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国外凿岩工程对钎具产品的选择

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在工业发达国家地下矿山的巷道掘进、采矿凿岩、露天矿山和采石场的凿岩爆破以及隧道、水利工程等施工项目中,所使用的凿岩机械90%以上是液压掘进钻车和腹带式液压凿岩钻车,这些凿岩机械对所使用的钎具产品在品种、规格、结构和质量上都有着相当规范的要求。在选择钎具产品时,要根据不同的凿岩钻车类型、孔径、凿岩深度和岩石选择不同的钎具产品。同时,又根据液压钻车用凿岩钎具的不同使用场合,将该产品分为地下掘进钻车、地下采矿钻车、露天履带式凿岩钻车和大功率液压凿岩钻车用凿岩钎具四大类型,每种类型都有完整的产品系列。我国钎具生产企业由于生产液压凿岩钻车用钎具产品的厂家较少,产品的种类和规格不十分完善,故大多数生产厂家笼统地把液压凿岩钻车用钎具通称为“钻车钎具”或“重型钎具”,从产品系列规范的角度来说,这种称谓是不科学的。现在,我国已加人WTO,国内钎具市场和国际钎具市场将成为一个整体,因此,了解国外客商对液压凿岩钻车用钎具的选择方式和国外钎具生产过程是十分必要的。

1液压凿岩钻车用钎具产品的划分

1.1掘进钻车用钎具

液压掘进钻车主要用于地下矿山巷道掘进、公路和铁路工程中的隧道开挖、水电工程导流洞和交通洞的掘进,多为双臂、三臂甚至四臂轮式结构,钻凿面积8~25 m²,其使用的主要钎具产品见表1。掘进钻车用钎具为单支使用,对钎具的要求是钎杆韧性高,杆体耐磨,钎头凿进速度快,排粉通畅,不易卡钻。

1.2 地下采矿钻车用钎具(见表2)

地下采矿钻车主要用于落矿爆破孔的中深孔凿岩。此类钴车多为轮式结构,单臂或双臂布置,可钻上下向及环形360º范围的炮孔。其主要使用接杆钎杆,凿进孔深多在15~25m范围内。此外,国外接杆钎杆从32-51mm直径的产品都有双端六翼导向式钎杆,在钻凿孔径大于64 mm、孔深大于18 m时,多在接杆钎具组中配用两支导向式钎杆,以保证凿孔的平直度。

1.3 露天履带式钻车用钎具

这是国外露天矿山、采矿场、水利工程和基础建设施工中使用量最多的液压凿岩台车。该台车多为单臂结构,凿岩推进臂上配有自动换钎机构,可存储6支接杆钎杆。该钻车主要用于钻凿下向爆破孔,孔深大都为15-20m。所使用钎杆以384551mm接杆钎杆居多,现基本上采用MF 钎杆,见表3

同样,在露天中深孔凿岩中,保 炮孔的平直度是非常重要的,因此该类型钻车用MF钎杆必须有很高的直线度和刚性,同时还要根据孔深选用易返式钎头、凹面钎头或导向钎头。

大功率凿岩钻车主要是瑞典Atlas Copco公司和芬兰TAMROCK公司为在大型露天矿山和采石场取代高风压潜孔钻机而推出的重型凿岩机械。其凿岩速度是高风压潜孔钻机的2.5倍,且凿孔深可达50~60m,炮孔平直度高。该钻车主要配用大直径管式钻具,因国内钎具企业尚不具备生产这种钎具的条件,故不再叙述。

2 国外钎具用户选择产品的依据

在国外的矿山或施工项目中,对工程的规划方案都有严格预算。因此,在已定的生产成本定额中提高生产效率,就意味着每立方米岩石开采成本的降低,要保证高的生产效率,就要求所选择的钎具产品应具有以下特点:(1)高质量的钎具产品;(2)最佳的凿岩速率;(3)最小的炮孔偏斜度。

2.1 钎具质量

在国外的工程项目中,由于人工报酬较高,因此在整项工程中对工时成本的计算非常重视,就液压凿岩钻车生产而言,通常是将设备成本、生产系统成本和人均报酬等所需的成本按年分配到每个工时。在瑞典一台钻车平均工时成本达260~380美元╱h,因此,非生产性时间带来的损失是非常大的。

