鋁熱離心法已成功地用于陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管的生產(chǎn),鋁熱離心法也可用于不銹鋼內(nèi)襯復(fù)合鋼管的制造。由這種方法制備的復(fù)合鋼管可取代整體不銹鋼鋼管,制造成本低。不銹鋼內(nèi)襯復(fù)合鋼管可用作耐腐蝕管道、耐腐蝕容器和閥門、用于石油,化工和礦山等工業(yè)部門
不銹鋼工程上。
鋁熱離心法制備不銹鋼內(nèi)襯復(fù)合鋼管的原理為:將含有Fe
2O
3、NiO、CrO
3、Cr
2O
3和Al粉的鋁熱劑粉末裝入普通碳鋼鋼管內(nèi),把裝有鋁熱劑的鋼管裝夾在離心機(jī)上。使其高速旋轉(zhuǎn),之后點(diǎn)燃鋁熱劑,發(fā)生氧化還原反應(yīng),放出大量的熱,反應(yīng)產(chǎn)物Fe,Ni,Cr和A1
2O
3:呈熔融狀態(tài)。由于產(chǎn)物密度不同,在離心力作用下發(fā)生相分離。比重較小的A1
2O
3浮于內(nèi)表面(隨后被除去),比重較大的金屬Fe,Cr,Ni形成合金和基體碳鋼熔焊在一起,形成內(nèi)襯不銹鋼的鋼管。化學(xué)反應(yīng)式如下:
Fe
2O
3十2Al=2Fe十A1
2O
3十836kJ
CR
2O
3十2AL=2Cr十Al
2O
3十530kJ
CrO
3十2A1=Cr十Al
2O
3十1094kJ
3NiO十2Al=3Ni十A1
2O
3十928kJ
調(diào)整鋁熱劑各組元的含量可制備18~8型奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼和耐熱不銹鋼。
鋁熱離心法與傳統(tǒng)離心鑄造工藝有很大區(qū)別。首先是熔體的產(chǎn)生方式不同。離心鑄造的高溫熔體是在型腔外高溫熔化,再注入型腔中。鋁熱離心法的高溫熔體是由化學(xué)反應(yīng)在型腔中原位生成,具有較高的溫度。其次是高溫熔體的組成不同,離心鑄造的高溫熔體由某成分的合金構(gòu)成,鋁熱離心法的高溫熔體由比重不同的兩種或兩種以上的材料組成。在鋁熱離心過(guò)程中,不但有鋁熱劑的燃燒合成,同時(shí)還發(fā)生熔融產(chǎn)物金屬與渣(主要為Al2O3)的相互分離。由于燃燒過(guò)程較快,液相停留時(shí)間較短,因此,快速實(shí)現(xiàn)熔融金屑與渣的分離對(duì)得到高質(zhì)量的金屬涂層非常重要。研究表明,離心力可明顯加速相分離過(guò)程,降低熔體的粘度也有利于相分離,同時(shí),還應(yīng)盡量延長(zhǎng)液相停留時(shí)間。碳鋼鋼管的預(yù)熱以及在其內(nèi)表面涂層以減少熱量損失,都可以有效延長(zhǎng)液相停留時(shí)間,使相分離更加完全,從而提高不銹鋼層的純度。
由于不銹鋼層與基體碳鋼之間熱膨脹系數(shù)的差別,復(fù)合鋼管高溫合成后的冷卻過(guò)程中,不銹鋼層中產(chǎn)生拉應(yīng)力,基體碳鋼中產(chǎn)生壓應(yīng)力。在熱應(yīng)力作用下,不銹鋼層中易產(chǎn)生裂紋。研究表明,如果合成的不銹鋼塑性較差,熱應(yīng)力易使其開(kāi)裂。如果不銹鋼層在熱應(yīng)力作用下可發(fā)生塑性變形,可明顯緩解熱應(yīng)力,從而消除裂紋。提高鋼的純度,減少夾雜及第二相的析出,都能提高不銹鋼的塑性。
鋁熱離心法的優(yōu)點(diǎn)之一是可制備超低碳不銹鋼,避免鋼中析出碳化物,因此可防止由于碳比物析出造成的晶界附近貧鉻,從而提高抗晶間腐蝕性能。
不銹鋼層的結(jié)晶形態(tài)與鋁熱離心法的工藝特點(diǎn)有關(guān)。鋁熱劑點(diǎn)火后,燃燒產(chǎn)物為熔融的A1
2O
3和金屬。在保證兩相能夠完全分離的工藝條件下,由于離心力的作用,A1
2O
3浮于圓周內(nèi)表面,并先于金屬熔體結(jié)晶,這相當(dāng)于在熔融的液態(tài)金屬表面加了一層保溫層,而與熔融金屬接觸的外層鋼管溫度較低,且導(dǎo)熱系數(shù)大于A1
2O
3層,因此不銹鋼熔體的結(jié)晶先從鋼管的內(nèi)表面開(kāi)始并向軸心方向呈柱狀生長(zhǎng)。