近10年金剛石繩鋸技術最新發展及展望

王智慧, 張 喆, 王偉熙

(1.桂林特邦新材料有限公司,廣西 桂林 541004;2.中國有色桂林礦產地質研究院有限公司 廣西超硬材料重點實驗室,國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西特種礦物材料技術創新中心,廣西 桂林 541004;3.桂林航天工業學院,廣西 桂林 541004)

0 引言

1968年,英國人最先發明出金剛石繩鋸,并于20世紀70年代末,被意大利引進成功應用于大理石礦山開采中,當時串珠的制備方式為電鍍。80年代初,他們利用粉末冶金技術制造出燒結式串珠,并于1986年應用于硬度更高的花崗石礦山開采領域。隨后,單繩鋸在鋸切硬脆材料直線縫的場合得到迅速推廣。1990年基于數控技術的四軸繩鋸切割機進入市場,單繩鋸開始用于切割硬脆材料復雜形狀(非直線縫)的異形面,此后,意大利又研制出多條繩鋸切割機,使繩鋸應用范圍得以進一步擴大。

國內最早于1986年涉足電鍍串珠繩鋸領域,雖然取得一定成果,但因電鍍串珠繩鋸結構及制造技術上的不足,沒有在市場上得到廣泛應用。90年代國內多家企業開始燒結單繩鋸的研制,相繼開發出Φ8.0～Φ11.5 mm單繩鋸,并于2005年實現了燒結單繩鋸規?；圃?2007年單繩鋸全部實現國產化。在2010年前后,國內多家企業相繼開發出Φ6.5～Φ7.5 mm燒結組合繩鋸,約2014年實現了規?；圃?不久之后,國內用組合繩鋸全部實現了國產化[1]。

我國繩鋸結構設計技術及配方技術是在模仿國外先進產品的基礎上發展起來的,相對容易攻克。但由于國外對中國進行技術封鎖,其制造技術完全是靠我國自我探索、自我創新所形成,具有中國特色,這也是我國從研發到市場應用需要長達15年左右時間的原因。中國與國外繩鋸制造技術主要差異[2]見表1。

表1 中國與國外繩鋸制造技術主要差異

經過多年發展,我國繩鋸結構設計技術及配方技術與國外先進技術相近,而繩鋸性能是由繩鋸結構設計技術及配方技術決定的,因此,我國繩鋸性能達國際先進水平。我國制造技術由于工序短、控制簡單,從而具有制造成本低、質量更穩定等優勢,達國際領先水平。目前,我國繩鋸憑借其性價比及售后服務優勢,國內用繩鋸全部實現國產化,并形成有我國繩鋸進入的國家和地區,其他國家繩鋸逐漸退出該市場的良好局面。

為保持我國燒結繩鋸在全球的領先地位,搶占全球市場,我國一直持續對燒結繩鋸結構技術、配方技術、制造技術及應用領域等進行創新研究,并取得了很大的成效。

1 近10年金剛石繩鋸技術最新發展

1.1 應用領域

10年前,因受繩鋸整體技術限制、且價格偏高,我國金剛石繩鋸主要用于石材曲面切割、石材礦山露天開采、石材荒料整形、建筑物拆除[3]等領域。隨著繩鋸整體技術的快速發展與制造成本的大幅下降,用繩鋸切縫的優勢越來越凸顯,應用領域得到迅速拓展,其領域有:

(1)繩鋸用于石材大板剖分。得益于近年來組合繩鋸綜合性能的大幅提升與制造成本的大幅下降,國產組合繩鋸在鋸切石材大板領域開始大范圍推廣應用,目前國產組合繩鋸技術達世界先進水平,國內用組合繩鋸全部實現國產化。圖1為組合繩鋸剖分石材大板現場。

圖1 組合繩鋸剖分石材大板

(2)繩鋸用于貧鹽溶礦開采。目前,貧鹽溶礦通常采用水溶開采方法,即采用坑道開挖硐室,以打眼、爆破的方式產生裂縫,浸泡溶解礦層中的鹽,再將含鹽水抽到地面進行蒸發、提純的開采方法。采用炸藥爆破產生裂縫方法,不安全、噪聲大,特別是距離城鎮較近時,每次爆破能量釋放相當于3級地震[4]。采用繩鋸技術制造鹽溶裂紋方法克服了炸藥爆破產生裂縫方法的不足,已在國內部分貧鹽溶礦開采中得到應用[5]。圖2為繩鋸鋸切鹽溶裂縫現場。