在国外,液压凿岩钻车按单班作业,单臂年掘进炮孔进尺约4m左右。通常要求钎尾寿命在3000m以上,以减少拆机更换钎尾时间。对钎杆和钎头的要求也相当高,因为钎杆断裂不仅会丢失钎头,还会造成废孔。同时,由于液压凿岩钻车自动化程度高,操作人员在正常生产时并不需付出大的劳动强度,而拆机更换钎尾、打捞断裂钎杆或修磨钎头,不仅浪费工时,也增加了操作人员的劳动强度。所以,国外用户在选择钎具产品时,重视的不仅是产品的价格,更重视的是产品的质量,特别是中大直径球齿钎头,对结构的选择更为严格。

2.2 凿岩速率

在国外的凿岩台车作业中,除人工报酬和钎具购买费用外,其他工时成本均视为固定成本,而钎具费用在凿岩作业中只占总成本的7.5%~12.5%,因此,提高凿岩速率就意味着降低固定成本,所以,国外用户对选择不同类型的钎具品种和提高凿岩速度非常重视。

2.3 炮孔偏斜度

在中深孔凿岩爆破中,炮孔偏斜意味着装药量减少和炮孔间距缩短,也就导致开采量的降低,所以,国外用户对炮孔的平直度要求很高,通常控制在误差很小的范围内。导致炮孔偏斜的主要原因为开钻时进孔误差、标定炮孔误差和钎具凿岩过程中产生的平直度误差,在全液压凿岩钻车或电脑控制液压钻车凿岩中前两项误差基本可以消除,而由于钎具产品结构原因导致的炮孔偏斜就成为主要原因,随着凿孔深度的加深,偏斜程度会更加加剧,最终造成废孔。减少或消除炮孔偏斜的最好方法是采用导向式凿岩钎具。

3 国外钎具用户对钎具产品的选择

在液压凿岩钻车用钎具产品中,合理组合使用钎具可提高凿岩速率和炮孔的平直度。瑞典Secoroc公司产品开发部的S.lliekvist先生曾在欧洲的矿山和采石场作了大量调查,认为欧洲用户对各类钎具产品的选择大体如下。

3.1 凿岩钻车用钎头

要达到理想的凿岩速率,就要求钎头能有效地破碎岩石,国外用户常采用凿岩速率指数这一指标来评价钎头凿岩速度,在凿岩钻车用十字形、X形和球齿形几种类型钻头中,弹齿形钎头的凿岩速率指数为130,球齿形钎头为115,而片状钎头(十字、X)100。因此,在中深孔凿孔中片状钎头的凿岩速度是最低的,但是在钻孔平直度比较中,达到最小偏斜效果的钎头分别为X形钎头、弹齿形钎头和球齿形钎头。因此,国外用户在大孔径中深孔凿岩作业中,比较喜欢选用钎头裤体裙部带有导向翼(四翼、六翼)的易返式球磨齿钎头。

此外,在球齿钎头的正常使用寿命期限内,要尽可能避免钎头的头部被磨成凸圆状,因为磨损后钎头不仅凿速降低,更易产生钻孔偏斜。球齿钎头凿岩过程中,首先是边齿出现较大磨损,故国外用户对球齿钎头合金齿(特别是边齿)的耐磨性能非常重视。同时,在中低磨蚀性岩石进行中深孔凿岩时,常选用深凹面式球齿钎头。

在选择钻车用钎头时,首先要根据岩石条件来确定钎头的类型。以76mm球齿钎头为例,在中低磨蚀性岩石中采用弹齿深凹面易返式钎头;在中硬岩石中采用球齿凹面易返式钎头;钻凿非常坚硬和磨蚀性大的岩石时,多采用头部平面状球齿易返式钎头或重型球齿钎头;而对于极坚硬和磨蚀性极大的岩石,则只能选用X型片状钎米。

