提高柱窩性能的工藝改進(jìn)

趙蕾 田玉梅

摘要：液壓支架是現(xiàn)代化高產(chǎn)高效長壁綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備之一，它與采煤機(jī)配套使用實(shí)現(xiàn)采煤綜合機(jī)械化，其使用壽命主要取決于本身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和質(zhì)量程度，為減輕支架自重，常選用高強(qiáng)度鋼。隨著液壓支架結(jié)構(gòu)用鋼強(qiáng)度級別的不斷提升，與之配套的柱窩材料的強(qiáng)度級別也要隨之提升。因此，本文通過研究柱窩鑄造工藝上的缺陷，提出了運(yùn)用多種強(qiáng)化機(jī)制，改進(jìn)鑄造工藝和熱處理工藝，提高柱窩產(chǎn)品的性能，滿足高端柱窩產(chǎn)品的要求。

關(guān)鍵詞：柱窩；工藝改進(jìn)；缺陷

由于煤礦地質(zhì)結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，液壓支架工作時(shí)既要承受來自頂板的垂直壓力，同時(shí)隨著工作面的前移，老頂形成的懸臂越來越長，逐漸變彎并最終斷裂，大量矸石下落及由此產(chǎn)生的強(qiáng)大氣流又會(huì)傳遞給支架一個(gè)巨大的水平?jīng)_擊力。所有這些力都會(huì)通過立柱傳遞到柱窩上。如果立柱缸體強(qiáng)度及剛度足夠大，活塞密封及其它部位的強(qiáng)度都很高，隨著頂板載荷的增加，安全閥在超出設(shè)定壓力時(shí)不能夠開啟卸載，這時(shí)立柱活塞腔內(nèi)壓力得不到釋放，就會(huì)產(chǎn)生常說的“串糖葫蘆”，即頂梁或底座柱窩被頂裂，甚至穿透。因此柱窩選材的性能要求非常苛刻，該材料不僅要求具有強(qiáng)度大和塑韌性好，還要有良好的焊接性。

1.柱窩在鑄造中的缺陷

1.1.氣孔。首先支架柱窩厚且厚度不均勻，當(dāng)鋼從液態(tài)變成固態(tài)時(shí)，由于氣體在金屬中的溶解度隨溫度下降而急劇減少，氣體向鑄件較高溫度方面擴(kuò)散；其次，柱窩型砂中的水分（包括混合水、結(jié)晶水、砂粒和黏土粒上附著的水），黏結(jié)劑中所含的揮發(fā)物，都會(huì)因受熱而變成氣體；金屬在澆注系統(tǒng)和型腔的流動(dòng)過程中，由于流動(dòng)不穩(wěn)定，將氣體卷入而生成氣孔。

1.2.縮孔?？s孔是指支架柱窩在凝固過程中因補(bǔ)縮不良而在最后凝固部位形成的宏觀孔洞?？s孔形狀不規(guī)則，孔壁粗糙，常伴有夾雜物、氣孔、裂紋等缺陷，縮孔上方或附近的鑄件表面有時(shí)會(huì)出現(xiàn)凹陷或縮陷。

1.3.粘砂。形成粘砂的主要原因有首先型砂粒度太粗，緊實(shí)度低或不均勻；其次，型砂的涂料質(zhì)量差，涂層厚度不均勻，涂料剝落。澆注溫度和澆注高度太高，金屬液動(dòng)壓力大。最后金屬液中的氧化物和低熔點(diǎn)化合物與型砂發(fā)生造渣反應(yīng)，生成硅酸亞鐵、鐵橄欖石等低熔點(diǎn)化合物，降低金屬液表面張力并提高其流動(dòng)性，使低熔點(diǎn)化合物和金屬液通過毛細(xì)管作用機(jī)制滲入砂粒間隙，并在滲透過程中，不斷消蝕砂粒，使砂粒間隙擴(kuò)大，導(dǎo)致粘砂。

2.提高柱窩性能的工藝改進(jìn)

2.1.鑄造工藝改進(jìn)

為了改進(jìn)柱窩性能，鑄造工藝上可采用消失模鑄造工藝生產(chǎn)，該工藝主要應(yīng)控制泡沫型的精度和防止?jié)沧⑦^程中出現(xiàn)增碳缺陷，這樣才能為下道工序熱處理打下良好的基礎(chǔ)。

消失模鑄造泡沫型采用聚苯乙烯發(fā)泡材料制成，泡沫材料在金屬液澆入鑄型過程。先后發(fā)生泡沫塑料從固態(tài)到液態(tài)再到氣態(tài)的裂解過程，并有一部分裂解出活性炭。金屬液與高碳?xì)夥战佑|，碳滲入其中形成整體增碳。另一部分裂解速度與金屬液的上升速度不匹配。金屬液壓上液態(tài)產(chǎn)物，快速分解產(chǎn)生大量的單質(zhì)碳。在高溫下滲入金屬液的局部，形成不均勻的增碳。

