淺述金剛石繩鋸新領(lǐng)域應(yīng)用

楊理清

(1.桂林特邦新材料有限公司 ,廣西 桂林 541004;2.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司 廣西超硬材料重點實驗室，廣西 桂林 541004;3.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司 國家特種礦物材料工程技術(shù)研究中心，廣西 桂林 541004)

1 引言

金剛石繩鋸是一種柔性超硬材料工具，具有其他產(chǎn)品無法比擬的優(yōu)勢及特點，首先金剛石繩鋸不受切割對象面積、外形、角度等限制，適用性好；其次，金剛石繩鋸振動小，不會對切割對象產(chǎn)生損傷，損耗小；其他，金剛石繩鋸還具有切割噪音小、切割不會產(chǎn)生額外廢棄物，屬于環(huán)保型產(chǎn)品。

金剛石繩鋸開發(fā)于上個世紀(jì)70至80年代，在意大利成功用于大理石礦山開采，隨后隨著金剛石繩鋸不斷研發(fā)及應(yīng)用，慢慢推廣應(yīng)用至花崗巖礦山開采、大理石異形加工、花崗巖異形加工[1]等，并取得很好的應(yīng)用效果，給礦山開采及巖石加工帶來一場開采及加工方式變革。隨著社會城市化進程加快，金剛石繩鋸應(yīng)用快速適應(yīng)這一變化，成功推出了應(yīng)用于鋼混建筑拆除方面鋼混繩產(chǎn)品，發(fā)揮出了金剛石繩鋸切割效率快、噪音小，操作簡便巨大優(yōu)勢，使得金剛石繩鋸市場快速發(fā)展、應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展，目前金剛石繩鋸又在鹽類礦開采、純鋼切割應(yīng)用領(lǐng)域進行開展工作[2]。本文就是介紹金剛石繩鋸在以上2種新的應(yīng)用領(lǐng)域情況進行概述。

2 鹽溶礦開采概述

背景：現(xiàn)有鹽類礦床除了富礦可露天直接開采外，貧礦通常采用水溶開采方法，一般采用坑道開挖硐室，以打眼、爆破的方式產(chǎn)生裂縫，浸泡溶解礦層中的鹽，再通過管道與水泵抽到地面進行蒸發(fā)、提純的開采方法，此種方式效率低、危險性高且噪聲大，成本高，難以適應(yīng)可持續(xù)、低碳、環(huán)保的發(fā)展要求，特別是距離城鎮(zhèn)較近時，每次爆破均相當(dāng)于3級的地震。而采用金剛石繩鋸這類先進的開采工具及方式，可以大大提升鹽溶礦開采效率，且不會對礦體產(chǎn)生劇烈震動，是十分適合在鹽溶礦中進行開采及應(yīng)用的。

2.1 鹽溶礦開采用金剛石繩鋸

由于鹽溶礦開采的特點，其具有硬度低、黏性大、具有較強的腐蝕性，切割面積大，故鹽溶礦專用金剛石繩鋸具有以下幾個特征：

(1)胎體配方選擇力學(xué)性能弱、易磨損，好出刃，以便適應(yīng)鹽溶礦巖性特點。

(2)由于鹽溶礦具有腐蝕性的特征，橡膠選擇耐鹽類腐蝕的丁基膠或者氟膠為宜。

(3)金剛石繩鋸由于長時間使用，橡膠會產(chǎn)生磨損、破裂，鋼絲繩通常選擇耐腐蝕更好的鍍鋅鋼絲繩(表1)。

表1 2種不同鋼絲繩的防腐蝕性能

(4)由于鹽溶礦開采面積一般在200～400m2甚至1000m2，所用的金剛石繩鋸長度達到100米至300米，切割阻力會非常大，金剛石繩鋸容易出現(xiàn)竄珠情況，導(dǎo)致切割中金剛石繩鋸卡在切割鋸縫中無法使用，故鹽溶礦開采用金剛石繩鋸?fù)ǔＰ枰黾訌椈蛇M行固定。

2.2 鹽溶礦專用設(shè)備：

采用金剛石繩鋸開采鹽溶礦必須要有相應(yīng)的設(shè)備，目前的設(shè)備功率為55kW、75kW、110kW等，由于鹽溶礦采用金剛石繩鋸開采，切割面積大，溶解后巖漿具有一定黏性，對金剛石繩鋸切割開采具有很大阻力，故設(shè)備功率越大，鹽溶礦開采進度會越有優(yōu)勢。

