預應(yīng)力金屬微晶陶瓷復合襯板的研發(fā)與應(yīng)用

賈錫永 王清泉 賈培祥 付米良 張 鵬 楊 偉3

（1.安徽鑫永晟微晶材料有限公司，安徽 滁州 239001；2.中國五冶集團有限公司，四川 成都 610063；3.全柴天河消失模公司，安徽 全椒 239500）

在煤炭、鋼鐵等行業(yè)的原料倉一般為永久性構(gòu)筑物，要求使用年限50 a以上，因此，對于原料倉內(nèi)襯的防護極為重要。當原料倉處于不放空狀態(tài)下，較大粒度的原料從50～70 m高位落下時，常用的維護材料高分子板、不銹鋼板、壓延微晶板、軌道鋼等無法有效保護落料點部位的防護襯板和倉體結(jié)構(gòu)，導致該類部位因沖擊、磨損和腐蝕等因素而發(fā)生損毀。微晶陶瓷［1-2］材料具有優(yōu)越的耐磨、耐腐蝕和耐溫性能，不足在于抗沖擊和耐急冷急熱性能差，使其應(yīng)用受到了較大限制。參考鋼化玻璃研發(fā)經(jīng)驗［3-6］鋼化（預應(yīng)力）玻璃后可提高1～3倍的抗沖擊強度。本研究采用鑄造行業(yè)的消失模技術(shù)（消失模鑄造工藝學）［7-9］，將微晶陶瓷鑲嵌在消失模內(nèi)，1 400～1 600 ℃鋼水澆注后，當金屬冷卻后產(chǎn)生1%～2%的收縮量，對于微晶陶瓷產(chǎn)生了20～50 MPa的壓應(yīng)力，稱之為預應(yīng)力，這樣生產(chǎn)出來的微晶陶瓷的復合材料抗沖擊強度將提高20～80倍，急冷急熱性能大幅提升?；谶@項技術(shù)，本研究團隊于2019年9月獲得了發(fā)明專利獲得授權(quán)（專利號：CN201910779910.7）［10］。為有效防護原料倉，本研究采用所研發(fā)的預應(yīng)力金屬微晶陶瓷復合材料研制預應(yīng)力金屬微晶陶瓷復合襯板，并結(jié)合實例對其應(yīng)用效果進行分析。

1 研究背景

目前，《鋼筋混凝土筒倉設(shè)計標準》（GB 50077—2017）［11］和《煤炭工業(yè)半地下儲倉建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50874—2013）［12］對國內(nèi)原料倉防撞擊內(nèi)襯材料存在的問題進行了闡述，目前最佳的應(yīng)對措施是在原煤倉的底部斜坡面安裝鋼軌或工字鋼。由于鋼軌之間連接板焊接點的腐蝕和沖擊疲勞而產(chǎn)生斷裂，時常發(fā)生鋼軌墜落到漏斗口撕毀皮帶的事故，此外，井下原煤倉的落煤點部位圍巖塌陷問題普遍存在。

原料從原料倉上方以3～5 m/s的水平初速度進入原料倉后，在重力作用下發(fā)生自由落體運動，30 m高的原礦倉的末速度可達到25 m/s。當質(zhì)量為200 kg的礦石下落時，產(chǎn)生的動能約67 600 J，軌道鋼可以抵御，但軌道鋼之間的混凝土在該環(huán)境下長期受到?jīng)_擊，易導致混凝土開裂和“碳化”［13-14］。隨著腐蝕性液體滲入，會加速降低混凝土強度，并使其脫落。當原料的沖擊動能全部釋放在軌道鋼上時，對軌道鋼之間連接板的焊點會產(chǎn)生較大的沖擊力，加之混凝土發(fā)生損毀，使得焊接點完全暴露在有腐蝕性液體的環(huán)境中，加速了軌道鋼連接焊點的腐蝕和受力損毀，進而失去連接作用。軌道鋼相互之間失去整體性連接作用時，易使軌道鋼產(chǎn)生變形和脫落，造成軌道鋼堵住落煤口發(fā)生停產(chǎn)或撕毀皮帶的事故。

由此可見，針對原料倉壁同時受到?jīng)_擊、磨損、腐蝕和圍巖剪脹擴容［15］等因素作用而產(chǎn)生損毀的問題，需研發(fā)出一種同時具備抗沖擊、耐磨損、耐腐蝕性能的襯板。金屬和微晶陶瓷通過預應(yīng)力的復合研究發(fā)現(xiàn)，當微晶陶瓷在獲得金屬施加的預應(yīng)力時，既提高了微晶陶瓷的抗沖擊性能，又提升了復合襯板的抗?jié)B透性能和抗酸性液體的腐蝕能力。據(jù)此研發(fā)出的預應(yīng)力金屬微晶陶瓷復合襯板（以下簡稱“復合襯板”）是金屬—微晶陶瓷復合襯板系列的第二代產(chǎn)品。

