金属-微晶陶瓷耐磨衬板在煤仓漏斗中的应用

伍国韬1，张瑞锋1，贾云吉2，李胜利2，贾锡永3，贾培祥3，

梁西伟4，王振春4，张卫兵4，王振林4，李永寿5，周明明5

(1.山西西山晋兴能源有限公司，山西吕梁033602;

2.中煤西安设计工程有限公司，陕西西安710054;

3.安徽鑫永晟微晶材料有限公司，安徽滁州239001 ;

4.山西金信建筑工程有限公司，山西太原030053;

5.陕西建新煤化有限公司，陕西黄陵727300)

摘要:原煤仓漏斗的耐磨内衬对保护漏斗结构层有着极为重要的作用。通过对原煤仓耐磨内衬损坏机理的分析得知，原煤中腐蚀较强的酸性液体(含硫、磷等成分)，是造成钢材腐蚀和混凝土碳化的主要因素，装仓时原煤块体的冲击是导致内衬变形或脱落的诱因，两者共同作用，造成漏斗耐磨内衬的损坏。结合工程实例，针对性地提出新型漏斗耐磨内衬金属-微晶陶瓷复合衬板，可有效解决因冲击和腐蚀而造成耐磨内衬损坏的问题，对此类工程的设计和施工有一定的参考价值。

关键词:原煤仓;漏斗;耐磨内衬;损坏机理;金属-微晶陶瓷复合衬板

中图分类号:TD529;TD948文献标识码:A文章编号:1671-0959(2018)10-0061-05

       原煤仓是煤矿及选煤厂常见的构筑物，原煤仓漏斗的耐磨内衬对保护漏斗结构层有着极为重要的作用"。目前，原煤仓漏斗内衬通常采用压延微晶板、铸石板、耐磨钢板或钢轨等，实践表明它们均能满足一般工况下的使用要求。但随着经济的发展，煤仓的设计容量越来越大，装仓时落料高度也随之增加，原煤块体剧烈的冲击加之原煤酸性液体对钢材和混凝土的腐蚀，常常造成常规内衬材料的损坏或脱落，致使耐磨内衬的使用年限远远小于设计值。原煤仓漏斗的结构层失去保护，从而极大地减短煤仓的使用寿命，甚至造成重大的安全事故。

       因耐磨内衬在工业生产领域有重要作用，国、内外的科研机构一直对其进行着深入的研究，有NMC型耐磨陶瓷衬板、铁磁性耐磨衬板、耐磨高铬铸铁和中铬铸铁衬板、高合金耐磨衬板、中碳低合金耐磨钢衬板等科研成果面世[2”]。然而，现原煤仓中常用的耐磨材料有铁钢砂混凝土、铸石板、微品板、水泥基耐磨料等，但不能同时满足抗冲击、抗腐蚀、抗磨损性能，限于其产品的造价或使用条件，均不甚适用于原煤仓。本文提出的金属-微品陶瓷复合衬板，是对此领域研究成果的补充。

漏斗结构及耐磨内衬损坏机理分析

1.1实地调研

      2017年8—12月份，笔者分别对使用铸石板作为内衬材料的山西西山晋兴能源斜沟矿原煤仓和使用钢轨作为内衬材料的陕西黄陵建新煤矿井下原煤仓的漏斗耐磨内衬做了深入的调查研究。

斜沟矿原煤仓为内径30m的钢筋混凝土筒仓，仓体高62m，漏斗耐磨内衬采用铸石板。仓底给煤机上方漏斗承重梁端部出现渗水现象，且从漏斗放出的原煤中夹杂着铸石板碎块;后期清空原煤仓后发现，多处铸石板脱落，漏斗口钢筋混凝土结构中的受力钢筋部分外露且磨损严重。根据上述的调研情况，分析得知漏斗结构耐磨内衬损坏的主要原因是混凝土的腐蚀[+]和原煤块体的冲击。

1.2漏斗结构层腐蚀原理分析

     原煤中含有s、P、Cl等元素，在水的作用下，形成酸性液体，尤其是井下煤仓的防尘水循环使用，使得原煤中水的酸性较高，其pH值在2~5之间。原煤仓漏斗内衬铸石板在受到较大冲击脱落后，钢筋混凝土就暴露出来。在漏斗结构层直接受到较大冲击时，钢筋混凝土的表面产生微裂纹，含有s、P、Cl的酸性液体由虹吸作用渗透进入钢筋混凝土中。表层持续不断的冲击损坏，微裂纹也不断地扩散和深入，加之钢筋混凝土中的气孔是开放性的，更加速了酸性液体的渗入。当酸性液体到达钢筋体的表面时，原本处于碱性环境保护的钢筋的钝化膜遭破坏，钢筋被腐蚀生锈，变成Fe,0,后体积变大，也就就是所谓的膨胀腐蚀。由此导致混凝土对于钢筋的握住力下降，对钢筋混凝土结构造成极大的不利影响，是混凝土强度降低或损坏的重要原因。

