内衬陶瓷钢管陶瓷层中铁铝尖晶石的形成机理

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1996.03.010 第18卷第3期 北京科技大学学报 Vol.18 No.3 1996年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.1996 内衬陶瓷钢管陶瓷层中铁铝尖晶石的形成机理 柳牧殷声赖和怡魏延平 北京科技大学材料科学与工程系，北京100083 摘要通过理论分析和试验，研究了内村陶瓷复合钢管陶瓷层中铁铝尖晶石(F0·A1,O,)的含量、分 布和形成机理.结果表明：陶瓷层中铁铝尖晶石含量降低到5.6%.并孤立分布于1，O,晶界，从 而显著提高了陶瓷层的耐蚀性能， 关健词自蔓延高温合成，铁铝尖晶石，钢管，内衬陶瓷 中图分类号TQ147 70年代初，前苏联学者Merzhanov A G将铝热反应和离心铸造结合起来发展了一全新的技 术，即自蔓燃一离心法，它用于制造具有耐磨、耐蚀、耐热性能的内衬陶瓷复合钢管川小田原 修对自蔓燃烧-离心技术进行了系统研究，制造出了55长的内衬陶瓷复合钢管，并用于铝液和 高温腐蚀气体的输送2~.殷声等在这一领域也作了大量的研究工作，.但是，从目前报导的 文献看，陶瓷层中铁铝尖晶石(FO·A1,O,)含量高，并且沿陶瓷层中A1,O,品界连通分布· 由于FO·AO,不耐蚀，这损害了内衬陶瓷复合钢管的耐蚀性能.本文较系统研究了FeO·AlO, 形成机理及降低FeO·A1O的含量、改善FO·A1O,形态和分布的方法，使这项技术能得到进 一步发展· 1实验方法 实验在小型自制离心机上进行，FeO,粉粒度为-200目，铝粉-100+200目，添加剂 SiO,和Si的粒度为-100+200目.将Fe,O,和A1按一定比例配比并混匀后装入内径76mm、 外径84mm、长100mm的钢管中，带有Fe,O,+A1混合物的钢管装卡在离心机上，旋转到 一定转速后，用钨丝点燃，Fe,O,+Al发生放热反应，1 mol Fe,O,放出836kJ的热， 依靠反应放热，反应可自我维持并蔓延，燃烧温度高达30O0K以上，使反应产物A1,O 和Fe瞬时熔化，在离心力作用下，密度较小的Al,O,位于内表面，密度较大的Fe位于钢 管和陶瓷层之间，形成复合钢管· 采用化学分析方法测定陶瓷层中的Fe含量，按Fe全部存在于FcO·Al,O中计，换算 出FcO·Al,O,在陶瓷层中的含量.Fe层中Al和Si的含量、陶瓷层中SiO,含量也采用化学 分析方法测定.将陶瓷样品磨光后在扫描电镜下观察FcO·A1,O,的形态和分布， 2结果分析与讨论 从热力学角度看，按化学计量配比时，如果反应过程是热力学平衡过程，Al和F,O,反 1995-04-01收稿 第一作者男32岁博士后 ·国家863高科技项月

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 百 “ 几 内衬 陶瓷钢管陶瓷层 中铁铝尖晶石 的形成机理 ’ 柳 牧 殷 声 赖和怡 魏延平 北 京科 技 大学 材 料科 学 与工 程 系 ， 北 京 以旧 摘要 通过理论分析和 试验 ， 研究 了内衬陶瓷复合钢管陶瓷层 中铁铝尖晶石 试 · 月 〕 的 含 量 、 分 布和 形成机理 结果 表 明 陶瓷层 中铁铝尖 晶 石 含量 降低到 ， 并孤立 分布于 月 晶界 ， 从 而 显著提高了 陶瓷层 的耐蚀性 能 关健词 自蔓延 高温 合成 ， 铁铝 尖 晶石 ， 钢管 ， 内衬陶瓷 中图分类号 ’ 年代初 ， 前苏联学者 汕 将铝热反应和离心铸造结合起来发展 了一全新的技 术 ， 即 自蔓燃 一 离心法 ， 它用于制造具有耐磨 、 耐蚀 、 耐热性能的内衬陶瓷复合钢管 ’ 小 田原 修对 自蔓燃烧 一 离心技术进行 了系统研究 ， 制造出了 长的内衬陶瓷复合钢管 ， 并用于铝液和 高温腐蚀气体的输送 ，一 殷声等在这一领域也作 了大量 的研究工作 但是 ， 从 目前报 导的 文献看 ， 陶瓷层 中铁铝尖晶石 · 含量 高 ， 并且 沿 陶 瓷 层 中 月 晶 界 连 通 分 布 由于 的 · 必 不耐蚀 ， 这损害了内衬陶瓷复合钢管的耐蚀胜能 本文较系统研究了 · 刃 形成机理 及 降低 创 · 川刃 的含量 、 改善 的 · 必 形态和分布 的方 法 ， 使这项技术能得到进 