專利名稱：一種用鐵基廢料制備shs陶瓷內(nèi)襯金屬管材的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵基廢料用于SHS陶瓷內(nèi)襯金屬管材的方法，屬于資源回收再利 用和表面涂層技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著我國鋼鐵行業(yè)快速發(fā)展，鐵基廢料產(chǎn)量急劇增加。鐵基廢料包括軋輥磨削料、 冷(熱)軋鐵鱗等。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，鐵基廢料每年大約200萬噸。一方面鐵基廢料給鋼鐵 企業(yè)帶來了嚴(yán)重的環(huán)境負(fù)擔(dān)，另一方面鐵基廢料含有大量的Fe和一定量的Cr、Ni、V、Mn等 寶貴的金屬資源。因此，綜合利用鐵基廢料不僅可以減輕鋼鐵企業(yè)的環(huán)境負(fù)擔(dān)，而且有利于 資源再利用，具有重要的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保意義。自蔓延高溫合成(Self-propagating High-temperature Synthesis，縮寫SHS)是 利用化學(xué)反應(yīng)自身放熱制備材料的新技術(shù)。其最顯著的特點(diǎn)就是充分利用元素間形成化合 物時(shí)的高能放熱反應(yīng)，除了引發(fā)合成反應(yīng)所必須的少量外加能量，整個(gè)反應(yīng)過程主要依靠 物料自身的放熱來維持。前蘇聯(lián)科學(xué)院的化學(xué)物理研究所研究了離心力對鋁熱反應(yīng)的燃燒 過程影響，通過離心力控制燃燒過程，離心力與SHS過程相結(jié)合產(chǎn)生了 SHS-離心法。1981 年日本小田原修采用鋁熱離心法制備陶瓷內(nèi)襯金屬管材，并制備出大尺寸內(nèi)襯陶瓷復(fù)合金 屬管材。其原理是利用鋁與氧化鐵發(fā)生放熱反應(yīng)，依靠放熱反應(yīng)可以維持反應(yīng)進(jìn)行，同時(shí)反 應(yīng)產(chǎn)物鐵和氧化鋁瞬時(shí)熔融，在離心力的作用下，比重輕的氧化鋁分布在金屬管材內(nèi)表面， 比重大的鐵分布在金屬管材和陶瓷層中間并將金屬管材和陶瓷層結(jié)合起來。Al和Fe2O3 (或 Fe3O4)的反應(yīng)式如下2A1+Fe203 — 2Fe+Al2038Al+3Fe304 — 9Fe+4Al203中國專利ZL90107244. 3公開了 一種耐蝕耐磨陶瓷金屬管材制造技術(shù)，在 Al+Fe203 (或Fe3O4)物料中同時(shí)加入添加劑SiO2和一種或兩種堿金屬氧化物(在Na20、K20、 Li2O中選擇)及一種或兩種堿土金屬氧化物RO (在MgO、CaO, BaO, ZnO中選擇)，混勻后的 物料加入金屬管材帶物料預(yù)熱至100°C 300°C、點(diǎn)燃后在離心力的作用下進(jìn)行反應(yīng)燒結(jié)， 在金屬管材內(nèi)壁形成厚度約2毫米的無滲透性致密陶瓷鍍層。中國專利01139227. 4公開 了一種陶瓷內(nèi)襯金屬管材的制造方法，以酸渣料(鐵礦選礦產(chǎn)生)與Al、Si02烘干混勻，點(diǎn) 燃后在離心力的作用下進(jìn)行反應(yīng)燒結(jié)，在金屬管材內(nèi)壁形成致密陶瓷鍍層。為低成本高效利用鐵基廢料，充分利用其中的？6、0、附、￥、111141203和3102物質(zhì)， 利用鋁熱反應(yīng)進(jìn)行SHS離心制備“三明治”結(jié)構(gòu)的金屬管材。未見與本發(fā)明的相關(guān)的文獻(xiàn) 報(bào)道

