D0I:10.13374/i.issn1001053x.2000.0M.051 第22卷第4期 北京科技大学学报 VoL.22 No.4 2000年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2000 铝热-重力分离法制备陶瓷复合钢管 林涛 果世驹郭志猛 韩强殷声 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要研究了填充密度、预热温度及添加剂等条件对铝热一重力分离法制备陶瓷复合钢管的 影响.随填充密度增大反应速度减慢，预热可以提高反应速度，适当的添加剂可以调节反应速 度，使反应过程易于控制.应用铝热-重力分离法成功地制出了高炉煤粉喷枪枪头，延长了其使 用寿命；并一次合成出了直径50mm~273mm的弯头. 关键词铝热；重力分离；钢管；陶瓷 分类号TF12 SHS-离心法制备的陶瓷内衬钢管，具有良 弯管、变径管及其他异型管材.本文研究了填充 好的耐磨、耐蚀、耐高温性能和优异的抗机械冲 密度、预热温度和添加剂等因素对制备过程的 击、抗热冲击性能，产品质量轻、不怕碰撞、价 影响 格低，已广泛用于电力、煤炭、冶金、矿山、化工 等行业，使用寿命是现行管材的几倍至几十 1实验 倍.但是，SHS-离心法制备陶瓷内衬钢管，只 实验所用钢管为34mm×3mm×200mm. 能在直管中实现陶瓷衬层.对于弯管，目前采取 Fe03粉为-200目，纯度为>98%：Si02粉-100 的解决措施为分段制作后拼焊，称为“虾米管”. 目，纯度>99%：CaF,粉-100目，纯度>98%： 由于每段陶瓷层之间存在缝隙，并且不是光滑 C0粉-80目，纯度>99%.实验过程为，将物 连续，增大了输送物料时的阻力，把它应用于输 料按比例混合均匀，装入下端用铝箔封口的钢 送腐蚀性液体也有困难，此外，对于小直径管， 管中，然后将钢管垂直安放到支架上，装好点燃 由于SHS-离心法难以实现较大离心力不能进 钨丝，通电引燃铝热反应2Al+Fe,O,一2Fe+ 行相分离而无法生产.SHS-离心法也无法应用 A12O,放出热836kJ,反应过程如图1所示.用电 于变径管等其他一些异型管件，这大大地制约 子秒表测量反应从钢管一端传播到另一端的时 陶瓷内衬钢管的广泛应用. 间，计算反应速度，从制得的复合管上取样测量 借助于重力的作用可以实现AlO陶瓷与 陶瓷层的厚度.一次合成弯管在专用装置上进 金属Fe的相分离，浮在上面的熔融陶瓷层在冷 行，弯管沿其弯曲半径缓慢向上旋转，控制转 的管壁上凝固形成陶瓷衬层从而制备出陶瓷内 速，使正在反应的区域保持在水平位置， 衬复合钢管).铝热-重力分离法可以制备细管、 钨丝 钢管 钢管 钢管 陶瓷 陶瓷 熔融陶瓷 铝热剂 熔融金属 铝热剂、 图1铝热重力分离法过程示意图 Fig.1 S ketch of thermite-gravitational separation process 1999-12-29收稿林涛男，30岁，工程师，博士生 ◆国家“863计划项目N0.863-715-009-0131)
第 2 2 卷 第 4 期 2 .洲〕年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n iv e sr i yt o f s e i e n e e a n d l’c c h n o lo gy B e ij in g V b l 一 2 2 N 0 . 4 Au g . 2 000 铝 热一重 力分离法制备陶瓷复合钢 管 林 涛 果世驹 郭志猛 韩 强 殷 声 北京科技大学材料科学与工程学院 , 北京 10 0 0 8 3 摘 要 研 究 了填 充密度 、 预热温 度及 添加剂 等条件对 铝热一重 力分 离法制备 陶瓷 复合钢 管 的 影响 . 随填 充密度 增大 反应速 度减慢 . 预热 可 以提 高反应 速度 . 适 当的添加剂 可 以调节 反应速 度 , 使反应 过程 易于控制 . 应用铝热一 重力分离法成 功地制 出 了高炉煤 粉喷枪 枪头 , 延长 了其使 用寿 命 ; 并一 次合成 出了直径 50 m m 一2 73 ~ 的弯头 . 关键 词 铝 热 ; 重力分 离; 钢 管; 陶 瓷 分类 号 FT 12 S H -S 离心 法制备 的陶瓷 内衬钢 管 , 具 有 良 好的耐磨 、 耐蚀 、 耐高温性能和 优异 的抗机械冲 击 、 抗热冲击性 能 , 产 品质量 轻 、 不 怕碰 撞 、 价 格低 , 已 广 泛用 于 电 力 、 煤炭 、 冶 金 、 矿 山 、 化工 等行 业 , 使用 寿命 是现 行 管材 的几 倍 至 几 十 倍 『冈 . 