CN1654871A - 三元复合材料内衬耐磨管及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三元复合材料内衬耐磨管及其制备工艺。它由外层钢管(1)和耐磨内衬(2)构成，耐磨内衬(2)由金属丝网(3)、陶瓷棒(4)和复合料(5)三种组元复合而成，陶瓷棒(4)镶嵌在金属丝网(3)的网孔中，用复合料(5)复合成一体。制成的复合材料内衬耐磨管，可以是直管、弯管和三通管。本发明的优点是：汇集了陶瓷材料高硬度、金属材料高韧性、高强度和有机聚合物的弹性和抗腐蚀性等各种优点，解决了大块陶瓷在冲击下的碎裂、单一金属材料抗腐蚀性差、纯有机物在磨损工况下成片撕裂和变形的难题。复合成型温度低、工艺可控性强，成品率高，生产质量稳定，不需要经过热处理等工艺即可获得很高的使用性能。

Description

三元复合材料内衬耐磨管及其制备工艺

技术领域

本发明属于物料输送领域的机械设备及制备工艺，特别涉及一种复合材料内衬耐磨管及其制备工艺。

背景技术

冶金、矿山、电力、建材、耐火材料、能源等工业行业中，物料的输送都是通过管道远距离强力输送的，管道既承受着相当的压力，又经受着很严重的磨损。单一材料无法满足对强度、韧性、耐磨性、耐腐性、易加工性各方面的综合性能要求，因此，必须开发出新型的复合材料来生产管道，才能满足各行业对管道的生产实际需要。目前，复合管主要分为：钢橡复合管—内衬采用纯聚合物橡胶，容易变形、撕裂，严重时造成堵管；自蔓延陶瓷复合管—该产品的制备工艺的影响因素比较复杂，质量可控性较差，制备过程中存在化学反应不完全和环境污染问题，另外由于整体陶瓷内衬层是脆性材料，在安装、使用过程中受到撞击时，容易导致内衬层碎裂；消失模真空吸铸双金属管—解决了异型管道无法复合的难题，但重量重是该管道的最大缺陷；内贴陶瓷片—制备大直径管道有一定的优势，但小直径管道的制备受到一定程度的限制，而且陶瓷片容易在使用过程中掉落；因此制备一种重量轻、价格低廉、原材料来源广、耐磨性好、各种规格的管道势在必行。把高强度、高韧性的金属丝网和高硬度的陶瓷棒以及高耐腐性的聚合物用复合工艺进行复合，制作管道内衬，可生产出高使用性能的复合材料内衬耐磨管。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够满足各行业复杂工况下，特别是满足输送物料颗粒尺寸较大、外形较尖锐的场合下，各种物料输送系统对管道的使用要求的三元复合材料内衬耐磨管及其制备工艺。该发明兼有了陶瓷材料的高硬度、高耐磨性；金属材料的高强度、高韧性；有机聚合物材料的弹性和抗腐蚀性。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是这样实现的：

本发明由外层钢管(1)和耐磨内衬(2)构成，耐磨内衬(2)由金属丝网(3)、陶瓷棒(4)、复合料(5)复合而成。陶瓷棒(4)镶嵌在金属丝网(3)的网孔中，复合料(5)浇注或压入金属丝网(3)和陶瓷棒(4)上，固化后制成耐磨内衬(2)与外层钢管(1)复合为一体的结构。制成的复合材料内衬耐磨管，可以是直管、弯管和三通管。

在上述技术方案中，陶瓷棒(4)采用氧化铝、碳化钨或碳化硅陶瓷材料制作。

金属丝网(3)多层紧密叠加，其金属丝网(3)的网孔尺寸为1～20mm，该金属丝直径为0.1～3mm。

陶瓷棒(4)直径为1～20mm，陶瓷棒(4)镶嵌在金属丝网(3)的网孔内，并与该金属丝网(3)的网孔紧密配合。

耐磨内衬(2)厚度根据工况确定，一般为5～100mm，陶瓷棒(4)的长度由耐磨内衬(2)的厚度确定。

金属丝网(3)的材质采用低碳钢、中碳钢、高碳钢金属丝；或者低、中、高碳合金钢金属丝，或纳米结构锰钢亚稳材料金属丝制作，最好采用纳米结构的碳钢金属丝，或者纳米结构的合金钢金属丝。

