论钎钢钎具企业的技术创新

肖上工

1 问题的提出

“创新”概念是由美籍奥地利经济学家熊彼特于1912年在 《经济发展理论》一书中首次提出，并形成了以“创新”为核心概念的经济学理论——创新理论。熊彼特认为创新包括五种情况：引进新产品，即产品创新；引进新的生产方法，即工艺创新；开辟新市场；控制原材料的新供应来源，即开发新的资源；实现企业的新组织，即组织管理的创新。概括起来，技术创新是以市场为导向，从新产品或新工艺设想的产生，经过研究、开发、工程化、商品化生产，到市场应用的完整过程的一系列活动的总和，它是一项系统工程。

2 钎具企业的技术创新

近年来的实践已经证明，企业要发展，要在激烈的市场竞争中立于不败之地，就必须进行创新，特别是开展技术创新。研究开发、生产制造和营销活动紧密结合、一体化推进是企业科技工作的必由之路。技术创新的工作重点是：突出老产品的性能改善和稳定，做好新产品的研制开发和新技术应用研究工作，促进产品升级换代和工艺装备水平的提高。在整个研发过程中，更要注重市场，新产品开发来源于市场，实现于市场，满足于市场，服务于市场。

采掘工业是国民经济的基础工业之一，人类为改善生存条件和环境，需要采掘更多的资源，拓宽更大的生存空间，修建更便捷的道路，建设更多的能源基地。而这些基础设施工程的建设都涉及到凿岩爆破工程。钎具是岩石或岩土钻爆法施工中钻凿爆破孔的工具，根据施工方式和作业方法的不同，钎具可分为顶锤式、刮削式、潜孔式、旋转式等几大类、上千个品种规格。习惯上把钎杆叫长钎具，把钎头、钎尾、连接套叫短钎具。可以说，钎具产品的发展，已成为现代社会物质文明生产与建设中重要的内容。

凿岩钎具是矿山开采，基础设施建设中使用的工具。在国内外矿山开采、铁路、公路建设、港口、电站施工，以及城建、采石等工程领域中大量使用着各种不同类型的钎具产品。先进的凿岩技术和优质的凿岩钎具，已经成为衡量一个国家生产力发展和生产工具发达水平的重要标志之一。

钎具材料其性能要求是很高的，除了高强度（包括疲劳强度）、高韧性外，还要求其具有一定的耐腐蚀性能、消振性能，同时还要考虑其加工性（特别是热处理）。新中国成立后，国产的钎具材料在很长的时间内未能过关，每年要从国外进口大量的钎具及材料，特别是用来制作钎杆的中空钢 （一种类似于厚壁无缝钢管的异形钢材）尤为突出。我国上世纪50年代开始生产气动凿岩机械，同时开始了凿岩钎具的生产。80年代初，投向钎具产品的企业不断增多，生产品种类型也不断增加。同时各项钎具生产和科研项目也开始取得成效，并转化为生产力。到了90年代，我国钎具工业生产已形成了一定的规模，产品类型基本上满足了各项基础建设工程的需求，一部分产品开始批量出口，形成了我国自己的凿岩钎具工业生产体系。进入21世纪以来，凿岩钎具工业生产体系不断完善，但是要完全满足国内市场需求，在国际市场上占有较大的份额，仍有一定差距，还需要继续不断努力。

国外工业发达国家（如瑞典、美国、日本、芬兰、加拿大、法国等）对凿岩机械、凿岩钎具的发展非常重视，几十年来，投入了大量资金进行研究和开发，取得了许多成果，推动了凿岩机械和凿岩钎具的发展，使凿岩工程、爆破技术、凿岩机械和凿岩钎具的技术发展和创新始终处于同步发展水平。我国凿岩钎具经过几十年的发展，取得了长足的进步，进一步分析凿岩钎具的发展方向并朝着这个方向努力奋进，对促进钎钢钎具产品的进步具有重要的意义。

