浅述金刚石绳锯新领域应用

杨理清

(1.桂林特邦新材料有限公司 ,广西 桂林 541004;2.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司 广西超硬材料重点实验室，广西 桂林 541004;3.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司 国家特种矿物材料工程技术研究中心，广西 桂林 541004)

1 引言

金刚石绳锯是一种柔性超硬材料工具，具有其他产品无法比拟的优势及特点，首先金刚石绳锯不受切割对象面积、外形、角度等限制，适用性好；其次，金刚石绳锯振动小，不会对切割对象产生损伤，损耗小；其他，金刚石绳锯还具有切割噪音小、切割不会产生额外废弃物，属于环保型产品。

金刚石绳锯开发于上个世纪70至80年代，在意大利成功用于大理石矿山开采，随后随着金刚石绳锯不断研发及应用，慢慢推广应用至花岗岩矿山开采、大理石异形加工、花岗岩异形加工[1]等，并取得很好的应用效果，给矿山开采及岩石加工带来一场开采及加工方式变革。随着社会城市化进程加快，金刚石绳锯应用快速适应这一变化，成功推出了应用于钢混建筑拆除方面钢混绳产品，发挥出了金刚石绳锯切割效率快、噪音小，操作简便巨大优势，使得金刚石绳锯市场快速发展、应用领域不断扩展，目前金刚石绳锯又在盐类矿开采、纯钢切割应用领域进行开展工作[2]。本文就是介绍金刚石绳锯在以上2种新的应用领域情况进行概述。

2 盐溶矿开采概述

背景：现有盐类矿床除了富矿可露天直接开采外，贫矿通常采用水溶开采方法，一般采用坑道开挖硐室，以打眼、爆破的方式产生裂缝，浸泡溶解矿层中的盐，再通过管道与水泵抽到地面进行蒸发、提纯的开采方法，此种方式效率低、危险性高且噪声大，成本高，难以适应可持续、低碳、环保的发展要求，特别是距离城镇较近时，每次爆破均相当于3级的地震。而采用金刚石绳锯这类先进的开采工具及方式，可以大大提升盐溶矿开采效率，且不会对矿体产生剧烈震动，是十分适合在盐溶矿中进行开采及应用的。

2.1 盐溶矿开采用金刚石绳锯

由于盐溶矿开采的特点，其具有硬度低、黏性大、具有较强的腐蚀性，切割面积大，故盐溶矿专用金刚石绳锯具有以下几个特征：

(1)胎体配方选择力学性能弱、易磨损，好出刃，以便适应盐溶矿岩性特点。

(2)由于盐溶矿具有腐蚀性的特征，橡胶选择耐盐类腐蚀的丁基胶或者氟胶为宜。

(3)金刚石绳锯由于长时间使用，橡胶会产生磨损、破裂，钢丝绳通常选择耐腐蚀更好的镀锌钢丝绳(表1)。

表1 2种不同钢丝绳的防腐蚀性能

(4)由于盐溶矿开采面积一般在200～400m2甚至1000m2，所用的金刚石绳锯长度达到100米至300米，切割阻力会非常大，金刚石绳锯容易出现窜珠情况，导致切割中金刚石绳锯卡在切割锯缝中无法使用，故盐溶矿开采用金刚石绳锯通常需要增加弹簧进行固定。

2.2 盐溶矿专用设备：

采用金刚石绳锯开采盐溶矿必须要有相应的设备，目前的设备功率为55kW、75kW、110kW等，由于盐溶矿采用金刚石绳锯开采，切割面积大，溶解后岩浆具有一定黏性，对金刚石绳锯切割开采具有很大阻力，故设备功率越大，盐溶矿开采进度会越有优势。

