维普资讯 http://www.cqvip.com ＳＨＳ复合钢管的研究现状及应用展望 吴水康 ，符寒光 （１．宝山钢铁股份有限公司钢管分公司，上海２０１９００；２．北京冶金设备研究院，北京１０００２９） 摘要：综述了ＳＨＳ内衬陶瓷复合钢管的特点、性能、制备原理、使用效果和应用前景。 关键词：自蔓延高温合成；内衬陶瓷；复合钢管；离心法；重力分离法 中图分类号：ＴＧ３３５．８３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—２３ｌ１（２００２）０４—０００９—０５ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ＳＨＳ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｔｅｅ Ｔｕｂｅ ａｎｄ ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｓｐｅｃｔ Ｗｕ Ｓｈｕｉｋａｎｇ ， Ｆｕ Ｈａｎｇｕａｎｇ （１．Ｓｔｅｅｌ Ｐｉｐｅ Ｃｏ．，Ｂａｏｓｈａｎ Ｉ＆Ｓ Ｃｏｒｐ．Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１９００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｍａｉｎ ｆａｃｅｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ＳＨＳ ｃｅｒａｍｉｃ—ｌｉｎｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅ，ｎａｍｅｌｙ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ— ｔｉｅｓ，ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｔｈｅｒｅｏｆ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳＨＳ；Ｃｅｒａｍｉｃ—－ｌｉｎｅｄ；Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅ；Ｃｅｎｔｉｆｕｇａｌｒ ｐｒｏｃｅｓｓ；Ｇｒａｖｉｔｙ——ｓｅｐａｒａｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ０前言 ２０世纪７０年代中期，前苏联科学家开发了自 随着科学技术和生产力的发展，对钢管的性 蔓延高温合成内衬陶瓷钢管技术－－１，与传统内衬陶 瓷钢管技术相比，具有工艺简单、成本低、性能 好等特点。２０世纪８０年代后期１３本小田原修等将 这一技术实用化，用于铝液和地热水的输送。我 国于１９９０年开始这一技术的研究， “八五”期间 这一技术得到国家“８６３”计划的资助，北京科技 大学等单位开展了“ＳＨＳ一离心法制备内衬陶瓷钢 管”的研究，在探明离心力场下管内的铝热反应 受细铝粉的爆燃控制的基础上，生产过程和产品 质量的控制技术取得突破性进展。目前美国、１３ 本、俄罗斯和我国都已掌握了ＳＨＳ内衬陶瓷复合 钢管制造技术，并且已经实现了产业化，用ＳＨＳ一 离心法可生产最大长度达６ｍ的＠８０ｍｍ内衬陶瓷 复合管 １。我国ＳＨＳ内衬陶瓷复合钢管技术在“八 五”后期开始走向产业化，目前国内生产和应用 ＳＨＳ内衬陶瓷复合钢管的单位已超过２０家，年产 值已超过１亿元。本文在总结前人工作的基础 上，着重提出了今后为扩大内衬陶瓷复合钢管在 工业生产中的应用应当引起重视的若干问题。 