中國(guó)六面頂壓機(jī)大型化的快速發(fā)展及相關(guān)問(wèn)題(上)＊

方嘯虎,溫簡(jiǎn)杰,楊燁

(1.上海琦實(shí)超硬材料有限公司,上海 201108;2.晶日超硬材料有限公司,河北 燕郊 065201;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué),北京 100083)

我國(guó)人造金剛石產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到年產(chǎn)80億克拉左右,生產(chǎn)能力已超過(guò)年產(chǎn)100億克拉,無(wú)論是產(chǎn)量還是質(zhì)量在國(guó)際上都占據(jù)極為重要的地位。

為使該產(chǎn)業(yè)更好的發(fā)展,近年來(lái)筆者提出一個(gè)非常重要的觀點(diǎn),那就是超硬材料界的發(fā)展應(yīng)重視硬件和軟件兩個(gè)方面,硬件:包括大型設(shè)備、高精度自動(dòng)化控制系統(tǒng);軟件:包括腔體設(shè)計(jì)、頂錘與傳壓介質(zhì)匹配、合成工藝設(shè)計(jì)、后部提純(分選)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題,也就是說(shuō)要兩條腿走路,不可偏頗!筆者同時(shí)也提出中國(guó)六面頂壓機(jī)大型化的快速發(fā)展的歷史階段及其特點(diǎn)及相關(guān)問(wèn)題,以及帶來(lái)的中國(guó)高速發(fā)展超硬材料行業(yè)的一些問(wèn)題。

1 中國(guó)六面頂壓機(jī)大型化的幾個(gè)歷史階段及特點(diǎn)

1.1 六面頂壓機(jī)擴(kuò)大腔體可提高產(chǎn)品質(zhì)量階段

早在上世紀(jì)70年代,中國(guó)金剛石還處在起步階段,那時(shí)六面頂壓機(jī)大型化還是處在朦朧階段,只知道應(yīng)該這么做,但是有什么困難?有什么樣的優(yōu)越性?還認(rèn)識(shí)不清。結(jié)果出現(xiàn)了頂錘質(zhì)量不過(guò)關(guān),設(shè)備加工精度不夠等一系列問(wèn)題。

但是在70年代初到中期,國(guó)內(nèi)在作者及其合作者的共同努力下,在短短幾年內(nèi)使金剛石強(qiáng)度陸續(xù)突破了40～50N(第一次擴(kuò)大腔體試驗(yàn))和100～120N(2#觸媒在當(dāng)時(shí)的大腔體試驗(yàn)),這都與腔體擴(kuò)大有密切關(guān)系,也與以后壓機(jī)大型化切切相關(guān),這就堅(jiān)定了壓機(jī)大型化是非走不可之路的決心。

1.2 六面頂壓機(jī)大型化的思考階段

上世紀(jì)70年代中期以后,由于前一階段壓機(jī)大型化(包括當(dāng)時(shí)的機(jī)械磨料所、上海砂輪廠、冶金部桂林所)的失敗,大型化的必然性與當(dāng)時(shí)的不可行性,決定了我國(guó)金剛石專用壓機(jī)的發(fā)展是不可能快速的,從而進(jìn)入了思考時(shí)期。如何才能進(jìn)行更大腔體合成,其唯一的出路還是壓機(jī)大型化。因?yàn)檫@時(shí)候?qū)斿N的要求只是提高質(zhì)量,而尺寸上暫無(wú)太多要求。所以設(shè)計(jì)Φ280～320mm缸徑壓機(jī)成了這一階段的重中之重。但是擴(kuò)大腔體之路究竟如何突破,因?yàn)槿珖?guó)都進(jìn)入思考階段,所以才有不同缸徑的出現(xiàn)。這個(gè)階段也取得了一定的成果,如:單產(chǎn)突破了10ct,有的可達(dá)15ct;金剛石強(qiáng)度已可突破120N,好的可達(dá)180～200N。這時(shí)出現(xiàn)的新矛盾是對(duì)頂錘提出了較高的要求,特別是大型號(hào)的頂錘,要求等靜壓制作頂錘呼聲也隨之很高。

