天然氣在大型煤機(jī)企業(yè)的應(yīng)用

摘要:針對(duì)大型煤機(jī)企業(yè)進(jìn)行了天然氣綜合應(yīng)用的系統(tǒng)研究，主要包括天然氣用于特種特厚板材切割、刀具焊接、金屬材料熱處理、高強(qiáng)板的預(yù)熱和保溫以及車(chē)間的冬季采暖等方面，同時(shí)解決了天然氣在應(yīng)用中的節(jié)約和改變熱值問(wèn)題和天然氣的減壓和添加劑的添加問(wèn)題。項(xiàng)目實(shí)施后，改善了工人操作勞動(dòng)強(qiáng)度，改善產(chǎn)品機(jī)械性能及品質(zhì)，改善冬季工作環(huán)境，節(jié)能與社會(huì)環(huán)保效益十分突出。

關(guān)鍵詞:天然氣；煤機(jī)企業(yè)；綜合應(yīng)用

1引言

天然氣作為新型燃?xì)庠诠I(yè)企業(yè)中的應(yīng)用相當(dāng)普及，但均是針對(duì)各自的需要而進(jìn)行的，內(nèi)容分散，缺乏系統(tǒng)性。由平頂山工學(xué)院與平頂山煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司（項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)為平頂山煤礦機(jī)械廠）合作進(jìn)行了天然氣綜合應(yīng)用的系統(tǒng)研究，以保證天然氣在相關(guān)行業(yè)應(yīng)用中技術(shù)條件的完整性。

天然氣用于大型煤機(jī)企業(yè)項(xiàng)目的整體設(shè)計(jì)和整體布局由平頂山工學(xué)院“天然氣在大型煤機(jī)企業(yè)的應(yīng)用”項(xiàng)目組共同完成，其在平頂山煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司的工藝布置如圖1所示，集中供氣平面圖見(jiàn)圖2所示。

2天然氣在大型煤機(jī)企業(yè)的綜合應(yīng)用

天然氣用于大型煤機(jī)企業(yè)項(xiàng)目?jī)?nèi)容較多，實(shí)施方案復(fù)雜，在項(xiàng)目實(shí)施中主要解決了五個(gè)方面的問(wèn)題。

2.1天然氣在用于煤礦液壓支架產(chǎn)品所使用特種特厚板材切割方面的應(yīng)用

煤礦液壓支架產(chǎn)品所使用的板材有普通板材和特種板材兩種，普通板材多為16Mn鋼或27SiMn鋼。近年來(lái)，為提高液壓支架的支護(hù)性能，盡可能滿足煤礦綜采工作面的高產(chǎn)高效要求，越來(lái)越多的特種板材相繼問(wèn)世并被用于液壓支架的生產(chǎn)中。作為綜采工作面主要設(shè)備之一的液壓支架，隨著架型結(jié)構(gòu)進(jìn)一步完善，設(shè)計(jì)方法更加先進(jìn)，參數(shù)開(kāi)始向高工作阻力、大中心距方向發(fā)展。隨著支架工作阻力的加大，耐久性試驗(yàn)次數(shù)的增加，如果繼續(xù)選用傳統(tǒng)的16Mn和15MnVN材料，要保證支架的支護(hù)強(qiáng)度，只能靠加大板材厚度，勢(shì)必使支架總體重量超重，給礦井提升和井下運(yùn)輸、工作面搬運(yùn)都帶來(lái)極大的不便。因此在保證支護(hù)強(qiáng)度和支架總重不超標(biāo)的情況下，切實(shí)可行的辦法就是選用高強(qiáng)度鋼材。因?yàn)檫x用高強(qiáng)度板材，可使支架工作阻力和支護(hù)強(qiáng)度大大提高，同時(shí)也大大降低了單架重量。正因?yàn)槿绱?，支架結(jié)構(gòu)件材料正越來(lái)越多地采用高強(qiáng)度鋼材，主要結(jié)構(gòu)件材料以為550-1000MPa級(jí)的不同等級(jí)高強(qiáng)度鋼板逐步取代16Mn(δs為320-350MPa)。這些特種板材材質(zhì)主要為：HG785、HG980（武漢鋼鐵公司）；WH80Q、WH100Q（舞陽(yáng)鋼鐵公司）；JG785DB、JG950（濟(jì)南鋼鐵公司）等。由于特種板材中添加了部分特種金屬成分，導(dǎo)致特種板材的切割性能往往不同于普通板材，需要在切割用氣量及割嘴結(jié)構(gòu)形狀方面有所改變，以提高切割時(shí)的火焰溫度，保證割縫質(zhì)量。