钢管２００２年８月第３１卷第４期 能要求越来越高，除了要求其具有良好的强度和 韧性外，还要求其具有较高的耐磨性、耐蚀性和 耐热性，因此，在普通碳素钢管的基础上发展了 多种耐磨合金钢管、不锈钢管和耐热合金钢管。 使用高合金材料尽管可以提高钢管的耐磨性、耐 蚀性和耐热性，但高合金管成本太高。在钢管表 面涂覆高性能涂层是提高钢管性能，降低钢管成 本的有效途径。 陶瓷涂层具有优良的耐热性、隔热性、耐蚀 性和耐磨性，适合于制造高性能复合钢管。长期 以来陶瓷衬管的生产问题一直困扰着人们，传统 的ＣＶＤ（化学气相沉积）、ＰＶＤ（物理气相沉积）、 ＰＣＶＤ（物理化学气相沉积）、喷涂及机械镶嵌等方 法制造的陶瓷衬管性能差、成本高，而且对于长 的陶瓷衬管无法生产。 吴水康（１９６９一），男，上海人，工程师，主要从事 钢管生产技术研究。 ＳＴＥＥＬ ＰＩＰＥ Ａｕｇ．２００２，Ｖｏ１．３１，Ｎｏ．４ 维普资讯 http://www.cqvip.com １ ＳＨＳ内衬陶瓷复合钢管的原理和工艺 １．１ ＳＨＳ的特点 自蔓延高温合成（Ｓｅｌｆ—ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ ｈｉｇｈ—ｔｅｍ— ｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，简称ＳＨＳ）是当前材料制备中的 一种新型材料合成技术。该工艺能最大限度地利 用材料合成中所释放的化学能，并在很短时间内 完成材料的合成，因而受到材料界的高度重视。该 技术是前苏联科学家Ａ．Ｇ．Ｍｅｒｚｈａｎｏｖ和Ｉ．Ｐ． Ｂｏｒｏｖｉｎｓｋａｙａ 于１９６７年在研究火箭固体推进剂问 题时提出的，其后此技术迅速发展，目前用ＳＨＳ 法合成的材料已有５００多种，其中有些如ＴｉＣ、 ＴｉＢ 、ＭｏＳｉ 、Ｓｉ Ｎ 等已形成了规模生产，并取得 了较好的社会和经济效益 Ｉ。 图１离心ＳＨＳ内衬陶瓷复合钢管制备原理示意 却之后形成了ＡＩ Ｏ 内衬陶瓷复合钢管，Ｆｅ形成过 渡层。离心ＳＨＳ反应过程只需要几秒钟，且主要 设备只是一套简单的旋转设备。另外生产离心ＳＨＳ 内衬陶瓷复合钢管的主要原料资源丰富，价格便宜。 １．３重力分离ＳＨＳ内衬陶瓷复合钢管的原理和工艺 离心ＳＨＳ法只能用于直管件的涂层制备，对 于弯管、变径管和细长管涂层的制备无法实现。因 ＳＨＳ的基本特点是：利用外部提供的能量诱发 高放热反应体系的局部发生化学反应（即点火）， 形成化学反应前沿燃烧波，此后化学反应在自身 放出的热量的支持下继续进行，使得邻近的物料 发生化学反应，结果形成一个速度为 的燃烧 波。随着燃烧波的推进，原始混合物料转化为产 物，待燃烧波蔓延至整个体系，则合成了所需的 材料。ＳＨＳ法制备材料的突出优点是：①工艺简 此在离心法的基础上，又开发了重力分离ＳＨＳ 法。其基本原理是利用铝热反应的高温使反应物处 于熔融状态，钢管中未反应物料上部形成了由金属 铁和陶瓷两相熔体组成的熔池（见图２）。由于金属 铁的密度大于陶瓷的密度，在重力的作用下，不互 溶两相熔体分离，使金属铁沉积于熔池底部，陶瓷 Ａｌ Ｏ 浮于上部，凝固体附着在钢管壁上并形成连 续、均匀的陶瓷内衬层。与离心ＳＨＳ法相比，重 力分离ＳＨＳ法合成涂层技术的应用研究报道较 少，１３本的佐多延博Ｉ Ｉ用重力分离ＳＨＳ法制备了内 衬陶瓷复合钢管后，人们对这种无需外加机械力的 涂层制备方法产生了浓厚的兴趣。北京科技大学、 单，过程时间短，一般整个过程在几秒至几十秒 时间内完成；②合成物污染小，纯度高；③能最 大限度地利用材料合成中的化学能，节约能源； ④能集材料的合成与燃烧于一体。 ＳＨＳ问世以来，经中外科学家的共同努力，已 开发了许多相关技术和工艺，如ＳＨＳ制粉、ＳＨＳ 致密化、ＳＨＳ烧结、ＳＨＳ熔铸、ＳＨＳ焊接和ＳＨＳ 涂层等。