陶瓷金属复合技术在水泥厂循环风机叶轮上的应用

 【技术背景】

   在水泥生产过程中，循环风机承担着输送高温、高粉尘气体的重要任务。然而，其叶轮长期处于恶劣的工作环境中，遭受高速气流和硬质颗粒的冲刷磨损，导致设备维护频繁、使用寿命缩短、运行成本增加，严重影响了水泥生产的连续性和经济性。传统的防磨技术在应对如此极端的工况时，逐渐暴露出诸多局限性，难以满足现代水泥工业高效、稳定生产的需求。钛盾科技陶瓷金属复合技术的出现，为解决水泥厂循环风机叶轮磨损问题提供了新的思路和有效途径。通过将陶瓷材料的高硬度、耐磨性与金属材料的高强度、良好韧性及可加工性有机结合，陶瓷金属复合材料展现出**的综合性能，成为提升水泥生产设备可靠性和经济性的有力手段。

水泥厂循环风机叶轮磨损问题剖析

  循环风机在运行中叶轮不仅要承受高达100 - 300℃的高温气体，气体中还夹杂着大量硬度较高的粉尘颗粒，如水泥熟料颗粒、石英砂等。这些硬质颗粒在高速气流的裹挟下，持续不断地对叶轮表面进行冲刷，就如同无数微小的 “砂轮” 在打磨。据相关统计，在一些粉尘浓度高、工况恶劣的水泥厂，普通碳钢材质的循环风机叶轮，其平均使用寿命仅为 3 - 6 个月。叶轮磨损后，会导致风机性能大幅下降，如风量减少、风压降低，无法满足水泥生产工艺的要求，进而影响水泥的产量和质量。同时，叶轮磨损不均匀还会引发风机振动加剧，不仅缩短了风机其他部件的使用寿命，增加了设备故障率，甚至可能导致风机无法正常运行，被迫停机维修，给水泥厂带来巨大的经济损失。

磨损原因分析

1、冲蚀磨损：这是循环风机叶轮磨损的主要原因之一。风机运行时，含尘气体以较高的速度（通常在20 - 30m/s 甚至更高）流经叶轮，气体中的硬质颗粒具有较大的动能，它们不断撞击叶轮表面，使叶轮材料逐渐剥落。尤其是在叶轮的叶片进口边缘、叶片工作面以及后盘等部位，颗粒的冲击角度和速度不同，磨损程度也存在差异。一般来说，颗粒冲击角度在 30° - 60° 时，冲蚀磨损最为严重。在这些部位，硬质颗粒的反复冲击会使叶轮表面形成微小的凹坑和划痕，随着运行时间的增加，凹坑和划痕逐渐加深、扩大，最终导致叶轮材料大量流失。

2、腐蚀磨损：水泥生产过程中产生的气体成分复杂，除了大量的粉尘外，还含有如二氧化硫、氮氧化物等酸性气体。在高温、潮湿的环境下，这些酸性气体与水蒸气结合，会形成酸性腐蚀介质，对叶轮金属材料产生化学腐蚀作用。金属表面被腐蚀后，其组织结构和性能发生变化，表面变得粗糙，更容易受到粉尘颗粒的冲刷磨损，从而加剧了叶轮的损坏。例如，在一些湿法水泥厂，由于生产过程中水分含量较高，循环风机叶轮在运行一段时间后，表面会出现明显的锈迹和腐蚀坑，这就是化学腐蚀与冲蚀磨损共同作用的结果。

3.热疲劳磨损：循环风机在运行过程中，叶轮频繁经历温度的剧烈变化。启动和停机时，叶轮温度迅速上升或下降；正常运行时，由于气体温度分布不均匀，叶轮各部位的温度也存在差异。这种温度的频繁波动会使叶轮内部产生热应力，当热应力超过材料的疲劳极限时，叶轮表面就会产生裂纹。随着裂纹的扩展和连接，最终导致材料剥落，形成热疲劳磨损。在一些大型水泥厂，由于生产规模大，循环风机启停次数相对较多，叶轮的热疲劳磨损问题更为突出。

传统防磨措施的局限性

为了解决循环风机叶轮的磨损问题，水泥厂过去采用了多种传统的防磨措施，但这些措施都存在一定的局限性。

1.堆焊技术：堆焊是在叶轮表面熔敷一层耐磨合金材料，以提高叶轮的耐磨性。然而，堆焊过程中会输入大量的热量，容易导致叶轮产生变形，影响叶轮的动平衡。而且，堆焊层与叶轮基体的结合强度有限，在高温、高速气流和硬质颗粒的冲刷下，堆焊层容易脱落。此外，堆焊层的使用寿命相对较短，一般在 1 - 2 年左右，需要频繁进行堆焊修复，增加了维修成本和停机时间。

