槽幫材料及其制造工藝研究進展

呂仁杰，趙會琴，候利鋒，衛(wèi)英慧，席慶祥，劉寶勝4，

（1.山西省中條山機電設(shè)備有限公司，山西垣曲043700；2.太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024；3.山西煤炭機械制造有限公司，山西太原030031；4.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024）

槽幫材料及其制造工藝研究進展

呂仁杰1，趙會琴1，候利鋒2，衛(wèi)英慧2，席慶祥3，劉寶勝4，1

（1.山西省中條山機電設(shè)備有限公司，山西垣曲043700；2.太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024；3.山西煤炭機械制造有限公司，山西太原030031；4.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原030024）

通過分析槽幫構(gòu)件的服役工況、失效形式提出槽幫材料的性能要求，并根據(jù)槽幫材料的發(fā)展趨勢以及鋼的合金化原則、理論和規(guī)律，以提高槽幫鋼壽命為目標(biāo)導(dǎo)向，權(quán)衡性能、壽命和成本，提出了以低碳、主加Mn、Si、微量添加保證淬透性和耐磨性元素，并通過復(fù)合強化技術(shù)手段，實現(xiàn)細晶化、純凈化和均勻化的槽幫新材料途徑。實現(xiàn)材料強韌化，效益最大化。

槽幫材料；使用壽命；工藝研究；力學(xué)性能

刮板機是煤礦綜采的重要裝備之一，其中的槽幫構(gòu)件決定了其整體使用壽命。槽幫的制造有鑄造和軋制之分，目前國內(nèi)主要以鑄造為主。槽幫在刮板機服役過程中，承受磨損、沖擊、腐蝕等較為復(fù)雜的工況，主要失效形式是磨損，還有部分?jǐn)嗔裑1]。國內(nèi)鑄造槽幫過煤量一般在500萬t左右，遠遠低于國外1 500萬t以上的水平。在目前環(huán)境保護、資源短缺日趨嚴(yán)峻的形勢下，提高材料性能、降低制造成本、減少環(huán)境污染成為了各行各業(yè)的普遍共識。由此，對槽幫材料及其制造工藝過程的重新審視和趕超國際水平成為煤機行業(yè)的一個重要研發(fā)方向。

1　槽幫服役工況、失效形式和性能要求

刮板輸送機主要是把采掘下來的煤輸送出去。中部槽由槽幫、底板和中板組成，是煤炭運輸?shù)闹匾休d體。槽幫失效的主要形式是磨料磨損。硬度較高的刮板和相對較軟的槽幫相對滑動時，其間充當(dāng)磨料的是煤、矸石、金屬顆粒和腐蝕產(chǎn)物等。煤的組成復(fù)雜，包括黏土、方解石、石英和鐵礦等組分，其整體硬度變化在HV100~410之間[2，3]，因而導(dǎo)致槽幫在服役過程中出現(xiàn)微切削磨損、塑性變形磨損和脆性及剝落磨損等破壞形式。這就要求槽幫材料一方面具有高強度和硬度，抵抗和減輕磨粒的壓入，同時又要有良好的韌性，較高的塑性變形抗力。

礦井下溫度、相對濕度（80%~90%）和酸堿度都較高，且常含有CO2、SO2、NO2、H2、CH2、CH3、H2S等有害氣體和煤巖粉塵以及由于強制通風(fēng)而引起的空氣和水中氧富集[3]，促進了多因素耦合的電化學(xué)腐蝕過程的進行，因此槽幫也必須具有較好的耐腐蝕性能。

槽幫在服役過程中承受磨粒磨損和腐蝕過程會交替進行、相互促進，大大加速了破壞進程，縮短了使用壽命。同時提高耐磨性和耐腐蝕性可以有效改善槽幫材料的使用性能。

綜合上述條件，可以得出對槽幫材料的性能要求，即高強度、高韌性、耐磨損、抗腐蝕以及良好的鑄造性能和工藝性能（焊接性能和淬透性）。同時夾雜物和鑄造缺陷少，避免槽幫服役斷裂失效[1]。

2　槽幫材料研發(fā)進展

傳統(tǒng)的槽幫材料絕大多數(shù)采用ZG30MnSi.由于強韌性較低，耐磨性能不好，過煤量處于較低水平，適應(yīng)不了現(xiàn)代刮板輸送機的要求。為此，在ZG30MnSi化學(xué)成分基礎(chǔ)上，人們逐步開發(fā)了多種槽幫材料（表1）及專利產(chǎn)品，有的已經(jīng)應(yīng)用到了實際生產(chǎn)之中。取得了較好的效益。