尤以ＳＨＳ涂层具有较好的耐蚀性、耐磨 性和耐热性而引起人们的重视 ７１。目前有关ＳＨＳ 涂层的研究大多以制备钢管的防腐、耐磨陶瓷涂 层为主。 清华大学等单位都对重力分离ＳＨＳ法制备内衬陶 瓷复合钢管技术做了较详细的研究，部分产品已应 用于工、Ｉ 生产中。 １．２离心内衬陶瓷复合钢管的原理和工艺 离心ＳＨＳ法生产内衬陶瓷钢管的原理见图１。 其工艺过程是：点燃装在离心设备上并高速旋 转的管内反应物，使管内按一定比例混合的反应 物如Ｆｅ Ｏ 粉和Ａ１粉，利用被激发的强烈氧化还 原反应释放出来的大量反应热来维持反应的迅速 进行，而不再需要外加能源，并且使得反应后的 产物处于熔融状态，熔融态生成物在离心力作用 下，可根据其密度不同而相互分离，如Ｆｅ的密度 （７ ６４４ｋｇ／ｍ ）比ＡＩ２Ｏ３的密度（３ ８９０．６ｋｇ／ｍ ）大， 因而Ｆｅ层紧靠钢管表面，而ＡＩ ０ 在最里层，冷 ＳＴＥＥＬ ＰＩＰＥ Ａｕｇ．２００２，Ｖｏ１．３１，Ｎｏ．４ ｌ一钨丝 ２一钢管 ３一铝热剂 ４一陶瓷 ５一熔融陶瓷 ６一熔融金属 图２重力分离ＳＨＳ内衬陶瓷管制备原理示意 维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com Ａ１ｚＯ，处于熔融状态，随后凝固收缩，而钢管由于 受反应放热的影响也发生热膨胀，然后冷却收缩。 两者膨胀收缩的差异造成了裂纹的萌生。Ａ１ Ｏ，刚 凝固完毕时，Ａ１ｚＯ 陶瓷层与钢管之间无间隙，随 后Ａ１ｚＯ，冷却收缩，但钢管由于继续吸收陶瓷层放 出的热量继续膨胀或收缩很慢，这样在陶瓷层和钢 管之间就会出现间隙，而此时的陶瓷层受到离心力 的作用，加上高温时陶瓷层强度较低，结果陶瓷层 萌生张应力，出现无规则的网状张裂纹。冷却到较 低温度时，由于钢管热膨胀系数比陶瓷层大，钢管 将以较快的速度收缩，间隙逐渐减小并消失，最后 对陶瓷层产生压迫作用，当压应力超过陶瓷层的承 受能力时，陶瓷层将产生压裂纹。根据钢管的壁厚 和直径，适当控制铝热剂的加入量，可调整间隙量 和压应力大小，从而控制裂纹的萌生。小田原修在 总结试验数据的基础上提出了适应于薄壁钢管的经 验公式 丌ｐ（Ｄ—Ｓ）×１０～＝ｎＧ 式中Ｐ——钢管的密度，ｋｇ／ｍ ； Ｄ——钢管外径，ｍｍ； ５——钢管壁厚，ｍｍ； ｎ——系数，０．５～０．８； Ｇ——铝热剂添加量，ｋｇ／ｍ。 研究发现，满足上式将可以避免裂纹的萌生。 普通Ａｌ—ＦｅｚＯ，系反应得到的陶瓷层，在 — Ａ１ Ｏ，晶界易出现裂纹。李冬黎等人 １２１发现添加 Ｎａ Ｂ Ｏ 后出现了低熔点的Ａ１ＢＯ，相和ＦｅＢ，相，使 仅一Ａ１ Ｏ，相刚凝固时其晶粒周围存在的液相量增 加，晶界抗裂纹能力由此提高。 ２．３提高陶瓷层结合强度 内衬陶瓷复合钢管承受机械冲击和热冲击的能 力与陶瓷层与钢管基体（含铁层）之间的结合强度密 切相关，因此陶瓷层结合强度是衡量其质量的一个 重要指标，通常用压剪强度来表征结合强度¨引。为 了提高陶瓷结合强度，李冬黎等人［１４１研究了ＮａｚＢ Ｏ 对内衬陶瓷复合钢管压剪强度的影响，见图５。 刚开始时，随着Ｎａ Ｂ Ｏ 添加量的增加，压剪 强度明显提高，当Ｎａ Ｂ Ｏ 添加量进一步增加时， 压剪强度上升减缓。这是因为铝热反应后的熔融产 物Ａ１ Ｏ，和Ｆｅ在离心力作用下实现两相分离。 Ａ１ Ｏ，和Ｆｅ分离后的结合情况取决于两者之间的润 湿性，因为陶瓷层和铁层是通过“机械咬合”而结 合在一起，改善Ａ１ Ｏ，和Ｆｅ之间的润湿性有利于 ＳＴＥＥＬ ＰＩＰＥ Ａｕｇ．２００２，Ｖｏ１．３１，Ｎｏ．４ 提高两者之间的结合强度。Ａ１ Ｏ，和Ｆｅ润湿性差， 因此普通陶瓷层结合强度低。