一 步 发展 实验方 法 实验在 小 型 自制 离 心 机 上 进 行 粉 粒 度 为 一 目 ， 铝 粉 一 目 ， 添 加 剂 和 的粒度 为 一 目 将 和 按 一定 比例 配 比并 混 匀后装 入 内径 、 外 径 、 长 的钢 管 中 ， 带有 户 混 合 物 的 钢 管 装 卡 在 离 心 机 上 ， 旋 转 到 一 定 转速 后 ， 用钨丝 点燃 ， 月 发生放热反 应 ， 户 放 出 的热 依 靠反 应放 热 ， 反 应 可 自我 维持并 蔓延 ， 燃烧 温度 高达 以 上 ， 使反 应产物 户 和 瞬时熔 化 ， 在 离心 力作 用下 ， 密 度 较 小 的 位 于 内表 面 ， 密 度 较 大 的 位 于 钢 管 和 陶瓷层 之 间 ， 形 成 复 合钢 管 采 用化 学分 析方 法 测 定 陶瓷层 中的 含 量 ， 按 全 部 存 在 于 的 · 户 中计 ， 换 算 出 的 · 川户 在 陶瓷层 中的含 量 层 中 川 和 的含量 、 陶瓷 层 中 含 量 也 采 用 化 学 分 析方法 测 定 将 陶瓷样 品磨光后 在 扫描 电镜下观 察 · 的形 态 和分布 结果分析与讨论 从热力 学 角度看 ， 按 化 学计量 配 比时 ， 如果 反 应 过 程是 热力学平 衡过程 ， 和 反 男 一 叭 一 收稿 国 家 高科 技项 目 第 一 作 者 男 岁 博士后 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1996．03．010

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 百 “ 几 内衬 陶瓷钢管陶瓷层 中铁铝尖晶石 的形成机理 ’ 柳 牧 殷 声 赖和怡 魏延平 北 京科 技 大学 材 料科 学 与工 程 系 ， 北 京 以旧 摘要 通过理论分析和 试验 ， 研究 了内衬陶瓷复合钢管陶瓷层 中铁铝尖晶石 试 · 月 〕 的 含 量 、 分 布和 形成机理 结果 表 明 陶瓷层 中铁铝尖 晶 石 含量 降低到 ， 并孤立 分布于 月 晶界 ， 从 而 显著提高了 陶瓷层 的耐蚀性 能 关健词 自蔓延 高温 合成 ， 铁铝 尖 晶石 ， 钢管 ， 内衬陶瓷 中图分类号 ’ 年代初 ， 前苏联学者 汕 将铝热反应和离心铸造结合起来发展 了一全新的技 术 ， 即 自蔓燃 一 离心法 ， 它用于制造具有耐磨 、 耐蚀 、 耐热性能的内衬陶瓷复合钢管 ’ 小 田原 修对 自蔓燃烧 一 离心技术进行 了系统研究 ， 制造出了 长的内衬陶瓷复合钢管 ， 并用于铝液和 高温腐蚀气体的输送 ，一 殷声等在这一领域也作 了大量 的研究工作 但是 ， 从 目前报 导的 文献看 ， 陶瓷层 中铁铝尖晶石 · 含量 高 ， 并且 沿 陶 瓷 层 中 月 晶 界 连 通 分 布 由于 的 · 必 不耐蚀 ， 这损害了内衬陶瓷复合钢管的耐蚀胜能 本文较系统研究了 · 刃 形成机理 及 降低 创 · 川刃 的含量 、 改善 的 · 必 形态和分布 的方 法 ， 使这项技术能得到进 一 步 发展 实验方 法 实验在 小 型 自制 离 心 机 上 进 行 粉 粒 度 为 一 目 ， 铝 粉 一 目 ， 添 加 剂 和 的粒度 为 一 目 将 和 按 一定 比例 配 比并 混 匀后装 入 内径 、 外 径 、 长 的钢 管 中 ， 带有 户 混 合 物 的 钢 管 装 卡 在 离 心 机 上 ， 旋 转 到 一 定 转速 后 ， 用钨丝 点燃 ， 月 发生放热反 应 ， 户 放 出 的热 依 靠反 应放 热 ， 反 应 可 自我 维持并 蔓延 ， 燃烧 温度 高达 以 上 ， 使反 应产物 户 和 瞬时熔 化 ， 在 离心 力作 用下 ， 密 度 较 小 的 位 于 内表 面 ， 密 度 较 大 的 位 于 钢 管 和 陶瓷层 之 间 ， 形 成 复 合钢 管 采 用化 学分 析方 法 测 定 陶瓷层 中的 含 量 ， 按 全 部 存 在 于 的 · 户 中计 ， 换 算 出 的 · 川户 在 陶瓷层 中的含 量 层 中 川 和 的含量 、 陶瓷 层 中 含 量 也 采 用 化 学 分 析方法 测 定 将 陶瓷样 品磨光后 在 扫描 电镜下观 察 · 的形 态 和分布 结果分析与讨论 从热力 学 角度看 ， 按 化 学计量 配 比时 ， 如果 反 应 过 程是 热力学平 衡过程 ， 和 反 男 一 叭 一 收稿 国 家 高科 技项 目 第 一 作 者 男 岁 博士后