煤礦液壓支架產(chǎn)品所使用的板材無(wú)論是普通板材還是特種板材，其厚度都比較厚，一般為δ16-150mm，這么厚的板材在切割方面無(wú)論是普通的乙炔氣和液化氣，還是天然氣都是有一定難度的，如果解決不好可能會(huì)導(dǎo)致割縫極不平整，割后必須進(jìn)行加工處理等后果。本項(xiàng)目針對(duì)這一問(wèn)題也進(jìn)行了特別研究，通過(guò)對(duì)割嘴結(jié)構(gòu)和氣體燃燒熱值的改進(jìn)，解決了特厚板材切割問(wèn)題，尤其是對(duì)數(shù)控切割機(jī)床割嘴系統(tǒng)的改進(jìn)，使其割縫平整光滑，粗糙度Ｒa值實(shí)測(cè)在14.6～24.5之間，割出的板件可直接用于焊接，提高了生產(chǎn)效率。

對(duì)割嘴結(jié)構(gòu)的改變主要體現(xiàn)在對(duì)割嘴內(nèi)部形狀的改變，主要是改變割嘴的流道結(jié)構(gòu)，將原有的直線流道改為雙程螺旋線流道，改半圓形流道斷面為三角形斷面，主要目的是提高割嘴出口處的火焰溫度和吹氣能力，保證切割時(shí)熔化的液態(tài)金屬能夠及時(shí)被吹走，從而提高切割速度和割縫質(zhì)量。

天然氣主要成分是甲烷，是價(jià)格較為低廉的一種燃?xì)?，但其燃燒速度慢，火焰溫度低，切割預(yù)熱時(shí)間相應(yīng)增長(zhǎng)。采用天然氣作為切割用燃?xì)獾膬?yōu)點(diǎn)較多，如天然氣不需大的儲(chǔ)存容器設(shè)備、生產(chǎn)成本較低、使用方便等等。試驗(yàn)表明:天然氣和乙炔氣的燃燒性能和氣體消耗量上是不同的，只要根據(jù)其消耗適當(dāng)改變割嘴結(jié)構(gòu)，采用天然氣代替乙炔氣進(jìn)行火焰切割，就能取得較好的應(yīng)用效果。切割實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單純采用天然氣作為切割用燃?xì)?，其切割速度比乙炔氣要慢，可?jiàn)，要提高天然氣的切割速度，必須在天然氣中添加催化劑以改變天然氣的燃燒性能，達(dá)到提高火焰溫度以及提高切割速度、降低使用成本等目的。目前國(guó)內(nèi)已有多家公司開(kāi)發(fā)了用于天然氣切割氣的添加劑，并且具有很好的使用效果。

本課題在平頂山煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司試驗(yàn)時(shí)，采用了武漢“金火焰”和北大的“國(guó)防綠”添加劑，在劑量配比和加氣方法上經(jīng)過(guò)多次摸索，獲得了成功。并設(shè)計(jì)制造了專門(mén)的加氣站裝置。

2.2天然氣用于刀具焊接

刀具焊接主要是各種車(chē)刀的硬質(zhì)合金刀頭焊接和極少的特種鉆頭(主要深孔鉆用)的焊接。

硬質(zhì)合金焊接刀具的制造質(zhì)量和使用壽命，除取決于刃磨質(zhì)量外在很大程度上取決于刀具的焊接質(zhì)量。但是，影響硬質(zhì)合金刀具焊接質(zhì)量的因素也很多，硬質(zhì)合金的焊接性能對(duì)硬質(zhì)合金刀具的焊接質(zhì)量影響很大，不同牌號(hào)的硬質(zhì)合金切削刀片，其合金性能不同，焊接性能也不同，對(duì)焊接質(zhì)量的影響也不同。硬質(zhì)合金刀具的刀體材料一般為45鋼、40Cr等，由于鋼比硬質(zhì)臺(tái)金的線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)大得多，在焊接過(guò)程中，可能會(huì)產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，使硬質(zhì)合金刀片產(chǎn)生裂紋，這將極大地影響硬質(zhì)合金焊接刀具的使用壽命對(duì)于W-Co合金，隨著粘結(jié)劑鈷(Co)含量越低，合金的線膨脹系數(shù)越小，抗彎強(qiáng)度和韌性越低，焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋的可能性越大；對(duì)于含 TiC的硬質(zhì)合金， 隨著TiC含量的提高合金的導(dǎo)熱系數(shù)越小，抗彎強(qiáng)度和韌性越低，焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋的可能性越大。因而，低鈷和高鈦的硬質(zhì)合金在焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋的可能性最大。