但是 , S H S一 离心 法 制备 陶 瓷 内衬钢 管 , 只 能在 直 管 中实现 陶瓷衬层 . 对 于 弯管 , 目前采取 的解决措施 为分段制作后 拼焊 , 称为 “ 虾米管 ” . 由于 每段陶 瓷 层 之 间存 在 缝 隙 , 并 且 不 是 光 滑 连续 , 增大了输送物料时的阻 力 , 把它应用于输 送腐蚀性 液体 也 有 困难 . 此外 , 对 于 小直 径管 , 由于 S H S 一离心 法难 以 实现较大离心 力不 能进 行 相 分 离而 无法 生 产 . S H S 一离心 法 也 无法 应 用 于 变径 管等其他一 些异 型 管件 , 这大 大 地 制 约 陶 瓷 内衬钢 管 的广 泛应 用 . 借助 于 重 力 的 作用 可 以实现 1A 2 O , 陶瓷 与 金 属 eF 的 相 分 离 , 浮 在 上 面 的熔 融 陶 瓷层 在 冷 的管壁上凝 固形成陶瓷 衬层 从而制备 出陶瓷 内 衬 复合钢 管 『5] . 铝热一重力分离法 可 以制备细 管 、 钨丝 - - 门 ! 弯管 、 变径管及其他异型管材 . 本文 研 究了填充 密 度 、 预热 温度和 添加 剂等 因素对制 备过程 的 影 响 . 1 实验 实 验 所 用 钢 管 为中34 nmr x 3 m m x 2 0 0 nu . F e Z O , 粉 为一 2 0 0 目 , 纯度为 > 9 8 % ; 5 10 2粉 一 10 0 目 , 纯 度 > 9 % ; C aF Z 粉 一 or o 目 , 纯 度 > 98 % ; COr , 粉 一 80 目 , 纯度 > 9 % . 实验过程为 , 将物 料按 比例混合均匀 , 装入下 端用铝 箔封 口 的钢 管 中 , 然后 将钢管垂 直安放到支架上 , 装 好 点燃 钨 丝 , 通 电 引 燃 铝 热 反 应 2 ^ l + F e Z o 3一 ZF e + A 1 2 0 3 , 放出热 8 36 kJ , 反应 过 程如 图 1 所示 . 用 电 子 秒表测量 反 应 从钢 管一 端传播到 另 一端 的时 间 , 计算反 应 速度 . 从 制得 的复合 管上 取样测 量 陶 瓷层 的厚 度 . 一 次合成弯 管在专用 装置 上 进 行 , 弯管沿 其 弯曲 半径缓慢 向上 旋 转 , 控制 转 速 , 使 正在反应 的区域保持在水平位 置 . 钢陶 钢管 铝热熟 熔融陶 熔融金 铝热剂 图 1 铝奴卜重 力分离法过程示意图 F ig · 1 5 k e t e h o f t h e r m i t -e g r a v i at t i o n a l s e P a ar it o n Por c es s 19 9 一 12 一 29 收稿 林 涛 男 , 30 岁 , 工 程 师 , 博士 生 * 国家 “ 8 6 3 ” 计划项 目(N 0 . 8 6 3 一 7 1 5 一 0 0 9 一 0 1 3 1) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 04. 051
Vol.22 No.4 林涛等：铝热一重力分离法制备陶瓷复合钢管 ·359· 2结果与讨论 应速度.但过量SiO(wso=8%)的加入对铝热剂 来说起到稀释剂的作用，降低燃烧温度，影响到 2.1工艺影响因素 燃烧速度.陶瓷层的厚度随反应速度的加快而 (1)填充密度.填充密度是指单位体积的钢 减薄. 管空腔中装入铝热剂的质量.铝热剂填充密度 表3Si0,添加量的影响 (p)对反应速度(v)和陶瓷层厚度(b)的影响列 Table 3 The effects of SiO,additive 于表1.当铝热剂燃烧时，燃烧波前沿铝热剂中 ws0.% v/mm.s- b/mm 的铝受燃烧波加热作用而被熔化，沿空隙向下 6.9 1.82 渗透.反应产物相分离后的熔融铁也沿空隙向 12.5 1.35 下渗透.同时，受燃烧波加热而产生的气体也同 7.3 2.12 时沿空隙渗透，由于受这些液体和气体的加热 作用，铝热剂更易燃烧.填充密度越小，铝热剂 (4)CrO添加量.CrO添加量(wco)的影响 粉末颗粒之间堆积越松散，其间的空隙也越大， 示于表4.添加CO,主要是为了提高体系的发 铝热剂反应速度加快.反应速度的加快，反应产 热量，因为CO和A1反应放出1094kJ的热，可 物形成的熔池下移速度加快，浮在熔池上面的 使反应的绝热温度高达5200K.Cr0,在170℃以 陶瓷与钢管接触处的凝固时间变短，得到的陶 上分解产生O,使反应过程变得剧烈，同时也造 瓷层变薄 成喷溅.