加入ＮａｚＢ Ｏ 后，因 它在高温下分解生成ＢｚＯ，，ＢｚＯ，的表面张力仅为 ０．０８Ｎ／ｍ，它可显著降低ＡｌｚＯ，和Ｆｅ之间的表面 张力，使分离之后的固态Ａ１ｚＯ，和液态Ｆｅ之间的 润湿性改善，因而促使结合强度提高。 山 羔 ＼ 意 密 Ｎａ Ｂ Ｏ，质量分数 图５ Ｎａ２Ｂ，Ｏ，对离心ＳＨＳ内衬陶瓷复合钢管压剪强度的影响 ３ ＳＨＳ内衬陶瓷复合钢管的特点 ＳＨＳ内衬陶瓷复合钢管具有如下特点： （１）工艺简单、投资少、能耗低、效益高； （２）陶瓷层厚度≥１．８ｒａｍ； （３）陶瓷层具有优异的耐磨性能，是普通钢管 的２０倍以上； （４）耐热性能优异，可达８００￣Ｃ； （５）陶瓷层具有优异的耐蚀性能，在ＨＣ１、 Ｈ ＳＯ 等腐蚀介质中，内衬陶瓷复合钢管腐蚀失重 很小，远远小于１Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢的腐蚀失重； （６）陶瓷层与钢管内壁界面结合强度高，不易 剥离和损坏； （７）内衬陶瓷复合钢管可焊接、易安装。 ４ ＳＨＳ内衬陶瓷复合钢管的应用现状及展望 由于ＳＨＳ内衬陶瓷复合钢管有上述优点，所 以它在冶金、矿山、石化、煤炭、电力等行业已获 得广泛的应用，其前景非常良好。 高炉喷煤能大幅度降低入炉焦比，是降低炼铁 成本的最有效手段，已成为高炉炼铁技术的重要内 容，而喷是高炉喷煤时的主要易损备件。高炉喷煤 所用的喷多是普通不锈无缝钢管或高强度耐热钢 管焊接而成，其使用寿命短，制约着高炉喷煤技术的 发展。采用ＳＨＳ一重力分离法开发出的内衬陶瓷煤 粉喷，在宝钢２号高炉上的使用寿命达４ ５００ｈ， 维普资讯 http://www.cqvip.com 使用后陶瓷抗剪强度不但没有下降，反而由 １６．５ＭＰａ增加至３０．３ＭＰａｔ 】。小田原修采用 ＳＨＳ一离心法制造的长５．５ｍ的内衬陶瓷钢管，已 应用于铝液和高温腐蚀气体的输送 Ｉ。 金属矿山使用内衬陶瓷复合钢管输送矿浆， ４ Ｚ．Ａ．Ｍｕｎｉｒ．Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｂｙ ｓｅｌｆ—－ ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ【Ｊ】．Ａｍｅｒ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．Ｂｕｌ１．， ６７，１９８８，（２）：３４２～３５１． ５ ０．Ｏｄａｗａｒａ．Ｌｏｎｇ ｃｅｒａｍｉｃ—ｌｉｎｅｄ ｐｉｐｅｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ａ ｃｅｎ— ｔｉｆｕｇａｌ—ｔｈｅｒｍｉｒｔ ｐｒｏｃｅｓｓ【Ｊ】．Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．，７３，１９９０， （３）：６２９～６３３． 其使用寿命比普通钢管提高１０倍以上。我国矿产 资源丰富，铁、铜、铝、钨、锌、锑、锡等矿山 数以百计，是内衬陶瓷复合钢管的广阔市场。 我国的电力构成中，火力发电约占７０％以 ６佐多延博．ＳＨＳ法材料合成技术与应用【Ｊ】．工业火药 （日），１９８８，４９（４）：２４２～２４８． ７张龙，赵忠民，王建江等．重力分离ＳＨＳ陶瓷衬管合 成过程的研究【Ｊ】．铸造，１９９８，（６）：４～１０． ８王建江， 叶明惠，赵忠民等．ＳＨＳ陶瓷内衬复合弯管的 制备【Ｊ】．金属热处理，１９９８，（１２）：４～６，２９． ９杜心康，赵忠民，叶明惠等．金属氟化物对ＳＨＳ陶瓷内 上，用陶瓷复合钢管代替普通钢管输煤、输渣、 输灰，可明显提高使用寿命。河北电力设备厂生 产的陶瓷复合管已在洛阳、马头、西柏坡等多家 电厂得到较好的应用ｎ 。 