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1、134自蔓延（SHS）陶瓷内衬钢管制造技术可行性分析一、概述当今世界，科技的竞争已成为综合国力竞争的焦点。举世瞩目的中国“863”高科技研究发展计划充分显示了我国参与这一国际竞争的信心和决心。 “863”计划实施十年来，在追踪世界科技前沿的七大领域中有了很大的突破和发展，在某些领域基础理论和应用研究达到了世界先进水平。经过对国家“863”计划项目产业化的调查分析表明：凡是达到了工业化开发生产技术条件的“863”计划科技成果，在各地进行产业化过程中，都无一例外地体现了其高科技的巨大能量，普遍地形成了几千万、几个亿，甚至十几个亿的产值规模，但是，从整体数量上来看，真正突破基础性和实验性研究阶段达到
2、的工业化生产技术水平并具备完整工艺和装备条件的“863”计划成果尚为数不多。作为“863”计划中新材料领域四大重点项目之一，具有九十年代世界先进水平的 SHS自蔓延陶瓷内衬钢管制造技术，正是这些为数不多，又是刚刚达到工业化开发阶段的，具有庞大市场需求和重大经济价值的“863”计划成果中的一个。因此，对于各地方有一定经济实力的企业来讲，率先抓住这个机遇，抢占市场制高点，参与国际竞争具有重要的战略意义。在矿山、冶金、化工、电站、石油、煤炭等行业中，管道常年担负着输送大量腐蚀性、磨损性介质的任务。在工业生产实践中，人们深深体会到，各种管道一旦腐蚀磨损后，更新的工程成本往往要高出各管道自身价值的数倍至
3、十几倍，而且，工厂还大多要停产抢修，造成相当大的经济损失。在我国因管道腐蚀磨损而造成的直接经济损失每年上百亿元。如何使管道同时具备高耐蚀、耐磨、耐热、耐机械冲击及热冲击的良好综合性能是一个世界性难题。世界冶金学专家普遍认为：依靠 SHS自蔓延高温合成方法使陶瓷和金属有机地结合起来形成复合管材是解决这一世界性难题的关键，一旦取得突破，将推动化工、冶金、矿山、电力、石油等许多行业的发展。因此，世界各主要工业发达国家竞相对这一冶金领域的重大关键技术投入大量人力、财力予以攻关。如原苏联在 1987 年建立了 SHS 研究中心苏科学院结构宏观动力研究所。该所六百人进 SHS 基础研究及 SHS 技术、材
4、料、应用研究。1984 年美国国防部高级研究计划局（简称 DARPA）将 SHS 研究列入国防科研计划。最近几年，美国从事 SHS 研究的大学、国家实验室相继增加，并于 94 年成立了美国燃烧合成学会（AACS） 。八十年代，仅日本就相继有四十五个机构开设了 SHS 研究开发课题，并于 1987 年成立了日本燃烧合成学会（JRACS） 。为了追踪科技前沿技术，尽快攻克这一拥有庞大市场和重大经济价值的技术，我国将其正式列入“863”计划，在国家自然科学基金，教委博士点基金和冶金部的大力支持下，经过近五年的艰苦努力，解决了陶瓷密度 、裂纹、铁铝晶石量控制及长管质量均匀性和变形等等一系列技术和装备难
5、题后，终于在世界范围内率先掌握了利用固体自蔓延高温合成法（SHS ）工业化制造陶瓷内衬钢管这一核心技术，从而使我国在新材料领域又一次取得了重大突破，为抢占该领域国际市场制高点，参与国际竞135争奠定了科技基础。本项技术已通过了冶金部的鉴定。1993 年 3 月，以我国首席材料专家蒋明华为组长的国家“863”计划新材料专家考察组对该项目的试验生产基地进行了考察验收，并给予极高的评价，认为此技术产品达到九十年代国际先进水平，是我国参与国际竞争的拳头产品，具有重大经济效益和社会效益，应加速其产业化进程。二、技术可行性分析1、基本原理：利用铝热反应产生的高温使反应产物熔融，在离心力的作用下，使反应产物
