摘要:針對大型煤機企業(yè)進行了天然氣綜合應(yīng)用的系統(tǒng)研究，主要包括天然氣用于特種特厚板材切割、刀具焊接、金屬材料熱處理、高強板的預(yù)熱和保溫以及車間的冬季采暖等方面，同時解決了天然氣在應(yīng)用中的節(jié)約和改變熱值問題和天然氣的減壓和添加劑的添加問題。項目實施后，改善了工人操作勞動強度，改善產(chǎn)品機械性能及品質(zhì)，改善冬季工作環(huán)境，節(jié)能與社會環(huán)保效益十分突出。

關(guān)鍵詞:天然氣；煤機企業(yè)；綜合應(yīng)用

1引言

天然氣作為新型燃氣在工業(yè)企業(yè)中的應(yīng)用相當普及，但均是針對各自的需要而進行的，內(nèi)容分散，缺乏系統(tǒng)性。由平頂山工學(xué)院與平頂山煤礦機械有限責任公司（項目開始時為平頂山煤礦機械廠）合作進行了天然氣綜合應(yīng)用的系統(tǒng)研究，以保證天然氣在相關(guān)行業(yè)應(yīng)用中技術(shù)條件的完整性。

天然氣用于大型煤機企業(yè)項目的整體設(shè)計和整體布局由平頂山工學(xué)院“天然氣在大型煤機企業(yè)的應(yīng)用”項目組共同完成，其在平頂山煤礦機械有限責任公司的工藝布置如圖1所示，集中供氣平面圖見圖2所示。

2天然氣在大型煤機企業(yè)的綜合應(yīng)用

天然氣用于大型煤機企業(yè)項目內(nèi)容較多，實施方案復(fù)雜，在項目實施中主要解決了五個方面的問題。

2.1天然氣在用于煤礦液壓支架產(chǎn)品所使用特種特厚板材切割方面的應(yīng)用

煤礦液壓支架產(chǎn)品所使用的板材有普通板材和特種板材兩種，普通板材多為16Mn鋼或27SiMn鋼。近年來，為提高液壓支架的支護性能，盡可能滿足煤礦綜采工作面的高產(chǎn)高效要求，越來越多的特種板材相繼問世并被用于液壓支架的生產(chǎn)中。作為綜采工作面主要設(shè)備之一的液壓支架，隨著架型結(jié)構(gòu)進一步完善，設(shè)計方法更加先進，參數(shù)開始向高工作阻力、大中心距方向發(fā)展。隨著支架工作阻力的加大，耐久性試驗次數(shù)的增加，如果繼續(xù)選用傳統(tǒng)的16Mn和15MnVN材料，要保證支架的支護強度，只能靠加大板材厚度，勢必使支架總體重量超重，給礦井提升和井下運輸、工作面搬運都帶來極大的不便。因此在保證支護強度和支架總重不超標的情況下，切實可行的辦法就是選用高強度鋼材。因為選用高強度板材，可使支架工作阻力和支護強度大大提高，同時也大大降低了單架重量。正因為如此，支架結(jié)構(gòu)件材料正越來越多地采用高強度鋼材，主要結(jié)構(gòu)件材料以為550-1000MPa級的不同等級高強度鋼板逐步取代16Mn(δs為320-350MPa)。這些特種板材材質(zhì)主要為：HG785、HG980（武漢鋼鐵公司）；WH80Q、WH100Q（舞陽鋼鐵公司）；JG785DB、JG950（濟南鋼鐵公司）等。由于特種板材中添加了部分特種金屬成分，導(dǎo)致特種板材的切割性能往往不同于普通板材，需要在切割用氣量及割嘴結(jié)構(gòu)形狀方面有所改變，以提高切割時的火焰溫度，保證割縫質(zhì)量。

煤礦液壓支架產(chǎn)品所使用的板材無論是普通板材還是特種板材，其厚度都比較厚，一般為δ16-150mm，這么厚的板材在切割方面無論是普通的乙炔氣和液化氣，還是天然氣都是有一定難度的，如果解決不好可能會導(dǎo)致割縫極不平整，割后必須進行加工處理等后果。本項目針對這一問題也進行了特別研究，通過對割嘴結(jié)構(gòu)和氣體燃燒熱值的改進，解決了特厚板材切割問題，尤其是對數(shù)控切割機床割嘴系統(tǒng)的改進，使其割縫平整光滑，粗糙度Ｒa值實測在14.6～24.5之間，割出的板件可直接用于焊接，提高了生產(chǎn)效率。

