陶瓷复合钢管 

一、概 述

    陶瓷复合钢管是国家"八六三"高科技技术计划中研制成功并率先产业化的具有国际先进水平的新型复合材料。产品采用自蔓延高温合成法（SHS）制造，利用铝热反应自身放热熔融反应物，在离心力作用下使Al2O3和Fe的分离原理，复合管从内而外分别是刚玉陶瓷（AL2O3）层、过渡层和钢管层。刚玉陶瓷层是在 2200 ℃以上高温形成的致密的钢玉陶瓷通过过渡层同钢管形成牢固的冶金结合，具有良好的耐蚀、耐磨及高强度、韧性，较强抗机械冲击和抗热冲击的综合性能。且能进行车削，磨削和焊接等加工。到目前为止，没有任何一种复合材料具有这种优异综合性能。

　　该产品于九四年分别通过了冶金部和电力部的成果和产品鉴定（冶金部 93 冶科成鉴字 372 号、电力部 94 电产鉴字 30 号）。是国家" 863 "高技术新材料专家委员会重点支持和推广项目，并被国家科委列入九五年国家级火炬计划。

　陶瓷钢铁复合管已广泛用于电力、钢铁、冶金、矿山、煤炭、水泥和铸铝业，经电厂煤粉、灰渣和矿山尾矿、铁矿粉输送、矿井回填等使用表明，其寿命比普通钢管高10倍以上。 

二.生产工艺

陶瓷钢铁复合管是采用自蔓延高温合成―离心法制造的。即将无缝钢管放在离心机的管模内，在钢管内加入氧化铁粉和铝粉混合物，这种混合物在化学中称为铝热剂。离心机管模旋转达到一定速度后，经一火星点燃铝热剂，铝热剂立即自己燃烧，燃烧波迅速蔓延，在蔓延时发生如下剧烈的化学反应：

　　2Al+Fe2O3=Al2O3+2Fe+836KJ

　　3Fe3O4+8Al=4Al2O3+9Fe+3265KJ

　　铝热剂反应后生成物为稳定型α-Al2O3（即刚玉）和铁，同时放出大量热量。这些热量如在绝热条件下，绝热温度可达到3753K和3509K，它使钢管内原来物料以及反应后的生成物，即是熔点为2045℃的刚玉也都变成熔液。由于反应非常迅速，只有数秒钟，熔融反应物在离心力作用下。迅速按比重大小进行分离。铁的比重（7.85g/㎝3）为Al2O3 比重（3.95g/㎝3）两倍，较重的铁被离心力甩到钢管内壁，较轻的Al2O3则分布在铁层的内层。由于钢管迅速吸热和传热，Al2O3 和Fe 很快达到凝固点，分层凝固。最后形成的陶瓷钢管从内到外分别为刚玉瓷层，以铁为主的过渡层，以及外部的钢管层。高温熔融的铁液和Al2O3液，与钢管内壁接触，使钢管内壁处于半熔融状态，使铁层与钢管形成冶金结合，铁层与刚玉瓷层间也形成牢固的机械结合，其结合压剪强度（即在轴向把陶瓷层压出时强度）≥15MPa；陶瓷钢管压溃强度（即从管外把管内陶瓷压碎时的强度）≥50MPa。

三、特 点

    1、耐磨性好。

　　2、运行阻力小。

　　3、工程造价低；陶瓷内衬复合钢管因重量轻，使用寿命提高，从而使支吊架费用，搬运费用减少，平均投资下降。陶瓷复合管的工程总造价与铸石管相当，与耐磨钢管相比工程造价下降20—30％。

　　4、耐腐蚀、防结垢。

　　5、耐温性能好：陶瓷内衬复合钢管能在－50～900℃温度范围内长期正常运行，材料线膨胀系数6～8×10－6℃。

　　6、安装施工方便：产品重量轻，与同内径的其他管材相比，可节约钢材20～30％，且具有耐热与耐机械冲击等良好的综合性能，可采用焊接、法兰快速等联接方式，施工安装方便，可减少安装费用。