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種用鐵基廢料制備SHS陶瓷內(nèi)襯金屬管材的方法，實(shí)現(xiàn) 對鐵基廢料的低成本高效利用。
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因鐵基廢料含有大量的Fe和少量的Cr、Ni、V、Mn等金屬元素，以金屬單質(zhì)和金屬 氧化物形態(tài)存在。金屬氧化物與Al粉均能進(jìn)行SHS鋁熱反應(yīng)，在離心力的作用下在金屬管 材形成鐵合金層、Al2O3或Al203+Si02的陶瓷層，提高了金屬管材耐磨性能和抗腐蝕性能。因 鐵基廢料中含有一定的Al2O3和SiO2，不僅提高粉末的流動性，而且增加金屬管材內(nèi)襯陶瓷 的厚度和表面質(zhì)量。本發(fā)明一種用鐵基廢料制備SHS陶瓷內(nèi)襯金屬管材的方法，是以鐵基廢料和Al粉 為原料，將經(jīng)處理的鐵基廢料與Al粉按比例配比、混勻裝料，然后將物料在離心機(jī)上離心 點(diǎn)燃后在離心力的作用下進(jìn)行SHS反應(yīng)燒結(jié)，在金屬管材內(nèi)壁形成鐵合金層和致密陶瓷鍍 層。具體包括以下步驟1)將鐵基廢料進(jìn)行200°C 500°C下烘烤排濕、除雜；2)進(jìn)行80目 300目篩分、合批；3)合批后的粉末成分檢測；4)與Al粉進(jìn)行配比混合；5)將混好的原料加入金屬管材均勻布料；6)啟動制管機(jī)，進(jìn)行SHS-離心法制備陶瓷鍍層。所述步驟4)中，Al粉與鐵基磨削廢料質(zhì)量比例為1 10 4 1。上述過程除Fe2O3與Al粉發(fā)生反應(yīng)外，還發(fā)生以下鋁熱反應(yīng)的一種或多種。2A1+Cr2O3 — 2Cr+Al2032Α1+3Ν 0 — 3Ni+Al20310A1+3V205 — 6V+5A12034Α1+3Μη02 — 3Mn+2Al203參與鋁熱反應(yīng)的為鐵基廢料，所述鐵基廢料是鋼鐵冶金的副產(chǎn)物，包括軋輥磨削 料、冷(熱)軋鐵鱗，所述鐵基廢料的成分為Fe及其氧化物、Al203、Si02，以及以金屬單質(zhì)和 金屬氧化物形態(tài)存在的Cr、Ni、V、Mn中的任一種或多種金屬元素；所述A1203、SiO2可降低 SHS反應(yīng)體系的熔點(diǎn)，提高流動性，增加金屬管材陶瓷內(nèi)襯厚度，提高陶瓷層表面質(zhì)量在鋁熱反應(yīng)過程中，F(xiàn)e、Cr、Ni、V、Mn的2種或2種以上的金屬會形成二元或多元 鐵合金層，在離心力的作用下均勻分布于管材基體與陶瓷層之間，形成“三明治”結(jié)構(gòu)，由內(nèi) 到外依次為陶瓷層(1)、鐵合金層(2)和金屬管材基體層(3)。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是1.用價(jià)格低廉的鐵基廢料代替Fe2O3或其它陶瓷粉末，大大降低了原料成本，原料 來源廣泛；2. Cr、Ni、V、Mn等氧化物與Al粉SHS反應(yīng)，在陶瓷層內(nèi)部形成Fe、Cr、Ni、V、Mn的
