离心SHS制备陶瓷不锈钢双层内衬钢管的研究

论文摘要

钢管在输送物料时,容易受到物料的磨损和腐蚀。在钢管内涂敷耐磨、耐腐蚀的内衬层,如陶瓷内衬钢管,可以提高其使用寿命。为了进一步加强内衬钢管的耐腐蚀性能,本文进行陶瓷不锈钢双层内衬钢管的研究。 本文首先用重力SHS实验研究了铝热反应受体系条件的影响以及铝热剂中各组元与Al反应的活性,在此基础上,进行离心SHS试验,成功制备出内径为φ43mm的陶瓷不锈钢双层内衬钢管。 重力SHS实验得出:在密实填充、填充密度1.3g/cm3、Cr2O3/CrO3=0.75条件下,铝热反应较为平稳,溅射较少,Cr2O3转化较高;在Cr2O3不能完全反应的体系中,不能得到含有Ti的不锈钢层;SiO2与Al有一定反应,因而造成不锈钢层中Si成分较高;陶瓷层中残余Cr2O3含量随铝的过量率增大而减小。 离心SHS试验得出:取Cr2O3/CrO3=0.75组成,加入添加剂,可减少溅射程度;消除钢管与离心机轴差,可以避免内衬层的偏心;铝热剂中SiO2在2%以下,CaF2在4%以上时,陶瓷质量较好;不锈钢层中Al残余量在铝的加入量接近化学计算量时最小。 运用光学显微镜、XRD、SEM和能谱等分析了陶瓷不锈钢双层内衬钢管的组成、微观结构。不锈钢层组织为铁素体和奥氏体;Al含量越大不锈钢层容易越开裂;陶瓷层主要为Al2O3,不含FeAl2O4相。 本文还研究了不锈钢层和陶瓷层的耐腐蚀性能。不锈钢层在0.5mol/LH2SO4溶液中得到的极化曲线,钝化区宽度为1.190V,钝化电流低于1.25×10-4A/cm2,有一定的耐电化学腐蚀性能。全面腐蚀试验发现不锈钢层的耐腐蚀性能不低于1Cr18Ni9。陶瓷层因为不含耐腐蚀性能差的FeAl2O4,具有很高的耐腐蚀性能。 本文使用ANSYS软件对内衬钢管进行热模拟。试算法推导出绝热温度大于2945K。通过热模拟,得出不锈钢层与钢管实现冶金结合的条件,并对试验过程的钢管熔穿问题进行了分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 综述
• 1.1 自蔓延高温合成（SHS）
• 1.1.1 自蔓延高温合成的概念及特征
• 1.1.2 SHS的发展
• 1.2 SHS的基础理论
• 1.2.1 SHS的燃烧理论
• 1.2.2 SHS的热力学
• 1.2.2.1 绝热燃烧温度
• 1.2.2.2 CALPHAD技术
• 1.2.3 SHS的动力学
• 1.3 SHS应用现状及发展方向
• 1.3.1 SHS的应用
• 1.3.2 SHS的最新发展
• 1.4 SHS技术制备内衬复合管
• 1.4.1 SHS铝热技术简介
• 1.4.2 SHS技术制备内衬钢管的工艺
• 1.4.2.1 离心SHS法
• 1.4.2.2 重力SHS法
• 1.4.2.3 弯管一次成型
• 1.4.3 国内陶瓷内衬复合管的生产现状
• 1.5 离心SHS技术
• 1.5.1 离心SHS制备的管件分类
• 1.5.2 离心设备介绍
• 1.6 本课题研究的意义
• 第二章 试验材料与过程
• 2.1 重力SHS试验
• 2.1.1 试验原料
• 2.1.2 试验过程
• 2.1.3 试验装置图
• 2.2 离心SHS试验
• 2.2.1 陶瓷不锈钢双层内衬钢管制备原理
• 2.2.2 试验原料和设备
• 2.2.3 试验过程
• 2.2.4 陶瓷不锈钢双层内衬钢管的分析试验
• 第三章 SHS铝热反应过程研究结果与分析
• 3.1 重力SHS试验结果与分析
• 3.1.1 体系条件对铝热反应的影响
• 3.1.1.1 填充密实与预留空腔比较
• 3.1.1.2 填充密度
• 3.1.2 反应活性研究
• 3与Al的反应过程'>3.1.2.1 CrO₃与Al的反应过程
• 2O₃与Al的反应过程'>3.1.2.2 Cr₂O₃与Al的反应过程
• 2O₃和CrO₃的比率'>3.1.2.3 Cr₂O₃和CrO₃的比率
• 2与Al的反应'>3.1.2.4 TiO₂与Al的反应
• 2与Al的反应'>3.1.2.5 SiO₂与Al的反应
• 2O₃残余量关系'>3.1.2.6 铝的过量率与不锈钢层中铬含量、陶瓷层中Cr₂O₃残余量关系
• 3.2 离心SHS试验结果与分析
• 3.2.1 离心SHS反应过程分析
• 3.2.1.1 喷溅现象的分析与消减
• 3.2.1.2 离心机偏心问题的解决
• 3.2.1.3 熔穿问题的解决
• 3.2.2 添加剂含量的确定
• 3.2.3 不锈钢中Al含量与铝的过量率的关系
• 3.2.4 不锈钢层成分的控制
• 3.3 小结
• 第四章 陶瓷不锈钢双层内衬钢管组织与性能分析
• 4.1 内衬钢管的宏观构成
• 4.2 内衬钢管分析
• 4.2.1 陶瓷层与不锈钢层的分离
• 4.2.2 不锈钢层分析
• 4.2.2.1 不锈钢层的组织分析
• 4.2.2.2 不锈钢层的韧性分析
• 4.2.2.3 不锈钢层与钢管的结合区域的组织分析
• 4.2.3 陶瓷层分析
• 4.3 耐腐蚀性研究
• 4.3.1 不锈钢层的耐腐蚀性
• 4.3.2 陶瓷层的耐腐蚀性
• 4.4 讨论
• 4.5 小结
• 第五章 钢管热模拟
• 5.1 热模拟的意义
• 5.2 绝热温度的计算
• 5.2.1 绝热温度的理论计算方法
• 5.2.2 绝热温度的试算法
• 5.3 热模拟过程
• 5.3.1 体系传热过程的假设
• 5.3.2 热模拟参数
• 5.4 热模拟结果分析
• 5.4.1 温度在各层的分布
• 5.4.2 对冶金结合的探讨
• 5.4.2.1 预热温度对钢管内壁温度的影响
• 5.4.2.2 绝热温度对钢管内壁温度的影响
• 5.4.2.3 管壁厚度对钢管内壁温度的影响
• 5.4.3 对钢管熔穿的探讨
• 5.5 讨论
• 5.6 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录