年产5000吨低成本高可靠性纳米微晶陶瓷产业化技术可行性研究报告样本.doc

年产5000吨低成本高可靠性纳米微晶陶瓷
产业化技术可行性研究汇报

湖南大学材料科学和工程学院
10月

一、 总 论

（一）项目概述
本项目以天然矿物和冶金工业废渣为关键原料，经过材料设计方法，采取高温溶胶－凝胶工艺和原位受控晶化技术，在高性能低成本纳米陶瓷制备技术方面取得了突破，是一项属于中国首创制备纳米陶瓷制品新工艺、新技术，含有很好产业化前景。
用该项技术制备高耐磨纳米微晶陶瓷结构均匀致密，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20％，可机加工性和耐腐蚀好，可广泛用作含有高附加值耐磨结构材料，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吨纳米微晶陶瓷中试生产线。该中试生产线工艺步骤及关键设备设计和5000吨产业化生产线基础相同，可同时或单独使用电和液化气两种能源，工艺参数调整范围大，以适应不一样产品对工艺条件需要。现在用该中试生产线已成功制备了多种规格研磨球和耐磨衬片。该技术另一关键特点是：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整，市场应变能力强。纳米微晶陶瓷制品制造成本不到氧化铝陶瓷30％，另外，可利用工业废渣，有利于环境保护和社会经济可连续发展。
建设一条年产5000吨纳米微晶陶瓷生产线，项目总投资需3660万元（含25％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）。可生产关键产品为高性能耐磨结构陶瓷系列产品，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）立项意义及必需性
纳米材料因为含有很多独特优异性能而成为现代材料科学研究热点。现在在纳米粉末制备技术方面取得了很大进展，多种纳米粉末已开始工业化生产并取得日益广泛应用。然而，用纳米粉末来制备纳米陶瓷时，因为纳米粉末活性很高，高温烧结时晶粒生长很快，绝大多数情况下取得不是纳米陶瓷，而是亚微米甚至微米陶瓷。只有采取热压、热等静压烧结或小试样快速等温烧结，才可能取得致密烧结块体纳米陶瓷。在这种工艺条件下，一是对烧成设备技术要求很高，二是极难制备复杂形状和大尺寸纳米陶瓷制品。所以，开发一个高性能低成本纳米陶瓷制备新技术，是使纳米陶瓷制品实现产业化并取得广泛应用关键。
本项目所开发纳米陶瓷制品是一个较理想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结构材料，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，对提升传统耐磨结构材料可靠性和技术含量，推进机械制造、化工、轻纺等相关产业技术进步有主动意义。另外，本项目可利用工业废渣来制备纳米陶瓷，是一项集新材料研制、固体废弃物再生利用和环境保护于一体含有显著社会经济效益和推广应用价值课题，对提升冶金工业废渣利用率和附加值，降低其对环境污染压力含相关键意义。
（三）项目标技术特点及水平
本项目利用材料设计理论，采取高温溶胶－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关键原料，先将粗颗粒原料熔制为均质玻璃体，然后从玻璃中原位析出晶相含量达90％以上，晶粒为50~200nm纳米级晶粒。经过大量试验和理论分析，现在已成功地开发了多个纳米微晶陶瓷制品，并能从组成和微晶化工艺方面来有效控制晶相组成、晶粒大小及晶相含量，测试了该材料力学性能和摩擦学性能，卓有成效地开展了很多含有原创性研发工作，技术水平属国际首创，为高性能低成本纳米微晶陶瓷产业化奠定了坚实基础。
本项目开发纳米微晶陶瓷达成以下技术质量指标：
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，磨损率小于同规格玻璃微珠50％。

（四）项目实施产业化优势和风险
本项目在国家自然科学基金和湖南省中青年人才基金资助下，开展了较系统和深入基础研究，取得了含有很好产业化前景试验研究结果。在国家高效磨削工程技术研究中心产业化投资基金支持下，已完成了中试研究和部分产品开发，试制产品经投入市场实际应用，用户对其耐磨损和耐腐蚀性能十分满意，达成了预期效果。本项目实施产业化优势在于：
1、采取高温溶胶－凝胶工艺和原位受控晶化技术来制备纳米微晶陶瓷新工艺属国际首创，技术含量高，含有技术优异优势；
2、采取天然矿物和工业废渣为关键原料，廉价易得，含有原材料成本低优势；
3、高温溶胶－凝胶工艺源于玻璃制备工艺，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制备工艺，关键在析晶速度和晶粒大小控制方面取得了突破性结果，是微晶玻璃制备技术提升和进步，所以，采取工艺技术路线含有良好工业基础优势；
4、可利用工业废渣，有利于环境保护和资源再生利用，符合国家环境保护和产业化政策；
5、可开发产品品种多，性能价格比大大优于同类产品，含有很好市场竞争力和抗市场风险优势。
本项目在产业化实施过程中关键风险是因为玻璃料组成有别于其它玻璃料，玻璃熔体成形温度范围窄，对成形一些复杂形状产品有一定技术难度。