二元或多元合金，該合金增強(qiáng)了管材的強(qiáng)度、硬度、耐磨性。3.鐵基廢料還含有一定量的Al2O3和SiO2, SHS過程中可以吸收熱量而被熔化，可 抑制溫度過高，可防止金屬管材變形；4. SiO2有利于降低Al2O3初晶相結(jié)晶溫度，增加陶瓷熔體存在時(shí)間，促進(jìn)氣相逸 出，從而提高陶瓷層的質(zhì)量.說明書附1是SHS陶瓷內(nèi)襯金屬管材徑向截面，1為陶瓷層，2為鐵合金層，3為金屬管材基體層。圖2是鐵基廢料的能譜圖。圖3是鐵基廢料的Al2O3和SiO2的X射線衍射圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 將含有Cr, Ni, V, Mn金屬元素(見圖2), Al2O3和SiO2的鐵基廢料(見圖3)進(jìn)行 200°C烘烤，除去水汽和雜質(zhì)，篩分得到-80目粉末。與還原劑Al粉混合均勻，其質(zhì)量比為 Al粉鐵基廢料為1 10。混合料均勻裝入鋼管內(nèi)，固定在制管機(jī)上。啟動離心機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn) 速達(dá)到800轉(zhuǎn)/分時(shí)，用鎢絲點(diǎn)燃混合料發(fā)生SHS離心反應(yīng)燒結(jié)。在離心力作用下形成“三 明治”結(jié)構(gòu)的鋼管，由內(nèi)到外依次為陶瓷層1、鐵合金層2和鋼管基體層3。鋼管的壓潰強(qiáng)度 為326MPa，硬度為1280kgf/mm2。鋼管內(nèi)襯分別在20% H2SO4,20% HCl和王水中加速腐蝕， 其失重分別為 0. 08g/m2 · d、0. 08g/m2 · d 和 0. 12g/m2 · d。實(shí)施例2 將含有Cr、Ni、V、Mn等金屬元素(見圖2), Al2O3和SiO2的鐵基廢料(見圖3)進(jìn) 行30(TC烘烤，除去水汽和雜質(zhì)，篩分得到-120目粉末。與還原劑Al粉混合均勻，其質(zhì)量比 為Al粉鐵基廢料為1 5?；旌狭暇鶆蜓b入鋼管內(nèi)，固定在制管機(jī)上。啟動離心機(jī)，當(dāng) 轉(zhuǎn)速達(dá)到1200轉(zhuǎn)/分時(shí)，用鎢絲點(diǎn)燃混合料發(fā)生SHS離心反應(yīng)燒結(jié)。在離心力作用下形成 “三明治”結(jié)構(gòu)的鋼管，由內(nèi)到外依次為陶瓷層1、鐵合金層2和鋼管基體層3。鋼管的壓潰 強(qiáng)度為315MPa，硬度為1380kgf/mm2。鋼管內(nèi)襯分別在20% H2SO4,20% HCl和王水中加速 腐蝕，其失重分別為 0. 06g/m2 · d、0. 04g/m2 · d 和 0. 10g/m2 · d。實(shí)施例3 將含有Cr、Ni、V、Mn等金屬元素(見圖2), Al2O3和SiO2的鐵基廢料(見圖3)進(jìn) 行40(TC烘烤，除去水汽和雜質(zhì)，篩分得到-180目粉末。與還原劑Al粉混合均勻，其質(zhì)量比 為Al粉鐵基廢料為1 1?；旌狭暇鶆蜓b入鋼管內(nèi)，固定在制管機(jī)上。啟動離心機(jī)，當(dāng) 轉(zhuǎn)速達(dá)到1400轉(zhuǎn)/分時(shí)，用鎢絲點(diǎn)燃混合料發(fā)生SHS離心反應(yīng)燒結(jié)。在離心力作用下形成 “三明治”結(jié)構(gòu)的鋼管，由內(nèi)到外依次為陶瓷層1、鐵合金層2和鋼管基體層3。鋼管的壓潰 強(qiáng)度為308MPa，硬度為1420kgf/mm2。鋼管內(nèi)襯分別在20% H2SO4,20% HCl和王水中加速 腐蝕，其失重分別為 0. 05g/m2 · d、0. 04g/m2 · d 和 0. 09g/m2 · d。實(shí)施例4 將含有Cr、Ni、V、Mn等金屬元素(見圖2)、A1203和SiO2的鐵基廢料(見圖3)進(jìn) 行50(TC烘烤，除去水汽和雜質(zhì)，篩分得到-240目粉末。與還原劑Al粉混合均勻，其質(zhì)量比 為Al粉鐵基廢料為2 1。