梁友乾，萬卷敏

（1.西北礦冶研究院，甘肅 白銀 730900；2.白銀有色集團股份有限公司，甘肅 白銀 730900）

1 引言

鋼鐵工業(yè)是現(xiàn)代社會可持續(xù)發(fā)展的核心。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)擁有煉鐵高爐1500 座，截止2016年底，全國4000 立方米級以上大型高爐達到22座。就我國鋼鐵行業(yè)來講，每冶煉100 萬噸鋼鐵，其高爐出鐵口鉆頭的消耗量在7500 只以上，如加上鉆桿、鉆尾、連接套管的消耗量，則每冶煉100 萬噸鋼鐵所需鉆具的市場容量估計在75 萬元以上[1]，以我國年產(chǎn)13 億噸鋼鐵來計算，高爐用鉆具的年需求量在9.7 億元以上。 高爐開鐵口鉆具包括:開鐵口鉆頭、鉆桿、鉆尾、套管,是鋼鐵企業(yè)煉鐵高爐易損備件，產(chǎn)品的優(yōu)劣關(guān)系到開鐵口質(zhì)量的好壞，也直接影響出鐵、出渣生產(chǎn)作業(yè)及出鐵口的維護[2]。

2 鉆頭

鋼鐵冶煉廣泛采用的高爐出鐵口鉆頭仍沿用礦山鑿巖鉆頭，其中大部分采用片狀合金與鉆頭體電焊焊接而成，或采用柱齒合金與鉆頭體通過過盈配合冷壓裝配而成，還有的采用片狀合金或者柱齒狀合金與鉆頭體用普通黃銅焊料焊接而成，形狀基本為三翼形或四翼形，頭部為平面一階形[3]。在高爐鉆鑿的高溫條件下，采用片狀合金電焊焊接或黃銅焊接的鉆頭由于片狀合金受力點少、磨損大，會過早鈍化或因剪切力過大掉片而提前報廢。 采用柱齒合金冷壓裝配的鉆頭，由于高溫條件下合金與鉆頭體的膨脹系數(shù)的不同而使得柱齒合金與柱狀盲孔間隙過大，導(dǎo)致柱齒合金掉齒而使鉆頭報廢[4]。 采用普通黃銅焊接柱齒合金的鉆頭，由于高溫條件下普通黃銅焊料抗剪強度差和熔點過低導(dǎo)致柱齒合金脫落，且三翼形或四翼形鉆頭，由于固齒面積占用了鉆體頭部大部分面積，所以導(dǎo)致排渣槽較小，由于排渣不易，合金重復(fù)切削，加速了合金的磨損而使整個鉆頭使用壽命短，提前報廢，增加了作業(yè)成本。

依據(jù)高爐鉆頭在實際開鐵口過程中暴露出的各種問題， 分析高爐開鐵口的現(xiàn)場使用條件，選擇合理的外觀設(shè)計，通過實驗確定合理的布齒工藝，使鉆頭在苛刻的工作條件下具有良好的排粉效果，提高了鉆頭的整體使用壽命[5]。本項目所設(shè)計的兩翼型高爐鉆頭，包括設(shè)有中心孔的基座及與該基座為一體的翼體，所述基座的頂部設(shè)有頂風(fēng)孔，翼體包括第一翼體和第二翼體，第一翼體和第二翼體之間的邊緣處分別設(shè)有排渣槽，所述排渣槽設(shè)有側(cè)風(fēng)孔， 該側(cè)風(fēng)孔與中心孔相通。頂風(fēng)孔和至少一個排渣槽之間設(shè)有凹槽?；^部端面呈兩級錐形斜面狀，分別為一階合金面和二階合金面，一階合金面、二階合金面及基座頂部均設(shè)有盲孔，盲孔內(nèi)焊接有鎢鈷合金齒。

為了防止基座接觸孔壁增加鉆頭阻力，一階合金面上的鎢鈷合金齒凸出翼體外徑2 ～3 mm。為了準確定位，達到分級進尺的目的，二階合金面上的鎢鈷合金齒高于一階合金面上的鎢鈷合金齒的高度為2 ～3 mm。 為了使一階合金面呈錐形斜面狀，并與二階合金面形成椎體過渡，一階合金面與基座頂部端面的夾角為35°～40°。 為了使二階合金面呈錐形斜面狀，并與一階合金面形成椎體過渡，二階合金面與基座頂部端面的夾角為15°～20°。 為了減小鉆體摩擦阻力，迅速進尺，易排渣，第一翼體和第二翼體的側(cè)隙面均呈倒錐形，且與基座軸心線的夾角為3°～5°。 排渣槽呈錐形且與基座軸心線的夾角為10°～15°。 為了提高合金齒固齒質(zhì)量，提高鉆頭的耐高溫性，鎢鈷合金齒用高溫焊料焊接在盲孔內(nèi)[6]。 為了方便機械加工和提高排渣效果，排渣槽為弧形。 為了方便機械加工和提高表面固齒強度，凹槽形狀為U型。

