CN102840394B - 重结晶碳化硅复合弯管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种重结晶碳化硅复合弯管。它包括金属外壳及复合于其内壁的耐磨层，该耐磨层是由下述原料经制浆、浇注成型、2450～2550℃下烧结而成的重结晶碳化硅衬管层：纯度≥99.5%、粒度为0～150um的碳化硅微粉88～92wt%、稀土钇助剂8～12wt%。本发明重结晶碳化硅复合弯管耐磨性能良好，高温条件下不变形、强度不降低，其结构致密、耐酸碱磨蚀，表面光洁光滑且呈流畅曲线，不堵塞、截留粉料，适应各种恶劣工况条件下的防磨损作业，对提高企业生产效率、节约能源、减少泄漏、保障生产安全、改善工作环境，大幅降低修理费用具有重要意义。

Description

重结晶碳化硅复合弯管及其制备方法

技术领域

 本发明涉及一种耐磨弯管，具体涉及一种重结晶碳化硅复合弯管及其制备方法。

背景技术

管道磨损特别是弯管磨损，是长期困扰工业企业的棘手问题，并直接影响到企业的经济效益和现场工作环境。目前，市场上耐磨弯管大致有4种类型：一是铸石弯管，缺点是易碎、易开裂、壁厚（30～40mm）笨重有鼓包，安装不方便，内部常有气孔，易留隐患，一旦磨穿，现场难以修补，现在应用较少；二是铸钢弯管（包括合金钢）广泛应用于防磨领域，但由于材质和工艺局限，其表面硬度较低（约洛氏硬度60），远低于陶瓷（洛氏硬度80以上），耐磨性能只相当于陶瓷的几十分之一。此外，铸钢弯管厚度大，非常笨重，可焊性差，安装维修困难；三是离心浇注复合陶瓷弯管，该工艺采用自蔓延燃烧离心浇注成型，这种方法成型的陶瓷复合管内表面置换出陶瓷层，与铸钢合金弯管相比，耐磨性能有一定程度提高，但由于反应时间短，氧化铝与铁水离心分离不彻底、气孔较多、陶瓷层不够致密，表面粗糙，硬度80以上。另外，该工艺只能做直管，若做弯管，需将直管分割若干段焊接成弯管，成型后内壁不是流线型，妨碍物料输送，且焊缝处易磨损泄漏。四是陶瓷贴片弯管，由于受加工工艺所限，此产品仅适应于大直径短弯管，由于粘贴瓷片之间缝隙较多，瓷片之间不是圆弧，在高温或大流速环境里，易脱落磨损。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构致密、耐磨性能好、使用寿命长、运营维护费用低的重结晶碳化硅复合弯管，并提供了其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

设计一种包括金属支撑弯管及复合于其内壁的耐磨层的重结晶碳化硅复合弯管，其耐磨层是由下述原料经制浆、浇注成型、2450～2550℃下烧结而成的重结晶碳化硅内衬弯管：纯度≥99.5%、粒度为0～150um的碳化硅微粉88～92wt%、稀土钇（助剂）8～12wt%。

在所述碳化硅微粉中，粒度为0～1um的占25～35 wt%、粒度为1～5um的占15～25wt%、粒度为10～63um的碳化硅微粉占15～25wt%、粒度为125～150um的碳化硅微粉占25～35 wt%。

所述碳化硅微粉中锐角形颗粒占25～30wt%，钝角形颗粒占70～75wt%。

所述重结晶碳化硅内衬弯管由一定数量分段衬管依次拼接而成，分段衬管的长度大小或弧度大小以其能装配至金属支撑弯管内相对应的位置处为准。

在所述金属支撑弯管与耐磨层之间设置有耐热填充层。

所述耐热填充层为硅酸铝纤维毡。

上述重结晶碳化硅复合弯管可经由以下步骤制成：

（1）按照设计的尺寸规格制备出金属外壳和重结晶碳化硅内衬弯管模芯；

（2）根据重结晶碳化硅内衬弯管模芯制作出石膏模；

（3）按照上述原料配比选取制作重结晶碳化硅衬管层的原料，混料后，加水至料浆粘度为500～600泊，再真空混料20～30小时；料浆混好后，在浇铸平台上用石膏模进行浇注，将浇铸好的生坯放置2～3小时后脱模；再将脱模后的生坯烘干，按所述要求的尺寸加工修坯后，再烘干至水分含量2%以下；将生坯置高温真空炉中进行烧结，在真空状态下以3～5℃/分钟的升温速率升温，当温度升至1100℃时，充入惰性气体使炉内压力达到1.5～2.5MPa，继续以2℃/分钟的升温速率升温至2450～2550℃，然后保温1.5～2.5小时，再自然冷却，当温度降至150℃以下时出炉即得重结晶碳化硅衬管；

