我國經濟發(fā)展已進入由傳統(tǒng)產業(yè)經濟為主導向新能源、環(huán)保、節(jié)能、新材料等新興經濟轉型時代。我國水泥行業(yè)在環(huán)保、節(jié)能、新材料等新興產業(yè)經濟發(fā)展時期一方面任務艱巨，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)保長壽命全陶瓷預熱內筒等等已悄然升起。

　　1、采用預熱器內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中的余熱，節(jié)約能源，德國洪堡公司于上世紀五十年代以出窯高溫廢氣為載熱介質，在窯尾安裝懸浮預熱器(Suspension Preheater.簡稱SP)來實現(xiàn)對水泥生料的加熱，并首先應用于Φ4.0×92.5m回轉窯上，使原濕法窯的單位熱耗由6875KJ/kg.cl降低到4400kJ/kg.cl，而且生產能力大幅度增加，獲得了巨大的經濟效益，開創(chuàng)了懸浮預熱技術在水泥工業(yè)上的應用[1]。1971年，日本石川島播磨重工業(yè)公司在洪堡窯的基礎上又改進成水泥預分解窯，簡稱NSP窯；NSP是New Suspension Preheater的縮寫，即新型懸浮預熱器的縮寫New Suspension pre-heater，簡稱NSP[2]。SP窯及NSP窯成為當今水泥工業(yè)的主要發(fā)展窯型。

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

　　目前為止，預熱器內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筒的制備已經成為業(yè)內研究人員及生產企業(yè)的共識。但是，由于在材料及結構方面的設計問題，至今沒有成功的應用。

　　2、國外在內筒長壽化方面的發(fā)展狀況

　　新型干法水泥生產線的懸浮預熱內筒的結構主要為整體式及分片式兩種。分片式內國內外筒一般由幾十塊內筒掛板和固定塊組成，各片之間相互聯(lián)接，這樣既可以保證內筒整體的強度，又可以吸收內筒因熱脹冷縮引起的尺寸變化，為各國水泥設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，內筒材質一直以鎳鉻系列耐熱鋼為主。由于內筒（尤其是末級內筒）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致生產故障而停產。因此，國外的一些企業(yè)不得不取消末級內筒，如史密斯旋風預熱器及丹麥FLS公司在LP(低壓損)旋風筒上就采用了這種設計，但犧牲的則是分離率降低，熱耗增加。

　　為解決內筒長壽化，丹麥哈斯勒（HASLE）公司于上世界九十年代末曾進行了以耐火材料（鋁硅系，Al2O3=62%）為主的陶瓷內筒，其結構是以 “工”或“ [ ”型磚互相咬合而形成整體內筒，如圖。由于該磚塊為機壓成型且經高溫燒成，受模具限制，磚塊尺寸較小，組裝不便且沒有應力緩解、調控能力，因此，磚塊使用中易斷裂、掉磚甚至整體脫落，一直未能成功應用[9]。另外，世界上水泥行業(yè)最重要的設備供應商——丹麥史密斯也曾以類似的方案在我國進行試驗，最后也以失敗告終。內筒長壽化一直未獲進展。

　　3、國內在內筒長壽化方面的發(fā)展狀況

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

　　國內專家也進行了耐熱鋼掛片內外涂抹無機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筒長壽化的工作還沒有獲得成功的先例。

　　4、非金屬基內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熱器的末級內筒的使用條件的，也是被業(yè)內人士所看好的。但是，無論丹麥史密斯、哈斯勒（HASLE）的陶瓷內筒，還是國內其他企業(yè)研制的陶瓷內筒都沒有試驗成功的原因不外乎以下幾點：

　?。?）結構設計不合理。

　　（2）材料配方/制備工藝問題

　?。?）類似哈斯勒（HASLE）的陶瓷砌體結構很難具備消化、緩沖應力的能力，使用時的應力很容易導致咬合部位斷裂，進而整個內筒脫落。

　?。?）盡管鋁硅系材料耐SO2、Cl2等酸性氣體的腐蝕性較強，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，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，強度下降、脫落。由此看出，國內外失敗的原因實際上就是沒有解決好材料和結構方面的設計問題。因此，要實現(xiàn)內筒非金屬基內筒長壽化的發(fā)展趨勢，必須著眼于材質設計和結構設計的有機結合，因材料而設計結構。材質要求：燒結強度高、耐磨性好，且耐酸堿氣氛腐蝕；結構要求：能夠消化、緩解熱膨脹應力及由于旋風筒內氣固兩相形成的紊流撓動對結構的不平衡沖擊而形成的結構應力。

　　經文獻調研，國內外關于非金屬基旋風內筒制備方面的專利，不外乎前面提到的已經試驗的幾種，但都沒有成功，處于實驗階段即已失敗。

　　5 柵欄式結構、高技術陶瓷新材料全陶瓷預熱器內筒的研制

　　5．1主要研究內容

　?。?）利用ANSYS、FLUENT等有限元分析軟件，對內筒單體板塊及整體結構進行優(yōu)化設計，通過對內筒裝置的溫度場、應力場進行模擬分析，獲得結構應力集中區(qū)域、關鍵連接件的應力分布等數(shù)值模擬預報信息，進而對其結構進行板塊化、模塊化設計，為結構優(yōu)化、材料研制提供方向。

