1 概述

阀门广泛地应用在现代工业的各个领域。但是在一些复杂、恶劣甚至极端的环境和场合, 传统金属阀门已无法突破其材料上的极限, 不能适应特殊工况的设计要求。因此, 将新型陶瓷材料引入传统阀门行业就是必然的选择。新型陶瓷又称先进陶瓷、精细陶瓷等, 包括结构( 或工程) 陶瓷和功能陶瓷两大类, 由于不同的化学组分和晶相结构, 使其具有不同的特殊性质和功能, 如高强、超硬、耐温、耐腐、绝缘及各种电、磁、光和生物相容性等,可以广泛用于机械、电子、化工、冶金、电力、医药、航空航天等各个方面, 成为近代尖端科学技术的重要组成部分。

2 特点

20世纪80年代, 新型陶瓷材料的研究开发随着工业技术的发展, 形成了一股热潮, 新型特种结构陶瓷材料也由此在工业领域开始了大规模的应用。目前, 各类工程陶瓷材料在世界上一些发达国家和地区已形成了广泛和稳定增长的市场。

( 1) 氧化铝  最早进入传统阀门行业的是以氧化铝( Al2O3) 为主体的陶瓷材料, 其硬度达到92HRA, 抗弯强度350MPa, 虽然脆性较大, 但成型、烧结性能较好、成品率高。由于受自身强度和脆性的限制, 除在一些对强度要求不高的场合( 例如水龙头阀芯等) 可用Al2O3 直接制成整体阀瓣以外, 在严酷的工业环境下, 一般多通过镶嵌、粘结等方式将Al2O3瓷件附于金属表面, 既利用金属作为支撑骨架以解决其脆性大、强度低的不足,同时又发挥其超高的硬度对金属材料起到保护作用。

目前, 采用此方式生产的主要是闸阀, 适用于温度不高、无腐蚀工况下磨损、冲刷严重的场合,以延长和提高阀门的使用寿命。金属表面进行陶瓷热喷涂也一直是被寄予厚望的解决方案, 但受制于金属与陶瓷材料极性的不相容, 一直没有解决好涂层的强度低、易剥落、热胀冷缩一致性差的问题, 在阀门行业尚未开始成熟地应用。

在阀门行业特别是控制阀中占主导地位的是球阀和蝶阀。受结构和形状的限制, 在设计和制造陶瓷球阀和蝶阀时就不宜采用Al2O3常用的镶嵌、粘结等方式, 目前最可行和可靠的方法是采用整体实芯式陶瓷结构来制备全陶瓷阀门。经过等静压成型、热压烧结等工艺处理, 陶瓷制品内在缺陷大为减少, 整体强度和可靠性得到很大的提高。

( 2) 氧化锆  目前, 陶瓷球阀、蝶阀主要材料都是使用氧化锆( ZrO2) 陶瓷。氧化锆陶瓷与其他陶瓷材料相比, 具有更突出的优良特性。1稳定的化学性质, 能经受现有大多数腐蚀性介质的侵蚀。o较高的强度, 硬度达到87HRA, 抗弯强度\1150MPa, 断裂韧性最高达35MPa#m

1/ 2。»良好的可加工性, 可实现超净加工, 以此可极大地降低陶瓷阀门的开启扭矩。¼与金属材料相近的膨胀系数, 可实现在各种温度环境下和金属材料配合的同步。½极好的抗热震性能, vT ( e ) \250。

(3) 整体式  作为特种阀门领域里的新品种,陶瓷阀门的发展除了要与市场需求同步外, 最终还必须要以过硬的品质接受市场的检验, 这就要求生产厂家必须具备很高的材料技术和陶瓷加工技术。整体式陶瓷阀门制造技术要求非常高, 并存在一定的难点。1陶瓷内在缺陷的不可测性。陶瓷材料目前尚无法象金属材料那样进行准确的内在质量检测, 这是一项世界性的难题。这就要求生产厂家必须要有稳定和娴熟的、从陶瓷制粉到压制成型、烧结及加工等全面的生产技术和装备, 并具备严密和完善的质量控制体系, 以最大幅度减少缺陷概率, 提升产品的可靠性。o氧化锆陶瓷难于成型, 烧结的收缩率较大,特别是V形球阀、蝶阀等复杂形状的陶瓷零件,极易在这些过程中形成缺陷并最终影响产品的质量, 因此在结构设计方面要突破传统金属阀门的思维方式, 必须尽量避免设计成直角或尖角等容易产生应力的结构, 壁厚也要尽可能大而且均匀。»陶瓷的硬度高, 属超硬材料, 加工手段少、难度大。对于开关型和调节型陶瓷阀门来说, 必须要确保陶瓷件的尺寸公差、形位公差和配合精度,才能有效提高阀门的密封性以及零配件的互换和配套能力。