三、性 能

与传统生产工艺截然不同，采用自蔓延离心法技术生产的陶瓷钢管具有独特的组织结构。独特的组织机构又决定了它的优良的综合性能。它不但抗磨损，有高的硬度和强度，而且具有良好的抗机械冲击和热冲击的综合性能。

陶瓷钢管与传统的钢管、耐磨合金铸钢管、铸石管以及钢塑、钢橡管等有着本质性区别。陶瓷钢管外层是钢管，内层是刚玉。刚玉层硬度高达HV1100-1400,相当于钨钴硬质合金，耐磨性比碳钢管高20倍以上，它比通常粘接而成的刚玉砂轮性能优越得多。现在刚玉砂轮仍是各种磨床磨削淬火钢主要砂轮。陶瓷钢管中刚玉层可把刚玉砂轮磨损掉。陶瓷钢管抗磨损主要是靠内层几毫米厚的刚玉层，刚玉莫氏硬度为9，仅次于金刚石和碳化硅，在所有氧化物中，它的硬度是最高的。而铸石管成份中只有15%左右为刚玉，大部分为Sio2, Sio2莫氏硬度为7。高铬或稀土耐磨合金管，维氏硬度400左右，不足刚玉硬度的三分之一。所以耐磨合金铸钢管、铸石管抗磨既靠成份和组织，又靠厚度、陶瓷钢管抗磨能力与它们相比，有了质的飞跃。

陶瓷钢管中刚玉熔点为2045℃，刚玉层与钢层由于工艺原因结构特殊，应力场也特殊。在常温下陶瓷层受到压应力，钢层受到拉应力，二者对立统一成一个平衡的整体。只有温度升高到400℃以上，由于二者热膨胀系数不一样，热膨胀产生的新应力场才使陶瓷钢管中原来存在的应力场相互抵消，使陶瓷层与钢铁层两者处于自由平衡状态。当温度升高到800℃，它是复合时母管达到的最高温度，把陶瓷钢管放入冷水内，反复多次，陶瓷层也不裂缝或崩裂，表现出普通陶瓷无可比拟的抗热冲击性能。这一性能在工程施工中大有用处。由于外层是钢铁，加之内层升温也不崩裂，在施工中，对法兰、仪表口、吹扫口、防爆门等能进行焊接，也可用直接焊接方法进行管道连接。还能用等离子切割机进行现场切割，这比耐磨合金铸钢管、铸石管和钢塑、钢橡管在施工中不易、不能焊接和切割更胜一筹。通常硬度高的物质都比较脆，它在磨损中破坏通常不是被磨耗掉，而是脆性破裂，直至失效。刚玉本身也是硬而脆的，但它和钢形成复合管后，具有内硬外韧，硬而不脆，具有良好的抗机械冲击性能。在运输、安装、敲打以及两支架间自重弯曲变形时，刚玉层均不破裂脱落。流体管道输送已遍及电力、冶金、煤炭、石油、化工、建材、机械等行业，并高速地发展着。当管道内输送磨削性大的物料时（如灰渣、炉渣、煤粉、矿精粉、尾矿、水泥等），都存在一个管道磨损快的问题。特别是弯管磨损更快。当管道内输送磨削和腐蚀性物料，都存在管道被磨蚀而很快破坏的问题。当管道内输送具有较高温度的物料时，存在着使用耐热钢管价格十分昂贵的问题。自陶瓷钢管上市后，这些问题均迎刃而解。陶瓷钢管广泛用于磨损严重的矿山充填料、矿精粉和尾矿运送，钢铁企业的水淬炉渣、高炉喷煤、炼钢赤泥、烧结白灰、除尘管道，燃煤火电厂送粉、除渣、除硫、除尘等管道，水泥行业的生料、熟料、水泥、煤粉、收尘等输送管道最合适。陶瓷钢管也是输送磨蚀兼需物料的理想管道。

四、具体性能参数

   陶瓷层含AL2O390%以上，耐酸度96-98%，同高刚玉瓷耐酸度相同。耐蚀性比不锈钢高十倍，耐磨性相当于钨钴硬质合金，比钢高十几倍，可在900℃以下长期工作。性能参数可见表1-7。

