水泥工業提升機料斗超高分子量聚乙烯襯板選型及應用

高亞龍， 王 愷， 楊學鋒， 李萬洋， 許阿利， 胡國棟， 王秒秒

(1. 濟南大學機械工程學院， 山東濟南250022； 2. 青島塑發新材料有限公司， 山東青島266228；3. 山金重工有限公司， 山東煙臺264000； 4. 青州中聯水泥有限公司， 山東青州262506)

隨著中國建筑行業蓬勃發展， 水泥用量穩步增長。 2020年我國水泥產量為23.77億t， 同比增長1.6%[1]， 占世界水泥產量的57%左右。 水泥在生產過程中， 多采用提升機運輸物料，以節約空間， 降低成本， 提高運輸效率。 提升機料斗材料以Q235鋼為主，運輸熟料、 石灰石、 脫硫石膏混合料時，發生受潮結塊、 腐蝕、 磨損等問題，嚴重影響生產效率，且維護成本高。超高分子量聚乙烯(UHMV-PE)材料的比模量、比強度都很高[2]，它的極高的分子量使其性能十分優異。該材料耐腐蝕、 耐磨、 耐沖擊，還可通過改性技術獲得其他性能[3]，特別適用于易磨損的機械零件[4]。UHMV-PE材料一般采用模壓成型法加工制備[5]， 主要制品有板材、 管材、 薄膜等，廣泛應用于醫療[6-7]、 軍工[8-9]、 建筑[10]行業及日常生活[11-13]。UHMV-PE材料制品用于水泥工業時，一般用于物料輸送，如果將UHMV-PE材料襯板用于提升機料斗，利用該材料的耐磨、 耐腐蝕、 摩擦系數低等性能，可以很好地解決提升機料斗積料、腐蝕及磨損等諸多問題。 TIVAR材料是以超高分子量聚乙烯材料為主要原料， 以石墨為添加劑制成的一種特種超高分子量聚乙烯材料， 添加劑的加入使得該材料表面吸附力很弱， 脫模性極佳， 適用于黏性散裝材料(石膏、 石灰巖、 碎石等)的輸送， 是水泥工業提升機料斗襯板的理想材料[14]。 本文中將TIVAR材料制成的襯板用于提升機料斗， 并通過實驗分析該材料為水泥生產帶來的各項優勢。

1 襯板材料選型

實驗選用了3種超高分子量聚乙烯材料襯板， 分別為GK01襯板、 DW402P襯板、 TIVAR襯板， 通過實驗來分析這3種材料的各項性能， 并從中選擇最優的材料作為料斗襯板材料。

圖1為超高分子量聚乙烯材料襯板的磨損率。 由圖可以看出， 相較于GK01、 DW402P材料， TIVAR材料的磨損率極低， 使得TIVAR材料具有十分優良的耐磨性。 在無潤滑條件下，超高分子量材料的動態摩擦系數如圖2所示。 TIVAR的動態摩擦系數為0.15～0.3， 相較于GK01材料的動態摩擦系數波動更大， 相較于DW402P材料的波動更小， 動態摩擦系數適中, 更適合作為提升機料斗材料。 此外， TIVAR材料的密度為0.93 g/cm3, 比芳綸纖維低33%， 比碳纖維低50%， 且TIVAR材料內含添加劑， 使得表面吸附力很弱， 脫模性極佳， 適用于黏性散裝材料(石膏、 石灰巖、 碎石等)的輸送， 是水泥工業提升機料斗襯板的理想材料[14]。 故此， 我們最終選用QUADRANT公司研制的TIVAR材料用于提升機料斗襯板。

圖1 UHMV-PE襯板材料磨損率Fig.1 Wear rate of UHMV-PE liner material圖2 UHMV-PE襯板材料動態摩擦系數(無潤滑)Fig.2 Dynamic friction coefficient of UHMV-PE liner material (without lubrication)

2 超高分子量聚乙烯材料的優勢

2.1 料斗壽命延長

2.1.1 耐磨性

超高分子量聚乙烯材料是線性分子結構， 性能基礎為分子量， 分子量越高大分子鏈間相互作用力越強， 所以分子量越大越耐磨[15]。 TIVAR材料的分子量高達9×106g/mol， 是已知最耐磨的工程塑料。 TIVAR材料的耐磨損機理與一般材料截然不同，該材料靠本身黏彈性以及極低的摩擦系數來緩沖磨損，而不是靠硬度。表1為23 ℃下TIVAR材料機械性能，通過ISO 527-1-2012實驗方法測得的各項數值表明，該材料在工程塑料中有著極佳的機械性能。