對割嘴結(jié)構(gòu)的改變主要體現(xiàn)在對割嘴內(nèi)部形狀的改變，主要是改變割嘴的流道結(jié)構(gòu)，將原有的直線流道改為雙程螺旋線流道，改半圓形流道斷面為三角形斷面，主要目的是提高割嘴出口處的火焰溫度和吹氣能力，保證切割時熔化的液態(tài)金屬能夠及時被吹走，從而提高切割速度和割縫質(zhì)量。

天然氣主要成分是甲烷，是價格較為低廉的一種燃氣，但其燃燒速度慢，火焰溫度低，切割預(yù)熱時間相應(yīng)增長。采用天然氣作為切割用燃氣的優(yōu)點較多，如天然氣不需大的儲存容器設(shè)備、生產(chǎn)成本較低、使用方便等等。試驗表明:天然氣和乙炔氣的燃燒性能和氣體消耗量上是不同的，只要根據(jù)其消耗適當改變割嘴結(jié)構(gòu)，采用天然氣代替乙炔氣進行火焰切割，就能取得較好的應(yīng)用效果。切割實驗結(jié)果表明，單純采用天然氣作為切割用燃氣，其切割速度比乙炔氣要慢，可見，要提高天然氣的切割速度，必須在天然氣中添加催化劑以改變天然氣的燃燒性能，達到提高火焰溫度以及提高切割速度、降低使用成本等目的。目前國內(nèi)已有多家公司開發(fā)了用于天然氣切割氣的添加劑，并且具有很好的使用效果。

本課題在平頂山煤礦機械有限責任公司試驗時，采用了武漢“金火焰”和北大的“國防綠”添加劑，在劑量配比和加氣方法上經(jīng)過多次摸索，獲得了成功。并設(shè)計制造了專門的加氣站裝置。

2.2天然氣用于刀具焊接

刀具焊接主要是各種車刀的硬質(zhì)合金刀頭焊接和極少的特種鉆頭(主要深孔鉆用)的焊接。

硬質(zhì)合金焊接刀具的制造質(zhì)量和使用壽命，除取決于刃磨質(zhì)量外在很大程度上取決于刀具的焊接質(zhì)量。但是，影響硬質(zhì)合金刀具焊接質(zhì)量的因素也很多，硬質(zhì)合金的焊接性能對硬質(zhì)合金刀具的焊接質(zhì)量影響很大，不同牌號的硬質(zhì)合金切削刀片，其合金性能不同，焊接性能也不同，對焊接質(zhì)量的影響也不同。硬質(zhì)合金刀具的刀體材料一般為45鋼、40Cr等，由于鋼比硬質(zhì)臺金的線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)大得多，在焊接過程中，可能會產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，使硬質(zhì)合金刀片產(chǎn)生裂紋，這將極大地影響硬質(zhì)合金焊接刀具的使用壽命對于W-Co合金，隨著粘結(jié)劑鈷(Co)含量越低，合金的線膨脹系數(shù)越小，抗彎強度和韌性越低，焊接時產(chǎn)生裂紋的可能性越大；對于含 TiC的硬質(zhì)合金， 隨著TiC含量的提高合金的導(dǎo)熱系數(shù)越小，抗彎強度和韌性越低，焊接時產(chǎn)生裂紋的可能性越大。因而，低鈷和高鈦的硬質(zhì)合金在焊接時產(chǎn)生裂紋的可能性最大。

天然氣用于刀具焊接時比用于金屬切割時，其火焰溫度不經(jīng)過添加催化劑就能滿足要求，但為了節(jié)約成本，降低費用，本項目在實施中仍然采用添加了催化劑的天然氣。天然氣用于刀具焊接所要解決的主要問題就是要減少刀具焊接后的微觀裂紋，由于天然氣燃燒時的溫度與原來所用的乙炔氣不同，因此需要對焊接工藝進行適當?shù)恼{(diào)整。焊接性能差和較差的合金刀片，對焊接裂紋有很高和較高的敏感性，焊接時極易產(chǎn)生裂紋，不宜采用厚刀片焊接，也不宜在封閉槽內(nèi)焊接，焊接時宜用化學(xué)性活潑的熔劑，刀具焊接后刀體不宜進行熱處理等。焊接性能一般的合金刀片，焊接時雖不象焊接性能差和較差的刀片那樣對焊接裂紋敏感，但仍容易產(chǎn)生裂紋。焊接性能較好的刀片，可焊于各種形狀的槽中，刀具焊接后刀體可進行熱處理等。在進行硬質(zhì)合金刀具焊接時，合理選擇焊料和焊接工藝參數(shù)等，就可以保證焊接質(zhì)量。其常溫硬度、高溫硬度、抗彎強度及沖擊韌性等性能提高，從而提高刀具的耐用度。

