等离子精细熔覆技术在山西煤机厂刮板机耐磨处理领域的应用

　　一、当前国内山西煤机厂刮板机（转载机）在磨损方面的现状及耐磨处理的意义

　　1.山西煤机厂刮板机使用现状

　　目前国内所使用的输送机中部槽在结构上普遍采用整体铸造铲板槽帮、挡板槽帮与高强度耐磨合金中板及底板组焊而成,虽然强度与寿命有一定的提高，过煤量普遍超过百万吨。但是在实际使用中,中部槽各部位的耐磨能力不一致,导致中部槽整体 废时,个别主要部件仍有很大的利用价值,非常可惜。山西煤机厂刮板机输送中承受的煤中部的刮板槽是和物料链条的承载剧烈摩擦部分,运行刮板输送机中使用量和消耗量最大的部件。中部槽的质量占刮板输送机总质量的70%以上,刮板输送机的失效,也多是由中部槽的过度磨损或断裂引起的,所以,中部槽在很多煤矿企业中 废的堆积如山。

山西煤机厂刮板机耐磨处理领域

全国统配煤矿使用各种类型刮板输送机二万多台，每年因磨损而 废的中部槽30～40万节，消托钢材3.6～4.8万吨，价值1.25～1.68亿元，加上过量磨损引起的停机维修给生产造成损失，煤矿所用刮板输送机为例， 由于中部槽磨损所造成的损失每年为1～2亿元人民币。如果再考虑到其他机械设备磨损造成的经济损失和钢材的消耗那将是很惊人的。

　　2.耐磨处理意义

　　（1）中部槽的中板、底板、机头机尾的中板、舌板为刮板输送机运行过程中磨损速度最快的部分，磨损到一定程度后，便会因为强度不够而 废。对此，根据磨损部位及程度的不同，确定合适的熔覆参数，使用等离子熔覆耐磨强化技术进行耐磨处理，可使中板、底板的耐磨寿命延长2倍以上。

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　　（2）中部槽的槽帮钢两端部位因为受到链条和刮板连接环的接触磨擦，磨损较快。利用等离子熔覆强化设备，在槽帮钢的两端进行熔覆处理，可显著延长它的使用寿命，使用寿命可延长2倍以上。

　　（3）合金熔覆层间的磨擦系数约为中板、底板和槽帮钢的50%，运行阻力大大减小，使刮板输送机（转载机）的运行能耗明显降低，为煤矿生产节约了宝贵的电能。同时基本消除了挤链、压溜等现象的发生。

　　（4）在煤矿井下，空间狭小，设备繁多，搬运、安装和维修工作非常困难。经等离子熔覆强化技术耐磨处理后，寿命明显延长，大大减少了搬运次数，同时减少了搬运过程中的安全隐患。

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　　根据刮板运输机使用要求规范，中板磨损达到30%以后，由于槽体强度不够而造成槽体的 废，山西煤机厂刮板机每完成一个工作面后升井维修，通常对于磨损严重并不能保证下个工作面完成的中底板采用更换的方法或直接 废。

　　等离子熔覆耐磨处理与修复方法不仅可以大幅度提高耐磨性能，而且可以修旧利废，重复利用，并且采用数控熔覆设备可以处理底板与槽帮下沿等手工难以修复的部位。

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　　二、等离子耐磨处理技术简介

　　1.等离子熔覆耐磨处理技术

　　等离子熔覆技术的基本原理是：在柔性高温等离子束流的作用下，将合金粉末与基本表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散、反应、凝固，等离子束移动的同时自激冷却，从而实现零部件表面的强化与硬化。和堆焊相比，等离子熔覆层的质量、与基体结合力及经济性能都要高出一筹。与激光熔覆相比，生产成本低、功率转换率高，生产交效率高，可实现大规模工业化生产。

　　可在锈蚀及油污的金属零件表面不经过喷砂等复杂的前处理工艺，直接进行等离子熔覆，工艺简单；

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　　等离子束能量密度高，基材表面与合金粉末同时熔化，保证了合金层与基材之间呈完全冶金结合，在冲击载荷下不脱落；

　　采用先进的数字控制技术，可实现稳定批量生产。可实现中板、底板及槽帮上沿同时处理，补缺了其它设备不能完成的工作。

　　2.等离子熔覆技术关键点

　　（1）形成环状负压等离子束，减少粉末材料在等离子射流中的速度差异，并减少粉末散失。

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　　（2）等离子发生器喷嘴周围增加均压环槽，获得柔性等离子束，减小冲刷力，防止合金氧化，稳定弧柱。