2.1 設(shè)計優(yōu)點

（1）將鉆頭基座頂部設(shè)計成兩翼型，有效減輕了基座重量、鋼材用量和合金用量，同時也加大了排渣槽的排渣效果。

（2）排渣槽上的側(cè)風(fēng)孔，能夠及時冷卻鉆頭側(cè)面和排除側(cè)面粉渣。

（3）排渣槽和基座端面的頂風(fēng)孔能及時冷卻鉆頭端面并及時通過凹槽排除端面粉渣。

（4）基座頭部端面呈錐形兩級斜面狀，分別為一階合金面和二階合金面設(shè)計，充分體現(xiàn)了鉆頭的沖擊式破碎原理， 起到了準確定位的作用，有效防止了開鐵口過程中鉆頭跑偏、移位而造成卡鉆、損壞鐵口等問題。階梯式分級進尺，將沖擊力和破碎任務(wù)分擔(dān)到每一粒合金齒上，鉆頭破碎面積由小到大破碎，極大提高了合金的利用率和鉆頭的使用壽命。

（5）超耐高溫銅合金焊料沉底式焊接，熔點可達到1300℃（鐵口最高溫度為熔點1250℃）一次打開鐵口且合金不易脫落,可重復(fù)使用多次[7]。

圖1、圖2 所示的兩翼型高爐鉆頭，包括設(shè)有中心孔的基座及與該基座為一體的翼體，基座的頂部設(shè)有頂風(fēng)孔，翼體包括第一翼體和第二翼體，兩翼體的大小比例為1:2。第一翼體和第二翼體的側(cè)翼面均呈倒錐形，且與基座軸心線的夾角為3°～5°，第一翼體和第二翼體之間的邊緣處分別設(shè)有弧形的排渣槽，排渣槽呈錐形且與基座軸心線的夾角為10°～15°，排渣槽設(shè)有側(cè)風(fēng)孔,該側(cè)風(fēng)孔與中心孔相通； 頂風(fēng)孔和至少一個排渣槽之間設(shè)有U 型的凹槽；基座頭部端面呈兩級錐形斜面狀，分別為一階合金面和二階合金面，一階合金面、 二階合金面及基座頂部均設(shè)有盲孔，盲孔內(nèi)用高溫焊料焊接有彈頭形的鎢鈷合金柱齒；一階合金面上的鎢鈷合金柱齒凸出翼體外徑2 ～3 mm，二階合金面上的鎢鈷合金柱齒比一階合金面上的鎢鈷合金柱齒高出2 ～3 mm；一階合金面與基座頂部端面的夾角為35°～40°，二階合金面與基座頂部端面的夾角為15°～20°。

圖1 鉆頭主剖面圖

圖2 鉆頭俯視圖

鉆頭的基座為優(yōu)質(zhì)合金鋼，基座端面分布有兩圈盲孔， 盲孔中鑲著子彈頭形的鎢鈷合金柱齒， 盲孔和鎢鈷合金柱齒配合間隙為0.015～0.025 mm，采用中頻感應(yīng)加熱、超耐高溫銅合金焊料沉底式焊接， 焊接后焊接部位熔點可達到1300℃（出鐵口最高溫度為熔點1250℃），一次打開出鐵口且合金不易脫落，可重復(fù)使用多次。 一階合金面與基座頭部端面呈錐形斜面狀， 夾角為35°～40°， 其上的合金頭部高出基座頭部2～3 mm； 二階合金面與基座 頭部端面呈錐形斜面狀， 夾角為15°～20°， 其上的合金比一階合金面上的合金高2～3 mm。 極大地減小了鉆體的阻力，防止卡鉆和不易進尺現(xiàn)象， 并與端面形成錐形，可準確定位，分級階梯式進尺。 基座頭部兩翼體之間的排渣槽 與基座中心線的夾角為10°～15°。側(cè)翼面的傾斜角度為3°～5°， 減輕鉆頭進尺阻力，加大了排渣效果。 此種鉆頭的使用壽命達到普通鉆頭的3-5 倍，提高了工作效率，降低了生產(chǎn)成本，節(jié)約了寶貴的鎢鈷合金資源[8]。

