近10年金刚石绳锯技术最新发展及展望

王智慧, 张 喆, 王伟熙

(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,国家特种矿物材料工程技术研究中心,广西特种矿物材料技术创新中心,广西 桂林 541004;3.桂林航天工业学院,广西 桂林 541004)

0 引言

1968年,英国人最先发明出金刚石绳锯,并于20世纪70年代末,被意大利引进成功应用于大理石矿山开采中,当时串珠的制备方式为电镀。80年代初,他们利用粉末冶金技术制造出烧结式串珠,并于1986年应用于硬度更高的花岗石矿山开采领域。随后,单绳锯在锯切硬脆材料直线缝的场合得到迅速推广。1990年基于数控技术的四轴绳锯切割机进入市场,单绳锯开始用于切割硬脆材料复杂形状(非直线缝)的异形面,此后,意大利又研制出多条绳锯切割机,使绳锯应用范围得以进一步扩大。

国内最早于1986年涉足电镀串珠绳锯领域,虽然取得一定成果,但因电镀串珠绳锯结构及制造技术上的不足,没有在市场上得到广泛应用。90年代国内多家企业开始烧结单绳锯的研制,相继开发出Φ8.0～Φ11.5 mm单绳锯,并于2005年实现了烧结单绳锯规模化制造,2007年单绳锯全部实现国产化。在2010年前后,国内多家企业相继开发出Φ6.5～Φ7.5 mm烧结组合绳锯,约2014年实现了规模化制造,不久之后,国内用组合绳锯全部实现了国产化[1]。

我国绳锯结构设计技术及配方技术是在模仿国外先进产品的基础上发展起来的,相对容易攻克。但由于国外对中国进行技术封锁,其制造技术完全是靠我国自我探索、自我创新所形成,具有中国特色,这也是我国从研发到市场应用需要长达15年左右时间的原因。中国与国外绳锯制造技术主要差异[2]见表1。

表1 中国与国外绳锯制造技术主要差异

经过多年发展,我国绳锯结构设计技术及配方技术与国外先进技术相近,而绳锯性能是由绳锯结构设计技术及配方技术决定的,因此,我国绳锯性能达国际先进水平。我国制造技术由于工序短、控制简单,从而具有制造成本低、质量更稳定等优势,达国际领先水平。目前,我国绳锯凭借其性价比及售后服务优势,国内用绳锯全部实现国产化,并形成有我国绳锯进入的国家和地区,其他国家绳锯逐渐退出该市场的良好局面。

为保持我国烧结绳锯在全球的领先地位,抢占全球市场,我国一直持续对烧结绳锯结构技术、配方技术、制造技术及应用领域等进行创新研究,并取得了很大的成效。

1 近10年金刚石绳锯技术最新发展

1.1 应用领域

10年前,因受绳锯整体技术限制、且价格偏高,我国金刚石绳锯主要用于石材曲面切割、石材矿山露天开采、石材荒料整形、建筑物拆除[3]等领域。随着绳锯整体技术的快速发展与制造成本的大幅下降,用绳锯切缝的优势越来越凸显,应用领域得到迅速拓展,其领域有:

(1)绳锯用于石材大板剖分。得益于近年来组合绳锯综合性能的大幅提升与制造成本的大幅下降,国产组合绳锯在锯切石材大板领域开始大范围推广应用,目前国产组合绳锯技术达世界先进水平,国内用组合绳锯全部实现国产化。图1为组合绳锯剖分石材大板现场。

图1 组合绳锯剖分石材大板

(2)绳锯用于贫盐溶矿开采。目前,贫盐溶矿通常采用水溶开采方法,即采用坑道开挖硐室,以打眼、爆破的方式产生裂缝,浸泡溶解矿层中的盐,再将含盐水抽到地面进行蒸发、提纯的开采方法。采用炸药爆破产生裂缝方法,不安全、噪声大,特别是距离城镇较近时,每次爆破能量释放相当于3级地震[4]。采用绳锯技术制造盐溶裂纹方法克服了炸药爆破产生裂缝方法的不足,已在国内部分贫盐溶矿开采中得到应用[5]。图2为绳锯锯切盐溶裂缝现场。

图2 绳锯锯切盐溶裂缝

(3)其他新领域应用。利用绳锯在硬脆材料上便利切缝的功能,绳锯在煤层割缝卸压、建筑物纠倾、钢筋混凝土腰梁拆除、灌注桩桩头预埋管拆除、立交桥拆除等许多新领域得以推广应用。

1.2 绳锯结构技术

金刚石绳锯由串珠、钢丝绳、固结材料和钢丝绳对接接头组成,结构相对简单。近几年绳锯结构创新主要表现在以下几个方面:

