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长寿命冲击凿岩钎杆——工业炸药和凿岩机发明后困扰世界采掘工业的百年难题
摘要：用在岩矿石中冲击凿孔的凿岩钎杆，是人类所有机械工具中受力条件最苛刻、使用寿命最短、基础工业必备的大量消耗性工具，因此，研制长寿命冲击凿岩钎杆已成为全球采掘工业高效、低耗凿岩必须解决的跨世纪重大工程技术难题。这需要各方面专家的长期通力合作，建设以“硬质合金复合片齿钎具”、“一步法新型硬质合金”和“长寿命冲击凿岩钎杆”为标志的现代化凿岩钎具工业。
关键词：凿岩工具；钎钢；长寿命钎杆；首锻次寿命
中图分类号：TD421.2+5 文献标识码：A1 引言 人类社会的发展史，也可以说就是工具的进化史。工具的进步程度，直接显示社会的发展水平。在人类向自然索取资源的历史长河中，凿岩工具自始至终伴随着人们开发资源和征服岩石的伟大斗争。中国的冲击凿井术经过漫长的发展演变，形成了举世闻名的“顿钻”技术，通过传教士流入西方以后，对石油的钻采，对整个人类文明进步起到了非常大的推动作用。美国一些石油钻井工程专著中，开篇就是一幅中国自流井工人的凿井图，德国克劳斯太尔大学的钻井教科书，首篇就讲中国自流井的凿井技术。可见，中国的冲击凿井术实为世界钻井工程之先声，已为世界所公认。鉴于冲击凿井术对华夏和世界文明发展的巨大和深远影响，中国科学家提出一种观点，建议将其列为我国古代科学技术的第五大发明〔1〕。
19世纪中叶，瑞典的冶金和采矿技术处于世界领先水平，诺贝尔父子及时抓住了采掘生产中急需解决的破岩艰难的重大课题，以毕生的精力和追求，继中国火药之后，为人类找到了更加强大的新材料——工业炸药。从此开始了规模浩大的采矿与修路工程，引发了导致社会财富快速增长的“真正意义的工业革命”。
工业炸药发明后，采掘工程面临着更迫切、更重大的难题，就是如何在岩矿石中高效凿孔。本世纪初，德国的科学家K.施律泰尔发明了钨钴硬质合金(WC-Co)〔2〕。WC-Co硬质合金发明后，迅速形成了全球性的新兴硬质合金刃具和硬质合金凿岩钎具产业，使机械切削和岩矿石凿孔效率成百倍提高，被誉为“工业的牙齿”。机械工业是现代工业的心脏，而采掘工业是整个工业的基础。工业炸药与硬质合金两大发明，使人类征服自然的能力猛增，加速了交通、能源、资源开发以及冶金、机械、电子、化工、建筑等基础工业的发展，促进了核能、计算机和航天等高技术产业的崛起。 2 复合钎具的发展 二战以后，片状(一字、三刃、十字、X型)和球齿系列硬质合金凿岩钎具，以其寿命长、凿速快的巨大优势，迅速取代了传统的钢钎凿岩。片状钎具已沿用了60年，球齿钎具的兴起，迄今也有30年的历史了。1996年以来，应用力学和仿生学原理设计的新一代复合片齿系列钎具(中国专利号：96203054.6、96203053.8)，已在中国地质大学(武汉)研制成功，并批量进入市场。它较圆满地解决了困扰传统钎具约半个世纪的诸多难题，如片状钎具直径受限(≤φ89mm)、修磨频繁；球齿钎具边齿碎脱、缩径快、不适应极坚硬岩矿石；合金利用率低、钨钴资源浪费严重等。同时，它还具有高效、低耗等显著的特点〔3〕。工业考核表明：复合片齿钎具不受岩孔直径限制，可钻凿任何种类的岩矿石，比片状钎具修磨周期长、重磨次数少，平均使用寿命为同直径片状钎具的2～3倍，为同直径球齿钎具的3～4倍，工业凿速比传统钎具高20%～30%。其硬质合金有效利用率高达60%～70%，且残留刃齿可全部回收利用。