因此C0,加入量为5%比较合适. 表4CrO,添加量的影响 表1填充密度的影响 Table 4 The effects of CrO,additive Table 1 The effect of filling density Wer/% v/mm.s- b/mm p/g.cm v/mm.s b/mm 3 6.7 2.72 1.5 6.7 1.30 5 8.8 2.91 1.6 5.8 2.54 8 12.5 1.58 1.7 3.5 3.01 (2)预热温度.预热温度()的影响示于表2. (5)CaFz添加量.CaFz添加量(wcs,)的影响列 细管与粗管相比，管腔内装入的铝热剂量少，相 于表5.CaF:是冶金过程常用的助熔剂，可以有 应地发热量小，由于制备过程中，钢管吸收热量 效降低熔渣的粘度，提高熔渣的流动性.CaF,的 并向环境散失，使反应形成的熔池温度降低，减 熔点为1418℃，共晶成分73%CaF-Al0的熔 慢了反应速度，随着钢管直径的减小，钢管的表 点仅为1270℃，因此有利于熔体中气体的排出. 面积与其空腔体积之比增大，也就是说，细小直 加入CaF,后，对铝热反应来说起到稀释剂的作 径的钢管一方面表面积增大，热散失增加，另一 用，降低了反应速度.但反应速度趋于稳定，使 方面铝热剂的填充量减少，总发热量降低，因此 反应过程易于控制 细小直径的钢管甚至会造成铝热反应的中止， 表5CaF,添加量的彩响 预热可以提高最终反应温度，并提高反应速度， Table 5 The effect of CaF,additive 促进铝热反应的进行， WCsF./% v/mm.s- b/mm 3 3.5 表2预热温度的影响 5 4.7 Table 2 The effects of pre-heating temperature 8 5.0 2.68 t/℃ v/mm.s- b/mm 100 12.6 1.16 在铝热-重力分离法制备陶瓷复合钢管中， 200 17.2 0.89 主要问题是控制铝热剂的发热量和反应速度， 300 36.5 二者目的是基本一致的，即发热量大时反应速 (3)SiO2添加量.SiO2添加量wso的影响示于 度也快.但比较理想的状态是，铝热反应形成的 表3.SiO2的加入可以降低陶瓷相的熔点，提高 产物熔池以适中的、均匀的速度向下推进，这样 其流动性，使其在液相存留的时间相对延长.适 一方面可以使反应产物中的陶瓷相与金属相有 量加入SO2由于陶瓷相流动性的提高可提高反 足够的时间实现相分离，另一方面也可使过程
V 6 L2 2 N 0 . 4 林 涛等 : 铝 热一 重力分 离法制 备陶瓷 复合钢 管 . 3 5 9 . 2 结果与讨论 2 . 1 工艺 影响 因素 ( l) 填充密 度 . 填 充密度是 指单位体积 的钢 管 空 腔 中装入铝 热 剂 的质量 . 铝 热 剂 填充 密 度 ( P )对 反应速度 ( v) 和 陶瓷 层 厚 度 (b )的影 响列 于 表 1 . 当铝热 剂燃烧 时 , 燃烧波前沿 铝 热 剂 中 的铝 受燃烧波加热 作用而 被熔化 , 沿 空 隙向下 渗透 . 反 应 产物相 分 离后 的熔融 铁也 沿 空 隙向 下 渗透 , 同 时 , 受燃烧波加热而 产生 的气 体也 同 时沿 空 隙渗透 . 由于 受 这些液体和 气体 的加热 作用 , 铝 热 剂更 易燃 烧 . 填充密 度越 小 , 铝 热 剂 粉末颗粒之 间堆 积 越松散 , 其 间 的空 隙也 越大 , 铝 热剂反应速度加快 . 反应 速度 的加快 , 反 应产 物 形 成 的熔池 下 移速度加 快 , 浮在熔池 上面 的 陶瓷与钢管接触处 的 凝 固时间变短 , 得到的 陶 瓷 层 变薄 . 表 1 填充密度的影响 aT b l e 1 T h e e fe e t o f ifl li n g d e n s iyt P /g · c m 一 , v /m m · s 一 , b /m m 1 . 6 5 . 8 2 . 5 4 1 7 3 . 5 3 . 0 1 应 速度 . 但过量 5 10 2 ( w isq = 8% ) 的加入 对铝 热剂 来说起 到稀 释剂的 作用 , 降低燃烧温度 , 影 响 到 燃烧速度 . 陶瓷层的厚度随反应速度 的加快而 减薄 . 