2.热喷涂技术：热喷涂是将耐磨材料加热至熔化或半熔化状态，然后高速喷射到叶轮表面，形成一层耐磨涂层。虽然热喷涂技术可以在一定程度上提高叶轮的耐磨性，但其涂层的孔隙率较高，在腐蚀性气体和粉尘的作用下，容易发生腐蚀和冲蚀，导致涂层失效。同时，热喷涂对设备和工艺要求较高，施工成本也相对较高。

3.涂覆高分子耐磨材料：涂覆高分子耐磨材料是在叶轮表面涂覆一层具有耐磨性能的高分子材料，如橡胶、聚氨酯等。这种方法施工相对简单，但高分子材料的耐高温性能较差，在水泥厂循环风机的高温环境下，容易发生老化、变形，导致耐磨性下降。而且，高分子材料与金属基体的结合力有限，在叶轮高速旋转和受到冲击时，涂层容易脱落。

综上所述，传统的防磨措施在应对水泥厂循环风机叶轮的复杂磨损工况时，难以达到理想的效果，迫切需要一种新的技术来解决这一难题。

金属陶瓷复合制造技术优势

  钛盾陶瓷金属复合技术突破传统技术壁垒，为水泥厂循环风机叶轮磨损问题提供了新的思路。它是通过特定的工艺方法，将陶瓷材料与金属材料紧密结合在一起，使复合材料兼具陶瓷和金属的优点。其结合方式主要有机械结合、物理结合和化学结合三种。机械结合是利用陶瓷材料与金属材料表面的微观粗糙度，通过机械镶嵌、铆接等方式实现两者的结合；物理结合则是借助范德华力、氢键等物理作用力，使陶瓷与金属相互吸附结合；化学结合是在一定条件下，陶瓷与金属之间发生化学反应，形成化学键，从而实现牢固结合。在实际应用中，通常会综合运用多种结合方式，以确保陶瓷与金属之间的结合强度。   例如，在常见的陶瓷贴片工艺中，首先会对金属叶轮表面进行预处理，如喷砂处理，以增加表面粗糙度，提高陶瓷片与金属的机械结合力。然后，选用合适的胶粘剂将陶瓷片粘贴在叶轮表面，胶粘剂在固化过程中，一方面通过分子间的物理作用力与陶瓷片和金属表面紧密结合，另一方面可能与陶瓷片和金属发生一定的化学反应，形成化学键，进一步增强结合强度。此外，还有一些先进的陶瓷金属复合技术，如采用激光熔覆工艺，将陶瓷粉末与金属粉末混合后，通过激光束的高能作用，使陶瓷与金属在瞬间熔化并相互扩散，形成冶金结合，这种结合方式的结合强度更高，能够更好地满足循环风机叶轮在恶劣工况下的使用要求。

常用陶瓷材料特性

1、氧化铝陶瓷：氧化铝陶瓷是水泥厂循环风机叶轮应用中较为常用的一种陶瓷材料。其具有高硬度、高耐磨性和良好的化学稳定性。一般来说，氧化铝陶瓷的硬度可达HRA84 - 92，远远高于金属材料，能够有效抵抗硬质粉尘颗粒的冲刷磨损。同时，氧化铝陶瓷在高温下化学性质稳定，不易与水泥生产过程中的酸性气体发生化学反应，具有较好的抗腐蚀性能。在 1000℃以下的温度范围内，氧化铝陶瓷能够保持良好的性能，满足循环风机叶轮在大多数工况下的使用要求。此外，氧化铝陶瓷的成本相对较低，来源广泛，具有较高的性价比。

2、碳化硅陶瓷：碳化硅陶瓷具有优异的耐高温、高强度和高耐磨性。其硬度可达HRA90 - 94，比氧化铝陶瓷还要高，在高温、高速气流和硬质颗粒的冲刷下，表现出**的耐磨性能。碳化硅陶瓷的热导率高，热膨胀系数低，具有良好的热稳定性，能够承受较大的温度变化而不发生开裂。在水泥厂循环风机叶轮工作的高温环境中，碳化硅陶瓷能够保持稳定的性能，有效延长叶轮的使用寿命。然而，碳化硅陶瓷的制造工艺相对复杂，成本较高，限制了其在一些对成本较为敏感的场合的应用。

3、氮化硅陶瓷：氮化硅陶瓷具有高强度、高硬度、高耐磨性和良好的抗热震性。其硬度一般在HRA88 - 92 之间，在高温下仍能保持较高的强度，可承受 1300℃以上的高温。氮化硅陶瓷的自润滑性能较好，能够降低粉尘颗粒与陶瓷表面的摩擦系数，减少磨损。此外，氮化硅陶瓷对大多数化学物质具有惰性，抗腐蚀性能优良。在水泥厂循环风机叶轮的应用中，氮化硅陶瓷能够有效应对高温、高粉尘和腐蚀性气体的综合作用，但其成本也相对较高，且加工难度较大。

