CN216662903U - 立管 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种立管，其包括：金属管，所述金属管包括外表面和内表面；耐火灰浆层，所述耐火灰浆层抵靠所述金属管的所述内表面固定地设置；内复合材料管，所述内复合材料管通过所述耐火灰浆层附接到所述金属管的内表面；以及不粘涂层，所述不粘涂层设置在所述内复合材料管的内表面上。所述立管还可以包括外复合材料管。

Description

立管
技术领域
本实用新型涉及立管，并且更具体地，涉及用于低压模铸的金属-复合材料立管。
背景技术
在低压模铸(LPDC)中，立管或管道用作熔融金属(通常为铝)从低压模铸机上的保温炉进入铸模填充模的通道。传统立管由耐高温钢制成。在使用中，立管道暴露于高温熔融金属。发生铁渗透现象，从而致使来自立管的铁组分进入熔融金属，这会极大地影响铸造金属零件(诸如铝零件)的质量。
为了避免上述问题，立管可由陶瓷材料(诸如，熔凝二氧化硅、钛酸铝、氮化硅和塞隆)制成。然而，陶瓷材料通常具有差的抗冲击强度，使得所得立管在铸模的压力下容易磨损或断裂。
CN201201047通过公开位于不锈钢管外部或内部的碳化硅或耐火水泥管而解决了一些上述限制，其中暴露的不锈钢表面优选地涂覆有碳化硅涂层。复合材料管能够防止对熔融铝的铁污染，同时耐火组分改进立管的耐温性。
然而，仍然需要一种能够经受长时间的温度波动同时维持优异的操作性能的具有改进使用寿命的立管。
实用新型内容
在本实用新型的第一方面，提供一种金属-复合材料立管，其包括：
A.金属管，所述金属管包括内表面和外表面；以及
B.内复合材料管，所述内复合材料管抵靠所述金属管的所述内表面固定地设置，
其中所述内复合材料管包括陶瓷基体，所述陶瓷基体包含粘结剂并与之粘结在一起，所述陶瓷基体包含氧化铝源和诸如石墨的碳化合物。
所述立管还可以包括抵靠金属管的外表面固定地设置的外复合材料管。附加的外复合材料管进一步保护金属管免受通过与熔融金属接触所导致的腐蚀，从而进一步延长了立管的有效寿命。
尽管石墨为立管提供优异的熔融金属不润湿特性，但在氧化时，石墨的机械特性显著降低并损害立管的机械完整性。
尽管存在诸如玻璃质涂料的多种氧化抑制剂可供使用，但它们的使用通常会损害复合材料的机械特性。本公开的复合材料能够提供熔融金属不润湿特性与维持持久立管所需的机械特性的理想组合。
优选地，混合物还包含所述碳化合物的氧化抑制剂。氧化抑制剂优选地形成粘结剂相的至少一部分。
氧化抑制剂优选地包含纤维状碳化硅(例如，β碳化硅)和/或玻璃陶瓷相。玻璃陶瓷相优选地包含莫来石。为了使纤维状碳化硅和/或玻璃陶瓷相用作关于碳化合物的氧化抑制剂，应将纤维状碳化硅和/或玻璃陶瓷相紧邻石墨材料定位，以便形成障壁层的一部分或全部，从而防止氧进入。纤维状碳化硅通常通过结合金属硅粉使用有机粘结剂在烧结过程中原位形成，而玻璃陶瓷相优选地由基于粘土的无机粘结剂在烧结过程中原位形成。这些化合物的原位形成使得这些材料能够形成纳米或微结构组分，这些组分抑制氧进入，同时维持或增强复合材料的机械特性。
粘结剂相结合陶瓷基体和金属管的其他组分提供所需抗氧化性和机械特性(包括耐侵蚀性和耐火特性)两者，从而有助于本公开的立管的长使用寿命。本实用新型的立管由于以下各项的组合而提供持久服务：
·机械强度；
·耐高温性；
·硬度；
·耐热震性；
·耐磨性；以及
·不粘表面特性。
·更佳绝缘特性
金属管可由任何合适的金属材料制成，并且优选地由基于铁或铁合金的材料(诸如，铸铁或不锈钢)制成。金属管提供优异的抗冲击性，以补足内复合材料管的耐火特性。在一些实施方案中，金属管可沿着立管的整个长度延伸。在一些实施方案中，金属管沿着立管的长度的一部分(优选地为立管的长度的至少30％)延伸，其中就立管的不包括金属管的部分，复合材料管形成立管的外表面。优选地，在使用中，金属管延伸到熔融金属液位上方，从而保护立管不受污染。另外，由于金属管基本上没有孔隙率，所以避免了铸造操作期间的压降，从而减少由于不完全填充铸模所致的缺陷。
