专利名称：陶瓷内衬复合方钢管生产方法
技术领域：
本发明涉及一种钢的表面涂层新技术领域，特别涉及是陶瓷内衬复合钢管生产方法。
背景技术：
陶瓷内衬复合方钢管及其制造方法是利用反应物内部的化学能来合成材料。反应物点燃后，燃烧反应可自我维持，一般不再需要补充能量。整个工艺过程极为简单，能耗低，生产效率高，且产品纯度高。
陶瓷内衬复合方钢管生产陶瓷涂层的工艺过程将一定粒度的Al粉和Fe2O3粉按比例配制好，经混料机混合，装入管内，使其达到一定密度，方钢管竖直放置，铝热剂的上部点火。在高反应热的作用下，反应持续进行，生成Al2O3和Fe的熔体，在铝热剂上部形成熔池。由于相当大的密度差别，熔池发生重力分离，密度大的Fe下沉，密度小的Al2O3浮于熔池上部。因Al2O3的熔点高，液相停留的时间短，随着液面下降，Al2O3熔体与金属管内壁接触部位首先冷却凝固并与金属管壁结合，形成陶瓷涂层内衬。随着反应界面连续下降，就在钢管内壁形成连续的陶瓷涂层，直到全部管子内壁形成0.7～4mm厚的内衬氧化铝涂层。密度大的Fe熔体和多余的陶瓷熔体一起从钢管下部孔处排出，冷却后得到内衬陶瓷涂层的复合管。反应公式如下
重力分离陶瓷内衬复合方钢管技术是源于自蔓延高温合成，而借助重力作用使之分离，获取所需产物，这种方法的显著特点是材料合成成本低，生产效率高。当前利用该技术制备复合涂层主要集中在制备圆复合钢管。非圆形管内壁和板材上生成陶瓷涂层的技术具有广泛应用前景，但现有技术中还没有成熟。
中国专利CN 1226451C公布了一种陶瓷复合钢管的制造工艺但主要都集中在制备复合圆钢管。圆管与方管制备陶瓷内衬涂层存在的差异如下①配比、充填密度、粉重基体比、SiO2和CrO3添加剂等因素对二者的影响规律基本一致，但是因为钢管基体的形状差异，所以方钢管要求处于熔融状态时流动性更好，这样试剂的配制不同于圆钢管。②制备方管陶瓷内衬涂层时，方管的四个直角处涂层较厚，而管壁处相对较薄。如果二者的厚度差别较大时就容易导致管壁处较薄涂层脱落，所以对于试剂选料、配方和处理工艺方面也与圆钢管有所差异。③如果试验管放置不是竖直，对于圆管则一般只能引起涂层厚度不均，而方管则容易扭曲、变形，同时各个平面涂层厚度不均产生了不均匀的应力，致使陶瓷涂层容易脱落。
发明内容
针对现有技术的问题，本发明的目的是提供一种满足高温、低冲击等工况条件的利用重力分离自蔓延高温合成技术生产陶瓷内衬复合方钢管的方法，并通过切割钢管侧面获得陶瓷内衬复合板材，这种复合材料同时满足产品对结构性能(强度、韧性等)和环境性能(耐磨、耐蚀、耐高温等)的需要，可以广泛应用于冶金、矿山、化工、电力等各个领域。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案叙述如下一种陶瓷内衬复合方钢管生产方法，原料包括Fe2O3粉、Al粉、SiO2粉和CrO3粉，制造工艺包括烘料、配料、混料、装料、加芯和点火，其特征在于该方法包括以下步骤1)钢管基体准备切割试验用方钢管达到需要的长度，用盐酸洗去表面的氧化皮，清洗后在离电炉较远处干燥，待干燥后用砂纸将内壁打磨干净；2)选料用100-300目的筛子对原料进行筛选，然后将原料分别进行干燥，用干燥箱对Fe2O3粉和SiO2粉分别在电控恒温箱中进行140℃恒温干燥24小时，Al粉在60℃下进行干燥，检测无水分后备用；3)配料制备铝热剂，铝热剂按照以下配方配置，按重量百分比；混合原料，用混料器将试剂混合12小时；Fe2O3粉 100目～300目 65％～70％；Al粉 100目～300目 20％～30％；SiO2粉100目～300目 2％～8％；CrO3粉100目～300目 1％～4％。
4)配芯将外边长大于35mm的方管进行内部加芯材的处理，芯材采用的是方钢管，其外径的大小，取决于钢管基体。
