摘要：通過對陶瓷內襯復合鋼管生產過程中離心機轉速、原材料中添加劑種類的組合、鋁熱劑和基體鋼管重量之比及基體鋼管厚度以及自蔓延反應完成后保溫工藝等一系列生產工藝的研究，總結出合理生產工藝流程，生產出內襯陶瓷致密度高、無裂紋的陶瓷內襯復合鋼管。

　　關鍵詞： 離心機轉速;添加劑種類;生產工藝研究

　　前言

　　在當今現代化工業的迅猛發展過程中，對各種管道的需求量逐漸增大，對其性能要求也越來越高，由于磨損、腐蝕或沖擊等原因，每年會有大量管道損壞報廢，造成巨大的經濟損失。世界冶金學家普遍認為:自蔓延高溫合成方法使陶瓷和金屬有機地結合起來形成同時具備高耐磨、耐蝕、耐高溫、耐機械沖擊及熱沖擊的復合管材，將推動化工、冶金、礦山、電力、石油等許多行業的發展。北京科技大學最早開發了利用自蔓延高溫合成法(SHS)工業化制造陶瓷內襯鋼管的技術。但目前，我國燒制的陶瓷內襯復合鋼管，均是在有一定壁厚的基體鋼管中燒制成功，在大口徑、薄壁鋼管燒制過程中如何解決陶瓷的致密度低、易出現裂紋等問題將是我們新工藝的挑戰。

　　1、制備原理

　　Fe2O3+2Al=2Fe+Al2O3+836kJ/mol(1)

　　將Fe2O3和鋁粉按一定比例均勻混合裝入鋼管后,固定在離心機上,待離心機轉速達到一定值后將反應物點燃,便發生式(1)的燃燒反應，式(1)反應的燃燒溫度達3428℃,高于生成物Al2O3和鐵的熔點,使生成物瞬時熔化。采用康斯坦丁諾夫公式確定離心機的轉速,

　　見式(2) n=55200B/(Crg)-1/2(2)

　　式中:n--離心機轉速,r/min;

　　g--重力加速度,m/s2;

　　r--鋼管內半徑,m;

　　C--陶瓷層密度,kg/m3;

　　B--調整系數,陶瓷內襯復合鋼管B=1.0-1.3。

　　熔融態生成物在離心力作用下,可根據其密度不同而相互分離，鐵的密度(7800kg/m3)比Al2O3密度(3970kg/ m3)大,因而鐵層緊靠鋼管表面, Al2O3在最里層冷卻之后形成了Al2O3陶瓷內襯復合鋼管。

　　陶瓷內襯復合鋼管從內到外由陶瓷層、過渡層和鋼管層組成。從內到外分別為剛玉瓷層，以鐵為主的過渡層，以及外部的鋼管層。它具有抗磨損、耐高溫、高的硬度和強度，并且抗熱沖擊的性能，陶瓷鋼管外層是無縫鋼管，內層是剛玉。剛玉層硬度高達HV1100-1400，相當于鎢鈷硬質合金，耐磨性比碳鋼管高20倍以上。

　　2、生產工藝研究

　　通過對離心SHS技術的研究表明，問題主要集中在以下兩個方面,即內襯陶瓷層致密化與陶瓷層產生裂紋。 在長期實踐及實驗過程中，我們主要做了以下幾方面的工作：

　　2.1提高自蔓延高溫合成陶瓷襯管致密度

　　用離心自蔓延高溫合成法制得的陶瓷內襯層一般存在較多的孔隙，有部分孔隙甚至貫穿整個陶瓷層。它對陶瓷襯管的耐腐蝕性、耐熱性和耐磨性等性能有重要的影響。

　　研究發現,在鋁熱劑中加入適量Na2B4O7 可明顯提高陶瓷層致密度,降低孔隙率。Na2B4O7對孔隙率的影響如圖2 所示.

　　Na2B4O7添加量低時，孔隙率隨添加量的增加而迅速降低，但添加量過高時, 孔隙率略有上升。其原因如下:在制備陶瓷內襯復合鋼管過程中，熱量主要通過兩個方向散失，即沿徑向通過鋼管向外散失和由鋼管內孔散失，前者為主要的散熱方向。在一般冷卻條件下，開始時由于鋼管基體大量吸熱使得靠近鋼管的陶瓷熔體首先結晶。隨著α-Al2O3結晶潛熱的釋放，使得靠近鋼管基體的液態陶瓷溫度下降減緩，使部分氣體的排出由于內表面的凝固而受阻，未排出的氣體滯留在內表面層以下，在該區域易形成“多孔區”。添加適量的Na2B4O7后， “多孔區”隨之消失。因此添加Na2B4O7孔隙率顯著降低,改善內表面光潔度。但Na2B4O7 分解吸熱使反應體系溫度降低，縮短了離心涂敷過程中的液相停留時間，使氣泡沒有充分時間逸出，因此加入量過多時孔隙率反而有所提高。

　　總之，經我們不斷實踐證明，加大離心力，使轉速在每種管徑生產過程中達到一個臨界點的同時在鋁熱劑中同時添加SiO2、長石、Na2B4O7添加劑，可以明顯提高陶瓷層的相對密度

　　2.2降低自蔓延高溫合成陶瓷襯管裂紋

　　制造出陶瓷層無裂紋的陶瓷內襯復合鋼管是技術成功與否的關鍵。通過實踐觀察發現陶瓷層中有兩類裂紋，網狀無規則張裂紋和壓縮裂紋。利用SHS鋁熱- 離心法制備時，Fe2O3和Al發生反應放出大量熱量,使得產物Al2O3處于熔融狀態，隨后凝固收縮，而鋼管由于受反應放熱的影響也發生熱膨脹，然后冷卻收縮。兩者膨脹收縮的差異造成了裂紋的萌生。適當控制鋼管壁厚、直徑和鋁熱劑加入量之間的關系(料管比和基體鋼管壁厚)可調整間隙量和壓應力大小，從而控制裂紋的萌生。

　　研究發現，為防止陶瓷層產生裂紋，必須嚴格控制陶瓷層的冷卻速度和基體鋼管的膨脹狀態。可以通過提高料管比、涂層厚度(δ)和預熱溫度來實現。料管比是指母管內鋁熱劑量與母管重量之比(Rψ)，Rψ增大，則反應時釋放熱量增加，鋼管溫度升高，降溫時間延長，有利于減小陶瓷層中的張應力和壓應力。δ增大，則基體鋼管冷卻速度減慢，基體鋼管升至最高溫度的時間提前，有利于陶瓷層中產生的應力由張應力向壓應力轉化。

　　3、小結

　　通過陶瓷內襯復合鋼管的生產研究發現，只要做好以下幾點，即可獲得內襯陶瓷致密度高、無裂紋的復合鋼管：

　　1、在鋁熱劑中添加合適的添加劑;

　　2、生產過程中控制合理的離心機轉速;

　　3、掌握好每種管徑生產中鋁熱劑的重量和基體鋼管的重量的比例和基體鋼管的厚度;

　　4、自蔓延反應完成后對產品適當保溫，降低陶瓷內襯復合鋼管的降溫速度。

　　參考文獻

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