浅谈喷煤枪实现陶瓷内衬的发展历程

长治高新区京辉冶金配件有限公司

李文明

• 发展背景

从1990年开始研究喷煤枪及小口径管件至今已走过近14个年头了。喷煤枪及小口径管件实现陶瓷内衬的技术已经非常成熟。而且在高炉喷煤上的应用也进入了成熟阶段。返回头回顾我公司研究推广的历史也许对产品技术的提高和普及有着一定的意义。

在1990年，由于我国钢铁企业的复苏和崛起，使我国炼铁高炉的数量和容积不断增加和扩大，生铁产量也大幅度提高，但是，现代高炉所用的喷枪，多采用普通不锈无缝钢管或高强度耐热钢管焊接而成，使用寿命较短，更换频繁，工人劳动强度大，影响生铁产量，增加炼铁的成本，直接制约着高炉喷煤技术的发展。所以，稳定和提高喷煤量是高炉炼铁降低成本***有效的途径之一，而提高喷煤量的关键在于喷枪及喷煤管道的使用寿命。当今世界科技的竞争已成为综合国力竞争的焦点。我国“863”高新技术研究发展计划，充分显示了我国参与这一国际竞争的信心和决心。“863”计划实施的十几年来，在***世界科技前沿的七大领域中有了很大的突破和进展。在某些领域，基础理论和应用研究达到了世界***水平，特别是自蔓延陶瓷内衬复合异型件制造技术的应用推广，在国际上占据***地位。并已取得了可观的经济效益和良好的社会效益。广泛用于冶金、电力、矿山、石油、化工建筑等领域。因此，选择耐磨损、耐腐蚀、抗高温、抗变形的材料制备管件弯头及煤粉喷枪就成为提高煤粉喷枪寿命的关键。在短短的几年内，

我国已涌现出几十家陶瓷内衬复合钢管制造企业，形成了以解决

管道磨损、腐蚀、高温氧化等问题的重多材料生产企业中，具有

相当竞争实力的一个新行业，并具备相当大的发展潜力。但是，在铝热——离心法制备陶瓷内衬复合钢管制造技术的实践中，发现存在着许多不足之处。主要反映在以下几点：

1. 在众多磨损、腐蚀领域中，异型件占有相当大的比例。如何使异型件实现陶瓷复合内衬，是一个很值得研究开发的内容。

 2、对于管径∠50mm的小口径管件，在众多领域的应用中也占据一定的比例，如何实现小口径异型管件的陶瓷复合内衬，也具有一定的研究开发价值。

 3、对于特殊使用环境中所需的管件内壁局部需解决的易磨损问题，特别是异型管件内壁局部需要解决的易磨损问题，只有采用此技术才可以解决,并有效地提高耐磨程度。

4、采用自蔓延铝热——离心法，通过短节焊接，实现虾米弯曲，确实在一定程度上解决了管道系统中弯曲部件耐磨的问题，但无法形成圆滑过度，众多焊口处也处在压力冲击旋流的作用下，很容易磨损，同时，焊口处不耐腐蚀，无法进入耐蚀领域。

 除以上几个突出问题外，还存在其它一些不足之处。我们认为，不可否认这在自蔓延陶瓷复合新材料的推广应用中，显得不够完整，不够完善。当然，任何新产品、新材料、新工艺的推广，

都有着艰辛的发展历程，都需要在推广应用过程中，不断改进，逐步完善。

 如何解决异型件的陶瓷复合内衬，特别是局部内衬，美国、原苏联、日本等***学者，都在进行着艰苦的探索。目前，在国

际文献资料上，尚未查到有关介绍。我国部分科研院校和***学者在此问题的研究中均取得了一定的成果。北京科技大学表现突出，但其成果均没有投入到大批量生产阶段。我们在原有的铝热——离心制管技术的基础上，通过自身研究，也取得了一定的成绩。为了***抓住科技***这个机遇，开发产品，扩大市场，抢占市场制高点，强有力地参与国际、国内市场竞争，具有重大的战略意义。同时，也为我省、我市进行前沿科学领域的研究、开发、应用走出一条技术创新之路，为我市高新技术产业的发展，做出一定的贡献。

