CN102815950A - 添加纳米添加剂制备陶瓷内衬复合钢管的反应物料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种添加纳米添加剂制备陶瓷内衬复合钢管的反应物料，它由铝粉、氧化铁粉、二氧化硅、四硼酸钠及纳米添加剂组成；所述纳米添加剂为二氧化锆、二氧化钛或稀土。本发明加入纳米添加剂的反应物料制备的复合钢管陶瓷层致密，表面光滑，无裂纹；加入纳米添加剂的反应物料制备的复合钢管的压剪强度和压溃强度得到提高，尤其是压溃强度得到大幅度提高，从而提高了复合钢管陶瓷层与钢管基体的结合强度；加入纳米添加剂的反应物料制备的复合钢管可用在矿山、石油、电力、冶金、化工等领域。

Description

添加纳米添加剂制备陶瓷内衬复合钢管的反应物料

技术领域

本发明涉及一种制备陶瓷内衬复合钢管的反应物料。

背景技术

自蔓延高温合成（Self-propagating High-temperature Synthesis,缩写SHS）,也称燃烧合成，其基本原理是利用外部提供的能量使高放热反应体系产生局部燃烧,反应形成前沿燃烧波,在自身放出热量的支持下,反应随着燃烧波继续向前推进,反应并合成具有指定成分和结构的燃烧产物。自蔓延高温合成技术主要分为离心-SHS技术和重力分离SHS技术。离心-SHS技术由离心铸造技术与自蔓延高温合成技术组成，是一种在钢管内壁涂敷陶瓷层制备复合钢管的工艺方法。

SHS技术最早起源于前苏联。1967年原苏联科学院化学物理研究所的Borovinskaya和Merzhanov开始对燃烧合成反应进行系统研究，1975年原苏联的Juganson等人第一次采用铝热反应制得了氧化铝陶瓷内衬复合钢管，并于1977年2月获得美国专利。1977年9月，1978年10月美国的Arther J.Pignocco和Rodert. H. Rachik先后获准了用离心SHS法制取陶瓷衬管的专利。除了Fe₂O₃-Al系外，他们还开发了NiO-Al和CoO-Al系，并采用Al₂O₃作为稀释剂。1980年，日本的小田原修（Odawara）在原苏联和美国的基础上进行了离心SHS陶瓷衬管的研究，于1981年发表了第一篇这方面的研究论文，1982年获得美国专利。

我国从80年代后期才开始SHS陶瓷衬管研究工作，目前从事这方面研究工作的主要有原轻工部电光源研究所，北京科技大学，华东理工大学，武汉工业大学中俄SHS技术联合研究中心等单位。其中北京科技大学研究的比较深入、系统。他们对SHS陶瓷复合管的组织性能、应力分布、裂纹成因、燃烧特性等进行了深入的研究。华东理工大学在SHS陶瓷内衬管的工业化生产，尤其是直径500mm以上大直径复合管工业化生产及静态铝热融附成型制备弯管等方面研究的较多。

在铝热剂中掺杂添加剂可以有效改善陶瓷复合钢管的性能。根据添加剂对SHS燃烧过程的影响，一般将其分为二类：一类为参与SHS反应，对燃烧过程具有促进作用的化学激活剂，它能够加快燃烧过程、提高反应速率，降低陶瓷层尖晶石亚稳相含量，从而提高陶瓷层的硬度和耐磨性，如CrO₃、KNO₃、KMnO₄等；但化学激活剂的添加量需要得到控制，并最好与稀释剂配合使用。另一类为不参与SHS反应，对燃烧过程具有抑制作用的稀释剂，它的加入降低了燃烧温度和蔓延速率，使反应转化率降低，从而提高陶瓷层的致密度和耐腐蚀性，如SiO₂、CaO、NaF、钾长石等。

夏天东等在《热加工工艺》2000年第2期“CrO₃对陶瓷复合钢管致密化及力学性能的影响”文中提到添加CrO₃可以有效提高复合钢管的致密度，随着添加量增加，复合钢管的压溃强度略有升高，但影响不是很明显；李冬黎等在《机械工程材料》2001年第25卷第3期“SiO₂对陶瓷复合钢管孔隙度和力学性能的影响”文中提到添加适量SiO₂ , 可以提高复合钢管的剪切强度，但对其压溃强度影响却不明显；郭伏安等在《湖南有色金属学报》2002年第18卷第6期“离心自蔓延高温合成陶瓷内衬复合钢管的研究与应用”文中提到添加SiO₂可以增加复合管的致密度和耐腐蚀性，但降低了陶瓷层硬度。

上述自蔓延高温合成复合管所用反应物料配方中，大多都采用单一添加剂，且添加剂粒度都为微米级颗粒，并只能提高复合钢管的部分性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可提高复合钢管性能的添加纳米添加剂制备陶瓷内衬复合钢管的反应物料。

