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項目成果/簡介: 鋁鎵合金是一種新型、易儲、即取的固體能量塊。其是以鋁為主體的在線供氫材料，加水實現(xiàn)平穩(wěn)釋氫。其制備工藝流程簡單、易于實現(xiàn)，且產(chǎn)品易于儲存、運輸和銷售。該項成果處于同類產(chǎn)品世界領先水平，其產(chǎn)業(yè)化能夠避免目前氫氣利用過程中儲存、運輸和加注等環(huán)節(jié)帶來的困擾，從而有效突破阻礙氫能源經(jīng)濟發(fā)展的技術瓶頸。 研究團隊 吉林大學材料科學與工程學院 魏存弟教授研發(fā)團隊 成果成熟度 可產(chǎn)業(yè)化。應用范圍: 鋁鎵合金在線供氫技術可應用于氫能源汽車，還可作為無人機、野外探測、單兵作戰(zhàn)及面對大型災難的等各類電源系統(tǒng)。該技術無須加氫站，避免了傳統(tǒng)氫能源利用技術路徑高投資、低回報、周期長等問題，投資回報高。

與醫(yī)用不銹鋼、普通鈦合金相比，形狀記憶合金醫(yī)療器械具有如下優(yōu)點：（1）具有形狀記憶效應和超彈性，可實現(xiàn)智能安裝；（2）低彈性模量，降低骨內(nèi)固定器應力屏蔽效應；（3）常恢復應力，穩(wěn)定脊柱和牙齒矯形力；（4）大彈性回復，提高血管與非血管支架壓縮比；（5）失穩(wěn)剛度高，提高支架沖擊載荷下的穩(wěn)定性。本課題組前期從1991年開始研制鎳鈦形狀記憶合金下尿路擴展支架、醫(yī)用腔道內(nèi)支架等醫(yī)療器械，并已部分投入了臨床使用。近期，在國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金等資助下開發(fā)了針對復雜或多孔結構記憶合金的表面改性新技術，通過改變表面結構，獲得了表面貧Ni甚至無Ni、且具有良好組織相容性的記憶合金骨科植入材料以及良好血液相容性的記憶合金心血管植入材料；通過改進自蔓延高溫合成技術，獲得了具有高生物力學相容性的多孔記憶合金受載硬組織替代材料。在此基礎上研制的高性能新型醫(yī)療器械在骨科內(nèi)固定、消化道狹窄與心血管介入治療等醫(yī)學領域有廣泛應用前景。目前已經(jīng)申請并獲得6項發(fā)明專利與4項實用新型。

鐵合金行業(yè)作為鋼鐵行業(yè)重要的子行業(yè)之一，2017 年產(chǎn)量總量為 3288.7 萬噸。鐵合金行業(yè)蓬勃發(fā)展為社會帶來巨大經(jīng)濟效益的同時，也產(chǎn)生了大量的工業(yè)固體廢棄物。在冶煉合金時，每生產(chǎn) 1t 合金通常會產(chǎn)生 1.2-1.3t 的熱熔渣。熱熔渣的隨意排放不僅占用了寶貴的土地資源，產(chǎn)生熱能資源的浪費，還對周圍的生態(tài)環(huán)境和人體健康造成一定的潛在威脅。因此，在中國特色循環(huán)經(jīng)濟背景下，鐵合金行業(yè)閉環(huán)環(huán)節(jié)關鍵設備與技術的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化迫在眉睫。青島青力環(huán)保設備有限公司、北京科技大學和寧夏吉元君泰新材料科技有限公司結合鐵合金產(chǎn)業(yè)閉環(huán)環(huán)節(jié)的熱質(zhì)廢渣處理和資源化問題，研究鐵合金渣的物理化學特性，在工業(yè)生產(chǎn)中充分利用熔融態(tài)鐵合金渣的顯熱，熱熔渣經(jīng)過調(diào)質(zhì)后達到預期的“修正酸度系數(shù)”可直接生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)巖（礦）棉，其能源消耗將大大降低。