提高柱窩性能的工藝改進

趙蕾 田玉梅

摘要：液壓支架是現代化高產高效長壁綜采工作面的關鍵設備之一，它與采煤機配套使用實現采煤綜合機械化，其使用壽命主要取決于本身結構的強度和質量程度，為減輕支架自重，常選用高強度鋼。隨著液壓支架結構用鋼強度級別的不斷提升，與之配套的柱窩材料的強度級別也要隨之提升。因此，本文通過研究柱窩鑄造工藝上的缺陷，提出了運用多種強化機制，改進鑄造工藝和熱處理工藝，提高柱窩產品的性能，滿足高端柱窩產品的要求。

關鍵詞：柱窩；工藝改進；缺陷

由于煤礦地質結構相當復雜，液壓支架工作時既要承受來自頂板的垂直壓力，同時隨著工作面的前移，老頂形成的懸臂越來越長，逐漸變彎并最終斷裂，大量矸石下落及由此產生的強大氣流又會傳遞給支架一個巨大的水平沖擊力。所有這些力都會通過立柱傳遞到柱窩上。如果立柱缸體強度及剛度足夠大，活塞密封及其它部位的強度都很高，隨著頂板載荷的增加，安全閥在超出設定壓力時不能夠開啟卸載，這時立柱活塞腔內壓力得不到釋放，就會產生常說的“串糖葫蘆”，即頂梁或底座柱窩被頂裂，甚至穿透。因此柱窩選材的性能要求非常苛刻，該材料不僅要求具有強度大和塑韌性好，還要有良好的焊接性。

1.柱窩在鑄造中的缺陷

1.1.氣孔。首先支架柱窩厚且厚度不均勻，當鋼從液態變成固態時，由于氣體在金屬中的溶解度隨溫度下降而急劇減少，氣體向鑄件較高溫度方面擴散；其次，柱窩型砂中的水分（包括混合水、結晶水、砂粒和黏土粒上附著的水），黏結劑中所含的揮發物，都會因受熱而變成氣體；金屬在澆注系統和型腔的流動過程中，由于流動不穩定，將氣體卷入而生成氣孔。

1.2.縮孔。縮孔是指支架柱窩在凝固過程中因補縮不良而在最后凝固部位形成的宏觀孔洞。縮孔形狀不規則，孔壁粗糙，常伴有夾雜物、氣孔、裂紋等缺陷，縮孔上方或附近的鑄件表面有時會出現凹陷或縮陷。

1.3.粘砂。形成粘砂的主要原因有首先型砂粒度太粗，緊實度低或不均勻；其次，型砂的涂料質量差，涂層厚度不均勻，涂料剝落。澆注溫度和澆注高度太高，金屬液動壓力大。最后金屬液中的氧化物和低熔點化合物與型砂發生造渣反應，生成硅酸亞鐵、鐵橄欖石等低熔點化合物，降低金屬液表面張力并提高其流動性，使低熔點化合物和金屬液通過毛細管作用機制滲入砂粒間隙，并在滲透過程中，不斷消蝕砂粒，使砂粒間隙擴大，導致粘砂。

2.提高柱窩性能的工藝改進

2.1.鑄造工藝改進

為了改進柱窩性能，鑄造工藝上可采用消失模鑄造工藝生產，該工藝主要應控制泡沫型的精度和防止澆注過程中出現增碳缺陷，這樣才能為下道工序熱處理打下良好的基礎。

消失模鑄造泡沫型采用聚苯乙烯發泡材料制成，泡沫材料在金屬液澆入鑄型過程。先后發生泡沫塑料從固態到液態再到氣態的裂解過程，并有一部分裂解出活性炭。金屬液與高碳氣氛接觸，碳滲入其中形成整體增碳。另一部分裂解速度與金屬液的上升速度不匹配。金屬液壓上液態產物，快速分解產生大量的單質碳。在高溫下滲入金屬液的局部，形成不均勻的增碳。

根據以前消失模鑄鋼件成熟的澆注工藝，確定柱窩消失模的鑄造工藝：澆冒合一的明澆式澆注系統，按照壓差定形理論合理配置負壓場，布置抽真空開關，富氧先燒后澆的澆注工藝。制作了適合零件澆注工藝的砂箱與泡沫燒失工裝。在零件澆注前將泡沫型預先燒失干凈，燒失率達到95%以上。然后立即進行澆注， 經過以上工藝措施的實施，澆注柱窩鑄鋼件6t。經過化學分析與光譜分析進行成分檢測，成分在允許誤差范圍內，檢驗合格。采用消失模先燒后澆工藝進行防增碳措施的澆注工藝，必須合理的控制負壓場，確保涂料層兩側的合理壓差。以防止出現垮箱事故造成鑄件的報廢。

2.2.熱處理工藝改進

低合金鋼的熱處理強化是將鋼加熱到預定的溫度，保溫一段時間后充分發揮合金元素提高淬透性的作用，控制冷卻速度得到晶粒細小的組織，實現低合金鋼高的強度和好的韌性。現熱處理改進工藝如下：

由于柱窩主要材料使用的是ZG27SiMn，通過對以下兩種熱處理工藝的研究后，

2.2.1.退火+調質，

2.2.2.退火+正火，發現兩種不同熱處理工藝處理后的組織均為保持馬氏體位向的回火索氏體。兩種熱處理工藝中，經退火+調質處理后的組織最為均勻、細小，品粒內部的鐵素體更為短小。

從力學性能上，采用退火+調質熱處理工藝的強度、伸長率和沖擊軔性都是最好的。ZG27SiMn采用退火+調質熱處理工藝的抗拉強度為980MPa，屈服強度825MPa，沖擊功35.2J，伸長率為12%，比經退火+正火處理后的抗拉強度提高約100Mpa，屈服強度提高約70MPa，沖擊功提高約12J，伸長率提高約1%。通過熱處理工藝改進，其力學性能是能夠滿足當前高端柱窩的要求的。

2.3.合金強化

合金強化是提高柱窩鑄鋼性能的一種方法。鋼中加入Si、Mn、Cr、Mo、Ni等合金元素，可以固溶強化基體，并使CCT曲線向右移動，可以獲得更加細小的珠光體組織，提高其強度。另外，鋼中加入強碳化物形成元素Nb、V、Ti，當形成第二相顆粒時，則起到析出強化作用；當它們固溶到奧氏體中時，可使CCT曲線向右移動，細化珠光體。

3.總結：

本文通過研究柱窩制造的重要工藝過程，鑄造和熱處理工藝，提出一定的改進方法。從鑄造工藝改進上，采用了消失模鑄造工藝，同時提出在該工藝過程中主要需預防澆注過程中出現增碳等工藝缺陷；從熱處理工藝改進上，采用退火+調質熱處理工藝后，柱窩產品的強度伸長率和沖擊軔性都是符合當前高端煤礦機械的要求。最后，通過研究合金強化措施改進柱窩材料性能的方法，使得支架柱窩內在質量及成品率明顯提高，達到了降低成本，提高效益的目的。

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作者簡介：

1.趙蕾，出生年月（1983.1--）學歷，研究生，職稱，工程師。

2.田玉梅，出生年月（1977.1--）學歷，本科，職稱，工程師。