礦用電鏟低溫材料選擇

周 航，姚龍剛

（天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司，天津 300301）

礦用電鏟低溫材料選擇

周 航，姚龍剛

（天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司，天津 300301）

通過分析和對(duì)比幾種電鏟結(jié)構(gòu)常用材料的主要成分及性能指標(biāo)，提出低溫條件下電鏟用材料除了需要滿足必要的強(qiáng)度和剛度條件外，還應(yīng)該滿足“因作業(yè)地區(qū)最低溫度的不同，必須有足夠的低溫沖擊韌度”的要求。

電鏟；低溫；沖擊韌度；斷裂

0 引 言

機(jī)械式挖掘機(jī)又稱電鏟，是利用齒輪、鏈條、鋼索滑輪組等傳動(dòng)件傳遞動(dòng)力的單斗挖掘機(jī)，其生產(chǎn)已有百年歷史，目前所生產(chǎn)的電鏟最大斗容已經(jīng)超過50 m3[1]。電鏟主要用于大型露天礦山的挖掘和裝載，作業(yè)對(duì)象是覆土、砂石和各種爆破后的礦物。具有挖掘力大、生產(chǎn)效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、作業(yè)安全及采礦成本低等優(yōu)點(diǎn)[2]，是露天礦山“爆破-挖掘-運(yùn)輸”開采工藝方式中最重要的設(shè)備。

1 電鏟常用材料的選擇

電鏟屬于重型礦山設(shè)備，質(zhì)量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，修復(fù)難度較大，一旦出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致整個(gè)礦山生產(chǎn)陷入混亂。電鏟的結(jié)構(gòu)件和傳動(dòng)件全部采用鑄件、焊接件和鍛件制作完成。在進(jìn)行電鏟的設(shè)計(jì)和制造時(shí)，首先要依據(jù)“部位不同，受力方式不同，使用的材料也不盡相同”的原則進(jìn)行材料選取。

1.1 電鏟鑄件常用材料的選擇

高錳鋼是一類高錳奧氏體鑄鋼，它在沖擊載荷下產(chǎn)生冷作硬化，在經(jīng)歷強(qiáng)烈沖擊后，表面硬度極大地提高到500 HBW左右，而心部仍然保持韌性的奧氏體，所以具有高抗沖擊磨損性能的同時(shí)，還能承受強(qiáng)有力的沖擊載荷而不破裂[3]。電鏟的履帶板、鏟斗、斗齒、護(hù)套等零部件直接與被挖掘?qū)ο螅绻ぷ髅妗⒏餐?、砂石、礦物等直接接觸，相互之間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和摩擦，所以一般選用具有較好的耐沖擊和耐磨擦性能的ZGMn13制作。

電鏟的回轉(zhuǎn)支撐大齒輪、軸承座、減速機(jī)箱體及部分齒輪，甚至部分型號(hào)的履帶架等零部件，尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，考慮到制造成本和焊接工藝等多種因素影響，材料通常選用一般工程結(jié)構(gòu)鑄鋼，如ZG310-570。

1.2 電鏟焊接件常用材料的選擇

電鏟的履帶架、底座、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、動(dòng)臂、斗桿、鏟斗等部件，選用焊接性能良好的低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接制成。其采用的多腔體的箱型梁結(jié)構(gòu)，具有工藝性好、自質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，完全可以承受電鏟自身重量、工作載荷和作業(yè)時(shí)的收到的強(qiáng)烈沖擊。通常情況下，這些箱型部件的蓋板、腹板、底板選用Q345B鋼板，其余內(nèi)部的筋板、隔板選用Q235B鋼板。

2 工況條件對(duì)電鏟選用材料的影響

電鏟的工況條件十分惡劣，除承受交變載荷、沖擊載荷等復(fù)雜載荷交互作用外，在廣大北方寒冷地區(qū)，還需經(jīng)受低溫環(huán)境下作業(yè)的考驗(yàn)。早期電鏟的結(jié)構(gòu)件及傳動(dòng)件，無論是采用鑄造結(jié)構(gòu)還是焊接結(jié)構(gòu)，選材原則僅僅局限于滿足強(qiáng)度和剛度要求，而對(duì)材料低溫沖擊韌度等其它方面性能考慮的比較少。