相對于冷料工藝，此工藝避開了冷料工藝中先冷卻再熔融的弊端，可以充分利用熱熔渣的顯熱實現(xiàn)能源的最合理利用，極大地降低了生產(chǎn)成本，相比于其他高爐熱熔渣制棉工藝，經(jīng)過優(yōu)化調(diào)質(zhì)可生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)巖（礦）棉產(chǎn)品，達到《建筑外墻保溫用巖棉制品》的國家標準。在巖（礦）棉生產(chǎn)線設備方面也進行了一系列的改進和創(chuàng)新，并研發(fā)了巖（礦）棉自動生產(chǎn)線電控系統(tǒng)，通過物聯(lián)終端的網(wǎng)口通功能將可編程序控制器（PLC）和上位機電腦置于同一個虛擬局域網(wǎng)中，實現(xiàn)遠程下載和數(shù)據(jù)采集功能。通過串口通軟件實現(xiàn)遠程編程，進而實現(xiàn)對生產(chǎn)線的遠程控制、故障診斷、遠程故障排除等遠程監(jiān)控運維，使設備更加高效，產(chǎn)品更加穩(wěn)定，企業(yè)具有更強的市場競爭力。本項目所建成的鐵合金熱熔渣生產(chǎn)巖（礦）棉工藝主要由調(diào)質(zhì)電爐、離心機、集棉機、集粒機、擺錘、成型機、固化爐、切割機及產(chǎn)品包裝等設備組成。目前國內(nèi)在使用鐵合金熱渣成棉的熱渣類型主要為硅錳合金熱渣和鎳鐵合金熱渣。轉運方式主要是汽車運輸、電瓶車運輸和火車運輸。在生產(chǎn)中對每一批次（2-3 個月內(nèi)冶煉原料和工藝保持不變）的鐵合金熱熔渣預先進行物理化學基本特性分析，即時優(yōu)化調(diào)質(zhì)料配比。調(diào)質(zhì)電爐的主要作用是儲存熔融態(tài)鐵合金渣，保證流股的穩(wěn)定性和均勻性，鐵合金熱熔渣流入調(diào)質(zhì)電爐，依托最優(yōu)調(diào)質(zhì)配比進行調(diào)質(zhì)并均質(zhì)化（電弧均化與底部氮氣噴槍均化），調(diào)整其修正酸度系數(shù)，在熱均勻性和化學均勻性上使熔體達到成纖標準。2、核心裝備技術的設計（一）調(diào)質(zhì)電爐核心設計：1、調(diào)質(zhì)電爐為直接加熱式三相交流電弧爐，電弧發(fā)生在專用電極棒和液態(tài)熱熔渣之間，熱熔渣和調(diào)質(zhì)料直接受到電弧熱加熱并進行均化。除了電弧均化，為了加強熱熔渣與調(diào)質(zhì)料的調(diào)質(zhì)反應過程，使最終熱熔渣溫度和成分均勻，在電弧爐爐底部加裝氮氣噴槍。2、爐體設有一個密閉接渣口，通過密閉溜槽使熱渣緩慢流入爐體內(nèi)，接渣時需手動打開進渣口門。3、爐體一側出渣口設一個手動水冷銅出渣門用來控制流量的大小，另一側設一個出鐵口，用來放出爐底沉淀殘鐵。4、特殊配制的耐材。5、電爐變壓器為電弧爐專用變壓器，采用有載電動調(diào)壓，低壓二次側采用銅排頂出線，外封口。變壓器油水冷卻器采用強油循環(huán)水冷卻器。6、電極升降自動控制系統(tǒng)由西門子S7-200型PLC來完成。