复合料(5)采用聚氨酯、尼龙、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯或橡胶。

复合料(5)还可采用陶瓷粉料和有机聚合物的混合物，陶瓷粉料与有机聚合物按0.1～1∶1体积比混合而成；陶瓷粉料采用粒度为5～50um的碳化硅粉、氧化铝粉、氮化钛粉、碳化钛粉或碳化钨粉，有机物采用聚氨酯、尼龙、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯或橡胶。

本发明的三元复合材料内衬耐磨管的制备工艺，依下述步骤进行：

a.用丝网编织机把金属丝编织成金属丝网(3)；

b.根据外层钢管(1)内径尺寸确定金属丝网的尺寸，并进行裁剪；

c.把金属丝网(3)经过酸洗或丙酮洗涤，进行表面除锈、除油、除污，根据耐磨内衬(2)的厚度，将金属丝网(3)进行紧密叠层；

d.将陶瓷棒(4)紧密镶嵌到金属丝网(3)的网孔中，再卷制放置到钢管(1)的空腔内，使金属丝网(3)紧贴在钢管(1)的内壁；

e.把钢管(1)放到离心机上进行匀速转动，将液态的复合料(5)浇注在钢管(1)内的金属丝网(3)和陶瓷棒(4)的上面，冷却固化后，即制成本发明的产品。

本发明的制备工艺，还可以按照下述步骤进行：

a.用丝网编织机把金属丝编织成金属丝网(3)；

b.根据外层钢管(1)规格尺寸，确定金属丝网的尺寸为长度等于钢管的长度，宽度按耐磨内衬(2)的在圆周方向上的分段数确定，可以分成2～20等分，并进行裁剪；

c.把金属丝网(3)经过酸洗或丙酮洗涤，进行表面除锈、除油、除污，根据耐磨内衬(2)的厚度，将金属丝网(3)进行紧密叠层；

d.将陶瓷棒(4)紧密镶嵌到金属丝网(3)的网孔中，再压制成符合各段对应的钢管(1)内表面形状，放置到钢管(1)的空腔内，使金属丝网(3)紧贴在钢管(1)的内壁，并使相邻各段镶嵌有陶瓷棒(4)的金属丝网(3)在圆周方向上紧密拼接；

e.在镶嵌有陶瓷棒(4)的金属丝网(3)内表面和一个端面刷上密封粘土涂料，并烘干；

f.把钢管(1)刷上密封粘土涂料的一端向下放置在加热炉中，根据复合料(5)的类型，加热至80～250℃，将液态的复合料(5)从上端浇注入钢管(1)内的金属丝网(3)和陶瓷棒(4)的上面，并保温10～30分钟，冷却固化后，即制成本发明的产品。

本发明的制备工艺，还可以按照下述步骤进行：

a.用丝网编织机把金属丝编织成金属丝网(3)；

b.根据外层钢管(1)内径尺寸确定金属丝网的尺寸，并进行裁剪；

c.把金属丝网(3)经过酸洗或丙酮洗涤，进行表面除锈、除油、除污，根据耐磨内衬(2)的厚度，将金属丝网(3)进行紧密叠层；

d.将陶瓷棒(4)紧密镶嵌到金属丝网(3)的网孔中，再卷制放置到钢管(1)的空腔内，使金属丝网(3)紧贴在钢管(1)的内壁；

e.配制复合料(5)，将陶瓷粉料和有机聚合物按照0.1～1∶1体积比例混合配制；把钢管(1)放到辊压机上，将加热到80～250℃的复合料(5)撒布在钢管(1)内的金属丝网(3)和陶瓷棒(4)的上面，通过辊压机的均速碾辊，把复合料压入金属丝网(3)的剩余间隙中，即制成本发明的产品。