（4）将重结晶碳化硅衬管用耐热填充料包裹后嵌合于相匹配的金属支撑弯管中即成。

在所述步骤（3）中，真空混料和真空升温时的真空度均为2～5mPa。

所述惰性气体为氩气。

在所述步骤（4）中，当重结晶碳化硅复合弯管所需耐热温度＜200℃时，以涂抹有磷酸二氢铝的硅酸铝纤维毡为耐热填充料，即以涂有磷酸二氢铝的硅酸铝纤维毡包裹上述重结晶碳化硅衬管后，再将其嵌合于弯制好的相匹配的金属支撑弯管中；当重结晶碳化硅复合弯管所需耐热温度≥200℃时，以高铝纤维毡为耐热填充料，即以高铝纤维毡包裹重结晶碳化硅衬管后，将其嵌合于弯制好的相匹配的金属支撑弯管中，再以磷酸二氢铝与碳化硅颗粒（粒径0.1～0.5mm）按1：4～6的质量比所组成的混合料封口或填充余隙。如此，既能牢固的将重结晶碳化硅衬管固定于支撑弯管中不致脱落，又要对支撑弯管遇热膨涨、遇冷收缩留有余量，以避免支撑弯管撑破或压碎重结晶碳化硅内衬弯管。

本发明具有积极有益的效果：

1.本发明重结晶碳化硅复合弯管，相较其它材质弯管耐磨性能大幅提升。经西北工业大学测定，本发明重结晶碳化硅耐磨弯管莫氏硬度在9.5以上，仅次于金刚石（莫氏硬度10）。

2.本发明重结晶耐磨弯管的重量仅为同体积的铸钢弯管的1/3，且支撑钢管仅需普通钢管即可，采用本发明产品可节省下大量昂贵的合金材料。

3.本发明重结晶碳化硅可耐1400℃高温，不变形、强度不降低，填充的粘合剂可耐800℃的高温。由于其属于无机材料，不会发生氧化锈蚀，并且耐酸碱磨蚀。因此，适应各种恶劣工况条件下的防磨损作业。

4.本发明重结晶碳化硅衬管，结构致密，研磨处理后，表面光洁光滑且呈流畅曲线，不堵塞、截留粉料。

5.本发明产品可有效减少工作现场粉尘泄漏，改善工作环境，提高操作者健康水平。

6.本发明产品生产工艺成熟，产品性能优良，填补了国内外空白，具有良好的经济和社会效益。

附图说明

图1为一种重结晶碳化硅复合弯管的剖面结构示意图。

图中，1为钢质支撑弯管，2为耐热填充层，3为重结晶碳化硅衬管，4、5、6、7为分段衬管。

具体实施方式

下述实施例中所用的原材料及器具等，如无特别说明，均为市售；所用方法如无特别说明，均为常规方法。

实施例1：一种重结晶碳化硅复合弯管，参见图1，由外至里依次包括钢质支撑弯管1、耐热填充层2及耐磨层，该耐磨层为重结晶碳化硅衬管3，该重结晶碳化硅内衬弯管由分段衬管4、5、6、7依次拼接而成。

上述重结晶碳化硅衬管可经由下述步骤制成：

（1）按照用户提供的图纸及尺寸规格要求，以中频热弯技术弯制支撑钢管和衬管模芯。

（2）按照模芯制作模具。

（3）浇注重结晶碳化硅衬管坯料，烘干后在高温真空炉烧结成型，具体如下：

A、选料：所用材料为碳化硅微粉，纯度为99.5%，粒度为0-150um，粒度分布为0-1um占30%；1-5um,占20%；10-63um，占20%；125-150um，占30%；且90度以下锐角颗粒占25%，90度以上钝角颗粒占75%，稀土钇助剂10%。

B、按配方称量碳化硅微粉和稀土助剂混料，加水至料浆粘度为500-600泊，再真空混料25小时（真空度4mPa）。

C、料浆混好后，在浇铸平台上用石膏模进行浇注，将浇铸好的生坯放置2.5小时后脱模。

D、将脱模后的生坯烘干，按图纸尺寸精修加工，再放入烘干室，最终烘干至水分含量2%以下。

E、于高温真空炉用石墨架支撑生坯进行烧结，在真空状态（真空度3mPa）下升温，升温速度为4℃/分钟，温度升至1100℃时充入惰性气体（氩气），使炉内压力为2.0MPa，继续升温至2450～2550℃，升温速度为2℃/分钟，保温2小时，再自然冷却，当温度降至150℃以下时产品出炉。