將三相電弧電壓、電流信號通過信號轉換電路變成 0-5V 標準信號送入 PLC 模擬量輸入模塊，PLC根據(jù)采集的電流、電壓信號、變壓器檔位及給定值等信號，按照功率控制的原理進行運算處理及邏輯判斷后，將結果通過 PLC 模擬量輸出模塊控制液壓系統(tǒng)電極升降閥（派克比例閥 3 用 1 備），對電極升降進行自動調(diào)節(jié)，當一路出現(xiàn)故障時可以手動切換，從而控制輸入到爐內(nèi)的電弧功率，以滿足冶煉工藝的要求。在自動控制過程中，隨時可通過按鍵來增加或減少給定信號，在運行過程中，隨時可以手動控制電極升降。（二）離心機核心設計：熱渣用離心機不同于冷料用離心機，為更好使用各種類型的熱渣，經(jīng)過幾年的理論與實踐生產(chǎn)，設計并制作出專用的熱渣離心機：（1）主軸采用多級彈性支撐，減震效果好，支撐強度大，長期使用穩(wěn)定性好，大大提高了軸承的使用壽命，比傳統(tǒng)離心機的軸承使用壽命提高 30-40%。（2）不同的坐標位置，使成纖率提高 5-10%。（3）離心輥頭采用 316L 多層堆焊，輥頭使用壽命延長 72-120 小時。（4）可調(diào)膠環(huán)，分別計量控制精確供膠，中心噴膠與外圍噴膠相結合，使噴膠更均勻，節(jié)膠、高質(zhì)，有效減少花棉的出現(xiàn)。（5）整體風環(huán)結構有區(qū)別的導流片設計。（6）輥頭采用開式或閉式冷卻方式，軸承采用壓縮空氣油氣霧化技術，既可對軸承充分潤滑，又對軸承起冷卻作用，從而大大提高了主軸軸承的使用壽命。（三）鼓式集棉機核心設計：（1）集棉機采用轉鼓式，直徑 5 米，總寬度 2.8 米，網(wǎng)板有效寬度 2.4 米，線速度可達 100 米/分鐘，從而保證了一次棉在網(wǎng)板上分布得更薄更均勻（小于350g/㎡）從而保證了制棉的質(zhì)量。（2）由于轉鼓的兩端支撐在大型回轉支撐上，并有良好的潤滑，故其使用壽命非常長（幾年至十幾年），大大減少了設備的維修量。（3）網(wǎng)板采用長條孔結構，通透率大于 48%，從而減少了負壓風機的功率消耗，增加了成纖率。（4）集棉機內(nèi)配備刮板機、螺旋輸送機、高壓水清洗裝置，保證了集棉機長期穩(wěn)定運行。（四）擺錘的核心設計：擺錘目前主要分弧擺和平擺。國內(nèi)巖（礦）棉廠基本上都是弧擺，優(yōu)點是結構簡單維修方便，缺點是巖棉板容重不均勻；國外巖棉廠有的采用平擺，優(yōu)點是巖棉板容重均勻性一致，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，缺點是結構復雜維護麻煩。我們特殊設計的擺錘形式為似平擺，結構簡單維修同樣簡單方便，巖棉板容重均勻性基本達到 95%以上，而弧擺形式的容重均勻性為 80-85%。（五）固化爐核心設計：固化爐接受加壓機輸送過來的棉氈經(jīng)固化爐上下網(wǎng)版輸送、加壓、烘干，使棉氈里的粘結劑在運行過程中連續(xù)固化，以形成一定厚度、容重的巖棉板。固化爐上下網(wǎng)板為單獨驅動同步運行。固化爐內(nèi)分為四個加熱區(qū)，外配 4 臺熱風爐由天然氣燃燒機產(chǎn)生熱風循環(huán)加熱，并將熔化系統(tǒng)的低溫換熱器產(chǎn)生的熱風送至熱風爐以降低天然氣的消耗量，使產(chǎn)品固化能耗降低、效率提高。固化爐烘烤需要天然氣和煤氣，而許多熱渣廠家有高爐煤氣或礦熱爐煤氣，所以熱渣制棉生產(chǎn)比冷料工藝生產(chǎn)可節(jié)省此天然氣費用，大幅降低了生產(chǎn)成本。（六）冷卻、切割系統(tǒng)核心設計：冷卻切割系統(tǒng)主要由五部分組成：冷卻、縱切、廢邊回收、切條、橫切。