小口徑耐磨蝕復合鋼管的研制

摘要: 采用SHS 鋁熱O重力分離法制備陶瓷內襯復合鋼管, 研究了影響制備陶瓷內襯復合鋼管的因素。結果表明, 選擇壁厚均勻的母管, 采取適當的預熱溫度、適量的添加劑有利于制備陶瓷內襯復合鋼管。

隨著(zhù)現代工業(yè)的高速發(fā)展, 管道運輸在工業(yè)中的地位越來(lái)越重要。然而, 管道運輸中的惡劣環(huán)境, 如磨損、腐蝕、熱沖擊等, 使得目前常用的金屬或非金屬管道材料在成本或性能上都無(wú)法滿(mǎn)足其要求[1 ] 。陶瓷材料雖具有良好的抗腐蝕、耐磨蝕、抗熱性能, 但由于韌性差, 阻礙了其在管道輸送中的大批量使用。高溫合成陶瓷內襯復合管的出現, 為解決這一問(wèn)題,提供了一條嶄新的途徑。SHS 陶瓷復合鋼管具有工藝簡(jiǎn)單、過(guò)程迅速、節約能源、性能良好等特點(diǎn), 成為表面強化技術(shù)的一個(gè)重要領(lǐng)域。

制備陶瓷復合鋼管SHSO離心鋁熱法和SHSO重力分離法。前者由于方法本身和離心力的限制, 不能制備細管、彎管和變徑管。后者只需將裝有鋁熱劑的管材置于垂直靜止狀態(tài), 借助鋁熱反應和Al2O3OFe 液相重力分離在燃燒過(guò)程中實(shí)現陶瓷涂覆。

1 　試驗過(guò)程

試驗用管材為φ24mm×2.0mm×400mm、彎曲角度15°的1Cr18Ni9Ti不銹鋼管。試驗原料Al、Fe2O3、SiO2、CrO3粉,除CrO3粒度為-40～+80目以外,其余均為-100～+200目。

試驗依據鋁熱反應2Al+Fe2O3-Al2O3+2Fe+836kJ/mol,將粉末按一定比例配制后,裝入混料機中混合12h,取出放入烘干箱中烘干。然后以一定密度加壓充添于鋼管內,將鋼管垂直安裝到裝制上,點(diǎn)火引發(fā)反應。在高反應熱作用下,生成的氧化鋁由于密度小而位于熔池的上部,隨著(zhù)液面的下降,涂覆在鋼管的內壁;金屬鐵由于密度大,自然下沉,在排出管外,冷卻后陶瓷內襯管制造完成。

2 　試驗結果與討論

2.1  鋼管壁厚均勻性的影響SHS鋁熱O重力分離法制備陶瓷內襯復合鋼管,是通過(guò)在原料粉體的局部點(diǎn)火, 合成反應就從點(diǎn)火處自上而下的自發(fā)地傳播開(kāi)去的層狀燃燒過(guò)程。根據陶瓷層結晶形態(tài)觀(guān)察陶瓷層中的熱流方向應是沿徑向由內向外的, 其凝固方向應是由外向內的, 陶瓷層的組織結構具有沿徑向的樹(shù)枝晶特征(見(jiàn)圖1) 。

試驗的陶瓷層主要由α-Al2O3、FeO·Al2O3、3Al2O3·2SiO2組成。由于SHS燃燒特點(diǎn)和鋼管外表面與周?chē)諝饨橘|(zhì)的傳熱為強制對流[3],這樣鋼管壁厚的均勻性對制備陶瓷內襯復合鋼管就產(chǎn)生很大的影響。如果鋼管(母管)壁厚均勻規范,點(diǎn)火引發(fā)反應后,金屬鐵由于密度差異下沉,在反應系上部浮動(dòng)的熔融陶瓷在與金屬管壁接觸的部分冷卻凝固而與金屬結合。隨著(zhù)反應界面下降的同時(shí),在金屬管壁內表面處就發(fā)生了陶瓷的連續涂覆。但如果選定的母管壁厚不均勻,就會(huì )使鋁熱反應產(chǎn)生的2726185℃(3000K)高溫在管壁單位面積上分布的熱量不均,尤其是母管在SHS點(diǎn)火反應后的開(kāi)初4s內溫度急劇上升[2],變形抗力急劇下降,加之反應中產(chǎn)生的氣體壓力,使薄壁處就成為泄壓被擊穿的薄弱區域。一旦條件成熟就會(huì )導致熔體外泄,出現空洞。所以說(shuō)母管壁厚的均勻性是順利制備陶瓷內襯復合鋼管的主要因素之一。

