液压开铁口机钻杆卡具的维修制备方法研究

张守喜，韩佳东

（本钢板材炼铁总厂，辽宁 本溪 117000）

0 引言

开铁口机是用于钻开高炉出铁口，使炉内铁水顺利流出的关键设备。它的可靠性和使用性能直接关系到高炉炼铁的生产效率。目前，国内大型高炉开铁口机装备大都采用进口，在使用过程中，经常会因为开铁口机钻杆卡具螺纹损坏失效，进而产生黏着现象，将螺纹锁死，无法拆卸，导致设备的长时间停机，严重影响高炉生产，所以急需改进开铁口机钻杆卡具的结构及维修制备方法。

1 结构与工作原理

液压开铁口机主要由支座、回转机构、吊挂机构、钻架机构等组成[1]。液压凿岩机安装在钻架机构上，工作时做高速旋转和高频率轴向击打的复合运动，不断地冲击钻杆卡具，同时带动钻杆高速旋转[2]。在钻铁口的过程中，钻杆卡具把能量传递给钻杆，在冲击力的作用下，呈尖楔状的钻头将出铁口内坚硬的耐火材料凿入一道凹痕，退回后，钻杆转过一定角度，向前运动，再次冲击钻杆卡具时，又形成一道新的凹痕，两道凹痕之间的扇形颗粒被钻头上产生的冲击力压碎，并从钻杆卡具中间孔连续地输入压缩空气和压力水，将颗粒吹出孔外，即形成一定深度的圆形钻孔，直至把铁口钻透[3]。

2 失效原因分析

1）钻杆螺纹滑牙。

开铁口机工作时，钻架机构处在主铁沟正上方，钻杆拧在卡具内，曝露在高温、粉尘恶劣环境中。由于严重过热会造成钻杆螺纹的金相组织粗大，且具有明显的方向性排列位向组织及粗大的奥氏体网状晶界，从而使材料的力学性能严重降低。由管柱力学可知，越向前冲击铁口时钻杆承受的压缩载荷越大，越向后冲击铁口时钻杆承受的拉伸载荷越大。钻杆螺纹始终受到交变载荷作用，导致螺纹牙表面产生微小的裂纹和划痕，从而裂纹逐渐扩展，最终导致螺纹牙断裂（如图2（a））。

图1 进口开铁口机结构图

图2 钻杆及卡具失效

2）钻杆及卡具螺纹变形。

钻杆及卡具螺纹材料的质量、材料性能不符合要求，硬化不足、加工误差、润滑不良、过热、过冷等因素都可能导致螺纹失效。开铁口机在使用过程中，铁口耐火材料的高温结焦硬度呈无规律变化状态，当遇到坚硬铁口时，为了不影响高炉生产需快速打开铁口，需要过度甚至超负荷加力使用，使钻杆及卡具连接螺纹被过度紧固，导致载荷集中作用在螺纹的某一局部，转矩和拉力超过螺纹的承载能力，最终螺纹材料产生塑性变形而失效，从而造成钻杆与卡具锁死而无法拆卸[4]（如图2（b）、图2（c））。

3 维修方法

设计一种开铁口机的钻杆连接卡具，卡具为带端头的圆柱形，卡具的端头处设有对称的两个侧面，卡具的端头内部设有钻杆连接孔，卡具的尾杆内部设有连接螺纹，卡具的中心设有单向阀安装孔，钻杆连接孔与单向阀安装孔之间设有通孔，卡具的两个侧面之间设有定位锁紧孔，定位锁紧孔与钻杆连接孔呈十字交叉；单向阀放置在单向阀安装孔内，卡具通过连接螺纹与开铁口机连接，钻杆插入钻杆连接孔中，定位销插入定位锁紧孔内，锁扣安装在定位销的端头上。其中钻杆连接孔的出口处设有月牙槽，月牙槽的作用是便于钻杆拆卸（如图3（a））。钻杆螺纹处改为凹槽结构，凹槽截面设计为直角梯形，梯形锐角为30°。新增加一个定位方销，外形尺寸与钻杆凹槽相匹配，端部设置定位销孔。钻杆插入连接卡具内，采用定位方销穿过钻杆凹槽与连接体固定，同时定位方销用锁扣锁死的方法，限定钻杆轴向窜动和径向跳动[5]（如图3（b））。

图3 钻杆及卡具

图4 卡具加工工艺图

4 卡具制备方法

卡具选用材料成分按质量百分比计（如表1），制备工序为：制做坯料→锻造坯料→去应力退火→机械加工→淬火→低温回火。

表1 卡具材料成分质量百分比%

1）制做坯料。按材料成分质量百分比铸造坯料。

2）锻造坯料。将规格为φ170×500 mm料坯进行锻造加工。始锻温度为1150～1200 ℃、终锻温度为800～850 ℃；锻造过程中只允许拔长，确保“流线”合理分布，严禁镦粗，以防止晶粒破碎，且要一次性锻成。