在包括外复合材料管的实施方案中，在使用中，外复合材料管可以至少延伸到熔融金属液位上方。外复合材料管可以从立管的底部沿着立管的长度的至少30％延伸。在一些实施方案中，外复合材料管沿着立管的整个长度延伸，并且在凸缘附近终止。在一些实施方案中，外复合材料管延伸以覆盖金属管的外表面的至少50％或至少80％。内复合材料管和外复合材料管可以延伸超出金属管的远端。在这些实施方案中，可以用耐火灰浆填充内复合材料管和外复合材料管的端部之间的空隙空间。
优选地，复合材料管包含至少5重量％或10重量％或20重量％或30重量％或40重量％或50重量％的氧化铝，优选地结晶氧化铝。氧化铝提供耐化学性、隔热特性和高温强度。
为了提供耐热震性，复合材料管优选地包含结晶二氧化硅源，诸如熔凝二氧化硅和/或堇青石。氧化铝和/或二氧化硅也可存在于诸如粘土的无机耐火粘结剂中。在生产过程中烧制复合材料管时，粘土可至少部分地形成莫来石。
石墨含量优选地在5重量％与20重量％之间。较高石墨量可产生更易受到氧化和侵蚀的立管。较低石墨水平可能不具有足够的熔融金属不润湿特性。优选地，石墨含量小于15重量％或小于12重量％或小于9.0重量％。
为了赋予耐热震特性和抗粘表面特性，复合材料管优选地包含碳源，诸如石墨(例如，薄片状石墨)。为了延长碳源的使用寿命，复合材料管优选地还包含碳氧化抑制剂，诸如耐火玻璃相、莫来石、碳化硅(β形式)或其前体(例如，金属硅粉)、铝粉或碳化硼。氧化抑制剂形成阻挡氧进入复合材料中以与石墨颗粒反应的障壁。
已经发现通过烧结粘土或碳化树脂和金属硅得到的氧化抑制剂提供所需机械强度和氧障壁特性。
在一个实施方案中，陶瓷基体包含：
A.10重量份至60重量份的基于氧化铝的填料
B.5重量份至45重量份的粘结剂相。
C.0重量份至30重量份的熔凝二氧化硅和/或堇青石
D.5重量份至20重量份的石墨
E.0重量份至25重量份的碳化硅(优选地包括α形式)；以及
F.0重量份至10重量份的添加剂
内复合材料管的重量份优选地总计为100重量份。
立管还可以包括抵靠金属管的外表面固定地设置的外复合材料管，所述外复合材料管包括陶瓷基体，陶瓷基体包含：
A.10重量份至60重量份的基于氧化铝的填料；
B.5重量份至45重量份的粘结剂相；
C.0重量份至30重量份的熔凝二氧化硅和/或堇青石；
D.5重量份至20重量份的石墨；
E.0重量份至25重量份的碳化硅；
F.0重量份至10重量份的添加剂；以及
A+B+C+D+E+F的和＝100重量份。
内复合材料管和其他复合材料管的组成可以是相同的或不同的。
氧化铝填料优选地包含选自由以下组成的组的氧化铝源：熔凝氧化铝、煅烧氧化铝、板状氧化铝、刚玉或其组合。
粘结剂相优选地用于将组分A、C、D和E粘结在一起。这样，粘结剂相优选地接合和/或包覆这些组分的表面，从而既提供耐腐蚀和耐侵蚀性，又成为防止陶瓷基体的石墨组分氧化的气体障壁。
粘结剂相优选地包含玻璃陶瓷相和/或纤维状碳化硅。这些组分优选地由绿色粘结剂(例如，粘土和/或碳质树脂)在烧结过程中原位形成。在粘结剂得自碳质树脂的实施方案中，陶瓷基体优选地包含至少5重量份或至少10重量份或至少12重量份的熔凝二氧化硅和/或堇青石。
粘结剂相可包含玻璃陶瓷组分和/或纤维状碳化硅相。玻璃陶瓷相可包含分散在玻璃相中的莫来石晶体和其他氧化铝晶体和/或二氧化硅晶体。晶体大小分布具有通常小于3μm的中值粒径d50。玻璃陶瓷组分优选地包含至少70重量％或至少75重量％或至少80重量％或至少85重量％或至少90重量％的氧化物形式的铝和硅。玻璃相优选为具有高熔点(例如，大于900℃或大于1000℃)的耐火玻璃相，使得玻璃相在立管的操作温度(例如，700-800℃)下维持其机械强度。通常，玻璃相具有小于20重量％或小于15重量％或小于10重量％或小于5重量％的碱金属或碱土金属氧化物。玻璃相优选地包含至少70重量％或至少75重量％或至少80重量％或至少85重量％或至少90重量％的氧化物形式的铝和硅。玻璃相的高氧化铝/二氧化硅含量结合低碱金属和碱土金属氧化物含量，结合硬质陶瓷颗粒在玻璃相中的分散，产生了能够提供持久的机械特性和氧化抑制特性的耐腐蚀且耐侵蚀的耐火粘结剂。