除了開采設(shè)備，開采鹽溶礦還需要增加專門的開采輔助設(shè)備，這些設(shè)備包括打孔風(fēng)鉆、導(dǎo)向輪。

打孔風(fēng)鉆的作用為對鹽溶礦進行打洞，以便將金剛石繩鋸穿入巖層，并將金剛石繩鋸圍成一個閉環(huán)體進而對巖體進行切割開采。

導(dǎo)向輪設(shè)備的作用為對金剛石繩鋸切割方向進行導(dǎo)向并緩和金剛石繩鋸切割鋸路，防止轉(zhuǎn)角過小形成切割阻力。

2.3 鹽溶礦專用金剛石繩鋸應(yīng)用情況

采用金剛石繩鋸開采鹽溶礦的一般步驟如下[3]：

(1)在鹽溶礦體預(yù)定作業(yè)區(qū)域范圍內(nèi)挖出不同層面的平行水平巷道，并保證巷道位于同一切割立面上。

(2)在相鄰巷道之間采用風(fēng)鉆鉆出相通的繩鋸穿設(shè)孔，一般一個切割面需要打3個穿繩孔。

(3)將金剛石繩鋸采用鐵桿或空心管等特殊工具穿入穿繩孔連接形成一個閉環(huán)區(qū)，如果金剛石繩鋸長度不足，可以采用金剛石繩鋸專用接頭將不同長度金剛石繩鋸連接起來，形成一個金剛石繩鋸閉環(huán)體；

(4)在其中一個巷道內(nèi)鋪設(shè)軌道，將繩鋸機架設(shè)于軌道上，并可沿著軌道行走，將已經(jīng)穿好的閉環(huán)金剛石繩鋸套于繩鋸的飛輪上，即已經(jīng)做好金剛石繩鋸前期開采準(zhǔn)備工作。

(5)向各繩鋸穿繩孔內(nèi)注入冷卻水，啟動繩鋸機帶動金剛石繩鋸形成高速回轉(zhuǎn)即可實現(xiàn)在鹽溶礦體的切割立面上切割出溶解裂縫。

圖1 金剛石繩鋸開采示意圖[3]Fig.1 Mining schematic diagram of diamond wire saw 1:水平巷道;2:金剛石繩鋸;3:繩鋸機;4:軌道;5:轉(zhuǎn)向機構(gòu);6:繩鋸穿繩孔

目前國內(nèi)金剛石繩鋸在鹽溶礦開采中采用75kW設(shè)備切割效率可達到21～31m2/h，使用壽命達到45m2/m，能夠滿足市場使用要求，具有市場應(yīng)用推廣技術(shù)基礎(chǔ)，但由于目前金剛石繩鋸在鹽溶礦開采應(yīng)用上是一種新的應(yīng)用技術(shù)，需要一定的開采技術(shù)及應(yīng)用經(jīng)驗，目前國內(nèi)還缺少配套施工隊伍，施工方法尚未系統(tǒng)的建立，是市場推廣的一個短板。

3 純鋼切割概述

目前切割大型鋼坯、鋼管、鋼板等大型鋼鐵企業(yè)基本都是用氣氧(氧氣、乙炔)切割，氣氧切割就是用瞬間的高溫達到鋼鐵的熔點進行切除。此切割方法具有費力費料，作業(yè)環(huán)境惡劣，切割面不平整，對工件損傷較大等缺點。開發(fā)金剛石繩鋸產(chǎn)品，利用繩鋸自身的柔性，具有切縫小，操作簡單，環(huán)保，部件切割能力強，切割平穩(wěn)，切割噪音小等優(yōu)點，能給企業(yè)節(jié)省大量的切割改造成本。其在海底電纜切割，輸油管道切割，大型的鋼鐵等金屬構(gòu)件切割，鍋爐和冶煉爐的切割改造等領(lǐng)域也可大規(guī)模地應(yīng)用。

3.1 純鋼切割專用金剛石繩鋸

由于純鋼切割的特點，其具有硬度高、結(jié)構(gòu)致密、韌性強，易產(chǎn)生高溫，切割角度小，故純鋼切割專用金剛石繩鋸具有以下幾個特征：

(1)由于純鋼的切割特征，金剛石繩鋸串珠的胎體要求很高，既要求胎體有一定的紅硬性，又要求胎體在切割過程能正常的換層，保證金剛石正常的出刃，同時還要求胎體對金剛石有一定把持力和耐磨性。

(2)由于純鋼切割會產(chǎn)生高溫，橡膠選擇耐高溫、耐刮擦，抗蹦花掉塊的丁苯橡膠或硅橡膠。

(3)金剛石繩鋸切割合金鋼由于切割角度小，所以會選擇柔韌性更好的鍍銅鋼絲繩。

(4)純鋼切割由于切割角度小，為了避免鋼材質(zhì)接頭轉(zhuǎn)不過彎導(dǎo)致脫落的現(xiàn)象[2]，一般選用銅材質(zhì)接頭，利用銅材質(zhì)的軟、韌性高等特點代替鋼材質(zhì)接頭。

3.2 純鋼切割專用設(shè)備

(1)純鋼切割主動力設(shè)備功率有37kW、45kW、55kW等，由于純鋼切割一般切割直徑都在3米之內(nèi)，設(shè)備功率基本都能滿足切割要求。

(2)防偏磨設(shè)備，由于純鋼屬于小面積切割并且角度小，金剛石繩鋸自轉(zhuǎn)困難，容易出現(xiàn)嚴(yán)重偏磨情況，故需要專用金剛石繩鋸防偏磨設(shè)備。