1.3耐磨内衬的冲击作用分析

       对斜沟煤矿的煤仓落料冲击进行计算分析，煤块容重在10~12kNm'，最大煤块重量约210kg，最大落煤高度约62m，计算可得冲击强度12.54MPa，计算过程见表1。一般的钢材可以抵御这个冲击强度。由于建南矿的原煤仓落煤高度是37m，小于62m 的斜沟矿，相同质量的原煤落下，冲击强度小于12.54MPa。由两者对比可知，造成原煤仓漏斗结构层和耐磨内衬损坏的主要原因并不是冲击和磨损，更重要的因素是腐蚀，高强度的冲击仅仅是诱因。冲击造成结构面产生微裂缝，而原煤中的酸性物质对结构层造成更深入的腐蚀，冲击作用促进了腐蚀的深度和速度。

金属-微晶陶瓷复合衬板的设计应用

2.1金属-微品陶瓷复合衬板的材料选取

      因为金属-微晶陶瓷复合衬板的功能是解决冲击、磨损与腐蚀问题，所以采用了金属与非金属材料的复合:①金属材料选择的原则是抗冲击韧性好、可加工焊接性能好(因在每一个单体结构中，必须把所有的单件衬板焊接成整体，以提高复合衬板抗冲击和抗渗透性能)、具有一定的耐酸性液体的腐蚀能力，设计用Q235的钢材是比较合理，因其比锰钢冲击韧性好(锰含量越高韧性越差)、焊接性能好(尤其在原煤仓内的环境下)，还可以降低复合衬板的造价;②非金属材料选择的原则是耐磨损性能好、耐腐蚀性能好，所以选择了具有优异的耐磨耐腐和耐温性能(是锰钢的15倍)的压延微晶陶瓷(玻璃);③使用碱性胶粘剂，这是因为金属材料和钢筋混凝土简仓内壁与碱性胶粘剂是环境友好型的，在选择有机胶黏剂时不可以选用酸性树脂，如呋喃树脂°，因为呋喃树脂的pH值在2~5，酸性比较强，改性比较困难。

2.2金属-微晶陶瓷复合衬板受力分析

2.2.1单件复合衬板所受到的冲击载荷

       62m高的煤块下落到仓底，由位能转换成动能，冲击到衬板上我们称之为冲击载荷，冲击载荷在单件衬板上产生的冲击应力除与衬板的形状、体积和局部弹塑性变形等有关外，还同与其衬板与其相连的复合衬板有关。如果复合衬板之间的连接是绝对刚体，则冲击能全部为该被冲击的复合衬板所承受;但是绝对刚体的连接是一种理想状态，所以复合衬板之间连接的刚度为某一值，则冲击能为整个体系所承担，该受到直接冲击的复合衬板，只承受冲击能的一部分，所以复合衬板在独立的单元体内必须焊接安装为一体。

由于煤块与金属-微晶陶瓷复合衬板在冲击过程中，煤块属于非弹性碰撞，而金属-微晶陶瓷复合衬板可以视为完全弹性碰撞，由于复合衬板在同一个单元内连成一体的，所以复合衬板的质量应不小于煤块质量，碰撞时间t=( 1+e) b/(u,+u.yl，b=0.3m，u,= 34.86m/ s，u,=0，e是弹性碰撞时的恢复系数，由于煤块与其发生碰撞时复合衬板不会发生质心位移，所以这里的e=0，b是煤块的截面尺寸我们假设煤块与复合衬板是垂直纵向碰撞(不是一般性)，而且复合衬板是静止，所以ur=0，ux= 34.86m7 s。在本次的计算碰撞时间取t=b/ u, =0.3/734.86=0.0086s，计算结果与文献〔7]吻合。