212 　預熱的影響

SHS 鋁熱反應前對反應物料預熱一方面可以去除反應物料中的低熔點(diǎn)雜質(zhì)和水份; 另一方面, 預熱可以提高整個(gè)反應體系的反應溫度。衡量實(shí)現SHS過(guò)程可能性的方法是計算反應的絕熱燃燒溫度和考察反應過(guò)程中的熱量變化, 只有絕熱燃燒溫度足夠高時(shí), 才能保持廣泛的非均勻反應。研究[3 ]認為, 反應絕熱燃燒溫度隨預熱溫度升高而升高, 而且結晶后陶瓷層的質(zhì)量與陶瓷熔體的粘度密切相關(guān)。陶瓷熔體高溫停留時(shí)間越長(cháng), 陶瓷熔體的粘度越小, 熔體中的氣體越容易逸出, 陶瓷層的相對密度越高。圖2 示出了預熱對陶瓷相對密度的影響。

由圖2 可見(jiàn), 預熱溫度低于80 ℃, 陶瓷相對密度變化不明顯, 當預熱溫度超過(guò)80 ℃時(shí), 陶瓷層的相對密度隨預熱溫度升高而增加。但預熱溫度超過(guò)170 ℃時(shí), CrO3 會(huì )提前分解生成Cr2O3 和O2 ( 即4CrO3-2Cr2O3 + 3O2) 使反應體系的溫度降低, 熔體粘度增加, 陶瓷層相對密度下降。

3.3  添加劑的影響

為提高陶瓷層相對密度, 試驗中在物料中加入了SiO2 , 目的是降低陶瓷層的凝固點(diǎn)。減少陶瓷層液相時(shí)的粘滯度, 因而對提高陶瓷層質(zhì)量有益。根據Al2O3OSiO2 相圖[4 ]可知, SiO2 (熔點(diǎn)1 713 ℃) 可以與Al2O3 (熔點(diǎn)2 050 ℃) 在1 545 ℃時(shí)發(fā)生包晶反應,形成低熔點(diǎn)的莫來(lái)石相3Al2O3 ·SiO2 。也就是高熔點(diǎn)的Al2O3 以枝晶形式從熔體中結晶出來(lái), 形成陶瓷骨架, 低熔點(diǎn)液相則添充于骨架之中。在隨后的冷卻過(guò)程中, FeO·Al2O3 由于熔點(diǎn)較高先從剩余的液相中結晶, 結晶的是熔點(diǎn)較低的3Al2O3·2SiO2 。顯然正是低熔點(diǎn)的莫來(lái)石相改善了熔融陶瓷的流動(dòng)性, 從而促進(jìn)了陶瓷層的致密化。但SiO2 加入過(guò)多會(huì )降低反應溫度, 同時(shí)在顯微組織中出現塊狀硅化合物相, 使硬度和其它力學(xué)性能降低[1 ] 。在試驗中發(fā)現添加過(guò)量的SiO2 將降低熔體的溫度, 且過(guò)量的SiO2 易于在陶瓷中形成SiO4陰離子網(wǎng)絡(luò ), 使熔體粘度增加, 流動(dòng)性變差, 陶瓷的相對密度下降[5 ] 。

為了使鋁熱O重力分離制備陶瓷內襯復合鋼管時(shí)體系易于點(diǎn)燃和增加該反應放熱量, 在鋁熱劑中還加入了CrO3 , 試驗證明CrO3 的加入不但使體系溫度增加、陶瓷相對密度提高; 而且可以促進(jìn)SHS 燃燒過(guò)程, 激活原子擴散能力, 正確地減少陶瓷中的尖晶石含量而使陶瓷層的耐磨性增加。

4 　結論

(1) 母管壁厚均勻的是順利實(shí)現SHS 鋁熱O重力分離法制備陶瓷內襯復合鋼管的關(guān)鍵條件之一。

(2) 適當預熱可以提高整個(gè)反應體系的反應溫度, 使陶瓷熔體高溫停留時(shí)間加長(cháng), 熔體粘度減小,陶瓷層相對密度提高, 在預熱溫度160 ℃時(shí)陶瓷相對密度達91%。