5)装料把混合均匀的反应试剂，按照粉重基体比2～5.5g/cm3的原则和期望获得的陶瓷的厚度确定原料的重量，将试剂均匀填充到钢管与芯体的空隙中，同时保持钢管的竖直状态；6)点燃试剂制管点燃铝热剂，使其进行反应，在高反应热的作用下，反应持续进行，生成Al2O3和Fe的熔体，在铝热剂上部形成熔池；随着反应界面连续下降，在钢管内壁形成连续的陶瓷涂层，直到全部管子内壁形成1～3mm厚的内衬氧化铝涂层，冷却后即得到陶瓷内衬复合方钢管。
本发明陶瓷内衬复合方钢管的制造方法与现有技术相比，其新颖性和创造性体现在(1)燃烧温度极高，通常为2000℃～3000℃。在合成反应时原材料中的低熔点杂质能挥发逸出，产品纯度和质量高。
(2)合成过程经历了极大的温度梯度，生成物中可能出现缺陷集中和非平衡相，产品活性高，可获得复杂相和亚稳相。
(3)工业生产工序少、所需设备简单、场地小、生产周期短。生产工艺简单，合成反应过程迅速，一般在几秒或几十秒内完成，节省工艺时间。
(4)节能效益明显，固体燃烧合成技术依靠反应物质之间的化学反应生成化合物，并释放出大量的热能。它与炉内熔炼或烧结等传统冶金方法不同，不需要外加能源，因此，能节约大量能源，技术经济效果十分显著。
(5)能制备的合成材料范围特别广，适于制造多种管径、多种厚度的陶瓷内衬复合方钢管。
(6)合成的涂层，由于高温熔体和高温作用的结果，陶瓷层与基体实现机械结合和微冶金结合，结合紧密；陶瓷层具有一定的韧性，能承受低冲击载荷作用。有些高放热反应形成的涂层可产生冶金结合。制备的陶瓷金属复合方钢管可大幅提高其耐高温、高耐磨、高耐蚀能力。
图1为陶瓷复合小截面方钢管的实验装置原理图。
图2为陶瓷复合大截面方钢管的实验装置原理图。
图3为已经制备成功的陶瓷内衬复合方钢管。
图4通过切割复合方管获得的复合板。
图1、图2中，1-镁粉 2-方钢管 3-铝热剂 4-硬纸板 5-底座 6-芯子 7-夹紧装置具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。本发明是基于铝热反应的原理实现的
一种陶瓷内衬复合方钢管生产方法，原料包括Fe2O3粉、Al粉、SiO2粉CrO3粉，制造工艺包括烘料、配料、混料、装料、加芯和点火，该方法包括以下步骤1)钢管基体准备切割试验用方钢管达到需要的长度，用盐酸洗去表面的氧化皮，清洗后干燥，待干燥后用砂纸将内壁打磨干净；2)选料用100-300目的筛子对原料进行筛选，然后将原料分别进行干燥，用干燥箱对Fe2O3粉和SiO2粉分别在电控恒温箱中进行140℃恒温干燥24小时，Al粉在60℃下进行干燥，检测无水分后备用；3)配料制备铝热剂，铝热剂按照以下配方配置，按重量百分比；混合原料，用混料器将试剂混合12小时；Fe2O3粉 100目～300目 65％～70％；Al粉 100目～300目 20％～30％；SiO2粉100目～300目 2％～8％；CrO3粉100目～300目 1％～4％。
4)配芯利用本发明方法制备大截面方管陶瓷内衬涂层，外径在35mm以上的方钢管，需要在方管中间加一定形状的芯子材料，减少铝热剂的质量，以减少自蔓延反应产生的热量，防止基体烧漏，控制生产成本。对于外径小于35mm的方钢管，其内腔直接放入铝热剂，点燃即可。在实验中，选用的芯子材料为方钢管。采用方钢或圆钢时，不会对熔体的纯度产生影响。在反应过程中芯子表面也会生成陶瓷涂层，但由于铁与陶瓷的热膨胀系数差别较大，冷却后，陶瓷涂层与芯子材料会产生0.5～1.0mm的缝隙，敲击后涂层能完全从芯子表面脱落，芯子材料可以重复使用。我们研究了芯子材料的两种形状—方钢管或圆钢管，其尺寸参数包括长度h、方钢管外截面边长C1或圆柱钢管外半径C2。长度h等于或略大于方管长度即可。参数C1、C2由下列公式计算得出C1=(a-2d)2-v×aρ×h]]>C2=13.14[(a-2d)2-v×aρ×h]]]>式中a-方管外边长，cm；d-壁厚，cm；v-基体体积，cm3；
ρ-压料密度，g/cm3，通常取1.4～2.5；α-粉重基体比，铝热剂质量与钢管体积之比，通常取2～5.5g/cm3；h-方管长度，cm。
本发明芯子体积选择的理由如下①芯子的大小直接影响到了充填试剂的量，相对而言试剂多则生成的陶瓷涂层厚度大，试剂少生成陶瓷涂层的厚度小，所以首先要根据期望获得的陶瓷涂层厚度进行选择。②试剂的量应使粉重基体比为2～5.5g/cm3。
