CN104475734B - 一种陶瓷内衬铝管的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种陶瓷内衬铝管的制备方法。本发明利用铝和二氧化锡的反应，通过重力自蔓延法制备陶瓷内衬铝管，所生成的陶瓷内衬层组织致密，与铝基体结合紧密。由于基体铝密度小，故能显著降低运输成本，加上其优良的耐蚀性能，所制备的陶瓷内衬铝管能在更恶劣的环境下服役。整个制造过程能耗低，操作简单。

Description

一种陶瓷内衬铝管的制造方法
技术领域
本发明提供了一种制造陶瓷内衬铝管的方法，属于自蔓延成型技术领域。
背景技术
陶瓷内衬管凭借其优良的耐磨及耐蚀性能，被大量应用于石油及矿石的传输。目前高温自蔓延法制备陶瓷内衬管的技术比较成熟。
高温自蔓延(SHS)制备陶瓷管技术的特点是依靠铝热反应生成熔融还原金属液与Al2O3，并在离心力或重力的条件下，使反应物分离，比重轻的Al2O3涂覆于管材内壁，而还原金属过渡于基体与陶瓷之间。反应启动需要大量热量，而反应自身也释放大量热量，并足以使反应自持。
然而目前生产和应用的陶瓷管的基体主要都是钢管(见专利201110280814.1)。而钢与铝等一些有色金属相比，比重较大，故运输成本也明显高于铝，此外由于铝的表面会产生致密的氧化膜，拥有优良的耐蚀性能，故能在更恶劣的环境下服役，综上所述，铝是更理想的陶瓷管基体。
陶瓷内衬钢管一般用氧化铁作为氧化剂，并依靠反应2Al+Fe2O3→Al2O3+2Fe+836kJ/mol生成熔融还原铁液以及氧化铝陶瓷。而陶瓷内衬铝管的成型有相对于前者的特殊性。首先陶瓷内衬铝管无法利用之前的反应体系进行成型，因为铁与铝结合会生成脆性相，用铁作过渡层会严重影响陶瓷内衬层的结合强度；其次，铝的熔点只有660℃，为避免基体熔毁，反应温度不宜过高；最后铝的表面存在一层致密的氧化铝薄膜，所以反应温度也不宜过低，否则无法熔透氧化膜，阻碍过渡金属与铝基体的结合。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种制备陶瓷内衬铝管的方法，以解决现有陶瓷内衬钢管运输成本高，外表面不耐腐蚀的问题。
本发明通过如下步骤实现：
1）对铝管一端管口进行倒角，在坩埚底部钻孔，并且坩埚底部孔洞的孔径等于铝管内径倒角处的最大直径；
2）对铝管内壁进行除氧化膜和除油，并对坩埚和铝管进行300℃预热；
3）将防漏槽、引流槽、铝垫片、铝管和坩埚从下至上依次叠放，按比例配制反应物，并倒入铝管及坩埚内；
4）向坩埚内的反应物中插上导火索，点火引燃，使其发生自蔓延反应，随着反应的进行，液面逐渐下移，Al2O3逐步附着于铝管内壁，并结晶凝固，形成连续均匀的陶瓷内衬层。
铝管内塞满反应物，坩埚内有过量反应物。无论是铝管内还是坩埚内的反应物均压实。
所采用的反应物由质量分数为73%-83%的Al和SnO2粉、Al和Sn摩尔比4：3，13%-23%过量Al粉、4%CaF2粉组成，粉体粒径均为20nm-500μm。
反应物发生自蔓延反应，产生的高温使产物处于熔融状态，在未反应的反应物上部形成由Al，Sn及Al2O3组成的反应熔池。在重力的作用下，熔融的生成物分离，较重的金属液沉积于熔池底部，陶瓷Al2O3浮于上部，随着反应的进行，液面逐渐下移，Al2O3逐步附着于铝管内壁，并结晶凝固，形成连续均匀的陶瓷内衬层。当反应前沿到达铝管底部，铝垫片熔化，多余的生成物通过引流槽流入防漏槽。即完成自蔓延陶瓷内衬复合铝管的制备。
上述过程中，为提高陶瓷层的结合强度，选用反应4Al+3SnO2→2Al2O3+3Sn。锡和铝不会生成脆性相，适当加入铝粉控制反应温度，加入CaF2提高金属液与熔融陶瓷的分离程度。实施例中采用铝管牌号为6061，尺寸为内径20mm、外径41mm、长80mm，并在一端管口进行3mm×3mm倒角。铝管预处理包括除油、除氧化膜、预热等操作。
铝管的除油过程为：用丙酮冲洗铝管内壁3次，并风干。
铝管的除氧化膜过程为：用质量浓度为10%的NaOH溶液冲洗铝管内壁3次，再用无水酒精冲洗一次，并风干。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
（1）使用重力法—SHS进行成型，设备简单，成形容易，造价低廉。
（2）通过使用4Al+3SnO2→2Al2O3+3Sn反应，避免了生成铁进而与铝基体形成脆性相，有利于提高陶瓷层的结合强度。
（3）通过使用铝作为基体，显著降低陶瓷内衬复合管的重量，进而降低运输成本，此外由于基体铝的耐腐蚀能力明显优于钢，故产品能在更恶劣的环境下服役。