圖2 繩鋸鋸切鹽溶裂縫

(3)其他新領域應用。利用繩鋸在硬脆材料上便利切縫的功能,繩鋸在煤層割縫卸壓、建筑物糾傾、鋼筋混凝土腰梁拆除、灌注樁樁頭預埋管拆除、立交橋拆除等許多新領域得以推廣應用。

1.2 繩鋸結構技術

金剛石繩鋸由串珠、鋼絲繩、固結材料和鋼絲繩對接接頭組成,結構相對簡單。近幾年繩鋸結構創新主要表現在以下幾個方面:

(1)繩鋸規格系列化取得較大進展。近幾年Φ6.0 mm、Φ5.5 mm燒結繩鋸已實現工業化生產,并開始研究直徑更小的Φ5.0 mm、Φ4.5 mm燒結繩鋸,以滿足客戶提出用相同體積的奢石荒料剖分出更多片數大板的需求。

(2)其他繩鋸結構技術。盡管繩繩結構簡單,近年來針對串珠松動、斷繩、提高工作效益等方面進行了大量創新工作,下面僅舉幾例加以說明。

1)繩鋸用的防脫接頭:本創新技術的特點是在接頭正中間增加一隔板,從而使鋼絲繩兩端插入到接頭本體內的長度相同,避免出現鋼絲繩的一端因插入長度過短導致其容易被拉脫的問題,確保繩鋸在使用時的安全。

2)帶復合支撐層的繩鋸:本創新技術的特點是在鋼絲繩表層預涂一層膠粘保護層,從而為鋼絲繩在轉運和裝配串珠的過程中提供保護,并能防止工作時水與泥漿浸入鋼絲繩內部,提高繩鋸使用過程的抗沖擊能力,減少串珠軸向移位的概率。

3)防止橡膠開裂的彈簧繩鋸:本創新技術的特點是彈簧的中部為等徑彈簧直段,彈簧的兩端具有包裹金剛石串珠的基體的擴徑彈簧段(即彈簧兩端外徑大于彈簧中部外徑),使得繩鋸在使用過程中,受力點主要作用于彈簧上,由于其具有回彈力,從而可以保證鋸切時橡膠外套不容易開裂和磨損,進而可以提升彈簧繩鋸的使用壽命。

4)金剛石繩鋸首尾無損快速聯接裝拆技術:本創新技術的特點是金剛石繩鋸的一端固定安裝有插接桿,其另一端固定安裝有插接筒,插接筒上固定安裝有限位滑動插塊,插接桿上開設有限位滑動槽,限位滑動槽與限位滑動插塊相適配,實現金剛石繩鋸首尾無損快速聯接裝拆。

1.3 配方技術

金剛石繩鋸工作層采用高鈷配方是我國走向成功的關鍵之一。最初異型切割繩鋸配方引用石材剖分鋸片的低鈷配方,一直未能取得成功應用,直至將其替換為高鈷配方應用于異型切割繩鋸中,才使繩鋸得以迅速推廣應用。鈷基配方具有適應性廣、對制作工藝要求寬松及產品質量穩定等特點,至今國內外大部分繩鋸生產企業仍使用高鈷配方[6]。然而鈷粉非常昂貴,隨著全球一體化競爭的日趨激烈,迫切需要研究一種低成本的繩鋸配方體系取代高鈷配方體系,并可對5級以上硬石材荒料實現剖分,性能滿足使用需求。采用高鈷配方,在鋸切效率低至0.15 m2/h時,鋸切一塊硬荒料后,需連續鋸切3～5塊軟荒料(繩鋸用鋸切軟石材方式開刃)繩鋸才能恢復剖分硬荒料功能。以桂林特邦為代表的國內企業,通過持續配方研發,已基本解決了低鈷或無鈷配方力學性能低、制造質量波動大、廣譜性不如鈷基工作層、鐵基工作層對金剛石產生刻蝕和燒結溫度偏高等許多關鍵技術問題,已在全球市場中逐步推廣應用低鈷基配方,但要完全解決上述技術難題,還需國內同行一并持續努力。

1.4 制造技術

(1)不造粒粉料和串珠基體一同冷壓新技術

為保證粉料在冷壓模具中不搭橋及串珠冷壓環重量一致,國外采用先將串珠工作層壓成“環”坯,在冷壓工序前增加造粒環節,冷壓后增加將串珠工作層冷壓環、串珠基體和焊料組裝在一起以及去除造粒添加雜質(俗稱“脫脂”)環節。該技術在我國最初繩鋸研制過程中也曾嘗試過,但最終因制備成本高、效率低、工序長導致質量波動大而未在產業化中應用。我國現采用的是具有中國特色,用不造粒粉料和串珠基體一同進行冷壓的新技術,該技術省去了造粒環節、冷壓環和串珠基體組裝環節、脫脂環節,具有成本低、效率高、質量穩定等特點。