不同的焊料，其熔點、高溫塑性、流動性和濕潤性等特性不同。焊料的熔點不僅影響生產(chǎn)率，而且也影響焊接應(yīng)力等，熔點越高，焊接效率越低，也越易產(chǎn)生焊接應(yīng)力，而且當焊接溫度超過950℃以上(一般焊接溫度高于焊料熔點40℃左右為宜)時．還會使硬質(zhì)合金發(fā)生相變等，降低了硬質(zhì)合金的使用性能；高溫塑性好的焊料，在焊接冷卻過程中能起到緩沖和平衡作用，降低硬質(zhì)合金與鋼的線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)不同而引起的熱應(yīng)力。而且，焊料的高溫塑性好，焊接后可進行熱處理，這為刀體具有一定硬度等要求的硬質(zhì)合金刀具提供了焊接后進行熱處理的條件；流動性和濕潤性好的焊料．焊接時就能流布整個焊接面。得到勻而薄的焊縫，而獲得較高焊接強度。厚薄不勻的焊縫也是造成硬質(zhì)合金產(chǎn)生焊接裂紋的原因。硬質(zhì)合金刀具焊料，應(yīng)根據(jù)硬質(zhì)合金刀片的焊接特性和刀具的用途來選擇。對于低鈷和高鈦合金，也即焊接性能差的硬質(zhì)臺金，焊接時容易產(chǎn)生裂紋，但這類硬質(zhì)合金的硬度高，耐磨性好，抗彎強度和韌性低，用其所做的刀具一般用于受力及沖擊負荷相對小的半精加工和精加工，因而要求焊料熔點低，高溫塑性、流動性和濕潤性都好，焊接時產(chǎn)生的熱應(yīng)力小。

加熱速度、冷卻速度、保溫溫度、保溫時間等工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量也有很大的影響。焊接時的加熱速度對焊接質(zhì)量，尤其是焊接裂紋的產(chǎn)生有非常明顯的影響，如果加熱速度太快，不能使硬質(zhì)合金和刀體得到充分的預(yù)熱而進入高溫階段，由于鋼的導(dǎo)熱系數(shù)比硬質(zhì)合金大得多，硬質(zhì)合金的熱傳遞速度比鋼慢得多，容易使刀片與刀體、刀片表面與內(nèi)部的溫差太大，致使焊接應(yīng)力過大而產(chǎn)生焊接裂紋.加熱速度不僅不能太快，也不能太慢，否則不僅會引起焊接表面氧化，使焊接強度降低，而且會使硬質(zhì)臺金較長時間處于受熱狀態(tài)，由于硬質(zhì)合金中各元素的熱彩脹系數(shù)不同，在加熱過程中硬質(zhì)臺金內(nèi)受到各種應(yīng)力的作用，當應(yīng)力超過硬質(zhì)合金本身的極限強度時，硬質(zhì)合金就會斷裂；此外．還會使硬質(zhì)合金表層發(fā)生氧化，降低硬質(zhì)合金的使用性能。

焊后冷卻過程中，由于鋼刀體和硬質(zhì)合金刀片的熱彩脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)有較大差異，刀片本身存在著很大的殘余應(yīng)力和焊接熱應(yīng)力，如果冷卻速度快．迫使刀體急劇塑性變形，則會導(dǎo)致刀片產(chǎn)生裂紋.為了使焊后冷卻速度不要太快，可采用適當溫度保溫措施。刀具焊接后，置于具有一定溫度的保溫材料(如干砂、木炭灰、云母粉等)中緩慢冷卻，或采用爐內(nèi)程序控溫緩慢冷卻更好，這樣可消除刀片在冷卻過程中可能產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力，避免產(chǎn)生裂紋。

在平頂山煤礦機械有限責任公司，天然氣用于刀具焊接實施中采用的是添加了催化劑的天然氣。為解決天然氣用于刀具焊接時的微觀裂紋，需要對焊接工藝進行適當?shù)恼{(diào)整。由于煤機企業(yè)的特點和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的持續(xù)性，煤機所用刀具的種類不是特別多，經(jīng)過項目組多次試驗，決定選擇以銅焊為主的焊接模式，焊前稍作預(yù)熱處理，焊中以開放式工作臺面為宜，焊后用滑石粉保溫的工藝路線就能滿足焊接的要求。

2.3天然氣用于金屬材料熱處理

在金屬材料熱處理方面，天然氣的燃燒溫度能夠滿足要求，同刀具焊接一樣，為節(jié)約成本，降低費用，我們同樣設(shè)計了加氣裝置。

但是，天然氣用于熱處理，容易使被處理的金屬過度氧化，因此，對金屬熱處理爐必須進行改造，我們采用的是爐膛外燃燒，熱氣循環(huán)的方式（通過風機將熱空氣送至爐膛內(nèi)）解決了這一問題。

