CN1059376A - 耐蚀耐磨陶瓷内衬钢管制造技术 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耐蚀耐磨陶瓷内衬钢管制造技
术，特征在于在Al+Fe2O3(或Fe3O4)物料中同时加
入添加剂SiO2和一种或二种碱金属氧化物R2O及
一种或二种碱土金属氧化物RO，优先选择矿物原
料。混匀的物料或钢管带物料经预热，点燃后在离心
力作用下进行反应烧结，在钢管内壁形成厚度约2毫
米无渗透性致密陶瓷涂层。复合钢管具有良好的机
械性能和耐腐蚀性。在三种酸中泡浸15天，失重为
0.008-0.001mg/cm2/天；陶瓷层硬度HV＝
1300-1400kgf/mm2。
Description
本发明属于钢的表面涂层新技术领域。
石化、化工和冶金、矿山等部门的设备和管道输运技术需要大量耐蚀、耐磨钢管，现有钢材不能满足这些要求。例如，生产尼龙的反应器用不锈钢管，由于介质的腐蚀，寿命只有几个月。据估算，在尼龙合成中，全国每年更换不锈钢管耗资亿元。陶瓷具有良好的耐蚀、耐磨性。制造陶瓷内衬钢管是解决钢管的耐蚀耐磨问题的有效方法。
1981年，日本小田原修等采用铝热-离心法制造陶瓷内衬钢管，随后，出现了一系列专利，专利号分别为J58047550、J58188591、J59218841、J59218840、J59083983、J61079226、J61079777、J62086172、J63089675、J63089680。其原理是：Al、Mg等还原元素与氧化铁等氧化物发生放热反应，依靠放热其反应可自我维持并将反应物铁和氧化铝瞬时熔融。在离心力作用下，比重轻的氧化铝分布在钢管的内壁，比重较大的铁分布在钢管和氧化铝陶瓷之间并将陶瓷层和钢管结合起来。Al和Fe3O4或Fe2O3的反应式如下：
但是，仅依靠上述反应很难获得致密的氧化铝陶瓷涂层。氧化铝的熔点高，烧结温度也高。虽然反应的温度最高可达2400K，但持续时间只有2-5秒，很难在极短的时间内形成致密的氧化铝陶瓷层。为了减少氧化铝陶瓷层的气孔率，小田原修等人在反应物中加入MgO、SiO2、Si、Mg、Si3M4、SiC等添加剂，如J61078633、J61177376、J62086173。这些添加剂对于形成熔点较低的陶瓷相和提高致密度是有好处的。但是，陶瓷层仍然存在百分之几的气孔率。而且，这些添加剂成本较高。
制造耐蚀陶瓷内衬钢管的关键是形成无渗透性致密陶瓷涂层，避免腐蚀介质透过陶瓷层与钢管接触。本发明的目的在于通过在氧化铝陶瓷中加入适当的添加剂并采取适当的处理工艺，从而形成无渗透性致密陶瓷涂层，获得耐蚀耐磨陶瓷内衬钢管。
本发明的基本构思是：在物料中加入同Al2O3形成低熔点共融物的添加剂，降低Al2O3陶瓷的熔融和烧结温度。对反应物料进行预热处理，延长陶瓷组分的熔融时间。同时，采用成本低和熔融温度低的矿物原料作为添加剂。添加剂中比重较Al2O3（3.97克/厘米3）低的SiO2（2.32克/厘米3）和碱土金属氧化物、碱金属氧化物将在陶瓷表面形成无渗透性的釉层。
本发明的内容说明如下。
1.在Al+Fe3O4（或Fe2O3）物料中，同时加入添加剂SiO2和一种或二种碱金属氧化物R2O（在Na2O、K2O、Li2O中选择）及一种或二种碱土金属氧化物RO（在MgO、CaO、BaO、ZnO中选择）。在Al和Fe2O3（或Fe3O4）反应时，SiO2与Al2O3形成多元低熔点共融物，降低陶瓷的熔融温度，有利于致密化。R2O和RO都是助熔剂，进一步降低陶瓷的熔融温度和粘度。SiO2、R2O和RO的比重都比Al2O3低，在离心力的作用下，富集于陶瓷层的表面，形成致密釉层（图1）。
2.SiO2、R2O和RO原料，优先采用长石、滑石、硅灰石等矿物原料，也可采用单一氧化物。例如，钠长石（Na2O·Al2O3·6SiO2）、钾长石（K2O·Al2O3·6SiO2）、钙长石（CaO·Al2O3·2SiO2）、钡长石（BaO·Al2O3·2SiO2）、钾钠长石（KNaO·Al2O3·6SiO2）、斜长石（Na2O·Al2O3·6SiO2+CaO·Al2O3·6SiO2）、滑石（3MgO·4SiO2·H2O）、硅灰石（CaO·SiO2）、SiO2、MgO等。
