等離子熔覆技術(shù)在刮板輸送機(jī)中部槽的研究與應(yīng)用

閆沁江

(山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司,山西 長(zhǎng)治 046102)

隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化和調(diào)整,煤炭仍是我國(guó)的主要能源形式,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中依然占有重要位置,在國(guó)家大力倡導(dǎo)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會(huì)的政策導(dǎo)向下,煤機(jī)設(shè)備不斷向大采高、長(zhǎng)壽命、可持續(xù)性方向發(fā)展,對(duì)刮板輸送機(jī)的穩(wěn)定性和長(zhǎng)壽命的要求也越來越高。中部槽作為刮板輸送機(jī)的核心設(shè)備組成部分,其使用性能優(yōu)劣和服役期限長(zhǎng)短直接決定刮板輸送機(jī)使用壽命的長(zhǎng)短[1]。中部槽作為井下煤炭運(yùn)輸?shù)暮诵某休d設(shè)備,承受來自各方面的沖擊、擠壓、碰撞、摩擦等外力因素[2],極易造成中部槽焊縫開裂、鋼板磨損貫穿、尺寸失準(zhǔn)等損壞,嚴(yán)重影響井下煤炭物料的運(yùn)輸和采煤運(yùn)煤生產(chǎn)效率,甚至因中部槽無法運(yùn)轉(zhuǎn)造成整套刮板運(yùn)輸機(jī)的停機(jī)檢修,極大限制和影響了礦井開采工作的正常進(jìn)行。

在研究煤機(jī)設(shè)備大采高、長(zhǎng)壽命、長(zhǎng)距離、智能化等方面工作的同時(shí),對(duì)刮板輸送機(jī)中部槽耐磨性和長(zhǎng)壽命的研究和應(yīng)用顯得尤為重要。如何提高中部槽的耐磨性和失效機(jī)理一直是行業(yè)科研人員的研究熱點(diǎn),從改善提高制造中部槽的鋼板材質(zhì)到對(duì)中部槽易磨損表面改性技術(shù)與工藝的研究等方面進(jìn)行了不同程度的研究與應(yīng)用,各種刮板運(yùn)輸機(jī)中部槽強(qiáng)化技術(shù)工藝方法存在一些局限性和不足之處[3-6]?，F(xiàn)針對(duì)中部槽采用等離子熔覆耐磨強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行研究,對(duì)中部槽等離子熔覆強(qiáng)化層的宏微觀性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,為等離子熔覆耐磨強(qiáng)化中部槽的工藝應(yīng)用提供理論支撐和應(yīng)用參考價(jià)值。

1 刮板運(yùn)輸機(jī)中部槽的失效形式

中部槽作為刮板運(yùn)輸機(jī)的核心運(yùn)載設(shè)備,是礦井開采煤炭運(yùn)輸?shù)妮d體和通道,在中部槽服役工作過程中受到來自刮板鏈、煤矸石、設(shè)備碰撞等多因素的影響承受沖擊、拉應(yīng)力、壓應(yīng)力等多維度復(fù)雜受力情況,造成中部槽在服役過程中的磨損形式并非單一形式而是多形式復(fù)雜的磨損形式,依據(jù)磨損的介質(zhì)和相對(duì)運(yùn)行方式不同,中部槽的主要磨損形式有磨粒磨損、黏著磨損、接觸疲勞磨損和腐蝕磨損。

在實(shí)際使用中,中部槽的失效多數(shù)現(xiàn)象是中板、底板磨穿、槽幫從刮板運(yùn)輸機(jī)整體使用情況來看,磨損是中部槽失效的主要形式。中部槽因各種原因造成的中部槽中板磨損失效、槽幫鋼磨損嚴(yán)重、中板出現(xiàn)較深的鏈道溝磨損等磨損失效行為的實(shí)物如圖1—圖3所示。

圖1 中部槽中板磨穿失效Fig.1 Wear through failure of the middle groove plate

圖3 中板鏈道溝磨損磨穿情況Fig.3 Wear and tear of middle plate chain groove

2 等離子熔覆耐磨強(qiáng)化技術(shù)

中部槽等離子熔覆耐磨強(qiáng)化技術(shù)是利用等離子熔覆強(qiáng)化技術(shù)在中部槽易磨損表面進(jìn)行耐磨強(qiáng)化處理[7-11],采用的耐磨合金粉末是以Fe-Cr-C系為主,利用高能量的等離子束將中部槽基材和耐磨合金粉末同步熔化在中部槽表面形成具有耐磨性、高硬度、抗沖擊性能強(qiáng)的合金強(qiáng)化耐磨層[12]。中部槽表面等離子熔覆耐磨強(qiáng)化如圖4所示。

圖4 中部槽等離子熔覆示意Fig.4 Schematic diagram of plasma cladding in the middle slot

中部槽表面等離子強(qiáng)化處理采用的設(shè)備為數(shù)控等離子熔覆表面強(qiáng)化設(shè)備,根據(jù)磨損情況可自由對(duì)耐磨軌跡進(jìn)行編程。數(shù)控等離子熔覆設(shè)備主要由等離子熔覆電源、操作平臺(tái)、氣路系統(tǒng)、水路系統(tǒng)、動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)、PLC數(shù)控系統(tǒng)等關(guān)鍵部件組成。數(shù)控等離子熔覆表面強(qiáng)化設(shè)備實(shí)物如圖5所示。該設(shè)備數(shù)控操作,自動(dòng)化程度高、送粉穩(wěn)定、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性高,可根據(jù)強(qiáng)化方案自由編程等離子熔覆熔覆軌跡,根據(jù)工藝要求通過PLC人機(jī)界面調(diào)整工藝參數(shù)。