采用不造粒粉和串珠基體一同冷壓技術可分解成下列工步:① 將模具拼裝在一起;② 粉料稱重;③ 將粉料、基體、上下壓頭及芯桿裝入模具中;④ 將模具鎖緊;⑤ 將粉料和串珠基體一同冷壓成型;⑥ 將模具松開;⑦ 取出冷壓環、上下壓頭、芯桿并將冷壓環與上下壓頭、芯桿分離;⑧ 收集冷壓好的串珠冷壓坯。

手動冷壓:用機器完成第⑤工步,其余由人工完成。后期通過改進模具,使④、⑥工步也由機器完成。

半自動冷壓:用機器完成第①、④、⑤、⑥、⑦工步,其余由人工完成。后期通過研發自動稱粉機,使②工步也由機器完成。

全自動冷壓:全部工步均由機器完成。

采用不造粒粉和串珠基體一同冷壓新技術經歷了手動冷壓(圖3)、半自動冷壓(圖4)以及全自動冷壓(圖5)等三個階段。近幾年以桂林特邦為代表的國內企業,通過持續研發,在基本解決粉料在冷壓模具中搭橋及串珠冷壓坯重量不一致等許多關鍵技術問題后,全自動冷壓技術才逐步得到推廣應用。

圖3 手工冷壓串珠一角

圖4 半自動冷壓串珠一角

目前,采用全自動冷壓技術制造的冷壓坯,其金剛石分布沒有采用手動冷壓或半自動冷壓技術制造的冷壓坯均勻,在一些要求串珠金剛石分布均勻的場合受到限制,這也是全自動冷壓技術需進一步研究解決的問題之一。

(2)半自動注塑技術

圖6為半自動注塑示意圖。

圖6 半自動注塑示意圖

半自動注塑工序可分解為下列工步:① 清除冒口及流道中的塑料(人工操作);② 將串珠、彈簧等移至目標位置附近(人工操作);③ 緊壓繩使鋼絲繩貼緊注塑模具(人工點動開關由機器壓繩);④ 將串珠、彈簧等精確移至目標位置(人工操作);⑤ 判斷串珠、彈簧是否處于目標位置;⑥ 注塑機合?！⑺堋_模(注塑機自帶功能);⑦ 將塑料繩從注塑模具抬起;⑧ 將塑料繩快速向前移動;⑨ 將塑料繩慢速向前移動至指定位置;⑩ 壓繩使鋼絲繩靠近注塑模具,即一個注塑循環結束。其中第①～④工步由人工完成,第⑤～⑩工步由機器自動完成(只需點擊一次按鍵)。在半自動注塑技術應用之前,除工步⑥外,其余工步均需人工操作,每臺注塑機需要2個人操作。半自動注塑技術應用后,每臺注塑機只需要1個人操作,人均生產效率提高了1倍。然而,注塑工序尚未實現全自動化,最難的工步是清除冒口及流道中的塑料、將串珠和彈簧等精確移至目標位置,這將是今后持續研究的目標。

1.5 繩鋸用原材料開始全面實現國產化

多年以前,鋼絲繩、塑料和高品質金剛石的獲得均需要通過進口。近幾年,隨著我國整體技術的進步以及對國外技術的消化與吸收,國產鋼絲繩、塑料、高品質金剛石的性能已基本能滿足繩鋸的使用需求,已開始逐步實現國產化,從而使進口鋼絲繩、塑料、高品質金剛石的價格大幅下降(如進口鋼絲繩價格從11元/m降至7元/m以下、進口塑料價格從70元/kg降至50元/kg以下,進口高品質金剛石價格從2元/克拉降低至1.3元/克拉以下),國產原材料的價格則更低。

2 金剛石繩鋸展望

經過多年發展,我國繩鋸整體技術已達國際先進水平,部分技術達國際領先水平。然而隨著我國出生人口呈下降趨勢,勞動人口必將逐年減少,加之我國具有輕體力勞動,重腦力勞動的傳統,若人才政策不作出重大調整,我國體力操作員工必將出現嚴重短缺。為適應全球一體化市場競爭,今后繩鋸必將向著提高人均生產效率、降低成本的方向發展。下面就繩鋸產業鏈“補短板”、“鍛長板”等關鍵環節發表筆者的一些展望。