衬复合弯管的影响【Ｊ】．特种铸造及有色合金，１９９９， （１）：４～７． １ ０ Ｓ．Ｙｉｎ，Ｍ．Ｌｉｕ，Ｙ．Ｃ．Ｙａｏ，ｅｔ ａ１．Ｆｅｌｄｓｐａｒ ａｄｄｉｔｉｖｅ ｉｎ ｃｅｒａｍ— 我国大部分油田普遍采用注水法采油，油水 混合物中含有一定量泥砂和Ｈ ｓ等腐蚀磨损介 质，普通无缝钢管的使用寿命较低，需要频繁更 换。采用内衬陶瓷复合钢管取代普通钢管，可满 足石油工业的需要，其市场前景良好。 管道运输因具有成本低、运量大、建设周期 ｉｃ ｐｉｐｅｓ ｍａｄｅ ｂｙ ａ ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ ＳＨＳ ｐｒｏｃｅｓｓ【Ｊ】．Ｉｎｔｅｒ．Ｊ ＳＨＳ，１９９３，２（１）：６９～７４． １１孙世清，毛磊，刘宗贸等．高致密度莫来石一玻璃陶 瓷内衬钢管的研究…．热加工工艺，Ｉ９９９，（５）：１９～２１． １２李冬黎，夏天东．№ Ｂ Ｏ 对离心ＳＨＳ陶瓷内衬复合钢 管结构及性能的影响【Ｊ】．热加工工艺，２０００，（６）： ｌ８～２０． 短、安全可靠、占地很少等优点，近年来在我国 发展迅速。国家正准备大力发展管道运输技术， 包括水煤浆的管道运输。管道运输业是内衬陶瓷 复合钢管的巨大市场。 除了上述领域外，内衬陶瓷复合钢管还有望 应用于建材、化肥、化工、建筑、天然气、市政 等领域。 １３小田原修，池内准．离心于，Ｌ，三、／’ 法Ｉ二土 复合构造 管 制造【Ｊ】．日本金属学会志（日），１９８１，４５（３）： ３１６～３２１． １４李冬黎，夏天东，何湘宁．Ｎａ Ｂ Ｏ 对离心ＳＨＳ陶瓷内 衬复合钢管压剪强度的影响【Ｊ】．粉末冶金技术，２０００， ｌ８（４）：２５７～２６０． １５王建江，赵忠民，王双喜等．新型陶瓷内衬煤粉喷的 ５参考文献 １ Ｅ．Ｊ．Ｊｕｇａｎｓｏｎ． Ｕ．Ｓ．ｐａｔｅｎｔ，Ｎｏ．４００５４７１，Ｆｅｂ．１．１９７７． 研制【Ｊ】．炼铁，１９９８，１７（５）：３５～３７． １６王铁重，王树炎，李彦武等．钢一陶瓷复合管生产技术 及其在火电厂的应用【Ｊ】．水力电力机械，１９９９，（６）： ２７～２９． ２赵洋，赵天林，夏 明．陶瓷钢铁复合管【Ｊ】．冶金设 备，２００１，（１）：６１． ３ Ａ．Ｇ．Ｍｅｒｚｈａｎｏｖ．Ｉ．Ｐ．Ｂｏｒｏｖｉｎｓｋａｙａ．Ａ ｎｅｗ ｃｌａｓｓ ｏｆ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ （收稿日期：２００１—０３—１２） ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ［Ｊ１．Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．，１９７５，（１０）：１９５～１９９． 口． ． ． ． ． ． ． ・ ・（修定日期：２００１—０５—０９） ●信 息 湖北沙市钢管厂新建大口径焊管机组 中国石化总公司属下的上海钢管厂与德国施诺曼・西马克（ＳＭＳ）米尔有限责任公司签订了引进ｌ套新型大Ｉ＝１径焊管机 组的合同。主要设备有：钢板铣边机ｌ台、焊管压力成型机ｌ台和用于矫直及定径的机械扩径机ｌ台（其塑性变形率为ｌ％ ～１．５％）。 该机组采用直缝埋弧焊（ＳＡＷ）工艺，主要用于生产直径２１９～ｌ ４２２ｍｍ，最大壁厚３２．０ｍｍ，长度达１２．２ｍ，钢级可 达Ｘ７０，符合ＡＰＩ ５Ｌ要求的焊接管线钢管。产品主要用于“西气东输”工程。 该机组将建在湖北省沙市市，预计于２００２年年底建成投产，设计年生产能力ｌ５万ｔ。 （攀钢集团成都钢铁有限责任公司 陈云久） 吴水康等：ＳＨＳ复合钢管的研究现状及应用展望 钢管２００２年８月第３１卷第４期