2 復合襯板研發(fā)原理

鑄造鐵基金屬在熔體冷卻時的收縮量為0.8%～1.5%，微晶陶瓷的膨脹系數(shù)為（6～8）×10-6，在鑄造預應(yīng)力金屬微晶陶瓷襯板時，金屬液收縮量約1%，微晶陶瓷與1 500℃鋼水接觸時被加熱至500℃時的收縮量為0.4%，金屬與微晶陶瓷在鑄造過程中的收縮量之差約0.6%，該參數(shù)是設(shè)計金屬板截面積的依據(jù)。這是因為：金屬收縮時產(chǎn)生拉伸力即為金屬的彈性模量與金屬拉伸長度（拉伸量）之積，金屬拉伸力為微晶陶瓷受到的壓力，這是互為相反的作用力，金屬拉伸力不能大于等于金屬的屈服應(yīng)力，否則，金屬會斷裂。本研究試驗發(fā)現(xiàn)，金屬拉伸力控制在60%～70%的屈服應(yīng)力范圍比較合理。

利用《一種預應(yīng)力微晶陶瓷襯板及其生產(chǎn)方法》［10］的生產(chǎn)工藝，得到金屬對微晶陶瓷產(chǎn)生預應(yīng)力的復合材料，當金屬對于微晶陶瓷產(chǎn)生20～50 MPa的壓應(yīng)力時，預應(yīng)力微晶陶瓷可以提高20～80倍的抗沖擊強度，抗?jié)B透性能大于P12（水泥混凝土等級）。

采用鑄造行業(yè)的消失模技術(shù)鑄造的復合襯板尺寸為長（400～600）mm×寬（400～600）mm×厚（50～80）mm，中間均勻分布9塊正方形微晶陶瓷板，微晶陶瓷板邊長100～160 mm，消失模厚度為10～14 mm（鑄造后即為金屬板的厚度）。研發(fā)的預應(yīng)力金屬微晶陶瓷襯板如圖1所示。首先在消失模的空格放置微晶陶瓷板，鑄造時鋼水溫度高達1 450℃以上，由于鑄造金屬有1%左右的收縮量，金屬“九宮格”的每一個小格的邊長收縮了1～2 mm。該收縮量給微晶陶瓷產(chǎn)生了較大的壓應(yīng)力（20～50 MPa），從而實現(xiàn)了微晶陶瓷復合襯板產(chǎn)生預應(yīng)力的目地，有助于提高抗沖擊強度和耐磨損性能，金屬與微晶陶瓷結(jié)合面的抗?jié)B性能大于P12等級（混凝土的等級）。鑄造鋼材宜選用易焊接、抗沖擊性能好、抗拉強度高（300～600 MPa）和具有一定耐腐蝕性能的合金鋼。根據(jù)鑄鋼板對微晶陶瓷的壓應(yīng)力（通過檢測金屬框與微晶陶瓷板之間的摩擦力，計算出金屬板對于微晶陶瓷板的壓應(yīng)力，稱之為預應(yīng)力）建立鑄鋼板與微晶陶瓷板預應(yīng)力的數(shù)學模型，計算鑄鋼板截面積的安全抗拉強度，抗拉力應(yīng)小于鑄鋼板的抗拉強度，否則，復合襯板遇到較大沖擊時鑄鋼板易斷裂。本研究鑄鋼板抗拉強度的安全系數(shù)取值為k=0.7。

3 預應(yīng)力金屬微晶陶瓷數(shù)學模型構(gòu)建

在研制預應(yīng)力金屬微晶陶瓷復合襯板的過程中，最先遇到的問題就是金屬板在冷卻時的斷裂和微晶陶瓷的熱急變性能，金屬板的斷裂與金屬的膨脹系數(shù)、金屬抗拉強度、金屬板的截面積和微晶陶瓷結(jié)合面的長寬尺寸有關(guān)。金屬的膨脹系數(shù)越小金屬板越不易斷裂、金屬抗拉強度越高越不易斷裂、金屬板的截面積越大越不易斷裂、微晶陶瓷結(jié)合面積越小金屬板越不易斷裂，金屬膨脹系數(shù)與預應(yīng)力具有顯著的正相關(guān)性。微晶陶瓷通過配方調(diào)整，獲得了適合生產(chǎn)預應(yīng)力金屬微晶陶瓷復合襯板的微晶陶瓷材料。

金屬框內(nèi)的微晶陶瓷受到金屬板冷卻收縮時產(chǎn)生的壓應(yīng)力，即為微晶陶瓷受到的預應(yīng)力，微晶陶瓷被壓縮的可能性是很小的，所以預應(yīng)力只是金屬對于微晶陶瓷產(chǎn)生壓應(yīng)力，金屬本身受到的是抗拉力，這個抗拉力就是金屬在冷卻時收縮產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，而且應(yīng)力大小與金屬收縮量成正比。本研究根據(jù)不同尺寸的預應(yīng)力金屬微晶陶瓷試件的剪切強度推算的預應(yīng)力值見表1。

