一种基于Al2O3-SiO2-ZrO2体系陶瓷内衬的钢管及其制备方法与流程

【技术领域】

本发明属于管道运输材料领域，具体涉及一种基于al2o3-sio2-zro2体系陶瓷内衬的钢管及其制备方法。

背景技术：

基于自蔓延高温合成技术的陶瓷内衬复合钢管凭借其优异的耐磨损及耐腐蚀性能，被广泛应用于石油、化工、冶金等行业。

高温自蔓延技术的基本原理是依靠铝热反应生成熔融金属及陶瓷，依靠两者密度差在重力或离心力作用下分层凝固最终形成陶瓷内衬复合管；然而以单一铝热剂制备的复合管复层致密度低、韧性差，在运输、安装过程中极易发生破碎和崩落现象；现多见添加剂对复层致密度研究成果发表：研究发现适量cro3、ni、sio2的加入均有利于提高复层致密度，当分别加入7wt％cro3、18wt％ni时陶瓷层致密度为96％、96.5％，但同时也降低陶瓷材料强度；2wt％sio2加入对复层强度影响最小，且可提高复层致密度至88％，比单一al2o3复层提高10％以上，但未见复层韧性研究成果的表述；近年来复层增韧成为研究热点：zro2具有熔点高、硬度大且可由四方相转变为单斜相，可使复层韧性增加。6wt％zro2可提高陶瓷层断裂韧性达5.74mpa·m^1/2[10]，较单一al2o3(断裂韧性4.5mpa·m^1/2)提高有限，加入20wt％zro2可提高陶瓷层断裂韧性达15.23mpa·m^1/2[11]，比单一al2o3提高338％，但制备成本增加、陶瓷层硬度降低。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于al2o3-sio2-zro2体系陶瓷内衬的钢管及其制备方法，该方法弥补了现阶段二元体系的复层增韧程度有限，成本较高，且增韧后陶瓷层硬度偏低的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于al2o3-sio2-zro2体系陶瓷内衬的钢管的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，称量并混合铝热剂和添加剂，形成粉料；所述添加剂为sio2与zro2。

步骤2，去除粉料中的铝粉，将剩余的粉料烘干；

步骤3，将铝粉及其他烘干后的粉料球磨混合；

步骤4，将球磨后的粉料1.3g/cm³～1.9g/cm³填充进钢管内；

步骤5，在填充有粉料的钢管内铺设镁粉，引燃后至火自然熄灭，在钢管的内部形成al2o3-sio2-zro2填充层。

本发明的进一步改进在于：

优选的，步骤1中，铝热剂在粉料中的质量占比为88％～96％，sio2与zro2在粉料中的质量占比均为2％～6％。

优选的，步骤1中，铝热剂中铝粉与三氧化二铁质量比为2:5。

优选的，步骤2中，烘干温度为120℃，烘干时间为3h。

优选的，步骤4，球磨时间为12～24小时，

优选的，步骤3，球磨过程中抽真空处理。

一种通过上述任意一项所述的制备方法制得的基于al2o3-sio2-zro2体系陶瓷内衬的钢管，所述钢管的管壁由外向内包括基体层、过渡层和陶瓷层。

优选的，所述基体层为钢管本身、过渡层为还原铁，陶瓷层为al2o3。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种基于al2o3-sio2-zro2体系陶瓷内衬的钢管的制备方法，制备过程中在在单一铝热剂的基础上使用sio2与zro2两种材料作为添加剂，以达到制备一种高致密度和断裂韧性陶瓷内衬复合管。制备过程中，首先称量并混合铝热剂和添加剂，烘干去除粉料中的水分，通过球磨将粉料混合均匀，铺入钢管内后通过燃烧，在钢管内部形成填充层，本发明提供了一种由zro2和sio2按照一定质量比配置而成的添加剂，添加剂总量占粉料总质量的10％～15％；所选粉料经烘干、混合、填充并点燃后发生高温自蔓延反应合成陶瓷内衬复合钢管。本发明制备复合层时添加二氧化硅和氧化锆，氧化锆具有增韧特点，氧化硅并不具备，但氧化硅可增加陶瓷层致密度，降低孔隙率，有助于增加材料整体性能，对韧性增加也有帮助。

