天然气在大型煤机企业的应用

摘要:针对大型煤机企业进行了天然气综合应用的系统研究，主要包括天然气用于特种特厚板材切割、刀具焊接、金属材料热处理、高强板的预热和保温以及车间的冬季采暖等方面，同时解决了天然气在应用中的节约和改变热值问题和天然气的减压和添加剂的添加问题。项目实施后，改善了工人操作劳动强度，改善产品机械性能及品质，改善冬季工作环境，节能与社会环保效益十分突出。

关键词:天然气；煤机企业；综合应用

1引言

天然气作为新型燃气在工业企业中的应用相当普及，但均是针对各自的需要而进行的，内容分散，缺乏系统性。由平顶山工学院与平顶山煤矿机械有限责任公司（项目开始时为平顶山煤矿机械厂）合作进行了天然气综合应用的系统研究，以保证天然气在相关行业应用中技术条件的完整性。

天然气用于大型煤机企业项目的整体设计和整体布局由平顶山工学院“天然气在大型煤机企业的应用”项目组共同完成，其在平顶山煤矿机械有限责任公司的工艺布置如图1所示,集中供气平面图见图2所示。

2天然气在大型煤机企业的综合应用

天然气用于大型煤机企业项目内容较多，实施方案复杂，在项目实施中主要解决了五个方面的问题。

2.1天然气在用于煤矿液压支架产品所使用特种特厚板材切割方面的应用

煤矿液压支架产品所使用的板材有普通板材和特种板材两种,普通板材多为16Mn钢或27SiMn钢。近年来,为提高液压支架的支护性能，尽可能满足煤矿综采工作面的高产高效要求，越来越多的特种板材相继问世并被用于液压支架的生产中。作为综采工作面主要设备之一的液压支架，随着架型结构进一步完善，设计方法更加先进，参数开始向高工作阻力、大中心距方向发展。随着支架工作阻力的加大，耐久性试验次数的增加，如果继续选用传统的16Mn和15MnVN材料，要保证支架的支护强度，只能靠加大板材厚度，势必使支架总体重量超重，给矿井提升和井下运输、工作面搬运都带来极大的不便。因此在保证支护强度和支架总重不超标的情况下，切实可行的办法就是选用高强度钢材。因为选用高强度板材，可使支架工作阻力和支护强度大大提高，同时也大大降低了单架重量。正因为如此，支架结构件材料正越来越多地采用高强度钢材，主要结构件材料以为550-1000MPa级的不同等级高强度钢板逐步取代16Mn(δs为320-350MPa)。这些特种板材材质主要为：HG785、HG980（武汉钢铁公司）；WH80Q、WH100Q（舞阳钢铁公司）；JG785DB、JG950（济南钢铁公司）等。由于特种板材中添加了部分特种金属成分，导致特种板材的切割性能往往不同于普通板材，需要在切割用气量及割嘴结构形状方面有所改变，以提高切割时的火焰温度，保证割缝质量。

煤矿液压支架产品所使用的板材无论是普通板材还是特种板材,其厚度都比较厚，一般为δ16-150mm，这么厚的板材在切割方面无论是普通的乙炔气和液化气，还是天然气都是有一定难度的,如果解决不好可能会导致割缝极不平整，割后必须进行加工处理等后果。本项目针对这一问题也进行了特别研究，通过对割嘴结构和气体燃烧热值的改进，解决了特厚板材切割问题，尤其是对数控切割机床割嘴系统的改进，使其割缝平整光滑，粗糙度Ｒa值实测在14.6～24.5之间，割出的板件可直接用于焊接，提高了生产效率。

对割嘴结构的改变主要体现在对割嘴内部形状的改变，主要是改变割嘴的流道结构，将原有的直线流道改为双程螺旋线流道,改半圆形流道断面为三角形断面，主要目的是提高割嘴出口处的火焰温度和吹气能力，保证切割时熔化的液态金属能够及时被吹走，从而提高切割速度和割缝质量。

天然气主要成分是甲烷,是价格较为低廉的一种燃气,但其燃烧速度慢,火焰温度低,切割预热时间相应增长。采用天然气作为切割用燃气的优点较多,如天然气不需大的储存容器设备、生产成本较低、使用方便等等。试验表明:天然气和乙炔气的燃烧性能和气体消耗量上是不同的,只要根据其消耗适当改变割嘴结构,采用天然气代替乙炔气进行火焰切割,就能取得较好的应用效果。切割实验结果表明,单纯采用天然气作为切割用燃气,其切割速度比乙炔气要慢，可见,要提高天然气的切割速度,必须在天然气中添加催化剂以改变天然气的燃烧性能,达到提高火焰温度以及提高切割速度、降低使用成本等目的。目前国内已有多家公司开发了用于天然气切割气的添加剂,并且具有很好的使用效果。

本课题在平顶山煤矿机械有限责任公司试验时，采用了武汉“金火焰”和北大的“国防绿”添加剂，在剂量配比和加气方法上经过多次摸索，获得了成功。并设计制造了专门的加气站装置。

