液壓開鐵口機鉆桿卡具的維修制備方法研究

張守喜，韓佳東

（本鋼板材煉鐵總廠，遼寧 本溪 117000）

0 引言

開鐵口機是用于鉆開高爐出鐵口，使爐內鐵水順利流出的關鍵設備。它的可靠性和使用性能直接關系到高爐煉鐵的生產效率。目前，國內大型高爐開鐵口機裝備大都采用進口，在使用過程中，經常會因為開鐵口機鉆桿卡具螺紋損壞失效，進而產生黏著現象，將螺紋鎖死，無法拆卸，導致設備的長時間停機，嚴重影響高爐生產，所以急需改進開鐵口機鉆桿卡具的結構及維修制備方法。

1 結構與工作原理

液壓開鐵口機主要由支座、回轉機構、吊掛機構、鉆架機構等組成[1]。液壓鑿巖機安裝在鉆架機構上，工作時做高速旋轉和高頻率軸向擊打的復合運動，不斷地沖擊鉆桿卡具，同時帶動鉆桿高速旋轉[2]。在鉆鐵口的過程中，鉆桿卡具把能量傳遞給鉆桿，在沖擊力的作用下，呈尖楔狀的鉆頭將出鐵口內堅硬的耐火材料鑿入一道凹痕，退回后，鉆桿轉過一定角度，向前運動，再次沖擊鉆桿卡具時，又形成一道新的凹痕，兩道凹痕之間的扇形顆粒被鉆頭上產生的沖擊力壓碎，并從鉆桿卡具中間孔連續地輸入壓縮空氣和壓力水，將顆粒吹出孔外，即形成一定深度的圓形鉆孔，直至把鐵口鉆透[3]。

2 失效原因分析

1）鉆桿螺紋滑牙。

開鐵口機工作時，鉆架機構處在主鐵溝正上方，鉆桿擰在卡具內，曝露在高溫、粉塵惡劣環境中。由于嚴重過熱會造成鉆桿螺紋的金相組織粗大，且具有明顯的方向性排列位向組織及粗大的奧氏體網狀晶界，從而使材料的力學性能嚴重降低。由管柱力學可知，越向前沖擊鐵口時鉆桿承受的壓縮載荷越大，越向后沖擊鐵口時鉆桿承受的拉伸載荷越大。鉆桿螺紋始終受到交變載荷作用，導致螺紋牙表面產生微小的裂紋和劃痕，從而裂紋逐漸擴展，最終導致螺紋牙斷裂（如圖2（a））。

圖1 進口開鐵口機結構圖

圖2 鉆桿及卡具失效

2）鉆桿及卡具螺紋變形。

鉆桿及卡具螺紋材料的質量、材料性能不符合要求，硬化不足、加工誤差、潤滑不良、過熱、過冷等因素都可能導致螺紋失效。開鐵口機在使用過程中，鐵口耐火材料的高溫結焦硬度呈無規律變化狀態，當遇到堅硬鐵口時，為了不影響高爐生產需快速打開鐵口，需要過度甚至超負荷加力使用，使鉆桿及卡具連接螺紋被過度緊固，導致載荷集中作用在螺紋的某一局部，轉矩和拉力超過螺紋的承載能力，最終螺紋材料產生塑性變形而失效，從而造成鉆桿與卡具鎖死而無法拆卸[4]（如圖2（b）、圖2（c））。

3 維修方法

設計一種開鐵口機的鉆桿連接卡具，卡具為帶端頭的圓柱形，卡具的端頭處設有對稱的兩個側面，卡具的端頭內部設有鉆桿連接孔，卡具的尾桿內部設有連接螺紋，卡具的中心設有單向閥安裝孔，鉆桿連接孔與單向閥安裝孔之間設有通孔，卡具的兩個側面之間設有定位鎖緊孔，定位鎖緊孔與鉆桿連接孔呈十字交叉；單向閥放置在單向閥安裝孔內，卡具通過連接螺紋與開鐵口機連接，鉆桿插入鉆桿連接孔中，定位銷插入定位鎖緊孔內，鎖扣安裝在定位銷的端頭上。其中鉆桿連接孔的出口處設有月牙槽，月牙槽的作用是便于鉆桿拆卸（如圖3（a））。鉆桿螺紋處改為凹槽結構，凹槽截面設計為直角梯形，梯形銳角為30°。新增加一個定位方銷，外形尺寸與鉆桿凹槽相匹配，端部設置定位銷孔。鉆桿插入連接卡具內，采用定位方銷穿過鉆桿凹槽與連接體固定，同時定位方銷用鎖扣鎖死的方法，限定鉆桿軸向竄動和徑向跳動[5]（如圖3（b））。

圖3 鉆桿及卡具

圖4 卡具加工工藝圖

4 卡具制備方法

卡具選用材料成分按質量百分比計（如表1），制備工序為：制做坯料→鍛造坯料→去應力退火→機械加工→淬火→低溫回火。

表1 卡具材料成分質量百分比%

1）制做坯料。按材料成分質量百分比鑄造坯料。

2）鍛造坯料。將規格為φ170×500 mm料坯進行鍛造加工。始鍛溫度為1150～1200 ℃、終鍛溫度為800～850 ℃；鍛造過程中只允許拔長，確保“流線”合理分布，嚴禁鐓粗，以防止晶粒破碎，且要一次性鍛成。

