《巋望》牌第三代U170代鎢、代鈷純鋼截齒的工業(yè)考核

張國(guó)櫸，張漢斌，周俞坊，蔣永良

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）掘進(jìn)工程研究所，湖北武漢430074；2.無(wú)錫巋望科技有限公司，江蘇無(wú)錫214100）

1 采煤機(jī)用鎬形截齒研發(fā)現(xiàn)狀及存在問題

我國(guó)煤碳工業(yè)隨著機(jī)械化采煤比重的不斷上升，采煤機(jī)用截齒的消耗量劇增。隨機(jī)引進(jìn)的美國(guó)、德國(guó)、瑞典等進(jìn)口截齒價(jià)格昂貴，國(guó)產(chǎn)替代產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)較大。特別是經(jīng)常遇到煤層中較硬的矸石夾層，以及煤層頂?shù)装遢^硬的灰?guī)r和砂頁(yè)巖切割，造成齒柄變曲、斷裂，齒頭磨損加劇和掉碎齒現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了采煤效率的提高和生產(chǎn)成本的降低。圖1所示，是中國(guó)神華集團(tuán)神東煤炭分公司所屬各礦鎬形截齒的主要報(bào)廢形式。為了規(guī)范和提高我國(guó)采掘機(jī)械用截齒的制造、使用水平，2006年8月，國(guó)家發(fā)改委發(fā)布了最新的《中華人民共和國(guó)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T246-2006（采掘機(jī)械用截齒）》，于2006年12月1日開始實(shí)施。從此，以中國(guó)神華集團(tuán)所屬神東天隆機(jī)械維修加工中心所產(chǎn)各系列《天隆》牌為代表的國(guó)產(chǎn)截齒，質(zhì)量穩(wěn)定，發(fā)展迅速，能夠較好地滿足進(jìn)口采煤機(jī)的生產(chǎn)需要，全部取代了進(jìn)口產(chǎn)品，大大加快了全國(guó)煤炭行業(yè)所用截齒國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程。經(jīng)過一段時(shí)間的生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：①新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)齒體推薦的合金結(jié)構(gòu)鋼，例如常用的42CrMoA，35CrMnSiA中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，未對(duì)目標(biāo)成分、冶煉方法、抗拉強(qiáng)度、純凈度、均勻度、晶粒度、壓縮比等重要的鋼質(zhì)指標(biāo)，作出針對(duì)截齒工作條件的明確規(guī)定，必須在企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，按照超級(jí)鋼的冶煉要求，對(duì)齒體鋼材的鋼質(zhì)指標(biāo)加以補(bǔ)充和完善，實(shí)現(xiàn)原材料的窄帶供貨，才能從源頭開始確保產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；②新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)齒體表面硬度的要求，規(guī)定齒頭≥HRC40，齒柄為HRC38～42，下限偏低。這也是造成齒體耐磨性較差，齒柄容易彎曲、斷裂的原因之一；③新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定齒體中心部沖擊韌性AKU值≥49J/cm2偏高。普通中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼齒體，在釬焊固齒工藝條件下很難實(shí)現(xiàn)。如果勉強(qiáng)達(dá)標(biāo)，勢(shì)必降低齒體硬度和耐磨性，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量反而得不償失。根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)受力條件更為苛刻的沖擊鑿巖工具的研制經(jīng)驗(yàn)，鋼體一般選用抗拉強(qiáng)度達(dá)1500MPa級(jí)的低中碳Si-Mn-Cr-Ni-Mo系超高強(qiáng)度合金鋼，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都未對(duì)AKU值作規(guī)定，而對(duì)鋼體強(qiáng)度和表面硬度要求比較嚴(yán)格，并以硬質(zhì)合金齒有效利用率、齒體等強(qiáng)度正常磨損壽命和正常報(bào)廢率，作為產(chǎn)品質(zhì)量的最高檢測(cè)指標(biāo)。這也可對(duì)采掘機(jī)械用硬質(zhì)合金鎬形截齒質(zhì)量的進(jìn)一步提高和制造工藝的優(yōu)化有所借鑒。