表 3 51 0 : 添加量的影响 aT b le 3 T h e e fe c st o f 510 : a dd i it v e w iso Z% v / n u n . s 一 , b m/ m 3 6 . 9 1 . 8 2 5 12 . 5 1 . 3 5 8 7 . 3 2 . 1 2 (4 ) C旧 , 添加 量 . C旧 。 添加 量 ( w e。 ) 的影 响 示于 表 4 . 添加 C心 , 主 要是 为 了提 高体系的 发 热量 , 因 为 C or 。 和 A I反应 放 出 1 09 4 kl 的热 , 可 使反应的绝热温度高达 5 2 0 K . C旧 , 在 170 ℃ 以 上分解 产生 0 2 , 使反 应过程变得剧烈 , 同 时也造 成喷溅 . 因 此 C心 3 加入量 为 5 % 比较合适 . 表 4 C r o , 添加量的影响 aT b l e 4 T b e e fl 七e st o f C 州O J a d d it iv e w 阅了% v / mrn · s 一 , b m/ m 3 6 . 7 2 . 7 2 5 8 . 8 2 . 9 1 8 12 . 5 1 , 5 8 (2 )预热温度 . 预 热温 度(t) 的影 响示 于 表 2 . 细 管 与粗管相 比 , 管腔 内装入 的 铝热 剂 量 少 , 相 应 地发热量小 . 由于制备过程 中 , 钢 管吸 收热量 并 向环 境散失 , 使反应 形 成 的熔池温度 降低 , 减 慢 了反 应速度 . 随着钢 管直径 的减小 , 钢 管 的表 面积与 其 空腔 体积 之 比增 大 , 也 就 是 说 , 细 小 直 径 的钢 管一方 面 表面 积 增 大 , 热 散失 增 加 , 另 一 方面铝 热剂的填充量减少 , 总发热 量 降低 , 因此 细 小 直径 的钢 管甚 至会 造成 铝 热 反 应 的 中止 . 预热可 以提高最终 反应 温度 , 并提高反 应速度 , 促进铝 热 反应 的进行 . 表 2 预热温度 的影响 aT b l e 2 T h e e到er e st o f P -er h e a itn g t e m P e r a t u er v / mrn , s 一 ’ b /m m ( 5 )C aF Z 添加量 . C a F Z 添加量 ( w e 叮 ) 的 影 响列 于 表 5 . C aF Z 是 冶金 过程 常用 的助 熔 剂 , 可 以有 效 降低熔渣的粘度 , 提 高熔渣 的流动 性 . C aF : 的 熔 点为 1 4 18 ℃ , 共 晶成 分 73 % C aF 厂 A 1 2 O , 的熔 点仅 为 1 2 7 0℃ , 因 此有 利于 熔体中气体 的排 出 . 加 入 C aF Z 后 , 对铝 热 反应 来 说起 到稀释剂的 作 用 , 降 低 了反 应速度 . 但 反应 速度 趋于 稳定 , 使 反 应过程易于 控制 . 表 5 C a F : 添加量 的影响 1油b l e 5 T h e e n 论c t o f C a F : a d d iit v e w 。 Oo/ v /m m · s 一 , b /m m 3 3 . 5 一 5 4 . 7 一 8 5 . 0 2 . 6 8 1 0 0 1 2 . 6 1 . 1 6 2 0 0 3 0 0 1 7 . 2 3 6 . 5 0 . 8 9 ( 3 ) 5 10 2 添加量 . 5 10 2 添加量 w s :。 的 影 响示 于 表 3 . 51 0 2 的加 入 可 以 降低 陶 瓷 相 的熔 点 , 提 高 其流 动 性 , 使其在液相存 留的 时 间相 对延 长 . 适 量加 入 51 0 2 由于 陶瓷 相 流动 性 的提高可 提高反 在铝 热一 重 力分 离法制备陶 瓷 复合 钢 管 中 , 主 要 问题是 控制铝 热 剂的 发热 量和 反 应速度 , 二 者 目 的是 基本一 致 的 , 即 发热 量 大时 反 应速 度也快 . 但 比较理 想 的状态是 , 铝 热反应形 成 的 产物熔池 以适中的 、 均 匀的速度 向下 推进 , 这样 一 方面可 以使反应产物 中 的 陶瓷 相 与 金属 相 有 足够 的 时 间实现相分离 , 另一 方面也 可 使过 程