(3)導(dǎo)向輪：導(dǎo)向輪的作用有兩個，防金剛石繩鋸卡繩與防抖動，防止卡繩主要是由于純鋼切割過程中金剛石繩鋸發(fā)生移動導(dǎo)致切割成曲面，容易引起卡繩現(xiàn)象的發(fā)生，另外在靠近工件處放置導(dǎo)向輪，增加切割張角變大，也可以防止卡繩，防抖動是由于繩子太長在切割過程中產(chǎn)生抖動，增加導(dǎo)向輪可以固定金剛石繩鋸的切割軌道。

3.3 純鋼切割專用金剛石繩鋸應(yīng)用情況

純鋼切割專用金剛石繩鋸基本操作步驟如下 (圖2)：

(1)將切割對象純鋼固定平穩(wěn)，調(diào)整好切割位置，調(diào)整切割設(shè)備輪系處于同一切割水平面上。

(2)按金剛石繩鋸使用箭頭方向分別套入主動力設(shè)備大輪、防偏磨設(shè)備、導(dǎo)向輪、純鋼工件等待用。

(3)選擇金剛石繩鋸一頭，按逆時針方向纏繞一定圈數(shù)，一般為2～3圈/米。

圖2 金剛石繩鋸切割純鋼示意圖[4]Fig.2 Cutting pure steel sketch map of diamond wire saw

(4)利用銅接頭將纏繞好金剛石繩鋸連接兩頭形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)連續(xù)循環(huán)切割。

(5)調(diào)整金剛石繩鋸張力，確定金剛石繩鋸處于穩(wěn)定張緊狀態(tài)。

(6)設(shè)置冷卻水口，一般設(shè)置2-3個為宜，冷卻液選擇自來水即可。

(7)啟動主動力設(shè)備，調(diào)整線速度、電流值開始進行切割，啟動防偏磨設(shè)備，調(diào)整自轉(zhuǎn)速度，依據(jù)金剛石繩鋸工作狀態(tài)隨時進行調(diào)整。

(8)隨著純鋼工件切割角度變化，需要進行導(dǎo)向輪位置的調(diào)整，直至純鋼工件順利完成切割。

目前國內(nèi)采用金剛石繩鋸可應(yīng)用于切割加工大型合金鋼構(gòu)件、鋼管、鋼板，目前表現(xiàn)較好切割效率可以達到0.1m2/h，使用壽命在0.1～0.5m2/m左右，由于采用金剛石繩鋸切割純鋼工件，產(chǎn)生振動小、沒有明顯高溫，故對加工的純鋼工件內(nèi)部不會產(chǎn)生裂紋與損傷，這是金剛石繩鋸最大的優(yōu)勢，但在金剛石繩鋸應(yīng)用于純鋼切割過程中容易產(chǎn)生切割鐵削包裹金剛石串珠，使其無法正常出刃影響切割效率，另外，由于金剛石繩鋸切割純鋼工件時磨損量較大，容易產(chǎn)生明顯偏磨情況，必須需要解決金剛石偏磨問題，否則容易出現(xiàn)金剛石繩鋸切割走刀，斜面問題。

4 展望

金剛石繩鋸傳統(tǒng)應(yīng)用于大理石礦山、花崗巖礦山開采及加工領(lǐng)域，極大地突出了金剛石繩鋸柔性切割工具切割效率高，不受切割面積、形狀限制，產(chǎn)生噪音小，操作簡單、安全的特性，故金剛石繩鋸作為一種先進開采工具已經(jīng)在全面取代人工開采、爆破等落后的加工方式，形成規(guī)?；袠I(yè)產(chǎn)品。目前隨著金剛石繩鋸應(yīng)用領(lǐng)域繼續(xù)拓展，在鹽溶礦開采、純鋼切割領(lǐng)域已經(jīng)開始進行應(yīng)用研究，并取得了一定的應(yīng)用效果。本人相信，金剛石繩鋸以它獨特的切割性能，一定會開發(fā)出適應(yīng)性更強、應(yīng)用領(lǐng)域更廣的產(chǎn)品；在此，特給出自己的一些建議：

(1)金剛石繩鋸作為一種應(yīng)用型產(chǎn)品，必須在對金剛石繩鋸進行更為系統(tǒng)、深入的基礎(chǔ)研究，這樣才能更好對金剛石繩鋸應(yīng)用領(lǐng)域進行指導(dǎo)開發(fā)。

(2)金剛石繩鋸作為一種切割工具，必須配套相關(guān)的設(shè)備開發(fā)，只有這樣，才能將金剛石繩鋸使用性能充分的發(fā)揮出來。

(3)隨著金剛石繩鋸不斷進入新的應(yīng)用領(lǐng)域，行業(yè)內(nèi)要打造培訓(xùn)出專業(yè)應(yīng)用人員及團隊，避免出現(xiàn)專業(yè)人員及團隊匹配不足的情況，不利于應(yīng)用領(lǐng)域的擴展與開發(fā)。