机和球磨机用研磨体，也可应用于化工反映塔中的填料。与现在市场上使用的玻璃质研磨体、普通陶瓷质研磨体、氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷研磨体比，其重要技术经济指标对例如表1所示。显然，微晶陶瓷研磨体具更高的性能价格比，进入市场的竞争力强，可很快成为研磨体市场的新宠。表1多个陶瓷研磨体的性能及市场售价性能指标纳米微晶陶瓷玻璃普通陶瓷氧化铝氧化锆体积密度，g/cm32.7~2.82.45~2.82.4~2.83.4~3.65.7~6.0显微硬度，GPa10~126.0~7.26.5~7.513~1511~14抗压强度，MPa1200~1500300~400400~7001600~~2500相对磨损率13~42~51.5~30.8市场售价，元/kg10~123.5~188~1030~50180~200耐磨陶瓷衬片：重要用作工业球磨机内衬、火电厂输送煤粉的管道内衬、输送泥砂或水泥砂浆的管道内衬和多个需要耐摩损耐腐蚀的内衬材料。现在重要以氧化铝或碳化硅陶瓷为主，每吨售价达2~5万元。用微晶陶瓷制作耐磨衬片，其耐磨性优于氧化铝，若以1.2~1.5万元／吨的价格进入市场，可获得明显的经济效益和社会效益。微晶陶瓷纺织瓷件：涉及陶瓷摩擦片、导线轮和止捻器。现在纺织机械用陶瓷部件的材质重要是氧化铝和氧化锆两种类型。氧化铝陶瓷的硬度高，但晶粒尺寸较大，普通为5~10m，残留气孔率也在2％左右，因此其表面光洁度和耐磨性都不太抱负。氧化锆陶瓷的硬度较低，但晶粒尺寸为0.5~1m，残留气孔率可不大于1％，用作纺织瓷件时含有自润滑性，因此，其耐磨性和使用寿命优于氧化铝陶瓷，但价格也高出氧化铝陶瓷一倍以上。本项目开发的纳米微晶陶瓷比氧化锆陶瓷的晶粒更细小，构造更致密，硬度相近，同样含有自润滑性，因此，是制造纺织瓷件更抱负的新材料，并且同规格纳米微晶陶瓷部件的售价只是氧化铝陶瓷的60％，氧化锆陶瓷的30％左右，进入国际市场的潜力也很大。电子构造陶瓷：重要替代滑石瓷和氧化铝陶瓷用作电子装置用多个绝缘子、管座、电阻基体和密封外壳等。由于本项目采用的工艺技术路线含有生产效率高、产品的均匀性和可靠性好等特点，而售价比滑石瓷和氧化铝陶瓷更低，且有助于提高电子元器件的稳定性和可靠性，在市场开拓中也含有明显优势。纳米微晶陶瓷还可广泛应用于其它耐磨损、耐腐蚀的领域，如化工行业的阀门、管道，催化剂载体等。总之，用本项技术制备的纳米微晶陶瓷含有制备成本低、性能稳定可靠、性能价格比更高等优势，进入市场的竞争能力强。四、项目建设内容及投资预算项目的总体目的是建设一条年产5000吨低成本高可靠性纳米微晶陶瓷制品生产线，实现纳米陶瓷制品的持续和自动化生产。项目的建设内容涉及生产线的总体设计、设备选型和制造，生产线的建设施工，设备安装调试，试生产并解决对应的生产工艺技术问题，稳定生产工艺和产品质量，达成设计的产量和质量指标。项目的投资总额为人民币3660万元，其中有形资产投入2745万元（固定资产投入万元，流动资金745万元），无形资产915万元（占总资产的25％），项目建设周期约需1年。建成投产后，可实现年产值10500万元，年利税3420万元，投资回收期1.7年。本项目建设资金万元，其中土地占用25亩，购置费200万元；生产厂房、办公和仓贮用房8000m2，需基建投资320万元；生产线设备投资1380万元，水电等配套设施费100万元。重要设备名称及价格预算如表2所示，在设备选型时应重视设备的先进性和可靠性，核心设备或部件进口。表25000吨纳米微晶陶瓷生产线重要设备名称及价格预算序号设备名称数量单价（万元）总金额（万元）115m2玻璃池窑1座16016022m2电熔玻璃池窑1座35353全自动晶化辊道窑3座451354自动配料混料系统1套26265自动给料机1台776玻璃制球机10台3.6367出料用铂金加热器10台4.2428数控磨床3台30909玻璃模压成型机2台489610抛光机10台66011精密磨床6台159012普通车床5台126013运输车辆3台164814检测设备16台套12515其它设备32