360 北京科技大学学报 2000年第4期 易于控制. 23应用 22性能与组织 采用铝热-重力分离法已成功制备了直径 在填充密度1.7gJcm,CO添加量5%，SiO, 26mm、弯曲角度6°、长300mm的高炉煤粉喷枪 添加量3%的条件下，制得的复合管陶瓷层密度 枪头，已在炼铁厂应用，原有煤粉喷枪寿命不足 为3.53gcm',硬度(Hv)为1235.这一结果与 1个月，而内村陶瓷钢管喷枪的寿命可达4个 SHS-离心法制备的陶瓷复合钢管性能相当. 月.并且，应用铝热-重力分离法还一次合成了 铝热一重力分离法制备的复合管陶瓷层的 直径50~273mm的弯头，陶瓷层表面光滑，厚度 组织如图2.主晶相是氧化铝枝晶，其余相是铁 均匀，性能与SHS-离心法制备的“虾米管”弯头 铝尖晶石相和富硅相.相组成和结构与SHS-离 相当. 心法相似，但氧化铝枝晶没有SHS-离心法发达. 其原因在于SHS离心法中由于高速旋转使对 3结论 流作用加剧，钢管表面散热快：而铝热-重力分 (1)随填充密度的增大，铝热反应速度降低： 离法钢管则处于静态或移动很慢 (2)随预热温度的提高，铝热反应速度加快： (3)适当的添加剂可以调节反应速度，使反 应易于控制： (4)成功制出了高炉煤粉喷枪枪头，在炼铁 厂工业应用，使用寿命提高几倍： (5)在国内首次采用铝热-重力分离法一次 合成出273mm的弯头. 参考文献 I Merzhanov A G.The self-propogating High-temperature Synthesis in the Fields of Centrifugal Force.In:Proceed. 图2陶瓷层的组织 ings of Ist Interational.Symposium on Combustion and Fig.2 Microstructure of ceramic layer Plasma Synthesis.San Francisco,USA,1988.I 2小田原修，池内准，石井康允.等.Effect of Thermal In- 另外，组织中的小亮点为残余的铁颗粒，在 sulation in the Production of Metal-ceramic Composite SHS离心法由于离心力的作用，反应产物铁与 Pipes by A Centrifugal-thermite Process.J Japan Inst. 氧化铝很易实现完全相分离，而在本技术中，两 1986,50(8:763 相的分离仅靠重力实现，加之反应过程快，小的 3殷声，叶宏煜，郭志猛，等.陶念内村锅管的研究.北 铁颗粒还来不及完全与陶瓷相分离，就凝固残 京科技大学学报，1994,16(4)：335 存在陶瓷相中 4柳牧，般声，赖和怕，等.内村陶瓷钢答中铁铝尖品石的 形成机理.北京科技大学学报，1996,18(3)：245 Ceramic Lined Steel Pipes Made by Thermite-gravitational Separation Process LIN Tao.GUO Shiju,YIN Sheng.GUO Zhimeng,HAN Qiang Material Science and Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT The effects of filling density.preheating temperature and additives on the ceramic lined steel pipe made by thermite-gravitational separation process were studied.It shows that the propagating rate of the combustion wave along the steel pipe decreases with increasing the filling density,and increases with increas- ing the preheating temperature.Furthermore,it becomes controllable with the addition of suitable additives. The coal powder nozzle produced by thermite-gravitational separation process has been used in blast furnace. The bend pipes with the diameter of 50-273mm were also produced by this process. KEY WRODS gravitational separation;thermite;steel pipe;ceramics