CN102305328B - 氧化铝复合陶瓷内衬弯头及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氧化铝复合陶瓷内衬弯头及其加工方法，内衬弯头包括内层、外层，外层为无缝钢管，内层和外层之间填充有粘接胶，内层为氧化铝耐磨陶瓷管，内层的原料组成为：α-Al2O3微粉74-78%、SiO20.2-1%、Y2O31-2%、CeO21-2%、苏州土1-4%、ZrO218%-22%，上述原料总重为100%，外加上述原料总重0.04-0.1%的聚乙烯醇溶液、0.1-0.5%的分散剂、80-85%的水。陶瓷管制作时采用等静压成型工艺，经压制毛坯、坯体车制，最后在1640-1650℃保温3-3.5h烧成。本发明的复合耐磨陶瓷弯头克服了普通钢管的硬度低、耐磨性差以及普通陶瓷的韧性差等缺点，综合性能较好，延长了产品的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷内衬复合材料，特别是涉及一种氧化铝复合陶瓷内衬弯头及其加工方法。
背景技术
氧化铝陶瓷是一种用途广泛的材料，因为其优越的性能，在现代工业中应用越来越广泛，以满足机械工业各种特殊性能的需要。由于氧化铝陶瓷管有脆性弱点，在抗冲击方面性能较差，如何提高陶瓷管的韧性和耐磨性，满足物料长期对瓷管的冲刷、冲击、腐蚀及磨损，提高瓷管的使用寿命，是目前需要解决的技术问题。
随着耐磨耐腐部件在化工及火电行业的广泛应用，近年来自蔓延耐磨弯头、铸石耐磨弯头、耐磨陶瓷贴片弯头及双金属耐磨弯头的应用越来越广泛，尤其是在火力发电行业的应用较广。以火力发电厂为例，每天都有大量的粉煤灰产出，从燃烧室到灰场的管线较长（大约有1000米左右），整个管线上装有大量不同通经的弯头，实践证明，在粉煤灰流速为45米/秒的输送条件下，无缝钢管弯头的耐冲击力较差，壁厚为10mm的无缝钢管弯头的冲击点在40天内就会出现孔洞而开始泄漏，自蔓延耐磨弯头的使用寿命不到6个月，陶瓷贴片耐磨弯头也不耐冲击，容易脱落，造成钢管裸露。
如果将氧化铝陶瓷管和现有钢管做成复合弯头，同时发挥钢管的强度和陶瓷的高硬度、高耐磨、耐腐蚀、耐热性好等性能，则可延长弯头的使用寿命，不失为一种好办法。
发明内容
本发明要解决的技术问题：提供一种氧化铝复合陶瓷内衬弯头及其加工方法，有效解决了该类产品的耐磨耐腐蚀问题，使用寿命大大提高。
本发明的技术方案：
一种氧化铝复合陶瓷内衬弯头，包括内层、外层，外层为无缝钢管，内层和外层之间填充有粘接胶，所述内层为氧化铝耐磨陶瓷管，所述氧化铝耐磨陶瓷管由下述重量百分比的原料组成：α-Al2O3微粉74-78%、SiO2 0.2-1%、Y2O3 1-2%、CeO2 1-2%、苏州土 1-4%、ZrO2 18%-22%，上述原料总重为100%，外加上述原料总重0.04-0.1%的聚乙烯醇溶液、0.1-0.5%的分散剂、80-85%的水。
所述原料粒度为：α-Al2O3微粉5000-6000目、SiO2 300-325目、Y2O3 300-400目、CeO2 300-325目、苏州土 240-250目、ZrO2 150-180目。
所述聚乙烯醇溶液的质量浓度为5-8%，所述分散剂为六偏磷酸纳。
所述外层厚度为6-10mm，内层厚度为10-15mm。
所述氧化铝耐磨陶瓷管采用下述方法制作：
