《岿望》牌第三代U170代钨、代钴纯钢截齿的工业考核

张国榉，张汉斌，周俞坊，蒋永良

（1.中国地质大学（武汉）掘进工程研究所，湖北武汉430074；2.无锡岿望科技有限公司，江苏无锡214100）

1 采煤机用镐形截齿研发现状及存在问题

我国煤碳工业随着机械化采煤比重的不断上升，采煤机用截齿的消耗量剧增。随机引进的美国、德国、瑞典等进口截齿价格昂贵，国产替代产品质量波动较大。特别是经常遇到煤层中较硬的矸石夹层，以及煤层顶底板较硬的灰岩和砂页岩切割，造成齿柄变曲、断裂，齿头磨损加剧和掉碎齿现象，严重制约了采煤效率的提高和生产成本的降低。图1所示，是中国神华集团神东煤炭分公司所属各矿镐形截齿的主要报废形式。为了规范和提高我国采掘机械用截齿的制造、使用水平，2006年8月，国家发改委发布了最新的《中华人民共和国煤炭行业标准MT/T246-2006（采掘机械用截齿）》，于2006年12月1日开始实施。从此，以中国神华集团所属神东天隆机械维修加工中心所产各系列《天隆》牌为代表的国产截齿，质量稳定，发展迅速，能够较好地满足进口采煤机的生产需要，全部取代了进口产品，大大加快了全国煤炭行业所用截齿国产化的进程。经过一段时间的生产实践发现：①新标准对齿体推荐的合金结构钢，例如常用的42CrMoA，35CrMnSiA中碳合金结构钢，未对目标成分、冶炼方法、抗拉强度、纯净度、均匀度、晶粒度、压缩比等重要的钢质指标，作出针对截齿工作条件的明确规定，必须在企业标准中，按照超级钢的冶炼要求，对齿体钢材的钢质指标加以补充和完善，实现原材料的窄带供货，才能从源头开始确保产品质量稳定；②新标准对齿体表面硬度的要求，规定齿头≥HRC40，齿柄为HRC38～42，下限偏低。这也是造成齿体耐磨性较差，齿柄容易弯曲、断裂的原因之一；③新标准规定齿体中心部冲击韧性AKU值≥49J/cm2偏高。普通中碳低合金结构钢齿体，在钎焊固齿工艺条件下很难实现。如果勉强达标，势必降低齿体硬度和耐磨性，对提高产品质量反而得不偿失。根据国内外对受力条件更为苛刻的冲击凿岩工具的研制经验，钢体一般选用抗拉强度达1500MPa级的低中碳Si-Mn-Cr-Ni-Mo系超高强度合金钢，国家标准和企业标准都未对AKU值作规定，而对钢体强度和表面硬度要求比较严格，并以硬质合金齿有效利用率、齿体等强度正常磨损寿命和正常报废率，作为产品质量的最高检测指标。这也可对采掘机械用硬质合金镐形截齿质量的进一步提高和制造工艺的优化有所借鉴。