混合料均勻裝入鋼管內(nèi)，固定在制管機(jī)上。啟動離心機(jī)，當(dāng) 轉(zhuǎn)速達(dá)到1600轉(zhuǎn)/分時(shí)，用鎢絲點(diǎn)燃混合料發(fā)生SHS離心反應(yīng)燒結(jié)。在離心力作用下形成 “三明治”結(jié)構(gòu)的鋼管，由內(nèi)到外依次為陶瓷層1、鐵合金層2和鋼管基體層3。鋼管的壓潰 強(qiáng)度為300MPa，硬度為1510kgf/mm2。鋼管內(nèi)襯分別在20% H2SO4,20% HCl和王水中加速 腐蝕，其失重分別為 0. 04g/m2 · d、0. 03g/m2 · d 和 0. 07g/m2 · d。實(shí)施例5 將含有Cr、Ni、V、Mn等金屬元素(見圖2)、A1203和SiO2的鐵基廢料(見圖3)進(jìn)行30(TC烘烤，除去水汽和雜質(zhì)，篩分得到-300目粉末。與還原劑Al粉混合均勻，其質(zhì)量比 為Al粉鐵基廢料為4 1?；旌狭暇鶆蜓b入鋼管內(nèi)，固定在制管機(jī)上。啟動離心機(jī)，當(dāng) 轉(zhuǎn)速達(dá)到1300轉(zhuǎn)/分時(shí)，用鎢絲點(diǎn)燃混合料發(fā)生SHS離心反應(yīng)燒結(jié)。在離心力作用下形成 “三明治”結(jié)構(gòu)的鋼管，由內(nèi)到外依次為陶瓷層1、鐵合金層2和鋼管基體層3。鋼管的壓潰 強(qiáng)度為290MPa，硬度為1600kgf/mm2。鋼管內(nèi)襯分別在20% H2SO4,20% HCl和王水中加速 腐蝕，其失重分別為 0. 03g/m2 · d、0. 02g/m2 · d 和 0. 05g/m2 · d。實(shí)施例6 將含有Cr、Ni、V、Mn等金屬元素(見圖2), Al2O3和SiO2的鐵基廢料(見圖3)進(jìn) 行40(TC烘烤，除去水汽和雜質(zhì)，篩分得到-180目粉末。與還原劑Al粉混合均勻，其質(zhì)量比 為Al粉鐵基廢料為1 1。混合料均勻裝入銅管內(nèi)，固定在制管機(jī)上。啟動離心機(jī)，當(dāng) 轉(zhuǎn)速達(dá)到1400轉(zhuǎn)/分時(shí)，用鎢絲點(diǎn)燃混合料發(fā)生SHS離心反應(yīng)燒結(jié)。在離心力作用下形成 “三明治”結(jié)構(gòu)的銅管，由內(nèi)到外依次為陶瓷層1、鐵合金層2和鋼管基體層3。銅管的壓潰 強(qiáng)度為276MPa，硬度為1390kgf/mm2。鋼管內(nèi)襯分別在20% H2SO4,20% HCl和王水中加速 腐蝕，其失重分別為 0. 04g/m2 · d、0. 03g/m2 · d 和 0. 02g/m2 · d。實(shí)施例7 將含有Cr、Ni、V、Mn等金屬元素(見圖2)、A1203和SiO2的鐵基廢料(見圖3)進(jìn) 行40(TC烘烤，除去水汽和雜質(zhì)，篩分得到-200目粉末。與還原劑Al粉混合均勻，其質(zhì)量比 為Al粉鐵基廢料為2 1。混合料均勻裝入不銹管內(nèi)，固定在制管機(jī)上。啟動離心機(jī)，當(dāng) 轉(zhuǎn)速達(dá)到1100轉(zhuǎn)/分時(shí)，用鎢絲點(diǎn)燃混合料發(fā)生SHS離心反應(yīng)燒結(jié)。在離心力作用下形成 “三明治”結(jié)構(gòu)的鋼管，由內(nèi)到外依次為陶瓷層1、鐵合金層2和鋼管基體層3。不銹鋼管的 壓潰強(qiáng)度為312MPa，硬度為1360kgf/mm2。鋼管內(nèi)襯分別在20% H2SO4,20% HCl和王水中 加速腐蝕，其失重分別為0. 03g/m2 · d、0. 02g/m2 · d和0. 01g/m2 · d。