縱切：三套刀具，可隨時升降。碎邊機：獨立碎邊，配備碎邊回收風機，安全可靠。切條機：一用一備共 2 套，可隨時升降切換使用。橫切：由于生產(chǎn)線是連續(xù)不停的運行，但產(chǎn)品要求定長切割，因此橫切（飛鋸）必須與生產(chǎn)線同步。我們采用多臺伺服電機，配以運動控制器，使橫切動作運動瞬時跟蹤整個生產(chǎn)線的速度，即使在切割過程中也可以做到，從而保證了切割精度在+2.5mm 以內(nèi)。(七)智能云平臺系統(tǒng)是我們研發(fā)的巖（礦）棉自動生產(chǎn)線電控系統(tǒng)，由中央控制、加配料、富氧、溫控、成纖、集布棉、打褶打壓、固化、切割、制膠等 10 大電控系統(tǒng)組成，它完成巖（礦）棉從原料熔化開始，到切割成成品為止的全部生產(chǎn)過程控制。各子控制系統(tǒng)通過中央控制系統(tǒng)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，采用“主站-從站”結構，分散集中控制（DCS）,主站采用了西門子公司生產(chǎn)的 S7-1500 系列可編程序控制器（PLC），從站采用了西門子公司生產(chǎn)的S7-200 Smart系列可編程序控制器（PLC），系統(tǒng)各部分的聯(lián)系，僅用一根 TCP/IP 總線，方便地組成工業(yè)以太網(wǎng)，并配以計算機和西門子專用界面軟件 WinCC，可圖文并茂的設定、顯示、傳送、查詢和打印各從站的數(shù)據(jù)。通過在設備的中央控制系統(tǒng)配套天啟物聯(lián)終端云 BOX TN-605 以及高速的 4G運營商網(wǎng)絡實現(xiàn)與遠程運維服務平臺的數(shù)據(jù)連接。通過物聯(lián)終端的網(wǎng)口通功能將PLC 和上位機電腦置于同一個虛擬局域網(wǎng)中，實現(xiàn)遠程下載和數(shù)據(jù)采集功能。通過串口通軟件實現(xiàn)遠程編程，進而實現(xiàn)對設備的遠程控制功能。遠程運維服務平臺通過網(wǎng)口通、串口通軟件可以實現(xiàn)設備的全方位監(jiān)控云服務。通過對現(xiàn)場設備的實時狀態(tài)監(jiān)測、遠程啟停控制、設備報警通知、設備地圖管理、微信端監(jiān)控等功能，實現(xiàn)在任何時間、任何地點實時查詢設備最新狀態(tài)、設備參數(shù)和變量的實時變化，了解設備狀態(tài)、參數(shù)和變量的變化趨勢，并獲得針對這些變化趨勢的統(tǒng)計分析等。另外運維平臺的數(shù)據(jù)歸檔服務功能，可實現(xiàn)對用戶設備數(shù)據(jù)的定期分類歸檔。用戶根據(jù)平臺采集歸檔的海量數(shù)據(jù)，對設備相關數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析，定義出觸發(fā)器條件。另外，平臺在云端提供了一個強大的計算引擎，可以實時計算設備當前狀態(tài)、變量和參數(shù)是否符合觸發(fā)條件，同時對符合觸發(fā)條件的情況觸發(fā)事件報警。這一功能使得產(chǎn)品生產(chǎn)處于實時預警、可查可控的狀態(tài)，對于提高巖（礦）棉生產(chǎn)率和合格率效果明顯。(八) 熔體流量自動控制系統(tǒng)雖然電爐上已安排液壓（或電動）水冷閘板閥用于控制流股的穩(wěn)定性，但由于需定期加入熔渣，電爐液面還有一定的波動，從而造成流股的不穩(wěn)定性。