本发明具有如下优点：

1、本发明采用了三元复合材料做耐磨内衬，因此，避免了三种材料单独使用时所出现的缺点，即大块陶瓷材料在冲击下的脆性、单一金属材料抗腐蚀性差、纯有机聚合物材料抗撕裂性差的缺点。将三种材料各自优点进行集合。小直径的高硬度陶瓷棒镶嵌在金属丝网中，构成抗磨硬质点，能够阻止磨料颗粒在管内表面的压入和划动，从而使管具有很高的耐磨性；金属丝网既有高强度，又有高韧性，其本身是一种优良的抗磨材料，还起着固定陶瓷棒的作用；采用有机聚合物作为复合料，不仅起到成型、粘结作用，同时还具有高抗腐性、高减震性。

2、金属丝网复合在有机聚合物内部，可避免实际使用工况条件下的外部介质腐蚀。

3、陶瓷棒和金属丝网可共同防止磨料颗粒对有机聚合物复合料的划伤、撕扯，使有机聚合物复合料保持稳定的形态。

4、在使用过程中，有机聚合物复合料可进行弹性能量退让，降低磨料对管的冲击应力作用，同时把残余冲击应力传递到更大的区域内；高强度和高韧性的金属丝网可起到承受并传递应力的作用，减少了局部应力集中。陶瓷棒镶嵌在金属丝网的网孔中，配合紧密，并且有弹性体复合在周围空隙内，以金属丝网和弹性体的共同支撑下，小尺寸的陶瓷棒象金属显微组织中的高硬度碳化物那样不会由于脆性而碎裂。

5、三元复合材料内衬耐磨管的复合成型温度低、工艺可控性强，成品率高，生产质量稳定，不需要经过热处理等工艺即可获得很高的使用性能。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

图1是实施例1的纵向剖视图；

图2是图1I区局部放大图；

图3是图1II区局部放大图；

图4是实施例2的纵向剖视图；

图5是实施例3的纵向剖视图；

图6是实施例3的侧视图；

图7是实施例4的横断面剖视图；

图8是实施例1的工艺流程图；

图9是实施例2和实施例3的工艺流程图；

图10是实施例4的工艺流程图。

具体实施方式

实施例1

一种均匀壁厚的三元复合材料内衬耐磨直管，参见图1、图2和图3。它由外层钢管1和耐磨内衬2构成，耐磨内衬2由金属丝网3、陶瓷棒4、复合料5复合而成。本实施例外层钢管1的直径为500mm，耐磨内衬2的厚度为10mm。金属丝网3采用Ф0.5mm的纳米结构高碳钢金属丝编织而成，网孔尺寸为1.5mm；金属丝网3紧密层叠，其所占整个三元复合材料内衬耐磨管的体积分数为20％；陶瓷棒4采用碳化钨制作，也可采用其它硬质材料；陶瓷棒4直径为1.5mm，其长度与金属丝网3叠层厚度相等(≤10mm)；陶瓷棒4镶嵌在金属丝网3的网孔中，在离心机上把液态的聚氨酯复合料5浇注在金属丝网3和陶瓷棒4上，冷却固化后，制成耐磨内衬2与外层钢管1复合为一体的三元复合材料内衬耐磨直管。

实施例1的制备工艺步骤如下，参见工艺流程图8。

a.用丝网编织机把纳米结构高碳钢金属丝编织成纳米结构金属丝网3，并进行裁剪；

b.把金属丝网3经过丙酮洗涤，进行表面除锈、除油、除污；

c.将金属丝网3进行紧密叠层至厚度为10mm；

d.将陶瓷棒4紧密镶嵌到金属丝网3的网孔中，再卷制放置到钢管1的内腔，使金属丝网3紧贴在钢管1的内壁；

e.把钢管1放到离心机上进行匀速转动，将85～95℃液态的聚氨酯复合料5浇注在钢管1内的金属丝网3和陶瓷棒4的上面，冷却固化后，即制成均匀壁厚的三元复合材料内衬耐磨直管。