附图说明
图1是重力法—SHS制备陶瓷内衬铝管的装置布置图。其中，1-导火索，2-引火粉，3-坩埚，4-反应物，5-铝管，6-铝垫片，7-引流槽，8-防漏槽。
图2是陶瓷内衬铝管成品工程图。其中，9-陶瓷层，10-铝基体。
图3为陶瓷层与基体结合处的金相图。其中，10-铝基体，11-金属颗粒，12-氧化铝。
具体实施方式
本发明所阐述的陶瓷内衬复合铝管成型步骤如下所示：
步骤一对铝管内壁进行除油，除氧化膜，在一端管口进行3mm×3mm倒角，坩埚底部钻孔，直径与倒角后的铝管口内径最大直径相等。
步骤二对铝管及坩埚进行300℃预热。
步骤三将坩埚铝管、铝管、垫片、引流槽、防漏槽按图1所示布置。
步骤四将反应物按比例混合，倒入坩埚与铝管内，并插上导火索。
步骤五点火引燃反应物，使其放生自蔓延反应，在重力的作用下，使反应物分离，并熔敷铝管内表面，即可完成自蔓延陶瓷内衬复合铝管的制备。
下面结合附图和实施案例对本发明作详细说明。
实施例1
待成型铝管为6061，长80mm，内径20mm，外径41mm，按照步骤一对铝管和坩埚进行加工。预热以后，按照图1进行装置布置。将质量分数分别为73%的Al+SnO2（严格按照反应配比即摩尔比4：3）、23%过量Al粉、4%CaF2粉倒入铝管及坩埚内，插上导火索，点火引燃，使其发生自蔓延反应，在重力的作用下，熔融的生成物分离，并熔敷铝管内表面，即完成自蔓延陶瓷内衬复合铝管的制备。所得的陶瓷内衬层厚度在1mm左右。
将制备好的陶瓷内衬铝管试样至于光镜下观察，显示陶瓷层与铝基体结合紧密，但并未见明显的金属过渡层，陶瓷层组织较为致密，并在陶瓷层内发现具有钉扎作用的金属颗粒，根据反应方程式，推测金属颗粒应为铝锡合金。
实施例2
待成型铝管为6061，长80mm，内径20mm，外径41mm，按照步骤一对铝管和坩埚进行加工。预热以后，按照图1进行装置布置。将质量分数分别为78%的Al+SnO2（严格按照反应配比即摩尔比4：3）、18%过量Al粉、4%CaF2粉倒入铝管及坩埚内，插上导火索，点火引燃，使其发生自蔓延反应，在重力的作用下，熔融的生成物分离,并熔敷铝管内表面，即完成自蔓延陶瓷内衬复合铝管的制备。所得的陶瓷内衬层厚度在1mm左右。
将制备好的陶瓷内衬铝管试样至于光镜下观察，显示陶瓷层与铝基体结合紧密，但并未见明显的金属过渡层，陶瓷层组织较为致密，并在陶瓷层内发现具有钉扎作用的金属颗粒，根据反应方程式，推测金属颗粒应为铝锡合金。
实施例3
待成型铝管为6061，长80mm，内径20mm，外径41mm，按照步骤一对铝管和坩埚进行加工。预热以后，按照图1进行装置布置。将质量分数分别为83%的Al+SnO2（严格按照反应配比即摩尔比4：3）、13%过量Al粉、4%CaF2粉倒入铝管及坩埚内，插上导火索，点火引燃，使其发生自蔓延反应，在重力的作用下，熔融的生成物分离，并熔敷铝管内表面，即完成自蔓延陶瓷内衬复合铝管的制备。所得的陶瓷内衬层厚度在1mm左右。
将制备好的陶瓷内衬铝管试样至于光镜下观察，显示陶瓷层与铝基体结合紧密，但并未见明显的金属过渡层，陶瓷层组织较为致密，并在陶瓷层内发现具有钉扎作用的金属颗粒，根据反应方程式，推测金属颗粒应为铝锡合金。

Claims (3)

1.一种制造陶瓷内衬铝管的方法，其特征在于包括如下步骤：
1）对铝管一端管口进行倒角，在坩埚底部钻孔，并且坩埚底部孔洞的孔径等于铝管内径倒角处的最大直径；
2）对铝管内壁进行除氧化膜和除油，并对坩埚和铝管进行300℃预热；
3）将防漏槽、引流槽、铝垫片、铝管和坩埚从下至上依次叠放，将反应物倒入铝管及坩埚内，所采用的反应物由质量分数为73%-83%的Al和SnO2粉、Al和Sn摩尔比4：3，13%-23%过量Al粉、4%CaF2粉组成，粉体粒径均为20nm-500μm；
4）向坩埚内的反应物中插上导火索，点火引燃，使其发生自蔓延反应，随着反应的进行，液面逐渐下移，Al2O3逐步附着于铝管内壁，并结晶凝固，形成连续均匀的陶瓷内衬层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，铝管的除油过程为：用丙酮冲洗铝管内壁3次，并风干。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，铝管的除氧化膜过程为：用质量浓度为10%的NaOH溶液冲洗铝管内壁3次，再用无水酒精冲洗一次，并风干。
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