3 现状

由于制备全陶瓷阀门对生产厂家的技术水平和装备水平要求很高, 一直以来, 世界上仅有少数几个发达国家可以生产此类全陶瓷阀门, 其产品占领绝大部分的市场。

厦门胜中陶瓷阀门科技有限公司是国内较早大规模从事氧化锆陶瓷材料开发和市场运用的高新技术企业, 该公司于成立初期即着手将氧化锆陶瓷的耐腐蚀、耐磨损、抗冲刷等优良特性应用于传统的阀门制造行业, 于1993年率先开发并生产出了全陶瓷球阀, 此项技术同时获得国家专利, 填补了国内的空白。经过十余年来对技术和生产工艺坚持不懈地改进和完善, 陶瓷阀门的品质和性能都有了长足的进步。最近几年, 针对大型火电厂的脱硫系统开发生

产的开关型陶瓷球阀和V形陶瓷调节阀, 已在国内太原、台山和滇东等多家电厂得到认可和应用,打破了该行业长期以来一直由国外进口陶瓷阀门产品垄断的格局, 为国家和电力企业节省了大笔的投资和费用。该公司生产的陶瓷球阀配件, 目前已大批量出口德国, 蝶阀陶瓷配件已得到世界最大的蝶阀制造商美国基士敦阀门公司认可, 并已批量出口配套。

4  应用前景

经过十余年的积蓄和磨砺, 陶瓷阀门的专业技术基础和产品质量都更加成熟, 应用经验也愈加丰富。同时, 相对于竞争激烈的中低端阀门市场, 高端陶瓷阀门市场为阀门行业提供了更广阔的市场空间。另一方面, 随着近年来全球经济的快速增长,陶瓷阀门在工业各个领域得到越来越广泛的应用,加之WTO贸易门槛的降低和发达国家产业结构的调整, 正是我国发展壮大陶瓷阀门行业的绝好时机。

以电力行业为例, 随着环保意识的增强和环境法规的日趋严格, 全球电厂烟道气脱硫系统( FGD) 市场发展迅速,据来自McIlvaine公司的一份最新市场调查显示, 2006年FGD市场有望达到110亿美元, 其中用于FGD的泵、阀门和过滤设备的销售收入将超过4亿美元。该报告指出, 未来10年中国将成为全球最大的FGD市场, 其间中国计划新安装的FGD数量居全球之首。当前在中国建设的几乎所有FGD都是由美国、日本和欧洲的公司提供技术, 中国公司负责工程和建筑施工。FGD对于阀门的使用寿命有严格的要求, 设计中多采用陶瓷阀门, 按2@600MW机组计, 即需45台( 套) 陶瓷球阀, 而过去该行业所需的陶瓷阀门基本被进口产品垄断。与国外产品相比, 国产陶瓷阀门在产品质量相当的情况下, 具有的流通能力是合理选择阀门及阀门口径的一个重要参数, 通过对调节阀流通能力的计算, 对比厂家提供的技术参数确定阀门口径的大小。对于自动控制系统来说, 水是流经调节阀的常见的介质之一, 所以以水为例介绍调节阀的流通能力C=316Q$PQ

实际工程中, 阀门口径是分级的, C值通常也不是连续值(公式计算的C值是连续的)。不同厂商的同类型产品有不同的C值与口径对应表。在计算出期望的C值后, 就可以查阅生产商的相应产品数据表来决定所需的阀门口径。选取阀门口径的原则应尽可能接近或大于计算结果, 不应小于计算结果。

选用注意事项

( 1) 调节阀直接按照接管管径选取是不合理的。阀门的调节品质与接管流速或管径没有关系,阀门的调节品质仅与水的阻力及流量有关。亦即一旦系统设备确定之后, 理论上适合该系统的阀门只有一种理想的口径,而不会出现多种选择。

( 2) 调节阀口径不能过小。选择的阀门口径过小, 一方面会增加系统的阻力, 甚至会出现阀门口径100%开启时,系统仍无法达到设定的容量要求, 导致严重后果。另一方面阀门将需要通过系统提供较大的压差以维持足够的流量, 加重泵的负荷, 阀门易受损害, 对阀门的寿命影响很大。