复合工艺方法

粘贴法：粘贴法是将预先加工好的陶瓷片通过胶粘剂粘贴在金属叶轮表面。这是一种较为常用且操作相对简单的复合工艺方法。在粘贴前，需要对金属叶轮表面进行严格的预处理，包括清洗、脱脂、喷砂等，以去除表面的油污、铁锈和杂质，增加表面粗糙度，提高胶粘剂与金属表面的附着力。同时，要选择合适的胶粘剂，胶粘剂应具有高强度、耐高温、耐老化和良好的柔韧性等性能。在粘贴过程中，要确保陶瓷片之间的缝隙均匀，粘贴牢固，避免出现空鼓、气泡等缺陷。粘贴法的优点是工艺简单、成本较低，适用于各种形状和尺寸的叶轮。但其缺点是胶粘剂在高温、高湿度环境下可能会老化，导致陶瓷片与金属基体之间的结合强度下降，影响使用寿命。

焊接法：焊接法是通过焊接工艺将陶瓷与金属连接在一起。常见的焊接方法有钎焊和扩散焊等。钎焊是利用熔点低于陶瓷和金属的钎料，在加热到一定温度后，钎料熔化并填充在陶瓷与金属的间隙中，通过毛细作用和冶金反应实现两者的连接。扩散焊则是在高温、高压下，使陶瓷与金属原子相互扩散，形成牢固的结合。焊接法的优点是结合强度高，能够承受较大的冲击力和剪切力，适用于对结合强度要求较高的场合。但焊接工艺对设备和技术要求较高，操作难度较大，且焊接过程中可能会对陶瓷和金属材料的性能产生一定影响，导致成本增加。

镶嵌法：镶嵌法是将陶瓷材料镶嵌在金属基体的预制凹槽中，然后通过机械加工或其他方法使陶瓷与金属紧密配合。这种方法可以充分发挥陶瓷的耐磨性能，同时利用金属的强度和韧性。在镶嵌过程中，要确保陶瓷与金属之间的配合精度，避免出现间隙过大或过小的情况。镶嵌法的优点是陶瓷与金属的结合较为牢固，不易脱落，且可以根据叶轮不同部位的磨损情况，有针对性地镶嵌不同类型和尺寸的陶瓷材料。但其缺点是加工工艺复杂，对设备和操作人员的要求较高，成本也相对较高。

应用案例介绍

  金隅冀东水泥厂拥有多条水泥熟料的生产线，其循环风机在运行过程中，叶轮磨损问题严重，平均每4 - 6 个月就需要进行一次维修或更换叶轮，不仅增加了生产成本，还影响了生产的连续性。为了解决这一问题，该厂采用了钛盾科技金属复合粘贴技术，在施工中严格按照工艺要求对叶轮表面进行预处理，选用了耐高温、高强度的胶粘剂，并由专业施工人员进行陶瓷片的粘贴操作。改造完成后，循环风机经过一年多的运行，叶轮磨损情况得到了显著改善。经检查，陶瓷片仅有轻微磨损，叶轮的金属基体基本未受到磨损，风机的运行稳定性和可靠性大幅提高，提高了生产效率。

  山水水泥厂在新建生产线时，直接选用了采用陶瓷金属复合技术制造的新型循环风机。该风机叶轮采用焊接法将氧化铝陶瓷与金属基体复合在一起，在设计上充分考虑了气流分布和叶轮的受力情况，优化了叶轮的结构。在实际运行过程中，该新型循环风机表现出了**的性能。在高温、高粉尘的恶劣工况下，风机运行平稳，风量和风压稳定，能够完全满足水泥生产工艺的要求。经过两年的运行监测，叶轮的磨损量极小，陶瓷与金属的结合部位依然牢固，未出现任何脱落现象。

结语：

  通过在循环风机叶轮表面复合陶瓷材料，叶轮的耐磨性得到了极大的提高。以氧化铝陶瓷复合叶轮为例，由于氧化铝陶瓷的高硬度和优异的耐磨性能，能够有效抵抗粉尘颗粒的冲刷磨损，使叶轮的耐磨寿命较普通金属叶轮提高了 3 - 10 倍。在实际运行中，经过长时间的使用，陶瓷片表面的磨损量极小，能够很好地保护叶轮的金属基体，减少了因磨损导致的叶轮更换次数，降低了设备维护成本。

循环风机在采用陶瓷金属复合技术时，要根据水泥厂循环风机叶轮的具体工作工况，如温度、粉尘浓度、颗粒硬度等，合理选择陶瓷材料和金属基体材料，并确保两者之间具有良好的匹配性。如：在高温、高磨损的工况下，可选择碳化硅陶瓷或氮化硅陶瓷与耐高温金属基体复合；在温度相对较低、粉尘浓度较大的工况下，氧化铝陶瓷与普通金属基体复合可能更为合适。同时，要考虑陶瓷材料与金属基体的热膨胀系数差异，尽量选择热膨胀系数相近的材料，以减少在温度变化过程中因热应力导致的陶瓷与金属之间的开裂或脱落。