2.3金属-微晶陶瓷复合衬板的性能参数及制作方法

      解决钢筋混凝土简仓漏斗的腐蚀问题，首先要解决大煤块或研石的冲击问题，显然在上述冲击强度下无机材料做成的耐磨衬板，包括压延微晶板都是抵御不了冲击造成的损毁。由安徽华慧晶甲微晶材料有限公司的金属-微品玻璃板结构件专利产品的启发，设计了一种装配式金属-微晶陶瓷构建衬板(目前此项技术已获得专利权)，使用抗冲击韧性好的金属材料与耐腐蚀、耐磨损性能好的微晶陶瓷材料，采用高强度碱性粘结剂[，这是因为碱性微晶陶瓷浇注料对于金属框架和钢筋混凝土简仓是友好型的，能够防止金属锈蚀，而且还使得金属表面形成“钝化膜”，同理也可以防止钢筋混凝土碳化。

通过科学的配方和粒度特性组成复合材料，微晶陶瓷抗压强度大于10OOMPa，采用冲击式的破碎原理，所以微晶陶瓷的球状颗粒少，如果不能傲到科学的级配，微品陶瓷浇注料的密实度不好，影响浇注料的抗渗透性能，因此通过正交试验获得最佳的粒度组成(浇注料的体密度最大)，用浇注料的密度为目标函数建立数学模型，然后对目标函数求最大值，在有界范围内的多项式函数是可以求出最佳极值区域的，也就是微晶陶瓷浇注料的密度比较大(2.4~2.6/ cm')。添加适当的“添加剂”所形成的微晶陶瓷浇注料，不但耐腐蚀，耐磨损，而且抗渗透能力强，在九宫格形金属板的保护下，微品陶瓷浇注料的压缩强度可以提高一个数量级。

2.4金属-微品陶瓷复合衬板的安装工艺

2.4.1提高复合衬板与壳体结合层的抗渗透性能

        一般情况下，金属-微晶陶瓷结构件的规格为( 400 ~450) mm×( 400~450) mm×( 30~ 60) mm，主要是考虑施工搬运方便，在安装时第一层必须生根牢固，即根基一定要和简仓的结构层焊接牢固。如果二次安装，则需在钢筋混凝土中加密植入螺栓，螺栓锚固在钢筋混凝土中的钢筋上方，这样复合衬板受力时由螺栓传递到钢筋混凝土的钢筋上，复合衬板与仓体结构层之间留有20~50mm 的间隙(新建仓可以20mm)。相邻的两块复合衬板的连接处，必须用螺栓把钢筋混凝土壳体与复合衬板连接焊接牢固，这是把复合衬板与壳体连接成整体的一个重要措施。在结构件左、右、下的连接板与螺栓都焊接牢固后，金属-微晶陶瓷复合衬板与衬板的连接处用模板立模，这样便于灌浆时气体的排除，焊接一层后就可以用微晶陶瓷浇注料从上口浇灌下去，捣鼓密实不得有空洞，等到微晶陶瓷浇注料初凝后(初凝时间不大于 50min"')，用压延微晶沟槽纹板把连接缝砌筑上，微晶板不得高出两边的金属-微晶陶瓷复合衬板。灌浆料与金属-微品陶瓷复合衬板中浇注料是相同材质，是为了保证材料结合的相容性好，提高金属-微晶陶复合衬板层的抗渗透性能，由于微晶陶瓷浇注料是碱性材料，对于钢筋混凝土能够起到很好的保护作用，防止酸性液体从壳体中渗入到复合衬板内部而腐蚀金属材料和焊接点。

2.4.2相邻的金属-微品陶瓷复合衬板焊接成一整体

        原则上，在一个独立单元内所有的复合衬板必须焊接成一整体，这样在原煤仓储煤的运行过程中，任何一个落料点遭受到冲击时，冲击点主要是受到可以分解为正压力和剪切力，由于金属-微晶陶瓷结构件的抗压强度很大，不会因为冲击产生的压缩力破坏了结构件;剪切力的产生使得金属九宫格的框架受到的是拉力，Q235金属板的抗拉强度标准值是235MPa，而最大剪切破坏强度是 12.54MPa,所以原煤仓落料中的煤块和研石的冲击力不足以破坏金属-微品陶瓷复合衬板。