而传统过盈固齿球齿钎具，硬质合金有效利用率只有5%～15%，嵌于盲孔中的残留柱齿难以回收，随废钎体流失浪费。因此，复合片齿钎具的全面推广应用，可使采掘工程更加多、快、好、省地进行，能促进钨、钴、钢铁等宝贵资源的合理利用，并标志着硬质合金凿岩钎具的全球性更新换代已从中国开始。 3 钎杆的寿命难题 硬质合金凿岩钎具(钎头、钎杆、整钎等)是人类征服岩矿石的最新武器，它组成一个细长的杆件系统，在岩矿石的剧烈磨损以及高压水流(或压气)冲刷和矿坑水的腐蚀条件下，承受着拉、压、弯、扭和凿岩机33.3～150Hz的高频冲击，每次的冲击功高达25～500J，常以应力腐蚀疲劳断裂的方式失效，使用寿命仅几十分钟到几十小时。因此，凿岩钎具是人类所有机械工具中受力条件最苛刻、使用寿命最短、基础工业必备的大量消耗性工具。全世界100多个国家和地区的采掘工人，每天上班工作8h,其中一半以上的时间就是在岩矿石上凿孔。其凿岩钎具年耗量已接近国内市场的100倍。我国年产刃具和凿岩钎具用硬质合金约7000t，产量居世界首位，质量已接近国际先进水平。全国采掘工程部门现用的片状和球齿系列钎具的年耗量约为2000万支，年产值约为8～10亿元。国际凿岩钎具市场的年容量近100亿美元。瑞典Sandvik、Secoroc等国际名牌钎具公司凭借技术和经济优势，大都进口中国的廉价钨矿砂，而高价出口硬质合金钎具成品。瑞典Sandvik公司90年代初的统计资料称，其钎具年销售额达24亿美元。我国由于种种原因和多年来的钎具技术与生产管理落后，现行体制下尚未涌现出雄才大略的钎具实业家和名牌跨国公司，故迄今全国凿岩钎具年创汇额不足1000万美元。其中钎杆等长钎具的创汇额，不到钎具创汇总额的1/4。国产钎杆寿命短，并且质量不稳定，已成为我国采掘工业发展和长钎具出口的主要制约因素。
目前国内外普遍使用的钎杆规格是：H19、H22、H25、H28、H32、H38、H45mm六角形和D32、D38、D45、D51mm圆形中空钢钎杆，钎杆长度一般为0.4～6.4m。已有的寿命水平是：
(1)小直径(轻型)钎杆以H22×108×2200mm(7°)锥体连接钎杆为例，在单轴抗压强度σD=200MPa左右的坚硬花岗岩中，用气腿式凿岩机和φ40mm十字型钎头凿孔，其工业统计首锻次平均寿命(国内以贵阳ZK55SiMnMo“铸管法”钎杆为代表)约为60m，国外以瑞典“钻孔法”(加不锈钢内衬)Z708(40SiMnCrNiMo)钎杆为代表约为150m。
(2)大直径(重型)钎杆以T45-D45×3600mm-T45梯形螺纹连接钎杆为例，在单轴抗压强度σD=200MPa左右的坚硬花岗岩中，用Atlas Copco公司的Roc712-HC-01露天钻车，Cop1238液压凿岩机和89-T45球齿钎头向下凿孔，其工业统计平均寿命，国内以咸宁ZK18CrNi3MoV“热穿-热轧法”钎杆为代表约为1000m，国外以瑞典Sandvik公司的同类“钻孔法”钎杆为代表约为1500m。
如何进一步提高国内外轻、重型钎杆的使用寿命，不但对振兴我国民族工业和促进全球采掘等基础工业发展具有重大意义，而且也是各国凿岩钎具科技界和产业界共同面临的世界性难题。 4 攻关指标和攻关方向 钎杆的使用寿命取决于钎杆的内在质量、凿岩条件和使用技术三个方面。其中，内在质量具有决定意义。
4.1 钎杆的内在质量
钎杆的内在质量由几何结构参数、钢种、冶炼、铸锭、轧制和制钎工艺所决定。以代表国际领先水平的瑞典Sandvik和Secoroc公司的产品为例：
(1)几何结构参数：