根據(jù)以前消失模鑄鋼件成熟的澆注工藝，確定柱窩消失模的鑄造工藝：澆冒合一的明澆式澆注系統(tǒng)，按照壓差定形理論合理配置負(fù)壓場，布置抽真空開關(guān)，富氧先燒后澆的澆注工藝。制作了適合零件澆注工藝的砂箱與泡沫燒失工裝。在零件澆注前將泡沫型預(yù)先燒失干凈，燒失率達(dá)到95%以上。然后立即進(jìn)行澆注， 經(jīng)過以上工藝措施的實(shí)施，澆注柱窩鑄鋼件6t。經(jīng)過化學(xué)分析與光譜分析進(jìn)行成分檢測，成分在允許誤差范圍內(nèi)，檢驗(yàn)合格。采用消失模先燒后澆工藝進(jìn)行防增碳措施的澆注工藝，必須合理的控制負(fù)壓場，確保涂料層兩側(cè)的合理壓差。以防止出現(xiàn)垮箱事故造成鑄件的報(bào)廢。

2.2.熱處理工藝改進(jìn)

低合金鋼的熱處理強(qiáng)化是將鋼加熱到預(yù)定的溫度，保溫一段時(shí)間后充分發(fā)揮合金元素提高淬透性的作用，控制冷卻速度得到晶粒細(xì)小的組織，實(shí)現(xiàn)低合金鋼高的強(qiáng)度和好的韌性。現(xiàn)熱處理改進(jìn)工藝如下：

由于柱窩主要材料使用的是ZG27SiMn，通過對以下兩種熱處理工藝的研究后，

2.2.1.退火+調(diào)質(zhì)，

2.2.2.退火+正火，發(fā)現(xiàn)兩種不同熱處理工藝處理后的組織均為保持馬氏體位向的回火索氏體。兩種熱處理工藝中，經(jīng)退火+調(diào)質(zhì)處理后的組織最為均勻、細(xì)小，品粒內(nèi)部的鐵素體更為短小。

從力學(xué)性能上，采用退火+調(diào)質(zhì)熱處理工藝的強(qiáng)度、伸長率和沖擊軔性都是最好的。ZG27SiMn采用退火+調(diào)質(zhì)熱處理工藝的抗拉強(qiáng)度為980MPa，屈服強(qiáng)度825MPa，沖擊功35.2J，伸長率為12%，比經(jīng)退火+正火處理后的抗拉強(qiáng)度提高約100Mpa，屈服強(qiáng)度提高約70MPa，沖擊功提高約12J，伸長率提高約1%。通過熱處理工藝改進(jìn)，其力學(xué)性能是能夠滿足當(dāng)前高端柱窩的要求的。

2.3.合金強(qiáng)化

合金強(qiáng)化是提高柱窩鑄鋼性能的一種方法。鋼中加入Si、Mn、Cr、Mo、Ni等合金元素，可以固溶強(qiáng)化基體，并使CCT曲線向右移動(dòng)，可以獲得更加細(xì)小的珠光體組織，提高其強(qiáng)度。另外，鋼中加入強(qiáng)碳化物形成元素Nb、V、Ti，當(dāng)形成第二相顆粒時(shí)，則起到析出強(qiáng)化作用；當(dāng)它們固溶到奧氏體中時(shí)，可使CCT曲線向右移動(dòng)，細(xì)化珠光體。

3.總結(jié)：

本文通過研究柱窩制造的重要工藝過程，鑄造和熱處理工藝，提出一定的改進(jìn)方法。從鑄造工藝改進(jìn)上，采用了消失模鑄造工藝，同時(shí)提出在該工藝過程中主要需預(yù)防澆注過程中出現(xiàn)增碳等工藝缺陷；從熱處理工藝改進(jìn)上，采用退火+調(diào)質(zhì)熱處理工藝后，柱窩產(chǎn)品的強(qiáng)度伸長率和沖擊軔性都是符合當(dāng)前高端煤礦機(jī)械的要求。最后，通過研究合金強(qiáng)化措施改進(jìn)柱窩材料性能的方法，使得支架柱窩內(nèi)在質(zhì)量及成品率明顯提高，達(dá)到了降低成本，提高效益的目的。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

1.趙蕾，出生年月（1983.1--）學(xué)歷，研究生，職稱，工程師。

2.田玉梅，出生年月（1977.1--）學(xué)歷，本科，職稱，工程師。