3 鉆桿

冶金爐鉆桿工作在開口機與炮泥之間，開口機帶動整個釬具系統(tǒng)轉(zhuǎn)動，傳遞活塞強大沖擊能量。 鉆桿工作條件十分惡劣，除了傳遞高頻率沖擊功外，還受到高溫、扭轉(zhuǎn)彎曲，磨損和水孔表面介質(zhì)腐蝕作用。 因此鉆桿的工作環(huán)境復(fù)雜，質(zhì)量要求高。目前用于冶金行業(yè)高爐出鐵作業(yè)的鉆桿在熱處理生產(chǎn)過程中大部分采用桿體螺紋淬火（820℃）→低溫回火（200℃）工藝，工藝簡單，疲勞壽命低，耐磨性能差，從而造成鉆桿在使用過程中，脆性破損頻繁，尾部螺紋損壞嚴重。鉆桿的平均壽命僅達到開鐵口3-5 次/支[9]。

3.1 鉆桿的熱處理工藝

鉆桿的主要技術(shù)關(guān)鍵在于熱處理，熱處理的好壞直接影響著鉆桿質(zhì)量的優(yōu)劣，鉆桿的熱處理工藝包括如下步驟：

步驟1：碳氮共滲。 碳氮共滲的具體步驟為：以氨氣為滲氮劑，以煤油為滲碳劑，工件裝入后，以2.8 升/分的速率通入氨氣，直至工件出爐；工件裝入后，控制煤油滴量為20 滴/分，當(dāng)爐溫升至930℃時， 加大煤油滴量至65 滴/分， 保溫1小時。 此后降低煤油滴量至40 滴/分，保溫2 小時， 此階段為強滲階段[10]。 此后降低爐溫至850℃，煤油滴量為30 滴/分，保溫1 小時，此階段為擴散階段，而后工件出爐。

步驟2： 利用碳氮共滲余溫對釬桿進行淬火，淬火時間為10 分鐘。

步驟3： 釬桿整體正火， 正火溫度控制在800～850℃，時間為25 分鐘。

步驟4：低溫回火，回火溫度為200℃，時間為2 小時。

步驟5：噴丸處理。

步驟6：磷化處理。

步驟7：掛蠟處理。

3.2 鉆桿的焊接工藝

鉆桿報廢多發(fā)生在螺紋和桿體的連接處。整體鉆桿是在鉆桿的兩端桿體上直接車削螺紋，由于連接處管壁較薄弱，鉆桿鉆進受力時應(yīng)力集中在連接的最薄弱處，造成鉆桿螺紋根部很容易斷裂[11]。 因此將螺紋和鉆桿設(shè)計成兩部分，螺紋采用管壁比較厚的中空鋼制作，然后將螺紋焊接到桿體兩端，這種設(shè)計形式，極大提高了鉆桿的使用壽命，降低了現(xiàn)場的勞動強度。 螺紋焊接工藝如下（見圖3、圖4、圖5）：

圖3 整體焊接

圖4 豎向焊接

圖5 橫向焊接

步驟1：將加工好的螺紋和桿體整體進行熱處理，使螺紋和桿體的表面洛氏硬度達到38～42 HRC。

步驟2：將待焊接的螺紋和桿體焊接部位拋光處理，做到待焊接部位無夾層、無裂縫，表面光潔度達到R 1.6。

步驟3：將待焊接的螺紋和桿體的焊接部位進行300~400℃預(yù)熱，表面不得產(chǎn)生氧化現(xiàn)象。

步驟4：用φ3.2 mm 規(guī)格的電焊條從待焊接螺紋和桿體的對接面底部開始沿釬桿圓周方向自內(nèi)向外進行豎向焊接， 每層焊接厚度小于0.5 mm； 電焊條提前置于保溫箱中，400℃保溫2 小時，隨用隨取。

步驟5：按照步驟4 的方法焊接至焊口深度的1/2 時用φ4.0 mm 規(guī)格的電焊條開始沿鉆桿長度方向進行橫向焊接，兩端焊接長度超出焊口4.5～5.0 mm，每層焊接厚度小于0.5 mm，焊接部位高出鉆桿圓周基面0.5～0.8 mm,焊接面呈半圓弧形狀。 電焊條提前置于保溫箱中400℃保溫2小時，隨用隨取。