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 百 “ 几 内衬 陶瓷钢管陶瓷层 中铁铝尖晶石 的形成机理 ’ 柳 牧 殷 声 赖和怡 魏延平 北 京科 技 大学 材 料科 学 与工 程 系 ， 北 京 以旧 摘要 通过理论分析和 试验 ， 研究 了内衬陶瓷复合钢管陶瓷层 中铁铝尖晶石 试 · 月 〕 的 含 量 、 分 布和 形成机理 结果 表 明 陶瓷层 中铁铝尖 晶 石 含量 降低到 ， 并孤立 分布于 月 晶界 ， 从 而 显著提高了 陶瓷层 的耐蚀性 能 关健词 自蔓延 高温 合成 ， 铁铝 尖 晶石 ， 钢管 ， 内衬陶瓷 中图分类号 ’ 年代初 ， 前苏联学者 汕 将铝热反应和离心铸造结合起来发展 了一全新的技 术 ， 即 自蔓燃 一 离心法 ， 它用于制造具有耐磨 、 耐蚀 、 耐热性能的内衬陶瓷复合钢管 ’ 小 田原 修对 自蔓燃烧 一 离心技术进行 了系统研究 ， 制造出了 长的内衬陶瓷复合钢管 ， 并用于铝液和 高温腐蚀气体的输送 ，一 殷声等在这一领域也作 了大量 的研究工作 但是 ， 从 目前报 导的 文献看 ， 陶瓷层 中铁铝尖晶石 · 含量 高 ， 并且 沿 陶 瓷 层 中 月 晶 界 连 通 分 布 由于 的 · 必 不耐蚀 ， 这损害了内衬陶瓷复合钢管的耐蚀胜能 本文较系统研究了 · 刃 形成机理 及 降低 创 · 川刃 的含量 、 改善 的 · 必 形态和分布 的方 法 ， 使这项技术能得到进 一 步 发展 实验方 法 实验在 小 型 自制 离 心 机 上 进 行 粉 粒 度 为 一 目 ， 铝 粉 一 目 ， 添 加 剂 和 的粒度 为 一 目 将 和 按 一定 比例 配 比并 混 匀后装 入 内径 、 外 径 、 长 的钢 管 中 ， 带有 户 混 合 物 的 钢 管 装 卡 在 离 心 机 上 ， 旋 转 到 一 定 转速 后 ， 用钨丝 点燃 ， 月 发生放热反 应 ， 户 放 出 的热 依 靠反 应放 热 ， 反 应 可 自我 维持并 蔓延 ， 燃烧 温度 高达 以 上 ， 使反 应产物 户 和 瞬时熔 化 ， 在 离心 力作 用下 ， 密 度 较 小 的 位 于 内表 面 ， 密 度 较 大 的 位 于 钢 管 和 陶瓷层 之 间 ， 形 成 复 合钢 管 采 用化 学分 析方 法 测 定 陶瓷层 中的 含 量 ， 按 全 部 存 在 于 的 · 户 中计 ， 换 算 出 的 · 川户 在 陶瓷层 中的含 量 层 中 川 和 的含量 、 陶瓷 层 中 含 量 也 采 用 化 学 分 析方法 测 定 将 陶瓷样 品磨光后 在 扫描 电镜下观 察 · 的形 态 和分布 结果分析与讨论 从热力 学 角度看 ， 按 化 学计量 配 比时 ， 如果 反 应 过 程是 热力学平 衡过程 ， 和 反 男 一 叭 一 收稿 国 家 高科 技项 目 第 一 作 者 男 岁 博士后

…248· 北京科技大学学报 1996年No.3 3结论 (I)添加过量的A1、预热F,O,+A1混合物、钢管内壁预制耐热保温层都能降低FeO·A1,O, 的含量.当预热温度达300℃时，FC0·A1,O,含量降低到5.6%，钢管内壁预制耐热保温层 则Fc0·A1,O3降低到15.2%.两种情况下Fc0·A1,O,均孤立分布于A1,O3晶界. (2)添加SiO,不利于反应完全，增加F0·A1,O3的含量.添加Si起初减少Fc0·A1,O 的含量，继续增加则增加FcO·A1,O,的含量，Si的最佳添加量为1%. 参考文献 I Merzhanov A G,Yukhvid V I.Self-Propagating High-Temperature Synthesis in the Field of Centrifugal Force.In:Proceedings of the First US-Japanese Workshop on Combustion Synthe- sis.Tokyo,1990.1 31 2 Odawara O.Long Ceramic-Lined Pipes Produced by a Centrifugal-Thermit Process.J Am Ceram