（1）按原料组成称料，将ZrO2、CeO2投入球磨机，加水球磨，当D50达到4-5微米时，向球磨机中加入50%的α-Al2O3微粉，然后加入SiO2、Y2O3和苏州土，再加入余下的α-Al2O3微粉，加入水和分散剂，球磨45-50h，取样检测粒度，要求粒度D50为2-3微米；加入聚乙烯醇溶液，再球磨1-1.5h开始造粒，得到粒度为40-180目的造粒粉；
（2）等静压成型 将造粒粉等静压成型，压制成毛坯，毛坯含水量控制在1.5%以下；
（3）坯体车制 采用真空橡皮膨胀夹具车制毛坯，车床转速为200-360r/min；
（4）烧成 将车制后的毛坯按尺寸切割，采用座烧方法装窑，烧成温度为1640-1650℃，在此温度下保温3-3.5h烧成，出窑。
所述座烧是在棚板上铺一层20目的白刚玉砂，放上垫片并校平，垫片上铺一层40目的白刚玉砂，然后将瓷管放在垫片上装窑；所述棚板材质为SiC，厚度为20-25mm，耐火度≥1750℃。
所述等静压成型时的压力曲线为：压力由表压0 MPa逐渐升压至150MPa，历时10min，保压2min；由150MPa逐渐减压至100MPa，历时2 min，保压1min；由100 MPa逐渐减压至60MPa，历时0.5min，保压2min；由60MPa逐渐减压至0MPa，历时2min。
所述烧成温度要求为：毛坯由室温经3h升温至300℃，再经3.5h升温至600℃，再经5h升温至950℃，保温1h；再由950℃经5h升温至1200℃，经3h升温至1350℃，保温2h；再由1350℃经7h升温至1640-1650℃，保温3-3.5 h；然后由1640-1650℃经7h降温至1200℃，再经6h降温至950℃，最后自然冷却至200℃。
所述氧化铝复合陶瓷内衬弯头的加工方法，包括以下步骤：
（1）根据尺寸要求切割无缝钢管，磨平端面，打出坡口；对无缝钢管内壁进行除锈；
（2）根据尺寸要求将氧化铝耐磨陶瓷管端口磨平，角度与无缝钢管一致；
（3）将氧化铝耐磨陶瓷管垂直装入无缝钢管并进行定位，确保装配间隙一致；封住所述氧化铝耐磨陶瓷管一端，从另一端向氧化铝耐磨陶瓷管和无缝钢管之间的装配间隙中灌入粘接胶，等凝固后再焊接下一段无缝钢管；
（4）在平台上制作定位胎具，确保弯头的角度和/或曲率半径符合要求；
（5）焊接法兰，打磨弯头本体、除锈，上防锈漆和面漆。
所述粘接胶采用以下方法制备：环氧树脂和聚酰胺树脂等量混合后，加入粘接胶总量10%的白刚玉砂，混料后加热至30±2℃，进行灌胶，灌胶后凝固1-1.5h；所述白刚玉砂的粒度为80-100目。
本发明的积极有益效果：
（1）本发明的复合耐磨陶瓷弯头，从内到外分别为刚玉陶瓷内层、过渡层、无缝钢管外层三层组成，通过过渡层粘结胶与无缝钢管牢固结合，能充分发挥无缝钢管的强度高、韧性好、耐冲击、焊接性能好以及刚玉陶瓷的高硬度、高耐磨、耐蚀、耐热性好等优点，克服了普通钢管的硬度低、耐磨性差以及普通陶瓷的韧性差等缺点，综合性能较好。
本发明的复合耐磨陶瓷弯头中所用氧化铝耐磨陶瓷管性能优良，其抗折强度、断裂韧性、热稳定性、化学稳定性等方面均优于普通陶瓷管，良好的氧化铝陶瓷内衬延长了弯头的使用寿命。其中氧化铝耐磨陶瓷管的性能指标见下表1。
表1：本发明中的复合耐磨陶瓷弯头中陶瓷管的性能指标
注：表1中的10%HC1，是指质量浓度；1:9的NaOH为质量比。