本发明的技术解决方案是：

一种添加纳米添加剂制备陶瓷内衬复合钢管的反应物料，其特征是：它由铝粉、氧化铁粉、二氧化硅、四硼酸钠及纳米添加剂组成；所述纳米添加剂为二氧化锆、二氧化钛或稀土。

所述的添加纳米添加剂制备陶瓷内衬复合钢管的反应物料，其特征是：由下列重量百分比的成分组成：

铝粉：21~23%，氧化铁粉60~66%，二氧化硅4~6%，四硼酸钠4~6%，纳米二氧化锆1~8%；

或铝粉：21~23%，氧化铁粉60~66%，二氧化硅4~8%，四硼酸钠4~8%，纳米二氧化钛1~10%；

或铝粉：21~23%，氧化铁粉60~66%，二氧化硅4~6%，四硼酸钠4~6%，纳米稀土1~10%。

所述的添加纳米添加剂制备陶瓷内衬复合钢管的反应物料，其特征是：铝粉、氧化铁粉、二氧化硅及四硼酸钠粒度均在100-200目之间，纯度均大于99%；纳米添加剂二氧化锆、二氧化钛及稀土粒度均在10-100nm之间，纯度均大于99%。

本发明的优点是：（1）加入纳米添加剂的反应物料制备的复合钢管陶瓷层致密，表面光滑，无裂纹。（2）加入纳米添加剂的反应物料制备的复合钢管的压剪强度和压溃强度得到提高，尤其是压溃强度得到大幅度提高，从而提高了复合钢管陶瓷层与钢管基体的结合强度。（3）加入纳米添加剂的反应物料制备的复合钢管可用在矿山、石油、电力、冶金、化工等领域。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

实施例1：钢管外径70mm，壁厚10mm，管长150mm。在钢管内装入混合后的反应物料：铝粉22%，氧化铁粉66%，二氧化硅5%，四硼酸钠4%，纳米二氧化锆3%。将填满反应物料的钢管固定在离心装置上，开动离心装置，转速为1200-1600r/min，室温状态下，采用氧-乙炔火焰点燃钢管，反应结束后，在室温冷却下即可制得陶瓷内衬复合钢管。本配方制备的陶瓷复合钢管孔隙率≤7.0%，压剪强度≥15Mpa，压溃强度≥470Mpa。

实施例2: 钢管外径65mm，壁厚10mm，管长160mm。在钢管内装入混合后的反应物料：铝粉21%，氧化铁粉61%，二氧化硅6%，四硼酸钠4%，纳米二氧化钛8%。将填满反应物料的钢管固定在离心装置上，开动离心装置，转速为1200-1600r/min，室温状态下，采用氧-乙炔火焰点燃钢管，反应结束后，在室温冷却下即可制得陶瓷内衬复合钢管。本配方制备的陶瓷复合钢管孔隙率≤8.0%，压剪强度≥13Mpa，压溃强度≥525Mpa。

实施例3: 钢管外径65mm，壁厚10mm，管长160mm。在钢管内装入混合后的反应物料：铝粉22%，氧化铁粉66%，二氧化硅4%，四硼酸钠6%，纳米稀土2%。将填满反应物料的钢管固定在离心装置上，开动离心装置，转速为1200-1600r/min，室温状态下，采用氧-乙炔火焰点燃钢管，反应结束后，在室温冷却下即可制得陶瓷内衬复合钢管。本配方制备的陶瓷复合钢管孔隙率≤6.0%，压剪强度≥10Mpa，压溃强度≥450Mpa。

Claims (3)

1. 一种添加纳米添加剂制备陶瓷内衬复合钢管的反应物料，其特征是：它由铝粉、氧化铁粉、二氧化硅、四硼酸钠及纳米添加剂组成；所述纳米添加剂为二氧化锆、二氧化钛或稀土。

2. 根据权利要求1所述的添加纳米添加剂制备陶瓷内衬复合钢管的反应物料，其特征是：由下列重量百分比的成分组成：

铝粉：21~23%，氧化铁粉60~66%，二氧化硅4~6%，四硼酸钠4~6%，纳米二氧化锆1~8%；

或铝粉：21~23%，氧化铁粉60~66%，二氧化硅4~8%，四硼酸钠4~8%，纳米二氧化钛1~10%；

或铝粉：21~23%，氧化铁粉60~66%，二氧化硅4~6%，四硼酸钠4~6%，纳米稀土1~10%。

3. 根据权利要求1所述的添加纳米添加剂制备陶瓷内衬复合钢管的反应物料，其特征是：铝粉、氧化铁粉、二氧化硅及四硼酸钠粒度均在100-200目之间，纯度均大于99%；纳米添加剂二氧化锆、二氧化钛及稀土粒度均在10-100nm之间，纯度均大于99%。