摘要：礦山充填系統中，充填料主要依靠管道進行輸送，充填管道承受著相
當的壓力并經受很嚴重的磨損，工況條件十分惡劣；雙金屬耐磨管采用消失模真空吸鑄復合工藝和離心鑄造復合工藝制作，外層為普通鋼管、內襯為KMTBCr28，在熱鑄狀態下整體復合成形，具有優良的抗沖蝕磨損性能和承壓抗沖擊性能，使用安全可靠，在采礦充填輸送系統中使用具有獨特的優勢。
充填采礦法由于具有高回收、低貧化、經濟安全、環保節能、資源利用合理等優勢，已經成為目前乃至今后國內外礦山企業最主要的采礦技術[1]。在采礦充填過程中，回填料主要由廢石、尾砂、礦渣、水泥等高硬度物料組成，并通過管道輸送至采空區。隨著開采深度的增加，位能不斷增大，充填輸送的管道承受著相當的壓力并經受很嚴重的沖刷磨損，工況條件十分惡劣，因此必須選用合適的充填管道，預防生產事故的發生，保證整個充填系統的安全運行和企業正常的生產經營[2]。單一材質的鋼管由于耐磨性較差、很難滿足充填量的要求，因此較少采用；目前使用較為廣泛的充填管道主要有自蔓延陶瓷復合管、高分子鋼塑復合管、雙金屬復合耐磨管等。自蔓延陶瓷耐磨管其陶瓷層本身為含有玻璃相的脆性材料，且復合厚度也很薄，抗變形能力很差，同時由于不是在高壓下成形，并受到多種制造工藝因素的影響，致使陶瓷層孔隙率很高，組織疏松，致密度很低，一般存在很多裂紋，在硬物料的高壓高速沖擊下很容易碎裂剝落，造成早期失效[3]，只能適用于低應力和軟磨料工況；鋼塑復合管其內層為柔韌性很高的高分子材料，具有很高的耐腐蝕性能，對于充填輸送工況，由于介質中存在大量大顆粒、尖銳物料，在高速反復沖刷下，產生“刀具”效應，很容易將內襯高分子材料劃破，導致成片剝起和大面積脫落，堵塞管路，嚴重時造成鉆井報廢[4]，因此在采礦充填中使用受到很大限制；雙金屬復合耐磨管具有良好的抗沖刷磨損能力和承
壓抗沖擊能力，性能優勢明顯，完全可以滿足采礦充填輸送管道的工況要求。
1 技術工藝
雙金屬復合耐磨管主要采用消失模真空吸鑄工藝和離心鑄造復合工藝制作，外層為16Mn 或20#鋼管，內層為KMTBCr28 高鉻合金。其耐磨層主要化學成分
如圖（1）所示。
圖（1） 耐磨層材質主要化學成分
消失模真空吸鑄復合工藝是采用聚苯乙烯塑料泡沫制作成內襯模型并裝入鋼管內，經涂料、烘干、造型，在抽真空狀態下澆注高鉻合金材料；塑料泡沫受高溫作用分解氣化消失并被合金液體原位取代，冷卻凝固后形成外層為鋼管、內層為耐磨合金的雙金屬復合管。消失模真空吸鑄復合可以達到半精鑄水平，尺寸精度較高，表面光潔，在抽真空作用下防止了夾砂、氣孔等鑄造缺陷；由于制模簡單可控，實現了耐磨彎頭整體復合、偏心加厚復合，可以達到等壽命使用效果。離心鑄造復合工藝是將鋼管固定于特制的管模內，在高速旋轉狀態下，利用扇形包和長流槽等流量澆注原理，通過控制澆注速度和澆注溫度，將合金液體澆注入鋼管內，使其在離心力作用下，均勻分布到鋼管內壁，最后冷卻凝固成形；由于離心鑄造提高了澆注過程中金屬液的利用率和充型性，從而實現了耐磨管的加長減薄復合[5]。礦山充填用雙金屬復合耐磨管的主要工藝技術參數如圖2 所示。
圖（2） 雙金屬復合耐磨管主要工藝及參數
2 組織及性能
2.1 耐磨層組織
耐磨復合管其耐磨層采用KMTBCr28 高鉻合金材料，其鑄態金相組織為共晶碳化物M7C3+A。在復合過程中，由于外鋼管的激冷作用，合金凝固從外向內發生定向結晶，碳化物纖維縱向生長，形成柱狀結構，而從橫截面看,碳化物垂直于管壁內表面,呈圓狀或塊狀較均勻地彌散分布于基體上，沒有形成網狀或連續分布，對基體的割裂作用小，減弱了鑄件的脆化傾向,提高了合金材料的綜合性能。其金相組織如圖3所示。
,碳化物垂直于管壁內表面,呈圓狀或塊狀較均勻地彌散分布于基體上，沒有形成網狀或連續分布，對基體的割裂作用小，減弱了鑄件的脆化傾向,提高了合金材料的綜合性能。其金相組織如圖3所示。