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表1中，預應(yīng)力取值范圍為1.80～31.61 MPa，本研究對數(shù)據(jù)進行取對數(shù)處理，繪制了如圖2所示的預應(yīng)力y與微晶陶瓷板試件長度x的散點圖。

由表1可知，在對數(shù)坐標系內(nèi)，預應(yīng)力y與微晶陶瓷試件邊長x符合指數(shù)型函數(shù)模型：

式中，b為模型系數(shù)；k為安全系數(shù)。

結(jié)合表1進行回歸分析得到回歸方程:

經(jīng)過F分布檢驗，式（2）為顯著性回歸。

本研究中，鑄鋼材質(zhì)抗拉強度為300 MPa，微晶陶瓷產(chǎn)品邊長取120 mm，厚度為15～18 mm。

4 應(yīng)用實例

4.1 應(yīng)用效果

礦山原料倉屬于永久性的大型構(gòu)筑物，設(shè)計要求使用年限比較長，需確保原料倉安全、可靠運行?！朵摻罨炷镣矀}設(shè)計標準》（GB 50077—2017）［13］和《煤炭工業(yè)半地下儲倉建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50874—2013）［12］給出了有關(guān)“倉壁或倉底受儲料撞擊、磨損嚴重的內(nèi)襯應(yīng)根據(jù)使用工況，選用鋼軌、廢舊鋼軌等材料”的規(guī)定。相關(guān)研究表明，在儲料粒徑大、密度大、硬度高、含酸性液體和落料高差大（大于30 m）的工況下，尤其是井下原料倉受到圍巖的剪脹擴容應(yīng)力作用產(chǎn)生破壞時，盡管選用了鋼軌或軌道鋼作為抗撞擊內(nèi)襯材料，但仍然存在鋼軌變形、脫落現(xiàn)象，從而喪失了保護倉壁混凝土的作用，甚至脫落下的鋼軌在漏斗口堵住出料口，導致發(fā)生撕毀運輸皮帶的安全生產(chǎn)事故［16-18］。

為有效解決上述礦山原料倉內(nèi)襯易損毀的問題，本研究發(fā)明了預應(yīng)力金屬微晶陶瓷復合襯板，并在山西西山晉興能源斜溝礦井上原煤倉、陜西建新煤化有限公司、烏審旗蒙大礦業(yè)進行了應(yīng)用，取得了理想成效（表2）。

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4.2 預應(yīng)力金屬微晶陶瓷復合襯板安裝方法

一般地說，預應(yīng)力金屬微晶陶瓷復合襯板規(guī)格為（400～600）mm×（400～600）mm×（30～80）mm（長×寬×厚），第1層安裝部位基本為煤倉漏斗口，復合襯板之間采用螺栓連接，襯板之間距離為60 mm，襯板與倉壁的間距不宜小于50 mm，用?20 mm、長200～250 mm的螺紋鋼，一端焊接在襯板的連接螺栓上，另一端用沖擊鉆打孔楔入鋼筋混凝土中，用微晶陶瓷澆注料填充在間隙內(nèi)，搗固密實形成整體提高抗?jié)B性。井下倉壁圍巖中的水不流出，確保倉壁鋼筋混凝土和復合襯板不被圍巖酸性水腐蝕，是衡量安裝效果的重要考核指標。安裝襯板時，由于倉壁不同部位的損毀程度不同，一般來說，襯板基本恢復原設(shè)計的空間形狀，導致有的部位襯板與倉壁的間距遠大于50 mm，需要扎鋼筋籠用微晶陶瓷澆注料澆灌密實。

要求一個獨立單元內(nèi)所有的襯板必須連接成一整體，確保在原煤倉儲煤過程中，任何一個落料點受到?jīng)_擊時，沖擊點受力可以分解為正壓力和剪切力，由于襯板的抗壓強度大于800 MPa，不會因為受到?jīng)_擊而產(chǎn)生破壞；鑄鋼板的抗拉強度大于300 MPa，最大剪切破壞強度為12.54 MPa，因此原煤倉落料中的煤塊和矸石的沖擊力不足以破壞襯板。在井下煤倉中，襯板與倉壁澆筑厚度大于50 mm的微晶陶瓷澆注料，可有效阻隔圍巖中的酸性水滲透到倉內(nèi)腐蝕襯板。

5 結(jié)語

井下煤倉原煤中含有S、P、Cl元素，在水環(huán)境中產(chǎn)生酸性液體，鋼筋混凝土倉壁受到?jīng)_擊損壞形成裂紋時，圍巖中的酸性液體浸潤煤倉使之產(chǎn)生“碳化”，導致混凝土的鋼筋銹蝕膨脹、降低強度而損壞。本研究發(fā)明了預應(yīng)力金屬微晶陶瓷襯板，并通過在斜溝煤礦、陜西建新煤化有限公司、烏審旗蒙大礦業(yè)等礦山企業(yè)進行應(yīng)用，取得了理想成效，有助于解決井下煤倉和構(gòu)筑物的圍巖剪脹擴容、沖擊、腐蝕和磨損等問題。