圖3為TIVAR材料的SEM圖像及能譜圖。為了確定TIVAR材料中的其他成分，在圖3 a)中3個位置(點49、 點50、 點51)進行能譜分析。圖3 b)、 3 c)、 3 d)表明該材料中的C元素占比很高，結合圖3 a)分析得出，層片狀的石墨呈波浪狀均勻分在TIVAR材料中，石墨作為良好的固體潤滑劑，減少了物料與襯板的直接接觸，增強了TIVAR材料的脫模性及自潤滑性。

表1 TIVAR材料在23 ℃下的機械性能

a)TIVAR的SEM圖像b)點49的能譜圖c)點50的能譜圖d)點51的能譜圖圖3 TIVAR材料的SEM圖像與能譜圖Fig.3 SEM and atlases of energy distribution of TIVAR

實驗表明， 在高強度與強腐蝕工作環境下， TIVAR材料的使用壽命是Q235鋼的7倍， 圖4為有無TIVAR襯板提升機的工作效率。 從圖中可以看出， 在使用TIVAR材料襯板后， 水泥提升機效率將提高37%。

圖4 有、 無TIVAR襯板提升機的工作效率Fig.4 Working efficiency of elevator with or without TIVAR liner

圖5為不同材料的砂漿磨耗指數。從圖中可以發現，TIVAR材料的砂漿磨耗指數非常低，耐磨性極佳[16]。TIVAR材料在用作提升機料斗襯板時，料斗的使用壽命從1 a延長至4 a。

2.1.2 耐腐蝕性

TIVAR材料中聚乙烯為一種飽和分子團結構，分子鏈上無支鏈、 雙鍵，具有極高的化學穩定性，耐腐蝕能力極佳。在提升機工作中，物料與水、 空氣發生反應腐蝕料斗，縮短了料斗使用壽命。TIVAR材料除了強氧化性酸，可以在一定溫度及濃度范圍內，承受各種酸、堿性溶液的腐蝕，各種有機物質溶液(除荼溶劑外)的腐蝕。實驗表明，TIVAR材料在20 ℃常溫及80 ℃高溫下，浸入80余種有機溶劑30 d后，材料各項性能無變化。將其用于提升機料斗后可以減弱物料對料斗腐蝕，延長料斗壽命。

2.1.3 吸水率

TIVAR材料為超高分子材料，直鏈分子結構僅由碳氫元素構成，無極性基團，拒水性極強，是已知拒水性最佳的工程塑料。一般工程塑料如尼龍6(聚酰胺6)的吸水率為1.8%，而TIVAR材料的吸水率僅為尼龍6的0.01%，圖6為不同材料的吸水率。從圖中發現，TIVAR材料的吸水率極低。將TIVAR材料用于料斗襯板后，極低的吸水率使水泥物料及空氣中的水分無法與料斗直接接觸，從而保護金屬料斗，延長了料斗使用壽命。

圖5 不同材料的砂漿磨耗指數Fig.5 Mortar abrasion index of different materials圖6 不同材料的吸水率Fig.6 Water absorption of different materials

2.2 料斗積料減少

水泥工業的提升機在工作中，料斗輸送物料為熟料、石灰石與脫硫石膏混合物。混合物料有一定的濕度，容易受潮堆積，粘附在料斗內壁，造成嚴重積料問題。粘料出現會增加料斗自重，加劇料斗磨損，嚴重影響提升機效率。表2為不同料斗材料的摩擦系數，由表可以看出，TIVAR材料相較于金屬材料，摩擦系數極低。圖7為TIVAR材料與Q235鋼的摩擦系數隨時間的變化情況，由圖可以看出，相較于Q235鋼，TIVAR材料摩擦系數波動極小，摩擦系數穩定。且TIVAR材料在無潤滑劑條件下，僅次于自潤滑性最佳的聚四氯乙烯，十分適用于水泥工業提升機料斗襯板。