2.4天然氣用于高強板焊接中的預(yù)熱和保溫

天然氣用于高強板焊接中的預(yù)熱和保溫的目的是為了保證合理的焊接工藝參數(shù)。合理的焊接工藝參數(shù)主要包括兩方面的內(nèi)容：

可以防止焊接缺陷(各種焊接裂紋、氣孔、夾渣、咬肉等)的產(chǎn)生；

焊縫的性能能夠滿足產(chǎn)品設(shè)計指標的要求。合理的焊接工藝參數(shù)來源于全面了解被焊鋼材的焊接性和對產(chǎn)品構(gòu)件的分析。

天然氣用于高強板在焊接時的預(yù)熱和保溫，因為溫度相對較低（不同材質(zhì)溫度有所不同，一般控制在100-250℃），相對來說，比較容易實現(xiàn)，只是做好整體天然氣的規(guī)劃，同時工人操作時，為避免受熱源的幅射影響，對爐體進行一些隔熱和保溫處理。

2.5天然氣用于車間冬季取暖

天然氣用于車間冬季取暖在平頂山煤礦機械有限責任公司的供暖面積近8000平方米，一個采暖期少用煤50噸左右，減少了二氧化碳、二氧化硫排放量，極大地改善城市空氣質(zhì)量，對周圍環(huán)境的影響降至最低。

設(shè)置專用的燃氣鍋爐進行熱水或者蒸汽供熱，這已經(jīng)是成熟技術(shù)，應(yīng)用起來比較方便。

3天然氣在應(yīng)用中改變熱值和加氣系統(tǒng)設(shè)計

由于天然氣(甲烷) 在氧氣中燃燒火焰的溫度只有2000℃左右， 遠低于乙炔的火焰溫度3150℃，在切割預(yù)熱時間上也達不到乙炔的水平，因此，天然氣無法直接用于金屬材料的切割和刀具的焊接，使用新型工業(yè)燃氣添加劑既解決了燃燒時的熱值問題又節(jié)約成本，但添加劑的種類較多，目前，我們所使用的添加劑主要有:武漢的“金火焰”，北大的“國防綠”和北京某公司的“SE-6”。

添加劑在使用中必須能夠比較方便地加入到天然氣中，為此必須設(shè)計天然氣加氣站。但是對于不同的添加劑所使用的配比有所不同，因此必須設(shè)計能調(diào)節(jié)配比的加氣系統(tǒng)。

由于天然氣從市政主管網(wǎng)進入廠區(qū)時的壓力較高，不能直接使用，必須設(shè)計天然氣減壓站，同時添加劑的添加也是在高壓下進行的，因此，我們將減壓站與加氣站合二為一，作為一個系統(tǒng)來綜合設(shè)計。

因為此處涉及到壓力容器的設(shè)計與施工問題，為保證安全性和符合國家的相關(guān)法規(guī)要求，本系統(tǒng)的工藝流程和原理設(shè)計由項目組完成，具體的壓力管道設(shè)計委托中國市政工程中南設(shè)計研究院設(shè)計（設(shè)計號：GPS-183-07），聘請揚州市揚子工業(yè)設(shè)備安裝有限公司負責施工，平頂山市鍋爐壓力容器檢驗所作為項目監(jiān)理方負責監(jiān)督和檢驗任務(wù)。該項目管道設(shè)計壓力0.4MPa，管道材料為20#鋼，管道起點為市政天然氣門站，終點止于廠區(qū)第一鉚焊車間外的加氣站，管道全長約150米。加氣站系統(tǒng)內(nèi)非標設(shè)備由平頂山煤礦機械有限責任公司自己加工，加氣站系統(tǒng)完成后與管道系統(tǒng)一并進行了壓力試驗，試驗結(jié)果滿足設(shè)計要求。

結(jié)語。項目全部實施后，平頂山煤礦機械廠第二鉚焊車間，液化氣丙烷氣以及氧氣消耗，由現(xiàn)有月消耗約40萬元，可節(jié)約降低為25萬元，每年直接節(jié)約經(jīng)費15*12=180萬元。同時極大地改善工人操作勞動強度，大幅度改善產(chǎn)品機械性能及品質(zhì)，改善冬季工作環(huán)境。由于天然氣取替現(xiàn)有焦碳和乙炔氣，廠間CO2、NOx排放量降低，可滿足國家現(xiàn)有標準。平頂山煤礦機械廠現(xiàn)有鉚焊車間三個，如果三個鉚焊車間都開始使用，年直接節(jié)約經(jīng)費將在500萬元以上(第二鉚焊車間規(guī)模稍小)。節(jié)能與社會環(huán)保效益十分突出。

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