0 前言

近年来, 我国有色、黑色冶金矿山, 随着液压凿岩机的应用发展, 凿岩钎具取得突破性进展。但与国际先进水平对比还有一定的差距。

钎具是矿山凿岩作业的重要手段, 优质钎具可降低能量消耗、凿岩成本, 加快采掘进度, 改善操作条件, 取得技术经济综合效果。

为加速我国钎具的发展必须瞄准国际先进水平, 针对存在的差距探讨今后发展方向。对促进冶金矿山采掘工程发展具有重要意义。

1 国外凿岩钎具发展水平

自1871年瑞典生产中空钢以来, 经过对品种、工艺的大量研究工作, 使中空钢质量有了极大提高。1920年出现了高锰钢芯, 普遍为欧洲各国和日本采用。用SR法(磷化、挂腊)解决水孔内部防腐问题。将中空钢经锻造或机械加工成型、热处理工艺制成钎杆, 为提高其抗弯曲疲劳强度, 进行表面喷丸、滚压, 从而提高使用寿命30%~40%。直到40年代末才出现可供硬岩冲击凿岩用的十字锻造钎钢。自1947年开始使用镶焊硬质合金整体钎子, 至今广泛用于澳大利亚、欧洲和南美等地区的手持式、气腿式以及轻型导轨式凿岩机, 在井下掘进、回采中钻凿小直经炮孔。整体钎杆能否得到有效的应用, 主要取决于钎头与钎杆寿命的互相匹配以及解决在凿岩工作面附近重磨钎头设备等问题。实践表明, 整体钎杆具有冲击能量有效利用率高, 破岩有效、排粉及时、重复破碎少、纯凿岩速度高; 消除了活钎头与钎杆连接的薄弱环节, 增加了钎具寿命; 不装卸钎头、不易卡钎, 辅助作业时间短; 工人劳动条件得到改善, 节省钢材, 制造容易, 综合技术经济效益高。随着人们对提高凿岩效率、改善工作环境的日益增涨的需要, 逐渐被人们所重视。硬合金整钎取代活钎头和成品钎是凿岩钎具又一次重大更新换代。并逐步向凿岩台车方面扩展。

国外钎钢材料的发展也是很快的, 随着液压凿岩机的应用与推广, 凿岩钎具受力条件日益恶化, 使碳素钢钎逐步被合金钢钎取代。高碳铬钼钢耐磨性好, 疲劳强度高, 硬化能力强, 在瑞典、日本、美、苏等国得到广泛应用。中碳镍铬钼钢, 在调质状态下, 强度、塑性、韧性配合好, 由于含有少量钼, 改善了钢材的淬透性, 经热处理后得到马氏体, 保证了钎杆有较高的强度和足够的韧性。低碳镍铬钼钢, 含碳0.13%~0.25%，如果加入适量的Si、Mn而制成的FF-710钢, 在焊接温度下空冷, 可得到马氏体板条状的组织, 使疲劳强度和韧性有较大的提高, 易于加工、工艺性好, 是制造钎头体的良好材料。

钎头与钎杆连接方式, 根据ISO国际标准的规定:当钻凿孔径45mm以上的钎头基本上采用螺纹连接; 当钻凿直径45mm以下的小直径钎头以锥体连接为主, 少部分采用波形螺纹连接。无论采用哪种连接方式, 都要求钎头和钎杆固接在同一轴线上, 有效地传递冲击功。

螺纹连接钎头的螺纹型式有波形、反锯齿形和梯形三种。波形螺纹, 具有12.7mm的固定螺距, 随着螺纹直径加大, 螺旋线升角减少, 螺纹表面压力增高, 拆卸较困难, 只适合于螺纹直径小于32mm。

反锯齿形螺纹是美国Gardner-Denver公司提出的, 又称GD螺纹, 其螺距随螺纹直径增大而增加, 而螺旋线升角变化幅度不大, 牙侧接触长度也大于波形螺纹, 从而改善了螺纹受力状况和装卸性能, 常用于螺纹直径大于38mm。