（2）本发明改进了复合陶瓷管的原料配方和生产工艺，采用等静压成型工艺，严格控制压力曲线和烧结温度曲线，解决了该类产品烧结易变形、耐磨耐腐蚀等问题，有效控制了产品质量。
（3）由于氧化铝陶瓷管有脆性弱点，抗冲击性较差，本发明通过改进原料组成和配比，提高了陶瓷管的韧性和耐磨性，能满足物料长期对瓷管的冲刷、冲击、腐蚀及磨损，提高了复合陶瓷弯头的使用寿命。
（4）本发明的陶瓷内衬耐磨弯头，从根本上解决了以往弯头的不耐冲击、使用寿命短等缺陷，由于内衬采用氧化铝耐磨陶瓷管，弯头的耐磨耐腐蚀性、韧性、抗冲击性、抗折强度及热稳定性等性能大大提高，同时采用整管装配工艺，磨加工后进行定位焊接并粘接，弯头整体强度高，耐磨层较厚，接缝几乎为零，内表面不粘料，弯头使用寿命较普通弯头可提高3-5年。
（5）本发明的陶瓷内衬耐磨弯头内表面光滑，不粘料不堵料，能增加物料输送量，无需安装吹扫孔，使用温度可达200度以上，减少弯头更换频率，节省大量检修时间，提高了产品性价比和生产效率。
具体实施方式：
例1：氧化铝复合陶瓷内衬弯头及其加工方法。
氧化铝复合陶瓷内衬弯头包括内层、外层，外层为无缝钢管，内层和外层之间填充有粘接胶，内层为氧化铝耐磨陶瓷管，外层厚度为6-10mm，内层厚度为10-15mm。
1.内层氧化铝耐磨陶瓷管的原料组成：以重量百分比表示，α-Al2O3微粉74-78%、SiO2 0.2-1%、Y2O3 1-2%、CeO2 1-2%、苏州土 1-4%，ZrO218%-22%，上述原料总重为100%，外加上述原料总重0.04-0.1%的聚乙烯醇溶液、0.1-0.5%的分散剂、80-85%的水；其中聚乙烯醇溶液的质量浓度为5-8%，分散剂为六偏磷酸纳。
原料粒度要求：α-Al2O3微粉5000-6000目、SiO2 300-325目、Y2O3 300-400目、CeO2 300-325目、苏州土 240-250目、ZrO2 150-180目。
2.内层氧化铝耐磨陶瓷管的制作方法：
（1）按原料组成称料，将ZrO2、CeO2投入球磨机，加水球磨30小时左右，当D50达到4-5微米时，向球磨机中加入50%的α-Al2O3微粉，然后加入SiO2、Y2O3和苏州土，再加入余下的α-Al2O3微粉，加入水和分散剂，球磨45-50h，取样检测粒度，要求粒度D50为2-3微米；加入聚乙烯醇溶液，再球磨1-1.5h开始造粒，得到粒度为40-180目的造粒粉；
（2）等静压成型 将造粒粉压制成型，成型压力为150MPa，在此压力下保压3 min，压制成毛坯，毛坯含水量控制在1.5%以下；
成型时压力曲线为：压力由0 MPa逐渐升压至150MPa，历时10min，保压2min；由150MPa逐渐减压至100MPa，历时2 min，保压1min；由100 MPa逐渐减压至60MPa，历时0.5min，保压2min；由60MPa逐渐减压至0MPa，历时2min。
（3）坯体车制 采用真空橡皮膨胀夹具车制，芯轴套上真空橡皮圈和挡板，毛坯套在真空橡皮圈上，挡板外侧设有螺母；装上毛坯后锁紧两端螺母，车床转速为200-360r/min；
其中的真空橡皮膨胀夹具的结构，见申请号为201020507551.4、名称为：氧化铝陶瓷管等静压成型毛坯车制夹具。
（4）烧成 将车制后的毛坯按形状和尺寸要求切割，采用座烧方法装窑，烧成温度为1640-1650℃，在此温度下保温3-3.5h烧成，自然冷却后出窑。