圖5 數(shù)控等離子熔覆表面強(qiáng)化設(shè)備Fig.5 CNC plasma cladding surface strengthening equipment

表1 等離子熔覆耐磨強(qiáng)化粉材主要元素成分Tab.1 Main element composition of plasma cladding wear resistant strengthening powder wt.%

利用中部槽等離子熔覆專用設(shè)備和耐磨合金粉材對(duì)中部槽表面進(jìn)行等離子熔覆耐磨強(qiáng)化處理,其熔覆強(qiáng)化軌跡如圖6所示。

圖6 中部槽表面等離子熔覆耐磨強(qiáng)化處理軌跡示意Fig.6 Schematic of plasma cladding wear resistant strengthening treatment trajectory on surface of middle groove

以等離子熔覆技術(shù)為基礎(chǔ),采用數(shù)控等離子熔覆表面強(qiáng)化設(shè)備和Fe-Cr-C合金粉末,通過等離子熔覆強(qiáng)化設(shè)備人機(jī)界面設(shè)定的熔覆軌跡為“人”字型,熔覆耐磨強(qiáng)化后的中部槽表面實(shí)物如圖7所示。

圖7 中部槽表面等離子耐磨強(qiáng)化后的實(shí)物Fig.7 Physical object of plasma wear resistant strengthening on surface of middle groove

3 中部槽表面等離子強(qiáng)化層性能

中部槽表面采用數(shù)控等離子熔覆技術(shù)熔覆Fe-Cr-C粉材形成強(qiáng)化層,強(qiáng)化層的厚度1.5～2.5 mm,對(duì)強(qiáng)化層的表面硬度和耐磨性進(jìn)行試驗(yàn),檢測(cè)相關(guān)性能是否達(dá)到使用要求。

3.1 強(qiáng)化層表面硬度測(cè)試

利用硬度試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備對(duì)中部槽表面強(qiáng)化層進(jìn)行表面硬度試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 耐磨強(qiáng)化層宏觀硬度測(cè)試結(jié)果/HRCTab.2 Hardness test results of wear resistant strengthening layer rockwell /HRC

從表2可以看出,中部槽表面的等離子耐磨強(qiáng)化層宏觀硬度達(dá)到HRC61.2,而基材的硬度為HRC37.3,等離子熔覆耐磨強(qiáng)化層的宏觀硬度是基材的1.64倍,滿足了煤機(jī)客戶對(duì)耐磨層硬度不低于HRC60以上的要求。

3.2 強(qiáng)化層耐磨性測(cè)試

對(duì)中部槽表面的等離子強(qiáng)化層進(jìn)行磨粒磨損耐磨性試樣,耐磨試驗(yàn)所用對(duì)比磨粒選用棕剛玉,其主要成分為Al2O3,含量達(dá)到95%以上。強(qiáng)化層的相對(duì)磨粒磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 耐磨強(qiáng)化層與基材耐磨性測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.3 Test data of wear resistance between wear strengthening layer and substrate

為了更加清楚地對(duì)比中部槽等離子強(qiáng)化層與基材的相對(duì)耐磨性,將耐磨性試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柱狀圖,如圖8所示。

圖8 耐磨強(qiáng)化層與基材相對(duì)耐磨性對(duì)比柱狀Fig.8 Comparison histogram of relative wear resistance between wear resistant strengthening layer and substrate

從表3和圖8可以看出,經(jīng)等離子熔覆耐磨熔覆的強(qiáng)化層磨損量?jī)H為基材的1/9,相對(duì)于基材耐磨性提高了9.31倍,耐磨性大大提高,完全可應(yīng)對(duì)中部槽的以磨粒磨損為主要失效形式的工況,中部槽表面耐磨性的提高可以延長(zhǎng)其使用壽命。

4 應(yīng)用效果

將等離子熔覆耐磨強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于潞安集團(tuán)某礦,在完成一個(gè)采煤工作面后(采面過煤量約260萬 t),可以清楚看到中部槽表面的等離子強(qiáng)化層仍然存在,保留下來的等離子強(qiáng)化層的厚度為1.8～2.0 mm,相較于以前中部槽表面未經(jīng)任何處理狀況下,使用壽命提高了2倍以上,直接為某礦節(jié)省了刮板運(yùn)輸機(jī)中部槽大修和新設(shè)備采購(gòu)成本(圖9)。

圖9 某礦中部槽等離子熔覆強(qiáng)化后一個(gè)采面狀況Fig.9 Condition of a mining face after plasma cladding strengthening in the middle slot of a certain mine

5 結(jié)論

將等離子熔覆技術(shù)和Fe-Cr-C高硬度熔覆粉末應(yīng)用于中部槽耐磨強(qiáng)化領(lǐng)域,強(qiáng)化層的硬度提高達(dá)到HRC61.2,耐磨性提高9.31倍,表面宏觀硬度和耐磨性強(qiáng)化效果顯著,經(jīng)井下實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證,使用壽命延長(zhǎng)2倍以上,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著,也符合當(dāng)前雙碳政策要求,值得在煤機(jī)領(lǐng)域大力推廣等離子熔覆強(qiáng)化技術(shù)的應(yīng)用。