步驟6： 將焊接部位周圍用保溫棉包裹保溫，自然冷卻至室溫。

步驟7：將焊接部位噴丸處理（彈丸為鑄鋼鋼丸，密度為5500 kg/m3,噴射速度為120-200 m/s，彈丸直徑0.4～1.0 mm，噴射角度15°～90°），以消除焊接部位表層產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力，抑制焊接部位疲勞裂紋的產(chǎn)生[12]。

通過以上熱處理工藝和焊接工藝處理的鉆桿，將常用的螺紋連接設(shè)計為焊接形式，避免了螺紋部位容易斷裂的問題。 焊接工藝的優(yōu)化組合，明顯提高了釬桿焊接部位的疲勞強度和使用壽命，抗沖擊、耐磨性等都極大提高[12]。 采用該工藝焊接的釬桿的平均壽命是普通焊接工藝釬桿的5～8 倍。

4 連接套管

目前，國內(nèi)鋼鐵冶煉企業(yè)高爐開鐵口使用的鉆具連接套是普通直筒套管，但在鐵口打開后釬桿退出時受軸向拉力的影響，釬桿端面與連接套筒臺肩面之間常常產(chǎn)生間隙，造成用于冷卻和排渣的風(fēng)壓泄露， 鐵水和炮泥泥渣等從釬桿頭部反向回流，致使釬桿、連接套、打擊軸、風(fēng)壓機械系統(tǒng)和整個開口機系統(tǒng)損壞， 造成開鐵口系統(tǒng)各配件提前報廢，配件消耗量大，釬桿報廢后因高溫變形等原因很難卸下，給實際生產(chǎn)帶來一系列難題，同時也增加了生產(chǎn)成本。

本項目所設(shè)計的高爐用連接套包括釬尾套和釬桿套，釬尾套與釬桿套之間設(shè)有閥套，閥套內(nèi)設(shè)有單向閥，釬桿套內(nèi)部中心軸向設(shè)有出風(fēng)孔。這種設(shè)計有效提高了整個開鐵口系統(tǒng)各配件的使用壽命，降低了生產(chǎn)成本。 該連接套針對鋼鐵冶煉企業(yè)用于打開高爐出鐵口實用性很強。

設(shè)計原理：開鐵口作業(yè)時，開口機提供的高壓風(fēng)通過釬尾、單向閥、沿釬桿內(nèi)孔輸送到釬桿最前端的鉆頭位置，對鉆頭起到及時冷卻和吹走炮泥渣的作用。 由于在套管內(nèi)有單向閥，開鐵口作業(yè)時，單向閥能及時形成單向自封閉，有效防止鐵水和炮泥泥渣等反向回流，避免了開口機風(fēng)壓系統(tǒng)和整個開口機沖擊系統(tǒng)的損壞。釬尾端套體體壁上的固定限位螺桿起到防止因沖擊振打形成釬尾與連接套連接松動的作用，裝卸方便易操作。

5 鉆尾

5.1 鉆尾的結(jié)構(gòu)設(shè)計

鉆尾的結(jié)構(gòu)包括沖擊尾和連接套， 沖擊尾與連接套設(shè)計為一體， 鉆尾前端密封套上分別設(shè)有進風(fēng)孔和進水孔，鉆尾另一端有花鍵和沖擊尾，沖擊尾端面設(shè)有沖擊盲孔, 進風(fēng)孔與花鍵之間外壁設(shè)有擋墻，套管內(nèi)設(shè)有通孔，分別以Y 形連通進水孔和進風(fēng)孔，外壁設(shè)有密封槽a 和b,密封槽a 和b 之間設(shè)置有密封套。 風(fēng)孔、進水孔與通孔呈Y 形連通， 進風(fēng)孔與進水孔相對于通孔的中心線對稱設(shè)置。