在我國(guó)內(nèi)蒙古呼倫貝爾、新疆準(zhǔn)東等高寒地區(qū)的露天礦山，每年12月份至來年2月份，最低溫度在-35℃以下時(shí)，電鏟在使用中陸續(xù)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)件開焊、斷裂，傳動(dòng)齒輪斷齒等現(xiàn)象。當(dāng)電鏟發(fā)生此類斷裂事故時(shí)，斷裂部位的實(shí)際應(yīng)力水平往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)時(shí)的屈服應(yīng)力，斷裂處不會(huì)出現(xiàn)明顯的塑性變形，產(chǎn)生的是低應(yīng)力脆斷。這種低應(yīng)力脆斷，都是瞬時(shí)發(fā)生在焊接結(jié)構(gòu)和大型截面部件及零件中，事先毫無預(yù)兆，很難被提前發(fā)現(xiàn)，一旦發(fā)生，卻往往會(huì)造成突發(fā)性災(zāi)難。

不斷出現(xiàn)的設(shè)備損壞和停機(jī)維修事故，給礦山安全和正常生產(chǎn)帶來極大了影響。因此，要提高電鏟的可靠性，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)件開焊、斷裂現(xiàn)象，就必須考慮電鏟所使用的材料性能，特別是低溫性能。

3 材料成分對(duì)低溫韌性的影響

鋼是對(duì)含碳量質(zhì)量百分比介于0.02%至2.11%之間的鐵碳合金的統(tǒng)稱。在實(shí)際生產(chǎn)中，往往根據(jù)用途的不同，鋼含有不同的合金元素，比如：錳、鎳、鉬、鉻等等，我們通常將其與鐵合稱為鋼鐵。為了保證其具有一定的韌性和塑性，含碳量一般不超過1.7%。鋼的分類標(biāo)準(zhǔn)多種多樣，根據(jù)成分不同，可分為碳素鋼和合金鋼；按成形方法不同，可分為鍛鋼、鑄鋼、熱軋鋼、冷拉鋼等；根據(jù)性能和用途不同，又可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊性能鋼。

在鋼鐵中加入各種合金元素，能夠改變它的使用性能和工藝性能，得到更優(yōu)良的或特殊的性能，可以獲得較高的強(qiáng)度與韌性配合，同時(shí)還具有良好的低溫韌性。鉬元素可以有效地控制鋼的回火脆性，減少緩冷脆化，使鑄件性能更加穩(wěn)定、安全可靠。鎳元素最有利于提高金屬的耐寒性能，可以大幅度增強(qiáng)其抗低溫沖擊的能力。因此，對(duì)于涉及安全的零部件，要求在低溫和沖擊下有優(yōu)良韌性而不脆斷，可適當(dāng)加入1%左右的Ni[4]。隨著合金元素含量和淬透性的增高，適當(dāng)降低含碳量，可以提高鋼的錳碳比，增加韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，進(jìn)而降低材料開裂的危險(xiǎn)性。

鋼中的雜質(zhì)元素，尤其是硫、磷等非金屬夾雜物對(duì)材料的低溫沖擊韌性影響最大。鋼中硫元素以MnS夾雜物的形式存在，進(jìn)行熱軋時(shí)，沿軋制方向伸長(zhǎng)呈條狀，鋼的橫向性能隨之下降，同時(shí)還割裂了機(jī)體組織，大大降低了斷裂韌性[5]。鋼中磷元素以Fe2P夾雜物的形式存在，能使鋼的塑性及韌性明顯下降，特別是在低溫下更為嚴(yán)重。因此，磷是急劇增加鋼材冷脆性的重要元素之一。在某電鏟專用Ni-Cr-Mo型合金鑄鋼里，磷的含量從0.034%增至0.09%時(shí)，其冷脆轉(zhuǎn)變溫度迅速升至0℃左右，升幅十分明顯。同時(shí)，磷元素還易于偏聚在晶界附近，降低晶界的表面能，產(chǎn)生嚴(yán)重的回火傾向，要嚴(yán)格控制含量[5]。Ni-Cr-Mo鋼在兩種不同磷含量下的低溫沖擊曲線如圖1所示。

圖1 Ni-Cr-Mo鋼在兩種不同磷含量下的低溫沖擊曲線

4 熱處理對(duì)材料低溫性能的影響

鋼材的高強(qiáng)度和低溫韌性是相互矛盾的[6]。通過調(diào)整錳、鉻、鎳、鉬等合金元素的配比，再進(jìn)一步通過適當(dāng)?shù)恼?、淬火、回火等熱處理手段，組織更加彌散，可以基本解決強(qiáng)度和低溫韌性之間的矛盾，使材料同時(shí)滿足強(qiáng)度和低溫韌性的雙方面要求。圖2是某電鏟專用高錳鋼在2種熱處理方式下的低溫沖擊曲線。