2.2天然气用于刀具焊接

刀具焊接主要是各种车刀的硬质合金刀头焊接和极少的特种钻头(主要深孔钻用)的焊接。

硬质合金焊接刀具的制造质量和使用寿命,除取决于刃磨质量外在很大程度上取决于刀具的焊接质量。但是,影响硬质合金刀具焊接质量的因素也很多,硬质合金的焊接性能对硬质合金刀具的焊接质量影响很大，不同牌号的硬质合金切削刀片，其合金性能不同，焊接性能也不同，对焊接质量的影响也不同。硬质合金刀具的刀体材料一般为45钢、40Cr等,由于钢比硬质台金的线膨胀系数和导热系数大得多，在焊接过程中，可能会产生较大的焊接应力，使硬质合金刀片产生裂纹，这将极大地影响硬质合金焊接刀具的使用寿命对于W-Co合金,随着粘结剂钴(Co)含量越低，合金的线膨胀系数越小，抗弯强度和韧性越低，焊接时产生裂纹的可能性越大；对于含 TiC的硬质合金, 随着TiC含量的提高合金的导热系数越小,抗弯强度和韧性越低，焊接时产生裂纹的可能性越大。因而，低钴和高钛的硬质合金在焊接时产生裂纹的可能性最大。

天然气用于刀具焊接时比用于金属切割时，其火焰温度不经过添加催化剂就能满足要求，但为了节约成本，降低费用，本项目在实施中仍然采用添加了催化剂的天然气。天然气用于刀具焊接所要解决的主要问题就是要减少刀具焊接后的微观裂纹,由于天然气燃烧时的温度与原来所用的乙炔气不同，因此需要对焊接工艺进行适当的调整。焊接性能差和较差的合金刀片，对焊接裂纹有很高和较高的敏感性，焊接时极易产生裂纹，不宜采用厚刀片焊接，也不宜在封闭槽内焊接，焊接时宜用化学性活泼的熔剂，刀具焊接后刀体不宜进行热处理等。焊接性能一般的合金刀片，焊接时虽不象焊接性能差和较差的刀片那样对焊接裂纹敏感，但仍容易产生裂纹。焊接性能较好的刀片，可焊于各种形状的槽中，刀具焊接后刀体可进行热处理等。在进行硬质合金刀具焊接时，合理选择焊料和焊接工艺参数等，就可以保证焊接质量。其常温硬度、高温硬度、抗弯强度及冲击韧性等性能提高，从而提高刀具的耐用度。

不同的焊料，其熔点、高温塑性、流动性和湿润性等特性不同。焊料的熔点不仅影响生产率，而且也影响焊接应力等，熔点越高，焊接效率越低，也越易产生焊接应力，而且当焊接温度超过950℃以上(一般焊接温度高于焊料熔点40℃左右为宜)时．还会使硬质合金发生相变等，降低了硬质合金的使用性能；高温塑性好的焊料，在焊接冷却过程中能起到缓冲和平衡作用，降低硬质合金与钢的线膨胀系数和导热系数不同而引起的热应力。而且，焊料的高温塑性好，焊接后可进行热处理，这为刀体具有一定硬度等要求的硬质合金刀具提供了焊接后进行热处理的条件；流动性和湿润性好的焊料．焊接时就能流布整个焊接面。得到匀而薄的焊缝，而获得较高焊接强度。厚薄不匀的焊缝也是造成硬质合金产生焊接裂纹的原因。硬质合金刀具焊料，应根据硬质合金刀片的焊接特性和刀具的用途来选择。对于低钴和高钛合金，也即焊接性能差的硬质台金，焊接时容易产生裂纹，但这类硬质合金的硬度高，耐磨性好，抗弯强度和韧性低，用其所做的刀具一般用于受力及冲击负荷相对小的半精加工和精加工，因而要求焊料熔点低，高温塑性、流动性和湿润性都好，焊接时产生的热应力小。

加热速度、冷却速度、保温温度、保温时间等工艺参数对焊接质量也有很大的影响。焊接时的加热速度对焊接质量，尤其是焊接裂纹的产生有非常明显的影响,如果加热速度太快，不能使硬质合金和刀体得到充分的预热而进入高温阶段，由于钢的导热系数比硬质合金大得多,硬质合金的热传递速度比钢慢得多，容易使刀片与刀体、刀片表面与内部的温差太大,致使焊接应力过大而产生焊接裂纹.加热速度不仅不能太快，也不能太慢，否则不仅会引起焊接表面氧化，使焊接强度降低,而且会使硬质台金较长时间处于受热状态，由于硬质合金中各元素的热彩胀系数不同，在加热过程中硬质台金内受到各种应力的作用，当应力超过硬质合金本身的极限强度时，硬质合金就会断裂；此外．还会使硬质合金表层发生氧化，降低硬质合金的使用性能。