图1 采煤机常用镐形截齿的主要报废形式

2 采煤机用镐形截齿研制的一条新路

为了有效节约稀有贵重的钨、钴资源，促进我国钨业和采掘工业的振兴和可持续发展，2006年以来，无锡速力特机械科技有限公司和无锡岿望科技有限公司，由周俞坊董事长和相关科技人员组成的采煤机截齿研发团队，与有关厂矿和科研院校合作，经过几年的艰苦努力，相继研发成功了第一、二、三代无硬质合金齿的纯钢镐形截齿，见图2、图3、图4。第一代整体纯钢截齿：采用普通但经过特定冶轧工艺的42CrMoA钢棒料，精锻成形获得具有高压缩比特征、可供机加工的优质齿坯；按各种截齿成品的几何结构参数和图纸要求，完成机械切削加工；根据煤炭行业标准和企业标准，对截齿不同受力部位进行整体热处理；对截齿锥头耐磨部，实施特殊的B-Cr-Nb三元共渗改性处理。锥头表面形成了三元硼化物金属陶瓷Mo2FeB2，渗层坚硬耐磨，使该截齿实现了硬度、韧性、耐磨性的有效结合，成品实物质量稳定。2006～2007年，第一代U92、U94纯钢截齿经郑州煤电股份有限公司米村煤矿、河南龙宇能源股份有限公司陈四楼煤矿、黑龙江穆陵市兴和煤矿、河南永成永煤集团无烟煤矿、山东枣庄矿业集团等众多煤矿试用，纯钢截齿杜绝了掉齿、碎齿，不断、不弯，特别有利于煤层顶底板清理和通过坚固性系数f=4～6的矸石夹层，获得了用户的普遍好评和一致认可。但也有用户反映，第一代纯钢截齿头部“耐磨度不均衡、硬度不一致，建议改进”。2007年12月29日，该批截齿经室内检验证实[2]：齿体冲击韧性AKU=64.5J/cm2，柄部硬度为HRC46.3，头部硬度为HRC50.9，均远高于全国煤炭行业截齿标准《MT/T246-2006》规定的指标。但齿顶锥头部硬度仅为HRC53.1，实为齿顶钢体硬度，系因硬化层太薄（约0.3mm）所致。在通过上述工业试验和室内检验的基础上，“无硬质合金头采煤机镐形截齿”，2008年1月16日通过了中国煤炭学会组织的技术鉴定[3]。2008年1月30日，国家知识产权局授予了该项“采煤机镐形截齿”实用新型专利权，专利号为：ZL2006201257907。

图2 第一代无锡《首力》整体纯钢截齿外貌

图3 第二代无锡《岿望》U94高强磨菇头纯钢截齿

图4 第三代无锡《岿望》U170超强梯度钢齿纯钢截齿

2009年以来，针对第一代产品使用中存在的问题，在继续保持齿体坚固性的同时，为避免齿体与齿顶头因受力状态和热处理工艺要求的不同而相互牵制，经过反复试验，采用超高强度合金钢，加工成磨菇形或圆柱状锥形钢齿，通过纳米离子渗透技术，经特殊的热处理和表层改性处理，形成具有不同厚度的复合耐热耐磨表层和坚韧本体的梯度钢齿，再经专门的冷压固齿工艺，相继研制成功了以具有分体式坚硬磨菇形齿头为特征的第二代《岿望》牌纯钢截齿，以及以镶嵌坚韧耐磨的梯度钢齿为特征的第三代《岿望》牌纯钢镐形截齿。这种圆柱状锥形梯度钢齿，表面硬度可达HRC76～80（相当于HRA90以上），心部本体硬度为HRC62～68（相当于HRA82～86），具备了理想的强韧性和耐磨性。《岿望》第二、三代镐形纯钢截齿，经甘肃靖远煤业集团红四矿、山西大同矿务局、安徽淮南煤矿、山东兖州矿务局等煤矿试用，齿头耐磨，齿体坚固，不断、不弯，不掉齿、碎齿，正常磨损报废时间达200～250小时[4]，单齿平均达煤量、正常磨损报废率和性价比指标均优于原用截齿，特别适用于较硬的无烟煤和夹矸石煤层的开采，已获得多家煤矿认可。

