【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 抗適度的力與熱的沖擊，運(yùn)輸、安裝也相當(dāng)方便。（ 7）耐高溫。使用溫度可達(dá) 800℃，而高鉻鑄鋼管僅有 450℃，鑄石復(fù)合管只有 250℃ 。因此， SHS 陶瓷復(fù)合鋼管己成為一種新型物料輸送工具，發(fā)展前景廣闊。 167。 重力分離制備陶瓷復(fù)合鋼管 大直徑鋼管采用一離心法制備陶瓷復(fù)合管是成功的，受離心法工藝的限制，小直徑和其它不規(guī)則形狀的鋼管仍采用離心法顯然是不可行的。經(jīng)過(guò)工程技術(shù)研究人員的努力，利用重力原理使得在過(guò)程中熔體涂覆到鋼管的內(nèi)壁，制備陶瓷復(fù)合鋼管已取得成功。 ****畢業(yè)論文 11 在直立放置的鋼管中，鋁熱反應(yīng)產(chǎn)生的高溫使反應(yīng)物處于熔融狀態(tài)，鋼管中在反應(yīng)物料上形成了由金屬及陶瓷兩相熔體組成的熔池，由于的密度大于涂層相的密度，在重力作用下，兩熔體分離，沉 積于熔池的底部，熔融的涂層相浮于熔池的上部。隨著自蔓延反應(yīng)的進(jìn)行，液面逐漸下降，導(dǎo)致的液相和陶瓷液相依次附與鋼管內(nèi)壁并結(jié)晶凝固，從而在鋼管內(nèi)壁形成連續(xù)均勻的涂層。 該技術(shù)的特點(diǎn)是將待制備的管材或零件在制備過(guò)程中置于垂直靜止?fàn)顟B(tài)，無(wú)需高速旋轉(zhuǎn)，借助鋁熱自蔓延過(guò)程和 23AlO Fe 液相重力分離特征，在燃燒過(guò)程中同時(shí)實(shí)現(xiàn)陶瓷涂覆。 離心法技術(shù)由于受到制備原理的限制，對(duì)作為物料輸送系統(tǒng)關(guān)鍵部件的彎頭難以實(shí)現(xiàn)陶瓷涂覆，生產(chǎn)僅局限于將 SHS 離心復(fù)合直管按角度切割、拼合焊接的工 藝，這樣不僅使陶瓷內(nèi)襯復(fù)合彎管的生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高，而且也將使復(fù)合彎管的性能和使用范圍受到限制。 1996 年初，軍械工程學(xué)院王建江、葉明惠、趙忠民、杜心康等圈基于離心技術(shù)的研究，開(kāi)發(fā)出了重力分離技術(shù)，并利用該技術(shù)結(jié)合旋轉(zhuǎn)工藝成功地制備出陶瓷內(nèi)襯復(fù)合彎管，所生產(chǎn)出的陶瓷內(nèi)襯復(fù)合彎管已在煉鐵高爐輸煤系統(tǒng)中得到應(yīng)用。 167。 課題意義和研究?jī)?nèi)容 隨著科技和生產(chǎn)的發(fā)展，人們對(duì)鋼管使用性能的要求越來(lái)越高。例如，隨著以石油工業(yè)和化學(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展，鋼管的工作條件正在向高溫、高壓、及耐蝕方面發(fā)展，過(guò)去使用普通碳素 鋼管，現(xiàn)在不得不使用不銹鋼管。煤炭工業(yè)的發(fā)展對(duì)輸煤管的耐磨性提出了更高的要求。隨著石油資源向深海洋及北極寒冷地區(qū)發(fā)展，油井管的使用條件惡化，它不僅要求一定的抗壓潰強(qiáng)度，而且一定的耐蝕性、隔熱性及耐磨性能，普通碳素鋼管乃至不銹鋼管很難滿足上述要求。總之，普通碳素鋼管的耐蝕性、耐磨性、隔熱性能等不能很好滿足很多場(chǎng)合的使用要求，而不銹鋼管盡管耐蝕性較好，但是耐磨性和隔熱性差，而且價(jià)格昂貴。因此，必須對(duì)普通碳素鋼管進(jìn)行加工改造。 陶瓷涂層具有優(yōu)良的耐熱性能、隔熱性能、耐磨性能，而且無(wú)論是在室溫還是高溫都具有優(yōu)異的耐 腐蝕性能。因此，陶瓷作為涂層材料逐漸被人們所采用。 傳統(tǒng)生產(chǎn)陶瓷襯管的工藝包括燒結(jié)法、等離子噴涂法、堆焊法、機(jī)械鑲嵌法等因技術(shù)工藝本身的不足，限制了產(chǎn)品的使用，無(wú)法滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。