從表1可以看出槽幫材料總的發(fā)展趨勢。1）碳含量逐漸降低。碳對鋼的焊接性能影響較大，降低碳當(dāng)量可以提高焊接性能，滿足槽幫與底板的焊接要求。同時，降碳可以為添加合金元素預(yù)留碳當(dāng)量空間。2）添加合金元素，實現(xiàn)合金化。這些元素包括Ni、Cr和Mo等。一方面實現(xiàn)了強韌化，另一方面提高鋼的淬透性和耐腐蝕性能。3）添加少量微合金化元素。這些元素添加雖然量少，但作用非常明顯，如RE可以明顯降低鋼中的雜質(zhì)含量。4）S、P雜質(zhì)含量降低。這可以通過冶煉裝備現(xiàn)代化提升和工藝手段的改進來實現(xiàn)，提高組織的均勻性和連續(xù)性，改善槽幫整體服役性能。5）槽幫材料組織的非平衡化。例如貝氏體鋼。通過上述成分優(yōu)化，研發(fā)的多數(shù)槽幫材料強韌性都有了大幅提高，為實際應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。

槽幫材料要求具有較好的耐磨性能，但是表1中化學(xué)成分很少有加入微量碳化物形成元素的，不清楚是否有考慮成本或者其他因素的緣故。如果考慮淬透性，可以適當(dāng)降低甚至取消Cr、Ni、Mo中的其中一種或兩種元素，用其他廉價的微量元素替代，以取得相同的效果為根本。在成分優(yōu)化設(shè)計中，不宜大量、多種類的添加合金元素，雖然性能得到了改善，但是實際造成了資源的極大消耗。要依據(jù)鋼的合金化原則、理論和規(guī)律，以提高槽幫鋼壽命為目標(biāo)導(dǎo)向，有目的地合理配置。同時要積極引導(dǎo)行業(yè)制定槽幫鋼的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范研究開發(fā)和生產(chǎn)行為，有序推進國產(chǎn)煤炭機械的升級換代。

3　一種槽幫鋼研究開發(fā)應(yīng)用實例

3.1化學(xué)成分

此種槽幫材料牌號為ZG20CrSiMnMo，其化學(xué)成分見表2.其主要特點是高Si和高Mn，而且添加了Mo，其目的是為了提高材料的韌性。

3.2冶煉工藝

合金冶煉設(shè)備采用電弧爐，其基本原理是在電弧加熱的高溫區(qū)熔化多個元素形成冶金結(jié)合。其操作過程分為：補爐、裝料、熔化、氧化、還原與出鋼6個階段。

表1　槽幫材料化學(xué)成分和力學(xué)性能發(fā)展演化

表2　一種槽幫材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

冶煉操作工藝：電爐熔劑法生產(chǎn)低碳硅錳鉻鉬合金采用連續(xù)式操作方法。順序進行配料，以利混合均勻。敞口爐通過給料槽把料加到電極周圍，料面呈大錐體。封閉爐由下料管直接把料加入爐內(nèi)。裝料要注意下致密，上疏松、中間高、四周低、爐口無大料。

冶煉注意要點：（1）爐料要求清潔少銹、無油，廢鋼低磷低硫。（2）特別注意鋼液中氣體和非金屬夾雜物的去除。（3）加礦溫度1 560℃.（4）冶煉過程中確保0.30%脫碳量，脫碳速度0.4%/h～1.2%/h.（5）清潔沸騰保持10min.（6）出渣條件：t=1 640℃~1 650℃，w（C）≤0.15%，w（P）≤0.01%.（7）還原采用電石渣。（8）爐渣分析：w（FeC）≤0.8%，堿度w（CaO）/w（SiO2）為2.5~3.5.

3.3熱處理

先以正火作為熱處理的預(yù)備處理，使低碳硅錳鉻鉬合金鑄鋼材料的組織細化，后經(jīng)強烈淬火，獲得80%以上甚至100%的低碳馬氏體組織，低碳馬氏體鋼具有好的塑性、韌性，以及良好的冷加工性、可焊性和熱處理畸變小等優(yōu)點，為材質(zhì)最終力學(xué)性能目標(biāo)打下基礎(chǔ)。再經(jīng)中溫回火使鋼中的熱力學(xué)不穩(wěn)定組織結(jié)構(gòu)向穩(wěn)定狀態(tài)過渡的復(fù)雜轉(zhuǎn)變，得到極為細小的回火屈氏體，使沖擊韌度、強度、硬度和耐磨性的綜合性能達到良好的匹配。

3.4金相組織

熱處理后金相組織如圖1所示，可見在樣品在900℃淬火后形成典型的板條狀馬氏體組織，還有少量的殘余奧氏體存在。再進行560℃高溫回火后形成回火索氏體。

圖1　金相組織

3.5斷口形貌

從圖2斷口的SEM形貌可以看出，樣品的斷口成明顯的韌窩狀，這說明該樣品呈韌性斷裂。

3.6力學(xué)性能

目前在上述工藝條件下實現(xiàn)了批量生產(chǎn)，并應(yīng)用良好的槽幫材料的力學(xué)性能指標(biāo)為[4]：Rm≥900MPa，A≥14%，αkv≥25 J/cm2，硬度：250 HB~290HB.過煤量超過1 000萬t.