6、 Al2O3（陶瓷）和 Fe 分离，比重大的 Fe 层与钢管内壁烧熔结合形成过渡层，而比重小的 Al2O3 则形成耐磨、耐蚀坚硬的钢管陶瓷内衬。2、性能对比及产品用途（1）陶瓷钢管耐磨对比试验如表 1 所示。表 1 陶瓷钢管耐磨对比试验同条件喷砂对比试验（SiO 2砂） 同条件 30%SiO2，泥浆冲刷对比试验97%氧化铝瓷 0.0025 45 号碳钢 25陶瓷钢管 0.0022 陶瓷钢管 3（2）陶瓷钢管现场效果对比如表 2 所示。表 2 陶瓷钢管现场效果对经试验使用条件使用效果材料65%水泥砂浆矿山 火电厂干灰渣气陶瓷钢管直管 已输送 130000m3 还在继续使用已输送 100000m3
7、 还在继续使用20#无缝碳钢直管 50000m3 已磨穿 30000m3 已磨穿陶瓷钢管弯管 输送 45000m3 陶瓷层局部开始出现微小脱落输送 40000m3 陶瓷层局部微小脱落20#无缝碳钢弯管 4000m3 已磨穿 3000m3 已磨穿（3）陶瓷钢管耐蚀性对比（按不锈钢测试标准，30 天，室温）如表 3 所示。表 3 陶瓷钢管耐蚀性对比试验介质失重数材料10%Hclg/m2h10%HNO3g/m2h10%H2SO4g/m2h10%H3PO4g/m2h10%C2H4O2g/m2h10%HFg/m2h10%NaOHg/m2h10%NaClg/m2h陶瓷钢管 0.056 0.032 0.02
8、1 0.047 0.022 0.42 0 0不锈钢ICr18Ni9Ti1 0.1 1.8 0.1 0.1 1 0.1 1136（4）陶瓷钢管在各种浓度硫酸中耐蚀性（30 天、室温）如表 4 所示。表 4 陶瓷钢管在各种浓度硫酸中耐蚀性试验硫酸浓度 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80%晶介腐蚀速率mm/a0.1 0.11.2 3.6 1.8 0.1 0.1 0.1陶瓷钢管失重 g/m2h 0.021 - - 0.04 - - - -晶介腐蚀速率mm/a2.0 - - - 5.0 - - 0.46不锈钢 失重 g/m2h 1.8 - - - 4.6 - - 0.42注：不
9、锈钢管为 ICr18Ni9Ti。（5）陶瓷钢管与化工陶瓷管抗机械冲击和热冲击性比较如表 5 所示。表 5 陶瓷钢管与化工陶瓷管抗机械冲击和热冲击性比较材 料 抗机械冲击次数A热冲击出现裂纹的淬火次数B常温下 2003004507001000 1100陶瓷钢管 15 次出现裂纹 - 9 6 5 3 出 现 小 裂 纹 和剥 落耐酸陶瓷管 1 次即碎 2 耐 酸 耐 热 陶 瓷管1 次即碎 - - 2 A、机械能 50J 点接触管体外面陶瓷产生裂纹次数B、各给定温度下加热 5 分钟淬火，再加热淬火 （6）陶瓷钢管与其它材料机械物理性能比较如表 6 所示。表 6 陶瓷钢管与其它材料机械物理性能比较材
10、料 硬度值 压渍强度 密度陶瓷钢管 HV1100-1500 或HRA8692350400MPa 3.853.9g/cm3碳钢钢管 HV150 400Mpa 7.8g/cm3钨钴硬质合金 HRA8692 - 1315/cm3（7）陶瓷风衬钢管的耐酸度如表 7 所示。表 7 陶瓷内衬管的耐酸度材 料 耐磨度，%耐酸陶瓷 80陶瓷内衬钢管 9698陶瓷内衬钢管综合了陶瓷的硬度大、化学惰性高、强度和塑性好的优点，具有其137它管材无法比拟的优异综合性能和良好耐磨、耐蚀、耐热和高抗机械冲击及热冲击性能。陶瓷硬度达到 HV1300，耐磨性比碳钢高十倍以上，耐蚀性（ HCL）是不锈钢的十几倍，耐酸度 969
11、8%，优于耐酸陶瓷，与高刚玉瓷相当，同时具有极好的耐碱和盐的腐蚀性能，并且可在 900 以下长期工作，其批量工业化生产的产品规格为：50400 毫米，长度 1 米6 米。陶瓷内衬钢管不但具有优异的综合性能，而且具有极高的性价比。陶瓷内衬钢管与不锈钢管比，其价格只有不锈钢管的 1/41/5，与相同规格稀土耐磨合金铸管（不能采用焊接联接）比价格虽然相当，但重量却轻 2030%，因此大大降低了工程造价。另外陶瓷内衬钢管可采用焊接、法兰或柔性快速接头方法联接，工程造价又可相应降低。陶瓷内衬钢管以其优越的经济技术性能可广泛应用于电厂煤粉、灰渣、腐蚀介质、铝液、矿山矿粉、尾矿和回填料的输送；在化工、电力、