表2 不同料斗材料的摩擦系數

圖7 不同材料的摩擦系數隨時間變化圖Fig.7 Time dependence of friction coefficient of different materials

a)TIVAR襯板傾斜15 °b)TIVAR襯板傾斜30 °c)Q235鋼板傾斜35 °d)Q235鋼板傾斜60 °圖8 TIVAR襯板與Q235鋼板物料滾落角度對比實驗Fig.8 Comparative experiment of material rolling angle of TIVAR liner and Q235 steel plate

圖8為TIVAR襯板與Q235鋼板物料滾落角度對比實驗圖。圖8 a)表明，TIVAR襯板傾斜至15 °時，物料開始滑動，TIVAR襯板傾斜至30 °時，物料全部滑落，見圖8 b)；而圖8 c)中Q235鋼板在傾斜至35 °時，物料才開始滑動，從圖8 d)中可以看出，Q235鋼板傾斜至60 °時物料才完全滑落。這表明相較于Q235鋼板，TIVAR材料脫模性更好，物料在TIVAR襯板上只需傾斜很小的角度就可以完全滑落。在用于提升機料斗時，水泥物料更容易脫落，可以減少積料問題的產生。

圖9為有無TIVAR襯板料斗積料對比圖。由圖9 a)可以看出，在沒有使用TIVAR材料襯板前，提升機料斗內存在很嚴重的積料問題；而圖9 b)表明，在使用TIVAR材料襯板后，由于該材料摩擦系數極低，提升機在物料輸送過程中料斗內無積料產生，使水泥生產過程更加安全、穩定。

a)無TIVAR襯板b)有TIVAR襯板圖9 有、 無TIVAR襯板料斗積料對比Fig.9 Comparison of accumulation of liner hopper with or without TIVAR

2.3 生產穩定

2.3.1 抗沖擊性能

圖10為各種材料的抗沖擊強度。 從圖中可以看出， TIVAR材料抗沖擊強度是尼龍66(聚己二酰己二胺)的十幾倍， 是耐沖擊PC(聚碳酸酯)的2倍， 是已知抗沖擊性能極強的工程塑料， 無論是強烈的外部沖擊還是內部擠壓， 都無法使TIVAR材料開裂， 甚至在-70 ℃低溫下， TIVAR材料抗沖擊性能依舊良好。

圖10 不同材料的抗沖擊強度Fig.10 Impact strength of different materials

2.3.2 熱力學性能

據ISO 11357-1-2016標準測得TIVAR材料的熔點為135 ℃，可在連續工作20 000 h下承受80 ℃高溫，也可以在短時間工作下承受90 ℃高溫，最低工作溫度可以低至-200 ℃。良好的熱力學性能使TIVAR襯板幾乎可適應各種生產環境，保證了水泥的穩定生產。

2.4 生產成本降低

2.4.1 安裝便捷

TIVAR板材質量小， 在等體積情況下， 質量僅為Q235鋼材的1/8。 輕質材料在運輸、 安裝中所需成本極低， 還可以減輕工人工作量， 減少人工費用。 圖11為襯板安裝示意圖， 在安裝過程中， 只需先將TIVAR板材平鋪于料斗內壁， 采用螺栓連接方式將其固定在料斗左右內壁； 前后內壁用鋼板將其固定后， 再將鋼板焊接于料斗內壁。

2.4.2 節約成本

料斗作為提升機重要組成部件，極易出現磨損、腐蝕，導致料斗報廢，使用壽命僅在1 a左右，每年更換料斗費用為10萬元，成本很高。使用TIVAR材料襯板用于料斗后，料斗壽命延長至4 a，成本降低了75%。

圖11 TIVAR襯板安裝示意圖Fig.11 Installation diagram of TIVARliner

3 結語

在水泥生產過程中，提升機料斗的積料、 磨損、 腐蝕等問題亟需解決。通過分析超高分子量聚乙烯的耐磨、 耐腐蝕性以及摩擦系數低等特性，將超高分子量聚乙烯材料用作提升機料斗襯板來解決上述問題。實驗結果表明，TIVAR材料極小的摩擦系數使得物料運輸過程中幾乎無積料出現，提升機工作效率提高了37%。耐磨耐腐蝕性將料斗的使用壽命從1 a提高至4 a，耐沖擊耐高溫性保證了提升機工作穩定，使水泥生產更加安全、高效。超高分子量聚乙烯材料在運輸、安裝過程中所需成本極低，料斗維護過程中也更加簡單、方便，減少了維修及更換料斗的費用，降低了75%的生產成本，應用前景極為廣闊。