由此，运用自蔓延铝热――重力分离技术，采用钢管内壁局部衬陶瓷的加工方法，在静态环境下实现异型件陶瓷复合内衬这一制造技术来解决重多领域里耐磨问题，已经成为一种很有发展前途的项目。采用自蔓延技术，在铝热——离心技术的基础上，通过进一步研究铝热——自重分离技术，使动态工艺变为静态工艺，及通过铝热反应的基本原理，改变外界环境，采用特殊加工手段，实现异型管件的陶瓷内衬，结合管道及喷枪的特点，采用“钢管内壁局部衬陶瓷”的加工方法，以实现“高温合金陶瓷煤粉喷枪”为研究目的。我公司经过自身努力，以生产资助科研，并在钢铁研究总院等科研院校的帮助下,

使这一新技术达到尽快的推广应用。我们相信，这一制造技术将会结出丰硕的果实。为我国的科技事业争光，为我市高新技术的发展争光。

二、详细科学技术内容

 利用自蔓延——重力分离技术，采用钢管内壁局部衬陶瓷的加工方法，开发出炼铁高炉用高温合金陶瓷煤粉喷枪及管道，其主要特性：

1、管道使用寿命长，更换率低，保证了使用周期，减轻了工人的劳动强度

  2、喷枪的枪位稳定，减少高炉休风，提高生产率

  3、稳定和增加喷煤量，实现大喷吹，降低炼铁成本

4、可修复旧枪，延长喷枪使用寿命。

5、保证了工人更换喷枪作业时的安全系数。

自蔓延（SHS）理论是自蔓延高温合成理论的简称，也称燃烧合成理论，是利用化学反应自身放热制备材料的新技术，是当今新材料制备技术的前沿科学，是我国“863”高新技术研究开发项目。特别是陶瓷内衬钢管制造技术的开发应用，我国在国际上

占据***地位。为进一步扩展钢管陶瓷内衬技术，解决异型管件的陶瓷内衬、特别是异型管件的局部陶瓷内衬，采用铝热——离心法无法制备。我国少数科研院校及少数***学者都在进行探讨和研究。我们也在铝热——离心法制备陶瓷内衬钢管技术的应用

实践中，开始研究陶瓷内衬异型件制造技术。在运用铝热——重力分离技术，采用钢管内壁局部衬陶瓷的加工方法上已取得了一定成绩。开发出的部分产品已在工业应用方面收到了良好的效果，并已成为我国惟一一家能够***批量生产陶瓷内衬异型管件的企业。

自蔓延陶瓷异型件制造技术的基本原理是利用燃烧合成理论，结合物理学、化学、数学、化学工程、冶金学、材料科学和工程机械学的理论，通过铝热——重力分离法实现陶瓷复合内衬的。此项目主要技术内容是正确利用自蔓延——铝热自重分离技术实现管道及喷枪的陶瓷内衬；采用合理的加工方法（即：钢管内壁局部衬陶瓷的方法）保证陶瓷内衬的厚度、长度、部位等，尽量满足用户提出的具体要求。

自蔓延（SHS）陶瓷内衬异型件制造技术是采用了静态环境下，铝热——重力分离技术，它与铝热——离心技术的原理大体一致，仅是制备过程中采用钢管内壁局部衬陶瓷的加工方法以及使用的添加剂等辅助材料的不同而已。该种工艺下制备的陶瓷内衬制品

