煤炭生产（采煤、洗煤和输送管道）中大部分设备、零部件，包括液压支架外导向套立柱、刮板输送机中部槽和刮板、支架用推拉头、落煤管、溜槽、导料槽裙板、带式输送机头部的迎煤板、导流档板、犁煤器犁板、实物校验装置的料斗以及输送机、给煤机的滑道等工程材料，由于冲击、磨损、腐蚀等破坏导致上述部件普遍存在材料失效严重，寿命短，并伴有噪音大、灰份多等环境污染和含煤介质跑、冒、滴、漏等问题，上述问题不仅造成材料的巨大浪费，而且严重降低生产、劳动效率，生产环境恶劣（主要是噪音和灰份）。据统计，神华神东每年因环境污染处理而投入的费用上亿元，对于磨损，仅9个洗煤厂整体更换和日常修补的耐磨材料费2000万元以上，因更换和修补而造成的间接经济损失（生产停产和重复劳动等）是材料损失的5倍以上。本文以液压支架立柱、板刮板输送机中部槽和刮板、溜槽、落煤冲击板等工程材料为例，着重分析工程材料应用存在的磨损、腐蚀、材料选择及产生的环境污染等问题，同时，为生产企业提高工程材料应用水平、节能减排以及提高生产效率提出改进措施。
1液压支架立柱应用存在的问题及对策
煤矿井下环境中往往存在大量的腐蚀介质，如CO2、SO2、H2S等，所用机械工程材料（板材）主要以低合金钢为主，结构件大多采用16Mn低合金钢板。液压支架作为综合机械化采煤工作面重要设备之一，在工作面开采过程中，需要长期承受载荷和不断运动，并且矿井环境对钢结构件有很强的腐蚀性，这些对支架材料的强度、耐磨性、耐腐蚀性和抗疲劳性能等均有较高的要求，图1是立柱的腐蚀失效形貌。与国外同类产品相比，国产支架所用工程材料由于合金含量低（不添加Cr、Ni、V等合金元素）、表面不处理，因此抗磨、耐蚀性能较差，为延长使用寿命只有通过增加材料厚度来实现，某一型号的液压支架质量比国外同类产品质量增加了1/3。提高国产支架立柱及其结构件工程材料的应用水平的措施包括以下几方面：（1）材料设计着重于选择具有Cr、Ni、V等合金元素含量的高强度低合金钢为主，不仅保证机械工程材料具有较高的强度等力学性能，而且具有较好的耐腐蚀性能；（2）对机械工程材料表面进行必要的表面喷涂处理，使其表面具有较好的耐磨、耐腐蚀氧化层（如合金化合物、陶瓷等），提高材料的使用寿命；（3）通过提高材料力学性能和使用性能，减低国产支架及其结构件质量，减少煤炭生产设备材料成本和生产成本。
2刮板输送机中部槽和刮板应用存在的问题及对策
在当前采煤工作面内，刮板输送机的中部槽是刮板输送机的机身部件，在工作过程中，刮板输送机刮板链由机头电机牵引与刮板一起带着货载在中部槽中移动，长期以来中部槽部件制作都选择普通碳钢或低合金钢材料，在使用过程中存在以下问题：①重量大，安装和搬运费时费力；②为了降低生产成本和减轻部件重量，中部槽一般是由8~16mm的钢板制成，在受到较大的冲击时易变形，修复困难；③长期受硬质煤块摩擦磨损，磨损严重；④受工作环境温度、空气湿度影响，以及存在的CO2、SO2、H2S等腐蚀介质，产生腐蚀失效。针对刮板输送机机身部位，需要结合其恶劣的工况条件，选择耐磨性能优越、易弯曲、拉伸性能好、抗撕裂、耐冲击、易施工和摩擦阻力小的耐磨材料。根据上述问题，国内部分煤炭生产企业使用了山东科技大学研制的采用超高分子量聚乙烯作为衬里的钢塑复合方法，提高大型刮板输送机的耐磨性，其主要原理是通过利用高弹性超高分子塑性材料吸收能量，减小磨损和降低摩擦系数，在使用初期产生了一定效果，但由于物料输送时与高分子塑性材料摩擦过程中产生摩擦热，致使高分子塑性材料逐渐老化发生快速磨损。