圖1 采煤機(jī)常用鎬形截齒的主要報(bào)廢形式

2 采煤機(jī)用鎬形截齒研制的一條新路

為了有效節(jié)約稀有貴重的鎢、鈷資源，促進(jìn)我國(guó)鎢業(yè)和采掘工業(yè)的振興和可持續(xù)發(fā)展，2006年以來(lái)，無(wú)錫速力特機(jī)械科技有限公司和無(wú)錫巋望科技有限公司，由周俞坊董事長(zhǎng)和相關(guān)科技人員組成的采煤機(jī)截齒研發(fā)團(tuán)隊(duì)，與有關(guān)廠礦和科研院校合作，經(jīng)過幾年的艱苦努力，相繼研發(fā)成功了第一、二、三代無(wú)硬質(zhì)合金齒的純鋼鎬形截齒，見圖2、圖3、圖4。第一代整體純鋼截齒：采用普通但經(jīng)過特定冶軋工藝的42CrMoA鋼棒料，精鍛成形獲得具有高壓縮比特征、可供機(jī)加工的優(yōu)質(zhì)齒坯；按各種截齒成品的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和圖紙要求，完成機(jī)械切削加工；根據(jù)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)截齒不同受力部位進(jìn)行整體熱處理；對(duì)截齒錐頭耐磨部，實(shí)施特殊的B-Cr-Nb三元共滲改性處理。錐頭表面形成了三元硼化物金屬陶瓷Mo2FeB2，滲層堅(jiān)硬耐磨，使該截齒實(shí)現(xiàn)了硬度、韌性、耐磨性的有效結(jié)合，成品實(shí)物質(zhì)量穩(wěn)定。2006～2007年，第一代U92、U94純鋼截齒經(jīng)鄭州煤電股份有限公司米村煤礦、河南龍宇能源股份有限公司陳四樓煤礦、黑龍江穆陵市興和煤礦、河南永成永煤集團(tuán)無(wú)煙煤礦、山東棗莊礦業(yè)集團(tuán)等眾多煤礦試用，純鋼截齒杜絕了掉齒、碎齒，不斷、不彎，特別有利于煤層頂?shù)装迩謇砗屯ㄟ^堅(jiān)固性系數(shù)f=4～6的矸石夾層，獲得了用戶的普遍好評(píng)和一致認(rèn)可。但也有用戶反映，第一代純鋼截齒頭部“耐磨度不均衡、硬度不一致，建議改進(jìn)”。2007年12月29日，該批截齒經(jīng)室內(nèi)檢驗(yàn)證實(shí)[2]：齒體沖擊韌性AKU=64.5J/cm2，柄部硬度為HRC46.3，頭部硬度為HRC50.9，均遠(yuǎn)高于全國(guó)煤炭行業(yè)截齒標(biāo)準(zhǔn)《MT/T246-2006》規(guī)定的指標(biāo)。但齒頂錐頭部硬度僅為HRC53.1，實(shí)為齒頂鋼體硬度，系因硬化層太?。s0.3mm）所致。在通過上述工業(yè)試驗(yàn)和室內(nèi)檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，“無(wú)硬質(zhì)合金頭采煤機(jī)鎬形截齒”，2008年1月16日通過了中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)組織的技術(shù)鑒定[3]。2008年1月30日，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授予了該項(xiàng)“采煤機(jī)鎬形截齒”實(shí)用新型專利權(quán)，專利號(hào)為：ZL2006201257907。