圖2　沖擊試樣的斷口SEM形貌

4　進一步提高槽幫材料性能的途徑

現(xiàn)代先進鋼鐵材料具有的共同特點是，高性能、低成本、少污染。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，要對材料的設(shè)計、制造、生產(chǎn)、服役、失效全壽命周期進行全面優(yōu)化監(jiān)測和評估；要充分運用在冶煉技術(shù)、冶煉裝備制造、連鑄連軋技術(shù)、控軋控冷技術(shù)、表面處理技術(shù)等方面的技術(shù)進步，加大各環(huán)節(jié)銜接力度，進行流程再造，節(jié)約能耗，提高鋼鐵材料質(zhì)量，改善力學(xué)性能；要在傳統(tǒng)材料化學(xué)成分基本不變或者微調(diào)的基礎(chǔ)上，綜合利用各種強化手段，減少資源消耗，實現(xiàn)強韌化效益最大化。

1）優(yōu)化槽幫材料成分設(shè)計。以Mn、Si為主加元素強化鐵素體基體；添加少量、多元微合金化元素例如Cr、B、Nb等，保證槽幫鋼的淬透性、耐腐蝕性能和耐磨性[13，14]；通過稀土變質(zhì)、鋁脫氧等手段[15]，降低夾雜含量，細化晶粒。總體上充分滿足構(gòu)件服役性能要求，目標(biāo)有限，問題導(dǎo)向。

2）充分發(fā)揮“細晶化、均勻化、純凈化”的作用。晶粒細化可以提高強度同時改善韌性[16，17]，通過技術(shù)手段配合添加微合金化元素聯(lián)合作用可實現(xiàn)此目的。對冶煉、鑄造和熱處理過程的工藝參數(shù)進行優(yōu)化，精確掌握冶金過程成分變化，減少成分偏析，提高組織均勻性。降低S、P等雜質(zhì)含量，減小夾雜物含量，促進均勻分布[18]。

3）槽幫制造流程的無縫銜接。一般來說鋼構(gòu)件冶煉、鑄造、熱處理過程較為分散，自動化程度不高，人員密集，這不僅造成了能源資源浪費，而且產(chǎn)品受人為、設(shè)備因素影響較大。隨著現(xiàn)代冶金技術(shù)的飛速發(fā)展，槽幫制造過程實現(xiàn)自動化、流程化、智能化成為可能，也是必然的發(fā)展方向，可以減輕工人勞動強度，節(jié)能降耗，清潔生產(chǎn)，提高產(chǎn)品均一性，圖3為槽幫材料設(shè)計制造流程及質(zhì)量控制。

5　總結(jié)

圖3　槽幫材料設(shè)計制造生產(chǎn)流程及相關(guān)技術(shù)

槽幫材料是非常普通的低合金鋼，其性能的進一步提高談不上很大的工藝技術(shù)或者基礎(chǔ)理論創(chuàng)新。但在目前大環(huán)境下，作為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的滄海一粟，具有非常重要的現(xiàn)實意義。槽幫生產(chǎn)制造涉及了冶煉、鑄造、熱處理等個工藝過程，以設(shè)備現(xiàn)代化、自動化和智能化為代表的流程再造可以整體大幅提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)適應(yīng)能力、創(chuàng)新能力和競爭能力。這除了要有技術(shù)、資金和人力投入外，重要的是思想的轉(zhuǎn)變。槽幫新材料的研發(fā)，要權(quán)衡性能、壽命和成本，總體以低碳、主加Mn、Si、微量添加保證淬透性和耐磨性元素，并通過復(fù)合強化技術(shù)手段，實現(xiàn)細晶化、純凈化和均勻化。要推動制定槽幫材料的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使之納入有序可持續(xù)的發(fā)展軌道。

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Research Progress on the Material and Manufacturing Process for Slot

LV Ren-jie1，ZHAO Hui-qin1，HOU Li-feng2，WEIYing-hui2，XIQing-xiang3，LIU Bao-sheng4,1
（1.Shanxi Zhongtiaoshan Mechanical and Electrical Equipment CO.LTD.，Yuangu Shanxi043700，China；2.Taiyuan University of Technology，Materials Science and Engineering College，Taiyuan Shanxi030024，China；3.Shanxi Coal Machinery Manufacturing CO.LTD.，Taiyuan Shanxi 030024，China；4.Taiyuan University of Science and Technology，Materials Science and Engineering College，Taiyuan Shanxi030024，China）

In this paper,by analyzing the service condition and failure forms of slot，the performance requirements of slotwere put forward.According to the development trend of the slotmaterial aswell as the steel alloying principle,theory and law,in order to improve the slot life,balancing the performance,life and cost,the newslotmaterial should be lowcarbon,adding Mn,Si and other trace elements guaranteing hardenability and abrasion resistance.And through composite reinforcement technology,the slot realizes the grain fining,purification and uniformity.

material used for slot，service life，technology research，mechanical performance

TG24文獻標(biāo)識嗎：A

1674-6694（2015）04-0048-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.04.018

2015-03-29

呂仁杰（1969-），男，山西萬榮人。

2014年度山西省煤基重點科技攻關(guān)項目（MC2014-02）；山西省科技重大專項資助項目（20111101053）；太原科技大學(xué)校博士科研啟動項目（20152011）