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提高自蔓延高温合成陶瓷内衬钢管性能的研究

时间:2017-6-24 9:01:00   来源:本网   添加人:admin

  (1.内蒙古工业大学材料工程系,内蒙古呼和浩特0100622.西安交通大学机械工程学院,陕西西安710049;3.北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083)成陶瓷内衬钢管的制备原理基础上,从降低陶瓷层孔隙率、减少陶瓷层裂纹和提高陶瓷层结合强度等方面,论述了提高自蔓延高温合成陶瓷内衬钢管性能的措施还对自蔓延高温合成陶瓷内衬钢管的应用现状及展望进行了评述。

  冶金、矿山、石油、化工、煤炭、电力等工业部门需要大量耐磨、耐蚀和耐高温管道。长期以来,人们试图采用CVD、PVD、PCVD、喷涂及机械镶嵌等方法制造陶瓷内衬钢管,但由于质量、成本、工艺等方面的原因,很难实现批量生产,而且对于长的陶瓷衬管根本无法生产。近年发展起来的自蔓延高温合成(Self称SHS)陶瓷内衬钢管技术1~3,为解决这一问题提供了一条崭新的途径,引起了国内外的重视。自蔓延高温合成是一种强烈的放热反应合成新材料的高新技术其基本特征是反应混合物经一定方式点燃后,反应依靠自身释放的热量迅速蔓延到整个体系,故亦称燃烧合成。该技术的主要优点是。Na2B47对孔隙率的影响如所示,Na2B47添加量低时,孔隙率随添加量的增加而迅速降低但添加量过高时,孔隙率略有上升。其原因可解释如下:在制备陶瓷内衬复合钢管过程中,热量主要通过两个方向散失,即沿径向通过钢管向外散失和由钢管内孔散失,前者为主要的散热方向。在一般冷却条件下,开始时由于钢管基体大量吸热使得靠近钢管的陶瓷熔体首先结晶。随着-Al23结晶潜热的释放,使得靠近钢管基体的液态陶瓷温度下降减缓,而内表面由于向外辐射传热及空气的热传导温度急剧下降,因此内表面在某一瞬间也开始凝固,这种凝固模式为“双向凝固V‘双向凝固”使部分气体的排出由于内表面的凝固而受阻,未排出的气体滞留在内表面层以下,在该区域易形成“多孔区”。添加适量的N82B4O7后,“双向凝固”模式会向“单向凝固”模式转化,“多孔区”随之消失。这种凝固模式的转变主要是由于液相中B3+在起作用,当高熔点的Al23及FeAl24开始凝固时,B3+、Na+等溶质离子被逐步向凝固前沿的液相中排除,剩余液相中溶质离子浓度随之提高,结果不仅降低了剩余液相的实际液相线,使从内表面开始的凝固受到抑制,而且使低熔点相A1BO3、Fe3B在外表面富集,大大改善了剩余液相的流动性。因此添加Na2B47孔隙率显著降低,改善内表面光洁度。但Na2B47分解吸热使反应体系温度降低缩短了离心涂敷过程中的液相停留时间,使气泡没有充分时间逸出,因此加入量过多时孔隙率反而有所提高。