钎杆横截面采用带中心孔的正六角形或圆形结构，其中小钎杆采用在内壁加不锈钢衬管的复合结构；钎杆名义直径系列为：19、22、25、28、32、38、45和51mm；中空钢截面、带肩钎柄、钎梢或螺纹钎柄的几何结构和尺寸参数，按ISO722—1991、ISO723—1991、ISO1718—1991、ISO10207—1991、ISO10208—1991和该公司的有关企业标准制造。
(2)钢种：
小钎杆采用中碳CrNiMo系合金钢，大钎杆采用低碳CrNiMo系合金钢。
(3)冶炼：
采用高洁净度的炉外精炼钢法。
(4)铸锭开坯：
精钢连铸连轧成圆坯。
(5)轧制：
采用带(或不带)不锈钢内衬管的“钻孔带芯热轧法”(简称“钻孔法”)，实行控制轧制和控制冷却。
(6)制钎：
锥体连接小钎杆带肩钎柄，采用中频加热液压锻钎机带针锻造并精磨钎梢，钎柄和钎梢高频淬火热处理后，再经抛丸、校直和防腐处理。
4.2 凿岩条件
钎杆寿命长短还取决于凿岩条件的优劣和钎杆对凿岩条件的适应性。凿岩条件首先是岩矿石的坚固性和磨蚀性的大小，这决定于单轴抗压强度σD值、造岩矿物成分(SiO2含量高低)、岩矿石成因(岩浆、沉积、变质)、结构构造(颗粒粗细、结合状态、结晶程度或胶结物性质)、赋存条件(风化、裂隙、含水等)；其次是凿岩机类型(内燃、电动、气动、液压)，包括冲击功、冲击频率、冲锤应力波特性、凿孔直径、凿孔方向等；再次是钎头质量、钎杆粗细、长短和连接、拆卸方式。要求与岩石性质、机型作最佳匹配。
4.3 钎杆的使用技术
钎杆的使用技术是指正确的操作使用规范，必须有利于改善工人的作业条件，充分发挥凿岩机具的工作潜力，延长机具的使用寿命，以实现高效低耗的凿岩效果。
综上所述，我国和世界凿岩钎杆工业统计最低平均寿命的跨世纪攻关指标，以前述凿岩条件和典型的H22×108×2200mm(7°)锥体连接钎杆与T45-D45×3600mm-T45螺纹连接钎杆作考核产品，可分别确定为≥300m和≥3000m。即比现有技术达到的国际先进水平提高一倍。这是一项十分艰巨的系统工程，将引发很多发明创造，并集合各相关领域最新科技成就于一身才能完成任务。
对我国钎钢钎具科技界和产业界来说，实现这一攻关目标可分为两步走。第一步，吸收现有国内外先进技术，力争3～5年内完成对现有“热穿-热拔”、“热穿-热轧”和“铸管法”SiMnMo系中空钎钢的技术改造，走瑞典采用CrNiMo系精炼钢和“钻孔法”轧制工艺的道路，使国产H22小钎杆的硬岩寿命稳定在150m以上，使国产D45重型钎杆寿命稳定在1500m以上，达到国际先进水平。第二步，在新世纪的头10年，建议中国地质大学掘进工程研究所、中科院金属研究所、大冶钢厂钢铁研究所、北京钢铁研究总院、贵阳钎钢研究所、长沙矿冶研究院、长沙矿山研究院、北京建井研究所、东北大学、北京科技大学、华南理工大学、广东工业大学以及湖北华夏凿岩机具股份有限公司、贵阳钢厂、新抚钢厂、涟源钢厂、韶关合金钢厂等单位分工合作，并与各相关行业的科技专家联合攻关，直接冲击H22mm钎杆300m和D45钎杆3000m的攻关目标。
初拟的攻关方向是：
(1)以国内外市场为导向，改造旧企业。
钎钢是承受苛刻高频动载的高难度、高科技工具，绝不同于承受静载的一般型材，不宜划归一般钢厂附带生产，而应以发展钎钢钎具工业为己任，以钎钢钎具质量、品种、服务为中心，重新组建专业钎钢厂和名牌专业钎具跨国公司来主司其事。
(2)深入开展实用性的岩石破碎、钎钢和相关实用技术的理论研究。
