淺談表面工程在煤礦設(shè)備失效防護(hù)中的應(yīng)用

杜 暢，劉漢武，由 偉，宮新勇，王俊紅

(華北科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，北京東燕郊 101601)

0 引言

煤礦生產(chǎn)設(shè)備主要包括露天開采、井工開采以及洗選設(shè)備，使用大量金屬材料為主的井巷工程和機(jī)械設(shè)備。我國(guó)煤礦生產(chǎn)主要以地下開采為主，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，如硬質(zhì)顆粒多、濕度大、礦井酸堿度較高、井下空氣中有害氣體和氧氣富集，雜散電流大等［1］，常造成煤礦設(shè)備出現(xiàn)磨損、腐蝕、密封不良等失效，嚴(yán)重影響煤礦生產(chǎn)安全和效益。

為提高煤礦設(shè)備的壽命和可靠度，目前主要考慮材料選擇、熱處理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和表面防護(hù)等幾個(gè)方面。表面防護(hù)主要采用各種表面改性技術(shù)，如電鍍、氣相沉積、熱噴涂、堆焊、三束表面處理等。與其他幾個(gè)方面比較，表面改性具有成本低、用途廣的特點(diǎn)，可應(yīng)用于煤礦工程設(shè)備的表面防護(hù)、修補(bǔ)和延壽。

本文結(jié)合煤礦企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)案例，針對(duì)煤礦機(jī)械設(shè)備最為常見的磨損和腐蝕兩種失效形式，綜述表面改性技術(shù)在煤礦設(shè)備失效防護(hù)中的應(yīng)用。

1 煤礦設(shè)備失效概述

1.1 磨損失效

由于地下開采和大量接觸天然煤礦的磨料，磨損失效是煤礦機(jī)械最為常見的失效形式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，磨損失效占煤礦機(jī)械配件失效的70% ～80%，且30% ～40%的安全事故與磨損有關(guān)［2］。表1總結(jié)了常見煤礦設(shè)備的磨損原因和磨損失效類型［3－8］。

1.2 腐蝕失效

煤炭開采系統(tǒng)的設(shè)備多處于井下陰暗潮濕、含腐蝕性氣體的空氣或酸性礦井水的環(huán)境中，容易發(fā)生腐蝕且維護(hù)難度大。我國(guó)煤炭業(yè)由于金屬腐蝕每年造成的經(jīng)濟(jì)損失約為每噸煤1元錢和1 kg鋼鐵材料，約占煤炭總產(chǎn)值的4%［2］。表2總結(jié)了常見煤礦機(jī)械所處的腐蝕環(huán)境和腐蝕失效類型［9－12］。

表2 常見煤礦機(jī)械腐蝕失效情況

2 表面改性在煤礦設(shè)備失效防護(hù)中的應(yīng)用

合理的選用表面工程技術(shù)，可以有效減緩煤礦設(shè)備的磨損和腐蝕等失效。下文舉例介紹各種表面改性技術(shù)在煤礦失效防護(hù)中的應(yīng)用情況。

2.1 堆焊技術(shù)

堆焊技術(shù)通常用于磨損、腐蝕量較大零件的表面防護(hù)，如用于煤礦的通風(fēng)機(jī)軸、大型綜采機(jī)組中的主軸、大功率電機(jī)輪軸、提升機(jī)滾筒，以及托輥等零件的磨損修復(fù)。此外，堆焊技術(shù)非常適合于平面類廢舊零件的修復(fù)，如挖掘機(jī)鏟斗、刮板輸送機(jī)中部槽等零件。

胡元哲提出在刮板機(jī)中部槽表面堆焊厚度為1.2～2 mm的高鉻鑄鐵合金(其含碳量2% ～5%，含鉻量18% ～32%)［13］。該堆焊層能產(chǎn)生大量的塊狀一次碳化物Cr7C3(HV1800)和二次碳化物，基本組織是馬氏體+殘余奧氏體，宏觀硬度達(dá)到HRC55～68。此法在大同煤礦試驗(yàn)，中部槽耐磨性明顯提高，使用壽命提高3～4倍。