Soc,1990,733:629 3 Odawara O.Long Ceramic-Lined Pipes with High Resistance against Corrosion,Abrasion and Thermal Shock.Materials Manufacturing Process,1993,8(2):203~218 4 Odawara O.Ceramic Layer Composition of Metal-Ceramic Composite Pipes Produced by a Centrifugal-Thermit Process.J Japan Inst Met.1988,52(1):116~120 5 Odawara O,Ikeuchi Jun.Vacuum Centrifugal-Thermit Process for Producing Ceramic-Lined Pipes.J Am Ceram Soc.1986.69(4):85~86 6 Odawara O.Ikeuchi Jun,Effect of Thermal Insulation in the Production of Metal-Ceramic Composite Pipes by a Centrifugal-Thermit Process.J Japan Inst Metals,1986,50(8):763~766 7 Yin Sheng,Liu Mu.Guo Zhimeng.Additives in Ceramic Composite Pipes Made by a Centrifugal-SHS Process.International Journal of SHS,1993,2(1):69~74 8殷声，叶宏煜，郭志猛等.陶瓷内衬钢管的研究.北京科技大学学报、1994.16(4)335~339 Formation Mechanism of Hercynite Contained in Ceramic Layer of Ceramic Lined Steel Pipe Liu Mu Yin.Sheng Lai Heyi Wei Yanping Department of Materials Science and Engineering.USTB.Beijing 100083.PRC ABSTRACT An investigation on the amount.the distribution,and the formation mechanism of hercynite (FeO.Al,O,)contained in the ceramic layer of ceramic lined steel pipes is performed by means of theoretical analysis and experiment.As a result. the amount of hercynite is decreased to 5.6%,and hercynite is isolated in Al,O,grain boundary to improve the corrosion resistance of ceramic layers. KEY WORDS SHS.hercynite,steel pipe,ceramic lined

铭 北 京 科 技 大 学 学 报 年 结论 的含量 则 〕 · 的含量 ， 添加过量的 、 预热 川 混合物 、 钢管内壁预制耐热保温层都能降低 · 户 当预热温度达 ℃ 时 ， · 户 含量 降低 到 ， 钢管 内壁预制耐热 保 温 层 户 降低到 两 种情况下 · 户 均孤立分布于 晶界 添加 不 利 于 反 应 完全 ， 增加 的 · 川户 的含量 添 加 起 初减 少 · 月户 继续增 加则增 加 司 · 的含量 ， 的最佳添加量 为 参 考 文 献 ， 一 一 一 ， 一 一 一 ， ， 一 ， 口 ， ， 一 一 一 而 ， ， 一 ， 一 刚 一 ， ， 一 ， ， 一 一 ， ， 仪 一 ， ， 而 一 ， ， 一 殷 声 ， 叶宏 煌 ， 郭志猛等 陶瓷 内衬钢管 的研究 北 京科技大学 学报 ， 塑〕 ， 甲 一 而 而 “ 卜 ，曰 分 认 ， 触 ， ， ， ， · 而 ， ， ， ，