中部槽和刮板等工程材料的使用失效实际上是材料的摩擦磨损失效为主，材料的腐蚀及其与磨损的交互作用加速了材料的失效。提高中部槽和刮板等工程材料的应用水平主要以提高材料的耐摩擦磨损性能为主。提高该类工程材料应用水平的主要措施：（1）中部槽、中板材料设计为8～10mm的碳钢材料+（8～10）mm的高铬合金耐磨耐蚀材料，在保证部件使用强度前提下，可以采用复合镶铸的材料制作方法提高材料的耐磨性，也可以将厚度8～10mm的高铬合金制作成具有互换性的通用型耐磨耐蚀板件，这对于提高100万t以上的过煤量的刮板输送机中部槽的材料使用寿命，通过适当增加中板的高铬合金层厚度更有意义；（2）在刮板表面堆焊一层耐磨陶瓷涂层（Ni基WC陶瓷，厚度8～10mm）是解决其耐磨难题的较好的工艺方法，但要求堆焊层铺展均匀、通过退火消除堆焊层应力，防止耐磨堆焊层脱落。
3支架用推拉头（联接头）材料应用存在的问题及对策
煤矿机械用推拉头是联接液压支架和刮板输送机重要的链接联头，作用是联接液压支架和刮板输送机，即刮板输送机向前推进，支架同时向前步进，推拉头的使用性能要求是抗推拉、挤压、扭转强度高。进口支架随机配匹的推拉头（如DBT型号）具有较好的使用性能，但国产推拉头使用寿命短（有的30d内断裂，有的使用寿命不到1a），其失效形式主要是断裂、裂纹、组织粗大，心部有气孔、缩孔等缺陷等，如图2、图3所示。国产推拉头的频繁失效导致其更换量大、操作困难，给井下工作人员带来极大不便，特别是该零件存在的安全隐患给井下工作人员和生产单位带来人身安全和煤矿生产不安全的严重后果难以估量。图2材料组织粗大，整体截面断裂图3链接部位断裂推拉头的化学成分设计、成形工艺、热处理等技术要求对推拉头的材料应用寿命的长短至关重要，随着强度的提高，特别是当抗拉强度超过600MPa时，传统合金材料受力后的延迟断裂变得突出，这是推拉头材料高强度化时遇到的一个主要问题和难题。根据上述用于采煤设备联接用的合金钢的推拉头部件的失效分析，通过对材料的化学成分进行重新设计优化、探索部件的成形工艺、热处理工艺，开展系列的材料组织、性能研究和优化，并进行新型推拉头试制产品的生产现场工业试验，可最终到达批量生产合格产品的要求。提高推拉头部件工程材料的应用水平的措施为：采用先铸锭成型，并确保材料内部无气孔、缩孔等缺陷，后锻造成型等工艺，确保材料组织细化，致密性高，从而制备具有一定含量的Cr、Mo、V等成分的高强度合金钢材料，并通过研究推拉头新型材料的系列淬火工艺、回火工艺，优化微观组织，确保材料的力学性能。目前由西安交通大学联合神华神东技术研究院研制的新型Cr-Mo-V高强度合金钢推拉头材料已经在神东煤矿开始工业运行试验，其使用寿命可望达到或超过进口产品材料。
4溜槽、落煤冲击板等材料应用存在的问题及对策