隨著堆焊技術(shù)發(fā)展，人們研制出了系列耐磨堆焊焊條。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)采用耐磨堆焊焊條對(duì)許多大型煤礦的刮板輸送機(jī)中部槽進(jìn)行大面積花樣堆焊，使中部槽的壽命得到了大幅度提高［5］。目前，耐磨焊條堆焊法尚不成熟，主要是由于耐磨焊條成本較高(約60元/kg)，且對(duì)堆焊工藝要求較高。若焊接不均勻，焊縫水平相差太大，反而增加了刮板、貨載在中板上的運(yùn)行阻力，給電機(jī)帶來了額外功耗。

2.2 電鍍技術(shù)

鍍鋅層廣泛用于井筒裝備的防腐。一般電鍍鋅層厚度 5～15 μm，熱鍍鋅層厚度在 65 μm 以上。在鋅層完好情況下可以形成保護(hù)膜，而當(dāng)鋅層破壞嚴(yán)重時(shí)，鋅對(duì)基體鐵起到電化學(xué)保護(hù)，鋅作為陽極被溶解，鐵作為陰極受到保護(hù)。

除了井筒裝備外，電鍍技術(shù)還廣泛應(yīng)用于液壓支架防腐。目前國(guó)內(nèi)外普遍采用的液壓支架支柱表面處理工藝有［14］:銅錫合金+硬鉻層(如鄭煤機(jī)、鄭州四維)，乳白鉻+硬鉻層(如鄭煤機(jī)、北煤機(jī)、鄭州四維、平煤機(jī))，鍍鋅+鈍化(如鄭煤機(jī)、北煤機(jī)、鄭州四維、平煤機(jī))，銅+錫層(美國(guó)JOY公司)，銅 +銅錫合金層 +鎳(德國(guó) DBT)。此外，鎳磷合金鍍層以其優(yōu)異的耐蝕性能，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的關(guān)注，在美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已用于工業(yè)生產(chǎn)。目前，獲得 Ni－P合金鍍層主要有電鍍和化學(xué)鍍兩種方法。電鍍法由于受電場(chǎng)電力線分布不均的影響，對(duì)工件的不規(guī)則部位很難鍍覆，有90%以上的內(nèi)部表面鍍不上鍍層，而化學(xué)鍍技術(shù)卻以均鍍能力接近100%的優(yōu)點(diǎn)備受青睞。形狀復(fù)雜的零件經(jīng)化學(xué)鍍鎳后，可得到均勻的表面鍍鎳層。經(jīng)熱處理后，鎳磷鍍層的硬度和耐磨性與鍍鉻層的數(shù)值相近，其耐腐蝕性良好，空隙率顯著低于電化學(xué)方法所得到的鍍層的孔隙率，同時(shí)節(jié)省電能［15］。

傳統(tǒng)電鍍工藝化學(xué)穩(wěn)定性差，有較多的裂紋和針孔，目前改進(jìn)電鍍工藝的研究也取得一些成果。例如采用電鍍鋅鎳或微孔鍍鉻工藝，將微孔密度增加到 1萬個(gè)/cm2，防蝕壽命可大幅度增加。電鍍鋅鎳合金技術(shù)工藝穩(wěn)定，技術(shù)成熟，在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已普遍應(yīng)用，它具有優(yōu)良的耐腐蝕性和相對(duì)低廉的經(jīng)濟(jì)成本。彭雪峰為增強(qiáng)液壓支架立柱的耐蝕性，基于復(fù)合電鍍工藝在其表面電沉積Ni－Al2O3鍍層，并以腐蝕速率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)處理后立柱表面的耐蝕性進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:采用合適的工藝，復(fù)合電鍍修復(fù)后立柱表面的腐蝕速率較處理前大幅降低［16］。

2.3 激光表面改性技術(shù)

