新型耐磨板在刮板輸送機(jī)中的應(yīng)用

朱秀光，穆潤(rùn)青，張彥斌，梁小凱，張彩霞，李 誠(chéng)

(1.中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司，河北 張家口 076025；2.河北省高端智能礦山裝備技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 張家口 076025；3.鋼鐵研究總院有限公司工程用鋼研究所，北京 100081)

刮板輸送機(jī)是煤礦井下綜采工作面重要的運(yùn)輸設(shè)備，為滿足安全高效集約化礦井的生產(chǎn)需求，自20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外刮板輸送機(jī)不斷向大運(yùn)量、長(zhǎng)運(yùn)距、大功率、長(zhǎng)壽命與高可靠性方向發(fā)展，這對(duì)設(shè)備的可靠性及使用壽命提出了更高的要求。刮板輸送機(jī)中部槽占整機(jī)比重達(dá)90%以上，中部槽中底板一般采用軋制耐磨鋼板，考慮到加工成本、焊接性能和材料穩(wěn)定性，目前中底板用耐磨鋼最高硬度級(jí)別是NM450。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年報(bào)廢的中部槽多達(dá)50～60萬(wàn)節(jié)，煤炭采運(yùn)消耗的耐磨鋼板達(dá)30萬(wàn)t/a，年損失400億元人民幣，因中底板磨損而致設(shè)備報(bào)廢的比例達(dá)70%以上，研究和探索在不增加硬度來(lái)提高耐磨性的方法，一直是廣大研究者關(guān)注的重點(diǎn)[1-5]。

本文通過(guò)對(duì)新型高耐磨性鋼板(牌號(hào)為：ZM4-13，以下簡(jiǎn)稱ZM4-13)的抗磨機(jī)理研究，常規(guī)低合金馬氏體耐磨鋼(以下簡(jiǎn)稱常規(guī)耐磨板)和ZM4-13在的實(shí)驗(yàn)室磨損對(duì)比，以及常規(guī)耐磨板和ZM4-13在同工況對(duì)比測(cè)試的研究，經(jīng)驗(yàn)證，ZM4-13的耐磨性較相同硬度的進(jìn)口優(yōu)質(zhì)耐磨鋼板提高30%以上。

ZM4-13是國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)基礎(chǔ)材料技術(shù)提升與產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)專項(xiàng)研究成果，是中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司以煤炭綜采工作面刮板輸送機(jī)用耐磨鋼板為研究對(duì)象，聯(lián)合鋼鐵研究總院、江陰興澄特種鋼鐵有限公司等科研院所開(kāi)展的科研項(xiàng)目，項(xiàng)目成果突破了常規(guī)耐磨板依靠提高硬度來(lái)提高耐磨性的簡(jiǎn)單對(duì)應(yīng)關(guān)系，其是在常規(guī)耐磨板中引入多尺度TiC硬質(zhì)顆粒來(lái)增強(qiáng)材料耐磨性的技術(shù)理論體系。

牌號(hào)ZM4-13的含義是：ZM為中煤和張煤的拼音縮寫(xiě)，4為試驗(yàn)階段的第4種新材料配方，13為材料抗拉強(qiáng)度1300 MPa以上。

1 常規(guī)耐磨板和ZM4-13的抗磨機(jī)理

1.1 常規(guī)耐磨板

常規(guī)耐磨板即低合金馬氏體耐磨鋼主要是通過(guò)合金元素 Cr、Ni、Mo、Mn等的合金化作用，經(jīng)淬火、回火熱處理工藝獲得馬氏體組織[6]。因低合金高強(qiáng)度馬氏體鋼中存在高位錯(cuò)的板條狀馬氏體，故其具有很高的硬度，且能夠較好的阻止磨損時(shí)裂紋的擴(kuò)展，因此這類鋼有較好的綜合力學(xué)性能和耐磨性，其磨損方式如圖1所示。文獻(xiàn)[7]指出低合金耐磨鋼在中等沖擊磨損的條件下比奧氏體高錳鋼更具有優(yōu)越性，且綜合力學(xué)性能比高錳鋼好一倍多，但是在高應(yīng)力的沖擊磨損條件下，耐磨性的優(yōu)越不是很明顯[8-12]。