进一步的，本发明使用的sio2与zro2添加量均在2％～6％之间，较少的添加剂含量可以降低复合管制造成本。

本发明还公开了一种基于al2o3-sio2-zro2体系陶瓷内衬的钢管，该钢管的材质为复合钢管，钢管的管壁由外向内包括基体层、过渡层和陶瓷层。基体层为钢管本身、过渡层为还原铁，陶瓷层为al2o3。由单一铝热剂制备陶瓷内衬致密度且断裂韧性差；该钢管添加sio2可增加陶瓷层的致密度，zro2可提高其断裂韧性；在利用sio2增加陶瓷层致密度的基础上加入zro2。zro2的加入可以起到增加陶瓷层断裂韧性的效果，提高复合管工程应用寿命。

【附图说明】

图1为本发明陶瓷内衬复合钢管的结构示意图；

图2为本发明陶瓷内衬复合钢管界面结构微观照片；

图3为本发明未使用添加剂前陶瓷内衬复合钢管陶瓷层组织；

图4为本发明使用添加剂后陶瓷内衬复合钢管陶瓷层组织；

图5为本发明使用添加剂后陶瓷内衬复合钢管陶瓷层硬度压痕识别结果。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明公开了一种基于al2o3-sio2-zro2体系陶瓷内衬的钢管及其制备方法，具体的制备过程为：

s1：管道预处理，将待处理的钢管进行除油和除锈处理；

s2：配置粉料：称量并混合铝热剂与添加剂；所述粉料包括铝热剂和添加剂，所述添加剂为sio2与zro2；其中，铝热剂在粉料中的质量比为88％～96％，sio2与zro2添加量均为2％～6％；铝热剂中铝粉与三氧化二铁质量比为2:5。

s3：粉料烘干：所有粉料除去铝粉外均在恒温干燥箱内烘干，烘干温度为120℃，烘干时间为3h。。

s4：粉料混合：所有将铝粉以及其他烘干后的粉料在球磨机中混合12～24小时，球磨机内需要抽真空。

s5：粉料填充：将混合均匀后的粉料按照1.3g/cm³～1.9g/cm³填充进管道内。

s6：引燃：在填充好的管道顶部平铺适量镁粉，明火引燃，引燃反应后，反应结束并冷却后形成最终产物。镁粉的铺设量只需保证覆盖住内部的粉料即可，无需太厚，一般为2-3mm即可满足需求，只要能引燃镁粉后，其释放的热量就足以引发自蔓延反应，等自蔓延反应开始后，就不需要再提供外加热源，反应就可以自行发生，直至结束。

sio2的引入可以较大程度增加陶瓷层致密度；zro2有助于增加陶瓷层断裂韧性。本发明中的添加有两种添加剂，现有技术中有单独添加氧化硅与氧化锆制备复合管，或添加氧化硅、氧化锆及其他添加剂制备复合管，但仅所述氧化锆与氧化硅两种添加剂制备复合管方法；本发明氧化锆具有增韧特点，氧化硅并不具备，但氧化硅可增加陶瓷层致密度，降低孔隙率，有助于增加材料整体性能，对韧性增加也有帮助，但仅仅添加氧化锆，其增韧效果不如发明所述效果；

实施例1

s1：管道预处理，将待处理的钢管进行除油和除锈处理；

s2：配置粉料：称量并混合铝热剂与添加剂；所述粉料包括铝热剂和添加剂，所述添加剂为sio2与zro2；其中，铝热剂在粉料中的质量比为90％，sio2与zro2添加量均为5％；铝热剂中铝粉与三氧化二铁质量比为2:5。

s3：粉料烘干：所有粉料除去铝粉外均在恒温干燥箱内烘干，烘干温度为120℃，烘干时间为3h.

s4：粉料混合：将铝粉以及其他烘干后的粉料在球磨机中混合18小时，球磨机内需要抽真空。

s5：粉料填充：将混合均匀后的粉料按照1.5g/cm³填充进管道内。

s6：引燃：在填充好的管道顶部平铺适量镁粉，明火引燃，引燃反应后，反应结束并冷却后形成最终产物。

参见图1，为本实施例制备出的陶瓷内衬复合钢管的结构示意图，其中制备如图1所示的内层为al2o3-sio2-zro2体系陶瓷内衬，外层为钢管基体。

图2为陶瓷内衬复合钢管界面结构微观照片，从图中可以看出复合管由管钢基体-过渡层-陶瓷层三层构成，过渡层是由密度较大的还原fe液随冷却过程率先凝固在钢管内壁，液态al2o3附着于还原铁液上形成陶瓷层，界面凸凹不平，管内壁、过渡层、陶瓷层相互间嵌合，符合机械啮合机制。图4为添加zro2后复合管陶瓷层显微组织，相较于仅添加sio2显微组织(见图3)，陶瓷层晶界平滑组织均匀且缺陷较少。陶瓷层硬度压痕识别结果如图5所示，陶瓷层显微硬度与与断裂韧性关系如下：

kic＝0.004985·(e/hv)^1/2·(p/c^3/2)