權(quán)利要求
一種用鐵基廢料制備SHS陶瓷內(nèi)襯金屬管材的方法，其特征在于以鐵基廢料和Al粉為原料，將經(jīng)處理的鐵基廢料與Al粉按比例配比、混勻裝料，然后將物料在離心機(jī)上離心點(diǎn)燃后在離心力的作用下進(jìn)行SHS反應(yīng)燒結(jié)，在金屬管材內(nèi)壁形成鐵合金層和致密陶瓷鍍層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用鐵基廢料制備SHS陶瓷內(nèi)襯金屬管材的方法，其特征在于 所述的用鐵基廢料制備SHS陶瓷內(nèi)襯金屬管材的方法，包括以下步驟1)將鐵基廢料進(jìn)行200°C 500°C下烘烤排濕、除雜；2)進(jìn)行80目 300目篩分、合批；3)合批后的粉末成分檢測；4)與Al粉進(jìn)行配比混合均勻；5)將混合均勻的原料加入金屬管材均勻布料；6)啟動制管機(jī)，進(jìn)行SHS-離心法制備陶瓷鍍層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用鐵基廢料制備SHS陶瓷內(nèi)襯金屬管材的方法，其特征在于 所述步驟4)中，Al粉與鐵基磨削廢料質(zhì)量比例為1 10 4 1。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用鐵基廢料制備SHS陶瓷內(nèi)襯金屬管材的方法，其特征在于 參與鋁熱反應(yīng)的為鐵基廢料，所述的用鐵基廢料制備的SHS陶瓷內(nèi)襯金屬管材具有“三明 治”結(jié)構(gòu)特征，由內(nèi)到外依次為陶瓷層(1)、鐵合金層(2)和金屬管材基體層(3)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 4中任一項(xiàng)所述的用鐵基廢料制備SHS陶瓷內(nèi)襯金屬管材的方 法，其特征在于所述鐵基廢料是鋼鐵冶金的副產(chǎn)物，包括軋輥磨削料、冷(熱)軋鐵鱗，所 述鐵基廢料的成分為Fe及其氧化物、Al203、Si02，以及以金屬單質(zhì)和金屬氧化物形態(tài)存在的 Cr, Ni, V,Mn中的任一種或多種金屬元素；所述A1203、SiO2可降低SHS反應(yīng)體系的熔點(diǎn)，提 高流動性，增加金屬管材陶瓷內(nèi)襯厚度，提高陶瓷層(1)表面質(zhì)量。
全文摘要
本發(fā)明涉及用鐵基廢料制備SHS陶瓷內(nèi)襯金屬管材的方法，公開一種耐腐蝕、耐磨陶瓷內(nèi)襯金屬管材的制造方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是經(jīng)處理的鐵基廢料與Al粉配比、混料、SHS離心法鋁熱反應(yīng)燒結(jié)，在離心力的作用下于金屬管材內(nèi)壁形成鐵合金層和陶瓷層，制備金屬管材具有“三明治”結(jié)構(gòu)特征，由內(nèi)到外依次為陶瓷層1、鐵合金層2和金屬管材基體層3。本發(fā)明不僅解決了現(xiàn)有陶瓷內(nèi)襯金屬管材制造成本過高、陶瓷表面質(zhì)量缺陷，而且提高了管材的耐磨和耐腐蝕性能。本發(fā)明制備的金屬管材可廣泛用于冶金、礦山、電力、煤炭等行業(yè)的粉料、泥漿、尾礦輸送。
文檔編號B22F3/23GK101898246SQ201010230229
公開日2010年12月1日 申請日期2010年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月19日
發(fā)明者劉波, 張深根, 李彬, 潘德安, 田建軍 申請人:北京科技大學(xué)