3.2 凿岩钻车用钎杆

根据所用中空钢材钢种、轧后控冷和杆体表面硬度,国外液压钻车主要采用三种类型的钎杆:(1)表面硬化处理钎杆(两端螺纹处进行硬化处理);(2)渗碳处理钎杆(深井炉整体渗碳,杆体表面及内孔均硬化处理);(3)渗碳处理MF钎杆(深井炉整体渗碳)

表面硬化处理钎杆的韧性较整体渗碳处理钎杆要好,但疲劳寿命较低,钻凿夹层岩或裂隙性岩石可选用这类钎杆。渗碳钎杆有较好的耐磨性能和疲劳寿命,但其渗碳和风冷工艺的要求非常严格。在钻凿孔深大于20m的炮孔时,采用整体渗碳钎杆和导向式易返球齿钎头,可较好控制炮孔的偏斜度,也可提高钎具的使用寿命。

在采用套管连接的钎杆中,当T形螺纹处紧密联接时,产生在连接处的能耗为6%,若螺纹连接吻合不佳,则能耗将超过10%。连接处能耗导致的高热,不仅损伤螺纹,也容易形成疲劳源。所以,国外用户在现场施工时,大都选用长钎杆,以减少钎具组中的连接点。

MF钎杆是80年代末由芬兰Kometa公司推出的中深孔用钎杆,由于这种钎杆在连接处的质量(重量)小于常规的套管连接钎杆60%,因此冲击能量的传递效果很好。同时,由于MF钎杆在整个凿岩过程中能保持紧密的连接,能量应用效果也比套管连接钎杆显著。采用T38x3660MF钎杆与同类连接套管钎杆组现场凿岩试验表明MF钎杆可提高凿岩速率15%,炮孔平直度也有较大提高,同时这种钎杆还有便于钻车自动装卸连接的优点。目前,该产品已成为国外露天中深孔凿岩钻车选用的主要钎杆。

3.3 凿岩钻车钎具的选择

综上所述,国外钎具用户在选择产品时的主要依据是具有高效率的凿岩速度,能保证较直的炮孔平直度,能达到较理想的使用周期。要达到这些要求,钎杆产品要有高的平直度、刚性、韧性、杆体与螺纹部的耐磨性能以及连接部配合紧密:钎头产品要有适用于不同岩石类型的结构类型,能保证在钻孔中的偏斜度达到最小。在钻凿孔深小于15m炮孔时,通常选择的钎具产品如表4示。

在选用露天凿岩钻车用钎具(见表5),因大部分炮孔钻孔深度均超过15m,为保证炮孔的平直度,国外用户大部分使用MF钎杆,对孔深大于20m的炮孔,通常还在钎具组的第一支钎杆前配用一支阴阳螺纹的MF导向接杆钎杆。

此外,国外用户在临时购买小批量钎具时,通常向本国贸易公司购买,而长期大批量的订货则多与钎具厂商及其办事机构订货。同时,在产品包装和交货周期方面都有严格的要求。

4 国外凿岩钻车用钎具的生产

在液压凿岩钻车的工作过程中,钎具要承受液压凿岩机3000/min以上的高频冲击,以5800Hz以上的高频应力波形式传递每次420J以上的冲击能量,钎具在工作状态下,受到冲击和扭转交变拉压高应力作用,承受岩石的磨蚀和高压矿水的冲刷,其服役条件和受力状态都十分苛刻,国外钎具生产商将其称为“质量要求最为严格的工具类产品之一”。

4.1 中空钢材

中空钢材是制造钎杆的主要原材料,其质量直接影响到钎杆的使用寿命,国外中空钢生产从废钢进料时就开始进行选料,控制废钢的成分,去除重金属和其他有害元素,在电炉冶炼、真空熔炼和连铸过程中严格控制气体含量和夹杂物等级,以保证用钢的纯净度。冶金部钢铁研究总院曾对瑞典中空钢材进行过检测,其钢中氮含量仅为0.0056%,氧化物夹杂<0.5级。

