劉智平

(國能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010)

為滿足大型礦井生產(chǎn)需求，長運(yùn)距大運(yùn)輸量帶式輸送機(jī)不斷投入使用。托輥是帶式輸送機(jī)的重要組成部分，起承載帶面和物料的關(guān)鍵作用，然而托輥因銹蝕導(dǎo)致提前失效的問題成為影響輸送機(jī)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要原因。傳統(tǒng)托輥筒皮材質(zhì)均為碳鋼，受煤礦井下淋水和有害氣體(主要為亞硫酸及氯離子)侵蝕的影響，筒皮會在短期內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重銹蝕，托輥壽命短，增加了托輥消耗，導(dǎo)致較高的生產(chǎn)成本[1-4]。按照3 m 1個標(biāo)準(zhǔn)段單元，上、下8個托輥計算，平均每米約2.67個，因?yàn)橥休仦橐淮涡韵钠罚枨髷?shù)量巨大；僅2021年，神東帶式輸送機(jī)公司就完成下達(dá)生產(chǎn)任務(wù)43萬個托輥。此外，破裂的筒皮還會造成極大安全生產(chǎn)隱患[5-7]。

因此，本研究采用T4003不銹鋼材料作為新型托輥筒皮，從耐腐蝕性、焊接性、切削加工性、經(jīng)濟(jì)性等方面與傳統(tǒng)Q345B 筒皮進(jìn)行了對比研究。

1 T4003與Q345B 耐蝕耐磨性能對比

1.1 鹽霧腐蝕試驗(yàn)

首先將T4003不銹鋼材料和Q345B碳鋼加工成50 mm×80 mm試樣，并表面拋光處理，再用無水乙醇超聲清洗15 min，干燥后測量試樣原始重量；將T4003和Q345B試樣每三個一組裝入鹽霧箱中進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，工作介質(zhì)為(5±1)% NaCl 溶液，溫度為(35±0.5)℃；試驗(yàn)每隔12 h稱重一次試樣，按照式(1)計算對應(yīng)的腐蝕速率其腐蝕速率：

v=ΔW/St=|W1-W2|/St(1)

式中，v為腐蝕速率，g/(mm2·h)；ΔW為腐蝕前后試樣重量差，g；S為試樣腐蝕的表面積，mm2；t為試樣的腐蝕時間，h。

圖1 鹽霧腐蝕試驗(yàn)平均腐蝕速率與時間的關(guān)系

表1 T4003鹽霧腐蝕試驗(yàn)平均腐蝕速率

表2 Q345B鹽霧腐蝕試驗(yàn)平均腐蝕速率計算

T4003和Q345B鹽霧腐蝕試驗(yàn)前后樣品腐蝕表面情況分別如圖2、圖3所示。結(jié)果表明：經(jīng)過72 h的鹽霧腐蝕后，T4003表面局部有輕微銹跡，而Q345B表面布滿了黃褐色的腐蝕產(chǎn)物。T4003之所以有良好的耐蝕性能是因?yàn)樗休^高的鉻元素，在大氣或含氧介質(zhì)中表面會生成一層致密的鉻氧化物保護(hù)膜，該膜具有穩(wěn)定的機(jī)械、化學(xué)性能，能夠有效隔絕基體和腐蝕介質(zhì)起到保護(hù)作用，而碳鋼表面氧化物疏松多孔，不具有保護(hù)基體作用。

圖2 T4003腐蝕前后形貌對比

圖3 Q345B腐蝕前后形貌對比

1.2 周期浸潤腐蝕試驗(yàn)

根據(jù)《周期浸潤腐蝕試驗(yàn)方法》(TB/T 2375—93)開展試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度：45±1 ℃；相對濕度：70%±5% ；浸潤時間：12 min /60 min；試驗(yàn)溶液：10-2mol/L NaHSO3；試板表面最高溫度：70 ℃。在24，72，144，240 h后稱重計算失重率，結(jié)果見表3。由表3可知：T4003在周期浸潤腐蝕條件下失重速率只有Q345B的1/20，耐蝕性遠(yuǎn)高于Q345B。

表3 Q345B與T4003周期浸潤試驗(yàn)結(jié)果

1.3 腐蝕與濕磨交替作用試驗(yàn)

1)首先將兩種材料加工為尺寸為6 mm×25.5 mm×57.5 mm的試樣各2塊，表面打磨光滑后，用酒精清洗表面的油污雜質(zhì)，烘干后稱重。

2)將試樣裝入濕沙橡膠輪磨損試驗(yàn)機(jī)(張家口市泰華機(jī)械廠制造)，加入1 kg水和1.5 kg石英砂，在該介質(zhì)中用橡膠輪磨擦試樣表面，轉(zhuǎn)速為180 r/min，經(jīng)過500 r以后將試樣取出清洗干凈，干燥后浸入50%的硫酸溶液中浸泡100 min(最高溫度≤70 ℃)；然后取出清洗，干燥后稱重。

