一、概 述
陶瓷耐磨彎頭是國家"八六三"高科技技術計劃中研制成功并率先產業化的具有國際先進水平的新型復合材料。產品采用自蔓延高溫合成法（SHS）制造，利用鋁熱反應自身放熱熔融反應物，在離心力作用下使Al2O3和Fe的分離原理，復合管從內而外分別是剛玉陶瓷（AL2O3）層、過渡層和鋼管層。剛玉陶瓷層是在 2200 ℃以上高溫形成的致密的鋼玉陶瓷通過過渡層同鋼管形成牢固的冶金結合，具有良好的耐蝕、耐磨及高強度、韌性，較強抗機械沖擊和抗熱沖擊的綜合性能。且能進行車削，磨削和焊接等加工。到目前為止，沒有任何一種復合材料具有這種優異綜合性能。
該產品于九四年分別通過了冶金部和電力部的成果和產品鑒定（冶金部 93 冶科成鑒字 372 號、電力部 94 電產鑒字 30 號）。是國家" 863 "高技術新材料專家委員會重點支持和推廣項目，并被國家科委列入九五年國家級火炬計劃。
陶瓷鋼鐵復合管已廣泛用于電力、鋼鐵、冶金、礦山、煤炭、水泥和鑄鋁業，經電廠煤粉、灰渣和礦山尾礦、鐵礦粉輸送、礦井回填等使用表明，其壽命比普通鋼管高10倍以上。
二.生產工藝
陶瓷耐磨彎頭是采用自蔓延高溫合成―離心法制造的。即將無縫鋼管放在離心機的管模內，在鋼管內加入氧化鐵粉和鋁粉混合物，這種混合物在化學中稱為鋁熱劑。離心機管模旋轉達到一定速度后，經一火星點燃鋁熱劑，鋁熱劑立即自己燃燒，燃燒波迅速蔓延，在蔓延時發生如下劇烈的化學反應：
2Al+Fe2O3=Al2O3+2Fe+836KJ
3Fe3O4+8Al=4Al2O3+9Fe+3265KJ
鋁熱劑反應后生成物為穩定型α-Al2O3（即剛玉）和鐵，同時放出大量熱量。這些熱量如在絕熱條件下，絕熱溫度可達到3753K和3509K，它使鋼管內原來物料以及反應后的生成物，即是熔點為2045℃的剛玉也都變成熔液。由于反應非常迅速，只有數秒鐘，熔融反應物在離心力作用下。迅速按比重大小進行分離。鐵的比重（7.85g/㎝3）為Al2O3 比重（3.95g/㎝3）兩倍，較重的鐵被離心力甩到鋼管內壁，較輕的Al2O3則分布在鐵層的內層。由于鋼管迅速吸熱和傳熱，Al2O3 和Fe 很快達到凝固點，分層凝固。最后形成的陶瓷鋼管從內到外分別為剛玉瓷層，以鐵為主的過渡層，以及外部的鋼管層。高溫熔融的鐵液和Al2O3液，與鋼管內壁接觸，使鋼管內壁處于半熔融狀態，使鐵層與鋼管形成冶金結合，鐵層與剛玉瓷層間也形成牢固的機械結合，其結合壓剪強度（即在軸向把陶瓷層壓出時強度）≥15MPa；陶瓷鋼管壓潰強度（即從管外把管內陶瓷壓碎時的強度）≥50MPa。
三、特 點
1、耐磨性好。
2、運行阻力小。
3、工程造價低；陶瓷內襯復合鋼管因重量輕，使用壽命提高，從而使支吊架費用，搬運費用減少，平均投資下降。陶瓷復合管的工程總造價與鑄石管相當，與耐磨鋼管相比工程造價下降20—30％。
4、耐腐蝕、防結垢。
5、耐溫性能好：陶瓷內襯復合鋼管能在－50～900℃溫度范圍內長期正常運行，材料線膨脹系數6～8×10－6℃。
6、安裝施工方便：產品重量輕，與同內徑的其他管材相比，可節約鋼材20～30％，且具有耐熱與耐機械沖擊等良好的綜合性能，可采用焊接、法蘭快速等聯接方式，施工安裝方便，可減少安裝費用。
三、性 能
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與傳統生產工藝截然不同，采用自蔓延離心法技術生產的陶瓷鋼管具有獨特的組織結構。獨特的組織機構又決定了它的優良的綜合性能。它不但抗磨損，有高的硬度和強度，而且具有良好的抗機械沖擊和熱沖擊的綜合性能。 陶瓷鋼管與傳統的鋼管、耐磨合金鑄鋼管、鑄石管以及鋼塑、鋼橡管等有著本質性區別。陶瓷鋼管外層是鋼管，內層是剛玉。剛玉層硬度高達HV1100-1400,相當于鎢鈷硬質合金，耐磨性比碳鋼管高20倍以上，它比通常粘接而成的剛玉砂輪性能優越得多?，F在剛玉砂輪仍是各種磨床磨削淬火鋼主要砂輪。陶瓷鋼管中剛玉層可把剛玉砂輪磨損掉。陶瓷鋼管抗磨損主要是靠內層幾毫米厚的剛玉層，剛玉莫氏硬度為9，僅次于金剛石和碳化硅，在所有氧化物中，它的硬度是最高的。而鑄石管成份中只有15%左右為剛玉，大部分為Sio2, Sio2莫氏硬度為7。高鉻或稀土耐磨合金管，維氏硬度400左右，不足剛玉硬度的三分之一。所以耐磨合金鑄鋼管、鑄石管抗磨既靠成份和組織，又靠厚度、陶瓷鋼管抗磨能力與它們相比，有了質的飛躍。 陶瓷鋼管中剛玉熔點為2045℃，剛玉層與鋼層由于工藝原因結構特殊，應力場也特殊。在常溫下陶瓷層受到壓應力，鋼層受到拉應力，二者對立統一成一個平衡的整體。