梯形螺纹是一种易拆卸、寿命长的新型螺纹, 多用于螺纹直径大于38mm的比较理想。

锥形连接钎头多用于轻、中型凿岩机浅孔凿岩, 钎头直径一般小于51mm。钎裤的锥度有多种:加拿大、澳大利亚和非洲应用12°, 美国11°, 英国7渡, 欧洲为4°46′。一般说来, 对坚硬整体致密岩石常用11°、12°锥角连接牢固, 易于拆卸, 在多裂隙软岩中可能会出现掉钎头现象。7°锥角适用于多裂隙软岩, 而在坚硬岩石卸钎困难。4°46′锥角能保证钎头裙部坚固, 但也存在卸钎困难的问题。

无论何种连接形式的钎头的钎刃, 多为一字形、十字形、×字形和三刃形等刃片钎头和球齿钎头。一字形钎头制造修磨简单, 在坚硬致密岩层中凿岩效果好。十字或三刃钎头在节理发育的岩层中凿岩平稳、卡钎故障少。三刃钎头, 硬质合金片的位置恰使排粉沟断面积加大, 改善了排粉状况, 提高了凿岩效率, 降低了硬质合金用量。

球齿钎头具有适应性广、凿速快、炮孔圆直、不磨寿命长、改善劳动条件等优点。发展迅速, 结构形式甚多, 已形成完整的系列, 适应各种矿岩和机型, 将逐步取代十字形钎头。

根据特殊用途研制出导向钎头、反削钎头、反吹钎头等。导向钎头可以减小炮孔的偏移量。反吹钎头用于从孔底吸出岩粉排出孔外, 从而提高排粉效果。

近年国外钎具技术有了新的发展, 瑞典的Atlas copco公司和Secoroc Sandvik公司的产品仍保持世界领先水平。Sandvik公司研制成功Dual propety(DP)硬质合金柱齿。它由含钴量很低的外壳区, 含钴量最高的中间区和含钴量中等的核心区组成。该柱齿的外壳和核心的硬度高, 而在体积很小的中间区韧性却很大。在确定三个结构区的线性膨胀特性后, 便可达到使外壳处于永久压应力状态。这样即使在恶劣凿岩条件下, 也可以避免裂隙集结和扩展的危险。中间为高钴区整体残余应力状态和吸震作用增加了柱齿的韧性。在石灰岩中用直径45mmDP55锥形柱齿钻头平均使用寿命为3121m, 凿岩速度为1.48m/min。在美国某铜矿的Rivett石英岩凿岩中DP60型钎头平均寿命为83 m, 比原球齿钎寿命提高30m。该公司研制的导向钎头, 可以减少炮孔的偏移量, 通常控制在炮孔深度3%~3.5%范围内, 试验表明:钎头导向良好, 钻孔平直排粉顺利, 不降低柱齿钎头的凿岩速度和使用寿命。而且由于钎杆组件承受弯曲力小, 使钎杆寿命提高40%。

苏联研制的KTШ型三刃钎头, 镶有3个BK11B楔面柱状合金, 钎头体由合金钢制成, 经等温淬火, 钎料为镍锰黄铜。用于冲击功为250J的导轨式凿岩机, 平均寿命比十字形钎头高0.3~1倍。苏联KTП52-25三刃钎头, 三个合金片中有2片可相对于另一片偏移, 具有加宽、加深的向钎头体凹面的排粉槽, 在凿岩过程中冷却—冲洗液(气)直接送往孔底, 排除了钎刃破碎轨迹重迭的影响, 强化排粉, 减少岩粉过粉碎, 从而降低能耗, 提高凿岩速度。1988年在f=10~12砂岩中试验, 平均寿命较БУ52-25钎头提高2倍, 平均凿岩速度提高15%。