3)重復(fù)步驟2)，反復(fù)3次，總磨擦轉(zhuǎn)數(shù)為2000 r，浸泡時間為400 min。

T4003和Q345B磨損量和試驗(yàn)后的試樣表面情況分別如圖4、圖5所示。

圖4 不同材料腐蝕-濕磨交替作用試驗(yàn)?zāi)p量

圖5 濕磨與腐蝕試驗(yàn)后試樣外觀

由圖4可知：在相同的試驗(yàn)條件下，T4003磨損量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)筒皮材料Q345B，大約是碳鋼材料的1/3～1/4。另外，圖5表明試驗(yàn)后Q345B試樣表面粘附了一層難以去除的腐蝕產(chǎn)物，而T4003試樣表面則除了少量銹蝕外，沒有其他附著物，表明T4003除了具有優(yōu)良的耐蝕、耐磨性外，還具有優(yōu)良的抗異物粘附性。

2 T4003筒皮焊管接頭性能與焊接

2.1 T4003筒皮焊管接頭性能

將焊管以焊縫位置為中心取樣后以壓平，進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表4、表5。接頭屈服強(qiáng)度360～380 MPa，抗拉強(qiáng)度480～500 MPa，伸長率18～20，韌性指標(biāo)沖擊功19J。托輥筒皮焊接成形后，T4003筒皮的失重量僅為Q345B筒皮的1/3～1/4[8-12]。

表4 接頭力學(xué)性能

表5 ?159×3鋼管質(zhì)量損失

2.2 T4003筒皮與08Al 軸承座異種鋼焊接工藝

為了實(shí)現(xiàn)托輥制造，本研究采用熔化極活性氣體保護(hù)焊接工藝將T4003托輥筒皮和08Al軸承座焊接在一起，焊絲采用標(biāo)準(zhǔn)E309L不銹鋼焊絲，焊機(jī)采用松下KRⅡ-500型晶閘管CO2/MAG焊機(jī)。具體焊接工藝參數(shù)是：230 A焊接電流，25 V電弧電壓，440 mm/min焊接速度，97%Ar+3%CO2保護(hù)氣體，氣體流量為16～20 L/min。

該電廠僅有1臺619 MWe沸水堆機(jī)組，于1964年啟動建設(shè)，1969年5月實(shí)現(xiàn)首次臨界，同年9月首次并網(wǎng)發(fā)電，12月投入商業(yè)運(yùn)行。在49年的運(yùn)行期間，該機(jī)組總計發(fā)電200 TWh，實(shí)現(xiàn)超過1.4億噸的碳減排。

08Al與T4003異種鋼焊接接頭兩側(cè)的熱影響區(qū)組織情況分別如圖6、圖7所示。由圖可知，08Al與T4003異種鋼焊接接頭兩側(cè)的熱影響區(qū)都由粗晶粒區(qū)和細(xì)晶粒區(qū)構(gòu)成，08Al側(cè)母材粗晶粒區(qū)和細(xì)晶粒區(qū)的晶粒尺寸小于T4003。

圖6 4003側(cè)微觀組織

圖7 08AL側(cè)微觀組織

根據(jù)《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》(GB/T 229—2020)及《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》(GB/T 2650—2008)開展了沖擊性能測試試驗(yàn)，結(jié)果見表6。在0 ℃時，T4003筒皮與08Al 軸承座焊接接頭焊縫區(qū)的沖擊功32.39 J，兩側(cè)焊接熱影響區(qū)的沖擊功分別為26.60 J和26.26 J；在-20 ℃時，焊縫區(qū)的沖擊功21.59 J，兩側(cè)焊接熱影響區(qū)的沖擊功分別為26.71 J和20.38 J。

表6 08AL與4003異種鋼焊接接頭沖擊試驗(yàn)

按照《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗(yàn)方法》(GB/T 2652—2008)和 《金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法》(GBT 4338—2006)，開展了拉伸性能測試。接頭抗拉強(qiáng)度362.03 MPa，延伸率26.20%。此外，還測量了焊接接頭的顯微硬度，結(jié)果如圖8所示。測量點(diǎn)間距為200 μm，測量范圍包括08Al側(cè)母材區(qū)、熱影響區(qū)、焊縫、T4003側(cè)熱影響區(qū)及母材區(qū)。由圖8可知，T4003側(cè)的硬度高于08AL側(cè)，原因是T4003側(cè)中產(chǎn)生了馬氏體，因此硬度較高。

圖8 焊接接頭硬度測試

3 T4003和Q345B切削性能對比

金屬材料切削加工性是指材料用刀具切削加工的難易程度，它具有一定的相對性，以45鋼的可切削性作為1，常用材料相對可切削性可用Kr來評價，Kr≥1.5的材料為很容易切削材料，而Kr<0.5的材料為很難切削材料[13-18]。

一定壽命下切削速度以VT表示，以切削正火狀態(tài)45鋼的V60作為基準(zhǔn)[寫作(V60)j]，將其他各種材料的V60與之相比，可得相對加工性Kr[19，20]。