由二层结构组成，即：制品基体层、陶瓷内衬层。其产品的耐磨蚀性能，以及断裂韧性、耐热冲击性能与铝热——离心法制备的产品大体一致。其产品的基体与陶瓷层间的结合强度还优于铝热——离心法制备的产品，铝热——重力分离法是采用铝热固体物料的氧化—还原反应实现陶瓷复合内衬的。在反应产生的近2000°C高温下，使反应产物熔融，形成产物熔池，根据反应产物Al2O3（陶瓷）、Fe（铁）密度的不同，使反应产物分离，结合反应产物冷却速度的不同，铁水将集聚在熔池的下部、***终从底部流出、而陶瓷将均匀地内衬于基体表面。反应大约以10mm/s左右的速度，自上而下不断进行，使反应界面保持匀速下移，实现静态下的重力分离，达到异型件陶瓷复合内衬的目的。这种铝热——重力分离技术与钢管内壁局部衬陶瓷的加工方法制备的陶瓷内衬复合异型件弥补了铝热——离心法制备技术的不足，为我国“863”陶瓷复合新材料技术的推广应用，起到了一定的推动作用。陶瓷内衬异型件制造技术还处在工业性研究试验及小批量生产阶段，需要进一步对工艺装备，现代化大批量生产及其工艺的稳定性进一步研究。另外，在已成功开发的高炉煤粉喷枪弯头、煤粉输送管道部件等产品的基础上更多更广的开发新产品，扩大应用领域。在不断巩固冶金领域的应用前提下，进一步开拓电力、石油、矿山、化工等领域。使这一新技术得到更广泛的应用。为我国、我市高新技术新材料研究开发，探索出一条技术与生产开发相结合的畜产业之路。

表一：机械性能

陶瓷层致密度（%）	陶瓷层显微硬度（HV0.2）	抗压溃强度(Mpa)	抗压剪强度(Mpa)
92—96	1200—2000	300—500	15—50

表二：耐腐蚀性能

	36% HCl溶液(g / m3·h)	工业***溶液(g / m3·h)
复合异型件	2.4×10－8	8.5×10－9
原始钢管	2.3×10－7	8.23×10－8

表三：耐热冲击性能

温度（℃）	冲击后陶瓷层表面状况	测试条件
600	无裂痕、剥落	将管件加热致规定温度，然后置于室温流动的水中8次
800	无裂痕、剥落
1000	出现小裂痕

 

 从陶瓷内衬复合异型件的制备工艺分析，采用铝热――重力分离法制备的陶瓷内衬复合异型件，因无离心力等外力的作用，陶瓷层相对致密度不高，将会导致陶瓷层的硬度、强度降低，结果使管件的耐磨性能指标下降。但实际测试结果表明，陶瓷复合内衬异型件的硬度，强度指标并未下降，管件的耐磨性能与铝热——离心法制备的陶瓷内衬复合钢管一致。其主要原因是，铝热剂内适当添加化学添加剂的缘故，使反应产物产生玻璃相，降低了熔体的结晶温度，增加了气体逸出时间，改善了陶瓷熔体的流动性。另外增加了反应放热，提高了熔体温度，延长了液相存在时间，进一步改善了陶瓷熔体的流动性和排气性，使陶瓷复合异型件的致密度并未下降，从而保证了陶瓷异型件的耐磨性能

铝热——重力分离法制备的陶瓷内衬异型件的断裂韧性，耐热冲击性能以及陶瓷层的裂纹扩展抗力，与铝热——离心法制备的陶瓷内衬复合钢管也基本相同，部分性能还提高。这是因为：陶瓷层内部分布着许多微小铁颗粒，***了陶瓷基体内的位错运动，并通过自身塑性变形，致使陶瓷裂纹***区域高度集中的应力部分得以松驰，再加上铁颗粒的自身韧性，使得陶瓷内衬异型

件具有了一定的断裂韧性，耐热冲击性能以及陶瓷层的裂纹扩展抗力。

 铝热——重力分离法制备的陶瓷内衬复合钢管，其陶瓷层与基体的结合强度也很强。其原因是由于添加剂CrO3、Cr2O3、BN，致使反应过程中产生了放热反应，增大了反应放热，提高了异型件的温度，即：相应增加了冷却过程中异型件收缩对陶瓷层的压迫强度。从而提高了基体与陶瓷层间的结合强度。

