等離子熔覆技術在刮板輸送機中部槽的研究與應用

閆沁江

(山西潞安環保能源開發股份有限公司,山西 長治 046102)

隨著我國能源結構的不斷優化和調整,煤炭仍是我國的主要能源形式,在國民經濟中依然占有重要位置,在國家大力倡導“資源節約型、環境友好型”社會的政策導向下,煤機設備不斷向大采高、長壽命、可持續性方向發展,對刮板輸送機的穩定性和長壽命的要求也越來越高。中部槽作為刮板輸送機的核心設備組成部分,其使用性能優劣和服役期限長短直接決定刮板輸送機使用壽命的長短[1]。中部槽作為井下煤炭運輸的核心承載設備,承受來自各方面的沖擊、擠壓、碰撞、摩擦等外力因素[2],極易造成中部槽焊縫開裂、鋼板磨損貫穿、尺寸失準等損壞,嚴重影響井下煤炭物料的運輸和采煤運煤生產效率,甚至因中部槽無法運轉造成整套刮板運輸機的停機檢修,極大限制和影響了礦井開采工作的正常進行。

在研究煤機設備大采高、長壽命、長距離、智能化等方面工作的同時,對刮板輸送機中部槽耐磨性和長壽命的研究和應用顯得尤為重要。如何提高中部槽的耐磨性和失效機理一直是行業科研人員的研究熱點,從改善提高制造中部槽的鋼板材質到對中部槽易磨損表面改性技術與工藝的研究等方面進行了不同程度的研究與應用,各種刮板運輸機中部槽強化技術工藝方法存在一些局限性和不足之處[3-6]?，F針對中部槽采用等離子熔覆耐磨強化技術進行研究,對中部槽等離子熔覆強化層的宏微觀性能進行試驗研究,為等離子熔覆耐磨強化中部槽的工藝應用提供理論支撐和應用參考價值。

1 刮板運輸機中部槽的失效形式

中部槽作為刮板運輸機的核心運載設備,是礦井開采煤炭運輸的載體和通道,在中部槽服役工作過程中受到來自刮板鏈、煤矸石、設備碰撞等多因素的影響承受沖擊、拉應力、壓應力等多維度復雜受力情況,造成中部槽在服役過程中的磨損形式并非單一形式而是多形式復雜的磨損形式,依據磨損的介質和相對運行方式不同,中部槽的主要磨損形式有磨粒磨損、黏著磨損、接觸疲勞磨損和腐蝕磨損。

在實際使用中,中部槽的失效多數現象是中板、底板磨穿、槽幫從刮板運輸機整體使用情況來看,磨損是中部槽失效的主要形式。中部槽因各種原因造成的中部槽中板磨損失效、槽幫鋼磨損嚴重、中板出現較深的鏈道溝磨損等磨損失效行為的實物如圖1—圖3所示。

圖1 中部槽中板磨穿失效Fig.1 Wear through failure of the middle groove plate

圖3 中板鏈道溝磨損磨穿情況Fig.3 Wear and tear of middle plate chain groove

2 等離子熔覆耐磨強化技術

中部槽等離子熔覆耐磨強化技術是利用等離子熔覆強化技術在中部槽易磨損表面進行耐磨強化處理[7-11],采用的耐磨合金粉末是以Fe-Cr-C系為主,利用高能量的等離子束將中部槽基材和耐磨合金粉末同步熔化在中部槽表面形成具有耐磨性、高硬度、抗沖擊性能強的合金強化耐磨層[12]。中部槽表面等離子熔覆耐磨強化如圖4所示。

圖4 中部槽等離子熔覆示意Fig.4 Schematic diagram of plasma cladding in the middle slot

中部槽表面等離子強化處理采用的設備為數控等離子熔覆表面強化設備,根據磨損情況可自由對耐磨軌跡進行編程。數控等離子熔覆設備主要由等離子熔覆電源、操作平臺、氣路系統、水路系統、動作執行機構、PLC數控系統等關鍵部件組成。數控等離子熔覆表面強化設備實物如圖5所示。該設備數控操作,自動化程度高、送粉穩定、設備運行穩定性高,可根據強化方案自由編程等離子熔覆熔覆軌跡,根據工藝要求通過PLC人機界面調整工藝參數。