Kr=V60/(V60)j(2)

不銹鋼Kr=0.15～1.0，是相對切削性較差的金屬材料，奧氏體不銹鋼304 (1Cr18Ni9)Kr=0.4，為難切削材料；調(diào)質(zhì)態(tài)馬氏體不銹鋼2Crl3的Kr=0.65～1，為稍難切削材料。經(jīng)熱處理的T4003不銹鋼的成分、組織與性能與2Cr13相近，Kr值也相近。

T4003是一種新型鐵素體不銹鋼，其微觀組織為鐵素體為主加少量馬氏，因此，其各項(xiàng)物理性能和力學(xué)性能指標(biāo)介于奧氏體不銹鋼與碳鋼之間。

3.1 加工硬化

在同一變形程度下，奧氏體不銹鋼的加工硬化程度最大，馬氏體不銹鋼的最小。而T4003不銹鋼是鐵素體為主并含有少量馬氏體不銹鋼的復(fù)相組織，加工硬化程度小[21-23]。

3.2 力學(xué)性能

一般來說，硬度和強(qiáng)度適中較好加工，塑性越大，越難加工，韌性越高，越難加工。奧氏體不銹鋼具有很高的延伸率、斷面收縮率和沖擊韌性，塑韌性大大高于碳鋼，當(dāng)切去相同體積的奧氏體不銹鋼和碳鋼時，前者耗能高約50%，因此，切削抗力大，溫度高，切削過程中切屑不易卷曲和折斷，切削性能很差；而T4003的強(qiáng)度和塑韌性介于45鋼和304之間，各項(xiàng)性能適中，具有較好的加工性能[24，25]。

3.3 導(dǎo)熱性和熱脹系數(shù)

導(dǎo)熱性越好的鋼，刀具和工件表面溫度相對低，不易在刀具和被加工金屬表面之間出現(xiàn)粘結(jié)現(xiàn)象，刀具使用壽命長，切削性能好；熱脹系數(shù)越大的鋼，加工區(qū)很小體積內(nèi)的由于熱膨脹引起的尺寸變化較大，精度難以保證[26]。

奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱性差(k=16.3W/(m·℃))，熱脹系數(shù)大，α=(16～20)×10-6k-1，而45鋼α=(10～12)×10-6k-1，T4003鐵素體不銹鋼的α=(12～14)×10-6k-1，與碳鋼接近，導(dǎo)熱性也優(yōu)于奧氏體不銹鋼，比45鋼稍差。因此，其切削性差于Q345B碳鋼，但優(yōu)于奧氏體不銹鋼。

鑒于T4003鐵素體不銹鋼的物理性能和力學(xué)性能，其切削性能優(yōu)于2Cr13不銹鋼，Kr值大于0.65。進(jìn)行T4003的切削加工時，與碳鋼相比，要注意以下要點(diǎn)：轉(zhuǎn)速降低，刀具進(jìn)給量要稍大，同時加冷卻液，選用YG型硬質(zhì)合金刀頭。

4 成本對比分析

鑒于T4003抗腐耐磨特性，不銹鋼托輥筒體采用了輕量化設(shè)計(筒皮由原來的4.5 mm減到3.5 mm)，托輥整體重量降低了27%。

2015年開始驗(yàn)證量產(chǎn)，成功試制首批T4003不銹鋼托輥16000個。當(dāng)年11月，不銹鋼托輥樣品20件上海檢測中心送檢。鑒定結(jié)果為：各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足《煤礦用帶式輸送機(jī)托輥技術(shù)條件》(MT 821—2006)要求，使用壽命≥50000 h。并且在神東上灣礦1.4/6000 m長距離帶式輸送機(jī)整機(jī)應(yīng)用，效果良好。Q345B和T4003材質(zhì)的托輥成本對比見表7，由表7可知，基于Q345B筒皮的托輥260元/個，基于T4003筒皮的托輥350元/個；但是Q345B筒皮的托輥使用壽命3萬h，對應(yīng)單位時間的使用成本為86.67元/萬h，T4003筒皮的托輥使用壽命5萬h，對應(yīng)單位時間的使用成本為70元/萬h；因此，T4003筒皮的托輥節(jié)約成本19.23%，性價比高。

表7 Q345B和T4003材質(zhì)的托輥成本對比(?159×540)

5 結(jié) 語

采用T4003不銹鋼作為托輥銅皮能夠有效解決傳統(tǒng)碳鋼Q345B筒皮托輥因銹蝕導(dǎo)致提前失效問題。雖然采用采用T4003不銹鋼會導(dǎo)致托輥制作成本提高，但托輥使用壽命也大幅度延長了。因此托輥使用成本也降低了，同時托輥使用壽命的增加能夠降低帶式輸送機(jī)托輥維護(hù)工作量，提高搬家倒面工作效率。因此，采用T4003不銹鋼筒皮的托輥在具有較高推廣應(yīng)用價值。