新型超長(zhǎng)、超粗暨高性價(jià)比重型螺紋連接釬桿的研發(fā)

周楚淳 ，葉凌云 ，熊 波 ， 尹和平 ， 劉 敢 ，張國(guó)櫸，張漢斌，饒建華 ，周 曄 ，楊太奎

（1.湖北嘉裕釬具股份有限公司，湖北 咸寧 437224；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）掘進(jìn)工程研究所，湖北 武漢 430074）

1 《田野》鉆車(chē)鑿巖釬桿初展雄風(fēng)

為了加速實(shí)現(xiàn)國(guó)家“振興鎢業(yè)”和“建設(shè)一流釬鋼釬具強(qiáng)國(guó)”的戰(zhàn)略目標(biāo)，以促進(jìn)我國(guó)采掘工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)和 “中部崛起” 計(jì)劃的實(shí)施，2003年6 月3 日，在張國(guó)櫸研究員、葉凌云高工兩位國(guó)家級(jí)釬鋼釬具專(zhuān)家的倡議下，由中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 副校長(zhǎng)王焰新教授與湖北省田野集團(tuán)股份有限公司周寶生董事長(zhǎng)，共同簽署了“湖北田野釬鋼釬具有限責(zé)任公司”的《合同》與《章程》，雙方分別出資150 萬(wàn)元和850 萬(wàn)元， 合計(jì)1000萬(wàn)元注冊(cè)資本，在湖北嘉魚(yú)注冊(cè)成立了“湖北田野釬鋼釬具有限責(zé)任公司”。 與此同時(shí)，湖北《田野》集團(tuán)承諾無(wú)償提供現(xiàn)成廠房并貸給所需流動(dòng)資金。 基于原湖北咸寧《華夏》公司12 年的經(jīng)驗(yàn)積累與合資雙方的人力資源，進(jìn)一步吸收了近幾年國(guó)內(nèi)外同行和自身實(shí)踐中獲得的新經(jīng)驗(yàn)，雙方通力合作，僅用了10 個(gè)月時(shí)間，于2004 年5 月，在湖北嘉魚(yú)建成了一個(gè)以鉆車(chē)鑿巖用重型釬桿、高爐開(kāi)口鉆桿、各型釬（鉆）頭及其他配套釬具為主導(dǎo)的大型釬鋼釬具生產(chǎn)基地，見(jiàn)圖1。 該生產(chǎn)線堅(jiān)持以人為本，自主創(chuàng)新，具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：①采用雙通道連續(xù)中頻透熱爐。 該爐分預(yù)熱、加熱和保溫三個(gè)區(qū)段， 從而使鋼坯在加熱過(guò)程中，相對(duì)緩慢地通過(guò)材料的居里點(diǎn)，消除了合金鋼過(guò)快加熱所形成的熱應(yīng)力，并充分使鋼坯軸向和徑向溫度基本均勻，杜絕鋼坯產(chǎn)生過(guò)熱和過(guò)燒的缺陷，從而形成《田野》公司獨(dú)特的鋼坯加熱模式；②采用加強(qiáng)型Φ50 二輥穿孔機(jī)。 電機(jī)功率比原《華夏》公司穿孔機(jī)增加了20%，擴(kuò)大了產(chǎn)品規(guī)格的覆蓋率。 較長(zhǎng)的穿孔機(jī)后臺(tái)，確保了荒管具有足夠的長(zhǎng)度，從而保證《田野》公司能生產(chǎn)D51 mm 以內(nèi)全系列鑿巖鉆車(chē)釬桿，可以滿足國(guó)內(nèi)外各類(lèi)釬具市場(chǎng)的需求；③采用兩次帶芯減徑軋管機(jī)組。 確保了中空釬鋼具有良好的內(nèi)孔質(zhì)量，內(nèi)孔壁螺旋線由0.4 mm 降至0.2 mm 以下，達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平；④采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的雙列三輥熱軋減徑機(jī)組，和可調(diào)試六輥縱軋成型軋機(jī)。 有效保證了釬鋼外表面質(zhì)量，將“熱拔法”釬鋼成型時(shí)受到的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，大幅減少了釬鋼的疲勞源；⑤采用國(guó)際通用的步進(jìn)式冷床。 增加了冷床平面冷卻面積，防止產(chǎn)生熱態(tài)中空釬鋼在冷卻過(guò)程中的表面碰傷， 從而有助于提高釬桿使用壽命。與此同時(shí)，《田野》公司的深井式氣體滲碳爐，有效爐堂深達(dá)6.5 m，所產(chǎn)低碳Cr-Ni-Mo 系超高強(qiáng)度合金鋼釬桿， 經(jīng)整體滲碳-淬火-低溫回火，釬桿表面硬度為HRC 56～61， 心部硬度為HRC 40～44，再經(jīng)拋丸、防腐處理后，《田野》H35、D38、D45、D51 各型鉆車(chē)鑿巖用螺紋連接釬桿質(zhì)量穩(wěn)定，受到美國(guó)、加拿大、日本、印度和我國(guó)水電、交通、 礦山等國(guó)內(nèi)外用戶好評(píng)。 例如：2004 年12月，《田野》銷(xiāo)往溪洛渡電站葛洲壩工程局和水電6 局兩家施工單位的 R38-H35×6400-R35 重型釬桿， 壽命突破了1500 m， 達(dá)到了進(jìn)口釬桿水平，很快在瀑布溝電站也追加了訂貨。