電鍍技術(shù)是目前液壓支架立柱、千斤頂常用的防腐技術(shù)［17］。缸筒內(nèi)表面對(duì)鍍層的結(jié)構(gòu)要求很高，一旦電鍍層出現(xiàn)起皮、脫皮的現(xiàn)象，乳化液就會(huì)腐蝕立柱表面，對(duì)支架立柱造成致命影響。與電鍍相比，激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、涂層與基體結(jié)合好、適合熔覆材料多、粒度及含量變化大、無重金屬污染等特點(diǎn)。卜美蘭等利用高功率橫流激光器產(chǎn)生的連續(xù)脈沖高能量激光束，在普通立柱表面熔覆了一層單邊厚度為1.3～2 mm，平均硬度為HRC30～58的優(yōu)質(zhì)鎳基合金粉末，形成一層硬度高、無裂紋，且與基體呈冶金結(jié)合的不銹鋼涂層，將金屬良好的強(qiáng)韌性和涂層材料的高硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性、高耐磨性結(jié)合起來［18］。該技術(shù)通過在北京煤炭科學(xué)總院 21000次試驗(yàn)后，耐久、密封和溢流等各項(xiàng)性能均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)5年免維護(hù)。該新型不銹鋼涂層立柱已經(jīng)成功應(yīng)用于ZF11000/20/38放頂煤液壓支架、ZF15000/23/43型放頂煤液壓支架、ZY6700/20/40掩護(hù)式液壓支架和ZC9900/20/38充填液壓支架等架型上。

此外，中國(guó)石油大學(xué)(華東)分別使用配套的吸光涂料和激光熔凝工藝，以及合金化材料和激光合金化工藝，在油管軋輥上進(jìn)行激光熔凝和激光合金化處理，效果良好［19］。這兩項(xiàng)技術(shù)有望應(yīng)用于煤礦工程中托輥的表面改性。

2.4 熱噴涂

熱噴涂主要有火焰噴涂、電弧噴涂和等離子噴涂等，火焰噴涂相對(duì)落后;電弧噴涂結(jié)合力和生產(chǎn)效率較高，適合大面積長(zhǎng)效防腐;而等離子噴涂結(jié)合力最好，噴涂材料范圍更廣。在煤礦生產(chǎn)中，熱噴涂技術(shù)主要用于一些大型設(shè)備關(guān)鍵零件的維修和大面積鋼結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)效防腐。胡元哲文章中提到，采用等離子噴涂法在坯料上噴涂0.5～1.5 mm的碳化鎢鍍層，可大幅度提高刮板輸送機(jī)中部槽耐磨性［8］。煤炭部曾報(bào)道，一座直徑5.6 m、井深400 m，年產(chǎn)100萬噸的礦井在建井時(shí)對(duì)井筒裝備采用電弧噴涂長(zhǎng)效防腐，可為國(guó)家節(jié)約上千萬元，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀［5］。

2.5 其他

棗莊礦務(wù)局陶莊煤礦井下生產(chǎn)用的1250 kW水泵電機(jī)軸，因軸徑磨損幾微米到幾十微米，至使長(zhǎng)度2 m、直徑130 mm的大軸報(bào)廢。用電刷鍍技術(shù)進(jìn)行不解體修復(fù)，不僅降低了維修費(fèi)用，而且還減少了因拆卸設(shè)備而可能導(dǎo)致其它零件的損壞。另外，電刷鍍工藝還可應(yīng)用于采煤機(jī)截割部軸承座過度磨損的修復(fù)，以及液壓支柱缸體劃傷、磕碰和磨損的修復(fù)。

用化學(xué)氣相沉積工藝將陶瓷材料如 ZrO2涂覆在輸送機(jī)、提升機(jī)的軸承表面，比含鉻鑄鐵軸承的壽命高出10倍。另外，采用氣相沉積工藝將SiC涂覆在煤礦中的制動(dòng)閘片、滾筒襯套等磨損嚴(yán)重的零件表面，可有效提高其高溫強(qiáng)度和耐沖擊、耐磨損性能。

3 結(jié)論

煤礦機(jī)械設(shè)備龐大，如果采用整體材料設(shè)計(jì)，要求設(shè)備同時(shí)滿足較高的強(qiáng)韌性和耐磨耐蝕性，十分困難且成本很高。磨損和腐蝕均發(fā)生在零件的表面，在不改變整體材料的前提下，采用表面改性技術(shù)，通過增強(qiáng)零部件的表面性能提高設(shè)備的抗磨性和耐腐蝕性，即可降低成本又可很好地減緩整體設(shè)備的失效。如對(duì)刮板輸送機(jī)中部槽、挖掘機(jī)鏟斗等采用堆焊技術(shù)，對(duì)井架、井筒和托輥機(jī)架等采用熱噴涂防腐技術(shù)，對(duì)刮板、截齒和圓環(huán)鏈等運(yùn)用激光重熔技術(shù)等，均可有效地延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。因此，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮表面工程技術(shù)的作用，盡可能多地利用抗磨耐腐蝕涂層等表面保護(hù)手段來解決煤礦機(jī)械零部件的磨損、腐蝕問題。