  2.2降低自蔓延高温合成陶瓷衬管裂纹的研究陶瓷衬霍:的耐腐蚀性'耐热性和耐磨性等性能有重ishFeg23和A1发生反应放出。大量热/量4使得产e物制造出陶瓷层无裂纹的陶瓷内衬复合钢管是技术成功与否的关键。日本学者小田原修通过试验观察发现陶瓷层中有两类裂纹,网状无规则张裂纹和压缩裂纹,并定性分析了这两类裂纹的形成原因。利用SHS铝热一离心法制备陶瓷内衬复合钢管时,Ak3处于熔融状态,随后凝固收缩,而钢管由于受反应放热的影响也发生热膨胀,然后冷却收缩。两者膨胀收缩的差异造成了裂纹的萌生。Al23刚凝固完毕时,Al23陶瓷层与钢管之间无间隙,随后Ak3冷却收缩,但钢管由于继续吸收陶瓷层放出的热量继续膨胀或收缩很慢,这样在陶瓷层和钢管之间出现间隙而此时的陶瓷层受到离心力的作用,加上高温时陶瓷层强度较低,结果陶瓷层萌生张应力,出现无规则的网状张裂纹。冷却到较低温度时,由于钢管热膨胀系数比陶瓷层大,钢管将以较快的速度收缩,间隙逐渐减小并消失,最后对陶瓷层产生压迫作用,当压应力超过陶瓷层的承受能力时,陶瓷层将产生压裂纹。适当控制钢管壁厚、直径和铝热剂加入量之间的关系,可调整间隙量和压应力大小,从而控制裂纹的萌生。小田原修在总结试验数据的基础上提出了适用于薄壁钢管的经验公式:D―钢管外径(mm);d―钢管壁厚(mm);―铝热剂添加量(kg/m)。

  研究发现,满足上式将可以避免裂纹的萌生。

  普通A卜Fe23系反应得到的陶瓷层,在a―AI2O3晶界易出现裂纹。研究发现添加Na2B47后出现了低熔点的A1BO3相和FeB3相,使得a―Al23相刚凝固时其晶粒周围存在的液相量增加,晶界抗裂纹能力由此提高。

  2.3提高自蔓延高温合成陶瓷衬管结合强度的研究陶瓷内衬复合钢管承受机械冲击和热冲击的能力与陶瓷层与钢管基体(含铁层)之间的结合强度密切相关,因此陶瓷层结合强度是衡量其质量的一个重要指标,通常用压剪强度来表征结合强度。研究发现铝热剂中加入Na2B47可明显提高陶瓷内衬复合钢管压剪强度,见。随着Na2B47添加量的增加,压剪强度明显提高,当Na2B47添加量进一步增加时,压剪强度上升减缓。这是因为铝热反应后的熔融产物Ah3和Fe在离心力作用下实现两相分离,AI2O3和Fe分离后的结合情况取决于两者之间的润湿性,因为陶瓷层和铁层是通过“机械咬合”而结合一起改善il23和扮之间的润湿性有利于提高两者之间的结合强度。AI2O3和Fe润湿性差,因此普通陶瓷层结合强度低。加入Na2B47后,因它在高温下分解生成B2O3,B2O3表面张力仅为0.08N/m,它可显著降低AI2O3和Fe之间的表面张力,使分离之后的固态AI2O3和液态Fe之间的润湿性改善,因而促使结合强度提高。

  2.4提高自蔓延高温合成陶瓷衬管耐蚀性的研究用普通铝热剂制备陶瓷内衬管所获得的陶瓷层是由a―AI2O3和铁铝尖晶石(FeO)两相组成,-Al23沿径向呈枝晶生长,铁铝尖晶石呈网状分布在a―AI2O3晶界上,而铁铝尖晶石(FeO.AI2O3)的耐蚀性很低,使得陶瓷层的晶界耐腐蚀性与纯Al23相比,差距较大。铝热剂中加入添加剂是提高陶瓷内衬管耐蚀性最有效的手段之一。在铝热剂中加入适量Si2(约5%)可使陶瓷层耐蚀性能大幅度提高111,见表1.这是因为添加Si2后,陶瓷层中除a―AI2O3和FeO"Al23夕卜,还出现了FeO°Ak3°4Si2玻璃相,而且玻璃相将FeOAI2O3相在径向隔断,使其不连通。另外玻璃相所含的FeO量很少,其耐蚀性必然比FeO在铝热剂中加入适量C1O3,也可明显改善其耐蚀性。这是因为加入CrO3添加剂后,在燃烧过程中,将会发生式(5)的反应:这里CrO3作为化学激活剂参加反应,对陶瓷层的相组成不会带来大的变化,但却因提高反应转化率,从而降低陶瓷层中的尖晶石含量和孔隙率,所以当CrO3添加量不大时(约为3%),因陶瓷层的晶间腐蚀作用机制减弱,从而引起复合管的耐蚀性增加。但是由于该反应能放出大量的生成热,使燃烧合成反应温度升高,引起外钢管体积膨胀量增加和陶瓷层中温度梯度增大,从而在冷却过程中,陶瓷层中的压应力和热应力加大,使其裂纹密度增大,所以当C1O3添加量超过3%时,将使复合管耐蚀性下降。