圖1 《田野》 目標(biāo)——?jiǎng)?chuàng)建中國(guó)一流釬鋼釬具企業(yè)（2004.5，湖北嘉魚(yú)）

2005 年 10 月至 2006 年 9 月， 我們先后多次對(duì)《田野》公司供給湖南長(zhǎng)沙黑麋峰抽水蓄能電站， 和湖南懷化托口電站的 《田野》 牌R38-H35×5525-R35（R32）、R35（內(nèi)）-H35×3700-R35（外）、T45（內(nèi)）-D45×3660-T45（外）、T51（內(nèi)）-D51×3660-T51（外）鉆車(chē)釬桿，以及部分配套釬頭進(jìn)行了跟蹤技術(shù)服務(wù)和現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)考核。結(jié)果表明：①用較廉價(jià)的22SiMnCrNi2Mo（仿瑞典錐體連接焊接固片釬頭用鋼FF-710）電爐鋼（加真空脫氣處理）生產(chǎn)的 R38-H35×5525-R35 釬桿，由于桿體相對(duì)較細(xì)，精心控制淬回火溫度能獲得較好的表面和心部硬度， 且配用直徑較小的Φ48七齒-R35 或 Φ50 九齒-R35 釬焊固齒釬頭，釬梢承受的扭矩相對(duì)較小，其硬巖平均壽命已大幅度超過(guò)了原《華夏》公司當(dāng)年水平，達(dá)到了1400～1600 m/支，絕大多數(shù)實(shí)現(xiàn)了螺紋正常磨損報(bào)廢；②配套使用的《田野》Φ48 七齒、Φ50 九齒-R35、R32 釬焊固齒釬頭，只要鋼種與硬質(zhì)合金齒選擇合理，嚴(yán)格按圖紙和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，確保釬頭褲體與頭部硬度控制在HRC 40～45 范圍， 在該電站堅(jiān)硬花崗巖中正常磨損平均壽命可穩(wěn)定在300 m 左右，與同類(lèi)進(jìn)口釬頭相當(dāng)，而價(jià)格低，服務(wù)好，用戶表示滿意。該釬桿、釬頭的詳細(xì)工況請(qǐng)參閱表 1 和圖 2、 圖 3、 圖 4； ③用 22SiMn-CrNi2Mo 鋼生產(chǎn)的單臂鉆車(chē)下向穿孔用T45(內(nèi))-D45×3660-T45 和 T51（內(nèi)）-D51×3660-T51(外)《田野》快換釬桿的工作情況，見(jiàn)表2 和圖5、圖6、圖 7。 這表明《田野》D45、D51 重型快換釬桿硬巖平均壽命已穩(wěn)定在800～1000 m 范圍， 尚存在斷梢等非正常失效缺陷，說(shuō)明尚有很大改進(jìn)和提高的空間。

2 產(chǎn)-學(xué)-研結(jié)合向國(guó)際先進(jìn)水平攀登

2005 年6 月， 以國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)急需和采掘工程廣泛使用的鉆車(chē)鑿巖釬桿為中心，結(jié)合本公司博士后工作站立項(xiàng)，與中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）等單位合作，正式開(kāi)展了“新型鉆車(chē)鑿巖用超長(zhǎng)暨高性價(jià)比重型螺紋連接釬桿”的研發(fā)工作。

2.1 項(xiàng)目提出的目的意義及國(guó)內(nèi)外概況

“采掘業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)”。工業(yè)炸藥發(fā)明后，高效、低耗鑿巖一直是困擾世界采掘工業(yè)的百年難題。改革開(kāi)放20 多年來(lái)，以硬質(zhì)合金鑿巖釬具為核心內(nèi)容的我國(guó)釬鋼釬具工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)，已經(jīng)取得了日新月異的突破性進(jìn)展，各系列鑿巖釬具不但在質(zhì)量、品種方面逐步實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，并且開(kāi)始批量出口。 據(jù)概略統(tǒng)計(jì)，2004 年我國(guó)Φ32～Φ127 mm 硬質(zhì)合金釬頭和H22 mm 整體釬桿等短釬具的出口額， 雖已接近2000 萬(wàn)美元，仍不到國(guó)際釬具市場(chǎng)交易量的1/500。國(guó)際釬具市場(chǎng)年容量高達(dá)100 億美元； 國(guó)內(nèi)釬鋼和輕、重型釬桿等長(zhǎng)釬具的年耗量， 也已逾6 萬(wàn)噸，年產(chǎn)值近 10 億元。但是，H19、H22、H25 mm 錐體連接釬桿和硬質(zhì)合金整體釬桿， 以及H28、H32、H35、H38、H45、D32、D38、D45、D51 mm 螺 紋 連接釬桿的質(zhì)量問(wèn)題，迄今仍是我國(guó)釬鋼釬具工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)和長(zhǎng)釬具出口的主要“瓶頸”。

圖2 湖南長(zhǎng)沙黑麋峰電站地下硐室施工現(xiàn)場(chǎng)（2006.5.25，長(zhǎng)沙）

圖3 《田野》均質(zhì)鉆車(chē)鑿巖釬桿的使用效果(長(zhǎng)沙黑麋峰電站，2006.5.25)