5 按照工況條件合理選擇材料

大多數(shù)金屬材料在低溫條件下的物理和力學(xué)性能，與常溫狀態(tài)相比，都會(huì)產(chǎn)生一定的改變。這些變化中最顯著的一點(diǎn)是隨著周邊溫度的逐漸降低，鐵素體鋼的強(qiáng)度和硬度并不降低，而韌性和塑形則顯著下降[7]。因此，在電鏟選用材料時(shí)，除了考慮滿足強(qiáng)度和剛度的要求之外，還要考慮“因作業(yè)地區(qū)最低溫度的不同，必須有足夠的低溫沖擊韌度”的要求。

在北方寒冷地區(qū)進(jìn)行作業(yè)的電鏟，重要部位和受沖擊較大的斗齒、齒條、傳動(dòng)大齒輪等鑄件要選取耐低溫沖擊的高錳鋼和合金鑄鋼。底座、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、動(dòng)臂等焊接件的蓋板、腹板、底板應(yīng)選用具有較高低溫沖擊韌度的Q345D或者Q345E鋼板；斗桿的蓋板、鏟斗壁板等局部受力較大部位選用Q690E鋼板。這樣就能最大限度避免低溫條件下，電鏟零部件件發(fā)生開焊和斷裂的現(xiàn)象。電鏟常用鑄件材料主要化學(xué)成分和質(zhì)量分?jǐn)?shù)鋼號(hào)見表1，電鏟常用鑄件材料力學(xué)性能見表2，電鏟常用焊接件材料力學(xué)性能見表3。

圖2 高錳鋼在2種熱處理方式下的低溫沖擊曲線

表1 電鏟常用鑄件材料主要化學(xué)成分和質(zhì)量分?jǐn)?shù)鋼號(hào)

表2 電鏟常用鑄件材料力學(xué)性能

表3 電鏟常用焊接件材料力學(xué)性能

6 結(jié) 語

電鏟是礦山主要采掘設(shè)備，使用十分頻繁，工況條件惡劣。尤其是我國(guó)的露天礦山80%以上分布在廣袤的北方高緯度寒冷地區(qū)。復(fù)雜的沖擊載荷和低溫環(huán)境作業(yè)是露天礦山電鏟的基本特點(diǎn)，其使用的材料除了要滿足強(qiáng)度、剛度指標(biāo)要求外，還應(yīng)滿足低溫條件下，特別是－40℃溫度下的沖擊韌度要求。合理選擇材料，既可以滿足電鏟在不同工況條件下對(duì)材料性能的要求，又可以取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］閆書文.機(jī)械式挖掘機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

［2］王啟廣，郭昭華，王正友.機(jī)械挖掘機(jī)［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

［3］吳承建，陳國(guó)良，強(qiáng)文江.金屬材料學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2000.

［4］陳長(zhǎng)民，田德釣，孫修順，等.大型挖掘機(jī)兩鋼種試驗(yàn)［J］.工程機(jī)械，1982（7）：25－30.

［5］魏建平.大型挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)件用鋼的失效分析［J］.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2004，14（7）：271－272.

［6］張光，王洪林.大型電鏟如何適應(yīng)于嚴(yán)寒地區(qū)——大型電鏟的防寒措施［J］.礦山機(jī)械，1984（6）：48－52.

［7］王從曾.材料性能學(xué)［M］.北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2001．

【責(zé)任編輯：陳 毓】

Low temperature materials select for mining excavator

ZHOU Hang,YAO Longang
(Tianjin SERI Machinery Equipment Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China)

Through analyzing and comparing the composition and performance index of several kinds of mining excavator structure material,the article presents that materials of mining excavator should meet the"because of the operation minimum temperature region is different,there must be sufficient low-temperature impact toughness"requirements,in addition to need to meet the necessary conditions of strength and stiffness.

excavator;low temperature;impact toughness;fracture

TD422.2+1

B

1671－9816（2017）03－0048－03

2016-11-04

周 航（1979—），男，遼寧阜新人，工程師，碩士，2008年畢業(yè)于東北大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)，現(xiàn)就職于天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司，主要從事礦山成套裝備設(shè)計(jì)等相關(guān)工作。

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.03.014

周航，姚龍剛.礦用電鏟低溫材料選擇［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（3）：48-50.