圖2 第一代無(wú)錫《首力》整體純鋼截齒外貌

圖3 第二代無(wú)錫《巋望》U94高強(qiáng)磨菇頭純鋼截齒

圖4 第三代無(wú)錫《巋望》U170超強(qiáng)梯度鋼齒純鋼截齒

2009年以來(lái)，針對(duì)第一代產(chǎn)品使用中存在的問題，在繼續(xù)保持齒體堅(jiān)固性的同時(shí)，為避免齒體與齒頂頭因受力狀態(tài)和熱處理工藝要求的不同而相互牽制，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，采用超高強(qiáng)度合金鋼，加工成磨菇形或圓柱狀錐形鋼齒，通過納米離子滲透技術(shù)，經(jīng)特殊的熱處理和表層改性處理，形成具有不同厚度的復(fù)合耐熱耐磨表層和堅(jiān)韌本體的梯度鋼齒，再經(jīng)專門的冷壓固齒工藝，相繼研制成功了以具有分體式堅(jiān)硬磨菇形齒頭為特征的第二代《巋望》牌純鋼截齒，以及以鑲嵌堅(jiān)韌耐磨的梯度鋼齒為特征的第三代《巋望》牌純鋼鎬形截齒。這種圓柱狀錐形梯度鋼齒，表面硬度可達(dá)HRC76～80（相當(dāng)于HRA90以上），心部本體硬度為HRC62～68（相當(dāng)于HRA82～86），具備了理想的強(qiáng)韌性和耐磨性?！稁h望》第二、三代鎬形純鋼截齒，經(jīng)甘肅靖遠(yuǎn)煤業(yè)集團(tuán)紅四礦、山西大同礦務(wù)局、安徽淮南煤礦、山東兗州礦務(wù)局等煤礦試用，齒頭耐磨，齒體堅(jiān)固，不斷、不彎，不掉齒、碎齒，正常磨損報(bào)廢時(shí)間達(dá)200～250小時(shí)[4]，單齒平均達(dá)煤量、正常磨損報(bào)廢率和性價(jià)比指標(biāo)均優(yōu)于原用截齒，特別適用于較硬的無(wú)煙煤和夾矸石煤層的開采，已獲得多家煤礦認(rèn)可。

3 《巋望》牌第三代U170截齒的工業(yè)考核

2007年初，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）掘進(jìn)工程研究所張國(guó)櫸、張漢斌等，受中國(guó)神華集團(tuán)神東天隆機(jī)械維修加工中心委托，協(xié)助該中心解決所屬各礦錨桿鉆機(jī)用干式吸塵鉆桿的質(zhì)量升級(jí)問題。經(jīng)過一年多的艱苦努力，較圓滿地實(shí)現(xiàn)了攻關(guān)目標(biāo)。與此同時(shí)，各礦又反映采煤機(jī)所用《天隆》牌鎬形截齒，雖然總體說(shuō)質(zhì)量穩(wěn)定、性能較好，但在清掃煤層頂?shù)装寤蛟庥鲚^硬矸石夾層時(shí)，仍顯現(xiàn)齒體強(qiáng)度和耐磨性不足，發(fā)生齒柄彎曲、斷裂和掉齒、碎齒現(xiàn)象（參閱圖1）。2008年初，神東煤炭分公司為神東天隆機(jī)械維修加工中心，提出了研發(fā)新一代高強(qiáng)度過巖截齒的任務(wù)，于是雙方繼續(xù)合作攻關(guān)。在充分利用原有鍛造、熱處理、機(jī)加工、焊接設(shè)備，并維持已經(jīng)比較成熟的齒體鋼種與制造工藝流程總體不變的前提下，通過調(diào)整鋼種目標(biāo)成分、提升鋼質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、改進(jìn)供貨渠道、提高齒體壓縮比和機(jī)械性能指標(biāo)，通過近兩年不斷篩選，目前采煤機(jī)用《天隆》牌硬質(zhì)合金鎬形截齒，在質(zhì)量、品種方面已經(jīng)與同類進(jìn)口產(chǎn)品相當(dāng)，基本上可以代表國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。為了相互借鑒和進(jìn)一步提升我國(guó)采煤機(jī)用鎬形截齒的科技含量與制造水平，我們組織了這次工業(yè)考核。

時(shí)間：2010年6月13～6月19日。

地點(diǎn)：內(nèi)蒙伊金霍洛旗中國(guó)神華（集團(tuán)）神東煤炭集團(tuán)補(bǔ)連塔煤礦。

煤層：優(yōu)質(zhì)煙煤，每米間距充填有4～6條方解石細(xì)脈，f=2～3。煤層頂?shù)装鍨槟噘|(zhì)砂巖，f=4～5。煤層傾角1°～3°，煤層厚度4.6～5.2m，工作面走向長(zhǎng)度311m。