3）去应力退火。坯料经锻造后，在箱式电阻炉中，将坯料缓慢加热到650 ℃，保温3 h，然后随炉冷却到室温。消除残余应力外，降低强度和硬度，细化晶粒，均匀成分，使其硬度达到21～27 HRC范围，便于机械加工[5]。

4）机械加工。

a.平端面。粗加工卡具左、右端面，两端面见光即可停止，保证两端面的之间长度尺寸为490±0.2 mm。

b.车外圆柱面。右端φ160 mm外圆柱面见光即可。然后调转方向，在距左端面210 mm长度上精加工外圆柱面，并保证直径尺寸φ110mm，表面粗糙度的最大允许值为Ra0.8 μm；圆柱度公差为0.05 mm；φ160 mm与φ110mm抬肩过渡圆角为R20 mm。

d.车螺纹。大径63×15.5（螺距）为左旋圆弧非标准螺纹。

e.铣平面。以φ34 mm孔与φ38 mm孔中心线的连线为基准，在右端φ160 mm外圆柱面上铣两个平行平面，并且平行平面间距离为105 mm。

f.线切割方孔。距右端面51 mm、同时距φ38 mm孔中心线12.5 mm处为基准点，在步骤e.所铣平面上划线44 mm×24 mm，线切割该长方形孔，打磨后长度（44±0.1）mm；宽度为24mm。

5）淬火＋低温回火。采用75 kW盐浴炉，盐浴淬火前预热温度为650 ℃，保温时间为100 min，盐浴加热温度为860 ℃，保温时间25 min。等温在270 ℃的硝盐槽中进行，等温时间为60 min。其组织为板条马氏体与粒状贝氏体的混合物，硬度为40～45 HRC。回火温度为200 ℃，保温时间为120 min，目的是使卡具心部和表面温度均匀一致，保证组织转变的充分进行，以及淬火应力得到充分消除[6]。

5 实际应用

对新维修制备的钻杆卡具进行质量检测，承受冲击频率为29.5 Hz，转速为320～410 r/min，承受转矩为560～850 N·m，承受振打压力为10～18 MPa。振打压力提高到18 MPa，钻杆连接孔轴线与连接螺纹孔轴线同轴度公差为φ0.01 mm[7]，单套价格由原来2.1 万元降至0.65 万元，节省1.45 万元，年创效益155 万元（如表2）。

表2 钻杆卡具的各项指标对比

设计结构巧妙，能够起到连接作用且能够通水、通风、冷却钻头和吹走碎屑，也能够防止高温蒸汽和炉渣倒流进入开铁口机体内部（如图5）。只需要摘掉锁扣、拔出定位方销即可完成快速更换钻杆，轻便准确灵活,无卡阻现象，提高维修功效5倍以上，杜绝了钻杆与卡具之间咬死现象的发生，避免了高炉长时间停炉带来的巨大损失。钻杆实际长度由原来5100 mm延长至5600 mm，开铁口深度最深可达4500 mm，使用寿命与进口卡具相同，甚至超过更换周期，完全能够满足进口TMT液压开铁口机的工作条件与性能要求。而且提高了液压泥炮的使用率，延长泥缸的服役年限，最大限度地降低生产成本，也可为高炉其他机械零部件的修复提供经验参考[8]。

图5 卡具改进前后对比

6 结论

1）设计结构巧妙，能够起到连接作用且能够通水、通风，冷却钻头和吹走碎屑，也能够防止高温蒸汽和炉渣倒流进入开铁口机体内部。只需要摘掉锁扣、拔出定位方销即可完成快速更换钻杆，轻便准确灵活,无卡阻现象，提高维修效率5倍以上，杜绝了钻杆与卡具之间咬死现象的发生，避免了高炉长时间停炉引发的巨大损失[9]。

2）选用特殊的合金结构钢，特别是材料中包含Ce，Ce与C结合后形成化合物，分布在晶粒间可改善组织性能，起到细化晶粒、强化材料力学性能的作用。采用特殊的热处理方式，其组织为板条马氏体与粒状贝氏体的混合物，板条马氏体具有良好的强度和较好的塑性和韧性，粒状贝氏体具有高的耐冲击和疲劳强度。

3）采用特殊的机械加工步骤，确保钻杆连接孔轴线与连接螺纹孔轴线同轴度公差为0.01 mm。制得的零件能满足下列要求：承受冲击频率为29.5 Hz，转速为320～410 r/min，承受转矩为560～850 N·m，承受振打压力为10～18 MPa[10]，解决了国内高炉进口开铁口机钻杆卡具长期依赖进口的技术难题。