圖（3）雙金屬復合管KMTBCr28 耐磨層顯微組織
KMTBCr28是一種奧氏體型高合金耐磨白口鑄鐵，有良好的成型能力，無須熱處理，在鑄態條件下就可獲得高強度高韌性的奧氏體基體，合金元素Cr 的高含量使該合金具有非常高的淬透性，良好的耐腐蝕性和抗高溫氧化性。該合金優良的鑄造性能又可保證獲得輪廓健全、內部組織致密的鑄件，故其性能穩定、可靠。
2.2 抗磨性能
礦山充填輸送中，充填骨料粒徑變化較大，存在大量不規則大顆粒物料，含有許多的硬質成分如SiO2(HV1144)、Al2O3(HV2184)等。高速流動的骨料與管壁發生碰撞摩擦，所形成的應力將剝蝕管壁材料，形成磨粒磨損和沖蝕磨損；同時由于漿體中固體粒子的沖刷作用,陰極氧化還原形成的保護膜反復被破壞,造成腐蝕磨損。
材料的抗磨性能與其內部組織中抗磨物相的數量、形態以及基體的性能密切相關。KMTBCr28 高鉻合金組織中，Cr/C>5，形成的硬質相主要為(Fe,Cr)7C3 碳化物，呈六方棱柱形，內部原子結合強度高，結構穩定，微觀硬度HV1500~1800，高于自蔓延陶瓷復合管內襯層硬度（約HV1300）；由于外鋼管激冷作用的影響，碳化物垂直于磨損面方向生長，其抗折斷及崩落的能力提高，六方基面平行于磨損面，充分發揮了其各向異性的優勢，使得分布在碳化物之間的基體金屬能得到有效的保護，抵御磨料的侵入；基體得到保護，反過來又可很好地支撐碳化物。在高碳高鉻元素作用下，碳化物體積分數可達到40%以上，數量多、密度大，并以孤立狀態分布，使基體金屬保持了較好的連續性，減少了碳化物周邊的應力集中效應，改善了材料的力學性能，具有較好的韌性。
KMTBCr28高鉻合金基體組織為奧氏體，具有良好的韌性和加工硬化性能。當受到高能量沖擊作用時，奧氏體發生晶體結構轉變，形成馬氏體組織，馬氏體中大量的過飽和碳原子造成原子排列發生畸變，產生較大內應力，導致硬度和強度提高，從而強化了材料表層的抗沖蝕磨損能力；另外，微觀上位錯、孿晶的產生或密度增加也有助于基體抗疲勞、抗變形能力的提高。
KMTBCr28 合金基體的含鉻量超過12%的臨界濃度，因此在空氣中均形成鈍化膜，該鈍化膜的存在可阻礙相界腐蝕，同時較高的含鉻量能使基體的電極電位提高，進而提高了材料的耐腐蝕性，具有很好的抗蝕性。
在磨料磨損過程中，由于基體的硬度遠低于碳化物硬質相的硬度，基體受磨料的切削作用首先磨損下陷，硬質相逐漸凸起承受磨料的沖擊和切削，而磨料又是以一定角度沖蝕磨損面，于是凸起的硬質相便產生了“陰影效應”[6]。處在“陰影”中的基體金屬被沖擊和切削的幾率減小，磨損程度減輕；同時由于奧氏體基體對硬質相的良好固定和支撐，“陰影效應”和“固定支撐作用”二者相互促進，使復合耐磨層抗磨料磨損能力更加優越，在高應力沖蝕磨損工況下，其耐磨性比高錳鋼提高6 倍以上，比普通合金鋼提高10 倍以上。
2.3 抗沖擊性能
高濃度充填料漿必須達到一定的壓力和速度才能到達采空區，夾雜固體顆粒的料漿輸送過程中經常帶入空氣，形成不穩定的復雜的紊流狀態，并伴有“水擊”現象，對管道內壁形成持續的侵蝕沖擊，引發管道內壁的剝落甚至斷裂，導致嚴重事故，因此管道的抗沖擊性能也關系到充填輸送的效率和安全。
雙金屬復合管內層采用KMTBCr28 高鉻合金，外層采用高韌性的20#或16Mn 鋼管，在高溫熱鑄狀態下復合成形，充分發揮了兩種材料的性能優勢，形成了較好的冶金結合，整體性能極大提高。耐磨層KMTBCr28 高鉻合金的主要力學性能如圖5 所示，雙金屬復合管的整體性能如圖6 所示。
圖（5） KMTBCr28 高鉻合金主要力學性能
圖（6） 雙金屬復合耐磨管整體機械性能