 我们经过一年多的研究开发，现已采用铝热——重力分离法制备出15mm－50mm的小口径陶瓷复合直管和弯管。口径小于250mm，长度小于300mm的各种变径管，以及管径15mm－150mm，

弯曲半径50mm－1500mm，弯曲角度0°－180°各种标准及非标准陶瓷内衬复合钢管。陶瓷层厚度0.5mm－3mm，表面光滑、平整、壁厚基本均匀，性能稳定，成品合格率达96%以上。产品已投入市场，收到了可观的经济效益和良好的社会效益。

三、该项目与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

管件及枪体采用了无缝管和高温合金材料，喷枪采用了***的“钢管内壁局部衬陶瓷”专利技术。该技术属冶金行业粉末冶金新材料，是当今新材料制备技术的前沿科学，是我国“863”高新技术研究开发项目。特别是陶瓷复合钢管制造技术的开发应用

我国在国际上占据***地位。我厂利用此技术生产的陶瓷内衬喷煤枪及相关耐磨管道等产品，应用在炼铁喷煤工序上是目前其它产品所无法替代的，生产的陶瓷内衬异型管件在国内是***的。

四、创新点

 在原有“863”高新技术《钢铁陶瓷复合管》的前提下，利用高温自蔓延合成原理，采用自重分离新工艺解决了异型管件局部陶瓷内衬，拓宽了离心分离技术无法实现的管件的陶瓷内衬问题。使产品的抗磨损、抗腐蚀等综合机械性能大大提高。该技术属冶金行业粉末冶金新材料，利用此技术生产的陶瓷内衬喷煤枪及相关耐磨管道等产品，应用在炼铁喷煤工序上，目前属于国内此项技术的***。

五、应用、推广及***引用情况

 在研制开发过程中，主要参考***如下：

《首钢高炉高温合金喷煤枪的研制与应用》程正东《炼铁》；

《SHS铝热—离心法制备内衬陶瓷复合钢管的研究》柳牧《北京科技大学学报》；

《SHS铝热—重力分离法制备陶瓷复合钢管》林涛、郭志锰等

《北京科技大学学报》；

《添加剂对煤粉喷枪SHS陶瓷内衬***和性能的影响》王建江等《材料科学与工艺》

六、经济、社会效益情况

研究开发高性能陶瓷内衬管件及高温合金陶瓷内衬煤粉喷枪，可以稳定和提高喷煤量，有效降低成本。它不仅提高了管件及喷枪自身的使用寿命，同时也为保护风口，减少高炉休风创造了条件，更重要的是稳定和提高喷煤量，对实现高炉高温，富氧大喷吹方面有着举足轻重的作用。我国高炉发展迅猛，高炉数量和容积均居世界首位，所以开发应用高性能陶瓷内衬管件及高性能的高温合金陶瓷煤粉喷枪，具有良好的经济效果。

（1）、高炉用陶瓷内衬煤粉喷枪及弯头

我国是钢铁大国，钢铁总产量位居世界***。其冶金炼铁行业

生产企业之多，产量之大，也是众所周知的。为节约成本，炼铁高炉采用喷煤技术是行业发展的必然趋势。就我国十大钢铁集团拥有炼铁高炉近百座，采用小口径陶瓷内衬制作的喷枪每年约需

数万支左右。

（2）、高炉煤粉耐磨蚀输送管道部件

我国十大钢铁集团，每年因磨穿、锈蚀等原因造成管道部件报废的情况十分严重。特别是弯头更是相当严重。采用异型件陶瓷内衬制造技术，***地解决了这些问题。既节约了资金，又减轻了工人劳动强度。粗略保守统计，每年约需更换煤粉输送管道部件近3万支。

（3）、电厂输送粉煤灰管道及铝厂输送高温铝液管道

   我国火力发电企业较多，输送粉煤灰管道需求量也相当大。还有一些矿山的矿石输送都是可以开发的市场。

（4）此技术在国际上也处于***地位，对开辟国际市场有良好的应用前景。