采煤機(jī)：德國(guó)艾柯夫（Eickoff）公司SL1000型電牽引長(zhǎng)壁采煤機(jī)，截割滾筒2個(gè)，滾筒直徑×寬度=2750×980mm，配用U170截齒122支（2×61），截割深度865mm。

試驗(yàn)結(jié)果：本次試驗(yàn)主要目的是考核《巋望》第三代U170截齒實(shí)物質(zhì)量的穩(wěn)定性，以及生產(chǎn)工藝的成熟度。因?yàn)樘峁┑臉悠窋?shù)不多，采取與代表國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的《天隆》牌U170硬質(zhì)合金截齒混裝?！稁h望》截齒經(jīng)過6天生產(chǎn)作業(yè)，煤層工作面已縱向推進(jìn)45m，過煤量已達(dá)8.5萬(wàn)噸，截齒不斷、不彎，全部正常磨損，工作正常。折合單齒未完壽命為：（85000噸/122支）696.7噸/支，參見圖5、圖6。

圖5 割煤前進(jìn)中的截齒滾筒

圖6 《巋望》第三代U170純鋼截齒在神東煤田的使用情況

4 結(jié)論

經(jīng)多次工業(yè)考核證明：

（1）《巋望》第三代U170分體式純鋼截齒，齒體雖然選用一般較廉價(jià)的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMoA鋼，但采用了較高的鋼質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、先進(jìn)的鍛造工藝和特殊的熱處理技術(shù)，故比目前國(guó)內(nèi)一般焊接固齒硬質(zhì)合金截齒的鋼體，更為堅(jiān)固耐磨。

（2）《巋望》第三代U170純鋼截齒，采用超高強(qiáng)度合金鋼，通過專門的成形、強(qiáng)化和熱處理方法，再經(jīng)特殊的表層改性處理，所研制成功的圓柱狀錐形梯度鋼齒特別堅(jiān)韌耐磨，是一種具有重大社會(huì)、經(jīng)濟(jì)意義的技術(shù)創(chuàng)新。

（3）《巋望》第三代U170純鋼截齒，采用了一種特殊的冷壓固齒工藝，充分發(fā)揮了齒體與錐頭梯度鋼齒的潛能，能確保不掉齒、碎齒，也是一項(xiàng)重要的技術(shù)創(chuàng)新。

（4）《巋望》純鋼截齒在技術(shù)與市場(chǎng)方面，均存在巨大的發(fā)展空間。它有可能發(fā)展成為一種具有顛覆意義的發(fā)明，為我國(guó)鑿巖工具的發(fā)展走出一條新路，有效緩解人們對(duì)于將來(lái)鎢、鈷資源枯竭的危機(jī)感。

[1]張國(guó)櫸.為實(shí)現(xiàn)鎢業(yè)“歐佩克”的戰(zhàn)略構(gòu)想而奮斗[A].國(guó)家行政學(xué)院研究室.落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀的偉大實(shí)踐[C].北京：中國(guó)檔案出版社，2006年，第二卷（上冊(cè)），P104～106.

[2]周俞坊.“JZA102/35型采掘機(jī)械用截齒檢驗(yàn)報(bào)告”[R].NO.0704436，上海國(guó)家采煤機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，2007年12月29日。

[3]中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)成果鑒定證書.“無(wú)硬質(zhì)合金頭采煤機(jī)鎬形截齒”[R].中煤會(huì)鑒字[2008]第01號(hào)，無(wú)錫速力特機(jī)械科技有限公司，2008年1月16日。

[4]無(wú)錫巋望科技有限公司U92新型截齒性能試驗(yàn)報(bào)告[R].甘肅省靖遠(yuǎn)煤業(yè)集團(tuán)紅會(huì)第四煤礦，2009年9月8日.