(1)绳锯规格系列化取得较大进展。近几年Φ6.0 mm、Φ5.5 mm烧结绳锯已实现工业化生产,并开始研究直径更小的Φ5.0 mm、Φ4.5 mm烧结绳锯,以满足客户提出用相同体积的奢石荒料剖分出更多片数大板的需求。

(2)其他绳锯结构技术。尽管绳绳结构简单,近年来针对串珠松动、断绳、提高工作效益等方面进行了大量创新工作,下面仅举几例加以说明。

1)绳锯用的防脱接头:本创新技术的特点是在接头正中间增加一隔板,从而使钢丝绳两端插入到接头本体内的长度相同,避免出现钢丝绳的一端因插入长度过短导致其容易被拉脱的问题,确保绳锯在使用时的安全。

2)带复合支撑层的绳锯:本创新技术的特点是在钢丝绳表层预涂一层胶粘保护层,从而为钢丝绳在转运和装配串珠的过程中提供保护,并能防止工作时水与泥浆浸入钢丝绳内部,提高绳锯使用过程的抗冲击能力,减少串珠轴向移位的概率。

3)防止橡胶开裂的弹簧绳锯:本创新技术的特点是弹簧的中部为等径弹簧直段,弹簧的两端具有包裹金刚石串珠的基体的扩径弹簧段(即弹簧两端外径大于弹簧中部外径),使得绳锯在使用过程中,受力点主要作用于弹簧上,由于其具有回弹力,从而可以保证锯切时橡胶外套不容易开裂和磨损,进而可以提升弹簧绳锯的使用寿命。

4)金刚石绳锯首尾无损快速联接装拆技术:本创新技术的特点是金刚石绳锯的一端固定安装有插接杆,其另一端固定安装有插接筒,插接筒上固定安装有限位滑动插块,插接杆上开设有限位滑动槽,限位滑动槽与限位滑动插块相适配,实现金刚石绳锯首尾无损快速联接装拆。

1.3 配方技术

金刚石绳锯工作层采用高钴配方是我国走向成功的关键之一。最初异型切割绳锯配方引用石材剖分锯片的低钴配方,一直未能取得成功应用,直至将其替换为高钴配方应用于异型切割绳锯中,才使绳锯得以迅速推广应用。钴基配方具有适应性广、对制作工艺要求宽松及产品质量稳定等特点,至今国内外大部分绳锯生产企业仍使用高钴配方[6]。然而钴粉非常昂贵,随着全球一体化竞争的日趋激烈,迫切需要研究一种低成本的绳锯配方体系取代高钴配方体系,并可对5级以上硬石材荒料实现剖分,性能满足使用需求。采用高钴配方,在锯切效率低至0.15 m2/h时,锯切一块硬荒料后,需连续锯切3～5块软荒料(绳锯用锯切软石材方式开刃)绳锯才能恢复剖分硬荒料功能。以桂林特邦为代表的国内企业,通过持续配方研发,已基本解决了低钴或无钴配方力学性能低、制造质量波动大、广谱性不如钴基工作层、铁基工作层对金刚石产生刻蚀和烧结温度偏高等许多关键技术问题,已在全球市场中逐步推广应用低钴基配方,但要完全解决上述技术难题,还需国内同行一并持续努力。

1.4 制造技术

(1)不造粒粉料和串珠基体一同冷压新技术

为保证粉料在冷压模具中不搭桥及串珠冷压环重量一致,国外采用先将串珠工作层压成“环”坯,在冷压工序前增加造粒环节,冷压后增加将串珠工作层冷压环、串珠基体和焊料组装在一起以及去除造粒添加杂质(俗称“脱脂”)环节。该技术在我国最初绳锯研制过程中也曾尝试过,但最终因制备成本高、效率低、工序长导致质量波动大而未在产业化中应用。我国现采用的是具有中国特色,用不造粒粉料和串珠基体一同进行冷压的新技术,该技术省去了造粒环节、冷压环和串珠基体组装环节、脱脂环节,具有成本低、效率高、质量稳定等特点。

采用不造粒粉和串珠基体一同冷压技术可分解成下列工步:① 将模具拼装在一起;② 粉料称重;③ 将粉料、基体、上下压头及芯杆装入模具中;④ 将模具锁紧;⑤ 将粉料和串珠基体一同冷压成型;⑥ 将模具松开;⑦ 取出冷压环、上下压头、芯杆并将冷压环与上下压头、芯杆分离;⑧ 收集冷压好的串珠冷压坯。