除了开采设备，开采盐溶矿还需要增加专门的开采辅助设备，这些设备包括打孔风钻、导向轮。

打孔风钻的作用为对盐溶矿进行打洞，以便将金刚石绳锯穿入岩层，并将金刚石绳锯围成一个闭环体进而对岩体进行切割开采。

导向轮设备的作用为对金刚石绳锯切割方向进行导向并缓和金刚石绳锯切割锯路，防止转角过小形成切割阻力。

2.3 盐溶矿专用金刚石绳锯应用情况

采用金刚石绳锯开采盐溶矿的一般步骤如下[3]：

(1)在盐溶矿体预定作业区域范围内挖出不同层面的平行水平巷道，并保证巷道位于同一切割立面上。

(2)在相邻巷道之间采用风钻钻出相通的绳锯穿设孔，一般一个切割面需要打3个穿绳孔。

(3)将金刚石绳锯采用铁杆或空心管等特殊工具穿入穿绳孔连接形成一个闭环区，如果金刚石绳锯长度不足，可以采用金刚石绳锯专用接头将不同长度金刚石绳锯连接起来，形成一个金刚石绳锯闭环体；

(4)在其中一个巷道内铺设轨道，将绳锯机架设于轨道上，并可沿着轨道行走，将已经穿好的闭环金刚石绳锯套于绳锯的飞轮上，即已经做好金刚石绳锯前期开采准备工作。

(5)向各绳锯穿绳孔内注入冷却水，启动绳锯机带动金刚石绳锯形成高速回转即可实现在盐溶矿体的切割立面上切割出溶解裂缝。

图1 金刚石绳锯开采示意图[3]Fig.1 Mining schematic diagram of diamond wire saw 1:水平巷道;2:金刚石绳锯;3:绳锯机;4:轨道;5:转向机构;6:绳锯穿绳孔

目前国内金刚石绳锯在盐溶矿开采中采用75kW设备切割效率可达到21～31m2/h，使用寿命达到45m2/m，能够满足市场使用要求，具有市场应用推广技术基础，但由于目前金刚石绳锯在盐溶矿开采应用上是一种新的应用技术，需要一定的开采技术及应用经验，目前国内还缺少配套施工队伍，施工方法尚未系统的建立，是市场推广的一个短板。

3 纯钢切割概述

目前切割大型钢坯、钢管、钢板等大型钢铁企业基本都是用气氧(氧气、乙炔)切割，气氧切割就是用瞬间的高温达到钢铁的熔点进行切除。此切割方法具有费力费料，作业环境恶劣，切割面不平整，对工件损伤较大等缺点。开发金刚石绳锯产品，利用绳锯自身的柔性，具有切缝小，操作简单，环保，部件切割能力强，切割平稳，切割噪音小等优点，能给企业节省大量的切割改造成本。其在海底电缆切割，输油管道切割，大型的钢铁等金属构件切割，锅炉和冶炼炉的切割改造等领域也可大规模地应用。

3.1 纯钢切割专用金刚石绳锯

由于纯钢切割的特点，其具有硬度高、结构致密、韧性强，易产生高温，切割角度小，故纯钢切割专用金刚石绳锯具有以下几个特征：

(1)由于纯钢的切割特征，金刚石绳锯串珠的胎体要求很高，既要求胎体有一定的红硬性，又要求胎体在切割过程能正常的换层，保证金刚石正常的出刃，同时还要求胎体对金刚石有一定把持力和耐磨性。