圖 4 《田野》Φ48 七齒-R35（R32）釬焊固齒與熱嵌固齒釬頭工況比較（長(zhǎng)沙黑麋峰電站，2006.5.25）

長(zhǎng)釬具的國(guó)際水平以瑞典Sandvik 和Secoroc 公司為代表：H22 mm 錐體連接釬桿和硬質(zhì)合金整體釬子，斯德哥爾摩花崗巖壽命≥150m；鉆車(chē)鑿巖用D45 mm 重型螺紋連接釬桿，花崗巖壽命≥1500 m， 一般可達(dá)到 2000 m 左右。 瑞典R32、R38、T38、T45、T51 mm 重型螺紋連接的主要規(guī)格品種，見(jiàn)圖8、圖9。

長(zhǎng)釬具的國(guó)內(nèi)水平： 上世紀(jì)90 年代末H22 mm 錐體連接釬桿以《貴陽(yáng)》H22×108-2000Φ18×7°“鑄管法”ZK55SiMnMo 釬桿為代表， 花崗巖工業(yè)統(tǒng)計(jì)平均壽命約60～80 m;D45 mm 重型螺紋連接釬桿，以咸寧《華夏》公司T45-D45×3660-T45 ZK 18CrNi3MoV“熱穿-熱軋法”釬桿為代表，花崗巖工業(yè)統(tǒng)計(jì)平均壽命約800～1000 m。

2003 年 8 月，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)掘進(jìn)工程研究所、大冶鋼廠鋼研所、沈陽(yáng)中科院金屬研究所、 貴陽(yáng)鋼廠等單位合作研發(fā)的H22 mm “鉆孔法”ZK40SiMn CrNiMoA 鋼錐體連接釬桿和整釬，硬巖工業(yè)統(tǒng)計(jì)平均壽命達(dá)到了120～150 m，已接近了國(guó)際先進(jìn)水平。 2004 年12 月，湖北田野釬鋼釬具有限責(zé)任公司H35ZK22SiMnCrNi2Mo“電均熱-熱穿-熱軋法”R38-H35×6400-R35 重型釬桿，在四川溪洛渡電站硬巖壽命已突破1500 m，與同類(lèi)進(jìn)口產(chǎn)品壽命相當(dāng)，居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。 這顯示在1999 年底盛極而衰以后， 重新確立了湖北釬鋼釬具強(qiáng)省的地位，并為在質(zhì)量、品種、性價(jià)比指標(biāo)方面接近國(guó)際先進(jìn)水平，開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)獨(dú)具優(yōu)勢(shì)的工作平臺(tái)和新的出發(fā)點(diǎn)。

我國(guó)2004 年鋼產(chǎn)量已突破2.5 億噸， 是世界頭號(hào)鋼鐵大國(guó)，但在鋼材質(zhì)量、品種、成本、資源合理利用和綜合競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力方面，距離鋼鐵強(qiáng)國(guó)還路程遙遠(yuǎn)。 沖擊式鑿巖釬具用釬鋼，是人類(lèi)所有鋼鐵機(jī)械中受力條件最苛刻、 使用壽命最短、基礎(chǔ)工業(yè)必需的大量消耗性鋼種，也是一個(gè)國(guó)家鋼鐵工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志性鋼種之一。 因此，本項(xiàng)目的突破，將對(duì)我國(guó)釬鋼釬具與采掘工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)和提升綜合國(guó)力產(chǎn)生積極影響；對(duì)《田野》公司未來(lái)的更大發(fā)展和我國(guó)釬鋼釬具工業(yè)走向世界，具有現(xiàn)實(shí)而深遠(yuǎn)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義。

圖 7 《田野》T51（內(nèi)）-D51×3660-T51（外）均質(zhì)快換釬桿的工業(yè)考核（湖南懷化托口電站，2006.9.16）

2.2 主要研究?jī)?nèi)容、技術(shù)關(guān)鍵及主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

(一)研究?jī)?nèi)容及攻關(guān)指標(biāo)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)急需和采掘工程廣泛使用的 H35、H38、H45、D32、D38、D45、D51 mm 鉆 車(chē)鑿巖用重型螺紋連接釬桿，選擇典型產(chǎn)品，如隧道鉆車(chē)鑿巖用 R38-H35×5525、6400、9000-R32(R35)釬桿，和露天鉆車(chē)鑿巖用 T45（內(nèi)）-D45×3050、3660、6095-T45（外）、T51（內(nèi)）-T51×3050、3660、6095-T51（外）釬桿，如圖 10 所示。 要求在巖石堅(jiān)固性系數(shù) f=12～14 堅(jiān)硬花崗巖中，H35 mm 隧道鑿巖重型釬桿平均壽命≥1500 m/支；D45、D51 mm 露天鑿巖重型釬桿平均壽命≥2000 m/支，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

表核考業(yè)工頭釬齒七8 4 φ和桿釬5 3 R-5 2 5 5×5 3 H-8 3 R用車(chē)鉆進(jìn)掘》野田《1表

表核考業(yè)工桿釬換快）外（5 4 T-0 6 6 3×5 4）-D內(nèi)（5 4 T用車(chē)鉆臂單孔穿向下》野田《2表

圖8 瑞典R32、R38、T38 鉆車(chē)鑿巖釬桿

（二）主要的技術(shù)措施

（1）根據(jù)釬桿受力分析確定釬桿各部位合理的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖9 瑞典T45、T51 鉆車(chē)鑿巖釬桿