碳化合物优选为石墨。石墨可呈薄片状石墨的形式(例如，平均粒度分布在100μm至500μm之间。薄片厚度通常在1μm至150μm之间)。与粒状石墨相比，薄片状石墨提供相对高的比表面积。这具有以下优点：为立管的暴露表面提供有效熔融金属不润湿特性，同时使石墨薄片氧化情况下的不利影响(例如，机械特性的损失)最小化。
添加剂还可包括替代耐火材料；耐火密封剂；以及碳氧化抑制剂或其前体。添加剂可包括金属硅、FeSi、铝、硼铝硅酸盐(boron alumina-silicate)、硼砂和/或硼酸。添加剂优选地构成内复合材料管的1重量份至8重量份或2重量份至5重量份。
基于氧化铝的填料优选地包含至少50重量％或至少60重量％或至少70重量％或至少80重量％的结晶材料。基于氧化铝的结晶材料通常坚硬、耐火且具有良好的绝缘特性。优选地，基于氧化铝的填料的至少一部分(例如，至少50重量％或至少60重量％或至少70重量％)呈熔凝氧化铝(例如，棕色或白色)、煅烧氧化铝、板状氧化铝、刚玉、莫来石或其组合的形式。
优选地，粘结剂相得自氧化铝-硅酸盐粘土。粘结剂相优选地包含莫来石。莫来石优选地在烧制/烧结步骤期间原位形成，所述烧制/烧结步骤将粘土或其他莫来石前体材料部分地转换成莫来石。在一个实施方案中，陶瓷基体包含5-35重量％(优选地10-25重量％)的粘土(包括莫来石)。
优选地，粘结剂相与基于氧化铝的填料(优选地，基于结晶氧化铝的填料)的重量比在1:1至1:20的范围内，并且更优选地，在1:3至1:8的范围内。最佳比可取决于基于氧化铝的填料的粒度以及内复合材料管的期望特性。
由于立管所暴露于的温度范围宽泛，所以复合材料管优选地具有小于20体积％或小于15体积％或小于14体积％或小于13体积％或小于12体积％的孔隙率。孔隙率越低，复合材料管就越不易于由于气体随温度升高而膨胀所形成的内部应力而破裂。
在优选实施方案中，内复合材料管和/或外复合材料管还包含耐火密封剂。用耐火密封剂浸渍复合材料管填充复合材料管的表面上的开孔，从而进一步降低复合材料管的孔隙率。复合材料管的内表面和/或外表面可用耐火密封剂真空浸渍。复合材料管的外表面/内表面还可在密封到金属管之前用耐火密封剂涂覆。相较于一些常规管，耐火密封剂并不用作粘结剂，且因此耐火密封剂(通常为玻璃质材料)的机械强度并不在整体上对一个或多个复合材料管的机械性能造成不利影响。
密封复合材料管可包含0.5重量份至10重量份(或大约0.5重量％至10.0重量％)的耐火密封剂。确切的量将取决于内复合材料管的外表面的开口孔隙率。包含耐火密封剂的复合材料管的孔隙率可小于10体积％或小于8体积％或小于6体积％或小于4体积％。在浸渍之前，孔隙率可在5体积％与15体积％之间。
在特别优选的实施方案中，复合材料管包含从复合材料管的外表面朝向复合材料管的中心延伸的耐火密封剂。耐火密封剂优选为能够作为熔融玻璃或其前体渗透复合材料管外表面的开孔的耐火玻璃。耐火密封剂可包含硼酸盐玻璃或硅酸盐玻璃。耐火玻璃可包含二氧化硅、硼、磷酸盐、镁、铝或其组合。耐火密封剂前体包括硼铝硅酸盐、硼砂、硼酸、磷酸铝、硫酸钙、硫酸镁或其组合。
为了进一步增加立管的使用寿命，复合材料管的内表面还可包括外涂层，所述外涂层包含耐火不粘材料。不粘材料可为非氧化物材料或氧化物材料。非氧化物耐火涂层可选自由以下组成的组：碳化物涂层、氮化物涂层和硼化物涂层或其组合。氧化物耐火涂层可包含氧化铝。
不粘涂层与复合材料管芯的不粘组分(例如，石墨)协同作用，其中复合材料管的能够在不粘涂层受到侵蚀或其他磨损之后维持内表面的不粘特性的不粘组分导致芯复合材料管间歇性地暴露于熔融金属。
