朱秀光，穆潤青，張彥斌，梁小凱，張彩霞，李 誠

(1.中煤張家口煤礦機械有限責任公司，河北 張家口 076025；2.河北省高端智能礦山裝備技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 張家口 076025；3.鋼鐵研究總院有限公司工程用鋼研究所，北京 100081)

刮板輸送機是煤礦井下綜采工作面重要的運輸設(shè)備，為滿足安全高效集約化礦井的生產(chǎn)需求，自20世紀80年代以來，國內(nèi)外刮板輸送機不斷向大運量、長運距、大功率、長壽命與高可靠性方向發(fā)展，這對設(shè)備的可靠性及使用壽命提出了更高的要求。刮板輸送機中部槽占整機比重達90%以上，中部槽中底板一般采用軋制耐磨鋼板，考慮到加工成本、焊接性能和材料穩(wěn)定性，目前中底板用耐磨鋼最高硬度級別是NM450。據(jù)統(tǒng)計，我國每年報廢的中部槽多達50～60萬節(jié)，煤炭采運消耗的耐磨鋼板達30萬t/a，年損失400億元人民幣，因中底板磨損而致設(shè)備報廢的比例達70%以上，研究和探索在不增加硬度來提高耐磨性的方法，一直是廣大研究者關(guān)注的重點[1-5]。

本文通過對新型高耐磨性鋼板(牌號為：ZM4-13，以下簡稱ZM4-13)的抗磨機理研究，常規(guī)低合金馬氏體耐磨鋼(以下簡稱常規(guī)耐磨板)和ZM4-13在的實驗室磨損對比，以及常規(guī)耐磨板和ZM4-13在同工況對比測試的研究，經(jīng)驗證，ZM4-13的耐磨性較相同硬度的進口優(yōu)質(zhì)耐磨鋼板提高30%以上。

ZM4-13是國家重點研發(fā)計劃重點基礎(chǔ)材料技術(shù)提升與產(chǎn)業(yè)化重點專項研究成果，是中煤張家口煤礦機械有限責任公司以煤炭綜采工作面刮板輸送機用耐磨鋼板為研究對象，聯(lián)合鋼鐵研究總院、江陰興澄特種鋼鐵有限公司等科研院所開展的科研項目，項目成果突破了常規(guī)耐磨板依靠提高硬度來提高耐磨性的簡單對應(yīng)關(guān)系，其是在常規(guī)耐磨板中引入多尺度TiC硬質(zhì)顆粒來增強材料耐磨性的技術(shù)理論體系。

牌號ZM4-13的含義是：ZM為中煤和張煤的拼音縮寫，4為試驗階段的第4種新材料配方，13為材料抗拉強度1300 MPa以上。

1 常規(guī)耐磨板和ZM4-13的抗磨機理

1.1 常規(guī)耐磨板

常規(guī)耐磨板即低合金馬氏體耐磨鋼主要是通過合金元素 Cr、Ni、Mo、Mn等的合金化作用，經(jīng)淬火、回火熱處理工藝獲得馬氏體組織[6]。因低合金高強度馬氏體鋼中存在高位錯的板條狀馬氏體，故其具有很高的硬度，且能夠較好的阻止磨損時裂紋的擴展，因此這類鋼有較好的綜合力學性能和耐磨性，其磨損方式如圖1所示。文獻[7]指出低合金耐磨鋼在中等沖擊磨損的條件下比奧氏體高錳鋼更具有優(yōu)越性，且綜合力學性能比高錳鋼好一倍多，但是在高應(yīng)力的沖擊磨損條件下，耐磨性的優(yōu)越不是很明顯[8-12]。

圖1 常規(guī)耐磨板的磨損方式

1.2 刮板輸送機用耐磨板現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外刮板輸送機中底板均采用常規(guī)耐磨板，國際知名的耐磨板提供商有：瑞典SSAB的 HARDOX 系列、德國迪林根系列和日本JFE系列，國內(nèi)耐磨鋼生產(chǎn)廠家有：南鋼、興澄特鋼、寶鋼、包鋼等。其中瑞典SSAB公司生產(chǎn)的 HARDOX 系列耐磨板質(zhì)量穩(wěn)定，耐磨性優(yōu)良，在煤礦用戶的認可度高，近年來，隨著國內(nèi)鋼廠對耐磨鋼材料的深入研究和制造裝備的提升，國產(chǎn)耐磨板的質(zhì)量也接近進口質(zhì)量。就優(yōu)質(zhì)煤層、常規(guī)采煤工作面的中重型設(shè)備而言，常規(guī)耐磨板能夠滿足需求，但對于矸石含量高和超重型設(shè)備而言，常規(guī)耐磨板很難夠滿足設(shè)備設(shè)計需求。

1.3 刮板輸送機中板磨損形式

對刮板輸送機中底板失效形式大量歸納可知：失效的刮板輸送機中底板，在刮板鏈所在位置均有一條深深的磨損溝。研究表明：在一定磨料條件下，磨損量與所加載荷成正比，與材料的硬度成反比。在處于同一工況的中板上，在鏈道處，不僅有煤等物料提供正壓力，更有比煤密度大7倍的鏈條提供更大的正壓力，這是中板在鏈道處磨損更明顯的主要原因[9]。由此得出：在研究刮板輸送機中底板的磨損失效問題上，應(yīng)主要研究三體間的軟硬磨料下的磨料磨損。

根據(jù)磨料磨損理論可知：在載荷、磨料一定的條件下，耐磨板的磨損量與磨粒壓入深度的平方成正比，與磨粒形成犁溝的橫截面積成正比，而壓入深度與材料硬度成正比[13，14]。