另外，液位高度變化、組成成分的波動，都會對熔體粘度發(fā)生影響，造成流股波動，無法保證制品的穩(wěn)定性。我們開發(fā)了熔體流量自動控制系統(tǒng)，利用安裝在成型機下面的自動稱重系統(tǒng)來捕捉流股的變化。通過 PLC 控制系統(tǒng)，采用計算機程序運算，對整個生產(chǎn)線的速度進行 PID 調(diào)節(jié)，從而保證產(chǎn)品容重的波動在極小的范圍內(nèi)，容重控制在±5%以內(nèi)（國家標準容重范圍在±10%），保證了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。3、典型鐵合金熱熔渣生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)巖（礦）棉調(diào)質(zhì)技術研究大量研究利用硅錳、鎳鐵等典型鐵合金廢渣為原料，將熔體采用高速離心噴吹等工藝制成的絲狀無機纖維，制成礦棉。這種礦棉與目前廣泛應用的巖棉相比，在酸度系數(shù)、耐水性、耐火性、耐腐蝕性以及纖維長度等方面還有很大差距，礦棉的性能還不能滿足建筑外墻用保溫材料的標準要求。由于礦棉原料成份與巖棉原料不同，通常對熱熔渣進行調(diào)質(zhì)處理，添加硅石等調(diào)質(zhì)劑，嘗試的效果不十分理想。在高溫熱熔渣調(diào)質(zhì)過程存在熔渣難與調(diào)質(zhì)劑混合，并產(chǎn)生降溫造成熔渣黏度高，難以達到硅酸鹽體系的成絲要求，嚴重影響了礦棉生產(chǎn)和成絲質(zhì)量，制約了鐵合金渣的利用，造成了鐵合金生產(chǎn)的環(huán)保壓力。我們針對上述已有技術存在的不足，創(chuàng)新研發(fā)了一種能快速形成硅酸鹽系的調(diào)質(zhì)方法：以新的修正酸度系數(shù) Mk*=1.6 為標準，這樣最終的酸度系數(shù) Mk 在1.7-1.9 之間。將鐵合金熱熔渣澆入調(diào)質(zhì)爐，電極加熱（電弧均化）產(chǎn)生一定的流動性，爐底部噴槍噴入氮氣，促進與加入的調(diào)質(zhì)料（熱料或小球狀冷料或粉料）充分混合，保證了快速形成硅酸鹽體系，并通過調(diào)質(zhì)電爐升溫保溫再均化等，得到熔體溫度合適、黏度適宜、成分符合吹棉要求的熔渣，解決了熔渣難與調(diào)質(zhì)料混合并產(chǎn)生降溫的問題，達到了高質(zhì)量礦棉的性能標準，實現(xiàn)了對礦產(chǎn)資源的節(jié)約以及鐵合金廢渣更好的利用。利用鐵合金渣生產(chǎn)礦棉的調(diào)質(zhì)方法，調(diào)制出的熔渣流體的修正酸度系數(shù) Mk*為 1.5-1.6，溫度 1360-1460°C，黏度 14-6 Pa·s。將調(diào)質(zhì)好的熔體通過離心噴吹制成巖（礦）棉，其巖（礦）棉纖維可達到《絕熱用巖棉、礦渣棉及其制品》GB/T11835-2007，巖（礦）棉板可達到《建筑外墻外保溫用巖棉制品》GB/T25975-2010 性能要求。通過大量實驗得出結論：用高硅低鋁高鈣調(diào)質(zhì)料對硅錳渣進行調(diào)質(zhì)最為適宜，用高硅高鋁低鈣調(diào)質(zhì)料對鎳鐵渣進行調(diào)質(zhì)最為適宜。