内管可通过粘合剂层固定地附接到外管。粘合剂层可包含氧化铝和/或二氧化硅。粘合剂层可为本领域技术人员已知的耐火水泥或粘土；或真空浸渍溶液(例如，硼酸盐或二氧化硅玻璃溶液)。
在本实用新型的第二方面，提供一种制造立管的方法，其包括以下步骤：
a.提供金属管(所述金属管优选地完全或部分地覆盖内复合材料管的外表面)；
b.提供内复合材料管混合物，所述内复合材料管混合物包含粘结剂；氧化铝源、二氧化硅源；石墨以及所述石墨的氧化抑制剂；
c.用所述混合物填充铸模；
d.等静压制所填充铸模以形成生坯管；
e.使所述生坯管固化以形成固化管；
f.对所述固化管进行机加工以形成所述内复合材料管的预定外径；
g.烧制所固化和机加工管以形成内复合材料管；
h.用耐火密封剂真空浸渍所述内复合材料管；
i.向所述金属管的内表面和/或所述内复合材料管的外表面施加耐火粘合剂层；
j.将所述金属管装配到所述内复合材料管上；
k.用耐火水泥或灰浆填充所述内复合材料管与所述金属管之间的间隙；
l.任选地向所述内复合材料管的所述内侧表面施加至少一个不粘涂层；以及
m.任选地向所述金属管的所述外表面施加至少一个耐火涂漆涂层。
可以适当地修改以上过程以将外复合材料管固定地设置在金属管的外表面上。
耐火粘合剂可为基于氧化铝-粘土-硅酸钠的耐火粘合剂。
复合材料管混合物形成其中组分优选地均匀分布的陶瓷基体。混合物优选地与约5重量％至20重量％的粘结剂粘结在一起。等静压制进一步有助于改进陶瓷基体的微观结构和机械特性两者的各向同性。各向同性特性在从所有侧施加压力时实现，收缩在所有方向上是均匀的；并且源自压制操作的定向性得以阻止。
混合物优选地具有不大于1.0mm的最大粒度。熔凝氧化铝优选地包括最大平均粒度分布，以使这些组分的机械特性和耐火特性最大化。类似地，粘结剂组分(例如，粘土)优选地具有相对小的粒度(例如，小于0.1mm的最大值)，以使得粘结剂能够渗透到较大组分之间并且减小结构中的空隙空间。
组分可具有不同的粒度分布，从而产生具有多峰粒度的混合物。相对小且多峰的粒度的组合使得所得复合材料管的孔隙率得以降低。
替代地或除此之外，粘结剂可为有机粘结剂(优选地5-13重量％)(诸如，树脂、焦油或糖粘结剂)，或者无机粘结剂(诸如，粘土)。粘结剂为复合材料管提供足够的强度，以在烧制步骤之前进行成形和处理。烧制/烧结步骤可在大于1000℃并且优选地在1200℃与1500℃(或更高)之间的温度下发生，这取决于所使用的材料。此外，在烧制步骤期间，有机树脂可提供碳源，所述碳源可与金属硅粉反应以形成β形式的碳化硅(silicon carbon)，所述碳化硅用作陶瓷基体内的碳/石墨的氧化抑制剂。耐火密封剂也可用作氧化抑制剂。
真空浸渍步骤优选地包括：用浸渍溶液(例如，硼砂-硼酸；磷酸铝；和/或硫酸钙/镁溶液)对内复合材料管的内表面和外表面进行真空浸渍并使其干燥。然后，优选地清洁所浸渍表面。然后，在将内复合材料管装配到金属管中之前，优选地用耐火密封件溶液层涂覆外表面。施加灰浆以密封金属管与陶瓷管之间的间隙，优选地在两端处进行。
在本实用新型的第三方面，提供一种立管(100)，其包括：
a.金属管(110)，所述金属管(100)包括外表面(120)和内表面(130)；
b.耐火灰浆层(140)，所述耐火灰浆层(140)抵靠所述金属管的所述内表面(130)固定地设置；
c.内复合材料管(150)，所述内复合材料管(150)通过所述耐火灰浆层(140)附接到所述金属管的所述内表面(130)；以及
d.不粘涂层(160)，所述不粘涂层(160)设置在所述内复合材料管的内表面(170)上。
立管还可以包含外复合材料管(155)，所述外复合材料管(155)通过耐火灰浆层(135)附接到所述金属管的外表面(120)。不粘涂层(125)可以设置在所述外复合材料管(155)的外表面上。
所述内复合材料管(150、200)可包括从内复合材料管，比如陶瓷管的周向表面(220)朝向所述内复合材料管的中心(230)延伸的玻璃质通道(210)。
