CN107160102B - 一种采煤工作面刮板输送机中部槽制作工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采煤工作面刮板输送机中部槽制作工艺，技术方案包括铸造步骤、热处理步骤、焊接步骤。铸造步骤中钢水出钢温度为1620‑1640℃，镇静5‑10分钟保持温度为1560‑1580℃浇注。热处理步骤中加热870‑890℃保温4‑6小时进行正火；冷却后再加热至570‑600℃回火。焊接步骤在不低于10℃室内进行，先提前预热，加热焊接口两侧各30mm宽，中板预热至150‑200度，槽帮预热至200‑250度。焊接后进行消焊接应力退火：将焊接后的中部槽加热至500‑550℃(80‑120℃/小时)，并保持2小时，然后炉冷至150‑200℃出炉空冷。本发明能有效提高刮板输送机中部槽的耐磨机械性能，以及获得结构尺寸精度更高的刮板输送机。

Description

一种采煤工作面刮板输送机中部槽制作工艺
技术领域
本发明具体涉及一种采煤工作面刮板输送机中部槽制作工艺，属于材料处理加工领域。
背景技术
综合机械化采煤已普及，刮板输送机为连续运煤机械，是煤矿使用量最大、消耗最多的重要设备。刮板输送机由机头尾部、中部槽及其附属部件组成。其中，中部槽是刮板输送机的承载连接体的重要组成部分，是整套设备的关键部件，位于刮板机的中部，它既是刮板链的运行轨道，又是采煤机的行走轨道，还是载送煤流的运行通道。同时也是刮板机上用量最大、质量最重的部件，一般一台刮板输送机含100多节中部槽，每节槽长为1.2米或1.5米。中部槽为整体铸焊封底式结构，中部槽主要由挡板槽帮、铲板槽帮与中板、底板焊接组成，中板、底板材质为NM400，挡板槽帮、铲板槽帮材质为ZG30MnSi。上槽用作煤炭运输，下槽供刮板返程使用。
全国每年因磨损而失效的中部槽达到数十万节。
其原因为：①刮板、链条、煤流的运行与中板、槽帮的磨损，同时在使用中，若遇大块煤岩卡死槽中，中板受压还会产生纵向弯曲变形；②采煤机沿中部槽槽帮移动，造成槽帮上部磨损，同时附加的负荷和滚筒切割煤层的冲击，还会造成槽帮变形；③采煤机前进向煤壁方向移动产生水平方向弯曲，同时推拉液压支架受力使中部槽中板发生拱弯，加之底板铺设不平产生上下弯曲，进而连接件受拉压弯曲，加重了中板、槽帮边缘的磨损。
可见，中部槽使用工况较恶劣，受力复杂多变，因此要求中部槽有足够的强度、刚度和耐磨性。为了满足强度要求，现实中往往采用大裕量设计，容易造成资源浪费。而产品的质量主要体现在力学性能上，所以中部槽槽帮应具有良好的力学性能。据粗略统计，我国各大煤机厂每年生产的铸造槽帮重量在30Wt以上，因此，急需研制出一套更好的制造工艺，以提高刮板输送机质量性能。
产品现行工艺：
中部槽的槽帮形状结构复杂，体积较大，切削加工都比较困难，因此采用原材料直接铸造成型。铸钢件容易产生较严重的枝晶偏析，凝固后组织极不均匀，尤其是合金铸钢件尤为明显。在钢液凝固过程中，奥氏体沿断面厚度方向长成不同的晶粒形状。铸件断面越厚，即冷却愈慢时，柱状晶及粗等轴晶愈发达。柱状晶及粗等轴晶会使钢的力学性能降低，特别是韧性。槽帮壁厚不均匀，同一铸件的各部位往往有不同的组织结构，并且残留相当大的内应力，因而其机械性能比较差。同行业中对ZG30MnSi槽帮在这方面的研究不是很多，为了提高ZG30MnSi槽帮钢的性能质量，需要进行这方面的改进研究，使得材料成分和热处理对ZG30MnSi槽帮钢质量的影响减小到最小，力学性能达到最佳。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种可以得到质量更佳的刮板输送机的技术。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：
本发明提供一种采煤工作面刮板输送机中部槽制作工艺，包括铸造步骤、热处理步骤、焊接步骤。