圖1 常規(guī)耐磨板的磨損方式

1.2 刮板輸送機(jī)用耐磨板現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外刮板輸送機(jī)中底板均采用常規(guī)耐磨板，國(guó)際知名的耐磨板提供商有：瑞典SSAB的 HARDOX 系列、德國(guó)迪林根系列和日本JFE系列，國(guó)內(nèi)耐磨鋼生產(chǎn)廠家有：南鋼、興澄特鋼、寶鋼、包鋼等。其中瑞典SSAB公司生產(chǎn)的 HARDOX 系列耐磨板質(zhì)量穩(wěn)定，耐磨性優(yōu)良，在煤礦用戶的認(rèn)可度高，近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)鋼廠對(duì)耐磨鋼材料的深入研究和制造裝備的提升，國(guó)產(chǎn)耐磨板的質(zhì)量也接近進(jìn)口質(zhì)量。就優(yōu)質(zhì)煤層、常規(guī)采煤工作面的中重型設(shè)備而言，常規(guī)耐磨板能夠滿足需求，但對(duì)于矸石含量高和超重型設(shè)備而言，常規(guī)耐磨板很難夠滿足設(shè)備設(shè)計(jì)需求。

1.3 刮板輸送機(jī)中板磨損形式

對(duì)刮板輸送機(jī)中底板失效形式大量歸納可知：失效的刮板輸送機(jī)中底板，在刮板鏈所在位置均有一條深深的磨損溝。研究表明：在一定磨料條件下，磨損量與所加載荷成正比，與材料的硬度成反比。在處于同一工況的中板上，在鏈道處，不僅有煤等物料提供正壓力，更有比煤密度大7倍的鏈條提供更大的正壓力，這是中板在鏈道處磨損更明顯的主要原因[9]。由此得出：在研究刮板輸送機(jī)中底板的磨損失效問(wèn)題上，應(yīng)主要研究三體間的軟硬磨料下的磨料磨損。

根據(jù)磨料磨損理論可知：在載荷、磨料一定的條件下，耐磨板的磨損量與磨粒壓入深度的平方成正比，與磨粒形成犁溝的橫截面積成正比，而壓入深度與材料硬度成正比[13，14]。

提高中部槽中板耐磨性的常規(guī)手段為提高基體的硬度，利用減少磨損過(guò)程中犁溝的深度來(lái)降低磨損產(chǎn)生量，進(jìn)而達(dá)到提高設(shè)備運(yùn)行壽命的目的，但硬度增加的同時(shí)，往往會(huì)給鋼板的韌塑性、成型性和焊接性等帶來(lái)負(fù)面影響，且對(duì)加工能力提出了更高的要求。為了保證焊接、機(jī)加工等性能，現(xiàn)階段在刮板輸送機(jī)中板上采用的耐磨板硬度一般不超過(guò)HB450。

1.4 ZM4-13抗磨機(jī)理

根據(jù)磨料磨損理論可知：減少磨損量的方式還有一種為減少犁溝的橫截面，即：減少犁溝整體體積也能達(dá)到提高耐磨性的目的。ZM4-13是在常規(guī)馬氏體耐磨板基礎(chǔ)上在基體中增加維式硬度達(dá)3200 HV的TiC硬質(zhì)顆粒，不提高基體硬度，從根本上改變了耐磨鋼板的抗磨機(jī)理。當(dāng)磨料磨損鋼板表面時(shí)，通過(guò)彌散在耐磨鋼中的TiC硬質(zhì)顆粒將磨料棱角鈍化或擊碎，阻礙了磨料對(duì)鋼板的磨損，進(jìn)而提高了鋼板的耐磨性[15-19]，其磨損方式如圖2所示。

圖2 ZM4-13的磨損方式

為驗(yàn)證上述機(jī)理，對(duì)ZM4-13和常規(guī)耐磨板的金相組織進(jìn)行了分析，如圖3所示。并對(duì)兩種材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室磨損對(duì)比、工況運(yùn)行對(duì)比、以及工況運(yùn)行后表面掃描分析。

圖3 ZM4-13和常規(guī)耐磨板金相組織

1.4.1 實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)室磨損試驗(yàn)：對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼進(jìn)行干砂橡膠輪磨粒磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)按照ASTM G65執(zhí)行，使用設(shè)備為：MLS-225濕式橡膠輪磨損試驗(yàn)機(jī)；載荷為170 N，磨損介質(zhì)為1 L水+1 kg石英砂；磨損試件：每種材料各3件；磨損方案：6件試件交叉排序在1 kg石英砂+1 kg水的介質(zhì)中各預(yù)磨1000轉(zhuǎn)后清洗稱重，接著在相同介質(zhì)中交叉終磨1000轉(zhuǎn)后清洗稱重，計(jì)算每組失重量；檢測(cè)試件成分和具體磨損數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、2，可以看出，ZM4-13的相對(duì)耐磨性是相同硬度進(jìn)口優(yōu)質(zhì)鋼板的1.5倍。