所述内复合材料管(150)优选地进一步通过耐火密封物粘附到所述金属管的所述内表面(130)，所述耐火密封物与所述复合材料管的浸渍中所使用的耐火密封物(例如，硼酸盐或二氧化硅玻璃)相同或类似。
所述内复合材料管(200)的所述内表面(240)以及外复合材料管(当存在时)包含石墨颗粒。所述石墨优选地分散在陶瓷基体内。所述石墨优选地为所述复合材料管的所述内表面提供不粘表面，从而使粘贴到所述管的内表面的熔融金属的量最小化。
所述内复合材料管和外复合材料管(当存在时)优选地包括陶瓷基体，所述陶瓷基体包含通过粘结剂相(300)粘结在一起的结晶陶瓷和石墨颗粒(310、320、330、340)。所述粘结剂相优选地包含碳化硅纤维和/或玻璃陶瓷相。所述玻璃陶瓷相优选地包含嵌入有玻璃质相的具有小于3μm的d50的陶瓷晶体颗粒(优选地包括莫来石)。
所述立管包含平均粒度在0.1mm至1.0mm的范围内的氧化铝颗粒。所述氧化铝颗粒优选为结晶颗粒并且形成陶瓷基体的一部分。
所述金属管(100)通常具有在2mm至40mm之间的厚度。
所述内复合材料管(150)优选地具有在5mm至100mm之间的或在10mm至30mm之间的厚度。
所述外复合材料管(155)优选地具有在5mm至100mm之间的或在10mm至30mm之间的厚度。
一个或多个所述耐火灰浆层(140)优选地具有在0.1mm至10mm之间的厚度。
一个或多个所述不粘涂层(160)具有在0.001mm至10mm之间的厚度。
所述立管优选地包括在0.2米至3米的范围内的长度。
所述立管可包括带凸缘端部(180)。所述带凸缘端部优选地提供附接机构或其一部分，以使得所述立管能够附接到模具/铸模的一部分。
立管凸缘(180)优选地具有在5mm至200mm之间的(超出所述金属管厚度的)厚度。
所述立管的内径可在20mm至400mm的范围内。
所述复合材料管的孔隙率(优选地，开口孔隙率)可在3体积％至30体积％的范围内。
所述玻璃质通道(110)可占所述内复合材料管(150)的总重量的不超过20重量％。所述玻璃质通道可占所述内复合材料管(150)的总重量的至少0.2重量％或至少1.0重量％或至少2.0重量％。
所述外金属管的所述内表面在所述内复合材料管的长度的20％与90％之间附接到所述内复合材料管的外表面。
所述外金属管从所述带凸缘端部沿着所述内复合材料管的所述外表面的长度的至少20％延伸。
除非另外指明，否则对碳化硅的提及是对其α形式的提及。作为粘结剂/氧化抑制剂提及的碳化硅呈β形式。
当存在时，对复合材料管的引用视为是对内复合材料管和/或外复合材料管的引用。
为了本实用新型的目的，基于氧化铝的填料不包含粘合剂的烧结粘土组分(包括莫来石)。
附图说明
图1是低压模铸设备的示意图。
图2a是本实用新型的包括内复合材料管的立管的剖视图的示意图。
图2b是本实用新型的包括内复合材料管和外复合材料管的立管的剖视图的示意图。
图3是图2a内复合材料管的一部分的剖视图的示意图。
图4是示出生产本实用新型的立管所需的过程步骤的过程流程图。
具体实施方式
参考图1，低压模铸(LPDC)工艺主要用于铸造铝部件。传统上，使用LPDC来形成诸如合金轮的对称零件，但现在已将它用于越来越多种类的铝铸件。
模具部件10随着移动压板20的下降而闭合在一起。向炉40施加具有受控压力的空气30。通过进给端口60将金属进给到坩埚50中，并升高炉的温度以形成熔融金属。增加空气压力以使坩埚中的熔融金属沿着立管70(也称为“填充杆”或“杆管”)向上移位并进入模具10中。
维持空气压力以使得铸件(未示出)能够在模具10中凝固。然后释放空气压力，以使得熔融金属80能够从模具掉落。铸件的最终凝固发生在通过升高压板20并弹出铸件来打开模具之前。然后可重复所述过程。
所述过程使立管暴露于熔融金属和加压气体两者的高温。立管还必须经受熔融金属被迫穿过内部导管的机械应力。
本申请中所使用的立管的期望特性包括以下各项：
·空气在施加温度下的几乎不可透过性，使得所施加压力作用在熔融金属上并且不采取穿过管的“最小阻力路径”；