实施例2

一种三元复合材料内衬耐磨三通管，参见图4、图2和图3。它是由外层钢管1和耐磨内衬2构成，耐磨内衬2由金属丝网3、陶瓷棒4、复合料5复合而成。本实施例外层钢管1的直径为650mm，耐磨内衬2的厚度为15mm。金属丝网3采用Ф0.8mm的低碳合金钢金属丝编织而成，网孔尺寸为2mm；金属丝网3紧密层叠；陶瓷棒4采用氧化铝制作，也可碳化钨或碳化硅材料；陶瓷棒4直径为2mm，其长度与金属丝网3叠层厚度相等(≤15mm)；陶瓷棒4镶嵌在金属丝网3的网孔中；复合料5采用聚乙烯。

实施例2的制备工艺步骤如下，参见工艺流程图9。

a.用丝网编织机把低碳合金钢金属丝编织成金属丝网3；

b.根据外层钢管1的规格尺寸，分别裁剪出用于直管区6和分叉管区7的金属丝网3；

c.把金属丝网3经过丙酮洗涤，进行表面除锈、除油、除污，将金属丝网3进行紧密叠层至厚度15mm；

d.将陶瓷棒4紧密镶嵌到金属丝网3的网孔中，再卷制放置到钢管1内的相应区域(直管区6和分叉管区7)，使金属丝网3紧贴在钢管1的内壁；

e.在镶嵌有陶瓷棒4的金属丝网3内表面和一个端面刷上密封粘土涂料，并烘干，密封粘土涂料可选用常规的膨润土涂料；

f.把钢管1刷上密封粘土涂料的一端向下放置在加热炉中，加热至190～205℃，将液态的聚乙烯5从上端浇注入钢管1内的金属丝网3和陶瓷棒4的上面，并保温20～30分钟使聚乙烯5渗透整个耐磨内衬层2，冷却固化后，即制成三元复合材料内衬耐磨三通管。

实施例3

一种三元复合材料内衬耐磨弯管，参见图5、图6、图2和图3。它由外层钢管1和耐磨内衬2构成，耐磨内衬2由金属丝网3、陶瓷棒4、复合料5复合而成。本实施例外层钢管1的直径为300mm，耐磨内衬2的厚度为10mm。金属丝网3采用Ф0.5mm的低碳合金钢金属丝编织而成，网孔尺寸为1.8mm；金属丝网3紧密层叠；陶瓷棒4采用氧化铝制作，也可碳化钨或碳化硅材料；陶瓷棒4直径为1.8mm，其长度与金属丝网3叠层厚度相等(≤10mm)；陶瓷棒4镶嵌在金属丝网3的网孔中；复合料5采用聚氨酯。

实施例3的制备工艺步骤如下，参见工艺流程图9。

a.用丝网编织机把低碳合金钢金属丝编织成金属丝网3；

b.根据外层钢管1的规格尺寸，把360°圆周分成6等分，确定金属丝网3的尺寸，并进行裁剪；

c.把金属丝网3经过丙酮洗涤，进行表面除锈、除油、除污，将金属丝网3进行紧密叠层至厚度15mm；

d.将陶瓷棒4紧密镶嵌到金属丝网3的网孔中，再压制成各等分段与钢管1对应的形状，然后放置到钢管1内的相应区域，使金属丝网3紧贴在钢管1的内壁，并使各等分段紧密拼接；

e.在镶嵌有陶瓷棒4的金属丝网3内表面和其中一个端面刷上密封粘土涂料，并烘干；

f.把钢管1刷上密封粘土涂料的一端向下放置在加热炉中，加热至80～95℃，将液态的聚氨酯5从上端浇注入钢管1内的金属丝网3和陶瓷棒4的上面，并保温20～30分钟，冷却固化后，即制成三元复合材料内衬耐磨弯管。