其中所述的铸造步骤为：
(1).选用70砂100份，水玻璃7-8份制作成中部槽槽帮铸模，并使中部槽铸模含水量为5-6％，湿压力大于0.008MPa，湿透气大于200ml，干强度大于0.3MPa。
(2).使钢水出钢温度为1620-1640℃，出钢后在钢水包中进行镇静5-10分钟。
(3).开始将钢水浇注入中部槽铸模，并在浇注过程中使钢水保持温度为1560-1580℃，开始浇注时控制小流量浇注，而后逐加大浇注流量；浇注完成后自然冷却8小时拆模，获得浇注成型的中部槽槽帮毛丕；将中部槽槽帮毛丕经过切削加工后，获得结构成型的中部槽槽帮。
其中所述的热处理步骤为：
(1).正火：将所述结构成型的中部槽槽帮置于加热介质中，按100-120℃/小时的速度进行加热至630-680℃，并在此温度区间内保温1.5-2小时；再按50℃/小时的速度进行加热至870-890℃，并在此温度区间内保温4-6小时；
(2).冷却：停止加热，自然冷却至≤400℃，并在此温度区间内保温5-7小时；
(3).回火：再次加热结构成型的中部槽槽帮，加热速度按100-120℃/小时进行，并加热至570-600℃，并在此温度区间内保温5-6小时；
最后冷却：停止加热，炉内冷却至小于300℃，然后自然冷却至室温；
其中所述的焊接步骤为将中板、底板焊接在结构成型的中部槽槽帮上，其过程如下：
(1).在室温不低于10℃的室内进行焊接；
(2).对焊接部进行提前预热，并使热输入为14-17KJ/cm，利用割炬中性焰均匀加热焊接口两侧各30mm宽，中板预热至150-200℃，槽帮预热至200-250℃，然后开始焊接；
(3).焊接后，获得中部槽，将中部槽进行消焊接应力退火：将中部槽加热至500-550℃，并保持5小时，然后自然冷却。
如上所述的一种采煤工作面刮板输送机中部槽槽帮制作工艺，具体为：所述的铸造步骤中，当浇注钢水升到铸模冒口时，应停止浇注5分钟，然后再迅速浇注并浇满冒口。
如上所述的一种采煤工作面刮板输送机中部槽槽帮制作工艺，具体为：钢水出钢温度为1630℃，出钢后在钢水包中进行镇静7分钟；浇注过程中使钢水保持温度为1570℃。
如上所述的一种采煤工作面刮板输送机中部槽制作工艺，具体为：所述的焊接步骤具体如下：先将结构成型的中部槽槽帮立放在两侧，中板拼装在所述结构成型的中部槽槽帮的腰部，底板拼装在所述结构成型的中部槽槽帮的底部；其拼装时，形成的槽口宽度增加变形补偿量△B，具体为：上槽口补偿量△B为3-4mm，下槽口补偿量△B为4-5mm，且上槽口补偿量△B小于下槽口补偿量△B2-3mm。
如上所述的一种采煤工作面刮板输送机中部槽制作工艺，具体为：所述的热处理步骤为：(1).加热：将结构焊接成型的中部槽按110℃/小时的速度进行加热至500-550℃；
(2).消应力退火：炉冷至150-200℃自然冷却至室温。
如上所述的一种采煤工作面刮板输送机中部槽制作工艺，具体为：焊接后将中部槽进行消应力退火：将中部槽加热至500-550℃进行退火。
本发明的有益效果为：
本发明的技术结合刮板输送机特有的机械结构特点和使用环境，制定出关于刮板输送机的制造工艺，能有效提高刮板输送机中部槽的耐磨机械性能，以及获得结构尺寸精度更高的刮板输送机。
附图说明
图1为刮板输送机的中部槽断面结构示意图。
其中：1-槽帮；2-中板；3-底板；4-背面焊缝。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。
参考附图1，中部槽由槽帮1、中板2、底板3焊接组成，中板2、底板3材质为NM400，槽帮1、铲帮材质为ZG30MnSi，主要壁厚30～70mm，两端及中间局部有厚大部位。
