制备复合钢管的卡盘夹持式SHS离心机设计

来源： 2007年02月03日 10:49

李　平，韩存仓
摘要：通过离心法试验原理，对卡盘夹持式SHS离心机的结构设计思路、主要特点进行了介绍。实践证明，设计的卡盘夹持式SHS离心机成功制备的外径100mm 76mm、长度的陶瓷内衬复合钢管，产品性能稳定。
关键词：自蔓延高温合成；离心机；夹持式；陶瓷内衬复合钢管
　　自蔓延高温合成技术（SHS）是近年来发展十分迅速的一种新型陶瓷加工技术。在SHS离心法制备陶瓷内衬钢管的SHS实验中，SHS离心机对陶瓷复合钢管产品的性能有着重要影响，成为技术产品试验的重要环节。我们用SHS离心法制备陶瓷内衬钢管的试验中，自行设计制造的卡盘夹持式SHS离心机，试验过程效果较佳，制备出了性能良好的陶瓷内衬钢管。
1 SHS离心法试验原理及对设备的性能要求
1.1 SHS离心法试验原理
　　离心法在钢管制备陶瓷层是基于以下反应原理实SHS现：
　　Fe2O3+2Al=Al2O3+2Fe+836KJ
　　当填充于钢管内的物料被点燃后，形成爆炸自蔓延持续反应。该放热反应产生的高温使生成物Al2O3和Fe处于熔融状态，由于Fe和Al2O3不相熔，且Fe的密度远大于Al2O3陶瓷。在离心力的作用下，两者分离，导致液相Fe和Al2O3液相依次附于钢管内壁并结晶凝固，从而在钢管内壁形成连续均匀的陶瓷和金属中间层。
1.2 SHS法对设备结构性能的要求
　　根据反应原理，在钢管内衬陶瓷层制备中，离心力是影响陶瓷密度、硬度的重要因素。大离心力可加速气相产物和液相产物的相分离，加快气体的排除，提高陶瓷的密度。随着离心力的提高，陶瓷的密度和硬度也相应提高。因此要求离心机必须有较宽的调速范围，使离心力处于可控状态，且设备运转时应有较高的稳定性和减振性。其次，要求设备有可靠的测速、测温和点火装置。再次，由于SHS法反应过程中反应物料的爆炸燃烧，钢管的温度较高，并在钢管内产生高温气体，易使钢管受热膨胀，在冷却后又产生径向收缩，易发生钢管夹持脱落，甚至从高速旋转的装置中飞出，因此要求装置的安全性较高。同时，考虑产品尚处于实验室研制阶段，实验装置的制造成本要低。
2卡盘夹持式离心机的结构设计
　　根据SHS法制备陶瓷复合钢管对设备结构性能要求，考虑到该试验尚处于实验室试制阶段，我们在设备结构设计时尽可能利用实验室现有设备。因此，选用实验室报废的CW6140A的普通车床进行改装较为理想。以CW6140A普通车床为基体设计制造了卡盘夹SHS持式离心机，其结构外型示意图如图所示：