·与正在铸造的熔融金属的不反应性，以产出高纯度金属铸件并提高立管的寿命；
·受控热传导和绝缘，使得在将金属浇铸到铸模中并使其凝固时，管使金属保持处于熔融状态，从而允许管的回流和排空；以及
·受控机械特性，使得在向管/铸模腔接口施加压力以确保足够紧密的密封(以防止熔融金属泄漏)时，管不受损坏且因此可再次使用。
如图2a所示，本实用新型的立管100包括金属管110。金属管可为能够经受炉的操作温度的任何合适的金属。金属管可由铸铁或不锈钢或任何其他合适的铁或镍基合金制成。金属管优选地沿着立管的整个长度延伸。
内复合材料管150同心地定位在金属管110内。金属管的内表面130通过耐火灰浆层140粘附到内复合材料管。灰浆层140的厚度通常大于100μm且小于20mm。
图2b示出的立管类似于图2a的立管，但除了内复合材料管150以外，图2b示出的立管还具有外复合材料管155。外复合材料管155通过灰浆层135粘附到金属管110的外表面，该灰浆层135的厚度类似于将内复合材料管150粘附到金属管110的灰浆层140的厚度。内复合材料管150和外复合材料管155可以延伸过金属管110。在这样的实施方案中，可以施加灰浆147以填充层150、155的端部之间的一个或多个间隙。灰浆147密封立管的端部，防止气体进入以与金属管110接触，从而在较长的时间内保持其结构完整性。外复合材料管的外表面可以包括不粘涂层。
图3示出已用玻璃质耐火密封剂210浸渍的内复合材料管200，其中玻璃质相从复合材料管的外表面220朝向管的中心230延伸。管的孔隙率的降低减小了反复的气体膨胀对内部陶瓷微结构的不利影响，从而增加了管的使用寿命。耐火密封剂还用作氧化抑制剂，以防止陶瓷基体中石墨的劣化。复合材料管的内表面240(以及可选地外复合材料管155的外表面)还优选地浸渍有玻璃质耐火密封剂(未示出)。玻璃耐火密封剂与石墨和不粘涂层协作以提供能够长期经受熔融金属流而不失去其不粘特性的弹性表面。
立管由具有低热膨胀、高耐热震性、良好高温强度、良好抗氧化性和非铁金属不可润湿性的一般特性的绝缘耐火材料制成。内复合材料管包含使得它能够具有所需抗冲击性和不粘特性的组分的混合物。
如表1所指示，本公开的金属/复合材料立管提供了在使用寿命、生产率和易用性之间的平衡方面优于常规立管的独特特性组合。
常规的陶瓷立管需要另外的设置，例如，使用具有垫圈的单独金属适配器以使管适于处理和支撑。这种组装需要适当装配的技能，否则陶瓷管将受到损坏。此外，在陶瓷管上具有金属适配器的情况下，陶瓷管泄漏的倾向性更大，从而导致铸件填充不完全，进而导致偏转增加和/或立管使用寿命较短。
表1立管的相对性能
Figure BDA0003101082580000161
图4中的流程图中示出生产立管的过程。在优选实施方案中，制备陶瓷混合物，其包含重量比为12:32:20:10:12:2:2:10的粘土(最大粒度为(0.1mm)、棕色熔凝氧化铝(最大粒度为1mm)、熔凝二氧化硅(最大粒度为0.5mm)、石墨(最大粒度为0.5mm)、碳化硅(α相)(最大粒度为1.5mm)、金属硅(最大粒度为0.1mm)、碳化硼(最大粒度为0.1mm)和液态树脂(例如，具有约80％的固体的NovolacTM)。
粘土包含28-35％的氧化铝、50-58％的二氧化硅、2-3％的氧化铁、1-3％的氧化钛和余量2-3％的碱金属和碱性金属。
等压制(等静压制)可在一定压力范围(例如，10MPa至400Mpa或150Mpa至350Mpa)内进行。等静压制使生坯陶瓷致密，同时减小导致随后在烧制和使用过程中破裂的内部应力。
当在1350℃下烧制足够的时间(例如，至少60分钟)时，粘土优选地至少部分地转换为莫来石，其中碳化树脂与金属硅反应以形成充当氧化抑制剂的另外的碳化硅。
真空浸渍、涂覆和密封步骤都容易在本领域技术人员的范围内进行。应理解，本实用新型公开设想到并涵盖对所使用的工艺步骤或材料的变化和/或修改。
