專利名稱:高錳鋼電鏟鏟齒的復合再生新工藝的制作方法
本發(fā)明屬于利用定向凝固理論和電渣堆焊方法使磨損電鏟鏟齒再生新工藝。
目前，在大型露天礦山的開采中，電鏟的鏟齒磨損極為迅速，在F＝14～18礦巖剝離條件下，鏟齒使用1～2周就必須更換。同樣在煤炭開采、地質、水電、鐵路、交通等部門使用的電鏟鏟齒，雖然不及冶金礦山系統(tǒng)耗量大，但其總數(shù)也不少。僅據初步統(tǒng)計，鞍山鋼鐵公司所屬主要礦山年耗電鏟鏟齒達6500個，用去高錳鋼854噸，按每噸2200元計算，每年就需185萬元。冶金工業(yè)部系統(tǒng)年用于電鏟鏟齒的高錳鋼達4700噸，折合人民幣超過一千萬元。在其他系統(tǒng)中，僅東北三省及內蒙古自治區(qū)煤礦用鏟齒年耗高錳鋼可達1950噸。由此可見，減少鏟齒的消耗是具有重大經濟效益的。
當前國內外主要是從材質和結構兩個方面來提高電鏟鏟齒使用壽命的。結構改進是變整體鏟齒為復合式鏟齒。這種結構型鏟齒在日、美等國正廣泛應用。其優(yōu)點是套齒互換性強，拆卸方便，節(jié)省材料，但其缺點是精鑄工藝復雜，不易掌握。
使用整體式鏟齒，其歷史悠久。它的優(yōu)點是澆鑄方便，無精度要求，成本低。但其缺點是，一旦鏟齒尖磨損，整個鏟齒就要報廢。所以歐、美、日等國采用在高強鋼中添加鉻、鉬等合金元素進行固溶強化和彌散強化來提高鏟齒壽命。但其缺點是冶煉工藝和熱處理工藝較為復雜。
使用ZGMn13高錳鋼做電鏟鏟齒是最常用方法，但使用壽命還應提高。許多國家通過在ZGMn13鋼中加入鉻、鉬、鎢、釩等合金元素來提高其使用壽命，但缺點是熱處理周期長，經濟效益低，不宜推廣。
為了提高鏟齒壽命，國內外還曾采用在鑄造鏟齒上堆焊高碳，高鉻、鉬、硅等合金元素。使用這種方法，雖然鏟齒使用壽命提高了，但成本也顯著增加，并且堆焊易造成鏟齒表面過硬，堆焊層易剝落。因此用堆焊方法提高鏟齒壽命也不理想。
1981年蘇聯(lián)完成了用電渣堆焊方法修復磨損鏟齒的試驗，1982年蘇聯(lián)批準了該項專利，其專利號為775943。這種工藝修復的再生鏟齒其使用壽命相當于鑄造新齒的使用壽命。這樣相對壽命提高一倍，達到了節(jié)約金屬材料的目的。
1985年3月蘇聯(lián)又采用電渣熔焊橫向法再生鏟齒。它的方法是在鏟齒尖部均勻加高鉻鑄鐵。這種鏟齒由于均勻合金化能保持鋒銳的自磨刃角，因此提高了使用壽命，達到了節(jié)約能源和金屬原料消耗的目的。
但是蘇聯(lián)修復磨損報廢鏟齒的工藝沒有應用定向結晶理論，即使再生鏟齒的堆焊部分得到定向結晶的組織結構。因為橫向電渣堆焊法無法消除被焊高錳鋼和高鉻鑄鐵所產生橫向裂紋的危害性，又由于焊接的鏟齒部分與鏟齒工作受力方向垂直，在電鏟工作時，很容易使裂紋擴展，以至使鏟齒折斷。同時他們采用熱渣法堆焊，這樣就難于控制結晶成核和核長大，所以不能保證結晶時橫向晶粒細化。
鑒于上述問題，本發(fā)明從挖掘高錳鋼潛力出發(fā)，利用定向結晶理論，采取電渣堆焊方法來修復磨損電鏟鏟齒。本工藝裝置和流程見附圖1。在廢鏟齒端部(1)焊以相同材質金屬(M13)做為自耗電極(2)，在渣池(3)形成以后，插入有冷卻水(4)的結晶器(5)中進行熔煉，待熔化完畢后，對磨損鏟齒加熱數(shù)分鐘使端部熔化，再與熔鑄部分(6)對接，拔模以后，即形成了新型復合再生鏟齒。
本發(fā)明使用的結晶器形狀與鏟齒工作部分外形相似。熔焊時采用冷法造渣，即把CaF2為基礎的加入MgO，CaO，Al2O3，MoO的中性渣以固體形式裝入結晶器內，然后通電熔化。采用冷法造渣有利于增加結晶成核質點，細化鋼的組織。在本工藝中采用粗電極、大填充比、電極淺埋入形式進行電渣堆焊的。見附圖2。所謂粗電極、大填充比是指電極與容納電極的結晶器周圍保持一定安全距離尺寸，其安全距離尺寸應在10～30毫米之間。電極淺埋入是指電極進入渣池的深度hE要保持在10～30毫米之間。在堆焊過程中，渣池深度hs要控制在80～100毫米，熔池深度hm應小于a，最佳深度應在a～ 3/4 a之間，a表示渣池底長邊尺寸。在堆焊時，堆焊電流I保持在1500～3500安培，對接處電流為4000～6000安培。由于采用上述方法，這樣就使熔池受熱由點熱源變成面熱源，結晶角接近于零度，保證了堆焊部分按縱向結晶。