　　离心机机身结构卡盘夹持式离心机机身*以CW6140A普通车床机身为基体，同时利用车床的夹持和支持装置，无需专门加工离心机的机身，经济实用。
　　传动系统离心法在制备陶瓷层时离心力的大小对 SHS陶瓷性能有很大影响，而影响离心力的主要因素是离心机转速和离心半径。在钢管直径一定的条件下，要提高离心力，则必须提高离心机的旋转速度。根据经验，离心机的旋转速度一般应在1500～2500r/min 范围，而CW6140A车床主轴zui高转速为1400r/min，是不能满足离心法工作时的转速要求的。同时，车床原有的齿轮传动系统也不能适应高速运转环境。为此将车床原有的传动系统进行改造，改造的方法是将车床原有型号为Y132M-4B3/左、功率为7. 5KW的主电机拆除，用相同功率、转速为3000r/min的Y132S2-2 笼式交流三相异步电动机替换。并弃掉齿轮传动系统，改用皮带传动，在车床主轴上加装从动轮，采用皮带传动将电机传动传到车床主轴。为了实现试验时的各种速度要求，采用FRN G9S/7.5KW变频器调速。改装后的传动系统离心机主轴在3000r/min的转速范围内无级调速，其较宽的调速范围符合试验特性要求。另一方面，转速的无级调节降低了离心机的启动功率，并减小了在启动过程中的电流冲击。同时，可以实现过载保护，在运转过程中，即使皮带在传动中断裂，也有原车床床头箱上的防护罩防护，工作安全性较好。
　　套筒夹持装置在制备过程中，反应物在高温条件下燃烧，常因钢管涂覆后热胀冷缩造成钢管夹持松动。为了解决卡盘夹持钢管松动飞出这一难题，制作了套筒夹持装置，其结构见图。试验前，将钢管按间隙配合套于套筒内2 ，在钢管内壁左端处设置石墨板，在右端设置石墨环，其目的是为了不让试验燃烧时的高温气流从钢管左端流到车床床头箱内。管右端的石墨环的壁厚为4 mm，内径为Φ58 mm ，可以保证钨丝点火时轴向移动接触到物料内的钨丝，还可留出较大的出气口以便高温气流从右端流出。试验时，用卡盘夹持套筒，避免了高温钢管收缩后从卡盘上松动飞出现象。

　　夹持装置为了保证套筒夹持的牢固性，SHS离心机设计时将原车床的三爪卡盘改为固定卡盘，套筒左端安装在车床的固定卡盘上。为了安全，我们在车床轨道上又安装了防护罩，以防止套筒或钢管松动飞出伤人。在进行较长钢管的试验时，为防止钢管自由端径向跳动，在套筒右端用支持支架支撑，以增加套筒旋转过程中的平稳性。
　　点火装置在铝热剂局部点火引发SHS反应后，反应便能自动地在铝热剂中蔓延。点火方式有燃烧波点火、激光诱导点火、加热气体点火、火花点火、化学（自燃式）点火、电热爆炸点火、微波能点火和线性加热点火等。国内目前比较普遍采用的点火方式主要有氧乙炔火焰点火、电-极电弧点火和钨丝点火。相比较而言，采用钨丝加热点火，可以远距离操作，安全可靠，故卡盘夹持式SHS离心机采用钨丝加热点火。钨丝加热点火装置采用TDGC2 -20单相接触调压器调压，其输入电压为220V，输出容量20KVA，输出电压0～250V，其输出电流在80A内可调。试验时，调压器将220V交流电调节为低电压大电流交流电，通过钨丝与在接触物料边沿上的钨丝接触产生火花点燃物料。选择钨丝作为点火材料，主要是因为其熔点高，不易熔化，钨丝的直径为Φ5mm，用点火支架固定，可轴向水平移动，以实现钨丝与物料内钨丝的接触。
　　测速装置在SHS制备试验过程中，通过离心机速度实现对离心力的控制是十分重要的，在实验过程中通过变频器显示电机转速，并由变频器进行速调节。
3卡盘夹持式离心机SHS的结构特点及使用效果
　　卡盘夹持式离心机SHS结构主要优点主要是：①结构简单，设备装置制造成本低廉，制造周期短； ② 设备运行平稳，反应生成的内衬陶瓷层厚度均匀且不易脱壳和开裂；③操作简单，装卸方便；④设备运行安全可靠，维护简单。在试验中运用该机成功制备外径为Φ76m ，长度为， m 100mm陶瓷层厚度为～陶瓷内衬复合钢管产品，其产3.5mm 4.5mm品性能良好。

免责声明

凡本网注明"来源：制药网"的所有作品，版权均属于制药网，转载请必须注明制药网，https://www.zyzhan.com。违反者本网将追究相关法律责任。
企业发布的公司新闻、技术文章、资料下载等内容，如涉及侵权、违规遭投诉的，一律由发布企业自行承担责任，本网有权删除内容并追溯责任。
本网转载并注明自其它来源的作品，目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点或证实其内容的真实性，不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。其他媒体、网站或个人从本网转载时，必须保留本网注明的作品来源，并自负版权等法律责任。
如涉及作品内容、版权等问题，请在作品发表之日起一周内与本网联系，否则视为放弃相关权利。