近年來(lái)，自蔓延高溫合成技術(shù)作為一種嶄新工藝引起人們極大興趣。其特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，節(jié)約能源，產(chǎn)品純度高。 ****畢業(yè)論文 12 離心自蔓延高溫合成制造內(nèi)襯陶瓷復(fù)合鋼管技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行大量研究，有關(guān)資料已對(duì)反應(yīng)機(jī)理、化學(xué)反應(yīng)成分配比及添加劑影響等相關(guān)問(wèn)題論述了許多。合成技術(shù)己實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但不適于小直徑管、異型管的復(fù)合合成。 在離心自蔓延高溫合成技術(shù)的 基礎(chǔ)上出現(xiàn)的重力靜態(tài)分離自蔓延高溫合成法，與離心自蔓延相比較，不僅可處理各種直徑的鋼管，而且在處理一些非回轉(zhuǎn)體內(nèi)表面顯示出巨大的優(yōu)越性，如各種耐蝕彎管、異形管及具有復(fù)雜的內(nèi)表面而又要耐蝕的工件，因此該技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。 由于重力分離反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，不易控制，反應(yīng)過(guò)程中溫度的劇烈變化，氣體的強(qiáng)烈釋放及物料反應(yīng)前后摩爾體積的變化等往往造成陶瓷涂層疏松、裂紋、表面質(zhì)量差及厚度不均勻等缺陷，進(jìn)而影響復(fù)合管的使用性能。 與離心法相比，自蔓延鋁熱 重 力分離法由于沒(méi)有離心力的作用，有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題必須引起注意 ：一是形成陶瓷 母管雙層結(jié)構(gòu)時(shí)，由于沒(méi)有過(guò)渡層，容易引起結(jié)合強(qiáng)度不足 ； 二是體系中氣體和低熔點(diǎn)雜質(zhì)完全靠自然逸出，容易引起陶瓷層致密度下降。 針對(duì) 重力分離陶瓷復(fù)合鋼管目前工藝存在的問(wèn)題，本課題對(duì)影響復(fù)合層質(zhì)量的添加劑的行為和合成工藝進(jìn)行研究，希望為重力分離技術(shù)制備高性能陶瓷內(nèi)襯復(fù)合管提供理論和技術(shù)支持。 ****畢業(yè)論文 13 第 2 章 試驗(yàn)過(guò)程 167。 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)以 Al+Fe203和 Cr03+2Al 系鋁熱反應(yīng)為基礎(chǔ)，試驗(yàn)材料有鋁粉、氧化鐵、三氧化鉻，采用稀土、石英砂及 Si02 做添加劑進(jìn)行對(duì)比 ，試驗(yàn)用具有天平（帶砝碼）、玻璃棒、燒杯、漏斗、電阻絲及夾具（圖 21）等。 圖 21 反應(yīng)裝置示意圖 化學(xué)藥劑：三氧化鉻為 500g 瓶裝粉，化工商店購(gòu)買(mǎi)，經(jīng)研磨后使用。 試驗(yàn)采用 216。 外 20X150 mmC20 無(wú)縫鋼管和 216。 外 45X220mmC20 無(wú)縫鋼管，經(jīng)丙酮、酒精洗后烘干使用 167。 試驗(yàn)流程 167。 試驗(yàn)依據(jù) ****畢業(yè)論文 14 2Al+Fe203=2Fe+Al203+863KJ (21) Cr03+2Al=Al203+Cr+1094KJ (22) （ 21） 式中取 Al： Fe203 =1： ； （ 22） 式中取 Al： Cr03 =1： 由于浪費(fèi)的嚴(yán)重，為了提高反應(yīng)速率且保證 Fe203完全反應(yīng) 故取值： 1 式 中取 Al： Fe203 1： 2式中取 Al： Cr03 1： 計(jì)算公式 : h m= v為鋼管的體積， h為鋼管的長(zhǎng)度。 