表1 化學(xué)成分 %

表2 磨損數(shù)據(jù)對(duì)比

1.4.2 工況驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證ZM4-13的耐磨性能，選擇在陜北某礦進(jìn)行了工業(yè)運(yùn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)方案為：在該礦某工作面刮板輸送機(jī)中板上各采用了20件中板分別用進(jìn)口NM450和ZM4-13，且將其均連續(xù)安裝，保證了試驗(yàn)件在同一工況下進(jìn)行。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行后，切割下中板進(jìn)行定量分析，磨損后試件表面金相分別如圖4、圖5所示。

圖4 進(jìn)口NM450工況運(yùn)行后的磨損表面形貌

圖5 ZM4-13工況運(yùn)行后的磨損表面形貌

由上述分析可知：①ZM4-13金相組織，基體為馬氏體，亮色析出物為T(mén)iC；常規(guī)耐磨板金相組織為馬氏體。②常規(guī)耐磨板工況運(yùn)行后微觀磨痕，出現(xiàn)明顯犁削痕跡，以塑性切削為主的磨損機(jī)制。③ZM4-13工況運(yùn)行后微觀磨痕可見(jiàn)，硬質(zhì)點(diǎn)阻礙了犁溝的繼續(xù)形成；硬質(zhì)點(diǎn)使劃痕變淺。

2 應(yīng)用案例

為進(jìn)一步驗(yàn)證ZM4-13的工況運(yùn)行壽命，在多礦進(jìn)行了工業(yè)運(yùn)行驗(yàn)證，如：在山西某礦某工作面(煤矸石含量45%以上)安裝了ZM4-13、進(jìn)口NM450材料的鑄焊結(jié)構(gòu)中部槽和整體鑄造中部槽，運(yùn)行15個(gè)月后升井，過(guò)煤量450余萬(wàn)t，三種不同類型中板的磨損量如圖6所示，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：折算到100萬(wàn)t過(guò)煤量，整體鑄造材料中板的磨損量為ZM4-13的1.56～2.6倍，進(jìn)口NM450中板的磨損量為ZM4-13的1.35～2.09倍。

圖6 山西某礦運(yùn)行數(shù)據(jù)

另如：神華某礦某工作面后部安裝了100節(jié)ZM4-13中底板中部槽和50節(jié)進(jìn)口NM450中底板中部槽，中板厚50 mm。11個(gè)月后完成工作面運(yùn)輸工作升井，過(guò)煤量達(dá)400萬(wàn)t。后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)量：鏈道處ZM4-13中板百萬(wàn)噸過(guò)煤量磨損量為1.66 mm，進(jìn)口NM450磨損量為2.77 mm；中部非鏈道處ZM4-13中板百萬(wàn)噸過(guò)煤量磨損量為0.89 mm，進(jìn)口NM450磨損量為2.02 mm。ZM4-13中板百萬(wàn)噸過(guò)煤量磨損量較進(jìn)口NM450減少了1/3以上。以上僅羅列了2個(gè)礦上同一工作面混裝運(yùn)行數(shù)據(jù)，如上檢測(cè)數(shù)據(jù)還有很多，多項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示：ZM4-13的耐磨性優(yōu)于進(jìn)口NM450和整體鑄造材料。

3 結(jié) 論

1)研究了一種在常規(guī)馬氏體耐磨板基體中增加TiC粒子增強(qiáng)耐磨性的新型耐磨鋼板ZM4-13，分析了ZM4-13與常規(guī)耐磨板的不同磨損形式，并通過(guò)微觀金相進(jìn)行了驗(yàn)證；

2)對(duì)比研究了 ZM4-13與常規(guī)耐磨板的實(shí)驗(yàn)室耐磨性和工況運(yùn)行耐磨性，數(shù)據(jù)顯示：ZM4-13耐磨板的耐磨性是進(jìn)口NM450的1.5倍左右。

3)在微沖擊、以磨料磨損為主的磨損面采用ZM4-13來(lái)提高設(shè)備運(yùn)行壽命的方案是可行的。