5.2 設(shè)計優(yōu)點

（1）將鉆尾和連接套、密封套設(shè)計為一體，減少了裝配部件和連接部位，避免了配件連接處薄弱環(huán)節(jié)斷裂。

（2）鉆尾尾端部設(shè)有沖擊尾槽，當(dāng)鉆機沖擊器沖擊震打時沖擊尾端部不易被沖擊損壞，提高了連接機構(gòu)的使用壽命。

（3） 進風(fēng)孔與花鍵之間外壁設(shè)有限位擋墻，有效控制了連接機構(gòu)在沖擊震打過程中移位的問題。

（4） 進風(fēng)孔和進水孔兩邊分別設(shè)有密封槽。在鉆桿端面與連接套筒臺肩面之間產(chǎn)生間隙時，密封槽可以避免用于冷卻和排渣的壓氣泄露。

5.3 鉆尾使用過程

使用時，沖擊尾連接鉆機的沖擊頭，鉆桿連接到釬尾內(nèi)的螺紋上，進風(fēng)孔和進水孔分別連接高壓風(fēng)和水，釬尾的花鍵的一端安裝到鉆機的沖擊器內(nèi)，釬尾的花鍵與開口機沖擊器內(nèi)的花鍵相配合，將鉆機的沖擊頭裝入沖擊盲孔內(nèi)進行沖擊振打。 擋墻用于限制釬尾在鉆機的位置，防止鉆進過程中移位和跑偏。將釬尾的密封槽Ⅰ和密封槽Ⅱ上安裝上密封橡膠圏，安裝到鉆機的密封槽內(nèi)。兩密封槽中間設(shè)置密封套，開啟水和高壓風(fēng)，高壓風(fēng)和水分別通過進風(fēng)孔和進水孔進入通孔；高壓風(fēng)將水霧化，形成的高壓水霧經(jīng)通孔中心到達鉆頭端面， 在鉆頭前端形成一個霧狀保護區(qū)，鉆機帶動裝置開始鉆鑿作業(yè)。

5.4 鉆尾的熱處理工藝步驟

步驟1：碳氮共滲。 以氨氣為滲氮劑，以煤油為滲碳劑，爐溫930℃時裝入工件，以3.3 L/min 的速率通入氨氣直至工件出爐。 裝入工件后控制煤油滴量為65 滴/分，保溫8 小時，然后降低煤油滴量至40 滴/分，保溫5 小時，此階段為強滲階段。降低爐溫至780℃，控制煤油滴量為30 滴/分，保溫5小時，此階段為擴散階段。 工件出爐冷卻。

步驟2：高溫回火。 在700℃下將工件在鹽浴爐內(nèi)保溫0.5 小時，油冷，從而減少表面殘余奧氏體數(shù)量；

步驟3： 一次高溫淬火。 淬火溫度為910～920℃，淬火時間10 分鐘，油淬，獲得板條馬氏體組織。

步驟4： 二次亞溫淬火。 淬火溫度為810～820℃，淬火時間10 分鐘，油淬，進一步細化晶粒。

步驟5：低溫回火。 回火溫度200℃，減小工件淬火時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

步驟6：噴丸處理，在釬尾表層產(chǎn)生一殘余壓應(yīng)力層。

經(jīng)測定，采用上述工藝方法處理得到的鉆尾具有如下技術(shù)指標： 碳氮共滲層深度為2.3 mm，面層含碳量0.9%，面層含氮量0.4%，表面硬度為62 HRC，使用壽命達到20 次/支。

6 結(jié)語

目前，國內(nèi)釬鋼釬具企業(yè)所生產(chǎn)的高爐開口鉆具的產(chǎn)值僅占全國市場需求量的25%～30%左右。高爐開口鉆具是一種技術(shù)含量低，工藝簡單，生產(chǎn)周期快， 市場需求量較大的消耗性工具產(chǎn)品。對釬具企業(yè)來說，應(yīng)該關(guān)注市場動向，繼續(xù)擴大市場份額。 本文設(shè)計的新型開鐵口鉆具，初步現(xiàn)場試驗表明，新型開口機鉆具的使用效果明顯優(yōu)于原用鉆頭，能顯著提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

高爐開鐵口鉆具，從結(jié)構(gòu)材料選擇，通過焊接工藝、加工工藝、熱處理工藝的研究，形成一整套完整的生產(chǎn)工藝，通過試驗研究和產(chǎn)品跟蹤分析，及時發(fā)現(xiàn)存在的問題和不足，不斷優(yōu)化改進，使得開鐵口鉆具達到最優(yōu)配置。文中所述高爐用成套鉆具的研制成果，為我國鋼鐵企業(yè)提高技術(shù)裝備水平，降低生產(chǎn)成本具有重要意義，也為行業(yè)產(chǎn)品調(diào)整，技術(shù)進步，生產(chǎn)附加值高的產(chǎn)品開創(chuàng)了一條新路。