　　（3）设计高放热原位反应体系，通过添加 B、Si、Re 等元素，降低熔体粘度，提高流动性。

　　3.等离子束表面冶金层的金相组织与性能

　　4.等离子束表面冶金设备的主要构成

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控制部分——控制各部件按照工艺参数稳定运行；

　　主电源——供给高空载电压的大功率陡降外特性直流电；

　　等离子炬——转移弧同步送粉柔性弧长寿命等离子炬；

　　送粉系统——与起灭弧无滞后同步开关送停粉宽参数；

　　炬水冷系统——恒温冷却等离子炬及电缆，有水压保护；

　　机械传动系统——按照实际工件专门设计；

　　工装——按照实际工件专门设计。

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　　5.等离子精细熔覆技术耐磨处理的技术特点与优势

　　等离子熔覆技术是解决金属表面耐磨、耐腐蚀、耐冲击的最新技术方法。可以大幅度提高金属耐磨性能，同时可以达到修旧利废，降低成本。

　　我们公司对刮板输送机的易磨损部位如中部槽的中板、底板和槽帮钢、机头机尾的中板、底板、侧帮等进行等离子熔覆强化处理后，可显著地提高刮板输送机的整体耐磨性能，使整机各功能部件达到了最佳匹配，提高了溜槽的使用寿命。该技术修复再制造的中部槽，过煤量超过进口中部槽，成本仅为25-30%，性价比高，正逐步替代进口耐磨合金钢中部槽。

　　（1）等离子熔覆层具有以下技术特征：

　　——熔覆层厚度在1.5～2mm之间；

　　——熔覆层显微硬度可达到HRC55以上；

　　——熔覆层与中板的结合强度高于耐磨焊条堆焊；

　　——等离子合金层表面平整无明显凸点的凹坑；

　　——熔覆合金层磨擦系数比中板、底板降低50%；

　　——熔覆合金层耐酸耐盐水腐蚀性是16Mn中板、底板的10倍以上。

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　　（2）利用等离子熔覆技术对刮板输送机中部槽进行耐磨强化处理后，可达到综合提高使用效能之目的。主要体现在以下四个方面：

　　（a）中部槽的中板、底板、机头机尾的中板、舌板为刮板输送机运行过程中磨损速度最快的部分，磨损到一定程度后，便会因为强度不够而 废。对此，根据磨损部位及程度的不同，确定合适的熔覆参数，使用等离子熔覆耐磨强化技术进行耐磨处理，可使中板的耐磨寿命延长2倍以上。

　　（b）中部槽的槽帮两端部位因为受到链条和刮板连接环的接触磨擦，磨损较快。利用等离子熔覆强化设备，在槽帮的两端进行熔覆处理，可显著延长它的使用寿命，使用寿命可延长2倍以上。

　　（c）合金熔覆层间的磨擦系数约为中板、底板和槽帮钢的50%，运行阻力大大减小，使刮板输送机的运行能耗明显降低，为煤矿生产节约了宝贵的电能。同时基本消除了挤链、压溜等现象的发生。

　　（d）在煤矿井下，空间狭小，设备繁多，搬运、安装和维修工作非常困难。经等离子熔覆强化技术耐磨处理后，寿命明显延长，大大减少了搬运次数，同时减少了搬运过程中的安全隐患。

　　三、等离子精细熔覆技术与传统耐磨工艺处理的技术比较

　　1.技术比较

　　项目

　　技术要点

　　说明

　　药芯焊丝

　　其耐磨性约为等离 子 熔 覆 的1/2-1/5。

　　焊条堆焊

　　堆焊层硬度低、耐磨性差仅为等离子熔覆的1/10。

　　镀硬铬

　　沉积率低、能源消耗高；此外内部硬铬的脆性相会导致微观和宏观裂纹，这会极大地降低其耐磨和耐腐蚀性；同时会污染环境，镀铬还有可能产生 Cr(VI )，危害人体健康。

　　热喷涂

　　热喷涂涂层的性能相当或优于镀硬铬，但涂层与基体为机械结合且涂层脆性较大，易剥落；涂层都存在一定的孔隙率，影响强度和密封；涂层使用后难二次修复；需要对工件进行表面处理。