1)積極研究表面工程相關(guān)的新材料、新工藝。如研制金屬陶瓷類、聚氨酯類［20］耐磨耐蝕材料，開發(fā)離子滲硫－激光強(qiáng)化復(fù)合改性工藝對(duì)零件表面進(jìn)行強(qiáng)化［21］。

2)從工程可持續(xù)發(fā)展的角度講，對(duì)于新建煤礦工程，應(yīng)在設(shè)備的總體設(shè)計(jì)和制造過程中，加入表面工程的設(shè)計(jì)和相關(guān)制備。

［1］ 謝泳.煤礦機(jī)械磨損失效分析方法和抗磨措施［J］.潤(rùn)滑與密封，2006，9:213－215.

［2］ 程瑞珍，袁訓(xùn)華.煤礦工程設(shè)備防護(hù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

［3］ 吳兆宏，朱華，葛世榮.煤礦生產(chǎn)中的摩擦學(xué)問題［J］.礦山機(jī)械，2005，6:71－73.

［4］ 陳力捷.煤礦機(jī)械磨損失效分析和抗磨措施［J］.煤炭技術(shù)，2011，6:20－21.

［5］ 朱華，吳兆宏，李剛等.煤礦機(jī)械磨損失效研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2006，3:380－385.

［6］ 劉穎.煤礦機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效形式分析及改進(jìn)措施［J］.煤炭技術(shù)，2013，1:38－39.

［7］ 張維果，王學(xué)成.淺談煤礦機(jī)械磨料磨損機(jī)理［J］.煤炭工程，2010，6:76－78.

［8］ 譚振義.綜采設(shè)備失效分析與維修體制的探討［J］.華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，2:69－70+77.

［9］ 龔浩龍，劉少佳，張文博.神寧煤化工甲醇廠25萬噸甲醇P－128泵密封失效原因分析及解決方案［J］.科技與企業(yè)，2012，10:311.

［10］ 陳偉勇.煤化工裝置304不銹鋼管道腐蝕失效的分析及對(duì)策［J］. 煤礦機(jī)械，2008，4:100－102.

［11］ 王志華.液壓支架立柱的腐蝕機(jī)理及其防護(hù)［J］.礦山機(jī)械，2011，9:16 －19.

［12］ 顧明廣，蘇芳.抑制CO2/H2S腐蝕的氣液雙相新型緩蝕劑的制備及評(píng)價(jià)［J］.華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，3:39－42.

［13］ 胡元哲.刮板輸送機(jī)中部槽磨損失效分析與抗磨措施［J］. 礦山機(jī)械，2009，1:33－36.

［14］ 王再翔，王強(qiáng).淺談煤礦液壓支架立柱、千斤頂電鍍層腐蝕原因分析以及防護(hù)措施［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013，19:59－62.

［15］ 李秀云，牛曙光.液壓支架防腐蝕研究［J］.礦山機(jī)械，2005，8:22－23+4－5.

［16］ 彭雪峰.基于復(fù)合電鍍工藝修復(fù)液壓支架立柱的腐蝕破損［J］. 電鍍與環(huán)保，2013，4:9－11.

［17］ 顏霞.單體液壓支柱腐蝕失效形式的探討［J］.江西煤炭科技，2010，2:117－118.

［18］ 卜美蘭，李圣文，楊榮雪，等.耐腐蝕煤礦用液壓支架立柱［J］. 煤礦機(jī)械，2012，8:151－152.

［19］ 李美艷，韓彬，高寧，等.柱塞表面激光熔覆鐵基涂層的強(qiáng)韌化機(jī)理［J］.焊接學(xué)報(bào)，2014，2:19－22+114.

［20］ 薛敏鵬，張少春，高寧等.高硬度聚合物抽油桿接箍耐磨蝕性能試驗(yàn)研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，5:61－64.

［21］ 萬盛，韓彬，王勇等.激光相變硬化－離子滲硫復(fù)合改性層的性能［J］.金屬熱處理，2012，1:68－71.