1.3 六面頂壓機(jī)大型化的探索階段

在Φ(280～320)mm缸徑壓機(jī)正常投入生產(chǎn)后,中國(guó)超硬材料行業(yè)的很多志士們包括科研人員、工程技術(shù)人員、企業(yè)家并沒(méi)有為此而停留。探索階段應(yīng)該始于Φ360mm缸徑壓機(jī),以及后來(lái)的Φ400mm缸徑壓機(jī)、Φ(420～430)mm缸徑壓機(jī)、Φ(450～460)mm缸徑壓機(jī)、Φ480mm缸徑壓機(jī)直至上世紀(jì)90年代后期的Φ500mm缸徑壓機(jī)。這里比較典型的是Φ360mm缸徑壓機(jī)與Φ500mm缸徑壓機(jī),因?yàn)檫@兩種缸徑壓機(jī)在不少參數(shù)上,包括壓機(jī)結(jié)構(gòu)、壓機(jī)受力狀態(tài)、頂錘、電源控制系統(tǒng)、管徑、液壓閥等有關(guān)人員都做了較為深入的思考、探索、攺進(jìn),而且攺進(jìn)的范圍也比較大、比較多,為后續(xù)進(jìn)一步大型化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.4 六面頂壓機(jī)大型化的快速發(fā)展階段

原來(lái)在上世紀(jì)90年代后期,Φ500mm缸徑壓機(jī)設(shè)計(jì)出來(lái)以后,普遍認(rèn)為它的穩(wěn)定期將要5年左右,后來(lái)實(shí)際花了2～2.5年就基本穩(wěn)定了。特別是近十年左右,更顯示出像上了“高速路”一樣,一兩年一個(gè)變化,跳躍式在前進(jìn)!Φ500mm缸徑壓機(jī)之后,與此相隔不到幾年,有人或單位就在研制Φ650mm缸徑壓機(jī),有的甚至開(kāi)始研制Φ700mm缸徑及以上壓機(jī)了。而且各單位不再像研制Φ500mm缸徑壓機(jī)時(shí)那樣,還在觀望其他各家是否能成功!現(xiàn)在各企業(yè)在發(fā)展下一缸徑壓機(jī)時(shí),心中似乎都是“胸有成竹”。而且也確實(shí)一旦上馬,在半年或一年即基本穩(wěn)定,并馬上批量投入產(chǎn)業(yè)化。如2009年上馬的浙江某金剛石廠,2011年Φ650mm缸徑壓機(jī)幾十臺(tái)就批量生產(chǎn),2011年新壓機(jī)還將繼續(xù)增加;又如河南某企業(yè)在無(wú)工作缸壓機(jī)突破后,一上就是上百臺(tái);還如河南某企業(yè)Φ700mm缸徑壓機(jī)一上就是30臺(tái),而且是當(dāng)年投入當(dāng)年穩(wěn)定,當(dāng)然這里還有的地方將會(huì)進(jìn)一步改進(jìn),但是它能夠很快穩(wěn)定,這就非常不容易!

這說(shuō)明什么呢?這就充分說(shuō)明中國(guó)的六面頂壓機(jī),無(wú)論是硬件,還是軟件;無(wú)論是壓機(jī)的主機(jī)還是控制系統(tǒng);無(wú)論是頂錘還是傳壓介質(zhì)塊等原輔材料;無(wú)論是腔體設(shè)計(jì)還是合成工藝都已經(jīng)逐步進(jìn)入成熟階段了!

2 大型壓機(jī)發(fā)展是必然趨勢(shì)

近幾年來(lái)我國(guó)超硬材料行業(yè)快速發(fā)展,現(xiàn)已成為金剛石產(chǎn)量大國(guó),大型壓機(jī)的發(fā)展對(duì)此作出了極為重要的貢獻(xiàn)。

2.1 國(guó)外兩面頂壓機(jī)的發(fā)展也走過(guò)這樣一條途徑

國(guó)外原主要金剛石行業(yè)壟斷企業(yè)的發(fā)展就是從QRD-10(單缸1000噸)開(kāi)始的,后來(lái)分別發(fā)展到QRD-18(單缸1800噸)、QRD-25(單缸2500噸)、QRD-40(單缸4000噸)、QRD-50(單缸5000噸)、QRD-100(單缸10000噸)。據(jù)后來(lái)與他們座談時(shí)了解到,曾經(jīng)在20000～30000噸壓機(jī)上做過(guò)試驗(yàn),但未見(jiàn)投產(chǎn)報(bào)道,真正投產(chǎn)的也就是到了10000噸,我們的壓機(jī)大型化在此應(yīng)該得到啟示。這些啟示是:①壓機(jī)大型化是有個(gè)過(guò)程的,必須循序漸進(jìn);②壓機(jī)大型化最終是有極限值的,不可能無(wú)限發(fā)展,這樣才會(huì)有個(gè)合理的投入產(chǎn)出比。