2.4.3复合衬板最上层的封口处理

       金属-微晶陶瓷复合衬板的造价成本较高，所以在一般情况下，斜坡最高面与简仓直壁段相交处，向上直壁段安装2m即可，特除情况下可根据现场煤仓实际损毁情况确定安装高度。所以每一个安装复合衬板的独立体的上口，应用压延微晶专用胶泥做封口处理，以防止酸性液体从封口处渗透到复合衬板中。一般来说复合衬板安装的部位就是落料点和大块矸石冲击(这里指的是大块研石滚落冲击仓壁)的部位，仓壁的立面安装有4~5层复合衬板，主要是起到封口作用，复合衬板以上砌筑压延微晶沟槽纹板[1212。这样不但能解决冲击问题，而且可以解决原煤粘附仓壁死角的问题，增加简仓的有效容积。山西西山晋兴能源斜沟矿原煤仓，清仓时粘结在斜面和立面的死角煤量有5000t之多，有效容积就减少了六分之一，由此可见，在煤仓漏斗顶面以上3000mm高度范围内的仓壁上敷贴压延微晶沟槽纹板是必要的。

综上所述，金属-微晶陶瓷复合衬板的设计、制作和安装的每一个环节都非常重要。复合衬板在制作时，应保证每个焊接点焊缝宽不小于10mm;微晶陶瓷浇注料填充在九宫格中必须是密实的，加入提高抗渗性能的添加剂后，抗渗性的等级大于1.2;壳体与结构件的粘结材料采用同质材料━微品陶瓷浇注料，这样能与复合衬板中的微晶陶瓷浇注料结合牢固;最后在同一个独立体中，所有的金属-微晶陶瓷复合衬板要焊接为一整体，而且复合衬板与壳体在膨胀螺栓焊接和微晶陶瓷浇注料的粘结下，同样形成一个整体，这就是金属-微晶陶瓷复合衬板设计的核心技术。所以为了达到这个目的，必须从材料的选择、复合衬板的制作到安装，自始至终贯穿着整体性好、抗渗透性能强的指导思想。

4结语

       原煤仓、金属矿山料仓和非金属矿山料仓的冲击与腐蚀是一个普遍存在的问题，通过深人的调查研究，发现原料仓的损毁冲击是诱因，而原料中液体腐蚀、碳化作用才是真正的主要因素。本文提出的金属-微晶陶瓷复合衬板，是金属与非金属材料的有机结合，可有效提高复合衬板的抗冲击性能和耐腐蚀性能，在煤炭、冶金等行业的仓储耐磨应用上有广泛的适用性。但有些指标有着负相关的性能，比如提高微品陶瓷的抗冲击性能时，其受压强度就有所下降(在相同的压缩量的前提下);提高了微晶陶瓷的压缩强度就会导致抗渗性能的降低。所以说如何能够设计一个科学适用的金属-微品陶瓷结构件，还要把冲击、腐蚀、磨损这三个重要因素考虑进来，建立一个由使用工况、寿命和成本的数学模型才是更加理想的解决方案。

参考文献:

[1 ]GB 50077——2003，钢筋混凝土简仓设计规范[S].

[2]赵红明.关于桥式抓斗卸船机漏斗耐磨衬板问题的分析[J]．现代机械，2011 ( 1):40-42.

[3]汪凤英．耐磨陶瓷衬板的钎焊工艺及机理研究〔J].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2009.

[4]王纯进，贾锡永.压延微晶板阻隔钢筋混凝土煤仓碳化的实践与研究[门.能源技术与管理，2014(2):149-150.

[5]李梦冉，杨超，余晓彦，等．碳化深度对混凝土强度影响的研究[．湖北工业大学学报，2015( 2):103-105.

[ 6]黄世强，孙争光，吴解.胶粘剂及其应用[M].北京:机械工业出版社，2011.

[7]郑焕武.几种碰撞时间计算公式的推导[．西昌学院学报(自然科学版)，2006(6):34一38.

[8]安徽华慧晶甲微晶材料有限公司.一种金属表面的耐磨层结构:中国，ZL.2014 2 0435195.8 [P]. 2018-11-27.

[9]贾锡永，贾培祥，许﹑高.压延微晶(玻璃)板专用胶泥的开发与应用实践[J.中国胶粘剂，2015( 1):45-49

[10]周红，陈皖宁，朱世明.新材料—微晶铸石在选煤厂的应用[J.煤质技术，2002( 5):24-25.

[11]安徽华慧晶甲微晶材料有限公司等工业用压延微晶胶泥标准，2015-0954T-JC.

[ 12]贾锡永，张绍金，郭成明.压廷微晶玻璃粘结易脱落问题的研究〔J.建材世界2014(5) : 59-61.

[13]刘翔，秦万金.提高压延微晶(玻璃)板弼粘接层强度的研究[J.中国玻璃，2017( 4):24-27.