表1、陶瓷钢管的物理机械性能

硬度HVKgf/mm2

压溃强度

① MPa

比重

g /cm3

抗抗剪切强度②MPa

绝对粗造度 mm

线膨胀系数③×10-6K-1

陶瓷钢管

1100-1400

350-400

4.6-4.7

含过渡层

15

Dn≤150为0.35

Dn>150为0.12

8.5-9

20#碳钢管

149

411

7.85

Hfgh

新的0.05-0.1

旧的0.4-0.6

14-15

注：①无缝钢管厚8㎜，陶瓷层和过渡层总厚度2.5～3.5㎜,从管外把管内MPa陶瓷压碎时的强度。

②在陶瓷钢管轴向把陶瓷层从无缝钢管内压出时的强度。

③温度范围-30～500℃。

表2、输送铁矿精粉耐磨对比试验

材 料

时 间

表面磨损程度㎜

平均年磨损率 ㎜/a

平均年磨损率比值

陶瓷钢管

2002年4月～2005年4月

0.12

0.04

20#碳钢管÷陶瓷钢管=175

20#钢管

2002年4月～2005年4月

翻身一次

换管一次

7

注：①该矿重选车间管道，矿石粒度<2㎜，重量浓度30%

　　②陶瓷钢管外径φ245，厚8㎜，陶瓷层厚4㎜，20#碳钢管厚9㎜

　③此对比试验目前仍在继续进行，比值175只是根据三年年实践的推算数据

表3、火电厂送粉管路不同材质弯管对比试验

材 料

规 格

工 况

使用情况

20#碳钢管

DN350×10

10万KW机组，使用

煤碳灰份达45%，每

管每小送粉42吨。

1个月磨穿

高铬合金铸钢管

DN350×25

11个月磨穿

夹套式铸石管

DN350×55

23个月磨穿

陶瓷钢管

DN350×15

已用24个月只磨掉0.2㎜

表4、火电厂气力除灰管路不同材质弯管对比试验

材 料

规 格

工 况

使用情况

20#碳钢管

DN150×10

气力输送干灰，74吨/时，

流速20m/s ,浓度28%，

位置在进灰库拐弯处。

3个月磨穿

高铬合金铸钢管

DN150×20

5个月磨穿

夹套式铸石管

DN150×50

使用12个月磨穿

陶瓷钢管

DN150×11.5

使用12个月磨损掉0.15㎜

表5：陶瓷内衬复合钢管耐腐蚀性能（按不锈钢测试标准）

材料

10%HCL

(g/m2·h)

10%H2SO4

(g/m2/h)

30%醋酸

(g/m2/h)

30%NaOH

(g/m2/h)

不锈钢1Cr18Ni9Ti

0.1-1

3-4

0.1

0.1

陶瓷内衬复合钢管

0.08-0.1

0.147

0.028

0

表6： 陶瓷内衬复合钢管耐酸度（按耐酸陶瓷标准）

材料

10%HCL

(g/m2·h)

10%H2SO4

(g/m2/h)

30%醋酸

(g/m2/h)

30%NaOH

(g/m2/h)

不锈钢1Cr18Ni9Ti

0.1-1

3-4

0.1

0.1

陶瓷内衬复合钢管

0.08-0.1

0.147

0.028

0

陶瓷内衬复合钢管耐酸度（按耐酸陶瓷标准）

材 　　料

10%HCL+10%H2+10%HNO3在90℃加热5小时

耐酸陶瓷

80%

陶瓷内衬复合钢管

96-98%

表7： 陶瓷内衬复合钢管的耐磨性

喷砂对比试验（siC砂）

30%siO2泥浆冲刷对比试验

材料

体积减少

材料

体积减少

97%氧化铝管

0.0025

45号铜

25

陶瓷内衬复合钢管

0.0022

陶瓷内衬复合钢管

3

五、常规管件：

(1)常规直管

(2)弯头：22．5° 、45°、60°、90° 、180° 以及其它角度。

(3)三通：等径正Y型、斜Y型、异型等三通。

(4)四通：等径、异径等四通。

(5异径管：大小头，各种管径。

具体规格可以根据客户需求定制。