天然氣用于刀具焊接時(shí)比用于金屬切割時(shí)，其火焰溫度不經(jīng)過(guò)添加催化劑就能滿足要求，但為了節(jié)約成本，降低費(fèi)用，本項(xiàng)目在實(shí)施中仍然采用添加了催化劑的天然氣。天然氣用于刀具焊接所要解決的主要問(wèn)題就是要減少刀具焊接后的微觀裂紋，由于天然氣燃燒時(shí)的溫度與原來(lái)所用的乙炔氣不同，因此需要對(duì)焊接工藝進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。焊接性能差和較差的合金刀片，對(duì)焊接裂紋有很高和較高的敏感性，焊接時(shí)極易產(chǎn)生裂紋，不宜采用厚刀片焊接，也不宜在封閉槽內(nèi)焊接，焊接時(shí)宜用化學(xué)性活潑的熔劑，刀具焊接后刀體不宜進(jìn)行熱處理等。焊接性能一般的合金刀片，焊接時(shí)雖不象焊接性能差和較差的刀片那樣對(duì)焊接裂紋敏感，但仍容易產(chǎn)生裂紋。焊接性能較好的刀片，可焊于各種形狀的槽中，刀具焊接后刀體可進(jìn)行熱處理等。在進(jìn)行硬質(zhì)合金刀具焊接時(shí)，合理選擇焊料和焊接工藝參數(shù)等，就可以保證焊接質(zhì)量。其常溫硬度、高溫硬度、抗彎強(qiáng)度及沖擊韌性等性能提高，從而提高刀具的耐用度。

不同的焊料，其熔點(diǎn)、高溫塑性、流動(dòng)性和濕潤(rùn)性等特性不同。焊料的熔點(diǎn)不僅影響生產(chǎn)率，而且也影響焊接應(yīng)力等，熔點(diǎn)越高，焊接效率越低，也越易產(chǎn)生焊接應(yīng)力，而且當(dāng)焊接溫度超過(guò)950℃以上(一般焊接溫度高于焊料熔點(diǎn)40℃左右為宜)時(shí)．還會(huì)使硬質(zhì)合金發(fā)生相變等，降低了硬質(zhì)合金的使用性能；高溫塑性好的焊料，在焊接冷卻過(guò)程中能起到緩沖和平衡作用，降低硬質(zhì)合金與鋼的線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)不同而引起的熱應(yīng)力。而且，焊料的高溫塑性好，焊接后可進(jìn)行熱處理，這為刀體具有一定硬度等要求的硬質(zhì)合金刀具提供了焊接后進(jìn)行熱處理的條件；流動(dòng)性和濕潤(rùn)性好的焊料．焊接時(shí)就能流布整個(gè)焊接面。得到勻而薄的焊縫，而獲得較高焊接強(qiáng)度。厚薄不勻的焊縫也是造成硬質(zhì)合金產(chǎn)生焊接裂紋的原因。硬質(zhì)合金刀具焊料，應(yīng)根據(jù)硬質(zhì)合金刀片的焊接特性和刀具的用途來(lái)選擇。對(duì)于低鈷和高鈦合金，也即焊接性能差的硬質(zhì)臺(tái)金，焊接時(shí)容易產(chǎn)生裂紋，但這類(lèi)硬質(zhì)合金的硬度高，耐磨性好，抗彎強(qiáng)度和韌性低，用其所做的刀具一般用于受力及沖擊負(fù)荷相對(duì)小的半精加工和精加工，因而要求焊料熔點(diǎn)低，高溫塑性、流動(dòng)性和濕潤(rùn)性都好，焊接時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力小。

