预应力金属微晶陶瓷复合衬板的研发与应用

贾锡永 王清泉 贾培祥 付米良 张 鹏 杨 伟3

（1.安徽鑫永晟微晶材料有限公司，安徽 滁州 239001；2.中国五冶集团有限公司，四川 成都 610063；3.全柴天河消失模公司，安徽 全椒 239500）

在煤炭、钢铁等行业的原料仓一般为永久性构筑物，要求使用年限50 a以上，因此，对于原料仓内衬的防护极为重要。当原料仓处于不放空状态下，较大粒度的原料从50～70 m高位落下时，常用的维护材料高分子板、不锈钢板、压延微晶板、轨道钢等无法有效保护落料点部位的防护衬板和仓体结构，导致该类部位因冲击、磨损和腐蚀等因素而发生损毁。微晶陶瓷［1-2］材料具有优越的耐磨、耐腐蚀和耐温性能，不足在于抗冲击和耐急冷急热性能差，使其应用受到了较大限制。参考钢化玻璃研发经验［3-6］钢化（预应力）玻璃后可提高1～3倍的抗冲击强度。本研究采用铸造行业的消失模技术（消失模铸造工艺学）［7-9］，将微晶陶瓷镶嵌在消失模内，1 400～1 600 ℃钢水浇注后，当金属冷却后产生1%～2%的收缩量，对于微晶陶瓷产生了20～50 MPa的压应力，称之为预应力，这样生产出来的微晶陶瓷的复合材料抗冲击强度将提高20～80倍，急冷急热性能大幅提升。基于这项技术，本研究团队于2019年9月获得了发明专利获得授权（专利号：CN201910779910.7）［10］。为有效防护原料仓，本研究采用所研发的预应力金属微晶陶瓷复合材料研制预应力金属微晶陶瓷复合衬板，并结合实例对其应用效果进行分析。

1 研究背景

目前，《钢筋混凝土筒仓设计标准》（GB 50077—2017）［11］和《煤炭工业半地下储仓建筑结构设计规范》（GB 50874—2013）［12］对国内原料仓防撞击内衬材料存在的问题进行了阐述，目前最佳的应对措施是在原煤仓的底部斜坡面安装钢轨或工字钢。由于钢轨之间连接板焊接点的腐蚀和冲击疲劳而产生断裂，时常发生钢轨坠落到漏斗口撕毁皮带的事故，此外，井下原煤仓的落煤点部位围岩塌陷问题普遍存在。

原料从原料仓上方以3～5 m/s的水平初速度进入原料仓后，在重力作用下发生自由落体运动，30 m高的原矿仓的末速度可达到25 m/s。当质量为200 kg的矿石下落时，产生的动能约67 600 J，轨道钢可以抵御，但轨道钢之间的混凝土在该环境下长期受到冲击，易导致混凝土开裂和“碳化”［13-14］。随着腐蚀性液体渗入，会加速降低混凝土强度，并使其脱落。当原料的冲击动能全部释放在轨道钢上时，对轨道钢之间连接板的焊点会产生较大的冲击力，加之混凝土发生损毁，使得焊接点完全暴露在有腐蚀性液体的环境中，加速了轨道钢连接焊点的腐蚀和受力损毁，进而失去连接作用。轨道钢相互之间失去整体性连接作用时，易使轨道钢产生变形和脱落，造成轨道钢堵住落煤口发生停产或撕毁皮带的事故。

由此可见，针对原料仓壁同时受到冲击、磨损、腐蚀和围岩剪胀扩容［15］等因素作用而产生损毁的问题，需研发出一种同时具备抗冲击、耐磨损、耐腐蚀性能的衬板。金属和微晶陶瓷通过预应力的复合研究发现，当微晶陶瓷在获得金属施加的预应力时，既提高了微晶陶瓷的抗冲击性能，又提升了复合衬板的抗渗透性能和抗酸性液体的腐蚀能力。据此研发出的预应力金属微晶陶瓷复合衬板（以下简称“复合衬板”）是金属—微晶陶瓷复合衬板系列的第二代产品。

2 复合衬板研发原理

铸造铁基金属在熔体冷却时的收缩量为0.8%～1.5%，微晶陶瓷的膨胀系数为（6～8）×10-6，在铸造预应力金属微晶陶瓷衬板时，金属液收缩量约1%，微晶陶瓷与1 500℃钢水接触时被加热至500℃时的收缩量为0.4%，金属与微晶陶瓷在铸造过程中的收缩量之差约0.6%，该参数是设计金属板截面积的依据。这是因为：金属收缩时产生拉伸力即为金属的弹性模量与金属拉伸长度（拉伸量）之积，金属拉伸力为微晶陶瓷受到的压力，这是互为相反的作用力，金属拉伸力不能大于等于金属的屈服应力，否则，金属会断裂。本研究试验发现，金属拉伸力控制在60%～70%的屈服应力范围比较合理。

利用《一种预应力微晶陶瓷衬板及其生产方法》［10］的生产工艺，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20～50 MPa的压应力时，预应力微晶陶瓷可以提高20～80倍的抗冲击强度，抗渗透性能大于P12（水泥混凝土等级）。