  3自曼延高温合成陶瓷衬管的应用现状及展望自蔓延高温合成陶瓷内衬复合钢管具有如下特点:工艺简单、投资少、能耗低、效益高;陶瓷层具有优异的耐磨性能,耐磨性是普通钢管的20倍以上;陶瓷层具有优异的耐蚀性能,在HCl、H2SO4等腐蚀介质中,内衬陶瓷复合钢管腐蚀失重很小,远远小于不锈钢1CmNi9Ti的腐蚀失重;陶瓷层与钢管内壁界面结合强度高,不易剥离和损坏;内衬陶瓷复合钢管可焊接、易安装。

  正由于SHS陶瓷内衬复合钢管具有如此多的优点,它在冶金、矿山、石化、煤炭、电力等行业已获得了较好的应用,应用前景非常良好。

  表1添加Si2的陶瓷层在不同酸液中的腐蚀性能酸介质陶瓷层失重按失重换算的年腐蚀深度失重/年腐蚀深度高炉喷煤能大幅度降低入炉焦比,是降低炼铁成本的有效手段。在高炉喷吹煤粉系统中,煤粉喷枪是整个系统的关键。普通喷枪主要由不锈无缝钢管或高强度耐热钢管焊接而成,使用寿命短,制约着高炉喷煤技术的发展。采用自蔓延高温合成法开发出的陶瓷内衬煤粉喷枪,在首钢高炉使用后,在喷煤比为130kg/t情况下,喷枪寿命由原来的18.83d提高到81d风口磨损率也下降了80%.在宝钢2高炉上使用,寿命达1年以上,使用后陶瓷抗压剪强度不但没有下降,反而由16.56MPa增加至30.50MPa.金属矿山使用陶瓷内衬复合钢管输送矿菜,由于陶瓷管具有优良的耐磨性和耐蚀性,其使用寿命比普通钢管提高10倍以上。我国矿产资源丰富,铁、铜、铝、钨、锌、锑、锡等矿山数以百计,是陶瓷内衬复合钢管的广阔市场。

  我国电力构成中,火力发电约占70%以上,用陶瓷复合钢管代替普通钢管输煤、输渣、输灰,可明显提高使用寿命。河北电力设备厂生产的陶瓷复合管已在洛阳、马头、西柏坡等多家电厂得到较好的应用。

  我国煤炭资源丰富,但煤炭运输一直是我们难于解决的问题,现在的“北煤南运”就占了铁路运力的40%,发展“水煤浆”的管道运输,有望提高煤炭运输速度,解决煤炭运输难问题。陶瓷复合钢管用于“水煤浆”运输的管道,有望提高管道寿命,降低煤炭运输成本。

  我国大部分油田普遍采用注水法采油,油水混合物中含有一定量泥砂和H2S等腐蚀磨损介质,普通无缝钢管的使用寿命较低,需要频繁更换。采用陶瓷内衬复合钢管取代普通钢管,因前者具有良好的耐磨性和耐蚀性,可满足石油工业的需要,其市场前景良好。

  管道运输因具有成本低、运量大、建设周期短、安全可靠和基本不占地等优点,近年来在我国发展迅速,国家正准备大力发展管道运输技术。管道运输业是陶瓷内衬复合钢管的巨大市场。

  除了上述领域外,陶瓷内衬复合钢管还有望应用于建材、化肥、化工、建筑、天然气、市政排淤等行业。