专利名称：一种用铁基废料制备shs陶瓷内衬金属管材的方法
技术领域：
本发明涉及一种铁基废料用于SHS陶瓷内衬金属管材的方法，属于资源回收再利 用和表面涂层技术领域。
背景技术：
随着我国钢铁行业快速发展，铁基废料产量急剧增加。铁基废料包括轧辊磨削料、 冷(热)轧铁鳞等。据不完全统计，铁基废料每年大约200万吨。一方面铁基废料给钢铁 企业带来了严重的环境负担，另一方面铁基废料含有大量的Fe和一定量的Cr、Ni、V、Mn等 宝贵的金属资源。因此，综合利用铁基废料不仅可以减轻钢铁企业的环境负担，而且有利于 资源再利用，具有重要的经济和环保意义。自蔓延高温合成(Self-propagating High-temperature Synthesis，缩写SHS)是 利用化学反应自身放热制备材料的新技术。其最显著的特点就是充分利用元素间形成化合 物时的高能放热反应，除了引发合成反应所必须的少量外加能量，整个反应过程主要依靠 物料自身的放热来维持。前苏联科学院的化学物理研究所研究了离心力对铝热反应的燃烧 过程影响，通过离心力控制燃烧过程，离心力与SHS过程相结合产生了 SHS-离心法。1981 年日本小田原修采用铝热离心法制备陶瓷内衬金属管材，并制备出大尺寸内衬陶瓷复合金 属管材。其原理是利用铝与氧化铁发生放热反应，依靠放热反应可以维持反应进行，同时反 应产物铁和氧化铝瞬时熔融，在离心力的作用下，比重轻的氧化铝分布在金属管材内表面， 比重大的铁分布在金属管材和陶瓷层中间并将金属管材和陶瓷层结合起来。Al和Fe2O3 (或 Fe3O4)的反应式如下2A1+Fe203 — 2Fe+Al2038Al+3Fe304 — 9Fe+4Al203中国专利ZL90107244. 3公开了 一种耐蚀耐磨陶瓷金属管材制造技术，在 Al+Fe203 (或Fe3O4)物料中同时加入添加剂SiO2和一种或两种碱金属氧化物(在Na20、K20、 Li2O中选择)及一种或两种碱土金属氧化物RO (在MgO、CaO, BaO, ZnO中选择)，混勻后的 物料加入金属管材带物料预热至100°C 300°C、点燃后在离心力的作用下进行反应烧结， 在金属管材内壁形成厚度约2毫米的无渗透性致密陶瓷镀层。中国专利01139227. 4公开 了一种陶瓷内衬金属管材的制造方法，以酸渣料(铁矿选矿产生)与Al、Si02烘干混勻，点 燃后在离心力的作用下进行反应烧结，在金属管材内壁形成致密陶瓷镀层。为低成本高效利用铁基废料，充分利用其中的？6、0、附、￥、111141203和3102物质， 利用铝热反应进行SHS离心制备“三明治”结构的金属管材。未见与本发明的相关的文献 报道
发明内容
本发明的目的在于提出一种用铁基废料制备SHS陶瓷内衬金属管材的方法，实现 对铁基废料的低成本高效利用。
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因铁基废料含有大量的Fe和少量的Cr、Ni、V、Mn等金属元素，以金属单质和金属 氧化物形态存在。金属氧化物与Al粉均能进行SHS铝热反应，在离心力的作用下在金属管 材形成铁合金层、Al2O3或Al203+Si02的陶瓷层，提高了金属管材耐磨性能和抗腐蚀性能。因 铁基废料中含有一定的Al2O3和SiO2，不仅提高粉末的流动性，而且增加金属管材内衬陶瓷 的厚度和表面质量。