我国钎杆产品在二十世纪八九十年代只停留在年消耗3万余吨的水平上，进入二十一世纪后每年的耗用量都在上升，仅2009年H22 mm锥体连接钎杆产量就达到10万吨。

下面分析一下近年来很多钎钢钎具企业都想进行的创新项目——螺纹连接钎杆用中空钢及钎杆。

2.1 螺纹连接钎杆的主要产品

螺纹连接钎杆用中空钢及钎杆，它包括用于液压钻车钎杆 H28 mm、H32 mm、R32 mm、H35 mm、R39 mm、R46 mm、R52 mm 中空钢、用于管式导向钻管钎杆的R56 mm、R60 mm、R64 mm管式中空钢，以及用这些中空钢做成的螺纹钎杆。

图1 各种规格的凿岩用中空钢

2.2 技术可行性分析

随着近年来中深孔技术的不断发展，高效率、大功率液压凿岩机得到广泛应用。液压凿岩机是上世纪七十年代开始生产并得到应用的一种新型凿岩机械，它具有能量利用率高、输出功率大、钻进速度快、噪音低、工作现场条件好、环境污染小、凿岩效率高及钎具寿命延长等优点。而与之配套的螺纹钎杆，是技术含量高的钎杆品种。随着近年来中深孔凿岩技术的不断发展，高效率、大功率凿岩机的广泛应用，凿岩效率大大提高，这就要求钎杆产品能承受高频大功率冲击、承受较大扭矩且具有高疲劳性。凿岩用钎杆为一细长杆体，它的服役条件是在腐蚀介质中承受多冲拉压、多冲弯曲和多冲扭转的载荷，因而要求材料性能优良。经测算，在液压凿岩机冲击功为340J的载荷条件下，螺纹钎杆发生断裂的瞬间实际受力为823MPa。因而钎杆必须选用抗拉强度在1373 MPa、屈服强度在1275 MPa以上的超高强度钢。

图2 各种规格的螺纹连接钎杆

螺纹钎杆生产工艺

（1）国外（以瑞典山特维克公司为例）螺纹钎杆生产工艺

材质为20CrNi3Mo、FF710等钢种，工艺流程为：废钢精选—冶炼—LF精炼—VD真空处理—浇注大钢锭—加热—开坯—扒皮—机械钻孔—装芯—加热—轧材—抽芯—中空钢—锻造—机械加工—渗碳—空淬 （强制风冷）—低温回火—检验—校直—抛丸—防锈—包装—入库。

其加工特点为：材质采用低碳中合金渗碳钢，经渗碳-淬火-回火后，可获得良好的强韧性配合，高的疲劳寿命和表面高硬度，满足了钎杆的服役条件。先进的炼钢、轧钢工艺，使钢的纯净度高、压缩比大，可实现钢的纯净化、均匀化及晶粒细化，为制钎提供了优质的材料。产品质量稳定，使用寿命高，在岩石硬度为中硬，单轴抗压强度100 MPa，凿岩进尺4000米／支左右，是国际公认的最好的螺纹钎杆生产工艺。但其工艺路线长，原材料及生产成本高，对轧制工艺过程、尺寸精度、热处理工艺和装备要求高，精确控制难度大，国内尚未完全掌握其技术。

（2）国内螺纹钎杆生产工艺及特点

国内重型凿岩钎杆材质为20CrNi3Mo,FF710等钢种，工艺流程分为以下几种：

工艺流程一（仿国外工艺）：

废钢精选—冶炼—LF精炼—VD真空处理—浇注大钢锭—加热—开坯—扒皮—机械钻孔—装芯—加热—轧材—抽芯—中空钢—锻造—机械加工—渗碳—空淬 （强制风冷）—低温回火—检验—校直—抛丸—防锈—包装—入库

工艺流程二：

圆钢—扒皮—加热—穿孔—热轧减径（或热拉拔）—中空钢材—锻造—机械加工—渗碳—空淬—回火—检验—校直—抛丸—防锈—包装—入库。其工艺特点为：生产流程短，成本较低。