内复合材料管的组成反映所使用的原材料，其中粘土的比例相当于玻璃耐火粘结剂相(例如，约12重量％)且主要来源于液态树脂和金属硅的SiC相为约15重量％，从而产生约27重量％的粘结剂含量。其他组分的量应与原材料混合物中提供的量基本上相同。
成品具有以下尺寸：
内径：78mm
外径：126mm
金属管的厚度：4mm
内复合材料管的厚度：22.5mm
凸缘的厚度(包括金属管厚度的厚度)：18mm
长度：865mm
浸渍前孔隙率13-15％
浸渍和干燥后孔隙率11-12％
耐火密封剂的重量—复合材料管总重量的0.5重量％
防粘涂层的厚度—0.5至1mm
耐火灰浆的厚度0.5至1mm
孔隙率使用水浸法来确定。
在无另外维护的情况下在LPDC工艺中操作63个八小时轮班之后，立管仍处于良好可操作状态。这是超过常规铸铁管的使用寿命的显著改进(133％)，常规铸铁管具有27个八小时轮班的使用寿命，每9个轮班就需要重新施加不粘涂层。管所实现的综合制造和客户拒收率比铸铁立管的拒收率低约11％。相较于铸铁立管，本公开的立管表现出无铁被熔融金属吸收。
烧结温度的影响
将上述配方在950℃和1350℃下烧结以评估烧结温度的影响。如表2所指示，在1350℃下烧结的复合材料具有改进的机械强度和耐氧化性，这通过复合材料的重量损失的减少来测量。
密度和孔隙率测量根据ASTMC20进行。抗拉抗弯强度测量根据ASTMC1161-13进行。结晶相分析使用XRD分析进行，并且元素分析使用SEM/EDS进行。
表2
在950℃下烧结 在1350℃下烧结
密度(g/cc) 2.13±0.02 2.14±0.02
孔隙率％ 14±1 13±1
横向抗弯强度MPa 16±1 22±1
重量损失％(750℃持续1h) 26 12
降低的孔隙率、提高的强度和较低的石墨氧化的关键方面是粘结剂相的原位形成。改进的特性和性能可归因于由于在较高烧结温度下金属硅与碳化树脂之间的反应而形成SiC纤维。还形成了嵌入有莫来石的耐火玻璃相，所述耐火玻璃相与SiC纤维协同作用以提供机械强度和石墨氧化抑制剂两者。
表3中指示纤维状碳化硅相的化学组成，其中主要组分为纤维状碳化硅和得自液态树脂的无定形碳。其他组分包括未与无定形碳反应以形成纤维状碳化硅的残留金属硅。
表3：纤维状SiC粘结剂的化学组成
化学组成 重量％
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 6
SiO<sub>2</sub> 11
SiC 46
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 1
Si 3
TiO<sub>2</sub> 0.2
游离碳 33
仅使用粘土作为黏合剂来产生陶瓷基体的变型(具有类似原材料粒度分布)(表4)。实现了与表2类似的特性和性能，其中粘土到耐火玻璃陶瓷相的转变对于高强度和抗石墨氧化性至关重要。氧化铝和石墨组分的比例预期将与原材料混合物中的比例基本上相同。
表4：粘土粘结混合物组成
原材料 重量％
煅烧氧化铝 30
熔凝白色氧化铝 15
粘土 40
石墨 15
表5中提供原材料中所使用的粘土的组成(结晶部分)，且表6中提供烧结粘土产品。
表5：粘土中的结晶组分
粘土 石英 高岭石 伊利石 蒙脱石 锐钛矿 金红石
化学式 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>.2SiO<sub>2</sub>.2H<sub>2</sub>O K<sub>2</sub>Al<sub>4</sub>Si<sub>8</sub>O<sub>24</sub> CaAl<sub>4</sub>Si<sub>8</sub>O<sub>24</sub> TiO<sub>2</sub> TiO<sub>2</sub>
重量％ 10.6 58.9 22.7 3.1 3.7 1.0