12、石油、炼铝、冶炼等行业存在大量的高酸性、高碱性、高硬度或高温物质的输送，对管道的要求极高，陶瓷内衬钢管如能推广应用，必然有力地促进工业生产的发展。在现代工业发展过程中，对各种管道的需求是相当庞大的，而且管道的使用都在一定的寿命，因此其市场需求也是相对稳定的。一种新型管材能否全面占领市场，形成规模效益，关键在于其产品技术性能与性价比是否有很强的优势。毫无疑问，通过国家验收并达到九十年代国际先进水平的“863”计划项目陶瓷内衬钢管就是这样一个能够占领科技制高点和具有极强市场占有能力的拳头产品。三、市场前景分析陶瓷内衬钢管可广泛地应用许多行业和领域，目前尚未发现国际上有哪个企业已进行大规模工业化生产
13、的报道。下面仅就陶瓷内衬钢管的几个应用领域作一介绍：1、化工行业化工行业不仅为其它工业行业提供化工原料，而且也为农业提供化肥等农用生产资料。绝大部分化工产品一般都具有较强的腐蚀性或在输送过程中处于高温状态，因此对输送管道的要求很高，常规管道因耐蚀、耐高温性能差，使用寿命短，需经常更换，并且也严重地影响生产。据测算，根据“九五”发展规划，我国整个化工行业每年需更换管道 6 万吨，新安装 5.5 万吨。2、电力行业在我国的电力构成中，火力发电的比重超过 60%，达 16100 万千瓦，火电用煤粉燃烧后的灰，渣均需输送到厂区外的专用灰场，输送距离一般在 520 公里。据系统测算，若按每台 30 万千
14、瓦机组，除灰管输送距离 10 公里，年投产 30 台机组，采用中 377 管道计算，则每年除灰管道约需 30000 吨，更换管道约 2 万吨。尽管几十年来我国的电力工业发展速度很快，但仍一直是国民经济的瓶颈产业，为实现“九五”目标和国民经济远景规划，我国的火力发电今后仍将保持较高的增长速度，因此作为电力行业急需的耐磨粉煤灰输送管道，其市场是十分广阔的。目前，四川内江火力发电厂粉煤灰输送管道正成功地采用陶瓷内衬钢管，应用了两年以上，至今运行完好。3、煤炭及矿冶行业138（1）煤炭工业我国目前的铁路运输处于严重的过饱和状态，不能满足煤炭出口和火力发电对煤炭运输的要求，因此更多的需要以长距离管道运输
15、取代铁路运输，现行的管道运煤普遍采用湿法输送，这就要求管道既耐磨、又耐腐蚀，如以陶瓷内衬钢管作为输煤管道，能够经过五、六十年而毋需维修，经济效益和社会效益都很显著。因此，其将来在煤炭行业的应用具有极为良好的前景。（2）矿冶工业矿山充填、精矿粉和尾矿运送等对管道的磨损也很严重，如攀枝花、大冶、大和等矿的精矿输送，因磨损严重，采用其它管道不到一年就需更换。我国矿产资源丰富，铁矿、铜矿、金矿、稀土矿等等矿藏综合拥有量居世界前列。随着国民经济的发展，工业对矿物资源的需求量日益增加，为提高矿产资源开采和矿冶工业的生产效益，稳步增加产量，对陶瓷内衬钢管的需求也日益迫切。4、其它行业（1）盐井及盐化工盐化工及氯碱行业用于输送腐蚀性极强的液体管道，采用普通钢管寿命仅 34 个月，采用钛管或镍管，虽可提高耐蚀性，但价格极为昂贵。由于陶瓷内衬钢管有很高的耐蚀性，价格合理，可以大规模取代钛管或镍管。（2）石油行业目前，大部分油田普遍采用注水法采油，其抽油输送管道中的油水混合物含有一定量的泥沙、H 2S 等腐蚀、磨损物质，使用普通的钢管寿命很短，需要经常更换。（每年更换 34 次） ，利用烯土管，因其价格高，易损坏且损坏后不易更等缺点，因而有很大的局限性。采用陶瓷内衬钢管从其性能及相应的使用寿命上很适应油田的需要。因此油田市场前景十分看好。发胜利油田为例，每年需更新与新铺的钢管长度