圖5 數控等離子熔覆表面強化設備Fig.5 CNC plasma cladding surface strengthening equipment

表1 等離子熔覆耐磨強化粉材主要元素成分Tab.1 Main element composition of plasma cladding wear resistant strengthening powder wt.%

利用中部槽等離子熔覆專用設備和耐磨合金粉材對中部槽表面進行等離子熔覆耐磨強化處理,其熔覆強化軌跡如圖6所示。

圖6 中部槽表面等離子熔覆耐磨強化處理軌跡示意Fig.6 Schematic of plasma cladding wear resistant strengthening treatment trajectory on surface of middle groove

以等離子熔覆技術為基礎,采用數控等離子熔覆表面強化設備和Fe-Cr-C合金粉末,通過等離子熔覆強化設備人機界面設定的熔覆軌跡為“人”字型,熔覆耐磨強化后的中部槽表面實物如圖7所示。

圖7 中部槽表面等離子耐磨強化后的實物Fig.7 Physical object of plasma wear resistant strengthening on surface of middle groove

3 中部槽表面等離子強化層性能

中部槽表面采用數控等離子熔覆技術熔覆Fe-Cr-C粉材形成強化層,強化層的厚度1.5～2.5 mm,對強化層的表面硬度和耐磨性進行試驗,檢測相關性能是否達到使用要求。

3.1 強化層表面硬度測試

利用硬度試驗檢測設備對中部槽表面強化層進行表面硬度試驗,試驗結果見表2。

表2 耐磨強化層宏觀硬度測試結果/HRCTab.2 Hardness test results of wear resistant strengthening layer rockwell /HRC

從表2可以看出,中部槽表面的等離子耐磨強化層宏觀硬度達到HRC61.2,而基材的硬度為HRC37.3,等離子熔覆耐磨強化層的宏觀硬度是基材的1.64倍,滿足了煤機客戶對耐磨層硬度不低于HRC60以上的要求。

3.2 強化層耐磨性測試

對中部槽表面的等離子強化層進行磨粒磨損耐磨性試樣,耐磨試驗所用對比磨粒選用棕剛玉,其主要成分為Al2O3,含量達到95%以上。強化層的相對磨粒磨損試驗數據見表3。

表3 耐磨強化層與基材耐磨性測試數據Tab.3 Test data of wear resistance between wear strengthening layer and substrate

為了更加清楚地對比中部槽等離子強化層與基材的相對耐磨性,將耐磨性試驗數據轉化為柱狀圖,如圖8所示。

圖8 耐磨強化層與基材相對耐磨性對比柱狀Fig.8 Comparison histogram of relative wear resistance between wear resistant strengthening layer and substrate

從表3和圖8可以看出,經等離子熔覆耐磨熔覆的強化層磨損量僅為基材的1/9,相對于基材耐磨性提高了9.31倍,耐磨性大大提高,完全可應對中部槽的以磨粒磨損為主要失效形式的工況,中部槽表面耐磨性的提高可以延長其使用壽命。

4 應用效果

將等離子熔覆耐磨強化技術應用于潞安集團某礦,在完成一個采煤工作面后(采面過煤量約260萬 t),可以清楚看到中部槽表面的等離子強化層仍然存在,保留下來的等離子強化層的厚度為1.8～2.0 mm,相較于以前中部槽表面未經任何處理狀況下,使用壽命提高了2倍以上,直接為某礦節省了刮板運輸機中部槽大修和新設備采購成本(圖9)。

圖9 某礦中部槽等離子熔覆強化后一個采面狀況Fig.9 Condition of a mining face after plasma cladding strengthening in the middle slot of a certain mine

5 結論

將等離子熔覆技術和Fe-Cr-C高硬度熔覆粉末應用于中部槽耐磨強化領域,強化層的硬度提高達到HRC61.2,耐磨性提高9.31倍,表面宏觀硬度和耐磨性強化效果顯著,經井下實際應用驗證,使用壽命延長2倍以上,經濟效益和社會效益顯著,也符合當前雙碳政策要求,值得在煤機領域大力推廣等離子熔覆強化技術的應用。