本发明一种用铁基废料制备SHS陶瓷内衬金属管材的方法，是以铁基废料和Al粉 为原料，将经处理的铁基废料与Al粉按比例配比、混勻装料，然后将物料在离心机上离心 点燃后在离心力的作用下进行SHS反应烧结，在金属管材内壁形成铁合金层和致密陶瓷镀 层。具体包括以下步骤1)将铁基废料进行200°C 500°C下烘烤排湿、除杂；2)进行80目 300目筛分、合批；3)合批后的粉末成分检测；4)与Al粉进行配比混合；5)将混好的原料加入金属管材均勻布料；6)启动制管机，进行SHS-离心法制备陶瓷镀层。所述步骤4)中，Al粉与铁基磨削废料质量比例为1 10 4 1。上述过程除Fe2O3与Al粉发生反应外，还发生以下铝热反应的一种或多种。2A1+Cr2O3 — 2Cr+Al2032Α1+3Ν 0 — 3Ni+Al20310A1+3V205 — 6V+5A12034Α1+3Μη02 — 3Mn+2Al203参与铝热反应的为铁基废料，所述铁基废料是钢铁冶金的副产物，包括轧辊磨削 料、冷(热)轧铁鳞，所述铁基废料的成分为Fe及其氧化物、Al203、Si02，以及以金属单质和 金属氧化物形态存在的Cr、Ni、V、Mn中的任一种或多种金属元素；所述A1203、SiO2可降低 SHS反应体系的熔点，提高流动性，增加金属管材陶瓷内衬厚度，提高陶瓷层表面质量在铝热反应过程中，Fe、Cr、Ni、V、Mn的2种或2种以上的金属会形成二元或多元 铁合金层，在离心力的作用下均勻分布于管材基体与陶瓷层之间，形成“三明治”结构，由内 到外依次为陶瓷层(1)、铁合金层(2)和金属管材基体层(3)。本发明优点是1.用价格低廉的铁基废料代替Fe2O3或其它陶瓷粉末，大大降低了原料成本，原料 来源广泛；2. Cr、Ni、V、Mn等氧化物与Al粉SHS反应，在陶瓷层内部形成Fe、Cr、Ni、V、Mn的
二元或多元合金，该合金增强了管材的强度、硬度、耐磨性。3.铁基废料还含有一定量的Al2O3和SiO2, SHS过程中可以吸收热量而被熔化，可 抑制温度过高，可防止金属管材变形；4. SiO2有利于降低Al2O3初晶相结晶温度，增加陶瓷熔体存在时间，促进气相逸 出，从而提高陶瓷层的质量.说明书附1是SHS陶瓷内衬金属管材径向截面，1为陶瓷层，2为铁合金层，3为金属管材基体层。图2是铁基废料的能谱图。图3是铁基废料的Al2O3和SiO2的X射线衍射图。
具体实施例方式实施例1 将含有Cr, Ni, V, Mn金属元素(见图2), Al2O3和SiO2的铁基废料(见图3)进行 200°C烘烤，除去水汽和杂质，筛分得到-80目粉末。与还原剂Al粉混合均勻，其质量比为 Al粉铁基废料为1 10。混合料均勻装入钢管内，固定在制管机上。启动离心机，当转 速达到800转/分时，用钨丝点燃混合料发生SHS离心反应烧结。在离心力作用下形成“三 明治”结构的钢管，由内到外依次为陶瓷层1、铁合金层2和钢管基体层3。钢管的压溃强度 为326MPa，硬度为1280kgf/mm2。钢管内衬分别在20% H2SO4,20% HCl和王水中加速腐蚀， 其失重分别为 0. 08g/m2 · d、0. 08g/m2 · d 和 0. 12g/m2 · d。实施例2 将含有Cr、Ni、V、Mn等金属元素(见图2), Al2O3和SiO2的铁基废料(见图3)进 行30(TC烘烤，除去水汽和杂质，筛分得到-120目粉末。与还原剂Al粉混合均勻，其质量比 为Al粉铁基废料为1 5。混合料均勻装入钢管内，固定在制管机上。启动离心机，当 转速达到1200转/分时，用钨丝点燃混合料发生SHS离心反应烧结。