陶瓷内衬复合钢管的研制及在矿山的应用

 陶瓷内衬复合钢管的研制及在矿山的应用

摘  要  利用 SHS 铝热 -离心铸造技术制备的陶瓷内衬复合钢管具有优异的耐磨损性能,可广泛地应用于矿山、 电力、 建材等工业部门。本文讨论和分析了制备陶瓷内衬复合钢管的基本原理、 结构、 性能及其在矿山等工业部门的应用前景。

关键词  陶瓷  复合钢管  离心铸造  输送管道

    目前在我国矿山、 电力、 煤炭、 冶金等工业部门中大量使用的各种输送管道, 由于工作条件恶劣,都存在严重的冲蚀磨损,管道的使用寿命很低。例如在上海梅山铁矿选矿厂, 其普通厚壁无缝钢管的使用寿命只有700 h 左右; 而攀枝花冶金矿山公司密地铁矿选矿厂,由于其矿石具有尖、 硬、 粗等特点,管道的使用寿命更短。管道的严重冲蚀磨损,需要花费大量的人力和物力进行频繁的更换,提高了生产成本, 降低了生产效率。要从根本上解决此问题, zui有效的途径是在管道的内壁涂敷一层耐磨损的陶瓷作为内衬, 制备复合钢管, 以满足生产的需要。现有的辉绿岩铸石内衬复合钢管, 虽然具有良好的耐磨损性能,在矿山等部门得到应用, 但由于辉绿岩铸石复合钢管是将铸石管镶嵌在钢管内,界面结合不良,在受到敲击、 震动等情况下易发生非正常的损坏, 影响其使用寿命。同时铸石管管壁较厚, 在输送同等物料时,外层的钢管需加大尺寸,增加生产成本;另外铸石管长度短,单位体积大,份量重,现场安装困难,所有这些都限制了其使用和发展。zui近, 利用 SHS 铝热 -离心铸造新工艺制备Al 2O3 陶瓷内衬复合钢管获得成功并进行了工业化生产。这项工作得到了国家 863新材料领域专家委员会的支持。由于A -Al2O3 陶瓷内衬复合钢管具有优于辉绿岩铸石复合管的耐磨损性能, 又可以克服其不足,因此在矿山、 电力、 煤炭、 冶金、 建材、 石油、 石化等工业部门具有广泛的应用前景, 特别是在矿山和电力工业部门已经得到很好的应用。

1   基本原理

A -Al 2O3 陶瓷内衬复合钢管制备的基本原理是将的燃烧合成技术（ SHS）和传统的离

心铸造技术结合起来,利用铝热反应Fe2O3+ 2Al y 2Fe+ Al2O3+ 836, kJ/ mol（ 1）所释放的热量, 产生3 000 e 以上的高温, 使反应生成物Fe（熔点为 1 560 e ） 及A -Al2O3 （熔点为2 040 e ）均处于熔融状态, 同时钢管的内壁亦受热熔化一薄层, 与生成的液态物相融为一体。高温液相在离心力场的作用下而发生分离,密度大的 Fe（ 7. 8 g/ cm3） 紧靠钢管内壁形成中间过渡层,并与钢管内壁界面结合呈焊接状态; 密度小的A -Al 2O3（ 3. 97 g/ cm3）则紧挨铁层,形成均匀致密的陶瓷层（图1）。图 1  铝热 -离心铸造技术基本原理示意2   结构及性能

211   陶瓷层的相组成及结构利用X -Ray 衍射对图 2 所示的陶瓷内衬复合钢管中的陶瓷层的相组成进行分析。结果表明, 陶瓷层主要由 A -Al2O3 和铁铝尖晶石（FeAl2O4 ） 两物相组成（ 图 3） 。铁铝尖晶石（ FeAl 2O4）的存在,对陶瓷层耐磨损性能几乎没有影响,还有利于陶瓷层的机械性能提高。铁铝尖晶石（ FeAl 2O4） 耐酸蚀性能较差, 通过添加一定量的添加剂或改变化学计量配比,可以降低铁铝尖晶石（ FeAl 2O4） 相的含量。SEM 对陶瓷层显微结构分析结果表明, A -Al2O3 为主晶相,且呈枝晶状分布,形成陶瓷层的骨架, 铁铝尖晶石（ FeAl2O4）则填充于枝晶状的骨架之间,形成致密的陶瓷层（ 图4） 。根据上述结构分析结果,可以推断出陶瓷层的凝聚过程:首先是熔点较高的A -Al2O3以枝晶形式从高温熔体中结