Krupp widia公司对硬质合金采用热均压工艺, 在氩气环境中约2000bar压力压制, 然后重新加热使残余疏松降低到最低限度, 增加抗磨蚀性强度。1988年该公司推出粗晶粒合金经均衡压工艺, 使含钴量由15%降到12%, 钎头寿命平均增加2~3倍。近来又推出陶瓷、钛、锆、镍涂层硬合金, 进一步提高了使用寿命。

浅眼凿岩用钎杆带有锻造钎肩, 加工过程中易出现各种缺陷, 使钎杆在钎肩处早期折断。近年出现装配式钎肩, 法国EurotungsteneSA公司出售带有橡胶钎肩的锥体连接钎杆和整体钎子。苏联东方采矿研究所(BOCTHЧГРИ)提出了钎杆上车削环形槽来固定装配式金属钎肩的方法。

液压凿岩机广泛的应用, 促进了钎杆的发展。接杆钎杆寿命与连接螺纹的耐磨性有关, 有的厂家生产把螺纹长度做成双倍尺寸以延长钎杆寿命。美国研制一种S螺纹(Spiral thread), 它在整个钎杆长度上都有滚压螺纹, 端部螺纹磨损后可不断地切去, 倒角后再用, 可提高寿命5倍。芬兰Airam Cometa公司最近推出MF钎杆是用阴阳螺纹接杆, 能量传递效率高, 螺纹耐磨性好, 炮孔圆直, 凿岩成本低, 钎杆寿命长。

瑞典Sandvik公司的带不锈钢内衬复合型Ni-Cr-Mo钎钢、硬质合金的整体钎。近年出现Sanbar61型钎钢, 是一种高强度硅钢, 热轧状态下有很好韧性和抗冲击能力。可以制造各种型式钎杆。

苏联东方采矿研究所研制的55C2和У7圆形钎杆在舍列格什矿务局进行生产试验。使用БУp-2型凿岩机, 钎头БГA-1型, 岩石硬度f=14~18, 钎杆平均寿命134m, 较原钎杆的使用寿命提高80%。

2 国内凿岩钎具的发展现状

我国凿岩钎具于1950年首次轧出了碳素工具钎钢, 70年代中期贵阳钢厂、新抚钢厂等单位完成了Si-Mn-Mo合金钎钢更新碳素钎钢, 轧制的成品钎杆具有较高的综合机械性能, 装有内衬管, 提高水孔内壁疲劳强度, 经过热处理、表面强化和防腐处理提高了使用寿命。80年代研制成功Ni-Cr-Mo钎具钢, 使我国钎杆的产品接近同年代瑞典和日本的产品水平。

1951年我国开始生产镶焊Bk15硬质合金片的一字形凿岩钎头, 1954年正式生产硬质合金以来, 镶焊硬质合金钎头产量迅速增加。为适应大功率、高频凿岩机的需要, 在60年代初对钎头几何形状、硬质合金成份、钎头体材质、机械加工和热处理、焊接工艺方面进行较全面研究, 使钎头使用寿命明显提高。70年代开展了小球齿钎头试验研究。长沙矿山研究院1980年Z40、Z43球齿钎头通过了部级鉴定, 相继1983年12月Z54、Z57也通过了鉴定。云阳钢厂和洛阳兴隆机械厂的φ51mm4齿、5齿、6齿三种钎头于1983年通过了鉴定。武汉地质学院(现为中国地质大学)、成都探矿机械厂和广济长江工具厂研制的中小球齿钎头也通过了鉴定。这批新钎头的使用寿命比原钎头提高2~4倍。与国外同时期瑞典Fagorsta公司和日本三菱公司的产品使用寿命相当。1982年地质部审定颁布了我国第一个中小直径硬质合金钎头部标准《DZ21-82》, 1985年审定通过了我国凿岩钎头、中空钎钢和成品钎杆第一个国家标准。目前我国钎具已形成系列并具有特色。