3）去應力退火。坯料經鍛造后，在箱式電阻爐中，將坯料緩慢加熱到650 ℃，保溫3 h，然后隨爐冷卻到室溫。消除殘余應力外，降低強度和硬度，細化晶粒，均勻成分，使其硬度達到21～27 HRC范圍，便于機械加工[5]。

4）機械加工。

a.平端面。粗加工卡具左、右端面，兩端面見光即可停止，保證兩端面的之間長度尺寸為490±0.2 mm。

b.車外圓柱面。右端φ160 mm外圓柱面見光即可。然后調轉方向，在距左端面210 mm長度上精加工外圓柱面，并保證直徑尺寸φ110mm，表面粗糙度的最大允許值為Ra0.8 μm；圓柱度公差為0.05 mm；φ160 mm與φ110mm抬肩過渡圓角為R20 mm。

d.車螺紋。大徑63×15.5（螺距）為左旋圓弧非標準螺紋。

e.銑平面。以φ34 mm孔與φ38 mm孔中心線的連線為基準，在右端φ160 mm外圓柱面上銑兩個平行平面，并且平行平面間距離為105 mm。

f.線切割方孔。距右端面51 mm、同時距φ38 mm孔中心線12.5 mm處為基準點，在步驟e.所銑平面上劃線44 mm×24 mm，線切割該長方形孔，打磨后長度（44±0.1）mm；寬度為24mm。

5）淬火＋低溫回火。采用75 kW鹽浴爐，鹽浴淬火前預熱溫度為650 ℃，保溫時間為100 min，鹽浴加熱溫度為860 ℃，保溫時間25 min。等溫在270 ℃的硝鹽槽中進行，等溫時間為60 min。其組織為板條馬氏體與粒狀貝氏體的混合物，硬度為40～45 HRC。回火溫度為200 ℃，保溫時間為120 min，目的是使卡具心部和表面溫度均勻一致，保證組織轉變的充分進行，以及淬火應力得到充分消除[6]。

5 實際應用

對新維修制備的鉆桿卡具進行質量檢測，承受沖擊頻率為29.5 Hz，轉速為320～410 r/min，承受轉矩為560～850 N·m，承受振打壓力為10～18 MPa。振打壓力提高到18 MPa，鉆桿連接孔軸線與連接螺紋孔軸線同軸度公差為φ0.01 mm[7]，單套價格由原來2.1 萬元降至0.65 萬元，節省1.45 萬元，年創效益155 萬元（如表2）。

表2 鉆桿卡具的各項指標對比

設計結構巧妙，能夠起到連接作用且能夠通水、通風、冷卻鉆頭和吹走碎屑，也能夠防止高溫蒸汽和爐渣倒流進入開鐵口機體內部（如圖5）。只需要摘掉鎖扣、拔出定位方銷即可完成快速更換鉆桿，輕便準確靈活,無卡阻現象，提高維修功效5倍以上，杜絕了鉆桿與卡具之間咬死現象的發生，避免了高爐長時間停爐帶來的巨大損失。鉆桿實際長度由原來5100 mm延長至5600 mm，開鐵口深度最深可達4500 mm，使用壽命與進口卡具相同，甚至超過更換周期，完全能夠滿足進口TMT液壓開鐵口機的工作條件與性能要求。而且提高了液壓泥炮的使用率，延長泥缸的服役年限，最大限度地降低生產成本，也可為高爐其他機械零部件的修復提供經驗參考[8]。

圖5 卡具改進前后對比

6 結論

1）設計結構巧妙，能夠起到連接作用且能夠通水、通風，冷卻鉆頭和吹走碎屑，也能夠防止高溫蒸汽和爐渣倒流進入開鐵口機體內部。只需要摘掉鎖扣、拔出定位方銷即可完成快速更換鉆桿，輕便準確靈活,無卡阻現象，提高維修效率5倍以上，杜絕了鉆桿與卡具之間咬死現象的發生，避免了高爐長時間停爐引發的巨大損失[9]。

2）選用特殊的合金結構鋼，特別是材料中包含Ce，Ce與C結合后形成化合物，分布在晶粒間可改善組織性能，起到細化晶粒、強化材料力學性能的作用。采用特殊的熱處理方式，其組織為板條馬氏體與粒狀貝氏體的混合物，板條馬氏體具有良好的強度和較好的塑性和韌性，粒狀貝氏體具有高的耐沖擊和疲勞強度。

3）采用特殊的機械加工步驟，確保鉆桿連接孔軸線與連接螺紋孔軸線同軸度公差為0.01 mm。制得的零件能滿足下列要求：承受沖擊頻率為29.5 Hz，轉速為320～410 r/min，承受轉矩為560～850 N·m，承受振打壓力為10～18 MPa[10]，解決了國內高爐進口開鐵口機鉆桿卡具長期依賴進口的技術難題。