式中kic为陶瓷层断裂韧性，单位为mpa·m1/2；e为陶瓷层杨氏模量，本文取350gpa；p为硬度测量时所施加的载荷，单位为n；c为也很裂纹长度，单位为mm；hv为陶瓷层硬度，单位为gpa。

本实施例中裂纹长度c为0.006237mm，将各项数据代入公式后求的陶瓷层断裂韧性为10.275mpa·m^1/2，较未加入zro2前(6.25mpa·m^1/2)增加64.4％。

实施例2

s1：管道预处理，将待处理的钢管进行除油和除锈处理；

s2：配置粉料：称量并混合铝热剂与添加剂；所述粉料包括铝热剂和添加剂，所述添加剂为sio2与zro2；其中，铝热剂在粉料中的质量比为92％，sio2的添加量为3％，zro2的添加量为5％；铝热剂中铝粉与三氧化二铁质量比为2:5。

s3：粉料烘干：所有粉料除去铝粉外均在恒温干燥箱内烘干，烘干温度为120℃，烘干时间为3h.

s4：粉料混合：将铝粉以及其他烘干后的粉料在球磨机中混合20小时，球磨机内需要抽真空。

s5：粉料填充：将混合均匀后的粉料按照1.9g/cm³填充进管道内。

s6：引燃：在填充好的管道顶部平铺适量镁粉，明火引燃，引燃反应后，反应结束并冷却后形成最终产物复合管。

实施例3

s1：管道预处理，将待处理的钢管进行除油和除锈处理；

s2：配置粉料：称量并混合铝热剂与添加剂；所述粉料包括铝热剂和添加剂，所述添加剂为sio2与zro2；其中，铝热剂在粉料中的质量比为95％，sio2的添加量为3％，zro2的添加量为3％；铝热剂中铝粉与三氧化二铁质量比为2:5。

s3：粉料烘干：所有粉料除去铝粉外均在恒温干燥箱内烘干，烘干温度为120℃，烘干时间为3h.

s4：粉料混合：将铝粉以及其他烘干后的粉料在球磨机中混合12小时，球磨机内需要抽真空。

s5：粉料填充：将混合均匀后的粉料按照1.3g/cm³填充进管道内。

s6：引燃：在填充好的管道顶部平铺适量镁粉，明火引燃，引燃反应后，反应结束并冷却后形成最终产物复合管。

实施例4

s1：管道预处理，将待处理的钢管进行除油和除锈处理；

s2：配置粉料：称量并混合铝热剂与添加剂；所述粉料包括铝热剂和添加剂，所述添加剂为sio2与zro2；其中，铝热剂在粉料中的质量比为94％，sio2的添加量为3％，zro2的添加量为3％；铝热剂中铝粉与三氧化二铁质量比为2:5。

s3：粉料烘干：所有粉料除去铝粉外均在恒温干燥箱内烘干，烘干温度为120℃，烘干时间为3h.

s4：粉料混合：将铝粉以及其他烘干后的粉料在球磨机中混合24小时，球磨机内需要抽真空。

s5：粉料填充：将混合均匀后的粉料按照1.4g/cm³填充进管道内。

s6：引燃：在填充好的管道顶部平铺适量镁粉，明火引燃，引燃反应后，反应结束并冷却后形成最终产物复合管。

实施例5

s1：管道预处理，将待处理的钢管进行除油和除锈处理；

s2：配置粉料：称量并混合铝热剂与添加剂；所述粉料包括铝热剂和添加剂，所述添加剂为sio2与zro2；其中，铝热剂在粉料中的质量比为93％，sio2的添加量为5％，zro2的添加量为2％；铝热剂中铝粉与三氧化二铁质量比为2:5。

s3：粉料烘干：所有粉料除去铝粉外均在恒温干燥箱内烘干，烘干温度为120℃，烘干时间为3h.

s4：粉料混合：所有粉料在球磨机中混合13小时，球磨机内需要抽真空。

s5：粉料填充：将混合均匀后的粉料按照1.5g/cm³填充进管道内。

s6：引燃：在填充好的管道顶部平铺适量镁粉，明火引燃，引燃反应后，反应结束并冷却后形成最终产物复合管。

实施例6

s1：管道预处理，将待处理的钢管进行除油和除锈处理；

s2：配置粉料：称量并混合铝热剂与添加剂；所述粉料包括铝热剂和添加剂，所述添加剂为sio2与zro2；其中，铝热剂在粉料中的质量比为96％，sio2的添加量为2％，zro2的添加量为2％；铝热剂中铝粉与三氧化二铁质量比为2:5。

s3：粉料烘干：将铝粉以及其他烘干后的粉料除去铝粉外均在恒温干燥箱内烘干，烘干温度为120℃，烘干时间为3h.

