摘要：通過對陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管生產(chǎn)過程中離心機轉(zhuǎn)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(yīng)完成后保溫工藝等一系列生產(chǎn)工藝的研究，總結(jié)出合理生產(chǎn)工藝流程，生產(chǎn)出內(nèi)襯陶瓷致密度高、無裂紋的陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管。

　　關(guān)鍵詞： 離心機轉(zhuǎn)速;添加劑種類;生產(chǎn)工藝研究

　　前言

　　在當(dāng)今現(xiàn)代化工業(yè)的迅猛發(fā)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(jīng)濟損失。世界冶金學(xué)家普遍認(rèn)為:自蔓延高溫合成方法使陶瓷和金屬有機地結(jié)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(fù)合管材，將推動化工、冶金、礦山、電力、石油等許多行業(yè)的發(fā)展。北京科技大學(xué)最早開發(fā)了利用自蔓延高溫合成法(SHS)工業(yè)化制造陶瓷內(nèi)襯鋼管的技術(shù)。但目前，我國燒制的陶瓷內(nèi)襯復(fù)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(xiàn)裂紋等問題將是我們新工藝的挑戰(zhàn)。

　　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(zhuǎn)速達(dá)到一定值后將反應(yīng)物點燃,便發(fā)生式(1)的燃燒反應(yīng)，式(1)反應(yīng)的燃燒溫度達(dá)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(zhuǎn)速,

　　見式(2) n=55200B/(Crg)-1/2(2)

　　式中:n--離心機轉(zhuǎn)速,r/min;

　　g--重力加速度,m/s2;

　　r--鋼管內(nèi)半徑,m;

　　C--陶瓷層密度,kg/m3;

　　B--調(diào)整系數(shù),陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管B=1.0-1.3。

　　熔融態(tài)生成物在離心力作用下,可根據(jù)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(nèi)襯復(fù)合鋼管。

　　陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管從內(nèi)到外由陶瓷層、過渡層和鋼管層組成。從內(nèi)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(nèi)層是剛玉。剛玉層硬度高達(dá)HV1100-1400，相當(dāng)于鎢鈷硬質(zhì)合金，耐磨性比碳鋼管高20倍以上。

　　2、生產(chǎn)工藝研究

　　通過對離心SHS技術(shù)的研究表明，問題主要集中在以下兩個方面,即內(nèi)襯陶瓷層致密化與陶瓷層產(chǎn)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(nèi)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(fā)現(xiàn),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(nèi)襯復(fù)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(nèi)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(jié)晶。隨著α-Al2O3結(jié)晶潛熱的釋放，使得靠近鋼管基體的液態(tài)陶瓷溫度下降減緩，使部分氣體的排出由于內(nèi)表面的凝固而受阻，未排出的氣體滯留在內(nèi)表面層以下，在該區(qū)域易形成“多孔區(qū)”。添加適量的Na2B4O7后， “多孔區(qū)”隨之消失。因此添加Na2B4O7孔隙率顯著降低,改善內(nèi)表面光潔度。但Na2B4O7 分解吸熱使反應(yīng)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(jīng)我們不斷實踐證明，加大離心力，使轉(zhuǎn)速在每種管徑生產(chǎn)過程中達(dá)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(nèi)襯復(fù)合鋼管是技術(shù)成功與否的關(guān)鍵。通過實踐觀察發(fā)現(xiàn)陶瓷層中有兩類裂紋，網(wǎng)狀無規(guī)則張裂紋和壓縮裂紋。利用SHS鋁熱- 離心法制備時，F(xiàn)e2O3和Al發(fā)生反應(yīng)放出大量熱量,使得產(chǎn)物Al2O3處于熔融狀態(tài)，隨后凝固收縮，而鋼管由于受反應(yīng)放熱的影響也發(fā)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(dāng)控制鋼管壁厚、直徑和鋁熱劑加入量之間的關(guān)系(料管比和基體鋼管壁厚)可調(diào)整間隙量和壓應(yīng)力大小，從而控制裂紋的萌生。

　　研究發(fā)現(xiàn)，為防止陶瓷層產(chǎn)生裂紋，必須嚴(yán)格控制陶瓷層的冷卻速度和基體鋼管的膨脹狀態(tài)。可以通過提高料管比、涂層厚度(δ)和預(yù)熱溫度來實現(xiàn)。料管比是指母管內(nèi)鋁熱劑量與母管重量之比(Rψ)，Rψ增大，則反應(yīng)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(yīng)力和壓應(yīng)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(chǎn)生的應(yīng)力由張應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化。

　　3、小結(jié)

　　通過陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管的生產(chǎn)研究發(fā)現(xiàn)，只要做好以下幾點，即可獲得內(nèi)襯陶瓷致密度高、無裂紋的復(fù)合鋼管：

　　1、在鋁熱劑中添加合適的添加劑;

　　2、生產(chǎn)過程中控制合理的離心機轉(zhuǎn)速;

　　3、掌握好每種管徑生產(chǎn)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(yīng)完成后對產(chǎn)品適當(dāng)保溫，降低陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管的降溫速度。

　　參考文獻

　　【1】　殷生. 自蔓延高溫合成技術(shù)和材料[M] . 北京:冶金工業(yè)出版

　　社,1995 ,117～160。

　　【2】仝建民,李繼紅,王春. 添加劑對靜態(tài)鋁熱自蔓延高溫合成陶瓷涂層影響的影響[J ] . 機械工程材料,1996 ,20 (3) :36～39。

　　【3】　王克智, 張曙光. 離心SHS 陶瓷內(nèi)襯復(fù)合管的微觀結(jié)構(gòu)和性能研究. 硅酸鹽學(xué)報, 1995, 25 (3) :286～ 290。

　　【4】　李紋霞、趙赤云、郭志猛、殷生 　陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管徑向壓潰強度分析 .北京科技大學(xué)導(dǎo)報 2000，(3):238～241。