（1）溜槽、落煤冲击板材料的磨损、腐蚀失效煤炭生产中的原煤中含煤干石10％～12％，煤干石中含高硬度的26％SiO2、10％Al2O3、15％Fe2O3、35％CaO（上述硬颗粒总量合计在86％左右），是造成输送设备材料损耗的主要磨损源。流动的含煤介质主要是煤泥，对输送设备（管道、落煤管、溜槽、导料槽裙板等）的冲击磨损、磨粒磨损、摩擦磨损及腐蚀严重。由于高硬度的、耐磨性能好的合金材料都为高合金白口铸铁，焊接性能差，所以现在煤炭生产中选用的耐磨材料基本上都是低合金碳钢材料，首先保证了安装、检修方便（焊接性能好），但硬度低，耐磨性差。保德等9个洗煤厂所有靠近地面的煤介质输送溜槽斜挡板由于冲击磨损严重，每隔90d就要焊补或增加一层耐磨板（16～25mm），所有溜槽斜挡板每年都要更换一次，耐磨材料的消耗量巨大，生产设备管理工作和工人检修、更换的劳动强度巨大，是当前影响和削弱神东煤炭生产效率、生产成本高的主要原因之一。要保证噪声、灰份污染问题解决的效果和可持续型，首先要解决所有相关设备用材料的抗磨损问题，其后才能通过防噪音处理解决噪音污染问题，也减少了运行设备中煤粉、灰份跑、冒、滴、漏现象。（2）抗冲击磨损腐蚀材料设计与应用西安交通大学针对上述冲击、磨损工况，进行了多次调研、分析和试验，设计、研制了一种既抗冲击、又耐磨损的高铬合金铸铁/橡胶/碳钢三维网格型双金属复合材料。该抗冲击磨损腐蚀复合材料由3层及3种材料组成，底层为钢铁材料，中间层为高分子橡胶材料，上层为耐磨、耐腐蚀性能良好的高铬合金铸铁材料。底层钢铁材料作为组装和支撑高铬合金层和橡胶中间层的基底，方便安装焊接；中间层高分子橡胶垫硫化粘接于钢铁和高铬合金铸铁材料之间，可以缓冲物料冲击、降低噪音；上层高铬合金铸铁材料设计成100mm×100mm网格型，而且整体拼接成横截面为中间高两边低的弧形，防止了高冲击致使高硬度耐磨合金碎裂问题，提高耐磨合金的抗冲击性能，并充分发挥了高铬合金耐磨铸铁的高耐磨性能（硬度HRC62～65），同时高铬合金铸铁基体组织为奥氏体，也具有较好的抗冲击性能。通过在2006年～2007年期间调研、试制，新型复合材料已经在神华神东公司保德洗煤厂安装并使用，并且经90d的磨损量测试，其使用后使用寿命比原16Mn耐磨钢材料提高9倍多（见表1），维修次数减少1/10，噪音由原95dB降至85dB。溜槽等部件材料同样可以设计为8～10mm的碳钢材料+（8～10）mm的高铬合金耐磨耐蚀材料，在保证部件使用强度前提下，可以将厚度8～10mm的高铬合金制作成具有互换性的通用型耐磨耐蚀板件，不仅提高了工程材料的耐磨、耐蚀性能，而且有利于耐磨板的更换，避免了整体结构件的更换。
5结语
（1）液压支架立柱等机械工程材料的失效主要原因为磨损、腐蚀和疲劳破坏。通过制备具有Cr、Ni、V等合金元素含量的高强度低合金钢、表面喷涂处理等措施可有效解决液压支架立柱工程材料耐磨、耐腐蚀和抗疲劳性等问题；（2）中部槽和刮板等工程材料失效是摩擦磨损为主。通过采用复合镶铸碳钢/耐磨高铬合金材料、或制作具有互换性的通用型高铬合金板件可有效提高材料的耐磨耐蚀性能；（3）研制新型Cr-Mo-V高强度合金钢推拉头材料具有组织细化、强度高、韧性好等优点，其使用寿命可望达到或超过进口产品材料；（4）溜槽、落煤冲击板等工程材料受冲击磨损严重、并伴有介质腐蚀，研制的高铬合金铸铁/橡胶/碳钢三维网格型双金属复合材料具有高抗冲击、耐磨损腐蚀性能，且明显较小环境噪音污染。
作者:郭爱军 鲍崇高 谷丽 王旭东 单位:神华神东煤炭集团有限责任公司
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