如表5和表6所示，在1350℃下烧结之后，烧结粘土随着莫来石和方石英的形成而发生转变。另外，碱金属和碱土金属伊利石和蒙脱石有助于形成具有如表7所指示组成的耐火玻璃相。
表6：烧结粘土中的结晶组分
粘土 莫来石 石英 方石英
化学式 Al<sub>4.5</sub>Si<sub>1.5</sub>O<sub>9.74</sub> SiO<sub>2</sub> SiO<sub>2</sub>
重量％ 57 4.7 38.3
表7：玻璃组成
玻璃 SiO<sub>2</sub> Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> CaO K<sub>2</sub>O Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub> TiO<sub>2</sub> MgO
重量％ 50-60 25-30 1-2 2-5 2-5 1-3 1-2
高温烧结使得耐火玻璃质相能够软化，从而在高于1200℃下使陶瓷基体致密。所得粘结剂包含高耐火玻璃质相，所述高耐火玻璃质相嵌入有表现出高强度和优异耐侵蚀性的小(例如d50＜3μm)结晶二氧化硅或莫来石相350，并且抑制石墨相的氧化。
应理解，本领域技术人员可容易改变本公开的陶瓷基体或其他组分，并且仍然获得有利结果。

Claims (13)

1.一种立管(100)，其特征在于，所述立管(100)包括：
a.金属管(110)，所述金属管(110)包括外表面(120)和内表面(130)；
b.第一耐火灰浆层(140)，所述第一耐火灰浆层(140)抵靠金属管的内表面(130)固定地设置；
c.内复合材料管(150)，所述内复合材料管(150)通过所述第一耐火灰浆层(140)附接到所述金属管的内表面(130)；以及
d.不粘涂层(160)，所述不粘涂层(160)设置在所述内复合材料管的内表面(170)上。
2.根据权利要求1所述的立管(100)，其特征在于，所述立管(100)还包括：
e.外复合材料管(155)，所述外复合材料管(155)通过第二耐火灰浆层(135)附接到所述金属管的外表面(120)，所述第二耐火灰浆层(135)抵靠所述金属管的所述外表面(120)固定地设置。
3.根据权利要求1所述的立管(100)，其特征在于，所述内复合材料管的外周表面(220)包括耐火密封剂涂层。
4.根据权利要求1或2所述的立管(100)，其特征在于，所述金属管(110)具有在2mm至40mm之间的厚度。
5.根据权利要求2所述的立管(100)，其特征在于，所述内复合材料管(150)和/或所述外复合材料管(155)具有在5mm至100mm之间的厚度。
6.根据权利要求2所述的立管(100)，其特征在于，所述第一耐火灰浆层(140)和所述第二耐火灰浆层(135)具有在0.1mm至10mm之间的厚度。
7.根据权利要求1或2所述的立管(100)，其特征在于，所述不粘涂层(160)具有在0.001mm至10mm之间的厚度。
8.根据权利要求1或2所述的立管(100)，其特征在于，所述立管(100)具有在0.2米至3米的范围内的长度。
9.根据权利要求1或2所述的立管(100)，其特征在于，所述立管包括带凸缘端部(180)。
10.根据权利要求9所述的立管(100)，其特征在于，所述带凸缘端部(180)具有在5mm至200mm之间的厚度。
11.根据权利要求10所述的立管(100)，其特征在于，所述带凸缘端部(180)的厚度超出所述金属管(110)的厚度。
12.根据权利要求8所述的立管(100)，其特征在于，所述金属管的内表面在所述内复合材料管的长度的20％与90％之间附接到所述内复合材料管的外表面。
13.根据权利要求11所述的立管(100)，其特征在于，所述金属管从所述带凸缘端部沿着所述内复合材料管的所述外表面的长度的至少20％延伸。
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