167。 試驗(yàn)工藝流程 圖 本實(shí)驗(yàn)的工藝流程圖： 本實(shí)驗(yàn)按照如下步驟進(jìn)行 : 1將三氧化鉻研磨烘干，并按比例成分配料，混合 1h至均勻，將混合配料烘干 2h。 2將配料以一定密度添加到鋼管中。 3將鋼管預(yù)熱，然后固定在夾具上。 4用導(dǎo)線接焊機(jī)上，并用電阻絲進(jìn)行點(diǎn)燃，并記錄燃燒時(shí)間。 5截取環(huán)狀復(fù)合管試樣。 6對(duì)環(huán)狀截取物進(jìn)行拋光，腐蝕。 7用顯微鏡觀察并截取陶瓷層及其和金屬層間隙的平面圖。 8分析不同添裝密度、不同鋼管、不同添加劑比例，進(jìn)行討論。 9對(duì)本實(shí)驗(yàn)作 出實(shí)驗(yàn)報(bào)告和結(jié)論。 167。 熱震性試驗(yàn) 評(píng)價(jià)得到的陶瓷復(fù)合鋼管結(jié)合能力常用方法有 :軸向壓剪強(qiáng)度、徑向壓潰強(qiáng)度、抗沖擊能力和抗熱震能力等。 計(jì)算 點(diǎn)火 混料 研磨 裝料 稱量 烘干 預(yù)熱 記錄 切割 腐蝕 拋光 顯微觀察 ****畢業(yè)論文 15 軸向壓剪強(qiáng)度測(cè)試 :用下模具支撐復(fù)合管鋼管基體，上壓頭從上往下壓內(nèi)襯陶瓷，以陶瓷層能承受的最大壓力作為評(píng)定值。 徑向壓潰強(qiáng)度測(cè)試 :將復(fù)合管放在壓力機(jī)上下壓頭之間，然后緩慢施壓，以陶瓷層出現(xiàn)破裂時(shí)的壓力作為評(píng)定值。 抗沖擊能力測(cè)試 :一般用石英砂以一定的速度、流量和在一定距離，沖擊陶瓷層。以陶瓷層碎裂的時(shí)間作為評(píng)定值。 壓力測(cè)試，方法簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)直觀。但軸向壓剪強(qiáng)度測(cè)定時(shí) ，因陶瓷層厚度僅 2mm 左右，測(cè)試操作難度大 。徑向壓潰強(qiáng)度測(cè)定的壓力主要取決于鋼管的強(qiáng)度，而同牌號(hào)鋼管因成分差異強(qiáng)度有波動(dòng)，測(cè)試值可比性差。石英砂沖擊實(shí)驗(yàn)只作用局部區(qū)域，不能反映陶瓷內(nèi)襯沿圓周分布的特點(diǎn)。 上述三種實(shí)驗(yàn)均在室溫狀態(tài)下測(cè)試，而冶金行業(yè)使用的鋼管大多數(shù)是在高于室溫狀態(tài)下使用，因此前述方法在反映陶瓷性能上就存在不足。熱震性能實(shí)驗(yàn)是在一定的溫度條件下反映陶瓷層的結(jié)合能力，其結(jié)果更接近鋼管的實(shí)際使用狀況，因此，實(shí)驗(yàn)選用熱震性能實(shí)驗(yàn)作為陶瓷層結(jié)合能力的評(píng)定值 。 設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法如下 : 第一步，將復(fù)合鋼管橫向 切割成長(zhǎng) 30mm 試樣，送入已預(yù)熱到 860℃箱式電爐加熱。當(dāng)溫度回升到 860℃時(shí)，保溫 30min，出爐空冷至室溫。 第二步，取出后用 TXD 一 I 實(shí)體顯微鏡觀察斷面及內(nèi)表面裂紋情況。 第三步，經(jīng)觀察的試樣再次送入預(yù)熱到 900℃電爐內(nèi)加熱保溫、空冷，如此反復(fù) 。 實(shí)驗(yàn)，直到裂紋出現(xiàn)。用出現(xiàn)裂紋時(shí)的實(shí)驗(yàn)次數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)陶瓷復(fù)合鋼管的抗熱震性能。 ****畢業(yè)論文 16 第 3 章 試驗(yàn)結(jié)果 167。 添加劑試驗(yàn) 取 Cr0325%，設(shè)計(jì)了不同添加劑的實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)表 31。 