　　激光熔覆

　　设备依赖进口，运行成本高；由于激光熔覆过程加热快冷却块，对排气浮渣不利，易形成气孔和硬度不均匀；熔池过渡区应力集中，易导致裂纹和脱落。底板及槽帮不能进行熔覆处理。

　　2.等离子精细熔覆技术在本领域的竞争力表述

　　我们公司研究的等离子精细熔覆技术耐磨熔覆层以(Fe, Cr)7C3为主强化相，硬度达HRC55以上，采用美国ASTM-G65标准进行磨损试验，熔覆层磨损失重仅为0.056g，同等试验条件下球墨铸铁和瑞典Hardox450耐磨钢的磨损量分别为3.1g和0.8g，耐磨性能分别提高54倍和13倍。该技术还可以根据需要加入CrC或WC强化相，以满足不同的工况需求。采用该工艺制备的高温耐磨层在700℃工况条件下的使用寿命为不锈钢件的5-15倍，制备的耐腐蚀熔覆层性能优于镀铬层，按照ASTM-G48标准进行的点蚀试验表明熔覆层的耐蚀性能为304不锈钢的1.2～2倍。该技术与激光熔覆工艺相比具有单次熔覆层厚、冶金过程充分、无夹渣、可熔覆工件内孔等优势；与电镀硬铬相比具有无Cr6+污染、熔覆层厚、高温耐磨性能优越、与基体呈冶金结合、可根据需要灵活添加合金元素等优势，与等离子喷涂比具有熔覆层厚、结构致密、无气孔、夹杂和裂纹、与基体结合牢固等优点，该技术彻底摒弃了传统工艺中的工艺简陋、高耗能、重污染等所有弊端，可取代以上工艺而应用在大型柴油发动机缸套、油缸、液压支架立柱等恶劣工况条件下的工件的强化，实现工艺连续化生产，消除二次污染，利用该技术在煤矿行业修复的液压支架活塞杆项目，表面具有极高的耐磨耐蚀性能，是原来的10～20倍，硬度达到HRC40～60，大大延长了其使用寿命，该科技成果整体技术性能达到国际先进水平。

　　四、经济性分析

　　1.等离子熔覆技术创新在循环经济中的作用

　　该技术在柔性高温等离子束流作用下，将合金粉末与基体表面迅速加热并一起融化，混合、扩散、反应、凝固，等离子束离开后自激冷确，在基体表面形成一个耐磨合金层，从而实现表面的强化和硬化。通过对国内部分大公司的刮板运输机中的中部槽和转载机的技术修复，延长了其设备部件的使用寿命，减低零部件的使用量，符合循环经济中的“减量化”原则；使其获得新的使用性能，符合“再利用” 的原则；同时采用表面强化和修复技术，可以节约资源、减少排放对环境的污染， 符合“资源化”的原则。由此可以看出，等离子熔覆技术是金属零部件在制造过程中“降低消耗、降低排放、提高效率”的重要手段，在循环经济发展中有不可替代的位置。该技术通过进一步分析、研究、设计强化涂层，可最大限度的提高工矿机械、零部件的使用寿命，充分有效、合理的利用资源，将在汽车、电力、冶金、石油和机械等工业循环经济领域中发挥节约资源、节能减排的重要作用。据国家权威部门统计，我国每年 废的中部槽多达50～60万节，若能全面推广使用等离子熔覆工艺技术，可节省钢材 610～712万t，实现价值2140～2188亿元。如今许多煤矿机械的生产厂家, 为了提高煤矿生产的可靠性, 将刮板输送机中部槽的中板采用进口钢板, 将厚度由25～30mm 提高到40～50mm，估计成本将增加1～2倍，一部普通刮板输送机在运载60～80万t煤之后就 废了，稍大型刮板输送机的中板采用厚度为50mm的进口钢材,而该机的过煤量也只是在300万t左右。按年全国煤炭产量20亿t及采煤机械化平均水平45%统计,保守估计，采用等离子熔覆耐磨处理技术每年可为全国刮板输送机减少磨损节省资金10～12亿元。