ZG30MnSi槽帮钢以碳、锰、硅三大元素为主的低合金铸钢，除此还存在上所述的少量杂质元素。碳是决定钢材性能的基本元素，是获得高强度、高硬度的有效强化元素之一，钢的机械强度和硬度将随着含碳量的变化而变化。锰是较弱形成碳化物的元素，能固溶于铁素体，从而强化铁素体。锰能增强奥氏体的稳定性，降低淬火临界冷却速度，提高钢的淬透性。但是锰有促进晶粒长大的作用，对钢的过热较敏感，含锰较高的钢回火脆性较明显。硅能固溶于铁素体，且有较强的固溶强化作用，同时它对回火转变有阻碍作用。当硅锰元素加入的配比适当时，可减少因硅引起的脱碳缺点，同时可减小锰钢的过热倾向。铝作为脱氧剂加入，铝能够细化钢的晶粒，抑制低碳钢的时效，提高钢在低温下的韧性，抗氧化性、耐磨性和疲劳强度。由于低合金铸钢对原材料要求比较高，杂质元素硫、磷常被视为是有害的元素，含量必须严格控制。针对中部槽槽帮钢使用性能要求，本申请人反复化检目前ZG30MnSi槽帮钢样品，所得化学成分含量如下表。
槽帮钢实际生产过程中，对应试样进行试验时，会出现化学成分配比适当符合要求，经同样的热处理后机械性能却出现相差较大的情况。同时一台刮板输送机需要多节中部槽，如出现上述情况，会导致同一台刮板机不同的中部槽使用性能相差较大，影响整台刮板机的使用性能。所以必须从化学成分与机械性能的关系来调整化学成分配比关系，由于实际生产中很难控制其中某一种元素的变化来实现对所需性能的控制。因此，找到各种元素对力学性能的影响规律，最佳配比各种化学元素含量，发挥各种元素的综合作用，既能够使得材料获得较好的力学性能，又容易在实际生产中实施。同时必须选择合理的热处理工艺，最大限度的提高槽帮钢的力学性能和使用性能。
根据上述条件，本示例设计如下生产过程。
一、铸造步骤：
采用的实模造型。铸造线缩利率按水玻璃石灰石砂选择为2.0％，加工面预留加工余量为5mm,为减少铸件重量，起模斜度加工面采用减少铸件壁厚、非加工面使用增减壁厚的方式，起模斜度为α/mm≤2.0mm。在下泥芯时为保证泥芯不上浮，需使用芯撑对泥芯进行固定。浇注采用底注式浇注。
在试制时选择了石英砂和70砂两种材料，CO2硬化。在批量生产过程中面砂可采用石英砂，背砂采用70砂。
混砂采用碾轮式混砂机进行。因石灰石砂耐碾性较差，要求混砂机的碾轮与底盘距离为20—25mm,刮板与底盘距离为5—10mm。先干混2-4分钟，再加水玻璃进行混碾。型砂配比及性能见下表：
砂型表面流涂两遍锆英铝矾土复合涂料。因石灰石砂在高温下产生分解，生成大量的气体，造型时要在砂型上做好排气，提高砂型排气能力。
根据材料要求，冶炼过程中必须严格控制化学元素，特别是P、S、Al含量的控制。采用摇包浇注，并带随炉试样，以便进行力学试验和化学元素抽查。
为使铸件得到良好的补缩，钢水出钢温度控制在1620-1640℃，出钢后在钢水包中对进行钢水镇静，以使悬浮在钢液中的夹杂物上浮，镇静时间根据出钢温度应大于5min，不超过10min。浇注温度控制在1560-1580℃，低温浇注可以减少铸件缩孔、缩松等缺陷的倾向。浇注时控制好浇注速度，开始时将钢水流量控制得小些，避免钢水对砂型的冲刷，而后逐渐加大。待钢液上升到冒口时，应缓一下注流，然后增大注流继续浇注，直到浇满冒口。防止钢水中的炉渣进入砂型型腔。整个浇注过程不允许钢水断流，避免铸件产生冷隔缺陷。浇注后在铸件冒口上加保温覆盖剂，提高冒口补缩效果。打箱时间控制在不小于8小时，防止铸件过早打箱产生变形。
在生产槽帮件过程中，经常出现槽帮顶部出现局部灰绿色玻璃状夹渣物。这种夹渣物从钢液中漂浮起来的，由于顶部没有设冒口，夹渣物无法排出，便滞留形成夹渣缺陷。
夹渣物主要组成物为锰铝硅酸盐，CaO含量很低，夹渣物不是直接来自还原炉渣，因为还原炉渣有很高的氧化钙含量，一般高大30％-50％。夹渣物中含有很高的MnO，所以与钢液有关，因为钢液中含有大量锰元素。钢液中的MnO与还原渣中SiO2、Al2O3等酸性或弱酸性氧化物反应的产物。由于钢液在浇包中镇静时间有限，卷入钢液中的锰铝硅酸盐夹渣无法完全上浮，在浇注过程中部分渣液随钢液进入型腔，上浮到铸型顶部，形成铸件表面夹渣物。通过加强还原初期及出钢前钢液沉淀脱氧、稀薄渣形成后加锰铁，可以减少钢液中MnO含量和消除铸件锰铝硅酸盐夹渣物，消除这一缺陷。