加熱速度、冷卻速度、保溫溫度、保溫時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量也有很大的影響。焊接時(shí)的加熱速度對(duì)焊接質(zhì)量，尤其是焊接裂紋的產(chǎn)生有非常明顯的影響，如果加熱速度太快，不能使硬質(zhì)合金和刀體得到充分的預(yù)熱而進(jìn)入高溫階段，由于鋼的導(dǎo)熱系數(shù)比硬質(zhì)合金大得多，硬質(zhì)合金的熱傳遞速度比鋼慢得多，容易使刀片與刀體、刀片表面與內(nèi)部的溫差太大，致使焊接應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生焊接裂紋.加熱速度不僅不能太快，也不能太慢，否則不僅會(huì)引起焊接表面氧化，使焊接強(qiáng)度降低，而且會(huì)使硬質(zhì)臺(tái)金較長(zhǎng)時(shí)間處于受熱狀態(tài)，由于硬質(zhì)合金中各元素的熱彩脹系數(shù)不同，在加熱過(guò)程中硬質(zhì)臺(tái)金內(nèi)受到各種應(yīng)力的作用，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)硬質(zhì)合金本身的極限強(qiáng)度時(shí)，硬質(zhì)合金就會(huì)斷裂；此外．還會(huì)使硬質(zhì)合金表層發(fā)生氧化，降低硬質(zhì)合金的使用性能。

焊后冷卻過(guò)程中，由于鋼刀體和硬質(zhì)合金刀片的熱彩脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)有較大差異，刀片本身存在著很大的殘余應(yīng)力和焊接熱應(yīng)力，如果冷卻速度快．迫使刀體急劇塑性變形，則會(huì)導(dǎo)致刀片產(chǎn)生裂紋.為了使焊后冷卻速度不要太快，可采用適當(dāng)溫度保溫措施。刀具焊接后，置于具有一定溫度的保溫材料(如干砂、木炭灰、云母粉等)中緩慢冷卻，或采用爐內(nèi)程序控溫緩慢冷卻更好，這樣可消除刀片在冷卻過(guò)程中可能產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力，避免產(chǎn)生裂紋。

在平頂山煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，天然氣用于刀具焊接實(shí)施中采用的是添加了催化劑的天然氣。為解決天然氣用于刀具焊接時(shí)的微觀裂紋，需要對(duì)焊接工藝進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。由于煤機(jī)企業(yè)的特點(diǎn)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的持續(xù)性，煤機(jī)所用刀具的種類(lèi)不是特別多，經(jīng)過(guò)項(xiàng)目組多次試驗(yàn)，決定選擇以銅焊為主的焊接模式，焊前稍作預(yù)熱處理，焊中以開(kāi)放式工作臺(tái)面為宜，焊后用滑石粉保溫的工藝路線就能滿足焊接的要求。

2.3天然氣用于金屬材料熱處理

在金屬材料熱處理方面，天然氣的燃燒溫度能夠滿足要求，同刀具焊接一樣，為節(jié)約成本，降低費(fèi)用，我們同樣設(shè)計(jì)了加氣裝置。

但是，天然氣用于熱處理，容易使被處理的金屬過(guò)度氧化，因此，對(duì)金屬熱處理爐必須進(jìn)行改造，我們采用的是爐膛外燃燒，熱氣循環(huán)的方式（通過(guò)風(fēng)機(jī)將熱空氣送至爐膛內(nèi)）解決了這一問(wèn)題。

2.4天然氣用于高強(qiáng)板焊接中的預(yù)熱和保溫

天然氣用于高強(qiáng)板焊接中的預(yù)熱和保溫的目的是為了保證合理的焊接工藝參數(shù)。合理的焊接工藝參數(shù)主要包括兩方面的內(nèi)容：

可以防止焊接缺陷(各種焊接裂紋、氣孔、夾渣、咬肉等)的產(chǎn)生；

焊縫的性能能夠滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。合理的焊接工藝參數(shù)來(lái)源于全面了解被焊鋼材的焊接性和對(duì)產(chǎn)品構(gòu)件的分析。

天然氣用于高強(qiáng)板在焊接時(shí)的預(yù)熱和保溫，因?yàn)闇囟认鄬?duì)較低（不同材質(zhì)溫度有所不同，一般控制在100-250℃），相對(duì)來(lái)說(shuō)，比較容易實(shí)現(xiàn)，只是做好整體天然氣的規(guī)劃，同時(shí)工人操作時(shí)，為避免受熱源的幅射影響，對(duì)爐體進(jìn)行一些隔熱和保溫處理。