5)装料把混合均匀的反应试剂，按照1.4-2.5g/cm3的填料密度填充到钢管中(对于有引管的反应，将引管和石棉片固定好)，同时注意保持钢管的竖直状态。点火如果采用变压器和电阻丝点火，则应该在反应试剂顶端埋好电阻丝，调整好变压器的输出电压和电流。采用的电阻丝直径为0.5mm，变压器输出电压为24V，输出电流为1～2A，一般点火延迟时间大约30s左右。如果采用镁粉点燃，只需在反应试剂中间位置撒上少量镁粉，然后用镁带引燃镁粉。
6)点燃试剂制管点燃铝热剂，使其按照进行反应，在高反应热的作用下，反应持续进行，生成Al2O3和Fe的熔体，在铝热剂上部形成熔池。由于相当大的密度差别，熔池发生重力分离，密度大的Fe下沉，密度小的Al2O3浮于熔池上部。因Al2O3的熔点高，液相停留的时间短，随着液面下降，Al2O3熔体与金属管内壁接触部位首先冷却凝固并与金属管壁结合，形成陶瓷涂层内衬。随着反应界面连续下降，就在钢管内壁形成连续的陶瓷涂层，直到全部管子内壁形成1～3mm厚的内衬氧化铝涂层。密度大的Fe熔体和多余的陶瓷熔体一起从钢管下部孔处排出，冷却后得到陶瓷内衬复合方钢管。
用上述方法在外边长20-60mm，壁厚1.5-4mm，长度为70-350mm的一系列方钢管上制出了陶瓷内衬复合方钢管。其陶瓷层的厚度为0.8-3.5mm。
生成的陶瓷内衬层表面均匀光滑，无明显的可见气孔、裂纹和鼓包。复合陶瓷涂层试样，其结构为外层为金属基体层，内层为制备的内衬涂层。内衬中明显含有两类物质，一类呈颗粒状或团聚状的白色金属，为金属或金属间化合物相；另一类呈灰色且无金属光泽，为陶瓷相。氧化铝陶瓷与铁液熔体无法形成冶金结合，陶瓷与金属基体以箍紧式的机械结合方式为主。硬度值在1200～1400(HV0.2)以上。陶瓷层组织主要由α-Al2O3基体相和FeO·Al2O3尖晶石相所构成，SiO2在陶瓷中主要以尖晶石英相结构存在。
以下是发明人给出的具体实施例，本发明不限于这些实施例。
实施例1基体为30×30×1.5mm的方钢管，长度为200mm。
采用Al粉粒度为200±20目，Fe2O3粒度150～250目，SiO2粒度200±20目，填料密度为1.5～2.0g/cm3，粉重基体比3.0～5.5g/cm3，试剂的比例为Al∶Fe2O3∶SiO2＝24.2％∶71.8％∶4％。
常温反应、自然冷却，生成厚度均匀、表面光滑、厚度约为1.5-2.5mm的陶瓷，平均硬度硬度值在1200～1400(HV0.2)，最高可达1415(HV0.2)。陶瓷与金属基体结合牢靠，不易脱落。
实施例2基体为30×30×1.5mm的方钢管，长度为200mm。
采用Al粉粒度为100-200目，Fe2O3粒度100～200目，SiO2粒度100-200目，CrO3粉粒度100-200目，填料密度为1.5～2.0g/cm3，粉重基体比3.0～5.5g/cm3，试剂的比例为Al∶Fe2O3∶SiO2∶CrO3＝26％∶68％∶4％∶2％。
常温反应、自然冷却，生成厚度均匀、表面光滑、厚度约为1.5-2.5mm的陶瓷，平均硬度硬度值在1200～1400(HV0.2)，最高可达1415(HV0.2)。陶瓷与金属基体结合牢靠，不易脱落。
实施例3基体为60×60×4mm方钢管，长度为100mm，材质为Q235。
采用Al粉粒度为100-200目，Fe2O3粒度100～200目，SiO2粒度100-200目，填料密度1.4～1.8g/cm3，粉重基体比3.0～5.5g/cm3，试剂的比例为Al∶Fe2O3∶SiO2＝30％∶66％∶4％。
在制备大截面陶瓷复合方管的实验中，为了提高陶瓷层致密度，铝热剂中加入了SiO2，由于其对涂层质量有双重影响，我们确定了合理的SiO2添加量4％。芯子为Φ30mm的圆钢管，常温反应，自然冷却。制备了表面光滑、涂层厚度均匀的陶瓷复合方管试样，可直接使用；也可切割为陶瓷复合钢板，是一种新的制备钢板表面陶瓷复合涂层的有效方法。
