随着中国建筑行业蓬勃发展， 水泥用量稳步增长。 2020年我国水泥产量为23.77亿t， 同比增长1.6%[1]， 占世界水泥产量的57%左右。 水泥在生产过程中， 多采用提升机运输物料，以节约空间， 降低成本， 提高运输效率。 提升机料斗材料以Q235钢为主，运输熟料、 石灰石、 脱硫石膏混合料时，发生受潮结块、 腐蚀、 磨损等问题，严重影响生产效率，且维护成本高。超高分子量聚乙烯(UHMV-PE)材料的比模量、比强度都很高[2]，它的极高的分子量使其性能十分优异。该材料耐腐蚀、 耐磨、 耐冲击，还可通过改性技术获得其他性能[3]，特别适用于易磨损的机械零件[4]。UHMV-PE材料一般采用模压成型法加工制备[5]， 主要制品有板材、 管材、 薄膜等，广泛应用于医疗[6-7]、 军工[8-9]、 建筑[10]行业及日常生活[11-13]。UHMV-PE材料制品用于水泥工业时，一般用于物料输送，如果将UHMV-PE材料衬板用于提升机料斗，利用该材料的耐磨、 耐腐蚀、 摩擦系数低等性能，可以很好地解决提升机料斗积料、腐蚀及磨损等诸多问题。 TIVAR材料是以超高分子量聚乙烯材料为主要原料， 以石墨为添加剂制成的一种特种超高分子量聚乙烯材料， 添加剂的加入使得该材料表面吸附力很弱， 脱模性极佳， 适用于黏性散装材料(石膏、 石灰岩、 碎石等)的输送， 是水泥工业提升机料斗衬板的理想材料[14]。 本文中将TIVAR材料制成的衬板用于提升机料斗， 并通过实验分析该材料为水泥生产带来的各项优势。
1 衬板材料选型
实验选用了3种超高分子量聚乙烯材料衬板， 分别为GK01衬板、 DW402P衬板、 TIVAR衬板， 通过实验来分析这3种材料的各项性能， 并从中选择最优的材料作为料斗衬板材料。
图1为超高分子量聚乙烯材料衬板的磨损率。 由图可以看出， 相较于GK01、 DW402P材料， TIVAR材料的磨损率极低， 使得TIVAR材料具有十分优良的耐磨性。 在无润滑条件下，超高分子量材料的动态摩擦系数如图2所示。 TIVAR的动态摩擦系数为0.15～0.3， 相较于GK01材料的动态摩擦系数波动更大， 相较于DW402P材料的波动更小， 动态摩擦系数适中, 更适合作为提升机料斗材料。 此外， TIVAR材料的密度为0.93 g/cm3, 比芳纶纤维低33%， 比碳纤维低50%， 且TIVAR材料内含添加剂， 使得表面吸附力很弱， 脱模性极佳， 适用于黏性散装材料(石膏、 石灰岩、 碎石等)的输送， 是水泥工业提升机料斗衬板的理想材料[14]。 故此， 我们最终选用QUADRANT公司研制的TIVAR材料用于提升机料斗衬板。
图1 UHMV-PE衬板材料磨损率Fig.1 Wear rate of UHMV-PE liner material图2 UHMV-PE衬板材料动态摩擦系数(无润滑)Fig.2 Dynamic friction coefficient of UHMV-PE liner material (without lubrication)
2 超高分子量聚乙烯材料的优势
2.1 料斗寿命延长
2.1.1 耐磨性
超高分子量聚乙烯材料是线性分子结构， 性能基础为分子量， 分子量越高大分子链间相互作用力越强， 所以分子量越大越耐磨[15]。 TIVAR材料的分子量高达9×106 g/mol， 是已知最耐磨的工程塑料。 TIVAR材料的耐磨损机理与一般材料截然不同，该材料靠本身黏弹性以及极低的摩擦系数来缓冲磨损，而不是靠硬度。表1为23 ℃下TIVAR材料机械性能，通过ISO 527-1-2012实验方法测得的各项数值表明，该材料在工程塑料中有着极佳的机械性能。
图3为TIVAR材料的SEM图像及能谱图。为了确定TIVAR材料中的其他成分，在图3 a)中3个位置(点49、 点50、 点51)进行能谱分析。图3 b)、 3 c)、 3 d)表明该材料中的C元素占比很高，结合图3 a)分析得出，层片状的石墨呈波浪状均匀分在TIVAR材料中，石墨作为良好的固体润滑剂，减少了物料与衬板的直接接触，增强了TIVAR材料的脱模性及自润滑性。