包括岩石破碎机理；钎杆受力及断裂机理；应用力学和仿生学原理探讨钎钢最佳断面几何结构参数和具有高耐磨性、高抗断阻力的复合型截面构造，以及最佳的钎杆连接方式和连接参数；新的钎钢钢种设计(在深刻揭示钎钢断裂和强化机理基础上，充分利用Si、Mn、Cr、Ni、Mo、V、W和稀土元素等有益合金元素的影响，寻求质优、价廉的新钢种)；新的冶炼和轧制技术，寻求精轧出具有高洁净度、超细晶粒、高均匀度的超级钢，以及无内部和表面缺陷的高精度优质的新一代钎钢的冶轧工艺技术；新的制钎工艺(加热、锻造、机加工、热处理、表面强化、防腐技术)；新的产品标志和包装技术等。
(3)加强钎杆配套技术与机具的研究。
包括加热、锻造、机加工、热处理、表面强化、打标、防腐、包装设备；新型高效、低能耗凿岩机和凿岩钎头；钎杆、钎头的正确连接、拆卸与合理修复、修磨技术(设备、机具与使用操作规范)等。
显然，长寿命冲击凿岩钎杆跨世纪攻关目标的实现，将极大地增强人类征服岩石的实力，为我国和世界采掘等基础工业的现代化建设注入新的活力，并产生巨大的经济和社会效益。 5 联合攻关实现目标 我国的中空钢钎杆，解放后从无到有，已经历了高碳工具钢、中碳SiMnMo系合金钢和中低碳CrNiMo系合金钢三次升级换代，冶轧和制钎工艺也正在不断更新。
50年代初到70年代末，我国采掘工业普遍使用从前苏联引进的老式一字型钎头等少数几个钎头品种。1980年以来，随着一系列新型钎具科研成果的鉴定与推广，现已形成包括“青龙”、“金龙”、“飞龙”、“成探”、“东方”、“莲花山”、“贵阳”等名牌钎具产品在内的，直径24～165mm片状、球齿及复合片齿等上千个品种的全系列高科技外向型钎具产业，不少品种已处于世界同行业前沿，达到了国际先进水平。
凿岩钎具配合爆破技术在岩矿石上凿孔，直接服务于交通、能源、资源开发等基础工业，是人类征服岩石的主要工具。以长寿命合金钢钎杆和硬质合金钎具为代表的现代凿岩工具，包容了凿岩、爆破、岩块破碎、矿业、材料、冶金、钢铁、机械、电子、化工、数学、力学、地学以及生物学(仿生)等多种学科的前沿理论和技术成就，已发展成为世界性的高科技产业。中国是火药和冲击凿井术的发明国，拥有全世界制造凿岩硬质合金必需的半数以上的钨矿资源，近20年来在冲击凿岩理论、凿岩钎具的几何结构参数、材质、制造工艺和使用技术领域，实现了众多发明创造，取得了长足的技术进步，具有了整体综合实力，已具备了得天独厚的发展凿岩爆破事业的有利时机和条件。我们应当学习前人的创业精神，并在实践中不断总结自己的经验，创造新成就，加速我国钎具工业的现代化建设。我们主张自然科学与管理科学结合，科学家与企业家结合，科学技术与实业资本结合，以求迅速将科技优势转化为产业优势。我们希望国家主管部门高度关注我国工业的这一重要生长点，并呼吁全国凿岩钎具科技界和产业界同仁，站在发展我国民族工业的历史高度看待钎钢钎具事业，联合相关学科领域的科技专家合力攻关，为国家“振兴钨业”，为凿岩钎具与采掘工业现代化，为中华凿岩技术重铸辉煌，为人类征服岩石圈作出当代中国人的贡献。 作者单位：中国地质大学 掘进工程研究所，湖北 武汉 430074 参考文献 〔1〕刘广志.中国钻探科学技术史〔M〕.北京：地质出版社，1998.90～95.
〔2〕《国外硬质合金》编写组.国外硬质合金〔M〕.北京：冶金工业出版社，1976.
〔3〕张国榉，张汉斌.硬质合金复合片齿钎具〔M〕.武汉：中国地质大学出版社，1997.74～77.
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