二、热处理工艺：
铸钢的变相点是制定热处理工艺的重要依据，由于ZG30MnSi槽帮钢含碳量偏高，且形状复杂，对其采用正火+回火的热处理工艺过程。
钢的加热温度、保温时间和冷却方式整个热处理过程中的各道工序是共同影响热处理结果的。复杂的热处理过程中，某一道工序一点点的变化都影响ZG30MnSi槽帮钢获得不同的力学性能。因此，对于化学成分控制和热处理对钢的力学性能影响是多方面共同作用的结果，生产过程中必须高度重视每一道工艺，以获得更优质的ZG30MnSi槽帮钢。
所述的热处理步骤为：
(1).正火：将结构成型的中部槽槽帮置于加热介质中，按100-120℃/小时的速度进行加热至630-680℃，并在此温度区间内保温1.5-2小时；再按50℃/小时的速度进行加热至870-890℃，并在此温度区间内保温4-6小时；
(2).冷却：停止加热，自然冷却至400℃，并在此温度区间内保温5-7小时；
(3).回火：再次加热结构成型的中部槽槽帮，加热速度按100-120℃/小时进行，并加热至570-600℃，并在此温度区间内保温5-6小时；
最后冷却：停止加热，炉内冷却至小于300℃，然后自然冷却至室温；
三、焊接步骤如下：
ZG30MnSi和NM400为异种合金钢焊接，选取焊丝应与焊接材料强度相当，并采用二氧化碳混合气体保护焊，可选用55kg级的高强焊丝。
工作环境：室温不低于10℃。焊前预热采用局部预热，热输入14-17KJ/cm。
采用割炬中性焰均匀加热坡口两侧各30mm宽，耐磨板处预热温度为150-200℃，槽帮处预热温度为200-250℃，槽帮处温度需严格控制，焊接过程中需进行连续不间断焊接。
焊接电流：
焊丝直径 打底焊 填充焊 盖面焊 备注
φ1.2焊丝 230-240A 280A左右 不大于320A
φ1.6焊丝 280-300A 350A左右 不大于380A
电弧电压：I<300A时，U＝26-28V，I>300A时，U＝32-34V
干伸长度(工件到导电嘴的距离)：
焊丝直径 I>300A I<300A 备注
φ1.2焊丝 12-16mm 不超过20
φ1.6焊丝 14-18mm 不超过20
气体流量：I<300A时，取15-20L/min；I>300A时，取15-20L/min
焊接步骤：
从中间向一头退焊，然后从另一端向中间退焊，焊接时，焊丝对准中缝不得摆动，且焊丝角度均分坡口总角度。前一条焊道对后一条焊道起预热作用，而后一条焊道对前一条焊道起热处理作用，可改善焊接接头处的组织和性能。出现缺陷及时返修。为防止冷裂纹起弧不能在母材上起弧。
焊接顺序：a、中板2的焊接先焊正面第一道焊缝，b、再焊背面焊缝4，焊缝应与中板2、结构成型的中部槽槽帮1圆滑过渡。c、正面采用两层三道焊接，第一层一道，第二层两道，先焊接中板侧，焊缝要平，防止结构成型的中部槽槽帮1侧未焊透。若焊缝压缝不好则采用三层四道焊接，第四道焊缝盖面。
结构成型的中部槽槽帮1与中板2、底板3的焊接过程中，有效防止焊接变形量是保证焊接质量的重要因素之一。中板采用双面V型坡口，槽帮采取与中板接焊处飞平，达到与中板可靠有效定位焊接。
由于中部槽的焊后变形表现为槽口宽收缩变形，所以在组装时槽口宽B确定为B+△B,预先加上了与焊接变形方向相反的变形补偿量；又因为中部槽焊接后还有槽帮相对中板的偏转变形，槽帮的收缩变形量上少下多，所以上、下槽口宽的变形补偿量△B上、△B下也不一样，△B上<△B下，即组装时上下槽口尺寸呈梯形，确定变形补偿量为△B上＝3mm～4mm，△B下＝4mm～5mm，且下口△B下比上口△B上大2mm～3mm。
由于中部槽组件的每个零件存在尺寸和变形差异，不同焊工的焊接过程存在差异，这些都会使中部槽的焊接变形不稳定，所以在反变形法的基础上又加上了刚性固定法。工艺措施是：在中部槽两端上下槽口位置各加焊一根φ40圆钢拉强(焊后去除)，采用强制手段来限制和减少焊后变形。