连铸方坯经过表面清理后,进人中空钢轧制生产线,主要工艺流程为:粗轧开坯(圆坯) →圆坯表面扒皮(车床双刀切削)一圆坯中芯钻孔→加高锰钢芯棒(机械夹持钢坯、液压机压人芯棒)→二次加热(控制炉内气氛,减少脱碳)专业化中空钢轧机轧材(为保证芯孔圆整,采用多道次、小变形的轧制工艺,可逆式二辊轧机粗轧圆坯,三辊轧机中间轧制, 七机架平立辊短应力线轧机精轧)>步进冷床控冷(HRC36~44)→液压拉拔机抽芯→在线检测→定尺精整→涂防蚀剂及水孔加塑料塞→中空钢材。

国外凿岩钻车钎杆用中空钢材几何尺寸规范,外形尺寸公差03~0.5mn,水孔直径公差08~1.5mm、水孔偏芯度0.7~1.3mm,同时对钢材的屈服强度、抗拉强度、表面强度及外表和内孔脱碳都有严格的规定。他们认为,用作钻车钎杆的中空钢材,应该具有杂质含量少、几何尺寸规范、抗拉强度大和微观组织结构合理的特点,才能在合理的加工条件下制造出优质的凿岩钎具。

4.2 钻车用钎杆

在中空钢材进入钎具厂后,首先进行逐支检测矫直,根据不同的产品规格,在平锻机上镦粗螺纹加工部,采用液压仿形机床加工外形及螺纹,横旋铣刀加工搬柄槽。机加工后,钎杆进行抛丸去除油污和氧化物,进入深井渗碳炉中整体渗碳,渗碳过程由计算机控制,渗碳后的钎杆放入塔式空冷装置中强制空冷。

除整体渗碳外,国外公司还生产表面感应淬火钻车钎杆,这种钎杆主要在裂隙质岩石或卡钎较严重的施工现场使用。在实施表面硬化处理时,淬火加热过程中需往芯孔中通人特殊液体,以保证钎杆外表硬、芯部韧。

除钎杆外表面需喷丸强化处理外,水孔也进行喷丸处理,用喷管对准钎杆水孔口喷人很细钢丸,处理时间为1min 左右。

钎杆成品钎杆矫直在液压矫直机上进行,液压机底座工作台上有两个活动支座,被矫钎杆夹持在支座上,由脚踏操纵扳左右移动支座,调整被矫部位。液压机压头联动千分表指示矫直压下量,人工操作。矫直后的钎杆进行挂蜡处理,螺纹部加装塑料保护套。

4.3 球齿钎头

(1)原材料检验

对入厂圆钢进行成分检测,特别重视Ni含量检验。国外主要的钎具生产厂商均有自己的矿用硬质合金生产系统,对硬质合金控制的是钴含量和碳化钨晶粒度,对用于不同岩石类型的球齿钎头采用不同晶粒度的硬质合金齿。经过检验的原材料分类存放在由计算机控制的库房货架上。

(2)圆钢锯切下料

用无心外圆磨床对圆钢表面粗皮进行修磨,用带锯将棒料锯成锻制所需坏料长度。

(3)钎头壳体锻造

经过磨光的坯料在感应电炉中加热后,利用模锻工艺在锻压机上一次锻压成型,随即进行表面清理,锻件冷却后进行机加工前软化退火,锻造后的坯料按规格进人坯料库,存放一定时效期后使用。锻造壳体除节省原材料外,还有强高和不易断裂的特点。

(4)钎头壳体加工

数控机床加工壳体外形和加工中心钻球齿孔,真空热处理炉对壳体进行热处理,要保证齿孔不变形,不产生氧化。对齿孔进行精确加工,加工精度为1μm。用无心磨床对合金球齿进行精确研。用特制液剂清理齿孔和合金齿,对孔径和齿径进行精确测量,准确编号。

(5)钎头热嵌固齿

在恒温炉内将钎头体加热至400℃左右(视钢种而定),按配齿编号,用手持式带导向套液压冲击锤将球齿压人齿孔,在检测平台上对钎头露齿高度、齿面高差和整体质量进行检测。