座烧时在棚板上铺一层20目的白刚玉砂，放上垫片并校平，垫片上铺一层40目的白刚玉砂，然后将瓷管放在垫片上装窑。
所述棚板材质为SiC，外形尺寸为400x400，厚度为20-25mm，棚板耐火度≥1750℃；棚板的具体要求为：SiC含量≥98%，气孔率15-7%，体积密度为 2.4-2.6g/cm3，抗折强度（20-1300℃）为90-140MPa，导热系数为23w/m.k，使用温度≥1650℃。
烧成温度要求：毛坯由室温经3h升温至300℃，再经3.5h升温至600℃，再经5h升温至950℃，保温1h；再由950℃经5h升温至1200℃，经3h升温至1350℃，保温2h；再由1350℃经7h升温至1640-1650℃，保温3-3.5h；然后由1640-1650℃经7h降温至1200℃，再经6h降温至950℃，最后自然冷却至200℃。
3.弯头的加工装配方法：
（1）根据尺寸要求切割无缝钢管，磨平端面，打出坡口，对无缝钢管内壁进行除锈；
（2）根据尺寸要求将得到的氧化铝耐磨陶瓷管端口磨平，角度与无缝钢管一致；
（3）将氧化铝耐磨陶瓷管垂直装入无缝钢管中并进行定位，确保装配间隙一致；封住所述陶瓷管一端，从另一端向氧化铝耐磨陶瓷管和无缝钢管之间的装配间隙中灌入粘接胶，等凝固后再焊接下一段无缝钢管；
（4）在平台上制作定位胎具，确保弯头的角度和/或曲率半径符合要求；
（5）焊接法兰，打磨弯头本体、除锈，上防锈漆和面漆。
所述粘接胶采用以下方法制备：环氧树脂和聚酰胺树脂等量混合后，加入粘接胶总量10%的80-100目的白刚玉砂作为骨料，混料后加热至30±2℃，进行灌胶，灌胶后凝固1-1.5h。
4.加工装配时注意事项：
（1）装配时陶瓷管端面不涂胶，调整好角度，对齐端面即可；
（2）焊接时不能连续进行，以防陶瓷管局部受热而开裂；
（3）灌胶装配要一次性完成，因为胶加热后短时间即可凝固；
（4）定位胎具根据弯头的曲率半径、角度以及法兰位置要求制作，以确保弯头安装精度；
（5）弯头设计要根据流向、流速、压力、输送介质及冲击点位置合理进行，不能把冲击点留在两个陶瓷管对接处，否则会减少弯头的使用寿命。
本例中的弯头加工方法，同样适用于其它管件，如三通、四通、大小头等。
例2：氧化铝复合陶瓷内衬弯头及加工方法，同实施例1基本相同，不同之处在于：
1.内层氧化铝耐磨陶瓷管的原料组成：
α-Al2O3微粉75%、SiO2 1%、Y2O3 1%、CeO2 2%、苏州土 1%、ZrO220%，上述原料总重为100%，外加上述原料总重0.04%的聚乙烯醇溶液、0.3%的分散剂、80%的水；其中聚乙烯醇溶液的质量浓度为8%，分散剂为六偏磷酸纳。
2. 内层氧化铝耐磨陶瓷管的制作方法：
（4）切割、烧成 将车制后的毛坯按形状和尺寸要求切割，采用座烧方法装窑，烧成温度为1640℃，在此温度下保温3.5h烧成。
烧成温度要求为：毛坯由室温经3h升温至300℃，再经3.5h升温至600℃，再经5h升温至950℃，保温1h；再由950℃经5h升温至1200℃，经3h升温至1350℃，保温2h；再由1350℃经7h升温至1640℃，保温3.5h；然后由1640℃经7h降温至1200℃，再经6h降温至950℃，最后自然冷却至200℃。
例3：氧化铝复合陶瓷内衬弯头及加工方法，同实施例1基本相同，不同之处在于：