①釬鋼合理斷面形狀的研究。 如圓形D38（39）、D45 （46）、D51 （52）、D60、D68、D76 mm 釬鋼， 正六角形 H35、H32、H38、H45、H51 mm 釬鋼，正七角形 Q35、Q38、Q45、Q51 mm 釬鋼，正九角形 J45、J51、J60、J68、J76 mm 釬鋼以及相應(yīng)的中心孔直徑。除非標(biāo)明新產(chǎn)品外，一般六角、圓形釬鋼產(chǎn)品，按國(guó)標(biāo)GB/T 1301 執(zhí)行。 ②合理的釬柄和釬梢端長(zhǎng)度的研究。根據(jù)不同長(zhǎng)度釬桿應(yīng)力波譜顯示的危險(xiǎn)部位和生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)資料，以及通過(guò)釬桿動(dòng)力學(xué)諧響應(yīng)分析所獲得的危險(xiǎn)沖擊頻率，并與危險(xiǎn)部位的應(yīng)力對(duì)應(yīng)譜值相比較，最終以最長(zhǎng)的使用壽命和最低的釬鋼材料費(fèi)用為判據(jù)，擬在300～600 mm 選取。 ③合理的釬柄、釬梢螺紋和細(xì)部參數(shù)的研究。除異形螺紋產(chǎn)品外，一般R、T 形螺紋按國(guó)標(biāo)GB/T 6482 執(zhí)行。

（2）釬桿各部位釬鋼的鋼種設(shè)計(jì)和選擇

圖10 擬研發(fā)的《田野》異質(zhì)和均質(zhì)鉆車(chē)鑿巖釬桿

①均質(zhì)釬桿或異質(zhì)釬桿的釬柄、釬梢部鋼種的選擇。 鑒于合金元素鎢(W)是高熔點(diǎn)強(qiáng)碳化物形成元素，生成的特殊碳化物能提高鋼的回火穩(wěn)定性和熱強(qiáng)度，能更好地細(xì)化晶粒和在不同溫度下阻止晶粒長(zhǎng)大，可更有力地提高鋼的強(qiáng)韌性和耐磨性。又據(jù)我們1987～1991 年在研制沖擊鑿巖釬尾時(shí)，借鑒前蘇聯(lián)軍工用18Cr2Ni4W 鋼的成功經(jīng)驗(yàn)——用23CrNi3MoA、22SiMnCrNi2MoA 鋼生產(chǎn)的 QW54×8 鍵×640-R38 ×12.7 釬尾，在山東三山島金礦平均壽命達(dá)到了 3240 m/支； 用25Cr2Ni4WA 鋼生產(chǎn)的釬尾， 最高壽命突破了6000 m/支。 綜合與此相關(guān)的國(guó)內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，擬選用 23CrNi3Mo、18Cr2Ni2W、25Cr2Ni4W 等抗拉強(qiáng)度σb≥1500 MPa 的超高強(qiáng)度滲碳鋼。

②異質(zhì)釬桿中部桿體鋼種的選擇。中部桿體受力條件較好，擬選用18Si2MnCrMo、 35SiMn-MoV、42CrMo 等滲碳鋼或中碳貝氏體、準(zhǔn)貝氏體鋼，以求節(jié)省Ni、W 資源并降低制造成本。

（3）合理應(yīng)用超級(jí)鋼冶煉技術(shù)以提高鋼質(zhì)

釬柄、釬梢服役條件惡劣，是釬桿失效的薄弱部位，所用釬鋼鋼種，除必須滿足最高壽命的設(shè)計(jì)需求外，在冶煉方面，更必須滿足“高潔凈度，超細(xì)晶粒，高均勻度”的技術(shù)要求。 新的鋼質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求達(dá)到：①各化學(xué)元素目標(biāo)成分含量波動(dòng)范圍＜0.015%，P≤0.014%，S≤0.009%; ②氧含量≤0.0012%（12 ppm）; ③有害夾雜物尺寸降到8 μm 以下，達(dá)到優(yōu)質(zhì)軸承鋼水平；④平均晶粒度細(xì)至8 級(jí)以上；⑤鋼材坯料純凈度、均勻度要求窄帶供貨，按同爐號(hào)、同批次釬桿成品表面硬度變化范圍≤2 HRC 驗(yàn)收。 可以通過(guò)電弧爐熔煉（EBT)+鋼包爐外精煉（LF）+真空脫氣(VD)處理，并采取專(zhuān)門(mén)措施控制D 類(lèi)脆性類(lèi)雜物的發(fā)生和分布；采用添加Ce-La 微量元素，最大限度地減少偏析和細(xì)化晶粒；結(jié)合淬透性計(jì)算預(yù)報(bào)和熔煉末期成分微調(diào)工藝，實(shí)現(xiàn)鋼坯料窄帶供貨。