二、项目技术可行性和成熟性分析
（一）项目标技术创新点
1、首创了由非晶固体原位晶化制备纳米陶瓷新技术
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，是一个完全不一样于高温烧结法纳米陶瓷制备新技术。因为该技术可从工艺路线上根本处理纳米粉末起源、粉末团聚和分散性、高温烧结时致密化和晶粒长大等一系列传统陶瓷制备技术中难以处理科学和工程化问题，是最具产业化前景高性能低成本纳米陶瓷制备新技术。
2、取得了低成本连续生产纳米晶陶瓷制品新工艺
纳米陶瓷即使含有很多优异性能，但高昂制备成本和难以控制晶粒尺寸是制约其广泛应用关键。本项目采取天然矿物和工业废渣为关键原料，且可用几十目标粗粉末，综合原料成本可控制在1000元／吨以内，且可连续工业化生产，使纳米微晶陶瓷产业化生产成本可降至2500元／吨以内，和一般陶瓷相当，为95氧化铝陶瓷30％。
3、实现了晶相组成、晶粒大小和晶相含量控制技术
用本项目制备纳米微晶陶瓷，其晶相组成、晶粒大小和晶相含量可经过材料组成设计、工艺参数调整来较正确地控制，以满足不一样应用条件对材料性能要求。
（二）项目标技术成熟性和产品可靠性
本项目是在国家自然科学基金和湖南省中青年人才基金资助下完成。近五年来，项目责任人肖汉宁教授领导研究小组开展了较系统和深入基础研究，尤其是在玻璃料组成设计、晶核剂选择及作用机理、核化晶化工艺制度等方面进行大量而系统试验研究，已取得含有很好产业化前景研究结果。该项结果已经过中试研究和新产品开发，基础处理了在产业化过程中可能出现工艺和装备设计等问题，并成功开发了多种规格研磨球和耐磨衬片，产品经用户试用，对其耐磨损和耐腐蚀性能十分满意。另外，因为制备纳米微晶陶瓷含有十分致密且均匀显微结构，产品性能比烧结陶瓷含有更高可靠性。
本项目标另一关键优势是在原料和工艺技术路线选择上从一开始就充足考虑了产业化问题，即原材料廉价易得和工艺技术成熟可靠性。项目采取天然矿物和工业废渣为关键原料，且全部添加原料全部是国产化工原料，符合廉价易得标准。高温溶胶－凝胶工艺源于玻璃制备工艺，自动化程度高，成熟可靠，玻璃池窑和相关成形设备已经有专业制造企业，其技术水平靠近国外优异水平。原位受控晶化技术借鉴了微晶玻璃制备工艺，关键在析晶速度和晶粒大小控制方面取得了突破性进展，是微晶玻璃制备技术提升和进步，相关设备可由玻璃和陶瓷行业专业设备厂制造。所以，采取工艺技术路线含有良好工业基础，工装设备有定型产品或由专业制造厂承制，含有显著优异性和成熟可靠性。
因为本项目已完成中试研究和部分产品开发，且中试生产线工艺技术路线和本项目拟建设5000吨产业化生产线相同，所以，中试结果取得产业化应用前景很看好，已经有包含世界500强之一美国Molex企业在内中国外多家企业在探讨该项目标产业化合作事宜，亲密关注着该项目标进展。
三、项目产品市场调研和竞争力估计
项目开发纳米微晶陶瓷是一个机械和化学性能优异新材料，可在高温、腐蚀、无润滑等恶劣环境下用作耐磨结构材料，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个优良电子结构陶瓷，可替换滑石瓷和氧化铝陶瓷用作电子装置用多种绝缘子、管座、电阻基体和密封外壳等。和其它材质同类产品比，纳米微晶陶瓷性能价格比更高，市场竞争能力强，经济效益显著。现在中国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关键依靠进口，年进口额超出600万美元。纺织瓷件中摩擦轮和导线轮年进口额也在500万美元以上。
本项目采取玻璃熔制和微晶化设备可开发一系列结构陶瓷制品，产品品种可依市场需求灵活调整，抗市场风险能力强。因为该项目采取关键原料是天然矿物和工业废渣，该结构陶瓷制品制造成本不到氧化铝陶瓷30%。另外，利用了工业废渣，有利于环境保护和社会经济可连续发展，可享受国家对环境保护产业各项优惠政策。
本项目拟开发以下产品，对其进入市场竞争力和价格定位调研结果分述以下：
微晶陶瓷研磨体：关键用作精细化工、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，也可应用于化工反应塔中填料。和现在市场上使用玻璃质研磨体、一般陶瓷质研磨体、氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷研磨体比，其关键技术经济指标对比如表1所表示。显然，微晶陶瓷研磨体具更高性能价格比，进入市场竞争力强，可很快成为研磨体市场新宠。
表1 多种陶瓷研磨体性能及市场售价
性能指标
纳米微晶陶瓷
玻璃
一般陶瓷
氧化铝
氧化锆
体积密度，g/cm3
2.7~2.8
2.45~2.8
2.4~2.8
3.4~3.6
5.7~6.0
显微硬度，GPa
10~12
6.0~7.2
6.5~7.5
13~15
11~14
抗压强度，MPa
1200~1500
300~400
400~700
1600~
~2500
相对磨损率
1
3~4
2~5
1.5~3
0.8
市场售价，元/kg
10~12
3.5~18
8~10
30~50
180~200
耐磨陶瓷衬片：关键用作工业球磨机内衬、火电厂输送煤粉管道内衬、输送泥砂或水泥砂浆管道内衬和多种需要耐摩损耐腐蚀内衬材料。现在关键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／吨价格进入市场，可取得显著经济效益和社会效益。
微晶陶瓷纺织瓷件：包含陶瓷摩擦片、导线轮和止捻器。现在纺织机械用陶瓷部件材质关键是氧化铝和氧化锆两种类型。氧化铝陶瓷硬度高，但晶粒尺寸较大，通常为5~10mm，残留气孔率也在2％左右，所以其表面光洁度和耐磨性全部不太理想。氧化锆陶瓷硬度较低，但晶粒尺寸为0.5~1mm，残留气孔率可小于1％，用作纺织瓷件时含有自润滑性，所以，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。本项目开发纳米微晶陶瓷比氧化锆陶瓷晶粒更细小，结构更致密，硬度相近，一样含有自润滑性，所以，是制造纺织瓷件更理想新材料，而且同规格纳米微晶陶瓷部件售价只是氧化铝陶瓷60％，氧化锆陶瓷30％左右，进入国际市场潜力也很大。
电子结构陶瓷：关键替换滑石瓷和氧化铝陶瓷用作电子装置用多种绝缘子、管座、电阻基体和密封外壳等。因为本项目采取工艺技术路线含有生产效率高、产品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，且有利于提升电子元器件稳定性和可靠性，在市场开拓中也含有显著优势。
纳米微晶陶瓷还可广泛应用于其它耐磨损、耐腐蚀领域，如化工行业阀门、管道，催化剂载体等。总而言之，用本项技术制备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，进入市场竞争能力强。
四、项目建设内容及投资预算
项目标总体目标是建设一条年产5000吨低成本高可靠性纳米微晶陶瓷制品生产线，实现纳米陶瓷制品连续和自动化生产。
项目标建设内容包含生产线总体设计、设备选型和制造，生产线建设施工，设备安装调试，试生产并处理对应生产工艺技术问题，稳定生产工艺和产品质量，达成设计产量和质量指标。
项目标投资总额为人民币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。关键设备名称及价格预算如表2所表示，在设备选型时应重视设备优异性和可靠性，关键设备或部件进口。
表2 5000吨纳米微晶陶瓷生产线关键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）
1
15m2玻璃池窑
1座
160
160
2
2m2电熔玻璃池窑
1座
35
35
3
全自动晶化辊道窑
3座
45
135
4
自动配料混料系统
1套
26
26
5
自动给料机
1台
7
7
6
玻璃制球机
10台
3.6
36
7
出料用铂金加热器
10台
4.2
42
8
数控磨床
3台
30
90
9
玻璃模压成型机
2台
48
96
10
抛光机
10台
6
60
11
精密磨床
6台
15
90
12
一般车床
5台
12
60
13
运输车辆
3台
16
48
14
检测设备
16台套