3 《岿望》牌第三代U170截齿的工业考核

2007年初，中国地质大学（武汉）掘进工程研究所张国榉、张汉斌等，受中国神华集团神东天隆机械维修加工中心委托，协助该中心解决所属各矿锚杆钻机用干式吸尘钻杆的质量升级问题。经过一年多的艰苦努力，较圆满地实现了攻关目标。与此同时，各矿又反映采煤机所用《天隆》牌镐形截齿，虽然总体说质量稳定、性能较好，但在清扫煤层顶底板或遭遇较硬矸石夹层时，仍显现齿体强度和耐磨性不足，发生齿柄弯曲、断裂和掉齿、碎齿现象（参阅图1）。2008年初，神东煤炭分公司为神东天隆机械维修加工中心，提出了研发新一代高强度过岩截齿的任务，于是双方继续合作攻关。在充分利用原有锻造、热处理、机加工、焊接设备，并维持已经比较成熟的齿体钢种与制造工艺流程总体不变的前提下，通过调整钢种目标成分、提升钢质标准、改进供货渠道、提高齿体压缩比和机械性能指标，通过近两年不断筛选，目前采煤机用《天隆》牌硬质合金镐形截齿，在质量、品种方面已经与同类进口产品相当，基本上可以代表国内先进水平。为了相互借鉴和进一步提升我国采煤机用镐形截齿的科技含量与制造水平，我们组织了这次工业考核。

时间：2010年6月13～6月19日。

地点：内蒙伊金霍洛旗中国神华（集团）神东煤炭集团补连塔煤矿。

煤层：优质烟煤，每米间距充填有4～6条方解石细脉，f=2～3。煤层顶底板为泥质砂岩，f=4～5。煤层倾角1°～3°，煤层厚度4.6～5.2m，工作面走向长度311m。

采煤机：德国艾柯夫（Eickoff）公司SL1000型电牵引长壁采煤机，截割滚筒2个，滚筒直径×宽度=2750×980mm，配用U170截齿122支（2×61），截割深度865mm。

试验结果：本次试验主要目的是考核《岿望》第三代U170截齿实物质量的稳定性，以及生产工艺的成熟度。因为提供的样品数不多，采取与代表国内先进水平的《天隆》牌U170硬质合金截齿混装。《岿望》截齿经过6天生产作业，煤层工作面已纵向推进45m，过煤量已达8.5万吨，截齿不断、不弯，全部正常磨损，工作正常。折合单齿未完寿命为：（85000吨/122支）696.7吨/支，参见图5、图6。

图5 割煤前进中的截齿滚筒

图6 《岿望》第三代U170纯钢截齿在神东煤田的使用情况

4 结论

经多次工业考核证明：

（1）《岿望》第三代U170分体式纯钢截齿，齿体虽然选用一般较廉价的中碳合金结构钢42CrMoA钢，但采用了较高的钢质标准、先进的锻造工艺和特殊的热处理技术，故比目前国内一般焊接固齿硬质合金截齿的钢体，更为坚固耐磨。

（2）《岿望》第三代U170纯钢截齿，采用超高强度合金钢，通过专门的成形、强化和热处理方法，再经特殊的表层改性处理，所研制成功的圆柱状锥形梯度钢齿特别坚韧耐磨，是一种具有重大社会、经济意义的技术创新。

（3）《岿望》第三代U170纯钢截齿，采用了一种特殊的冷压固齿工艺，充分发挥了齿体与锥头梯度钢齿的潜能，能确保不掉齿、碎齿，也是一项重要的技术创新。

（4）《岿望》纯钢截齿在技术与市场方面，均存在巨大的发展空间。它有可能发展成为一种具有颠覆意义的发明，为我国凿岩工具的发展走出一条新路，有效缓解人们对于将来钨、钴资源枯竭的危机感。

[1]张国榉.为实现钨业“欧佩克”的战略构想而奋斗[A].国家行政学院研究室.落实科学发展观的伟大实践[C].北京：中国档案出版社，2006年，第二卷（上册），P104～106.

[2]周俞坊.“JZA102/35型采掘机械用截齿检验报告”[R].NO.0704436，上海国家采煤机械质量监督检验中心，2007年12月29日。

[3]中国煤炭学会科学技术成果鉴定证书.“无硬质合金头采煤机镐形截齿”[R].中煤会鉴字[2008]第01号，无锡速力特机械科技有限公司，2008年1月16日。

[4]无锡岿望科技有限公司U92新型截齿性能试验报告[R].甘肃省靖远煤业集团红会第四煤矿，2009年9月8日.