（4）選購(gòu)合格的圓鋼坯料

為保證不同規(guī)格——尤其是超粗、超長(zhǎng)重型釬鋼成品具有較高的壓縮比，除滿足上述鋼質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)外， 還需要從源頭選擇具備生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)大尺寸（如500×500 mm 方坯） 連鑄連軋條件的名牌特鋼企業(yè)進(jìn)貨。 例如江陰新澄特鋼、 大冶特鋼、本鋼、西鋼、貴鋼等。

（5）重建一條可生產(chǎn)超長(zhǎng)、超粗全系列優(yōu)質(zhì)釬鋼的重型釬鋼生產(chǎn)線

該生產(chǎn)線已于2014 年6 月建成投產(chǎn)， 其外貌見(jiàn)圖11。

（6）完善均質(zhì)或異質(zhì)重型釬桿的制釬工藝

圖11 湖北嘉裕釬鋼釬具股份有限公司Φ76重型釬鋼生產(chǎn)線外貌（2014.8.12）

①均質(zhì)快換釬桿的制造工藝流程： 定尺下料→中頻感應(yīng)加熱鍛造釬柄→低溫退火→釬柄、釬梢機(jī)加工→井爐整體滲碳淬回火 （油冷或風(fēng)冷）→矯直（油壓機(jī)點(diǎn)矯，直線度≤1.5 mm/m）→拋丸→檢驗(yàn)（外觀、無(wú)損探傷）→打標(biāo)→防腐→包裝→入庫(kù)。

②圓形異質(zhì)快換釬桿的制造工藝流程：釬柄、釬梢棒料機(jī)加工（中心孔先鉆后鉸達(dá)到粗糙度要求）→中部桿體機(jī)加工→摩擦焊→低溫退火→除內(nèi)外瘤→整體滲碳淬回火 （油冷或風(fēng)冷）→矯直 （油壓機(jī)點(diǎn)矯， 直線度≤1.5 mm/m）→拋丸→檢驗(yàn) （外觀、 無(wú)損探傷）→打標(biāo)→防腐→包裝→入庫(kù)。

（7）改進(jìn)釬桿的熱處理工藝

嚴(yán)格操作規(guī)范和檢驗(yàn)制度， 根據(jù)不同鋼種、批次坯料和氣候條件變化， 適時(shí)調(diào)整熱處理工藝。按技術(shù)條件確定的井爐整體滲碳-淬火-低溫回火工藝，確保釬桿表面（含釬柄、釬梢與螺紋部分） 硬度達(dá)到 HRC 56～62， 心部硬度達(dá)到 HRC 40～45。

（8）進(jìn)一步研發(fā)正七角、正九角形系列釬桿

根據(jù)中國(guó)專(zhuān)利ZL 03254996.2 （一種正多邊形釬鋼）和張國(guó)櫸、葉凌云、鄒文等人所著《試論我國(guó)中空釬鋼的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)》 一文所作的分析，在本公司已有的電加熱和天然氣加熱兩條輕重型釬鋼生產(chǎn)線的技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步配上7 輥和 9 輥縱軋成型軋機(jī)， 以 Q22、Q25、Q28、Q32、Q35、Q38、Q45、Q51、 以至 J60、J68、J76 為主，根據(jù)市場(chǎng)需求，逐步研發(fā)正七角（Q）、正九角（J）系列釬桿產(chǎn)品，對(duì)較大幅度提高我國(guó)長(zhǎng)釬具的性價(jià)比指標(biāo)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，將會(huì)是有益的選擇。

3 《田野》加強(qiáng)型Φ76 重型釬鋼生產(chǎn)線簡(jiǎn)介

為適應(yīng)國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)釬桿市場(chǎng)加粗、加長(zhǎng)的發(fā)展趨勢(shì)， 本公司在總結(jié)原有 “電加熱-兩輥斜軋穿孔-熱軋法”釬鋼生產(chǎn)線多年生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高釬鋼的內(nèi)外表面質(zhì)量，特別是消除釬鋼中心孔表面的 “螺旋紋”， 以及開(kāi)發(fā)直徑≥Φ51 mm、長(zhǎng)度≥6 m 的超粗、超長(zhǎng)釬桿產(chǎn)品，近期建成了這條重型釬鋼生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線的軋制工藝流程是：圓鋼棒料準(zhǔn)備（采用大尺寸方坯連鑄連軋大壓縮比優(yōu)質(zhì)潔凈鋼棒材， 扒皮進(jìn)貨）→帶鋸定尺下料→天然氣加熱（步進(jìn)式還原氣氛加熱爐）→3 輥斜軋穿孔→3 輥帶芯（限動(dòng)芯棒）斜軋減徑→3 輥空心斜軋減徑→10 輥微張力縱軋定徑→成品釬鋼3 輥矯直機(jī)矯直→鏈?zhǔn)阶詣?dòng)翻轉(zhuǎn)冷床空冷→下線切頭尾→無(wú)損探傷檢驗(yàn)→打包、稱(chēng)重、入庫(kù)。 其主要工序的工作情形見(jiàn)圖12、圖13、圖 14、圖 15、圖 16、圖 17、圖 18。 該生產(chǎn)線的主要特點(diǎn)是：

①直徑范圍擴(kuò)大。 可生產(chǎn)圓形 D32、D38（39）、D45 （46）、D51 （52）、D60、D68、D76、D89、D108 和六角形 H32、H35、H38、H45、H51 mm 全系列中空釬鋼，和部分中厚壁無(wú)縫鋼管；