焊后冷却过程中，由于钢刀体和硬质合金刀片的热彩胀系数和导热系数有较大差异，刀片本身存在着很大的残余应力和焊接热应力，如果冷却速度快．迫使刀体急剧塑性变形，则会导致刀片产生裂纹.为了使焊后冷却速度不要太快，可采用适当温度保温措施。刀具焊接后，置于具有一定温度的保温材料(如干砂、木炭灰、云母粉等)中缓慢冷却，或采用炉内程序控温缓慢冷却更好，这样可消除刀片在冷却过程中可能产生的残余拉应力，避免产生裂纹。

在平顶山煤矿机械有限责任公司，天然气用于刀具焊接实施中采用的是添加了催化剂的天然气。为解决天然气用于刀具焊接时的微观裂纹，需要对焊接工艺进行适当的调整。由于煤机企业的特点和产品结构的持续性,煤机所用刀具的种类不是特别多,经过项目组多次试验,决定选择以铜焊为主的焊接模式,焊前稍作预热处理,焊中以开放式工作台面为宜,焊后用滑石粉保温的工艺路线就能满足焊接的要求。

2.3天然气用于金属材料热处理

在金属材料热处理方面，天然气的燃烧温度能够满足要求，同刀具焊接一样，为节约成本，降低费用，我们同样设计了加气装置。

但是，天然气用于热处理，容易使被处理的金属过度氧化，因此，对金属热处理炉必须进行改造，我们采用的是炉膛外燃烧，热气循环的方式（通过风机将热空气送至炉膛内）解决了这一问题。

2.4天然气用于高强板焊接中的预热和保温

天然气用于高强板焊接中的预热和保温的目的是为了保证合理的焊接工艺参数。合理的焊接工艺参数主要包括两方面的内容：

可以防止焊接缺陷(各种焊接裂纹、气孔、夹渣、咬肉等)的产生；

焊缝的性能能够满足产品设计指标的要求。合理的焊接工艺参数来源于全面了解被焊钢材的焊接性和对产品构件的分析。

天然气用于高强板在焊接时的预热和保温，因为温度相对较低（不同材质温度有所不同，一般控制在100-250℃），相对来说，比较容易实现，只是做好整体天然气的规划，同时工人操作时，为避免受热源的幅射影响，对炉体进行一些隔热和保温处理。

2.5天然气用于车间冬季取暖

天然气用于车间冬季取暖在平顶山煤矿机械有限责任公司的供暖面积近8000平方米，一个采暖期少用煤50吨左右，减少了二氧化碳、二氧化硫排放量，极大地改善城市空气质量，对周围环境的影响降至最低。

设置专用的燃气锅炉进行热水或者蒸汽供热，这已经是成熟技术，应用起来比较方便。

3天然气在应用中改变热值和加气系统设计

由于天然气(甲烷) 在氧气中燃烧火焰的温度只有2000℃左右, 远低于乙炔的火焰温度3150℃,在切割预热时间上也达不到乙炔的水平,因此，天然气无法直接用于金属材料的切割和刀具的焊接，使用新型工业燃气添加剂既解决了燃烧时的热值问题又节约成本,但添加剂的种类较多，目前,我们所使用的添加剂主要有:武汉的“金火焰”,北大的“国防绿”和北京某公司的“SE-6”。

添加剂在使用中必须能够比较方便地加入到天然气中，为此必须设计天然气加气站。但是对于不同的添加剂所使用的配比有所不同，因此必须设计能调节配比的加气系统。

由于天然气从市政主管网进入厂区时的压力较高，不能直接使用，必须设计天然气减压站，同时添加剂的添加也是在高压下进行的，因此，我们将减压站与加气站合二为一，作为一个系统来综合设计。

因为此处涉及到压力容器的设计与施工问题，为保证安全性和符合国家的相关法规要求，本系统的工艺流程和原理设计由项目组完成，具体的压力管道设计委托中国市政工程中南设计研究院设计（设计号：GPS-183-07），聘请扬州市扬子工业设备安装有限公司负责施工，平顶山市锅炉压力容器检验所作为项目监理方负责监督和检验任务。该项目管道设计压力0.4MPa,管道材料为20#钢，管道起点为市政天然气门站，终点止于厂区第一铆焊车间外的加气站，管道全长约150米。加气站系统内非标设备由平顶山煤矿机械有限责任公司自己加工，加气站系统完成后与管道系统一并进行了压力试验，试验结果满足设计要求。

结语。项目全部实施后，平顶山煤矿机械厂第二铆焊车间，液化气丙烷气以及氧气消耗，由现有月消耗约40万元，可节约降低为25万元，每年直接节约经费15*12=180万元。同时极大地改善工人操作劳动强度，大幅度改善产品机械性能及品质，改善冬季工作环境。由于天然气取替现有焦碳和乙炔气，厂间CO2、NOx排放量降低，可满足国家现有标准。平顶山煤矿机械厂现有铆焊车间三个，如果三个铆焊车间都开始使用,年直接节约经费将在500万元以上(第二铆焊车间规模稍小)。节能与社会环保效益十分突出。

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