2.2 國(guó)內(nèi)早在上世紀(jì)70年代初就認(rèn)識(shí)到大型化可提高質(zhì)量

擴(kuò)大腔體就充分體會(huì)到不僅有金剛石高產(chǎn)的效果,更有提高金剛石質(zhì)量的效果。如:筆者當(dāng)年在桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院時(shí)就已經(jīng)將腔體擴(kuò)大到Φ15～18mm,長(zhǎng)沙礦冶院當(dāng)時(shí)只在研究觸媒,在桂林院試驗(yàn)2#觸媒(獲國(guó)家科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)項(xiàng)目)開(kāi)始在小腔體中做試驗(yàn)效果不明顯,后采用Φ15-18mm腔體合成,第一次試驗(yàn)就達(dá)到100～120N,在當(dāng)時(shí)一般高品質(zhì)金剛石只有40～50N的情況下實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的突破,自此提高壓機(jī)噸位,擴(kuò)大腔體就成了開(kāi)展工藝研究人員不可缺少的重要手段。

2.3 壓機(jī)大型化并非始自今日

早在上世紀(jì)70年代初就有不同程度和層次的大壓機(jī)。如:在上世紀(jì)70年代初,鄭州磨料所為主就研制了6＊5000t的大型壓機(jī),上海砂輪廠就研制了6＊3500t的大型壓機(jī),桂林院就研制了6＊1500t大型壓機(jī),為什么當(dāng)時(shí)都失敗了?總體來(lái)說(shuō)是國(guó)家綜合實(shí)力未能達(dá)到目前的水平,具體來(lái)說(shuō):①機(jī)械加工精度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,桂林院的壓機(jī)對(duì)中誤差>1cm,根本無(wú)法開(kāi)機(jī),后放在首鋼,成了一堆廢鐵;②頂錘質(zhì)量不過(guò)關(guān),如鄭州磨料所的試驗(yàn)失敗,主要是頂錘達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,特別是大頂錘質(zhì)量根本不過(guò)關(guān)成了金剛石行業(yè)發(fā)展的攔路虎,此問(wèn)題整整影響中國(guó)高品質(zhì)超硬材料發(fā)展二十多年。在廣大科技人員呼吁、要求下,冶金部下決心拿出近兩億資金改造株洲硬質(zhì)合金廠和自貢764廠,才使壓機(jī)大型化有了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.4 今日的壓機(jī)大型化,還將持續(xù)相當(dāng)一個(gè)時(shí)期

大部分金剛石生產(chǎn)企業(yè)在壓機(jī)大型化以后都取得了產(chǎn)量提高、質(zhì)量上升、頂錘消耗下降、合成成本降低的好效果,提高和增強(qiáng)了金剛石市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,嘗到了實(shí)實(shí)在在的甜頭。

在繼Φ500mm缸徑壓機(jī)成功后,進(jìn)一步擴(kuò)大壓機(jī)噸位和擴(kuò)大腔體成了勢(shì)不可擋的趨勢(shì)。Φ560mm、Φ650mm、Φ750mm以上大缸徑六面頂壓機(jī)應(yīng)運(yùn)而生,繼之?dāng)U大合成腔體也在不斷得到發(fā)展,質(zhì)量在提高,合成成本也在下降。如國(guó)內(nèi)的很多大型金剛石生產(chǎn)廠家都投入大量資金,加緊投入Φ600mm以上壓機(jī)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,以實(shí)現(xiàn)其合成腔體的大型化。隨著大壓機(jī)、大腔體的投入生產(chǎn),雖然帶來(lái)單次產(chǎn)量的提升,但是簡(jiǎn)單的腔體擴(kuò)大,粒度分布和高品級(jí)的金剛石的轉(zhuǎn)化率及頂錘消耗等腔體大型化帶來(lái)的問(wèn)題逐漸在生產(chǎn)中顯現(xiàn)出來(lái),已經(jīng)成為腔體大型化必須正視的問(wèn)題,這也是我國(guó)超硬材料行業(yè)發(fā)展亟待解決的問(wèn)題。它就是后來(lái)的間接加熱和粉末觸媒合成工藝得到快速發(fā)展的動(dòng)力。

研究方法 所有入選患者入院后均行血漿同型半胱氨酸檢測(cè)，并依據(jù)血漿Hcy水平將患者分為H型高血壓組78例（Hcy≥10 μmol/L）和非H型高血壓組42例（Hcy＜10 μmol/L）。

更多的企業(yè)看到的是有利的一面,所以壓機(jī)大型化還將持續(xù)一段時(shí)間也是必然的!

