預應力金屬微晶陶瓷復合襯板的研發

劉翔1 賈培祥2 童恭成2

（1.中鋼設備有限公司，北京 100080；2.安徽鑫永晟微晶材料有限公司，安徽 滁州 239001；)

引  言  眾所周知微晶陶瓷[1-2]材料具有優越的耐磨、耐腐蝕和耐溫性能，但是它的最大缺陷是耐沖擊和急冷急熱性能差，因此微晶陶瓷的應用領域受到了較大的局限性。預應力金屬微晶陶瓷就是為了提高其沖擊和急冷急熱性能而研發的。

1  目前國內原料倉防撞擊內襯材料存在的問題：

由于礦山原料倉屬于永久性的大型構筑物，所以設計要求使用年限比較長，如何能夠保證原料倉安全、可靠的運行，是設計者必須考慮的問題。新頒布實施的最新GB50077—2017《鋼筋混凝土筒倉設計規范》[16]，GB50874—2013《煤炭工業半地下儲煤倉建筑設計規范》[17]，在6.6內襯章節中詳細闡述了“倉壁或倉底受儲料撞擊、磨損嚴重的內襯應根據使用工況，選用鋼軌、廢舊鋼軌等材料”，可以說這是最強有力的措施了?？墒窃趦α系牧酱?、比重大、硬度高、含酸性液體和落料高差大（大于30m）工況下，尤其是井下原料倉受到圍巖的剪脹擴容應力破壞，選用鋼軌或軌道鋼作為抗撞擊內襯材料，還是存在鋼軌變形、脫落而喪失保護倉壁混凝土的作用，甚至脫落下來的鋼軌在漏斗口堵住出料口，導致撕毀運輸皮帶的安全生產事故（如果不采用鋼軌作為原料倉壁的緩沖撞擊襯板時，對于倉壁的撞擊損毀更加嚴重、甚至倉壁塌陷報廢無法修復）。

1.1  抗沖擊防護層的損壞原因分析：

礦石從原料倉上方以3~5m/s的水平初速度進入原礦倉后，在重力作用下自由落體，三十米的原礦倉的末速度可達到25m/s，當質量是200千克的礦石落下時，所產生的動能是67600焦，對于如此高的沖擊動能對于軌道鋼來說是可以抵御的，但是對于鋼軌之間的混凝土就是一個傷害嚴重的問題了，混凝土在這種環境下受到如此循環往復的沖擊，首先導致混凝土的開裂和“碳化”[18-19]。隨著腐蝕性液體的滲入，加速混凝土強度下降，從而被損毀而脫落，當礦石的沖擊動能全部釋放在軌道鋼上時，軌道鋼之間的連接焊點將產生巨大的沖擊力，也就是說物料的沖擊強度大于鋼軌之間金屬連接板的焊接強度，再加上混凝土的損毀使焊接點完全暴露在有腐蝕液體的環境中，也更加速軌道鋼的連接焊點的損毀而失去連接作用。軌道鋼相互之間失去整體性結構時，常常會發生軌道鋼的變形和脫落，造成停產或皮帶撕毀的事故是經常發生的。

2  預應力金屬微晶陶瓷復合襯板是解決原料倉沖擊、磨損和腐蝕的有效方法

 下面將對于預應力金屬微晶陶瓷復合襯板的功能作以介紹：

2.1  金屬的作用

利用金屬的韌性好、抗拉強度大的特性來抵御抗沖擊的破壞力；

2.2  微晶陶瓷

微晶陶瓷具有優異的耐磨、耐腐蝕、耐高溫等性能，這是其他金屬和有機材料無法企及的；

2.3  預應力

利用特殊的制造工藝，得到金屬對微晶陶瓷產生預應力的復合材料，當金屬對于微晶陶瓷產生20~50Mpa的壓應力時，預應力微晶陶瓷可以提高10~50倍的抗沖擊能力，抗滲透性能大于P12

2.4  預應力金屬微晶陶瓷復合襯板的性能

具有金屬的抗沖擊韌性和微晶陶瓷的耐磨、耐腐蝕性能。由于抗滲透性能好，腐蝕性液體不能滲透進入金屬與微晶陶瓷的結合層中，提高了復合襯板金屬部分的耐腐蝕性能；

3  建立預應力金屬微晶陶瓷的數學模型

3.1  預應力金屬微晶陶瓷的參數選取

在研制預應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，我們發現金屬板的斷裂與金屬的膨脹系數、金屬抗拉強度、金屬板的截面積和微晶陶瓷結合面的尺寸有關。也就是說金屬的膨脹系數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、微晶陶瓷結合面積越小金屬板越不易斷裂，金屬膨脹系數與預應力有顯著的正相關性。微晶陶瓷通過配方調整，獲得了適合生產預應力金屬微晶陶瓷復合襯板的微晶陶瓷材料。

3.2  預應力的檢測方法

我們通過金屬與微晶陶瓷結合面的剪切強度來推算金屬板在冷卻收縮時對微晶陶瓷板產生的壓應力P（正壓力），也就是微晶陶瓷板的預應力，又因為金屬板與微晶陶瓷板之間的剪切力就是金屬板與微晶陶瓷板之間的摩擦力F，摩擦力是金屬板對于微晶陶瓷板的正壓力乘以微晶陶瓷板的摩擦系數μ（本次試驗微晶陶瓷板摩擦系數μ=0.3），所以預應力P=F/μ。