采用铸造行业的消失模技术铸造的复合衬板尺寸为长（400～600）mm×宽（400～600）mm×厚（50～80）mm，中间均匀分布9块正方形微晶陶瓷板，微晶陶瓷板边长100～160 mm，消失模厚度为10～14 mm（铸造后即为金属板的厚度）。研发的预应力金属微晶陶瓷衬板如图1所示。首先在消失模的空格放置微晶陶瓷板，铸造时钢水温度高达1 450℃以上，由于铸造金属有1%左右的收缩量，金属“九宫格”的每一个小格的边长收缩了1～2 mm。该收缩量给微晶陶瓷产生了较大的压应力（20～50 MPa），从而实现了微晶陶瓷复合衬板产生预应力的目地，有助于提高抗冲击强度和耐磨损性能，金属与微晶陶瓷结合面的抗渗性能大于P12等级（混凝土的等级）。铸造钢材宜选用易焊接、抗冲击性能好、抗拉强度高（300～600 MPa）和具有一定耐腐蚀性能的合金钢。根据铸钢板对微晶陶瓷的压应力（通过检测金属框与微晶陶瓷板之间的摩擦力，计算出金属板对于微晶陶瓷板的压应力，称之为预应力）建立铸钢板与微晶陶瓷板预应力的数学模型，计算铸钢板截面积的安全抗拉强度，抗拉力应小于铸钢板的抗拉强度，否则，复合衬板遇到较大冲击时铸钢板易断裂。本研究铸钢板抗拉强度的安全系数取值为k=0.7。

3 预应力金属微晶陶瓷数学模型构建

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，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长宽尺寸有关。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具有显著的正相关性。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。

金属框内的微晶陶瓷受到金属板冷却收缩时产生的压应力，即为微晶陶瓷受到的预应力，微晶陶瓷被压缩的可能性是很小的，所以预应力只是金属对于微晶陶瓷产生压应力，金属本身受到的是抗拉力，这个抗拉力就是金属在冷却时收缩产生的内应力，而且应力大小与金属收缩量成正比。本研究根据不同尺寸的预应力金属微晶陶瓷试件的剪切强度推算的预应力值见表1。

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表1中，预应力取值范围为1.80～31.61 MPa，本研究对数据进行取对数处理，绘制了如图2所示的预应力y与微晶陶瓷板试件长度x的散点图。

由表1可知，在对数坐标系内，预应力y与微晶陶瓷试件边长x符合指数型函数模型：

式中，b为模型系数；k为安全系数。

结合表1进行回归分析得到回归方程:

经过F分布检验，式（2）为显著性回归。

本研究中，铸钢材质抗拉强度为300 MPa，微晶陶瓷产品边长取120 mm，厚度为15～18 mm。

4 应用实例

4.1 应用效果

矿山原料仓属于永久性的大型构筑物，设计要求使用年限比较长，需确保原料仓安全、可靠运行。《钢筋混凝土筒仓设计标准》（GB 50077—2017）［13］和《煤炭工业半地下储仓建筑结构设计规范》（GB 50874—2013）［12］给出了有关“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”的规定。相关研究表明，在储料粒径大、密度大、硬度高、含酸性液体和落料高差大（大于30 m）的工况下，尤其是井下原料仓受到围岩的剪胀扩容应力作用产生破坏时，尽管选用了钢轨或轨道钢作为抗撞击内衬材料，但仍然存在钢轨变形、脱落现象，从而丧失了保护仓壁混凝土的作用，甚至脱落下的钢轨在漏斗口堵住出料口，导致发生撕毁运输皮带的安全生产事故［16-18］。

为有效解决上述矿山原料仓内衬易损毁的问题，本研究发明了预应力金属微晶陶瓷复合衬板，并在山西西山晋兴能源斜沟矿井上原煤仓、陕西建新煤化有限公司、乌审旗蒙大矿业进行了应用，取得了理想成效（表2）。

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4.2 预应力金属微晶陶瓷复合衬板安装方法

一般地说，预应力金属微晶陶瓷复合衬板规格为（400～600）mm×（400～600）mm×（30～80）mm（长×宽×厚），第1层安装部位基本为煤仓漏斗口，复合衬板之间采用螺栓连接，衬板之间距离为60 mm，衬板与仓壁的间距不宜小于50 mm，用ϕ20 mm、长200～250 mm的螺纹钢，一端焊接在衬板的连接螺栓上，另一端用冲击钻打孔楔入钢筋混凝土中，用微晶陶瓷浇注料填充在间隙内，捣固密实形成整体提高抗渗性。井下仓壁围岩中的水不流出，确保仓壁钢筋混凝土和复合衬板不被围岩酸性水腐蚀，是衡量安装效果的重要考核指标。安装衬板时，由于仓壁不同部位的损毁程度不同，一般来说，衬板基本恢复原设计的空间形状，导致有的部位衬板与仓壁的间距远大于50 mm，需要扎钢筋笼用微晶陶瓷浇注料浇灌密实。

要求一个独立单元内所有的衬板必须连接成一整体，确保在原煤仓储煤过程中，任何一个落料点受到冲击时，冲击点受力可以分解为正压力和剪切力，由于衬板的抗压强度大于800 MPa，不会因为受到冲击而产生破坏；铸钢板的抗拉强度大于300 MPa，最大剪切破坏强度为12.54 MPa，因此原煤仓落料中的煤块和矸石的冲击力不足以破坏衬板。在井下煤仓中，衬板与仓壁浇筑厚度大于50 mm的微晶陶瓷浇注料，可有效阻隔围岩中的酸性水渗透到仓内腐蚀衬板。

5 结语

井下煤仓原煤中含有S、P、Cl元素，在水环境中产生酸性液体，钢筋混凝土仓壁受到冲击损坏形成裂纹时，围岩中的酸性液体浸润煤仓使之产生“碳化”，导致混凝土的钢筋锈蚀膨胀、降低强度而损坏。本研究发明了预应力金属微晶陶瓷衬板，并通过在斜沟煤矿、陕西建新煤化有限公司、乌审旗蒙大矿业等矿山企业进行应用，取得了理想成效，有助于解决井下煤仓和构筑物的围岩剪胀扩容、冲击、腐蚀和磨损等问题。