晶,形成陶瓷层的骨架,然后熔点较低的铁铝尖晶石（ FeAl2O4）及其它少量的杂质相结晶析出,

填充在枝晶之间,形成致密的陶瓷层,这与陶瓷层的凝聚过程的数值模拟结果相一致[ 5]。（ b） ） 陶瓷层的 SEM 分析（高倍）陶瓷内衬复合钢管的性能密度陶瓷层的密度采用称重法进行测定, 利用下式计算陶瓷层的密度:Q=GG - G 1 + G 2, （ 2）式中: G ） ） ） 陶瓷层在空气中的重量;G 1 ） ） ） 陶瓷层在水中的重量; G 2 ） ） ） 细丝的重量。测试结果表明,陶瓷层的平均密度一般在3. 35 g / cm3以上, 相当于A -Al 2O3 的理论密度的 85% 左右。陶 瓷层 中的 铁铝 尖晶 石（ FeAl 2O4） ,有助于陶瓷层密度的提高。21212   显微硬度H V0. 2陶瓷复合钢管的显微硬度是利用显微硬度计进行测定, 其结果如图 5 所示。陶瓷层的显微硬度平均为1 400 kg/ mm3（H V 0. 2） 以上, 远高于普通无缝钢管的硬度,它充分地说明了陶瓷内衬复合钢管具有优异的耐磨损性能。图 5   陶瓷内衬复合钢管横截面上显微硬度的变化图中0 点对应陶瓷层的内表面21213  压溃强度压溃强度是测试陶瓷内衬复合钢管的径向抗压强度,其计算如下[ 4]R p = P # [ 1 +tK （ t + D ）] / P L t （ 1 + K ） ,（ 3）式中: L , t , D ） ） ） 分别为陶瓷内衬复合钢管试样的高度、 壁厚、 中间直径;K ） ） ） 横断面因子。K = - 1+D ln[ （ D + t ） / （ D - t ） ]2t1

对一组陶瓷内衬复合钢管测试结果表明,其平均压溃强度为 530 MPa,它说明陶瓷内衬复合钢管具有较好的抗敲击振动性能。21214   压剪强度剪切强度是测试陶瓷层与钢管界面结合的强度,其计算式如下[ 4]S =PP DL, （ 4）式中: P ） ） ） 使陶瓷层与铁层界面破坏时的zui大载荷; S ） ） ） 压剪强度; D ） ） ） 陶瓷层的外径;  L ） ） ） 试样的高度。对一组陶瓷内衬复合钢管测试结果表明,陶瓷内衬复合钢管界面剪切强度可达 35. 2MPa,它表明陶瓷层与钢管的内壁界面结合良好,陶瓷层不易脱落,这是辉绿岩铸石管所*的。耐磨损性利用单位时间内材料的磨损量来测定陶瓷内衬复合钢管的耐磨损性, 其计算如下H=（ W1 - W2） / t 1（ Wc1 - Wc2） / tc1, （ 5）式中: H） ） ） 陶瓷复合钢管与普通无缝钢管相比的耐磨损性;W1, Wc1分别为普通无缝钢管和陶瓷复合钢管磨损前的重量; W2, Wc2分别为普通无缝钢管和陶瓷复合钢管磨损后的重量t 1, tc1分别为普通无缝钢管和陶瓷复合 钢管磨损的时间。测试结果表明, 陶瓷内衬复合钢管具有优异的耐磨损性能, 其耐磨损性是普通无缝钢管的20 倍左右,预示着它在矿山、 电力、 建材、 煤炭等工业部门具有广阔的应用前景。在上海梅山铁矿生产线的实际应用中也得到了验证。耐酸、 碱腐蚀性将陶瓷层浸泡在腐蚀性介质中, 以单位面积的失重率来测定陶瓷内衬复合钢管的耐酸、碱腐蚀性能,其计算如下K= （ W1 - W2） / P DH t , （ 6）式中: K 耐蚀性;W1、 W2 分别为腐蚀前后的重量;  D 试样的内径;H ）酸、 碱液面的高度; t 腐蚀时间, d结果表明, 陶瓷内衬复合钢管在碱性介质中具有优异的抗蚀性, 但在酸性介质中其抗蚀性较差,这主要是由于陶瓷层中含有一定量的铁铝尖晶石（ FeAl 2O4 ） 引起的, 铁铝尖晶石（ FeAl 2O4）耐酸蚀性能较差。