随着我国新型凿岩钎具的发展, 钎具质量的不断提高, 在钻凿极坚硬岩石用钎头的研制工作, 采用等静压先进技术进行强化处理, 合理设计钎头结构形状和性能参数, 钎头体采用优质合金钢, 研制成K610型硬合金片、铜基钎焊料和脱水焊剂, 应用新的焊接技术, 使四种直径为价φ40、φ60的钎头, 在单轴抗压强度为463MPa极坚硬的铁矿石上凿岩的使用寿命已达到12.6~14.3m/只, 超过国外同类产品的水平。国产马蹄型、三刃形和五齿形系列硬合金整体钎的研制成功, 并已打入国际市场, 不仅向第三世界国家批量出口, 而且远销美国和西欧。使我国凿岩钎具覆盖面越来越大, 使我国凿岩钎具与世界先进水平的差距正在缩小, 开始引起国际市场的注目, 已经显示出我国凿岩钎具的强大的后劲, 以及与国外名牌产品的竞争能力。

3 我国钎具研究展望

综上所述, 我国凿岩钎具研究近年来取得巨大的进展, 但与国外先进水平相比, 无论从产品的品种、产品质量和可靠性, 以及钎具使用技术方面尚有一定的差距。需要我们加速研究与发展, 在不远的将来达到或超过国外先进水平。

a.新品种产品的开发应以市场需要为前题, 以填补我国钎具空白为重点, 实现产品更新换代、标准化、系列化为目标。

通过试验研究表明:硬合金整钎凿入岩石应力峰值比活钎头高32.8%。说明硬合金整钎比活钎头冲击能量利用率高, 凿岩速度快。由于消除了连接部位的薄弱环节, 使活钎头合金齿脱碎、胀裤、裂裤、断腰、断梢、钎头掉入炮孔、钎杆早期折断等非正常损坏形式得以消除, 导致钎具寿命的增加。随着人们对提高凿岩效率、改善工作条件的日益增长的需要, 逐渐为人们普遍认识。然而我国硬合金整钎的研究工作刚刚起步, 许多单位还一直依赖进口。因此加速硬合金整钎的研究工作是刻不容缓的首要任务。

此外, 对大中直径的球形齿钎头和小于38mm的小钎头和六角型B38、B45及圆形D38、D45、D51mm长4~6m的重型的研究工作予以重视, 不断填补我国凿岩钎具的空白。

b.防止钎具早期破坏, 提高钎具质量和可靠性, 不断节省钢材和硬质合金消耗, 降低凿岩成本, 提高技术经济效益, 是我国钎具研究的中心课题。

提高钎具质量应从钢材品种、硬质合金性能、热处理工艺、结构参数、机械加工、钎焊和固齿工艺等方面入手, 同时也必须注意外观质量和包装质量, 保护商品、美化商品、扩展商品使用属性。不断提高钎具的可靠性和实用性, 以增强市场竞争能力。

c.研究钎具的使用技术, 不断延长钎具的使用寿命, 提高凿岩效率, 是凿岩钎具研究的重要任务。

钎具使用寿命是由钎具本身的质量和科学使用方法两方面的因素决定的, 如钎具质量差, 无论怎样精心使用都无济于事, 反之再好的钎具如不按科学方法合理使用同样会提前报废。诸如钎具品种、规格的合理选择, 硬合金与矿岩性质的匹配, 钎头直径与凿岩机冲击功的匹配, 钎头的正确拆装, 凿岩过程中开孔操作、卡钎处理等使用技术的研究, 势必充分发挥凿岩钎具的潜在效能。钎头受载极为苛刻, 主要承受循环交变载荷, 磨损和腐蚀作用, 使之在凿岩过程中自身不断的磨钝。如果继续使用时凿岩机输出能量不是用于破碎矿岩, 而以应力波的形式反射回钎刃, 使钎头和凿岩机另部件受力恶化, 引起钎头异常破坏, 凿岩速度急剧降低。因此, 进行合理修磨工艺和设备研究势必延长使用寿命的重要措施。

可以预见, 通过一系列的钎具研究的工作, 定会实现我国凿岩钎具的现代化和"振兴矿业"的战略目标, 为促进矿山采掘工业的发展做出贡献。这是我们义不容辞的艰巨任务。