5 对国内钎具生产的几点想法

5.1钎具用钢生产工艺和品种质量

钎具用钢质量直接关系到钎具产品的使用寿命。钎具是在动态载荷条件下工作的工具,必须有高的抗疲劳性、耐磨性和抗冲击性,而这些性能又和钢种、钢的纯净度及组织均匀性有关。日本山阳特殊钢公司曾做过试验,随着钢中气体含量和氧化夹杂物的减少,钢材的接触疲劳寿命显著提高。经过二次精炼后钢中氧含量可降低到1x10-5,其疲劳寿命是大气熔炼钢的10倍。在炼钢过程中对用料选择、冶炼中有效去除SPBiPbSn 等有害元素和控制N²H²0²气体含量,对钢材冲击性能、断裂韧性和强度大为有利。

中空钢材质量问题是影响国产钻车用钎杆使用寿命不理想的主要原因之一。在研究钻孔法生产工艺的同时,对钢坯几何形状选择、轧制道次、压下变形量分配及轧后控冷等工艺也应予重视。

国内钎具用钢虽然有一定的发展,但在钢材品种方面仍不能满足凿岩钻车用钎具产品发展的要求。部分已研制完成的钢种,并未进入大批量生产阶段,主要用钢还是数个通用钢种或仿国外钎具用钢,在冶炼和轧制工艺都有一定差距的情况下,完全照搬国外钢种不一定适用。开发研制适合我国特点的钎具用钢,弥补由于生产工艺产生的不足,也是钎具行业面临的课题之一。

5.2 钎杆生产

钻车用钎杆是使用寿命和质量要求较高的产品之一,合理的生产工艺和制造技术是产品质量的保证。目前国内几家主要的钎具生产厂家的制造设备和工艺条件不一,应在以下几方面给予重视:

(1)镦挤工艺

液压掘进钻车用钎杆R38螺纹端要求镦挤饱满,内孔平直且结合部不允许有突变。必要时还需对内孔进行机加工。若镦挤过程中内孔平直度波动大或结合部过渡不佳,都将影响钎杆的使用寿命:

(2)端面凹槽和应力环

国外凿岩钻车用钎杆中,有一部分产品在钎杆端面设计有冲洗凹槽,在螺纹根部过渡区域设计有应力环,按其解(2)端面凹槽和应力环国外凿岩钻车用钎杆中有一部分产品在钎杆端面设计有冲洗凹槽,在纹根部过渡区域设计有应力环,按其解释:冲洗凹槽能使高压水进人螺纹表面,起到冷却和防止岩粉进入螺纹作用;应力环除满足高转速加工螺纹需要外,还有利于增加钎杆柔性,缓解弯曲应力载荷。国内也有采用该种结构产品的企业,其使用效果如何,是否能在其他类型的接杆钎杆上采用,有待进一步研究及验证:

(3)螺纹加工

国产钎杆使用时螺纹根部断裂失效的比率较大。在中空钢材不十分理想的情况下,更要注意螺纹的机加工质量。现国内钎具厂有数种螺纹加工设备,有的还是很先进的。应选用更合理的刀具,实施螺纹表面高精度加工,提高螺纹表面质量;

(4)热处理工艺

热处理目的是最大限度发挥材料的潜能。国外钎杆也只是采用渗碳淬火或表面感应淬火两种处理方式,国内钎具厂也具有深井渗碳炉和自动表面感应淬火两种处理方式,进一步探索渗碳或碳氮共渗工艺及表面淬火工艺,对提高钎杆寿命是十分有利的。现在热处理技术和设备的发展很快,一些齿轮渗碳()处理后对接触疲劳强度的要求、9m抽油杆和内燃机11m长曲轴渗碳淬火强制冷却时对产品弯曲度的要求都要比钎杆产品严格得多,其中有些经验是值得我们借鉴的;

(5)钎杆的防腐工艺

目前,3m以上钻车钎杆防腐工艺是钎杆表面喷漆,对水孔则不作处理,有的厂家对较短的钎杆采用整体浸油处理。总的来说,这两种方法的涂层附着性能和防蚀性能都不十分理想。应对选用价格合理的低稠度化学防腐涂料和钎杆内外表面都进行处理的工艺进行探索。