提高中部槽中板耐磨性的常規(guī)手段為提高基體的硬度，利用減少磨損過程中犁溝的深度來降低磨損產(chǎn)生量，進而達到提高設(shè)備運行壽命的目的，但硬度增加的同時，往往會給鋼板的韌塑性、成型性和焊接性等帶來負面影響，且對加工能力提出了更高的要求。為了保證焊接、機加工等性能，現(xiàn)階段在刮板輸送機中板上采用的耐磨板硬度一般不超過HB450。

1.4 ZM4-13抗磨機理

根據(jù)磨料磨損理論可知：減少磨損量的方式還有一種為減少犁溝的橫截面，即：減少犁溝整體體積也能達到提高耐磨性的目的。ZM4-13是在常規(guī)馬氏體耐磨板基礎(chǔ)上在基體中增加維式硬度達3200 HV的TiC硬質(zhì)顆粒，不提高基體硬度，從根本上改變了耐磨鋼板的抗磨機理。當磨料磨損鋼板表面時，通過彌散在耐磨鋼中的TiC硬質(zhì)顆粒將磨料棱角鈍化或擊碎，阻礙了磨料對鋼板的磨損，進而提高了鋼板的耐磨性[15-19]，其磨損方式如圖2所示。

圖2 ZM4-13的磨損方式

為驗證上述機理，對ZM4-13和常規(guī)耐磨板的金相組織進行了分析，如圖3所示。并對兩種材料進行了實驗室磨損對比、工況運行對比、以及工況運行后表面掃描分析。

圖3 ZM4-13和常規(guī)耐磨板金相組織

1.4.1 實驗室驗證

實驗室磨損試驗：對實驗鋼進行干砂橡膠輪磨粒磨損試驗，試驗標準按照ASTM G65執(zhí)行，使用設(shè)備為：MLS-225濕式橡膠輪磨損試驗機；載荷為170 N，磨損介質(zhì)為1 L水+1 kg石英砂；磨損試件：每種材料各3件；磨損方案：6件試件交叉排序在1 kg石英砂+1 kg水的介質(zhì)中各預(yù)磨1000轉(zhuǎn)后清洗稱重，接著在相同介質(zhì)中交叉終磨1000轉(zhuǎn)后清洗稱重，計算每組失重量；檢測試件成分和具體磨損數(shù)據(jù)見表1、2，可以看出，ZM4-13的相對耐磨性是相同硬度進口優(yōu)質(zhì)鋼板的1.5倍。

表1 化學成分 %

表2 磨損數(shù)據(jù)對比

1.4.2 工況驗證

為進一步驗證ZM4-13的耐磨性能，選擇在陜北某礦進行了工業(yè)運行驗證，試驗方案為：在該礦某工作面刮板輸送機中板上各采用了20件中板分別用進口NM450和ZM4-13，且將其均連續(xù)安裝，保證了試驗件在同一工況下進行。經(jīng)過一段時間運行后，切割下中板進行定量分析，磨損后試件表面金相分別如圖4、圖5所示。

圖4 進口NM450工況運行后的磨損表面形貌

圖5 ZM4-13工況運行后的磨損表面形貌

由上述分析可知：①ZM4-13金相組織，基體為馬氏體，亮色析出物為TiC；常規(guī)耐磨板金相組織為馬氏體。②常規(guī)耐磨板工況運行后微觀磨痕，出現(xiàn)明顯犁削痕跡，以塑性切削為主的磨損機制。③ZM4-13工況運行后微觀磨痕可見，硬質(zhì)點阻礙了犁溝的繼續(xù)形成；硬質(zhì)點使劃痕變淺。

2 應(yīng)用案例

為進一步驗證ZM4-13的工況運行壽命，在多礦進行了工業(yè)運行驗證，如：在山西某礦某工作面(煤矸石含量45%以上)安裝了ZM4-13、進口NM450材料的鑄焊結(jié)構(gòu)中部槽和整體鑄造中部槽，運行15個月后升井，過煤量450余萬t，三種不同類型中板的磨損量如圖6所示，實測數(shù)據(jù)顯示：折算到100萬t過煤量，整體鑄造材料中板的磨損量為ZM4-13的1.56～2.6倍，進口NM450中板的磨損量為ZM4-13的1.35～2.09倍。

圖6 山西某礦運行數(shù)據(jù)

另如：神華某礦某工作面后部安裝了100節(jié)ZM4-13中底板中部槽和50節(jié)進口NM450中底板中部槽，中板厚50 mm。11個月后完成工作面運輸工作升井，過煤量達400萬t。后經(jīng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)測量：鏈道處ZM4-13中板百萬噸過煤量磨損量為1.66 mm，進口NM450磨損量為2.77 mm；中部非鏈道處ZM4-13中板百萬噸過煤量磨損量為0.89 mm，進口NM450磨損量為2.02 mm。ZM4-13中板百萬噸過煤量磨損量較進口NM450減少了1/3以上。以上僅羅列了2個礦上同一工作面混裝運行數(shù)據(jù)，如上檢測數(shù)據(jù)還有很多，多項數(shù)據(jù)顯示：ZM4-13的耐磨性優(yōu)于進口NM450和整體鑄造材料。

3 結(jié) 論

1)研究了一種在常規(guī)馬氏體耐磨板基體中增加TiC粒子增強耐磨性的新型耐磨鋼板ZM4-13，分析了ZM4-13與常規(guī)耐磨板的不同磨損形式，并通過微觀金相進行了驗證；

2)對比研究了 ZM4-13與常規(guī)耐磨板的實驗室耐磨性和工況運行耐磨性，數(shù)據(jù)顯示：ZM4-13耐磨板的耐磨性是進口NM450的1.5倍左右。

3)在微沖擊、以磨料磨損為主的磨損面采用ZM4-13來提高設(shè)備運行壽命的方案是可行的。