手动冷压:用机器完成第⑤工步,其余由人工完成。后期通过改进模具,使④、⑥工步也由机器完成。

半自动冷压:用机器完成第①、④、⑤、⑥、⑦工步,其余由人工完成。后期通过研发自动称粉机,使②工步也由机器完成。

全自动冷压:全部工步均由机器完成。

采用不造粒粉和串珠基体一同冷压新技术经历了手动冷压(图3)、半自动冷压(图4)以及全自动冷压(图5)等三个阶段。近几年以桂林特邦为代表的国内企业,通过持续研发,在基本解决粉料在冷压模具中搭桥及串珠冷压坯重量不一致等许多关键技术问题后,全自动冷压技术才逐步得到推广应用。

图3 手工冷压串珠一角

图4 半自动冷压串珠一角

目前,采用全自动冷压技术制造的冷压坯,其金刚石分布没有采用手动冷压或半自动冷压技术制造的冷压坯均匀,在一些要求串珠金刚石分布均匀的场合受到限制,这也是全自动冷压技术需进一步研究解决的问题之一。

(2)半自动注塑技术

图6为半自动注塑示意图。

图6 半自动注塑示意图

半自动注塑工序可分解为下列工步:① 清除冒口及流道中的塑料(人工操作);② 将串珠、弹簧等移至目标位置附近(人工操作);③ 紧压绳使钢丝绳贴紧注塑模具(人工点动开关由机器压绳);④ 将串珠、弹簧等精确移至目标位置(人工操作);⑤ 判断串珠、弹簧是否处于目标位置;⑥ 注塑机合模—注塑—开模(注塑机自带功能);⑦ 将塑料绳从注塑模具抬起;⑧ 将塑料绳快速向前移动;⑨ 将塑料绳慢速向前移动至指定位置;⑩ 压绳使钢丝绳靠近注塑模具,即一个注塑循环结束。其中第①～④工步由人工完成,第⑤～⑩工步由机器自动完成(只需点击一次按键)。在半自动注塑技术应用之前,除工步⑥外,其余工步均需人工操作,每台注塑机需要2个人操作。半自动注塑技术应用后,每台注塑机只需要1个人操作,人均生产效率提高了1倍。然而,注塑工序尚未实现全自动化,最难的工步是清除冒口及流道中的塑料、将串珠和弹簧等精确移至目标位置,这将是今后持续研究的目标。

1.5 绳锯用原材料开始全面实现国产化

多年以前,钢丝绳、塑料和高品质金刚石的获得均需要通过进口。近几年,随着我国整体技术的进步以及对国外技术的消化与吸收,国产钢丝绳、塑料、高品质金刚石的性能已基本能满足绳锯的使用需求,已开始逐步实现国产化,从而使进口钢丝绳、塑料、高品质金刚石的价格大幅下降(如进口钢丝绳价格从11元/m降至7元/m以下、进口塑料价格从70元/kg降至50元/kg以下,进口高品质金刚石价格从2元/克拉降低至1.3元/克拉以下),国产原材料的价格则更低。

2 金刚石绳锯展望

经过多年发展,我国绳锯整体技术已达国际先进水平,部分技术达国际领先水平。然而随着我国出生人口呈下降趋势,劳动人口必将逐年减少,加之我国具有轻体力劳动,重脑力劳动的传统,若人才政策不作出重大调整,我国体力操作员工必将出现严重短缺。为适应全球一体化市场竞争,今后绳锯必将向着提高人均生产效率、降低成本的方向发展。下面就绳锯产业链“补短板”、“锻长板”等关键环节发表笔者的一些展望。

2.1 绳锯制造企业规模进一步扩大

由于绳锯制造技术是金刚石制品中难度较大的技术之一,技术准入门槛较高,且市场相对集中,要求企业具有较大的综合实力及品牌效应。品牌的打造离不开质量的稳定,质量的稳定离不开投入,只有有实力的企业才会对稳定质量进行持续投入。近几年大量的小规模绳锯制造企业陆续关停转产,其表面理由是受新冠疫情影响,其真实原因是其技术落后、产品质量波动大、人均生产效率低等所致。今后绳锯制造企业将进一步整合,大部分绳锯制造企业将关停转产,少数绳锯企业规模将进一步扩大,达到数十亿元,形成集成效益。

2.2 信息化建设

随着全球经济一体化的逐步实施以及绳锯产品同质化的日趋严重,绳锯产品的全球化竞争已进入白热化状态。我国制造业增速明显回落,面临产能过剩、供需失衡等一系列突出矛盾。为保证企业在全球竞争中具有较强的竞争力,不仅需要企业提供低价优质的产品,还对服务质量提出了更高的要求。提高彼此的沟通效率和沟通质量、提高交货及时率、对生产进程及产品质量进行实时监控等,也将成为客户考核供应商的重要环节。