②長(zhǎng)度范圍擴(kuò)大。 釬鋼成品長(zhǎng)度≤15 m；

③采用全自動(dòng)控制天然氣步進(jìn)式加熱爐。加熱溫度精準(zhǔn)（±10 ℃），適合粗長(zhǎng)坯料倍尺生產(chǎn)，鋼坯內(nèi)外溫度均勻， 有利于提高釬鋼質(zhì)量和成材率；

④采用加強(qiáng)型三輥穿孔機(jī)。 可穿軋Φ130 mm 以下的鋼坯，壓縮比值高，鋼坯受力變形條件比二輥穿孔機(jī)好，釬鋼幾何參數(shù)和內(nèi)外表面質(zhì)量均有所改善；

⑤采用二架三輥軋機(jī)減輕，實(shí)現(xiàn)連軋。 便于調(diào)整產(chǎn)品組據(jù)，減少單次減徑變形量，有效避免了內(nèi)孔壁螺旋紋的產(chǎn)生；

⑥采用10 架微張力縱軋減徑機(jī)定徑。 每架減徑量小，均勻不增壁減徑至成品規(guī)格，避免了內(nèi)孔疏松，釬鋼壁厚均勻，質(zhì)地致密，內(nèi)外表面光潔，外徑尺寸精度高；

⑦成品釬鋼采用三輥矯直機(jī)矯直。直線度能達(dá)到≤1 mm/m，能有效消除釬鋼端部“鵝頭彎”，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品成材率；

⑧本生產(chǎn)線還配有無(wú)損探傷設(shè)備。 確保釬鋼、釬桿無(wú)內(nèi)裂出廠。

4 摩擦焊接技術(shù)在釬桿和釬具制造、 修復(fù)中的應(yīng)用前景

圖12 天然氣加熱爐 湖北嘉裕重型釬鋼生產(chǎn)線2014.8.12

圖13 3 輥斜軋穿孔湖北嘉裕重型釬鋼生產(chǎn)線 2014.8.12

圖14 3 輥限動(dòng)芯棒斜軋減徑湖北嘉裕重型釬鋼生產(chǎn)線 2014.8.12

圖15 3 輥斜軋空心減徑湖北嘉裕重型釬鋼生產(chǎn)線2014.8.12

圖16 10 輥微張力縱軋減徑湖北嘉裕重型釬鋼生產(chǎn)線 2014.8.12

圖17 3 輥精整矯直機(jī)湖北嘉裕重型釬鋼生產(chǎn)線 2014.8.12

1896年美國(guó)喬治·萊納發(fā)明了氣動(dòng)鑿巖機(jī)，源于我國(guó)的古老沖擊鑿巖技術(shù)，進(jìn)入了現(xiàn)代化發(fā)展的新階段。 1953 年，我國(guó)引進(jìn)前蘇聯(lián)技術(shù)，在沈陽(yáng)風(fēng)動(dòng)工具廠仿制成功了第一臺(tái)OM506 型手持式氣動(dòng)鑿巖機(jī)， 配用了撫順?shù)搹S生產(chǎn)的T8、T8Cr 高碳鋼B22、B25mm 錐體連接釬桿和Φ40～Φ45 mm 蘇式一字形硬質(zhì)合金釬頭，硬巖平均壽命都只有30 m 左右。 特別是釬桿， 普遍發(fā)生釬柄、釬梢疲勞斷裂，而釬桿的中間部分相對(duì)完好。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在經(jīng)過(guò)多次更新?lián)Q代的優(yōu)質(zhì)釬桿、釬頭，壽命已經(jīng)大幅度提高，但釬桿的斷裂方式，仍然是釬柄和釬梢端附近。 我國(guó)從上世紀(jì)五十年代開(kāi)始使用鑿巖機(jī)以來(lái)，礦山以及所有采掘工程部門(mén)的技術(shù)人員， 都曾想出過(guò)各種辦法，例如氣焊、電焊、低壓大電流接觸焊等，希望把斷掉的釬桿再接起來(lái)繼續(xù)使用。 迄今為止，所有這些努力都?xì)w于失敗。大量非正常損壞當(dāng)作廢鋼回爐的粗長(zhǎng)釬桿和小直徑釬桿，即便是通常被視為“正常報(bào)廢”的因螺紋磨損的粗長(zhǎng)釬桿，或因釬柄、 釬頭部磨損的小直徑錐體連接釬桿和整釬， 其實(shí)都具有簡(jiǎn)單修復(fù)后繼續(xù)使用的潛在價(jià)值。 摩擦焊接技術(shù)的發(fā)展，給這一長(zhǎng)期未能解決的老大難問(wèn)題，帶來(lái)了新的希望。

