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工业微晶在绿色生态建设中的特殊作用

工业微晶在绿色生态建设中的特殊作用

作者:范丽荣 王长林    来源:中国建材    发布时间:2020-08-14 15:19    浏览量:
       十九大报告提出:建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计。根据国家统计数据,我国工业固废年产生量已经连续多年超过30亿吨,但平均综合利用率仍在60%以下。目前堆存的尾矿已达200亿吨之多,而且还在以每年10亿吨的速度增加,这些固废侵占大量农田,破坏地貌、植被,污染水源和土壤,堵塞河道,在雨季极容易形成塌坝、泥石流等灾害,对生态环境破坏极大。面对这些情况,我们迫切需要发展绿色生态建设产业,开辟固废综合利用的多种途径。
 
       工业微晶产业的兴起与分类
       微晶玻璃是以晶核体为框架,以少许非晶体为填充料,经高温熔化,再经成形、核化、晶化、退火而形成的一种具有耐磨、耐腐蚀、耐冲击等多种性能的无机非金属复相新型材料,工业微晶70%的原料为各类尾矿,生产过程使用电、天然气等清洁能源,被广泛用于钢铁、造纸、建材等行业的工业防护,在绿色生态建设中发挥着特殊的作用。
      上世纪50年代国外在微晶玻璃成分研发和理论研究方面都取得了显著的成果。全球主要研究与生产微晶玻璃的企业有美国康宁、苏联乌克兰微晶厂、日本旭硝子、德国肖特等,他们是利用矿渣生产建筑用微晶玻璃。我国的微晶攻关始于上世纪70年代,先后在湖南、安徽、江苏、湖北建设了生产基地,经20多年攻关,均因未能突破成形关键技术而停止。晶牛微晶集团股份有限公司(以下简称“晶牛微晶”)于1992年组建了国内企业首家微晶研究所,经过多年的生产实践,成功研发了微晶系列产品,并得到广泛应用。
       当前,工业微晶产品按微晶相的形貌尺寸,分为毫米级微晶、微米级微晶、纳米级微晶三种;按成形方法,分为压延、浮法、浇注三种。工业微晶产品主要有压延微晶(微米级、压延成形)、四耐微晶(毫米级、浇注成形)和低膨胀透明微晶(纳米级、压延或浮法成形)。
 
       工业微晶在绿色生态建设中的特殊作用
       常规的工业防护材料有钢材、高分子、铸石等,他们各有其优点和缺陷,但近年来,由于工业微晶拥有更为优越的综合性能而得到广泛应用。
       压延微晶具有耐磨、耐腐、耐冲击、重量轻、不吸水、摩擦系数小等优点,且表面越磨越光滑,被广泛用作钢铁、煤炭、电力、造纸、建材等行业的料仓、溜槽等设备的内衬。该种材料可防止内衬表面粘料,甚至棚仓。如用于玻璃生产设备混合机内衬通常使用锰钢,这种材料粘料严重,需经常清理,此外锰钢磨蚀下来的铁会进入配合料,若生产白玻可能会影响玻璃的白度和透光度。如使用压延微晶内衬不粘料,不需清理,玻璃颜色不会受影响。压延微晶作为钢筋混凝土筒仓内衬,有逐渐替代传统防护材料的趋势。
       低膨胀透明微晶热膨胀系数很小,耐1200 ℃的高温,适合作为锅炉、高温炉、窑炉等生产设备观察孔上的玻璃,便于观察设备内部运行情况,还可用于挡火。玻璃窑炉在炉膛设有若干敞开式火焰观察孔,热量散失多,容易烧伤工作人员;若使用低膨胀透明微晶全封闭式观察孔,则观察清晰,无隐患。
       四耐微晶是CNSi基复合相耐磨防腐材料,以碳化硅、氮化硅、硅酸锆、石英等为主要原料,经注浆或压制成形制成坯体后,在1400℃~1500℃的温度下,经高温氧化反应形成的复相微晶材料。碳化硅的硬度很大,莫氏硬度为9.5级,仅次于世界上最硬的金刚石(10级)。碳化硅化学性能稳定、耐磨性能好。氮化硅耐磨损,能抵抗冷热冲击。硅酸锆化学稳定性好,能显著改善产品成形坯体的结合性能,保证了产品优异的四耐性能。
       这些新型工业微晶防护材料,正在逐渐取代常规工业防护材料,特别是在水泥、造纸、水电等行业发挥着其特殊的性能。
 
       水泥行业
       水泥行业应用最多的是四耐微晶。水泥生产中预热器、篦冷机、窑尾烟室等部位内衬表面易形成结皮。预热器下料管内表面结皮,导致由下向上的热气流受到阻碍,不能直接与生料粉充分接触,预热效率降低,严重时甚至停产。面对这种情况通常会采用空气炮、高压水枪等清理,但这种处理方式工作强度大且不安全,全国预热器部位烫伤人员不下百人次。四耐微晶内衬不产生结皮,比以前增大了有效工作空间,且不需清理结皮的设施,减少了清理结皮工序,避免事故发生。四耐微晶内衬已在国内多家水泥生产企业成功应用。
       四耐微晶也适用于协同处置。我国西南某水泥企业将协同处置的脱硝器、热盘炉内衬全部更换为四耐微晶后,解决了水泥生产吃长江污泥固废的结皮难题,经济效益可观。
       高温下四耐微晶与水泥生料不发生反应,是四耐微晶内衬高温不结皮的根本原因。
 