表1 TIVAR材料在23 ℃下的机械性能
Tab.1 Mechanical properties of TIVAR at 23 ℃
机械性能数值机械性能数值屈服拉伸应力/ MPa19 断裂拉伸应变/%>50屈服拉伸应变/%21拉伸弹性模量/MPa790
a)TIVAR的SEM图像b)点49的能谱图c)点50的能谱图d)点51的能谱图图3 TIVAR材料的SEM图像与能谱图Fig.3 SEM and atlases of energy distribution of TIVAR
实验表明， 在高强度与强腐蚀工作环境下， TIVAR材料的使用寿命是Q235钢的7倍， 图4为有无TIVAR衬板提升机的工作效率。 从图中可以看出， 在使用TIVAR材料衬板后， 水泥提升机效率将提高37%。
图4 有、 无TIVAR衬板提升机的工作效率
Fig.4 Working efficiency of elevator with or without TIVAR liner
图5为不同材料的砂浆磨耗指数。从图中可以发现，TIVAR材料的砂浆磨耗指数非常低，耐磨性极佳[16]。TIVAR材料在用作提升机料斗衬板时，料斗的使用寿命从1 a延长至4 a。
2.1.2 耐腐蚀性
TIVAR材料中聚乙烯为一种饱和分子团结构，分子链上无支链、 双键，具有极高的化学稳定性，耐腐蚀能力极佳。在提升机工作中，物料与水、 空气发生反应腐蚀料斗，缩短了料斗使用寿命。TIVAR材料除了强氧化性酸，可以在一定温度及浓度范围内，承受各种酸、碱性溶液的腐蚀，各种有机物质溶液(除荼溶剂外)的腐蚀。实验表明，TIVAR材料在20 ℃常温及80 ℃高温下，浸入80余种有机溶剂30 d后，材料各项性能无变化。将其用于提升机料斗后可以减弱物料对料斗腐蚀，延长料斗寿命。
2.1.3 吸水率
TIVAR材料为超高分子材料，直链分子结构仅由碳氢元素构成，无极性基团，拒水性极强，是已知拒水性最佳的工程塑料。一般工程塑料如尼龙6(聚酰胺6)的吸水率为1.8%，而TIVAR材料的吸水率仅为尼龙6的0.01%，图6为不同材料的吸水率。从图中发现，TIVAR材料的吸水率极低。将TIVAR材料用于料斗衬板后，极低的吸水率使水泥物料及空气中的水分无法与料斗直接接触，从而保护金属料斗，延长了料斗使用寿命。
图5 不同材料的砂浆磨耗指数Fig.5 Mortar abrasion index of different materials图6 不同材料的吸水率Fig.6 Water absorption of different materials
2.2 料斗积料减少
水泥工业的提升机在工作中，料斗输送物料为熟料、石灰石与脱硫石膏混合物。混合物料有一定的湿度，容易受潮堆积，粘附在料斗内壁，造成严重积料问题。粘料出现会增加料斗自重，加剧料斗磨损，严重影响提升机效率。表2为不同料斗材料的摩擦系数，由表可以看出，TIVAR材料相较于金属材料，摩擦系数极低。图7为TIVAR材料与Q235钢的摩擦系数随时间的变化情况，由图可以看出，相较于Q235钢，TIVAR材料摩擦系数波动极小，摩擦系数稳定。且TIVAR材料在无润滑剂条件下，仅次于自润滑性最佳的聚四氯乙烯，十分适用于水泥工业提升机料斗衬板。
表2 不同料斗材料的摩擦系数
Tab.2 Friction coefficient of different hopper materials
材料摩擦系数Q235钢0.1545钢0.15TIVAR0.07
图7 不同材料的摩擦系数随时间变化图
Fig.7 Time dependence of friction coefficient of different materials