表 31不同添加劑 試樣 Fe203 (g) Cr03 (25%/g) Al (g) 密度(g/cm3) Si02 (4%/g) 稀土(4%/g) 石英砂 (2%/g) 燃 燒時(shí)間 (s) 陶 瓷 層壁厚(mm) 3w 3g 3x 3s 采用電熱絲點(diǎn) 火，燃燒情況如下： 1第一次點(diǎn)火失敗，原因是電阻絲沒(méi)接好，導(dǎo)致熄火。反應(yīng)時(shí)燃燒均勻，有大量飛濺物，火焰較高，有聲音。陶瓷層光滑。 2燃燒劇烈，有大量飛濺，燃燒均勻穩(wěn)定，由于底部藥粉露出，使落下的鐵水引燃藥粉，導(dǎo)致底部同時(shí)燃燒。陶瓷層光滑，底部陶瓷層脫落。 3開(kāi)始燃燒有大量飛濺，火焰較高，中間燃燒平穩(wěn)。陶瓷層光滑，但底部陶瓷層比較薄。 4開(kāi)始燃燒有大量飛濺，燃燒聲音較大，中間燃燒穩(wěn)定。陶瓷層底部較薄，陶瓷層十分粗糙。 167。 裝填密度試驗(yàn) 選擇 20 鋼無(wú)縫管，規(guī)格 216。 外 20X3X150 mm，不加任 何添加劑。見(jiàn)表 32 ****畢業(yè)論文 17 表 32不同密度 試樣 Fe203 (g) Cr03 (30%/g) Al (g) 密度 (g/cm3) 陶瓷層壁厚 (mm) 113 115 117 120 試驗(yàn)現(xiàn)象： 1有大量飛濺物，燃燒不均勻，中間燃燒較均勻，無(wú)飛濺。陶瓷層表面不光滑。 2飛濺較大，燃燒較平穩(wěn)，有鐵水流出， 陶瓷層不光滑。 3燃燒不均勻，飛濺物較少，燃燒過(guò)程平穩(wěn)，陶瓷層較粗糙，鐵水基本流出。 4有大量飛濺物，火焰較高，中間燃燒穩(wěn)定，鐵水基本流出。陶瓷層不很光滑。 167。 添加劑稀土試驗(yàn) 選擇 20 號(hào) 無(wú)縫管，規(guī)格 216。 外 20X3X150 mm，裝填料密度為 ，加入不同比例的稀土，見(jiàn)表 33。 表 33不同比列稀土 樣號(hào) Fe203 (g) Cr03 (35%/g) Al (g) 密度(g/cm3) 稀土(g) 燃燒時(shí)間 (s) 陶瓷層壁厚 (mm) 42 44 46 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： 1第一次點(diǎn)火沒(méi)成功，由于電阻絲與鐵管接觸，導(dǎo)致過(guò)載，點(diǎn)火失敗。燃燒較均勻，基本沒(méi)飛濺物。陶瓷層粗糙底端陶瓷層較薄。 2燃燒有大量飛濺，到中間燃燒較均勻。陶瓷內(nèi)表面很粗糙，導(dǎo)致堵塞。 3燃燒較均勻，飛濺不多。陶瓷層粗糙，底端陶瓷較薄，鋼管有燒穿痕跡。 ****畢業(yè)論文 18 167。 金 相 相圖 陶瓷層組織將復(fù)合管橫切試樣觀察，金相見(jiàn)圖 31 到 312 圖 31 無(wú)添加劑 母材 （ 400X） 圖 32 無(wú)添加劑 陶瓷區(qū) （ 100X） 圖 33 無(wú)添加劑 陶瓷層 （ 400X） 圖 34 無(wú)添加劑 過(guò)渡區(qū) （ 100X） ****畢業(yè)論文 19 圖 35 Si02母材 （ 400X） 圖 36 Si02陶瓷區(qū) （ 100X） 圖 37 Si02陶瓷層 （ 400X） 圖 38 Si02過(guò)渡區(qū) （ 100X） 圖 39 石英砂 過(guò)渡區(qū)（ 100X） 圖 310 石英砂 陶瓷區(qū)（ 100X） ****畢業(yè)論文 20 圖 311 稀土 過(guò)渡區(qū)（ 100X） 圖 312 稀土 陶瓷區(qū)（ 400X） ****畢業(yè)論文 21 第 4 章 試驗(yàn)分析 167。 添加劑的影響 鋁熱反應(yīng)燃燒合成的陶瓷層，組織不致密，有微裂紋存在，與鋼管本體的結(jié)合不夠牢 。添加添加劑，就是要提高組織的致密度，消除裂紋，增強(qiáng)陶瓷層與 基體的結(jié)合強(qiáng)度。 167。 添加劑對(duì)鋁熱反應(yīng)速度的影響 實(shí)驗(yàn)結(jié)果看到，在鋁熱反應(yīng)的基礎(chǔ)上加入添加劑后，對(duì)于大多數(shù)添加劑，反應(yīng)速度都不同程度變慢 。隨著加入的添加劑的數(shù)量增加