只有溫度升高到400℃以上，由于二者熱膨脹系數不一樣，熱膨脹產生的新應力場才使陶瓷鋼管中原來存在的應力場相互抵消，使陶瓷層與鋼鐵層兩者處于自由平衡狀態。當溫度升高到800℃，它是復合時母管達到的最高溫度，把陶瓷鋼管放入冷水內，反復多次，陶瓷層也不裂縫或崩裂，表現出普通陶瓷無可比擬的抗熱沖擊性能。這一性能在工程施工中大有用處。由于外層是鋼鐵，加之內層升溫也不崩裂，在施工中，對法蘭、儀表口、吹掃口、防爆門等能進行焊接，也可用直接焊接方法進行管道連接。還能用等離子切割機進行現場切割，這比耐磨合金鑄鋼管、鑄石管和鋼塑、鋼橡管在施工中不易、不能焊接和切割更勝一籌。通常硬度高的物質都比較脆，它在磨損中破壞通常不是被磨耗掉，而是脆性破裂，直至失效。剛玉本身也是硬而脆的，但它和鋼形成復合管后，具有內硬外韌，硬而不脆，具有良好的抗機械沖擊性能。在運輸、安裝、敲打以及兩支架間自重彎曲變形時，剛玉層均不破裂脫落。流體管道輸送已遍及電力、冶金、煤炭、石油、化工、建材、機械等行業，并高速地發展著。當管道內輸送磨削性大的物料時（如灰渣、爐渣、煤粉、礦精粉、尾礦、水泥等），都存在一個管道磨損快的問題。特別是彎管磨損更快。當管道內輸送磨削和腐蝕性物料，都存在管道被磨蝕而很快破壞的問題。當管道內輸送具有較高溫度的物料時，存在著使用耐熱鋼管價格十分昂貴的問題。自陶瓷鋼管上市后，這些問題均迎刃而解。陶瓷鋼管廣泛用于磨損嚴重的礦山充填料、礦精粉和尾礦運送，鋼鐵企業的水淬爐渣、高爐噴煤、煉鋼赤泥、燒結白灰、除塵管道，燃煤火電廠送粉、除渣、除硫、除塵等管道，水泥行業的生料、熟料、水泥、煤粉、收塵等輸送管道最合適。陶瓷鋼管也是輸送磨蝕兼需物料的理想管道。 |
四、具體性能參數
陶瓷層含AL2O390%以上，耐酸度96-98%，同高剛玉瓷耐酸度相同。耐蝕性比不銹鋼高十倍，耐磨性相當于鎢鈷硬質合金，比鋼高十幾倍，可在900℃以下長期工作。性能參數可見表1-7。
表1、陶瓷鋼管的物理機械性能
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硬度HVKgf/mm2 |
壓潰強度 |
比重 |
抗抗剪切強度②MPa |
絕對粗造度 mm |
線膨脹系數③×10-6K-1 |
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陶瓷鋼管 |
1100-1400 |
350-400 |
4.6-4.7 |
15 |
Dn≤150為0.35 |
8.5-9 |
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20#碳鋼管 |
149 |
411 |
7.85 |
Hfgh |
新的0.05-0.1 |
14-15 |
注：①無縫鋼管厚8㎜，陶瓷層和過渡層總厚度2.5～3.5㎜,從管外把管內MPa陶瓷壓碎時的強度。
②在陶瓷鋼管軸向把陶瓷層從無縫鋼管內壓出時的強度。
③溫度范圍-30～500℃。
表2、輸送鐵礦精粉耐磨對比試驗
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材 料 |
時 間 |
表面磨損程度㎜ |
平均年磨損率 ㎜/a |
平均年磨損率比值 |
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陶瓷鋼管 |
2002年4月～2005年4月 |
0.12 |
0.04 |
20#碳鋼管÷陶瓷鋼管=175 |
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20#鋼管 |
2002年4月～2005年4月 |
翻身一次 |
7 |
注：①該礦重選車間管道，礦石粒度<2㎜，重量濃度30%
②陶瓷鋼管外徑φ245，厚8㎜，陶瓷層厚4㎜，20#碳鋼管厚9㎜
③此對比試驗目前仍在繼續進行，比值175只是根據三年年實踐的推算數據
表3、火電廠送粉管路不同材質彎管對比試驗
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材 料 |
規 格 |
工 況 |
使用情況 |
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20#碳鋼管 |
DN350×10 |
10萬KW機組，使用 |
1個月磨穿 |
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高鉻合金鑄鋼管 |