a)TIVAR衬板倾斜15 °b)TIVAR衬板倾斜30 °c)Q235钢板倾斜35 °d)Q235钢板倾斜60 °图8 TIVAR衬板与Q235钢板物料滚落角度对比实验Fig.8 Comparative experiment of material rolling angle of TIVAR liner and Q235 steel plate
图8为TIVAR衬板与Q235钢板物料滚落角度对比实验图。图8 a)表明，TIVAR衬板倾斜至15 °时，物料开始滑动，TIVAR衬板倾斜至30 °时，物料全部滑落，见图8 b)；而图8 c)中Q235钢板在倾斜至35 °时，物料才开始滑动，从图8 d)中可以看出，Q235钢板倾斜至60 °时物料才完全滑落。这表明相较于Q235钢板，TIVAR材料脱模性更好，物料在TIVAR衬板上只需倾斜很小的角度就可以完全滑落。在用于提升机料斗时，水泥物料更容易脱落，可以减少积料问题的产生。
图9为有无TIVAR衬板料斗积料对比图。由图9 a)可以看出，在没有使用TIVAR材料衬板前，提升机料斗内存在很严重的积料问题；而图9 b)表明，在使用TIVAR材料衬板后，由于该材料摩擦系数极低，提升机在物料输送过程中料斗内无积料产生，使水泥生产过程更加安全、稳定。
a)无TIVAR衬板b)有TIVAR衬板图9 有、 无TIVAR衬板料斗积料对比Fig.9 Comparison of accumulation of liner hopper with or without TIVAR
2.3 生产稳定
2.3.1 抗冲击性能
图10为各种材料的抗冲击强度。 从图中可以看出， TIVAR材料抗冲击强度是尼龙66(聚己二酰己二胺)的十几倍， 是耐冲击PC(聚碳酸酯)的2倍， 是已知抗冲击性能极强的工程塑料， 无论是强烈的外部冲击还是内部挤压， 都无法使TIVAR材料开裂， 甚至在-70 ℃低温下， TIVAR材料抗冲击性能依旧良好。
图10 不同材料的抗冲击强度
Fig.10 Impact strength of different materials
2.3.2 热力学性能
据ISO 11357-1-2016标准测得TIVAR材料的熔点为135 ℃，可在连续工作20 000 h下承受80 ℃高温，也可以在短时间工作下承受90 ℃高温，最低工作温度可以低至-200 ℃。良好的热力学性能使TIVAR衬板几乎可适应各种生产环境，保证了水泥的稳定生产。
2.4 生产成本降低
2.4.1 安装便捷
TIVAR板材质量小， 在等体积情况下， 质量仅为Q235钢材的1/8。 轻质材料在运输、 安装中所需成本极低， 还可以减轻工人工作量， 减少人工费用。 图11为衬板安装示意图， 在安装过程中， 只需先将TIVAR板材平铺于料斗内壁， 采用螺栓连接方式将其固定在料斗左右内壁； 前后内壁用钢板将其固定后， 再将钢板焊接于料斗内壁。
2.4.2 节约成本
料斗作为提升机重要组成部件，极易出现磨损、腐蚀，导致料斗报废，使用寿命仅在1 a左右，每年更换料斗费用为10万元，成本很高。使用TIVAR材料衬板用于料斗后，料斗寿命延长至4 a，成本降低了75%。
图11 TIVAR衬板安装示意图
Fig.11 Installation diagram of TIVARliner
3 结语
在水泥生产过程中，提升机料斗的积料、 磨损、 腐蚀等问题亟需解决。通过分析超高分子量聚乙烯的耐磨、 耐腐蚀性以及摩擦系数低等特性，将超高分子量聚乙烯材料用作提升机料斗衬板来解决上述问题。实验结果表明，TIVAR材料极小的摩擦系数使得物料运输过程中几乎无积料出现，提升机工作效率提高了37%。耐磨耐腐蚀性将料斗的使用寿命从1 a提高至4 a，耐冲击耐高温性保证了提升机工作稳定，使水泥生产更加安全、高效。超高分子量聚乙烯材料在运输、安装过程中所需成本极低，料斗维护过程中也更加简单、方便，减少了维修及更换料斗的费用，降低了75%的生产成本，应用前景极为广阔。
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