实施例4

一种三元复合材料内衬耐磨直管，参见图7、图2和图3。它由外层钢管1和耐磨内衬2构成，耐磨内衬2由金属丝网3、陶瓷棒4、复合料5复合而成。本实施例复合料5采用陶瓷粉料和聚氨酯的混合物，陶瓷粉料与聚氨酯以0.5∶1体积比混合，陶瓷粉料是粒度为20um氧化铝粉；外层钢管1的直径为500mm，耐磨内衬2的厚度为10mm。金属丝网3采用Ф0.5mm的纳米结构高碳钢金属丝编织而成，网孔尺寸为1.5mm；金属丝网3紧密层叠，其所占整个三元复合材料内衬耐磨管的体积分数为20％；陶瓷棒4采用碳化钨制作，也可采用其它硬质材料；陶瓷棒4直径为1.5mm，其长度与金属丝网3叠层厚度相等(≤10mm)；陶瓷棒4镶嵌在金属丝网3的网孔中；把粘稠的氧化铝和聚氨酯混合物复合料5浇注在金属丝网3和陶瓷棒4上，通过辊压机把复合料压入金属丝网3的剩余间隙中，冷却固化后获得三元复合材料内衬耐磨直管。

实施例4的制备工艺步骤如下，参见工艺流程图10。

a.用丝网编织机把纳米结构高碳钢金属丝编织成纳米结构金属丝网3，并进行裁剪；

b.把金属丝网3经过丙酮洗涤，进行表面除锈、除油、除污；

c.将金属丝网3进行紧密叠层至厚度10mm；

d.将陶瓷棒4紧密镶嵌到金属丝网3的网孔中，再卷制放置到钢管1的内腔，使金属丝网3紧贴在钢管1的内壁；

e.配制复合料5；氧化铝粉和聚氨酯按照0.5∶1体积比例混合配制；

f.把钢管1放到辊压机上，将加热到90～105℃的复合料5添加到钢管1内的金属丝网3和陶瓷棒4的上面，通过辊压机压辊8的均速碾压，把复合料5压入金属丝网3的剩余间隙中，冷却至室温后，即制成本发明的产品。

以上是本发明实施方式，但本发明并不限于以上实施例。

Claims (14)

1、一种三元复合材料内衬耐磨管，其特征在于：它由外层钢管(1)和耐磨内衬(2)构成，耐磨内衬(2)由金属丝网(3)、陶瓷棒(4)、复合料(5)复合而成；陶瓷棒(4)镶嵌在金属丝网(3)的网孔中，复合料(5)浇注或压入在金属丝网(3)和陶瓷棒(4)周围间隙中，固化后制成耐磨内衬(2)与外层钢管(1)复合为一体的结构。

2、根据权利要求1所述的三元复合材料内衬耐磨管，其特征在于：复合材料内衬耐磨管是直管、弯管或三通管。

3、根据权利要求1所述的三元复合材料内衬耐磨管，其特征在于：陶瓷棒(4)采用氧化铝、碳化钨或碳化硅陶瓷材料制作。

4、根据权利要求1所述的三元复合材料内衬耐磨管，其特征在于：金属丝网(3)多层紧密叠加，其金属丝网(3)的网孔尺寸为1～20mm，该金属丝直径为0.1～3mm。

5、根据权利要求1所述的三元复合材料内衬耐磨管，其特征在于：陶瓷棒(4)直径为1～20mm，陶瓷棒(4)镶嵌在金属丝网(3)的网孔内，并与该金属丝网(3)的网孔紧密配合。

6、根据权利要求1所述的三元复合材料内衬耐磨管，其特征在于：耐磨内衬(2)厚度根据工况确定，一般为5～100mm，陶瓷棒(4)的长度小于或等于耐磨内衬(2)的厚度。