（專利號：ZL 201310731891.3） 簡介：本發(fā)明公開了一種不同形貌鋁合金釬劑納米粉的制備方法，屬于焊接材料領域。該釬劑由一定比例的氯化鋁(AlCl3)和氟化鉀(KF)為原料，加入一定量的表面活性劑，通過硝酸(HNO3)、鹽酸(HCl)、檸檬酸(C6H8O7)和醋酸(CH3COOH)中的一種酸調(diào)節(jié)pH，利用化學沉淀法分別制備K3AlF6和KAlF4兩種納米粉體，然后將K3AlF6和KAlF4兩種納米粉體按照6.445:1的質(zhì)量比

微弧復合處理（Micro-arc Composite Ceramic，MCC）技術將不需前處理的微弧氧化與靜態(tài)防護性能優(yōu)異的有機物涂裝技術相結合，在鋁、鎂合金表面制備具有高性能、多用途的陶瓷有機復合涂層，性能明顯優(yōu)于單一微弧氧化或傳統(tǒng)涂裝工藝。研究團隊近年來承擔了科技部“十五”科技攻關計劃項目、國家科技攻關計劃引導項目、國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目、科技部“十一五”科技支撐計劃項目及科技部國際合作計劃等項目。微弧復合處理工藝簡單、環(huán)保、無排放，處理效率高，涂層綜合性能優(yōu)異，以及對材料的適應性強（復雜構件或深孔管件）等優(yōu)點，開發(fā)的設備運行穩(wěn)定，已成為業(yè)界認可的鋁、鎂合金“環(huán)保型”表面處理技術，由在機械、汽車、國防、電子、航天、航空及建筑等領域有著極其廣泛的應用前景。

該技術采用共沉積+剝離+破碎法制備非晶合金粉末，擺脫了水霧法對非晶成形能力的限制，適用于可以與鐵、鈷、鎳一起共沉積元素合金體系非晶合金粉末的生產(chǎn)。該粉末適合用于磁性材料、催化劑等領域。 該成果已申請一系列（鎳基、鐵基、鈷基的非晶電鍍，非晶粉末，催化電極等）發(fā)明專利，已有部分取得授權。

目前國內(nèi)外用于制造破碎機錘頭的材質(zhì)主要有高錳鋼、低合金鋼和高鉻鑄鐵三種。高錳鋼具有加工硬化特點。然而，高錳鋼錘頭在實際使用過程中由于受到的沖擊力有限（中、低應力），所以錘頭表面不能被高度硬化，加工硬化后的表面硬度經(jīng)常在ＨＢ400以上，致使高錳鋼錘頭耐磨性較差。低合金貝氏體或馬氏體鋼錘頭由于具有硬度高、韌性好、耐磨性能優(yōu)良以及成本低廉等優(yōu)點，目前在市場中占有一定的份額。然而，低合金鋼錘頭像高錳鋼錘頭一樣耐磨性仍然不十分理想。高鉻鑄鐵是目前被公認的最耐磨的鐵基材料之一。用高鉻鑄鐵Cr20Mo2NiCu

本項目系統(tǒng)地研究了陰極離子鍍第一代涂層(TiN，TiC和CrN)、第二代涂層(TiCN和TiAlN)、第三代涂層(TiN/TiCN)、第四代涂層(金剛石和DLC)、第五代涂層(TiAlSiN)和第六代涂層(AlCrN)的制備方法及其摩擦-磨損性能，適應了數(shù)字化制造時代的需求，滿足了干切削的要求，具有高熱穩(wěn)定性、高抗氧化性和良好的紅硬性的優(yōu)點。本項目制備的高性能涂層，如TiAlN、AlCrN和TiAlSiN等在國內(nèi)有巨大的應用市場，目前國內(nèi)的刀具和模具的涂層市場超過200億元。與國外同類涂層相比，性

本成果來自有重大應用前景的橫向項目。研究團隊在多年螺栓連接結構松動機理研究的基礎上，通過改變螺母的幾何結構，并利用形狀記憶合金的超彈性和記憶性，改變螺紋的受力情況，以此達到防松的目的，從而解決工程實際。此外，理論計算結果表明，常規(guī)螺栓連接結構的前三圈工作螺紋承載總軸向力的70%以上，使用該螺栓連接結構，能將軸向力較為均勻的分布在各工作螺紋上，有效提高螺栓連接結構的疲勞壽命。該防松方法擬申報國家發(fā)明專利，并逐漸推廣使用。