提高柱窝性能的工艺改进

赵蕾 田玉梅

摘要：液压支架是现代化高产高效长壁综采工作面的关键设备之一，它与采煤机配套使用实现采煤综合机械化，其使用寿命主要取决于本身结构的强度和质量程度，为减轻支架自重，常选用高强度钢。随着液压支架结构用钢强度级别的不断提升，与之配套的柱窝材料的强度级别也要随之提升。因此，本文通过研究柱窝铸造工艺上的缺陷，提出了运用多种强化机制，改进铸造工艺和热处理工艺，提高柱窝产品的性能，满足高端柱窝产品的要求。

关键词：柱窝；工艺改进；缺陷

由于煤矿地质结构相当复杂，液压支架工作时既要承受来自顶板的垂直压力，同时随着工作面的前移，老顶形成的悬臂越来越长，逐渐变弯并最终断裂，大量矸石下落及由此产生的强大气流又会传递给支架一个巨大的水平冲击力。所有这些力都会通过立柱传递到柱窝上。如果立柱缸体强度及刚度足够大，活塞密封及其它部位的强度都很高，随着顶板载荷的增加，安全阀在超出设定压力时不能够开启卸载，这时立柱活塞腔内压力得不到释放，就会产生常说的“串糖葫芦”，即顶梁或底座柱窝被顶裂，甚至穿透。因此柱窝选材的性能要求非常苛刻，该材料不仅要求具有强度大和塑韧性好，还要有良好的焊接性。

1.柱窝在铸造中的缺陷

1.1.气孔。首先支架柱窝厚且厚度不均匀，当钢从液态变成固态时，由于气体在金属中的溶解度随温度下降而急剧减少，气体向铸件较高温度方面扩散；其次，柱窝型砂中的水分（包括混合水、结晶水、砂粒和黏土粒上附着的水），黏结剂中所含的挥发物，都会因受热而变成气体；金属在浇注系统和型腔的流动过程中，由于流动不稳定，将气体卷入而生成气孔。

1.2.缩孔。缩孔是指支架柱窝在凝固过程中因补缩不良而在最后凝固部位形成的宏观孔洞。缩孔形状不规则，孔壁粗糙，常伴有夹杂物、气孔、裂纹等缺陷，缩孔上方或附近的铸件表面有时会出现凹陷或缩陷。

1.3.粘砂。形成粘砂的主要原因有首先型砂粒度太粗，紧实度低或不均匀；其次，型砂的涂料质量差，涂层厚度不均匀，涂料剥落。浇注温度和浇注高度太高，金属液动压力大。最后金属液中的氧化物和低熔点化合物与型砂发生造渣反应，生成硅酸亚铁、铁橄榄石等低熔点化合物，降低金属液表面张力并提高其流动性，使低熔点化合物和金属液通过毛细管作用机制渗入砂粒间隙，并在渗透过程中，不断消蚀砂粒，使砂粒间隙扩大，导致粘砂。

2.提高柱窝性能的工艺改进

2.1.铸造工艺改进

为了改进柱窝性能，铸造工艺上可采用消失模铸造工艺生产，该工艺主要应控制泡沫型的精度和防止浇注过程中出现增碳缺陷，这样才能为下道工序热处理打下良好的基础。

消失模铸造泡沫型采用聚苯乙烯发泡材料制成，泡沫材料在金属液浇入铸型过程。先后发生泡沫塑料从固态到液态再到气态的裂解过程，并有一部分裂解出活性炭。金属液与高碳气氛接触，碳渗入其中形成整体增碳。另一部分裂解速度与金属液的上升速度不匹配。金属液压上液态产物，快速分解产生大量的单质碳。在高温下渗入金属液的局部，形成不均匀的增碳。

根据以前消失模铸钢件成熟的浇注工艺，确定柱窝消失模的铸造工艺：浇冒合一的明浇式浇注系统，按照压差定形理论合理配置负压场，布置抽真空开关，富氧先烧后浇的浇注工艺。制作了适合零件浇注工艺的砂箱与泡沫烧失工装。在零件浇注前将泡沫型预先烧失干净，烧失率达到95%以上。然后立即进行浇注， 经过以上工艺措施的实施，浇注柱窝铸钢件6t。经过化学分析与光谱分析进行成分检测，成分在允许误差范围内，检验合格。采用消失模先烧后浇工艺进行防增碳措施的浇注工艺，必须合理的控制负压场，确保涂料层两侧的合理压差。以防止出现垮箱事故造成铸件的报废。

2.2.热处理工艺改进

低合金钢的热处理强化是将钢加热到预定的温度，保温一段时间后充分发挥合金元素提高淬透性的作用，控制冷却速度得到晶粒细小的组织，实现低合金钢高的强度和好的韧性。现热处理改进工艺如下：

由于柱窝主要材料使用的是ZG27SiMn，通过对以下两种热处理工艺的研究后，

2.2.1.退火+调质，

2.2.2.退火+正火，发现两种不同热处理工艺处理后的组织均为保持马氏体位向的回火索氏体。两种热处理工艺中，经退火+调质处理后的组织最为均匀、细小，品粒内部的铁素体更为短小。

从力学性能上，采用退火+调质热处理工艺的强度、伸长率和冲击轫性都是最好的。ZG27SiMn采用退火+调质热处理工艺的抗拉强度为980MPa，屈服强度825MPa，冲击功35.2J，伸长率为12%，比经退火+正火处理后的抗拉强度提高约100Mpa，屈服强度提高约70MPa，冲击功提高约12J，伸长率提高约1%。通过热处理工艺改进，其力学性能是能够满足当前高端柱窝的要求的。

2.3.合金强化

合金强化是提高柱窝铸钢性能的一种方法。钢中加入Si、Mn、Cr、Mo、Ni等合金元素，可以固溶强化基体，并使CCT曲线向右移动，可以获得更加细小的珠光体组织，提高其强度。另外，钢中加入强碳化物形成元素Nb、V、Ti，当形成第二相颗粒时，则起到析出强化作用；当它们固溶到奥氏体中时，可使CCT曲线向右移动，细化珠光体。

3.总结：

本文通过研究柱窝制造的重要工艺过程，铸造和热处理工艺，提出一定的改进方法。从铸造工艺改进上，采用了消失模铸造工艺，同时提出在该工艺过程中主要需预防浇注过程中出现增碳等工艺缺陷；从热处理工艺改进上，采用退火+调质热处理工艺后，柱窝产品的强度伸长率和冲击轫性都是符合当前高端煤矿机械的要求。最后，通过研究合金强化措施改进柱窝材料性能的方法，使得支架柱窝内在质量及成品率明显提高，达到了降低成本，提高效益的目的。

参考文献：

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[3] 王建鲁，王建. 高工作阻力液压支架柱窝的计算和分析[J]. 煤矿机械，2010，06：9-10.

作者简介：

1.赵蕾，出生年月（1983.1--）学历，研究生，职称，工程师。

2.田玉梅，出生年月（1977.1--）学历，本科，职称，工程师。