2.5 壓機(jī)大型化過(guò)程中應(yīng)注意的若干問(wèn)題

我們認(rèn)為:①合理的大型化極為重要;②必須是最佳的投入產(chǎn)出比;③留有適當(dāng)?shù)脑O(shè)備能力是最佳選擇。筆者總體意思是:在壓機(jī)選型定產(chǎn)時(shí),一定要慎重考慮,最起碼是一個(gè)大企業(yè)必須有自己的體系,并且應(yīng)該考慮留有充分的余地,綜合考慮傳壓介質(zhì)、頂錘承受能力等等,留有為下一波的壓機(jī)開(kāi)發(fā)提高潛能的余地;④發(fā)展方向仍然是重要課題,可以歸納為以下幾點(diǎn):a.壓機(jī)總噸位(缸徑)能否有個(gè)極值,b.是厚壁工作缸,還是薄壁工作缸,甚或無(wú)工作缸,c.單個(gè)工作缸的壓強(qiáng),是100M Pa?還是120～125M Pa?這些問(wèn)題有的在其它資料中本人已有闡述,不再贅述。

3 重視所有大型壓機(jī)挖潛勢(shì)在必行

3.1 壓機(jī)大小從來(lái)是相對(duì)的

近年來(lái)隨著大缸徑壓機(jī)逐步被行業(yè)認(rèn)可,企業(yè)簡(jiǎn)單的為追求合成產(chǎn)量的增加,一味加大壓機(jī)的缸徑,以追求合成腔體的增大,殊不知隨著壓機(jī)缸徑、腔體的增大,使用的硬質(zhì)合金頂錘也相應(yīng)增大,帶來(lái)的是硬質(zhì)合金消耗量的增加,同時(shí)由于大腔體結(jié)構(gòu)是小腔體結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單放大,一味追求大腔體反而造成金剛石品級(jí)下降和石墨轉(zhuǎn)化率的降低,使大壓機(jī)并未發(fā)揮其缸徑優(yōu)勢(shì)。

筆者認(rèn)為壓機(jī)大小從來(lái)都是相對(duì)的,原來(lái)的Φ(400～460)mm缸徑壓機(jī)是大壓機(jī),后來(lái)變成了小壓機(jī),不僅如此,Φ(500～560)mm也將逐步被視為小壓機(jī)。所以相同缸徑壓機(jī)可以通過(guò)組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料尺寸、頂錘配合及合成工藝設(shè)計(jì)等方面的優(yōu)化,達(dá)到同缸徑壓機(jī)的合成腔體最大,這種挖掘潛力的工作一定要認(rèn)真對(duì)待。

3.2 堅(jiān)定樹(shù)立小噸位壓機(jī)的腔體大型化理念

實(shí)現(xiàn)小噸位壓機(jī)的腔體大型化主要從組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料尺寸、頂錘配合及合成工藝設(shè)計(jì)方面進(jìn)行,總體設(shè)計(jì)遵循小尺寸葉蠟石塊配合小尺寸頂錘面,可降低合成壓力,進(jìn)一步挖掘合成腔體潛力。

(1)組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主要通過(guò)減少組裝間隙,設(shè)計(jì)合理材料壁厚及優(yōu)化合成塊結(jié)構(gòu)等手段達(dá)到壓力的最大傳遞、溫度場(chǎng)的均勻分布、相變層的影響最小和合成安全系數(shù)的最優(yōu)。這是最佳方法之一。