1.内层的原料组成：
α-Al2O3微粉78%、SiO2 0.2%、Y2O3 1%、CeO2 1%、苏州土 1%、ZrO218.8%，上述原料总重为100%，外加上述原料总重0.1%的聚乙烯醇溶液、0.2%的分散剂、85%的水。其中聚乙烯醇溶液的质量浓度为5%，分散剂为六偏磷酸纳。
2.内层的制作方法：
（4）切割、烧成 将车制后的毛坯按形状和尺寸要求切割，采用座烧方法装窑，烧成温度为1650℃，在此温度下保温3h烧成；
烧成温度要求为：毛坯由室温经3h升温至300℃，再经3.5h升温至600℃，再经5h升温至950℃，保温1h；再由950℃经5h升温至1200℃，经3h升温至1350℃，保温2h；再由1350℃经7h升温至1650℃，保温3h；然后由1650℃经7h降温至1200℃，再经6h降温至950℃，最后自然冷却至200℃。
例4：氧化铝复合陶瓷内衬弯头及加工方法，同实施例1基本相同，不同之处在于：
内层的原料组成：α-Al2O3微粉77%、SiO2 0.5%、Y2O3 1%、CeO2 1%、苏州土 1%，ZrO219.5%，上述原料总重为100%，外加上述原料总重0.08%的聚乙烯醇溶液、0.4%的分散剂、83%的水；其中聚乙烯醇溶液的质量浓度为6%，分散剂为六偏磷酸纳。
例5：氧化铝复合陶瓷内衬弯头及加工方法，同实施例1基本相同，不同之处在于：
内层的原料组成：α-Al2O3微粉75%、SiO2 1%、Y2O3 1%、CeO2 1%、苏州土 1%，ZrO2 21%，上述原料总重为100%，外加上述原料总重0.08%的聚乙烯醇溶液、0.4%的分散剂、83%的水；其中聚乙烯醇溶液的质量浓度为6%，分散剂为六偏磷酸纳。
例6：氧化铝复合陶瓷内衬弯头及其加工方法，同实施例1基本相同，不同之处在于：
内层的原料组成：α-Al2O3微粉76%、SiO2 0.3%、Y2O3 1.8%、CeO2 1.5%、苏州土 2%，ZrO218.4%，上述原料总重为100%，外加上述原料总重0.06%的聚乙烯醇溶液、0.5%的分散剂、84%的水；其中聚乙烯醇溶液的质量浓度为7%，分散剂为六偏磷酸纳。
例7：氧化铝复合陶瓷内衬弯头及加工方法，同实施例1基本相同，不同之处在于：
内层的原料组成：α-Al2O3微粉75%、SiO2 0.5%、Y2O3 2%、CeO2 1%、苏州土 3%，ZrO218.5%，上述原料总重为100%，外加上述原料总重0.05%的聚乙烯醇溶液、0.3%的分散剂、82%的水；其中聚乙烯醇溶液的质量浓度为6%，分散剂为六偏磷酸纳。
例8：氧化铝复合陶瓷内衬弯头及加工方法，同实施例1基本相同，不同之处在于：
内层的原料组成：α-Al2O3微粉74%、SiO2 1%、Y2O3 1%、CeO2 1%、苏州土 1%，ZrO222%，上述原料总重为100%，外加上述原料总重0.09%的聚乙烯醇溶液、0.1%的分散剂、80%的水；其中聚乙烯醇溶液的质量浓度为6%，分散剂为六偏磷酸纳。
Claims (2)