喷丸处理增加表面残余压应力,提高疲劳寿命的论点是公认的。上海大众、一汽奥迪等汽车厂引进美国Wheelabrator离心喷丸机对轿车齿轮和轴类产品处理的效果很好,其工作方式与杆件产品很接近。同时国内几家铸造机械厂的喷()机产品几年来也有改进,一些学者也发表了众多的研究论文,对弹丸种类、喷射角度、喷射强度和密度等产生的表面应力效果都作了研究。尽管大多数钎具厂在资金方面不具备购买新设备条件,但也可以注视这一领域的发展动向。

近年来,国外露天液压凿岩钻车使用T38T45x3660mmMF钎杆的数量大幅增加,可注意这一产品的研制生产。

5.3 球齿钎头

球齿钎头属技术含量较高的精密机加工产品。除要求制造人员技术水平和设备精确度保障外,还应重视:

(1)螺纹退刀槽

钎头中的薄弱部分,特别是掘进球齿钎头使用中常在退刀槽处断裂。可根据自己的螺纹加工设备和刀具情况,合理设计退刀槽,过渡外圆弧及槽底的表面粗糙度尽可能高;

(2)螺纹尺寸精度

螺纹的加工精度、几何尺寸和公差精度除保证产品的互换性外,对凿岩过程中冲击能量的有效传递也十分重要。连接性能不佳的产品,不仅在螺纹连接处消耗过多的冲击能,产生的高热也是导致螺纹早期失效的原因之一。国外主要钎具厂都生产钎尾、钎杆、套管和球齿钎头产品,在螺纹配合上采用统一标准,产品配套性强,而目前国内钎具企业除2-3家外,大都不具备这种条件,在凿岩钻车用钎具组中,往往使用的是数家钎具厂产品的组合形式。因此,应当制定合理的钎具螺纹技术规范;

(3)齿孔加工

因各钎具厂采用的固齿工艺、加工设备和刀具类型不一样,其加工方法也各有不同。从理论上讲,齿孔几何形状和尺寸精度越高越稳定;表面粗糙度越低,固齿效果就越好;合金齿研磨径差离散度越小,配齿也越容易。对孔径和齿径分级检测是重要的工序之一;

(4)球齿钝化处理

有的球齿钎头厂对合金齿采用钝化处理工艺,将合金齿放入翻斗式抛光机中进行滚动抛光。这种工艺是否对释放合金齿烧结冷却和研磨过程中聚集的内应力有好处,也值得研究;

(5)壳体热处理

目前热处理设备及工艺的发展相当快,希望有条件的企业,不管采用钻齿孔前热处理还是钻齿孔后热处理,热处理工艺能逐步向真空保护气体热处理方面发展,取代盐炉热处理的常规处理工艺。

5.4 研究与开发

钻车用钎具产品种类繁多,结构不一,不同的机型需不同的钎尾和钎杆,不同岩石孔径和孔深要选用不同的钎头,就目前国内钎具企业生产的产品种类和规格而言,在产品研制和开发方面还需努力。

(1)液压凿岩机钎尾

目前世界各国凿岩机械厂商投放到国际市场上的液压凿岩机约有200多种型号,其中许多型号在国内市场上没有出现过。随着我国钎具产品进入国际市场数量的增加,对国外各种液压凿岩机用针尾的图样结构、几何尺寸以及产品实物等技术资料要加强收集,为产品开发作准备;

(2)球齿钎头结构

从国外资料看,近5年来,国外钎具生产厂在钎头结构研究方面投入的力度很大,从布齿结构、水孔布置、排粉槽排布以及齿形搭配、钎头几何形状等多方面进行研究,使产品的凿岩速率和使用效率有所提高,市场销售情况也不错。如Sandvik公司的CAPP系列掘进钎头,配用Sixty钎具用MP系列露天钻车凿岩钎头等。球齿钎头是国内主要出口产品之一,应在开发和完善深凹中心重型易返钎头、弹球齿导向易返针头、重型球齿钎头、楔齿中凹易返钎头以及X形重型易返钎头等系列产品生产工艺方面投人一定精力。

从凿岩破碎原理上讲,片齿复合钎头有一系列优点,希望生产这类钎头的厂家,重视中大直径片齿复合钎头机加工和焊接工艺的完善,提高生产效率和质量,改进成品表面清理工艺,生产出质量优良、外形美观的产品。作者:胡 铭 董鑫业