(2)傳壓介質(zhì)尺寸與頂錘尺寸最佳配合

(3)合成工藝選擇

選擇合成工藝的原則:采用相對(duì)低的壓力、相對(duì)低的溫度,控制金剛石在相對(duì)緩慢的生長(zhǎng)速度下長(zhǎng)大。細(xì)一點(diǎn)說(shuō):多段升溫壓力、升壓速度,多段暫停壓力、暫停時(shí)間,多段合成壓力(或具斜率的合成壓力)、多段的降溫(或具斜率的降溫)等都是必不可少的。通過(guò)采用上述設(shè)計(jì)原則,還要配合使用復(fù)合葉蠟石塊設(shè)計(jì),采用相對(duì)低的壓力、溫度合成工藝,穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)了Φ500mm缸徑壓機(jī)合成Φ(41～42)mm腔體。

3.3 工藝設(shè)計(jì)反對(duì)拼設(shè)備

在前節(jié)談到Φ500mm缸徑壓機(jī),行業(yè)較普遍的Φ500mm缸徑壓機(jī)合成腔體為39mm腔體,合成壓力在97～100M Pa左右。采用了相應(yīng)措施后,使壓機(jī)穩(wěn)定合成了Φ(41～42)mm腔體。自然單次產(chǎn)量、質(zhì)量都有所提高,見(jiàn)表1。

表1 Φ500mm缸徑壓機(jī)不同設(shè)計(jì)合成產(chǎn)量、質(zhì)量對(duì)比表Table 1 Comparison of quantity and quality of products synthesized with different design byΦ500mm press

通過(guò)表1筆者想說(shuō)明的是:

①同樣是Φ500mm缸徑壓機(jī),只是腔體不同,在保證質(zhì)量的前提下,產(chǎn)量提高了16%;

②我們并不是靠拼設(shè)備的總壓力來(lái)取得這個(gè)效果的,而是在進(jìn)行了腔體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和合成工藝的調(diào)整而實(shí)現(xiàn)的;

③這項(xiàng)工作不只是局限在Φ500mm缸徑壓機(jī),其它大型壓機(jī)工藝的設(shè)計(jì)也應(yīng)該如此。

3.4 新式電控系統(tǒng)是大型壓機(jī)挖潛的重要手段

從某種意義上來(lái)說(shuō),大型壓機(jī)高精度全自動(dòng)微機(jī)電控及群控系統(tǒng)給了從事金剛石工藝工作者不少可操作性,金剛石產(chǎn)量、質(zhì)量有所突破,“計(jì)算機(jī)智能控制”的硬件系統(tǒng)起了非常重要的作用。圖1的圖形不少金剛工藝工作者是不會(huì)陌生的,這是筆者在指導(dǎo)某單位于Φ500mm缸徑壓機(jī)上合成高品質(zhì)金剛石的一個(gè)具體的工作曲線。當(dāng)然此工作曲線由于操作者對(duì)工藝的認(rèn)識(shí)不同,可以有多種形態(tài),但是萬(wàn)變不離其宗,圖中可看出升溫升壓方式、終溫終壓方式及金剛石合成后期的剪式合成法的形式等等。它是多段的,可自行設(shè)計(jì)的,這在屬于硬件的控制設(shè)備上來(lái)說(shuō),工藝工作者就可以根據(jù)對(duì)金剛石生長(zhǎng)的基礎(chǔ)理論,進(jìn)行多種對(duì)比試驗(yàn),所以說(shuō)它給了我們很多的可操作的空間。同時(shí),它具有一定的“記憶”功能,就給工藝的穩(wěn)定性創(chuàng)造了很好的條件。使產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量得以提高,這本身就是一個(gè)挖潛!

圖1 Φ500mm缸徑壓機(jī)上合成高品質(zhì)金剛石工藝曲線圖Fig.1 Graph of synthesis technology for high quality diamond byΦ500mm press

除此之外,最近,控制系統(tǒng)的工作者為滿足聚晶、復(fù)合體研制者的需求,又專門研制了新的產(chǎn)品。

(下期續(xù)完)

[1] 李志宏,2008年超硬材料行業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行形勢(shì)簡(jiǎn)析[C].中國(guó)超硬材料技術(shù)發(fā)展論壇“論文集”,2009.10.

[2] 方嘯虎.中國(guó)超硬材料新技術(shù)與進(jìn)展[M].合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2003..

[3] 方嘯虎.超硬材料基礎(chǔ)與標(biāo)準(zhǔn)[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,1998.

[4] 方嘯虎.合成金剛石的研究與應(yīng)用[M].北京:地質(zhì)出版社,1996.

[5] 湖南長(zhǎng)沙雙全自動(dòng)化公司,樣本,2010.7.