7、根据权利要求1所述的三元复合材料内衬耐磨管，其特征在于：金属丝网(3)的材质采用低碳钢、中碳钢、高碳钢金属丝；或者低、中、高碳合金钢金属丝，或锰钢亚稳材料金属丝制作。

8、根据权利要求1所述的三元复合材料内衬耐磨管，其特征在于：金属丝网(3)的材质还可采用纳米结构碳钢金属丝，或者纳米结构合金钢金属丝制作。

9、根据权利要求1所述的三元复合材料内衬耐磨管，其特征在于：复合料(5)采用聚氨酯、尼龙、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯或橡胶。

10、根据权利要求1所述的三元复合材料内衬耐磨管，其特征在于：复合料(5)采用陶瓷粉料和有机聚合物的混合物，陶瓷粉料与有机聚合物按0.1～1∶1体积比混合而成。

11、根据权利要求9所述的三元复合材料内衬耐磨管，其特征在于：陶瓷粉料采用粒度为5～50um的碳化硅粉、氧化铝粉、氮化钛粉、碳化钛粉或碳化钨粉，有机聚合物采用聚氨酯、尼龙、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯或橡胶。

12、三元复合材料内衬耐磨管的制备工艺，其特征在于：该制备工艺依下述步骤进行：

a.用丝网编织机把金属丝编织成金属丝网(3)；

b.根据外层钢管(1)内径尺寸确定金属丝网的尺寸，并进行裁剪；

c.把金属丝网(3)经过酸洗或丙酮洗涤，进行表面除锈、除油、除污，根据耐磨内衬(2)的厚度，将金属丝网(3)进行紧密叠层；

d.将陶瓷棒(4)紧密镶嵌到金属丝网(3)的网孔中，再卷制放置到钢管(1)的空腔内，使金属丝网(3)紧贴在钢管(1)的内壁；

e.把钢管(1)放到离心机上进行匀速转动，将液态的复合料(5)浇注在钢管(1)内的金属丝网(3)和陶瓷棒(4)的上面，冷却固化后，即制成本发明的产品。

13、根据权利要求12所述的三元复合材料内衬耐磨管的制备工艺，其特征在于：该制备工艺中的b至e步骤可以依下列方式进行：

b.根据外层钢管(1)规格尺寸，确定金属丝网的尺寸为长度等于钢管的长度，宽度按耐磨内衬(2)的在圆周方向上的分段数确定，可以分成2～20等分，并进行裁剪；

c.把金属丝网(3)经过酸洗或丙酮洗涤，进行表面除锈、除油、除污，根据耐磨内衬(2)的厚度，将金属丝网(3)进行紧密叠层；

d.将陶瓷棒(4)紧密镶嵌到金属丝网(3)的网孔中，再压制成符合各段对应的钢管(1)内表面形状，放置到钢管(1)的内部，使金属丝网(3)紧贴在钢管(1)的内壁，并使相邻各段镶嵌有陶瓷棒(4)的金属丝网(3)在圆周方向上紧密拼接；

e.在镶嵌有陶瓷棒(4)的金属丝网(3)内表面和一个端面刷上密封粘土涂料，并烘干；

f.把钢管(1)刷上密封粘土涂料的一端向下放置在加热炉中，根据复合料(5)的类型，加热至80～250℃，将液态的复合料(5)从上端浇注入钢管(1)内的金属丝网(3)和陶瓷棒(4)的上面，并保温10～30分钟，冷却固化后，即制成本发明的产品。

14、根据权利要求12所述的三元复合材料内衬耐磨管制备工艺，其特征在于：该制备工艺中的e步骤可按以下方式进行：

e.配制复合料(5)，将陶瓷粉料和有机聚合物按照0.1～1∶1体积比例混合配制；把钢管(1)放到辊压机上，将加热到80～250℃的复合料(5)撒布在钢管(1)内的金属丝网(3)和陶瓷棒(4)的上面，通过辊压机的均速碾辊，把复合料压入金属丝网(3)的剩余间隙中，即制成本发明的产品。

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