2.5天然氣用于車(chē)間冬季取暖

天然氣用于車(chē)間冬季取暖在平頂山煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司的供暖面積近8000平方米，一個(gè)采暖期少用煤50噸左右，減少了二氧化碳、二氧化硫排放量，極大地改善城市空氣質(zhì)量，對(duì)周?chē)h(huán)境的影響降至最低。

設(shè)置專用的燃?xì)忮仩t進(jìn)行熱水或者蒸汽供熱，這已經(jīng)是成熟技術(shù)，應(yīng)用起來(lái)比較方便。

3天然氣在應(yīng)用中改變熱值和加氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于天然氣(甲烷) 在氧氣中燃燒火焰的溫度只有2000℃左右， 遠(yuǎn)低于乙炔的火焰溫度3150℃，在切割預(yù)熱時(shí)間上也達(dá)不到乙炔的水平，因此，天然氣無(wú)法直接用于金屬材料的切割和刀具的焊接，使用新型工業(yè)燃?xì)馓砑觿┘冉鉀Q了燃燒時(shí)的熱值問(wèn)題又節(jié)約成本，但添加劑的種類(lèi)較多，目前，我們所使用的添加劑主要有:武漢的“金火焰”，北大的“國(guó)防綠”和北京某公司的“SE-6”。

添加劑在使用中必須能夠比較方便地加入到天然氣中，為此必須設(shè)計(jì)天然氣加氣站。但是對(duì)于不同的添加劑所使用的配比有所不同，因此必須設(shè)計(jì)能調(diào)節(jié)配比的加氣系統(tǒng)。

由于天然氣從市政主管網(wǎng)進(jìn)入廠區(qū)時(shí)的壓力較高，不能直接使用，必須設(shè)計(jì)天然氣減壓站，同時(shí)添加劑的添加也是在高壓下進(jìn)行的，因此，我們將減壓站與加氣站合二為一，作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)綜合設(shè)計(jì)。

因?yàn)榇颂幧婕暗綁毫θ萜鞯脑O(shè)計(jì)與施工問(wèn)題，為保證安全性和符合國(guó)家的相關(guān)法規(guī)要求，本系統(tǒng)的工藝流程和原理設(shè)計(jì)由項(xiàng)目組完成，具體的壓力管道設(shè)計(jì)委托中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)號(hào)：GPS-183-07），聘請(qǐng)揚(yáng)州市揚(yáng)子工業(yè)設(shè)備安裝有限公司負(fù)責(zé)施工，平頂山市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)所作為項(xiàng)目監(jiān)理方負(fù)責(zé)監(jiān)督和檢驗(yàn)任務(wù)。該項(xiàng)目管道設(shè)計(jì)壓力0.4MPa，管道材料為20#鋼，管道起點(diǎn)為市政天然氣門(mén)站，終點(diǎn)止于廠區(qū)第一鉚焊車(chē)間外的加氣站，管道全長(zhǎng)約150米。加氣站系統(tǒng)內(nèi)非標(biāo)設(shè)備由平頂山煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司自己加工，加氣站系統(tǒng)完成后與管道系統(tǒng)一并進(jìn)行了壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

結(jié)語(yǔ)。項(xiàng)目全部實(shí)施后，平頂山煤礦機(jī)械廠第二鉚焊車(chē)間，液化氣丙烷氣以及氧氣消耗，由現(xiàn)有月消耗約40萬(wàn)元，可節(jié)約降低為25萬(wàn)元，每年直接節(jié)約經(jīng)費(fèi)15*12=180萬(wàn)元。同時(shí)極大地改善工人操作勞動(dòng)強(qiáng)度，大幅度改善產(chǎn)品機(jī)械性能及品質(zhì)，改善冬季工作環(huán)境。由于天然氣取替現(xiàn)有焦碳和乙炔氣，廠間CO2、NOx排放量降低，可滿足國(guó)家現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)。平頂山煤礦機(jī)械廠現(xiàn)有鉚焊車(chē)間三個(gè)，如果三個(gè)鉚焊車(chē)間都開(kāi)始使用，年直接節(jié)約經(jīng)費(fèi)將在500萬(wàn)元以上(第二鉚焊車(chē)間規(guī)模稍小)。節(jié)能與社會(huì)環(huán)保效益十分突出。

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