3.添加剂的总量为3-10（wt）%。其中，SiO2为1-6（wt）%，RO为1-5（wt）%，R2O为0-3（wt）%。
4.将加入添加剂的物料混合后预热至100-300℃。预热方法可选择下述方法的一种：①物料预热后装入钢管中;②物料装入钢管后一起进行预热;③装有物料的钢管外套以管式预热炉进行预热（图2）。
本发明制造的陶瓷内衬钢管具有良好的机械性能和耐蚀性能。压溃强度为260-280MPa，剪切强度（陶瓷涂层与钢管间的结合强度）为8-11MPa（图3）。陶瓷层的硬度Hv＝1300-1400kgf/mm2。在室温下，分别泡浸在20%H2SO4、20%HCl、20%HNO3中15天，失重分别为0.008mg/cm2/天、0.006mg/cm2/天和0.001mg/cm2/天，比耐蚀硬质合金小2-3个数量级，比不锈钢小4个数量级。
实例1：
78克Al粉（-100目）、250克Fe2O3粉（-300目）、5克SiO2、3克MgO、2克长石、经球磨、干燥后，装入外径φ76mm，厚4mm，长150mm的20钢管中，夹固在离心试验机上，钢管外套以管式炉预热至100℃，离心机转速2000转/分，用氧-乙炔火焰点燃物料，经反应烧结后，在钢管内壁形成厚度约2毫米的无渗透性致密陶瓷涂层。陶瓷内衬钢管的压溃强度268MPa，切剪强度9.6MPa，硬度HV＝1320kgf/mm2，在20%H2SO4、20%HCl中15天，20%HNO3，腐蚀速度分别为0.008mg/cm2/天，0.006mg/cm2/天和0.0015mg/cm2/天。
实例2：
78克Al粉（-100目）、250克Fe3O4（-300目）、3克SiO2和4克硅灰石混合，装入同例1的钢管中，并按例1制成陶瓷内衬钢管，压溃强度272MPa，剪切强度10.1MPa，硬度Hv＝1340kgf/mm2，在20%H2SO4、20%HNO3中15天，腐蚀速度分别为0.009mg/cm2/天和0.001mg/cm2/天。
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1为铝热-离心法制造陶瓷内衬钢管的原理图。装有物料（Al+Fe2O3或Fe3O4+SiO2+R2O+RO）的钢管，经铝热-离心反应过程，在钢管内壁形成带釉层的致密陶瓷涂层。图中，〔1〕钢管，〔2〕物料Al+Fe2O3或Fe3O4+（SiO2+R2O+RO），〔3〕形成的Fe层，〔4〕Al2O3层，〔5〕釉层（XR2O·RO·yAl2O3·ZSiO2）。
图2为装有反应物料的待涂钢管用预热炉进行预热。图中，〔6〕无级调速直流马达，〔7〕联轴器，〔8〕卡盘，〔9〕钢管（带物料），〔10〕预热炉。
图3为陶瓷涂层钢管剪切强度试验图。
Claims (4)
1、一种耐腐蚀、耐磨陶瓷内衬钢管制造技术，其特征在于在Al+Fe3O4(或Fe2O3)物料中同时加入添加剂SiO2和一种或二种碱金属氧化物R2O(在Na2O、K2O、Li2O中选择)及一种或二种碱土金属氧化物RO(在MgO、CaO、BaO、ZnO中选择)。混匀后的物料或钢管带物料预热至100-300℃。点燃后，在离心力的作用下进行反应烧结，钢管内壁形成厚度约2毫米的无渗透性致密陶瓷涂层。
2、根据权利要求1所述的耐蚀耐磨陶瓷内衬钢管制造技术，其特征在于SiO、B2O和RO优先采用长石、滑石、硅灰石等矿物原料，例如，钠长石（Na2O·Al2O3·6SiO2）、钾长石（K2O·Al2O3·6SiO2）、钙长石（CaO·Al2O3·2SiO2）、钡长石（BaO·Al2O3·2SiO2）、钾钠长石（KNaO·Al2O3·6SiO2）、斜长石（Na2O·Al2O3·6SiO2+CaO·Al2O3·6SiO2）、滑石（3MgO·4SiO·H2O）、硅灰石（CaO·SiO2）。也可采用SiO2、MgO等化合物。
3、按照权利要求1或2所述的耐蚀耐磨陶瓷内衬钢管制造技术，其特征在于，添加剂的总重量为3-10%（重量的百分比），其中SiO2为1-6%，RO为1-5%，R2O为0-3%。
4、按照权利要求1所述的耐蚀、耐磨陶瓷内衬钢管制造技术，其特征在于预热方法可采取先预热物料后装入钢管，也可将物料装入钢管后一起预热或装有物料的钢管外套以管式预热炉进行预热。
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