(2)由于纯钢切割会产生高温，橡胶选择耐高温、耐刮擦，抗蹦花掉块的丁苯橡胶或硅橡胶。

(3)金刚石绳锯切割合金钢由于切割角度小，所以会选择柔韧性更好的镀铜钢丝绳。

(4)纯钢切割由于切割角度小，为了避免钢材质接头转不过弯导致脱落的现象[2]，一般选用铜材质接头，利用铜材质的软、韧性高等特点代替钢材质接头。

3.2 纯钢切割专用设备

(1)纯钢切割主动力设备功率有37kW、45kW、55kW等，由于纯钢切割一般切割直径都在3米之内，设备功率基本都能满足切割要求。

(2)防偏磨设备，由于纯钢属于小面积切割并且角度小，金刚石绳锯自转困难，容易出现严重偏磨情况，故需要专用金刚石绳锯防偏磨设备。

(3)导向轮：导向轮的作用有两个，防金刚石绳锯卡绳与防抖动，防止卡绳主要是由于纯钢切割过程中金刚石绳锯发生移动导致切割成曲面，容易引起卡绳现象的发生，另外在靠近工件处放置导向轮，增加切割张角变大，也可以防止卡绳，防抖动是由于绳子太长在切割过程中产生抖动，增加导向轮可以固定金刚石绳锯的切割轨道。

3.3 纯钢切割专用金刚石绳锯应用情况

纯钢切割专用金刚石绳锯基本操作步骤如下 (图2)：

(1)将切割对象纯钢固定平稳，调整好切割位置，调整切割设备轮系处于同一切割水平面上。

(2)按金刚石绳锯使用箭头方向分别套入主动力设备大轮、防偏磨设备、导向轮、纯钢工件等待用。

(3)选择金刚石绳锯一头，按逆时针方向缠绕一定圈数，一般为2～3圈/米。

图2 金刚石绳锯切割纯钢示意图[4]Fig.2 Cutting pure steel sketch map of diamond wire saw

(4)利用铜接头将缠绕好金刚石绳锯连接两头形成闭环结构，实现连续循环切割。

(5)调整金刚石绳锯张力，确定金刚石绳锯处于稳定张紧状态。

(6)设置冷却水口，一般设置2-3个为宜，冷却液选择自来水即可。

(7)启动主动力设备，调整线速度、电流值开始进行切割，启动防偏磨设备，调整自转速度，依据金刚石绳锯工作状态随时进行调整。

(8)随着纯钢工件切割角度变化，需要进行导向轮位置的调整，直至纯钢工件顺利完成切割。

目前国内采用金刚石绳锯可应用于切割加工大型合金钢构件、钢管、钢板，目前表现较好切割效率可以达到0.1m2/h，使用寿命在0.1～0.5m2/m左右，由于采用金刚石绳锯切割纯钢工件，产生振动小、没有明显高温，故对加工的纯钢工件内部不会产生裂纹与损伤，这是金刚石绳锯最大的优势，但在金刚石绳锯应用于纯钢切割过程中容易产生切割铁削包裹金刚石串珠，使其无法正常出刃影响切割效率，另外，由于金刚石绳锯切割纯钢工件时磨损量较大，容易产生明显偏磨情况，必须需要解决金刚石偏磨问题，否则容易出现金刚石绳锯切割走刀，斜面问题。

4 展望

金刚石绳锯传统应用于大理石矿山、花岗岩矿山开采及加工领域，极大地突出了金刚石绳锯柔性切割工具切割效率高，不受切割面积、形状限制，产生噪音小，操作简单、安全的特性，故金刚石绳锯作为一种先进开采工具已经在全面取代人工开采、爆破等落后的加工方式，形成规模化行业产品。目前随着金刚石绳锯应用领域继续拓展，在盐溶矿开采、纯钢切割领域已经开始进行应用研究，并取得了一定的应用效果。本人相信，金刚石绳锯以它独特的切割性能，一定会开发出适应性更强、应用领域更广的产品；在此，特给出自己的一些建议：

(1)金刚石绳锯作为一种应用型产品，必须在对金刚石绳锯进行更为系统、深入的基础研究，这样才能更好对金刚石绳锯应用领域进行指导开发。

(2)金刚石绳锯作为一种切割工具，必须配套相关的设备开发，只有这样，才能将金刚石绳锯使用性能充分的发挥出来。

(3)随着金刚石绳锯不断进入新的应用领域，行业内要打造培训出专业应用人员及团队，避免出现专业人员及团队匹配不足的情况，不利于应用领域的扩展与开发。