复合材料由三层构成，即外侧钢管层，以铁颗粒为主的中间过渡层和内侧陶瓷层，其中内衬层厚度(由中间过渡层和陶瓷层组成)在1.0～3.5mm之间，过渡层与基体层无明显结合界面，与陶瓷结合界面清晰。氧化铝陶瓷与铁液熔体无法形成冶金结合，也不能发生润湿反应，从而形成以机械卡固为主的结合方式。
本发明经过了多次试验，上述配方可以举出很多的实施例，本发明不一一列举，只要在本发明所述的范围内都可以制备陶瓷内衬复合方钢管。
权利要求
1.一种陶瓷内衬复合方钢管生产方法，原料包括Fe2O3粉、Al粉、SiO2粉和CrO3粉，制造工艺包括烘料、配料、混料、装料、加芯和点火，其特征在于该方法包括以下步骤1)钢管基体准备切割试验用方钢管达到需要的长度，用盐酸洗去表面的氧化皮，清洗后在离电炉较远处干燥，待干燥后用砂纸将内壁打磨干净；2)选料用100-300目的筛子对原料进行筛选，然后将原料分别进行干燥，用干燥箱对Fe2O3粉和SiO2粉分别在电控恒温箱中进行140℃恒温干燥24小时，Al粉在60℃下进行干燥，检测无水分后备用；3)配料制备铝热剂，铝热剂按照以下配方配置，按重量百分比；混合原料，用混料器将试剂混合12小时；Fe2O3粉 100目～300目 65％～70％；Al粉 100目～300目 20％～30％；SiO2粉100目～300目 2％～8％；CrO3粉100目～300目 1％～4％。4)配芯将外边长大于35mm的方管进行内部加芯材的处理，芯材采用的是方钢管，其外径的大小，取决于钢管基体。5)装料把混合均匀的反应试剂，按照粉重基体比2～5.5g/cm3的原则和期望获得的陶瓷的厚度确定原料的重量，将试剂均匀填充到钢管与芯体的空隙中，同时保持钢管的竖直状态；6)点燃试剂制管点燃铝热剂，使其进行反应，在高反应热的作用下，反应持续进行，生成Al2O3和Fe的熔体，在铝热剂上部形成熔池；随着反应界面连续下降，在钢管内壁形成连续的陶瓷涂层，直到全部管子内壁形成1～3mm厚的内衬氧化铝涂层，冷却后即得到陶瓷内衬复合方钢管。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷内衬复合方钢管生产方法，其特征在于在制备陶瓷复合小截面方钢管时，省略步骤4)。
3.根据权利要求1或2所述的一种陶瓷内衬复合方钢管生产方法，其特征在于采用Al粉粒度为200±20目，Fe2O3粒度150～250目，SiO2粒度200±20目，填料密度为1.5～2.0g/cm3，粉重基体比3.0～5.5g/cm3，试剂的比例为Al∶Fe2O3∶SiO2＝24.2％∶71.8％∶4％。
4.根据权利要求1或2所述的一种陶瓷内衬复合方钢管生产方法，其特征在于采用Al粉粒度为100-200目，Fe2O3粒度100～200目，SiO2粒度100-200目，CrO3粉粒度100-200目，填料密度为1.5～2.0g/cm3，粉重基体比3.0～5.5g/cm3，试剂的比例为Al∶Fe2O3∶SiO2∶CrO3＝26％∶68％∶4％∶2％。
5.根据权利要求1或2所述的一种陶瓷内衬复合方钢管生产方法，其特征在于采用Al粉粒度为100-200目，Fe2O3粒度100～200目，SiO2粒度100-200目，填料密度1.4～1.8g/cm3，粉重基体比3.0～5.5g/cm3，试剂的比例为Al∶Fe2O3∶SiO2＝30％∶66％∶4％。
6.根据权利要求1、2、3、4、或5所述的方法制造的陶瓷内衬复合方钢管，其特征在于用上述方法在外边长20-60mm，壁厚1.5-4mm，长度为70-350mm的一系列方钢管上制出了陶瓷内衬复合方钢管，其陶瓷层的厚度为0.8-3.5mm。
全文摘要
本发明涉及一种钢的表面涂层新技术领域，特别涉及是陶瓷内衬复合钢管生产方法。原料包括Fe
文档编号C04B37/02GK1919786SQ20061004766
公开日2007年2月28日 申请日期2006年9月8日 优先权日2006年9月8日
发明者王凤辉, 焦安源, 高兴岐 申请人:鞍山科技大学