利用工业互联网,与之协同,开展信息化建设,使生产过程与信息系统实现全面的互联互通,实现无障碍地接触到消费者需求,促进研发设计、生产制造和经营管理等业务流程的优化升级,使之实现数字化管理、平台化设计、智能化制造、网络化协同、个性化定制和服务化延伸等能力,消费者在下单时可以按照自己的需求进行选择,工厂在工业互联网平台上收到订单,可以统筹生产线各环节,进行及时生产和发货,消费者可以对生产进程及产品质量进行实时监控等。信息化建设是大势所趋,是企业持续发展的保证,有实力的绳锯企业必将持续开展信息化建设。

2.3 自动化建设

随着中国进入老年社会、出生人数下降,中国体力操作员工短缺甚至无体力操作员工可用是必然趋势,从而使绳锯厂家开展自动化建设,实现无人车间,仍至无人工厂成为可能。绳锯自动化建设可分为下列3个阶段:第1阶段为工步实现机械化或自动化,实现少人车间,如冷压工序基本上实现全工序自动化,穿绳工序除装绳及卸绳外,其余工步已全部实现全工序自动化;第2阶段为工序实现自动化,实现无人车间;第3阶段为整个工厂实现自动化,实现少人工厂或无人工厂。中国乃至全球目前仍处于部分工步实现机械化或自动化阶段,许多工序中多以人工操作为主,这充分说明要实现绳锯全自动化生产的艰难,要使中国绳锯实现工序自动化甚至整个工厂的自动化,需要全行业联合起来,依靠政府及行业的力量持续投入与突破。

2.4 用途进一步扩展

绳锯是一种柔性工具,可在硬脆材料中锯切出很深的直线缝,并利用该特征在石材矿山开采、异形板切割、大板剖份、建筑物拆除等方面得到广泛应用。今后,绳锯必将在盐溶矿开采、板状矿开采、隧道及人防工事施工、空间狭窄的结构件切割等许多领域逐步推广应用。

2.5 绳锯尺寸向两端延伸

目前,绳锯串珠外径多在Φ6～Φ13 mm之间,随着应用领域的不断扩展,绳锯尺寸必将向两端延伸。在板状矿开采等一些特殊的应用领域,为了方便取出矿石,需要更大的缝隙,绳锯尺寸将向大尺寸方向延伸。大尺寸绳锯制造不存在任何技术障碍,但需要更多的材料、更高的制造成本、使用更大功率及体积的锯切装备,当绳锯串珠外径大于Φ15 mm,单位面积锯切成本将随绳锯直径增大而迅速提高。

在奢石剖分等领域,为了获得更多数量的奢石板,绳锯尺寸将向小尺寸方向延伸。当绳锯串珠外径小于Φ5.5 mm,串珠冷压成本随绳锯串珠外径的缩小而迅速提高。当绳锯串珠外径小于Φ4 mm,因串珠冷压成本太高而不能冷压,因此,笔者认为烧结串珠的串珠尺寸极限为Φ4 mm。当绳锯串珠外径小于Φ6.5 mm,采用上下压头进行串珠热压烧结成本随绳锯串珠外径的缩小而迅速提高,当绳锯串珠外径小于Φ5 mm,几乎不能采用上下压头进行串珠热压烧结,而只能采用无压烧结方法。当绳锯串珠外径小于Φ6 mm,尽管单位面积绳锯锯切成本将随绳锯直径减小而迅速提高,但与采用小直径串珠绳锯带来的巨大经济效益相比,绳锯锯切成本显得微不足道,串珠外径在Φ4～Φ6 mm间的绳锯研发,必将得到有识之士的重视。

2.6 国家检验标准推广应用

目前,国内许多绳锯企业按ISO9001质量管理体系要求开展质量管理活动,在稳定质量方面起到了一定的作用。但一些企业在推广ISO9001质量管理体系时,没有同时推广相关国家标准,导致这些企业费力不讨好,质量稳定性未能得到持续提升,仍在执行不科学的百分比抽样检验或固定抽样检验,在检验前也不认真编写抽样方案和抽样计划。

按国家相关标准进行抽样检验具有下列优势[7]: 1)国家相关标准设计的抽样检验方案具有科学依据;2)国家相关抽样检验标准已覆盖大多数情况,包括计量检验及计数检验,连续生产及间断生产等30多个国家标准;3)国家相关标准已在其他行业得到验证,对提高质量稳定具有十分积极的作用;4)当企业进入信息化时代,企业的质检过程也将接受用户监督。若企业不采用国家检验标准,将有损企业的形象。

当然,推广执行国家相关检验标准并不是一件容易的事情,比推广ISO9001质量管理体系的投入要大得多,而且在推广的前期对质量的提高不明显,这需要企业家具有战略眼光,持续培养质量管理人才,长期坚持应用国家检验标准,从而实现质量从量变到质变的转变。