DN350×25 |
11個月磨穿 |
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夾套式鑄石管 |
DN350×55 |
23個月磨穿 |
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陶瓷鋼管 |
DN350×15 |
已用36個月只磨掉0.2㎜ |
表4、火電廠氣力除灰管路不同材質彎管對比試驗
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材 料 |
規 格 |
工 況 |
使用情況 |
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20#碳鋼管 |
DN150×10 |
氣力輸送干灰，74噸/時， |
3個月磨穿 |
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高鉻合金鑄鋼管 |
DN150×20 |
5個月磨穿 |
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夾套式鑄石管 |
DN150×50 |
使用12個月磨穿 |
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陶瓷鋼管 |
DN150×11.5 |
使用12個月磨損掉0.15㎜ |
表5：陶瓷內襯復合鋼管耐腐蝕性能（按不銹鋼測試標準）
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材料 |
10%HCL |
10%H2SO4 |
30%醋酸 |
30%NaOH |
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不銹鋼1Cr18Ni9Ti |
0.1-1 |
3-4 |
0.1 |
0.1 |
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陶瓷內襯復合鋼管 |
0.08-0.1 |
0.147 |
0.028 |
0 |
表6： 陶瓷內襯復合鋼管耐酸度（按耐酸陶瓷標準）
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材料 |
10%HCL |
10%H2SO4 |
30%醋酸 |
30%NaOH |
|
不銹鋼1Cr18Ni9Ti |
0.1-1 |
3-4 |
0.1 |
0.1 |
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陶瓷內襯復合鋼管 |
0.08-0.1 |
0.147 |
0.028 |
0 |
陶瓷內襯復合鋼管耐酸度（按耐酸陶瓷標準）
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材 料 |
10%HCL+10%H2+10%HNO3在90℃加熱5小時 |
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耐酸陶瓷 |
80% |
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陶瓷內襯復合鋼管 |
96-98% |
表7： 陶瓷內襯復合鋼管的耐磨性
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噴砂對比試驗（siC砂） |
30%siO2泥漿沖刷對比試驗 |
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材料 |
體積減少 |
材料 |
體積減少 |
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97%氧化鋁管 |
0.0025 |
45號銅 |
25 |
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陶瓷內襯復合鋼管 |
0.0022 |
陶瓷內襯復合鋼管 |
3 |
五、常規管件：
(1)常規直管
(2)彎頭：22．5° 、45°、60°、90° 、180° 以及其它角度。
(3)三通：等徑正Y型、斜Y型、異型等三通。
(4)四通：等徑、異徑等四通。
(5異徑管：大小頭，各種管徑。