s4：粉料混合：所有粉料在球磨机中混合15小时，球磨机内需要抽真空。

s5：粉料填充：将混合均匀后的粉料按照1.6g/cm³填充进管道内。

s6：引燃：在填充好的管道顶部平铺适量镁粉，明火引燃，引燃反应后，反应结束并冷却后形成最终产物复合管。

实施例7

s1：管道预处理，将待处理的钢管进行除油和除锈处理；

s2：配置粉料：称量并混合铝热剂与添加剂；所述粉料包括铝热剂和添加剂，所述添加剂为sio2与zro2；其中，铝热剂在粉料中的质量比为88％，sio2的添加量为6％，zro2的添加量为6％；铝热剂中铝粉与三氧化二铁质量比为2:5。

s3：粉料烘干：将铝粉以及其他烘干后的粉料除去铝粉外均在恒温干燥箱内烘干，烘干温度为120℃，烘干时间为3h.

s4：粉料混合：所有粉料在球磨机中混合22小时，球磨机内需要抽真空。

s5：粉料填充：将混合均匀后的粉料按照1.7g/cm³填充进管道内。

s6：引燃：在填充好的管道顶部平铺适量镁粉，明火引燃，引燃反应后，反应结束并冷却后形成最终产物复合管。

实施例8

s1：管道预处理，将待处理的钢管进行除油和除锈处理；

s2：配置粉料：称量并混合铝热剂与添加剂；所述粉料包括铝热剂和添加剂，所述添加剂为sio2与zro2；其中，铝热剂在粉料中的质量比为89％，sio2的添加量为5％，zro2的添加量为6％；铝热剂中铝粉与三氧化二铁质量比为2:5。

s3：粉料烘干：所有粉料除去铝粉外均在恒温干燥箱内烘干，烘干温度为120℃，烘干时间为3h.

s4：粉料混合：将铝粉以及其他烘干后的粉料在球磨机中混合14小时，球磨机内需要抽真空。

s5：粉料填充：将混合均匀后的粉料按照1.8/g/cm³填充进管道内。

s6：引燃：在填充好的管道顶部平铺适量镁粉，明火引燃，引燃反应后，反应结束并冷却后形成最终产物复合管。

实施例9

s1：管道预处理，将待处理的钢管进行除油和除锈处理；

s2：配置粉料：称量并混合铝热剂与添加剂；所述粉料包括铝热剂和添加剂，所述添加剂为sio2与zro2；其中，铝热剂在粉料中的质量比为90.5％，sio2的添加量为3.5％，zro2的添加量为6％；铝热剂中铝粉与三氧化二铁质量比为2:5。

s3：粉料烘干：将铝粉以及其他烘干后的粉料除去铝粉外均在恒温干燥箱内烘干，烘干温度为120℃，烘干时间为3h.

s4：粉料混合：所有粉料在球磨机中混合16小时，球磨机内需要抽真空。

s5：粉料填充：将混合均匀后的粉料按照1.5g/cm³填充进管道内。

s6：引燃：在填充好的管道顶部平铺适量镁粉，明火引燃，引燃反应后，反应结束并冷却后形成最终产物复合管。

实施例10

s1：管道预处理，将待处理的钢管进行除油和除锈处理；

s2：配置粉料：称量并混合铝热剂与添加剂；所述粉料包括铝热剂和添加剂，所述添加剂为sio2与zro2；其中，铝热剂在粉料中的质量比为93.5％，sio2的添加量为4％，zro2的添加量为2.5％；铝热剂中铝粉与三氧化二铁质量比为2:5。

s3：粉料烘干：所有粉料除去铝粉外均在恒温干燥箱内烘干，烘干温度为120℃，烘干时间为3h.

s4：粉料混合：将铝粉以及其他烘干后的粉料在球磨机中混合23小时，球磨机内需要抽真空。

s5：粉料填充：将混合均匀后的粉料按照1.6g/cm³填充进管道内。

s6：引燃：在填充好的管道顶部平铺适量镁粉，明火引燃，引燃反应后，反应结束并冷却后形成最终产物复合管。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。