圖18 鏈?zhǔn)嚼浯部绽?湖北嘉裕重型釬鋼生產(chǎn)線2014.8.12

摩擦焊是一種先進(jìn)的材料連接技術(shù)。摩擦焊接頭的形成機(jī)制是：兩個(gè)被焊金屬圓形工件體端面，通過(guò)相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、加壓和加熱，在摩擦表面上產(chǎn)生塑性變形，表面激活，擴(kuò)散和再接晶以及“體”的相互作用而形成焊接接頭。它是一種固態(tài)連接技術(shù)，其焊合區(qū)為鍛造組織，故摩擦焊又稱(chēng)“鍛焊”。其特點(diǎn)是：①優(yōu)質(zhì)。摩擦焊合區(qū)為鍛造組織， 能夠獲得與母材等強(qiáng)乃至超強(qiáng)的焊接接頭；②高效。比傳統(tǒng)焊接方法快1～100 倍；③節(jié)能。焊接功率僅為傳統(tǒng)焊接工藝的20%左右；④低耗。不需采用焊條、焊絲、焊劑、電極等輔助焊接材料；⑤清潔。無(wú)飛濺、煙霧、弧光、有害氣體等對(duì)環(huán)境的污染。 摩擦焊機(jī)的工作原理與接頭形成過(guò)程，見(jiàn)圖19。

圖19 連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊機(jī)的工作原理和接頭形成過(guò)程的高速攝影（2008.11.17，西安固本）

摩擦焊接作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、無(wú)污染的新型焊接技術(shù)，經(jīng)過(guò)30 多年的研究與發(fā)展，已成為航空航天、汽車(chē)和工程機(jī)械、石油天然氣和化工業(yè)，以及核電設(shè)備和輸變電業(yè)等許多工業(yè)部門(mén)的重要加工手段。我國(guó)是研究應(yīng)用摩擦焊最早的國(guó)家之一，在電力、汽車(chē)、切削刀具，工程機(jī)械、石油鉆探等工業(yè)部門(mén)， 已有廣泛成功應(yīng)用的先例。

2008 年11 月， 為解決中國(guó)神華集團(tuán)神府-東勝煤田引進(jìn)的澳大利亞ARO 型四臂錨桿鉆車(chē)配套使用的 《天隆》Φ22×5-2200、2500 mm 回轉(zhuǎn)式干式吸塵鉆桿的鉆頭脫落問(wèn)題（該鉆桿與鉆頭連接的六方鉆梢， 最低薄壁點(diǎn)的厚度僅有2 mm）， 我們與西安固本固態(tài)連接技術(shù)研究所合作，直接利用鉆梢損壞的Φ22×5-2500 干式吸塵鉆桿， 和配用的Φ27 mm 干式吸塵硬質(zhì)合金鉆頭，修復(fù)成功了使用壽命更長(zhǎng)（可由300 m/支增加到 500 m/支） 的帶四方尾柄的 H28-Φ22×5-Φ27 mm 干式吸塵硬質(zhì)合金整體鉆桿，見(jiàn)圖20。

為使本公司鉆車(chē)鑿巖用重型釬桿，能具備最佳的壽命和性價(jià)比指標(biāo)，在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)擁有更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，決定應(yīng)用摩擦焊技術(shù)，大力加強(qiáng)新型異質(zhì)釬桿的研發(fā)。根據(jù)釬桿不同部位的受力特點(diǎn)和不同的鑿巖條件，優(yōu)選出本公司生產(chǎn)的不同鋼種潔凈鋼軋制的圓形中空鋼材。分別制成螺紋釬柄、釬梢和中間桿體。釬柄、釬梢與中間桿體的連接，在摩擦焊機(jī)上完成：將加工好焊口的釬柄或釬梢端面（≤200 cm2），與中間桿體端面在同一軸線上固定。按預(yù)定程序使釬柄或釬梢高速旋轉(zhuǎn)， 然后將中間桿體端面移向旋轉(zhuǎn)工件端面，逐漸施加軸壓力開(kāi)始加熱。達(dá)到給定摩擦?xí)r間或規(guī)定的變形量，即接頭加熱到焊接溫度時(shí)，立即停止工件轉(zhuǎn)動(dòng)。 同時(shí)施加更大的軸向力，進(jìn)行頂鍛焊接。 通常全部焊接過(guò)程只需十幾秒鐘。 本項(xiàng)研發(fā)的最新任務(wù)是： 在重型釬鋼生產(chǎn)線投產(chǎn)以后，根據(jù)圓形或正多邊形桿體厚壁橫截面相異鋼種端面對(duì)接的特定條件，確定旋轉(zhuǎn)速度與頂鍛壓力的正確組合，考慮摩擦焊機(jī)功率大小、飛邊等因素進(jìn)行接頭設(shè)計(jì)，通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化工藝參數(shù)，控制焊接質(zhì)量，確保異質(zhì)重型釬桿的內(nèi)在和外觀質(zhì)量達(dá)到預(yù)期的壽命和性價(jià)比目標(biāo)，并使釬桿達(dá)到壽命極限后整體正常磨損失效，或使最終失效部位移至焊接接頭之外的中間桿體。

綜合上述，隨著摩擦焊接技術(shù)在我國(guó)長(zhǎng)釬具（含鉆車(chē)鑿巖釬桿、錐體連接釬桿、硬質(zhì)合金整體釬子等）制造和使用部門(mén)的廣泛應(yīng)用，必將為國(guó)家節(jié)省大量寶貴的鋼鐵資源，為企業(yè)帶來(lái)豐厚的經(jīng)濟(jì)效益。

圖 20 摩擦焊機(jī)技術(shù)用作 H28-Φ22×5-Φ27mm 干式吸塵硬質(zhì)合金整體鉆桿的制造和修復(fù) （2008.11.17，西安固本）