焊后热处理控制：槽帮与中板、底板焊接后，为了消除焊接残余应力，防止延迟裂纹等焊接缺陷的产生，减少焊接变形量，保证产品整体制造精度，中部槽焊接完成后应立即进行去应力退火处理，消应力退火温度为500-550℃，恒温保持2-3h。
上述实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种采煤工作面刮板输送机中部槽制作工艺，包括铸造步骤、热处理步骤、焊接步骤；其特征在于：
所述的铸造步骤为：
(1).选用70砂100份，水玻璃7-8份制作成中部槽铸模，并使中部槽铸模含水量为5-6％，湿压力大于0.008MPa，湿透气大于200ml，干强度大于0.3MPa；
(2).使钢水出钢温度为1620-1640℃，出钢后在钢水包中进行镇静5-10分钟；
(3).开始将钢水浇注入中部槽铸模，并在浇注过程中使钢水保持温度为1560-1580℃，开始浇注时控制小流量浇注，而后逐渐加大浇注流量；浇注完成后自然冷却8小时拆模，获得浇注成型的中部槽槽帮毛坯；将中部槽槽帮毛坯经过切削加工后，获得结构成型的中部槽槽帮；
所述的热处理步骤为：
(1).正火：将所述结构成型的中部槽槽帮置于加热介质中，按100-120℃/小时的速度进行加热至630-680℃，并在此温度区间内保温1.5-2小时；再按50℃/小时的速度进行加热至870-890℃，并在此温度区间内保温4-6小时；
(2).冷却：停止加热，自然冷却至≤400℃，并在此温度区间内保温5-7小时；
(3).回火：再次加热结构成型的中部槽槽帮，加热速度按100-120℃/小时进行，并加热至570-600℃，并在此温度区间内保温5-6小时；
最后冷却：停止加热，炉内冷却至小于300℃，然后自然冷却至室温；
所述的焊接步骤为将中板、底板焊接在结构成型的中部槽槽帮上，其过程如下：
(1).在室温不低于10℃的室内进行焊接；
(2).对焊接部进行提前预热，并使热输入为14-17KJ/cm，利用割炬中性焰均匀加热焊接口两侧各30mm宽，中板预热至150-200℃，槽帮预热至200-250℃，然后开始焊接；
(3).焊接后，获得中部槽，将中部槽进行消焊接应力退火：将中部槽加热至500-550℃，并保持2小时，炉冷至150-200℃然后自然冷却。
2.如权利要求1所述的一种采煤工作面刮板输送机中部槽制作工艺，其特征在于，所述的铸造步骤中，当浇注钢水升满铸模冒口时，应停止浇注5分钟，然后再迅速补浇满冒口。
3.如权利要求1所述的一种采煤工作面刮板输送机中部槽制作工艺，其特征在于，钢水出钢温度为1630℃，出钢后在钢水包中进行镇静7分钟；浇注过程中使钢水保持温度为1570℃。
4.如权利要求1所述的一种采煤工作面刮板输送机中部槽制作工艺，其特征在于，所述的焊接步骤具体如下：先将结构成型的中部槽槽帮立放在两侧，中板拼装在所述结构成型的中部槽槽帮的腰部，底板拼装在所述结构成型的中部槽槽帮的底部；其拼装时，形成的槽口宽度增加变形补偿量△B，具体为：上槽口补偿量△B为3-4mm，下槽口补偿量△B为4-5mm，且上槽口补偿量△B小于下槽口补偿量△B2mm。
5.如权利要求1所述的一种采煤工作面刮板输送机中部槽制作工艺，其特征在于，所述的热处理步骤为：
(1).正火：将结构成型的中部槽槽帮置于加热介质中，按100-120℃/小时的速度进行加热至630-680℃，并在此温度区间内保温1.5-2小时；再按50℃/小时的速度进行加热至870-890℃，并在此温度区间内保温4-6小时；
(2).冷却：停止加热，自然冷却至≤400℃，并在此温度区间内保温5-7小时；
(3).回火：再次加热结构成型的中部槽槽帮加热至582℃。
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