　　“循环经济、可持续发展”是国家经济发展的方针和国策，以等离子熔覆技术为代表的表面强化与修复技术，有着广阔的市场和发展前景。循环经济作为减轻对自然资源的压力和增强对生态环境保护的经济发展模式，是人类社会实现经济可持续发展的必然选择，等离子熔覆技术及耐磨产品的问世正是填补了物质流动方向“资源—产品—再生资源”的闭环流动型，以“减量化、再利用、再循环”的反馈式流程，实现“高利用、低排放”，从根本上消除了长期以来经济增长与环境资源之间的矛盾，既能减轻企业发展的成本压力，实现加快经济发展的目标，又能加快企业的流动性发展，还能最大限度的保护和利用好自然资源和环境，是工业化、城市化与生态化有机结合的根本途径，是实现经济与环境“双赢”的最佳模式。当前，进行科学的规划和布局，尽快提高我国表面强化工程的综合能力，将在国家经济新常态的经济增长模式中发挥其更大的作用。

　　2.具体数据及分析

　　以某煤矿企业刮板运输机中部槽和转载机上的应用为例，耐磨技术采用nm-w-8金属合金粉末，使用自动化机械手臂操作，使用专用等离子设备，根据实际溜槽磨损程度采用菱形焊接纹路，耐磨处理后大大提高了磨损严重中部槽的耐磨性，延长了使用寿命，成本大幅下降，处理后的熔覆层硬度达到HRC55以上，耐磨合金层表面与刮板链条摩擦形成光滑表面，摩擦系数减少，减轻了输送煤炭时的运行阻力，降低了10%～30%的运行阻力，该煤矿企业刮板输送机及转载机购买总价款为3000万元，刮板输送机使用寿命一般为3年，采用该技术后，使用寿命延长了4～5年，增加了1.5倍左右，为企业节省了1500万元费用，同时节省安装搬家1500工时，节省电费近20万元。等离子熔覆以高效率、低成本、熔覆层质量优异等综合优势得到合作各方好评。

　　项目

　　节约成本

　　备注

　　使用寿命

　　1500万元

　　（约占设备 总 价 值 的 50%左右）

　　某煤矿使用进口山西煤机厂刮板机与转载机，属同类产品中的高端设备，设备总价值在3000万元，设计使用寿命3年，采用等离子熔覆技术后，寿命延长到4-5年，平均节约设备成本1500万元。

　　人工成本

　　15 万元

　　经熔敷 处理后的装备基本能够保证一到二个工作面无需升井，这样节约了大量的人工成本，节约工时1500小时，按照工时费100元计算，节约人工成本为15万元。同时消除安全隐患的因素更是无法估量的。

　　电费

　　20 万元

　　由于经熔敷处理后的工件平整度上升，摩擦面积减少，使得拉链的牵引力下降，大幅度降低了电机的功耗。初步计算可节约电费20万元。

　　总计

　　1535 万元

　　总体节约成本在设备总投资的50～60%左右。

　　五、等离子熔覆技术施工方案

　　检验标准：MT183-1988《刮板输送机中部槽》和《煤矿机电设备检修技术规范》执行。

　　具体耐磨处理步骤按排如下：

　　1.进场前需甲方提供相应的施工场地；免费提供水、电、住宿、行车、叉车、等运输设备；

　　2.具备施工条件后供方安装调试机器，并检查统计需要修复的中部槽表面磨损情况；

　　3.清点现场，逐一整理分类所需耐磨处理中部槽，对需要修复的中部槽进行表面附着物清理；

　　4.对于中部槽中板中部链沟部分，先采用普通堆焊填平后再熔覆耐磨层；

　　5.溜槽槽帮、接口处做一道耐磨层； 前溜溜槽仅底板做耐磨处理；后溜溜槽中、底板及链沟做耐磨处理；

　　6.对于中板熔覆图形采用菱形 格加强型熔覆层布置，熔覆层宽度8-10mm，熔覆层厚度为比母板高出1.5～2mm；详见图1，图2；

　　7.中板两侧自动化设备达不到的死角，由手持设备做填补；中间链道部分做重点强化处理；

　　（8）槽帮钢两端头（接口处）采用手持设备熔覆150-200 mm。

　　根据具体情况选择合适的工艺参数：

　　粉末硬度：HRC55 以上；

　　熔覆曲线形式：菱形；

　　熔覆电流：200-450；

　　等离子弧高度：15-55mm；

　　熔覆速度：0.3-1.2m/min；

　　送粉量：4-10（送粉器数字表显示值）；

　　大离子气：5-15；

　　小离子气：4-15；

　　送粉气：4-18；

　　冷却水设定温度：15-25。