　?。?）復合陶瓷材料的設計及制備工藝研究。一方面，材料不同組成方案、成型工藝、燒成溫度、氣氛、壓力對材料的強度及顯微結構的影響，建立該體系材料的成型、燒結理論并建立燒結動力學模型，為復合板塊的產業(yè)化生產工藝的確定提供理論指導。運用高技術精細陶瓷材料工藝技術，生產高性能陶瓷掛片及結構部件。

　　（3）材料持久耐用性、使用安全性研究，復合陶瓷內筒材料在使用過程中，自保護的形成過程及速度、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測。

　?。?）應用研究，內筒裝置的現(xiàn)場安裝、使用、維修等應用研究。

　　5． 2本項目的關鍵技術

　　復雜形狀復合陶瓷材料的低成本制造工藝技術。隨著科學技術的不斷發(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結構形狀復雜；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，以及風機的葉輪、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)化的生產廠家，如：美國的康寧公司，日本的昭和電工等。國內很多研究單位和企業(yè)也作了大量的工作，由于工藝落后，生產成本高，難以實現(xiàn)規(guī)?；a，產品質量也不穩(wěn)定。

　　本項目中如何解決特異型陶瓷材料的低成本生產工藝技術及材料結構均勻、低應力、高性能、高可靠性是產業(yè)化課題研究的關鍵。

　?。?）微觀結構均勻、低應力、近凈尺寸、特異型陶瓷材料生產成型、干燥、燒成工藝技術的研究，為今后特異型陶瓷材料部件的低成本生產奠定了基礎。

　　a）高固相含量/高流動性漿料制備技術

　　b）溫度場/磁場/力場交互作用條件下的成型技術

　　c）蒸汽保護/紅外干燥技術

　　d）復合陶瓷材料的氣氛保護燒結技術。為今后該材料的產業(yè)化奠定了基礎。

　　e）高技術精細陶瓷材料的無損探傷檢測及過程控制技術的研究。

　?。?）利用ANSYS、FLUENT等有限元分析軟件，針對陶瓷復合材料的特性對不同結構設計進行模擬應力分析。為今后無機非金屬結構陶瓷材料部件開發(fā)奠定了基礎。特別是特異型陶瓷材料模擬預應力分析。

　　不同結構形式—板狀掛件結構—弧型板層裝螺絲連接結構—豎梁橫板柵欄結構等模擬預應力分析。

　　不同連接方式—自由松動連接—剛性連接—柔性連接等模擬預應力分析。

　　5．3本項目達到的水平

　　經過多的歷程，我們成功的開發(fā)出柵欄結構高技術陶瓷材料陶瓷預熱器內筒（掛片），較好地解決了非金屬材料在預熱器內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，產品使用效果,技術性能指標，處于國內領先，達到國際先進水平，走在了世界的前沿。

　　科技成果：

　?。?）獲得實用新型專利4項

　　（2）申請發(fā)明專利4項

　?。?）成功開發(fā)出了國際首創(chuàng)的專利產品板式和柵欄結構兩個系列高技術陶瓷材料內筒（掛片）

　?。?)產品使用效果,技術性能指標,處于國內領先,達到國際先進水平!

　　5．4高技術精細陶瓷掛片材料性能

　　全陶瓷預熱器內筒是我公司為新型干法線窯前預熱系統(tǒng)研制的新型產品，該產品具有耐高溫、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對比如下：

　　5．5柵欄結構特點：

　　柵欄式結構, 能夠消化、緩解熱膨脹應力及由于旋風筒內氣固兩相形成的紊流撓動對結構的不平衡沖擊而形成的結構應力。個別掛片損壞，不影響整體內筒結構功能。

　　6、部分工程實例

　　冀東磐石水泥有限公司：

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

　　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筒替代耐熱鋼內筒，2009年10月2、4、5全部更換。

　　冀東涇陽水泥公司：

　　在對我公司生產制造情況，磐石使用情況等仔細考察后于2009年初日產5000噸線兩套五級筒用我公司全陶瓷內筒，四級筒用耐熱鋼。2010年3三月停產檢修，我公司全陶瓷內筒完好如初。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6000噸線三級筒用我公司全陶瓷內筒，2009年12兩套五級筒更換。

　　海螺集團：

　　狄港海螺水泥有限責任公司5000噸線于2010年7月安裝使用。

　　山水集團：

　　山水煙臺康達水泥有限公司5000噸生產線于2010年7月安裝使用。

　　7、用戶使用證明產品具有如下特點和功效:

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

　?。?）標準板塊化設計，通用互換性好，備件充足，重量輕，不需要任何專用設備，安裝檢修方便。

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

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

　?。?）陶瓷內筒材料經2000多度燒結，使用溫度達1300度以上，系統(tǒng)試運行等瞬間溫度過高內筒也不會受影響。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，我公司全陶瓷內筒在全球范圍內，首次成功實現(xiàn)了結構與材料的統(tǒng)一優(yōu)化。

　　8、經濟效益與社會效益

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

　　每條生產線平均每年減少一次因內筒脫落堵塞預熱器下料口導致的停產清理事故,據專家分析僅此一項 日產5000噸生產線將產生節(jié)能\環(huán)保\降耗等效益200萬元.，社會經濟效益高達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, 國家新興產業(yè)政策對環(huán)保/節(jié)能/新材料等產業(yè)優(yōu)先扶持，水泥行業(yè)節(jié)能\降耗\環(huán)保等方面任務艱巨,發(fā)展?jié)摿薮?，陶瓷新材料產業(yè)大有作為。我國自主研發(fā)的節(jié)能環(huán)保長壽命高技術陶瓷材料預熱內筒（掛片）將率先走在世界前列，與時俱進，與世界共享!