工艺流程三：

采用经钻孔法或热穿-热轧（拔）法生产的优质中空钢材—锻造—机械加工—正火—淬火—回火—检验—校直—抛丸—防锈—包装—入库。可用此法生产冲击功不是太高、冲击频率不是太高的液压凿岩场所（如COP1038、水星-300液压凿岩机）。

螺纹钎杆采用低碳高强度合金钢经渗碳和淬火回火+喷丸+防腐处理是目前最佳的螺纹钎杆制钎工艺。但渗碳炉炉温的均匀性、表面渗层的深度控制、淬火时杆体弯曲度的控制、螺纹的机加工的表面尺寸精度和粗糙度，是决定螺纹钎杆质量的关键因素。特别是表面渗碳层要求无块状和网状碳化物、无内氧化等缺陷，表面硬度要求梯度平缓，这在工艺上是较难做到的。

低碳高强度合金钢经渗碳淬火回火处理后，虽然增加了螺纹钎杆的表面硬度、耐磨性、疲劳强度，同时也使螺纹钎杆的表面增加了缺口敏感性。这一工艺并未全部满足螺纹钎杆在凿岩过程中，联接套与钎杆螺纹之间的高频撞击所产生的高热的抗软化能力。所以，螺纹钎杆仍有课题需要进行深入的研究。

图3 井式气体渗碳炉

图4 刚出渗碳炉的螺纹钎杆

综上所述，螺纹钎杆制造工艺较复杂，难度较大，目前我国生产的螺纹钎杆与世界先进水平相比，尚有不小差距。

2.3 市场分析

（1）国内市场

中国国民经济历经多年高速发展，GDP连续保持在8%左右，公路、铁路、水利工程等基础设施建设规模不断扩大；国内工业对铁矿石、铁合金、有色金属矿产的需求持续增长，引领矿山采矿业迅速扩张。这些基建工程、矿业采掘都离不开采掘用钎杆，也导致钎杆消耗的迅速增长。

螺纹钎杆是液压凿岩钻车的配套工具。随着我国大型基础项目的相继开工，机械化施工作业程度将进一步加大，大型钻机的使用量也将有较大幅度的提升，对螺纹钎杆的需求量也会有所增加。据中国钎钢钎具协会2012年统计，当年全国钎具产值60亿元，其中螺纹连接钎杆产值大约占6%，即3.6亿元。

液压凿岩台车用螺纹钎杆的生产标志着一个国家的钎杆制造水平，目前国内生产螺纹钎杆的厂家有：首钢贵阳特殊钢有限责任公司、贵阳惠沣众一钎具有限公司、辽宁莲花山凿岩钎具有限公司、山东三山集团五岳钎钢钎具有限公司、湖北嘉裕钎具有限公司等。但我国在螺纹钎杆的生产上技术尚未完全过关，国内螺纹钎杆一半以上依赖于国外进口，有人估计其年需求量约合20亿元人民币，并呈逐年上升趋势。

（2）国际市场

国际市场上钎具产品的市场份额尚较难确定，其主要供应商为瑞典的Sandvik、Atlas公司，美国的Boartlongyear，日本古河等。这几个国际著名钎具公司的技术引导着世界钎具的发展，其生产的螺纹钎杆产品质量好，价格高，尽管价格约为国内钎杆产品价格的1.5-3倍，但产品仍约占国际市场的80%，我国的螺纹钎杆市场也基本上被这几家公司所占有。同时这几家公司近年来有逐渐将生产线向我国转移的趋势，都在我国设立了分公司或投资控股公司。我国将成为国际钎具产品的主要生产基地，这将为我国钎具事业的发展提供良好的机遇，也给该项目提供发展的平台。

螺纹钎杆制造是一项技术较复杂的产业，需要专业的技术人才队伍、先进成熟的技术工艺路线、严格有效的管理，再加上国内外市场基本饱和，生产厂家竞争激烈，故建议对此技术进步项目应谨慎为之。

3 结论

（1）钎具企业要发展，要做强，必须进行创新，特别是技术创新；

（2）新产品开发来源于市场，实现于市场，满足于市场，服务于市场。