3   在矿山及其它部门的应用前景矿山作业中的冲蚀磨损, 使普通钢管的使用寿命很短, 特别是管线上的弯头等易磨损部件,其使用寿命更低。使用辉绿岩铸石管虽然可以解决矿山管道的磨损问题, 但是由于铸石管是镶嵌在钢管内壁,界面结合不良,在受到敲击和振动的情况下, 铸石管会脱落,影响其使用寿命;此外铸石管管壁一般都较厚,使用时需加大钢管的尺寸,增加生产成本; 重量和体积大,使现场安装困难。SHS 离心 -铝热法制备的陶瓷内衬复合钢管与辉绿岩铸石管和其它材料内衬复合管相比, 具有如下特点:

（ 1） 工艺简单,产品的成本低,能耗少。

（ 2） 具有优异的耐磨损性能,其耐磨损性是普通无缝钢管的20 倍以上。（ 3） 陶瓷层与钢管内壁界面结合强度高,陶瓷层不易剥落和脱离。

（ 4） 重量轻,可切割和焊接, 易安装。

（ 5） 耐碱蚀和耐高温。

正因为具有上述特点, 因此陶瓷内衬复合钢管在矿山、 电力、 煤炭、 建材等工业部门具有广阔的应用前景,它可以节约生产成本,提高劳动生产率, 具有良好的社会效益和经济效益。图6 是陶瓷内衬复合钢管及其弯头在上海梅山铁矿选矿厂使用的情况。由图6 可看出, 陶瓷内衬复合钢管弯头使用2 年多以后, 由于法兰连接的问题形成较大的缝隙, 矿浆使外层的金属层磨损很严重,形成较大的磨蚀坑,而陶瓷内衬却几乎没有磨损, 它从另一个方面说明了陶瓷内衬复合钢管优异的耐磨损性能。除矿山以外,陶瓷内衬复合钢管还在火力发电厂的粉煤灰输送及煤粉的输送;煤炭开采中的泥沙回填管道输送;低压铸造中的铝液的输送;建材部门中的水泥、 石灰的输送;盐卤液的输送及真空制盐的浓缩管道;以及在其它磨蚀严重的管道输送方面都具有广泛的应用前景。

4   结  语

（ 1） 利用离心 -铝热技术制备的陶瓷内衬复合钢管具有工艺简单,成本低,产品性能好等特性。

（ 2） 陶瓷层主要是由A -Al2O3 和铁铝尖晶石（ FeAl 2O4）两物相组成,A -Al2O3 为主晶相,且

呈枝晶状均匀分布, 铁铝尖晶石（ FeAl2O4）则填充于枝晶之间; 陶瓷层的密度为A -Al2O3 理论密度的85%左右。

（ 3） 陶瓷内衬复合钢管具有较高的压溃强度和剪切强度,陶瓷层与钢管内表面界面结合强度高,可以抗敲击和震动, 不易脱落, 这是辉绿岩铸石管所*的。

（ 4） 陶瓷内衬复合钢管具有优异的耐磨损性能, 其耐磨损性是普通钢管的20 倍以上, 可以广泛地应用于矿山、 电力、 煤炭、 建材等工业部门。