在离心力作用下形成 “三明治”结构的钢管，由内到外依次为陶瓷层1、铁合金层2和钢管基体层3。钢管的压溃 强度为315MPa，硬度为1380kgf/mm2。钢管内衬分别在20% H2SO4,20% HCl和王水中加速 腐蚀，其失重分别为 0. 06g/m2 · d、0. 04g/m2 · d 和 0. 10g/m2 · d。实施例3 将含有Cr、Ni、V、Mn等金属元素(见图2), Al2O3和SiO2的铁基废料(见图3)进 行40(TC烘烤，除去水汽和杂质，筛分得到-180目粉末。与还原剂Al粉混合均勻，其质量比 为Al粉铁基废料为1 1。混合料均勻装入钢管内，固定在制管机上。启动离心机，当 转速达到1400转/分时，用钨丝点燃混合料发生SHS离心反应烧结。在离心力作用下形成 “三明治”结构的钢管，由内到外依次为陶瓷层1、铁合金层2和钢管基体层3。钢管的压溃 强度为308MPa，硬度为1420kgf/mm2。钢管内衬分别在20% H2SO4,20% HCl和王水中加速 腐蚀，其失重分别为 0. 05g/m2 · d、0. 04g/m2 · d 和 0. 09g/m2 · d。实施例4 将含有Cr、Ni、V、Mn等金属元素(见图2)、A1203和SiO2的铁基废料(见图3)进 行50(TC烘烤，除去水汽和杂质，筛分得到-240目粉末。与还原剂Al粉混合均勻，其质量比 为Al粉铁基废料为2 1。混合料均勻装入钢管内，固定在制管机上。启动离心机，当 转速达到1600转/分时，用钨丝点燃混合料发生SHS离心反应烧结。在离心力作用下形成 “三明治”结构的钢管，由内到外依次为陶瓷层1、铁合金层2和钢管基体层3。钢管的压溃 强度为300MPa，硬度为1510kgf/mm2。钢管内衬分别在20% H2SO4,20% HCl和王水中加速 腐蚀，其失重分别为 0. 04g/m2 · d、0. 03g/m2 · d 和 0. 07g/m2 · d。实施例5 将含有Cr、Ni、V、Mn等金属元素(见图2)、A1203和SiO2的铁基废料(见图3)进行30(TC烘烤，除去水汽和杂质，筛分得到-300目粉末。与还原剂Al粉混合均勻，其质量比 为Al粉铁基废料为4 1。混合料均勻装入钢管内，固定在制管机上。启动离心机，当 转速达到1300转/分时，用钨丝点燃混合料发生SHS离心反应烧结。在离心力作用下形成 “三明治”结构的钢管，由内到外依次为陶瓷层1、铁合金层2和钢管基体层3。钢管的压溃 强度为290MPa，硬度为1600kgf/mm2。钢管内衬分别在20% H2SO4,20% HCl和王水中加速 腐蚀，其失重分别为 0. 03g/m2 · d、0. 02g/m2 · d 和 0. 05g/m2 · d。实施例6 将含有Cr、Ni、V、Mn等金属元素(见图2), Al2O3和SiO2的铁基废料(见图3)进 行40(TC烘烤，除去水汽和杂质，筛分得到-180目粉末。与还原剂Al粉混合均勻，其质量比 为Al粉铁基废料为1 1。混合料均勻装入铜管内，固定在制管机上。启动离心机，当 转速达到1400转/分时，用钨丝点燃混合料发生SHS离心反应烧结。在离心力作用下形成 “三明治”结构的铜管，由内到外依次为陶瓷层1、铁合金层2和钢管基体层3。铜管的压溃 强度为276MPa，硬度为1390kgf/mm2。钢管内衬分别在20% H2SO4,20% HCl和王水中加速 腐蚀，其失重分别为 0. 