       造纸行业
       微晶整体脱水设备采用晶牛集团自主研发的压延微晶为基材,经高精度铣平及镜面级抛光后,高精度数控设备加工,同时辅以高强度、耐腐优质铝合金支架总装而成。
       造纸的成形板、刮水板原来多用若干陶瓷条拼接在载体上,陶瓷条之间接缝多,陶瓷条与载体膨胀系数不同,导致接缝变化,接口出现不平产生尖刃,陶瓷条变成“陶瓷刀”,很快划损网子。而微晶整体脱水设备整板无接缝、耐磨防腐、表面光滑,不会使网子变形,同时摩擦系数小,网部驱动力消耗明显下降。宁夏美利纸业1760型纸机生产复印纸、胶版纸等,使用国产氧化铝陶瓷,网子寿命5d~7d/条,改为微晶整体脱水设备,网子寿命可达60d~90d/条。据测算,该公司8条生产线装备微晶产品后,节约了网子费用和停机时间,每年创效达100多万元。微晶整体脱水设备常用于文化纸、包装纸的生产,尤其是在钞票纸、护照纸等应用后,图案更加清晰。已用于国内300多家造纸企业的网部脱水,省网、省电、提质、增产。
       压延微晶之所以被誉为“造纸行业的二次革命”,一是热膨胀系数很小,为7.55×10-6/℃(30℃~300℃),整板不易变形;二是耐磨耐腐,越磨越光,寿命长。图1为微晶造纸设备生产流程图,压延微晶可用作造纸成型板、刮水板、低、高真空板、毛布吸水板等的工作面。
 
       水电行业
       在高速水流作用下,水力发电行业的水工建筑物破坏的主要因素是流道脉动压力和空蚀冲击。如果水流挟沙、裹石,流道的工作条件则更为恶劣。通常泄洪流道抗冲层会被快速剥离,进而影响水工建筑物结构安全。国内尚没有理想材料能够在流道抗冲层使用多年,一般是每年修好抗冲层,汛期一过就被冲蚀得无法再用。四川美姑河水电公司坪头水电站泄洪闸下游斜坡段表层采用硅粉混凝土,每个汛期后等强同材质修补后又被全部冲毁,局部冲深达960mm~1100mm,严重威胁建筑物安全。2018年该水电站采用四耐微晶作为抗冲层,经2018年、2019年两个汛期后,抗冲层仍平整顺畅,完好无损,水电站泄洪闸斜坡段抗冲层使用四耐微晶前后比较如图2所示,(a)为2017年10月,汛期后未装微晶时状况,(b)为2019年11月,安装微晶经两个汛期后状况。业内专家推测,四耐微晶抗冲层使用寿命可能达到7~9年。
 
       国家政策与前景展望
       近年来,国家多部委出台了一系列利于工业微晶产业的免征、减免税等优惠政策,推进多种工业固废综合利用。
       2018年5月,工信部发布了《工业固体废物资源综合利用评价管理暂行办法》和《国家工业固体废物资源综合利用产品目录》,按照有关规定,申请暂予免征环境保护税,以及减免增值税、所得税等相关产业扶持优惠政策。
       2019年1月,国家发改委办公厅、工信部办公厅联合印发了《关于推进大宗固体废弃物综合利用产业集聚发展的通知》(发改办环资〔2019〕44号),探索建设一批具有示范和引领作用的综合利用产业基地,包括尾矿在内的大宗固体废弃物成为重点。
       垃圾焚烧会产生飞灰,飞灰污染物氯含量高,包含重金属和二噁英,极有可能随垃圾渗滤液进入地下水,严重影响生态环境。据测算,2020年国内垃圾焚烧产生的飞灰将达1000万吨。当前国内飞灰的处置方式有水泥窑协同处置、固化/稳定化——填埋处理等。飞灰中含有氧化钙、氧化硅、氧化镁、氧化铝等化学组分,与工业微晶生产所需要的原料基本相符,有望通过试验试制出“吃飞灰”的工业微晶。
       压延微晶生产不仅使用铁尾矿、铜尾矿等数量较大的尾矿,而且将通过试验,引入金、钽铌尾矿等多种金属尾矿以及铬渣等,这对生态环境具有重要意义。铬渣中主要是可溶性铬酸钠、酸溶性铬酸钙等含有的  Cr6+对人体毒害很大,危害人体的消化道、呼吸道等,更甚者有致癌作用。通过试验将多种尾矿、矿渣引入原料生产微晶材料,变废为宝,是今后压延微晶的研发方向。
       工业微晶产品已在水泥、造纸、水电等行业广泛应用,可以看出工业微晶在绿色生态建设中发挥了延长设备寿命、节能降耗、减少劳动强度、压缩工序、提质稳产等作用,是工业防护的理想材料,对相关行业的转型升级、技术进步起到了积极的推动作用。不仅如此,工业微晶还可实现最大量消纳固废,解决尾矿、矿渣严重破坏生态环境等问题,可减少锰钢、铬钢、不锈钢、铝合金、陶瓷等危废、固废的排放。另外,工业微晶的电、光、热、磁等新特性还有待开发新的应用领域,比如医疗领域的消毒、取暖,消防领域的隔热等。
       随着国家对工业微晶生产的优惠政策支持,通过不断地研发和探索,笔者相信,工业微晶将会在更多的领域推广应用,也必将在绿色生态建设中发挥不可替代的特殊作用。

     ----转自《中国建材》 作者:范丽荣  王长林  范海娥  王占英

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