可以看出，KMTBCr28 高鉻合金表現出較好的抗沖擊變形能力。由于組織中M7C3 型碳化物不成連續網狀，不破壞基體的連續性，裂紋就無法沿碳化物連續擴展下去，并且裂紋擴展遇到韌性奧氏體時，阻力會突然升高，可以阻止開裂，提高了材料的抗斷裂能力，比AL2O3 陶瓷（抗彎強度290 MPa，斷裂韌性4.8MPa.m1/2）更能夠有效地抵抗裂紋失穩擴展，防止碎裂剝落的發生。雙金屬復合耐磨管表現出更好的機械性能，即使有強烈的沖擊力作用，由于有高塑性的外管保護也不會發生局部或整體斷裂脫落，比陶瓷復合鋼管（壓裂強度為300~350MPa）更加安全可靠，實踐證明其使用壽命達到陶瓷復合管的3 倍以上。
2.4 抗壓性能
礦山充填水力輸送主要采用自流輸送或泵送兩種方式，都是依靠壓力進行遠距離輸送，因此輸送管道必須具有較高的承壓能力，防止因水擊或堵塞引發巨大沖擊壓力導致爆管的惡性事故；特別對于深井充填，地表與井下高差大，料漿流速加大，壓力增高，在-750m 標高時最大靜壓可達15 MPa，因此對充填輸送管路的安全性能要求更高。
輸送管路主要由垂直和水平管道組成，管路破壞大多發生在最大壓力下，當充填料漿堵管時產生的靜壓力最大，多發生在充填管路垂直段與水平段相連接的部位。充填輸送管路壓力分布如圖7 所示。
圖（7） 輸送管路壓力分布
雙金屬復合耐磨管主要依靠外層鋼管來承受壓力，制作時應根據充填系統許可工作壓力要求來選擇滿足強度要求的鋼管進行復合。外鋼管選擇參考公式：P=2δ[σ]/D。其中P—工作壓力(MPa)，δ—管壁厚度(mm)，[σ]—許用應力(MPa)，D—鋼管外徑(mm)?？紤]安全因素，許用應力[σ]應按所選材料屈服強度的60%計算。常用外鋼管材料為20#和16Mn，屈服強度分別為245MPa 和345MPa。此外還應符合焊接強度和加工工藝的要求。
2.5 其它特性
在充填管路中，彎管段比直管段磨損更為突出，由于料漿流向發生急劇改變，料漿對管道的法向沖擊力非常大，管壁穿孔現象十分嚴重；彎管的磨損主要集中在外半徑一側，可磨出一條長窄槽，貫通彎管背部。雙金屬復合耐磨管的一大優勢恰恰在于彎管可采用整體復合澆鑄，內壁成流線型光滑過渡，料漿運行阻力小，降低了沖刷磨損作用，同時還可以對磨損嚴重的外側進行加厚復合，延長其使用壽命，這是陶瓷復合管無法比擬的。
雙金屬復合耐磨管內外層均為金屬材料， 外層鋼管熱膨脹系數(13.5~14.3)×10-6/℃，內層高鉻合金熱膨脹系數(11~15)×10-6/℃，內外層熱膨脹系數相當，導熱性能較好，在溫度急劇變化引起的熱沖擊作用下，不會因熱脹冷縮不一致發生耐磨層碎裂剝落，保證了焊接加工的可靠性；而陶瓷復合管的內襯層幾乎沒有塑性，導熱也差，熱膨脹系數(5.5~7.5)×10-6/℃，不到外鋼管的50%，在強烈的熱應力沖擊下，內襯陶瓷層產生裂紋萌生與擴展，最后崩裂脫落，這也是其在實際使用工況中，泄漏部位越焊越漏、越補越差的重要原因。
圖（8）礦井充填站現場
3、結語
(1) 輸送管路的性能直接關系到礦山充填的效率和效果，其使用壽命受到顆粒特性、料漿濃度、流速、壓力、鉆孔偏斜率、充填倍線、施工質量等多種因素的影響，同時也與輸送管道的技術工藝性能密切相關，隨著采礦深度的不斷加大，輸送工況更加復雜，因此合理選擇充填輸送管道，是預防堵塞爆管、泄漏污染、鉆孔報廢等惡性事故的重要措施，直接關系到企業的安全生產和經濟效益。
(2) 雙金屬復合耐磨管結構合理、工藝先進，耐磨層采用了抗沖蝕磨損性能優良的KMTBCr28 高鉻合金，在熱鑄狀態下復合成形，使材料的耐磨性和韌性有機結合，抗沖擊能力和抗熱振性能顯著，整體機械性能大幅提高，使用安全可靠。實踐證明其使用壽命（累計充填量）達到了普通鋼管的10 倍乃至20 倍以上，技術性能優勢十分明顯，特別適用于礦山充填輸送惡劣的工況條件。
參考文獻
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