（4）以涂抹有磷酸二氢铝的硅酸铝纤维毡为耐热填充料，即以涂有磷酸二氢铝的硅酸铝纤维毡包裹上述重结晶碳化硅衬管后，再将其嵌合于弯制好的相匹配的金属支撑弯管中。以上适用于耐热温度＜200℃的热负荷场所。

实施例2：一种重结晶碳化硅复合弯管（适用于耐热温度≥200℃的热负荷场所），其结构及制备方法与实施例1基本相同，不同之处在于：在所述步骤（4）中，以高铝纤维毡为耐热填充料，即以高铝纤维毡包裹重结晶碳化硅衬管后，将其嵌合于弯制好的相匹配的金属支撑弯管中，再以磷酸二氢铝与碳化硅颗粒（粒径0.1～0.5mm）按1：5的质量比所组成的混合料封口或填充余隙。

按上述方法制备出的重结晶碳化硅复合弯管经南阳鸭河电厂和郑州合力焊剂厂一年多的使用，耐磨性能良好，原来使用的耐磨铸钢弯管和自蔓延复合陶瓷弯管，两个月即需更换，预计使用本发明重结晶碳化硅复合弯管，至少可使用2～3年，提高使用寿命至少10～15倍以上，大幅减少维修频率和费用。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (3)

1.一种重结晶碳化硅复合弯管，包括金属支撑弯管及复合于其内壁的耐磨层，其特征在于，所述耐磨层是由下述原料经制浆、浇注成型、2450～2550℃下烧结而成的重结晶碳化硅内衬弯管：纯度≥99.5％、粒度为≤150um的碳化硅微粉88～92wt％、稀土钇8～12wt％；

在所述金属支撑弯管与耐磨层之间设置有耐热填充层，所述耐热填充层为涂抹有磷酸二氢铝的硅酸铝纤维毡或高铝纤维毡；

所述碳化硅微粉中锐角形颗粒占25～30wt％，钝角形颗粒占70～75wt％；

所述重结晶碳化硅内衬弯管由一定数量分段衬管依次拼接而成。

2.根据权利要求1所述的重结晶碳化硅复合弯管，其特征在于，在所述碳化硅微粉中，粒度为≤1um的占25～35wt％、粒度为1～5um的占15～25wt％、粒度为10～63um的碳化硅微粉占15～25wt％、粒度为125～150um的碳化硅微粉占25～35wt％。

3.权利要求1所述重结晶碳化硅复合弯管的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照设计的尺寸规格制备出金属支撑弯管和重结晶碳化硅内衬弯管模芯；

(2)根据上述重结晶碳化硅衬管层模芯制作出石膏模；

(3)按照权利要求1所述的配比选取制作重结晶碳化硅衬管层的原料，混料后，加水使料浆粘度达到500～600泊，在真空条件下混料20～30小时；料浆混好后，在浇铸平台上用石膏模进行浇注，将浇铸好的生坯放置2～3小时后脱模；再将脱模后的生坯烘干，按所述设计的尺寸加工修坯后，再烘干至水分含量2％以下；将生坯置高温真空炉中进行烧结，在真空状态下以3～5℃/分钟的升温速率升温，当温度升至1100℃时，充入惰性气体使炉内压力达到1.5～2.5MPa，继续以2℃/分钟的升温速率升温至2450～2550℃，然后保温1.5～2.5小时，再自然冷却，当温度降至150℃以下时出炉即得重结晶碳化硅衬管；

(4)将重结晶碳化硅衬管用耐热填充料包裹后嵌合于相匹配的金属支撑弯管中即成；

真空混料和真空升温时的真空度均为2～5mPa；

所述惰性气体为氩气；

在所述步骤(4)中，当重结晶碳化硅复合弯管所需耐热温度＜200℃时，以涂抹有磷酸二氢铝的硅酸铝纤维毡为耐热填充料，即以涂有磷酸二氢铝的硅酸铝纤维毡包裹上述重结晶碳化硅衬管后，再将其嵌合于弯制好的相匹配的金属支撑弯管中；当重结晶碳化硅复合弯管所需耐热温度≥200℃时，以高铝纤维毡为耐热填充料，即以高铝纤维毡包裹重结晶碳化硅衬管后，将其嵌合于弯制好的相匹配的金属支撑弯管中，再以磷酸二氢铝与碳化硅颗粒按1：4～6的质量比所组成的混合料封口或填充余隙。