1.一种氧化铝复合陶瓷内衬弯头，包括内层、外层，外层为无缝钢管，内层和外层之间填充有粘接胶，其特征在于：所述内层为氧化铝耐磨陶瓷管，所述氧化铝耐磨陶瓷管由下述重量百分比的原料组成：α-Al2O3微粉74-78%、SiO2 0.2-1%、Y2O3 1-2%、CeO2 1-2%、苏州土 1-4%、ZrO2 18%-22%，上述原料总重为100%，外加上述原料总重0.04-0.1%的聚乙烯醇溶液、0.1-0.5%的分散剂、80-85%的水；所述原料粒度为：α-Al2O3微粉5000-6000目、SiO2 300-325目、Y2O3 300-400目、CeO2 300-325目、苏州土 240-250目、ZrO2 150-180目；所述聚乙烯醇溶液的质量浓度为5-8%，所述分散剂为六偏磷酸纳；所述外层厚度为6-10mm，内层厚度为10-15mm；所述氧化铝耐磨陶瓷管采用下述方法制作：
（1）按原料组成称料，将ZrO2、CeO2投入球磨机，加水球磨，当D50达到4-5微米时，向球磨机中加入50%的α-Al2O3微粉，然后加入SiO2、Y2O3和苏州土，再加入余下的α-Al2O3微粉，加入水和分散剂，球磨45-50h，取样检测粒度，要求粒度D50为2-3微米；加入聚乙烯醇溶液，再球磨1-1.5h开始造粒，得到粒度为40-180目的造粒粉；
（2）等静压成型 将造粒粉等静压成型，压制成毛坯，毛坯含水量控制在1.5%以下；所述等静压成型时的压力曲线为：压力由表压0 MPa逐渐升压至150MPa，历时10min，保压2min；由150MPa逐渐减压至100MPa，历时2 min，保压1min；由100 MPa逐渐减压至60MPa，历时0.5min，保压2min；由60MPa逐渐减压至0MPa，历时2min；
（3）坯体车制 采用真空橡皮膨胀夹具车制毛坯，车床转速为200-360r/min；
（4）烧成 将车制后的毛坯按尺寸切割，采用座烧方法装窑，烧成温度为1640-1650℃，在此温度下保温3-3.5h烧成，出窑；所述座烧是在棚板上铺一层20目的白刚玉砂，放上垫片并校平，垫片上铺一层40目的白刚玉砂，然后将瓷管放在垫片上装窑；所述棚板材质为SiC，厚度为20-25mm，耐火度≥1750℃；所述烧成温度要求为：毛坯由室温经3h升温至300℃，再经3.5h升温至600℃，再经5h升温至950℃，保温1h；再由950℃经5h升温至1200℃，经3h升温至1350℃，保温2h；再由1350℃经7h升温至1640-1650℃，保温3-3.5 h；然后由1640-1650℃经7h降温至1200℃，再经6h降温至950℃，最后自然冷却至200℃。
2.权利要求1所述氧化铝复合陶瓷内衬弯头的加工方法，其特征在于：所述加工方法包括以下步骤：
（1）根据尺寸要求切割无缝钢管，磨平端面，打出坡口；对无缝钢管内壁进行除锈；
（2）根据尺寸要求将氧化铝耐磨陶瓷管端口磨平，角度与无缝钢管一致；
（3）将氧化铝耐磨陶瓷管垂直装入无缝钢管并进行定位，确保装配间隙一致；封住所述氧化铝耐磨陶瓷管一端，从另一端向氧化铝耐磨陶瓷管和无缝钢管之间的装配间隙中灌入粘接胶，等凝固后再焊接下一段无缝钢管；所述粘接胶采用以下方法制备：环氧树脂和聚酰胺树脂等量混合后，加入粘接胶总量10%的白刚玉砂，混料后加热至30±2℃，进行灌胶，灌胶后凝固1-1.5h；所述白刚玉砂的粒度为80-100目；
（4）在平台上制作定位胎具，确保弯头的角度和/或曲率半径符合要求；
（5）焊接法兰，打磨弯头本体、除锈，上防锈漆和面漆。
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