按照金屬學理論，柱晶生長的外因是傳熱的方向性，內因是晶體生長速度和各向異性。柱晶的晶界是雜質和氣泡等富集地區(qū)，是高錳鋼凝固產生裂紋的根源。由于采用了本工藝，改變了高錳鋼的結晶取向，控制了晶粒生長速度，可使高錳鋼的柱狀晶與液體的金屬界面，依金屬的組成、凝固速度和方向，使結晶成為柱狀的。本發(fā)明的堆焊凝固是以結晶器尖部一端逐步向上發(fā)展的結晶過程，整個柱狀晶是同向的，即平行于電鏟受力方向。這樣在縱向上具有較好的強度，硬度和韌性。在鏟齒工作時，對于已存在的或新產生的晶間裂紋，由于和受力方向同向，所以裂紋不易延伸和擴展。同時定向結晶使奧氏體橫斷面晶粒細化，夾在平行柱晶之間的碳化物顆粒不易脫落這些都大大有利于提高鏟齒的使用壽命。
用電渣堆焊法修復的磨損高錳鋼鏟齒，于1985年9月至11月分別在鞍山鋼鐵公司東鞍山鐵礦1號和18號電鏟進行了試驗，其結果如下1、1號電鏟1號電鏟鏟齒全部使用電渣堆焊法修復的再生鏟齒，試驗時間為11天，礦巖硬度F＝18～20，共挖礦20387噸，挖巖64220噸，合計為84607噸。在同一采區(qū)原高錳鋼鑄造鏟齒綜合挖礦巖量為40000～50000噸。再生鏟齒使用壽命比原齒提高50～60%。
2、18號電鏟18號電鏟使用一個再生鏟齒與4個鑄造鏟齒同時挖掘。試驗時間為37天，巖石硬度F＝8～10，挖巖量144538噸。在再生鏟齒試驗37天內，原鑄造鏟齒更換二次，再生齒沒更換。
綜合試驗結果，復合再生新鏟齒比原鑄造鏟齒的使用壽命明顯提高，至少可提高50%。從而節(jié)約了大量金屬材料，增加了經濟效益同時由于減少了換齒時間，也提高了勞動效率，減輕了工人勞動強度。
使用電渣堆焊法對磨損高錳鋼廢鏟齒復合再生，它的經濟效益是相當可觀的。以鞍山鋼鐵公司為例，年耗電鏟鏟齒的高錳鋼845噸，如果按80%的鏟齒可以回收，每個再生鏟齒壽命按提高50%計算，扣除再生齒的成本，每年經濟效益可達156萬元，還可節(jié)電30多萬度。如果按此推算，使用此工藝，冶金部系統(tǒng)可創(chuàng)年效益800多萬元，節(jié)電160萬度。
權利要求
1.一種利用定向凝固理論采用電渣堆焊方法，修復磨損電鏟鏟齒的再生工藝，是在磨損鏟齒端部(1)焊以相同材質金屬做為自耗電極(2)，在渣池(3)形成后，插入有冷卻水(4)的結晶器(5)中進行熔煉。熔化完畢后，加熱磨損鏟齒使端部熔化，再與熔鑄部分(6)對接，形成新型復合再生鏟齒。本發(fā)明的工藝特征是用粗電極、大填充比、電極淺埋入方法和用冷法造渣進行電渣堆焊。在堆焊過程中，控制渣池深度hs和熔池深度hm，控制堆焊工作電流I，使焊接到磨損鏟齒上的金屬具有柱狀的組織結構。
2.權項1所述的冷法造渣，其特征是把CaF2為基礎加入MgO、CaO、Al2O3、MoO的中性渣以固體形式裝入結晶器內，然后通電熔化。
3.權項1所述的粗電極大填充比，其特征是電極與容納電極的結晶器周圍保持一定安全距離尺寸，其安全距離尺寸在10～30毫米之間。
4.權項1所述的電極淺埋入，其特征是電極進入渣池深度hE要保持在10～30毫米之間。
5.權項1所述的渣池深度，其特征是渣池深度hS應控制在70～100毫米之間。
6.權項1所述的熔池深度，其特征是熔池深度hm應小于a，hm最佳值在a～ 3/4 a之間，a為渣池長邊尺寸。
7.權項1所述的堆焊工作電流I，其特征是堆焊電流I控制在1500～3500安培，對接處電流I控制在4000～6000安培。
8.權項1所述的柱狀組織結構，其特征是該柱狀組織結構應是同向的，即平行于鏟齒工作時受力方向。
專利摘要
一種利用定向凝固理論和電渣堆焊方法使磨損電鏟鏟齒再生新工藝。它要求使用的結晶器形狀與鏟齒工作部分外形相似，熔焊時采用粗電極大填充比，電極埋入渣池深度hE控制在10～30毫米，渣池深度hs控制在80～100毫米，渣池深度h
文檔編號B23K25/00GK86104011SQ86104011
公開日1988年2月10日 申請日期1986年6月17日
發(fā)明者尤隆潤 申請人:鞍山鋼鐵公司, 鞍鋼礦山公司研究所導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan