预应力金属陶瓷复合衬板的研发

刘翔1 贾培祥2 童恭成2

（1.中钢设备有限公司，北京 100080；2.安徽鑫永晟微晶材料有限公司，安徽 滁州 239001；)

引  言  众所周知微晶陶瓷[1-2]材料具有优越的耐磨、耐腐蚀和耐温性能，但是它的最大缺陷是耐冲击和急冷急热性能差，因此微晶陶瓷的应用领域受到了较大的局限性。预应力金属陶瓷就是为了提高其冲击和急冷急热性能而研发的。

1  目前国内原料仓防撞击内衬材料存在的问题：

由于矿山原料仓属于永久性的大型构筑物，所以设计要求使用年限比较长，如何能够保证原料仓安全、可靠的运行，是设计者必须考虑的问题。新颁布实施的最新GB50077—2017《钢筋混凝土筒仓设计规范》[16]，GB50874—2013《煤炭工业半地下储煤仓建筑设计规范》[17]，在6.6内衬章节中详细阐述了“仓壁或仓底受储料撞击、磨损严重的内衬应根据使用工况，选用钢轨、废旧钢轨等材料”，可以说这是最强有力的措施了。可是在储料的粒径大、比重大、硬度高、含酸性液体和落料高差大（大于30m）工况下，尤其是井下原料仓受到围岩的剪胀扩容应力破坏，选用钢轨或轨道钢作为抗撞击内衬材料，还是存在钢轨变形、脱落而丧失保护仓壁混凝土的作用，甚至脱落下来的钢轨在漏斗口堵住出料口，导致撕毁运输皮带的安全生产事故（如果不采用钢轨作为原料仓壁的缓冲撞击衬板时，对于仓壁的撞击损毁更加严重、甚至仓壁塌陷报废无法修复）。

1.1  抗冲击防护层的损坏原因分析：

矿石从原料仓上方以3~5m/s的水平初速度进入原矿仓后，在重力作用下自由落体，三十米的原矿仓的末速度可达到25m/s，当质量是200千克的矿石落下时，所产生的动能是67600焦，对于如此高的冲击动能对于轨道钢来说是可以抵御的，但是对于钢轨之间的混凝土就是一个伤害严重的问题了，混凝土在这种环境下受到如此循环往复的冲击，首先导致混凝土的开裂和“碳化”[18-19]。随着腐蚀性液体的渗入，加速混凝土强度下降，从而被损毁而脱落，当矿石的冲击动能全部释放在轨道钢上时，轨道钢之间的连接焊点将产生巨大的冲击力，也就是说物料的冲击强度大于钢轨之间金属连接板的焊接强度，再加上混凝土的损毁使焊接点完全暴露在有腐蚀液体的环境中，也更加速轨道钢的连接焊点的损毁而失去连接作用。轨道钢相互之间失去整体性结构时，常常会发生轨道钢的变形和脱落，造成停产或皮带撕毁的事故是经常发生的。

2  预应力金属微晶陶瓷复合衬板是解决原料仓冲击、磨损和腐蚀的有效方法

 下面将对于预应力金属微晶陶瓷复合衬板的功能作以介绍：

2.1  金属的作用

利用金属的韧性好、抗拉强度大的特性来抵御抗冲击的破坏力；

2.2  微晶陶瓷

微晶陶瓷具有优异的耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能，这是其他金属和有机材料无法企及的；

2.3  预应力

利用特殊的制造工艺，得到金属对微晶陶瓷产生预应力的复合材料，当金属对于微晶陶瓷产生20~50Mpa的压应力时，预应力微晶陶瓷可以提高10~50倍的抗冲击能力，抗渗透性能大于P12

2.4  预应力金属微晶陶瓷复合衬板的性能

具有金属的抗冲击韧性和微晶陶瓷的耐磨、耐腐蚀性能。由于抗渗透性能好，腐蚀性液体不能渗透进入金属与微晶陶瓷的结合层中，提高了复合衬板金属部分的耐腐蚀性能；

3  建立预应力金属微晶陶瓷的数学模型

3.1  预应力金属微晶陶瓷的参数选取

在研制预应力金属微晶陶瓷复合衬板的过程中，最先遇到的问题就是金属板在冷却时的断裂和微晶陶瓷的热急变性能，我们发现金属板的断裂与金属的膨胀系数、金属抗拉强度、金属板的截面积和微晶陶瓷结合面的尺寸有关。也就是说金属的膨胀系数越小金属板越不易断裂、金属抗拉强度越高越不易断裂、金属板的截面积越大越不易断裂、微晶陶瓷结合面积越小金属板越不易断裂，金属膨胀系数与预应力有显著的正相关性。微晶陶瓷通过配方调整，获得了适合生产预应力金属微晶陶瓷复合衬板的微晶陶瓷材料。

3.2  预应力的检测方法

我们通过金属与微晶陶瓷结合面的剪切强度来推算金属板在冷却收缩时对微晶陶瓷板产生的压应力P（正压力），也就是微晶陶瓷板的预应力，又因为金属板与微晶陶瓷板之间的剪切力就是金属板与微晶陶瓷板之间的摩擦力F，摩擦力是金属板对于微晶陶瓷板的正压力乘以微晶陶瓷板的摩擦系数μ（本次试验微晶陶瓷板摩擦系数μ=0.3），所以预应力P=F/μ。