125
15
其它设备
32台套

370
16
合 计

1380

五、效益分析
本项目采取玻璃熔制和微晶化设备可同时制备多个纳米陶瓷制品，产品品种可依市场需求灵活调整，抗市场风险能力强。因为该项目采取关键原料是天然矿物和工业废渣，该纳米微晶陶瓷制品制造成本不到氧化铝陶瓷30％，另外，利用了工业废渣，有利于环境保护和社会经济可连续发展，可享受国家对环境保护产业各项优惠政策。
本项目上马后，可依据市场需求调整多种产品产量，并含有深入开发新产品能力。本项目拟开发以下产品，其产量、产值和预期经济效益可归纳如表3所表示，产品价格定位以性能价格比和市场竞争力为依据。按表3中所列产量计算，该生产线可实现年产值10500万元，年利税3420万元，含有技术含量高，投入产出比高，产品品种多，制造成本低，抗市场风险能力强等特点，其经济效益和社会效益显著。
表3 纳米微晶陶瓷产品及效益分析
产 品 名 称
计算单位
年产量
总成本
（元）
销售价（元）
产值
（万元）
利税
（万元）
微晶陶瓷微珠、研磨体
吨
3000
6700
10000
3000
990
高强度耐磨衬片
吨
1000
7750
1
1200
425
纺织机械用陶瓷摩擦轮
片
40万
35
50

600
纺织机械用陶瓷导线轮
个
30万
28
45
1350
510
纺机用止捻器
个
10万
77
115
1150
370
电子结构陶瓷
件
1500万
0.85
1.2
1800
525
合 计

10500
3420