5 《田野》首批異質(zhì)鉆車(chē)鑿巖釬桿的工業(yè)考核

2009年8 月， 利用現(xiàn)有的本溪鋼廠生產(chǎn)的22SiMnCrNi2MoA 鋼（仿瑞典焊接釬頭用FF-710鋼）——這是一種相對(duì)廉價(jià)的低碳馬氏體超高強(qiáng)度合金鋼——所軋制的D45 中空鋼， 用以加工T45（內(nèi)）-D45×3660-T45（外）快換釬桿的釬柄和釬梢。與此同時(shí)，選用西寧鋼廠生產(chǎn)的不含Ni、W元素，價(jià)格更低的18Si2MnCrMoA 鋼軋制成D45中空鋼材，用以制作此快換釬桿的中間桿體。 焊接端面焊口可以有兩種形式， 一種車(chē)存瘤槽，一種不車(chē)存瘤槽。車(chē)存瘤槽的焊口如圖21 所示。釬桿摩擦焊接在本公司摩擦焊接機(jī)上完成。焊接工藝為：一級(jí)壓力35 千克，一級(jí)摩擦?xí)r間5 秒；二級(jí)壓力50 千克，二級(jí)摩擦?xí)r間10 秒；頂鍛壓力100 千克，保壓時(shí)間5 秒。 釬桿其余井爐滲碳-淬火-低溫回火等工藝過(guò)程， 與均質(zhì)釬桿常規(guī)工藝相同。

2009 年 12 月 9 日至 12 月 21 日，《田野》一組 3 支 T45（內(nèi)）-D45×3660-T45（外）異質(zhì)快換釬桿，在云南“昆明-麗江高鐵”麗江站施工現(xiàn)場(chǎng)，配合日本古河公司HCR-D5 型單臂露天鑿巖鉆車(chē)，在f=12～14 的石灰?guī)r中穿孔作業(yè)，平均使用壽命1246 m/支。 外源斷裂部位均集中在距梢端400 mm 以內(nèi)，并且都遠(yuǎn)離焊縫，與一般均質(zhì)釬桿的失效方式一致，其性價(jià)比指標(biāo)則遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于同類(lèi)22SiMnCrNi2MoA 鋼均質(zhì)釬桿， 獲得了用戶充分認(rèn)可。 因此，可以認(rèn)為摩擦焊異質(zhì)釬桿取得了一次投產(chǎn)成功的好成績(jī)。 與此同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了在鋼種、鋼質(zhì)、制造工藝方面，仍存在著繼續(xù)提升水平的巨大空間。這次工業(yè)考核所用釬桿的具體情況和試鉆結(jié)果，見(jiàn)圖22 和表3。

6 結(jié)束語(yǔ)

表3 《田野》露天鑿巖鉆車(chē)用T45（內(nèi)）-D45×3660-T45（外）異質(zhì)釬桿工業(yè)考核表

我國(guó)重型鉆車(chē)鑿巖釬桿， 從1991 年在湖北咸寧《華夏》公司問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)20 多年的經(jīng)驗(yàn)積累和行業(yè)同仁的共同努力， 產(chǎn)品從無(wú)到有，從弱到強(qiáng)，質(zhì)量、品種均獲得了迅速發(fā)展，已經(jīng)為包括三峽工程在內(nèi)的我國(guó)各類(lèi)重點(diǎn)采掘工程和礦山實(shí)現(xiàn)鉆車(chē)鑿巖釬桿國(guó)產(chǎn)化， 作出了重要貢獻(xiàn)。各種鉆車(chē)鑿巖釬桿從替代進(jìn)口開(kāi)始，現(xiàn)在已逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榕砍隹冢?并涌現(xiàn)出了 《田野》、《貴陽(yáng)》、《三山》、《蓮花山》等知名品牌。但是和瑞典Atlas Copco、Sandvik 等國(guó)際知名公司相比， 在總體技術(shù)和管理水平，綜合實(shí)力，技術(shù)服務(wù)和市場(chǎng)占有率方面，還存在很大差距。 我們所從事的采掘工業(yè)和鑿巖工程，對(duì)國(guó)家和企業(yè)來(lái)說(shuō)，是既重要又艱苦的新興產(chǎn)業(yè)，包含了大量高新技術(shù)，前途無(wú)限光明。 企業(yè)要實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的跨越式發(fā)展，關(guān)鍵是企業(yè)堅(jiān)決走“科技興業(yè)，人才強(qiáng)企”的可持續(xù)發(fā)展之路，下大決心打造百年老店。 有一句話叫做“百年品牌質(zhì)為本”，還有一句話叫做“人才在哪里，希望在哪里”。 人力資源始終是第一資源，毛主席說(shuō)過(guò)：“在共產(chǎn)黨的領(lǐng)導(dǎo)下， 只要有了人，什么人間奇跡都可以創(chuàng)造出來(lái)。 ”我們最重要的建議就是：堅(jiān)決抓住建設(shè)海陸兩條絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶和全球高鐵網(wǎng)的歷史機(jī)遇，下大力氣發(fā)現(xiàn)和吸引人才，凝聚人氣，加大科技研發(fā)投入，“創(chuàng)建一流企業(yè)，造就一流人才，做出一流貢獻(xiàn)”，為創(chuàng)建中華鑿巖機(jī)具強(qiáng)國(guó)而努力奮斗！

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