04g/m2 · d、0. 03g/m2 · d 和 0. 02g/m2 · d。实施例7 将含有Cr、Ni、V、Mn等金属元素(见图2)、A1203和SiO2的铁基废料(见图3)进 行40(TC烘烤，除去水汽和杂质，筛分得到-200目粉末。与还原剂Al粉混合均勻，其质量比 为Al粉铁基废料为2 1。混合料均勻装入不锈管内，固定在制管机上。启动离心机，当 转速达到1100转/分时，用钨丝点燃混合料发生SHS离心反应烧结。在离心力作用下形成 “三明治”结构的钢管，由内到外依次为陶瓷层1、铁合金层2和钢管基体层3。不锈钢管的 压溃强度为312MPa，硬度为1360kgf/mm2。钢管内衬分别在20% H2SO4,20% HCl和王水中 加速腐蚀，其失重分别为0. 03g/m2 · d、0. 02g/m2 · d和0. 01g/m2 · d。
权利要求
一种用铁基废料制备SHS陶瓷内衬金属管材的方法，其特征在于以铁基废料和Al粉为原料，将经处理的铁基废料与Al粉按比例配比、混匀装料，然后将物料在离心机上离心点燃后在离心力的作用下进行SHS反应烧结，在金属管材内壁形成铁合金层和致密陶瓷镀层。
2.根据权利要求1所述的用铁基废料制备SHS陶瓷内衬金属管材的方法，其特征在于 所述的用铁基废料制备SHS陶瓷内衬金属管材的方法，包括以下步骤1)将铁基废料进行200°C 500°C下烘烤排湿、除杂；2)进行80目 300目筛分、合批；3)合批后的粉末成分检测；4)与Al粉进行配比混合均勻；5)将混合均勻的原料加入金属管材均勻布料；6)启动制管机，进行SHS-离心法制备陶瓷镀层。
3.根据权利要求2所述的用铁基废料制备SHS陶瓷内衬金属管材的方法，其特征在于 所述步骤4)中，Al粉与铁基磨削废料质量比例为1 10 4 1。
4.根据权利要求2所述的用铁基废料制备SHS陶瓷内衬金属管材的方法，其特征在于 参与铝热反应的为铁基废料，所述的用铁基废料制备的SHS陶瓷内衬金属管材具有“三明 治”结构特征，由内到外依次为陶瓷层(1)、铁合金层(2)和金属管材基体层(3)。
5.根据权利要求1 4中任一项所述的用铁基废料制备SHS陶瓷内衬金属管材的方 法，其特征在于所述铁基废料是钢铁冶金的副产物，包括轧辊磨削料、冷(热)轧铁鳞，所 述铁基废料的成分为Fe及其氧化物、Al203、Si02，以及以金属单质和金属氧化物形态存在的 Cr, Ni, V,Mn中的任一种或多种金属元素；所述A1203、SiO2可降低SHS反应体系的熔点，提 高流动性，增加金属管材陶瓷内衬厚度，提高陶瓷层(1)表面质量。
全文摘要
本发明涉及用铁基废料制备SHS陶瓷内衬金属管材的方法，公开一种耐腐蚀、耐磨陶瓷内衬金属管材的制造方法。本发明的技术方案是经处理的铁基废料与Al粉配比、混料、SHS离心法铝热反应烧结，在离心力的作用下于金属管材内壁形成铁合金层和陶瓷层，制备金属管材具有“三明治”结构特征，由内到外依次为陶瓷层1、铁合金层2和金属管材基体层3。本发明不仅解决了现有陶瓷内衬金属管材制造成本过高、陶瓷表面质量缺陷，而且提高了管材的耐磨和耐腐蚀性能。本发明制备的金属管材可广泛用于冶金、矿山、电力、煤炭等行业的粉料、泥浆、尾矿输送。
文档编号B22F3/23GK101898246SQ201010230229
公开日2010年12月1日 申请日期2010年7月19日 优先权日2010年7月19日
发明者刘波, 张深根, 李彬, 潘德安, 田建军 申请人:北京科技大学