2.1 繩鋸制造企業規模進一步擴大

由于繩鋸制造技術是金剛石制品中難度較大的技術之一,技術準入門檻較高,且市場相對集中,要求企業具有較大的綜合實力及品牌效應。品牌的打造離不開質量的穩定,質量的穩定離不開投入,只有有實力的企業才會對穩定質量進行持續投入。近幾年大量的小規模繩鋸制造企業陸續關停轉產,其表面理由是受新冠疫情影響,其真實原因是其技術落后、產品質量波動大、人均生產效率低等所致。今后繩鋸制造企業將進一步整合,大部分繩鋸制造企業將關停轉產,少數繩鋸企業規模將進一步擴大,達到數十億元,形成集成效益。

2.2 信息化建設

隨著全球經濟一體化的逐步實施以及繩鋸產品同質化的日趨嚴重,繩鋸產品的全球化競爭已進入白熱化狀態。我國制造業增速明顯回落,面臨產能過剩、供需失衡等一系列突出矛盾。為保證企業在全球競爭中具有較強的競爭力,不僅需要企業提供低價優質的產品,還對服務質量提出了更高的要求。提高彼此的溝通效率和溝通質量、提高交貨及時率、對生產進程及產品質量進行實時監控等,也將成為客戶考核供應商的重要環節。

利用工業互聯網,與之協同,開展信息化建設,使生產過程與信息系統實現全面的互聯互通,實現無障礙地接觸到消費者需求,促進研發設計、生產制造和經營管理等業務流程的優化升級,使之實現數字化管理、平臺化設計、智能化制造、網絡化協同、個性化定制和服務化延伸等能力,消費者在下單時可以按照自己的需求進行選擇,工廠在工業互聯網平臺上收到訂單,可以統籌生產線各環節,進行及時生產和發貨,消費者可以對生產進程及產品質量進行實時監控等。信息化建設是大勢所趨,是企業持續發展的保證,有實力的繩鋸企業必將持續開展信息化建設。

2.3 自動化建設

隨著中國進入老年社會、出生人數下降,中國體力操作員工短缺甚至無體力操作員工可用是必然趨勢,從而使繩鋸廠家開展自動化建設,實現無人車間,仍至無人工廠成為可能。繩鋸自動化建設可分為下列3個階段:第1階段為工步實現機械化或自動化,實現少人車間,如冷壓工序基本上實現全工序自動化,穿繩工序除裝繩及卸繩外,其余工步已全部實現全工序自動化;第2階段為工序實現自動化,實現無人車間;第3階段為整個工廠實現自動化,實現少人工廠或無人工廠。中國乃至全球目前仍處于部分工步實現機械化或自動化階段,許多工序中多以人工操作為主,這充分說明要實現繩鋸全自動化生產的艱難,要使中國繩鋸實現工序自動化甚至整個工廠的自動化,需要全行業聯合起來,依靠政府及行業的力量持續投入與突破。

2.4 用途進一步擴展

繩鋸是一種柔性工具,可在硬脆材料中鋸切出很深的直線縫,并利用該特征在石材礦山開采、異形板切割、大板剖份、建筑物拆除等方面得到廣泛應用。今后,繩鋸必將在鹽溶礦開采、板狀礦開采、隧道及人防工事施工、空間狹窄的結構件切割等許多領域逐步推廣應用。

2.5 繩鋸尺寸向兩端延伸

目前,繩鋸串珠外徑多在Φ6～Φ13 mm之間,隨著應用領域的不斷擴展,繩鋸尺寸必將向兩端延伸。在板狀礦開采等一些特殊的應用領域,為了方便取出礦石,需要更大的縫隙,繩鋸尺寸將向大尺寸方向延伸。大尺寸繩鋸制造不存在任何技術障礙,但需要更多的材料、更高的制造成本、使用更大功率及體積的鋸切裝備,當繩鋸串珠外徑大于Φ15 mm,單位面積鋸切成本將隨繩鋸直徑增大而迅速提高。

在奢石剖分等領域,為了獲得更多數量的奢石板,繩鋸尺寸將向小尺寸方向延伸。當繩鋸串珠外徑小于Φ5.5 mm,串珠冷壓成本隨繩鋸串珠外徑的縮小而迅速提高。當繩鋸串珠外徑小于Φ4 mm,因串珠冷壓成本太高而不能冷壓,因此,筆者認為燒結串珠的串珠尺寸極限為Φ4 mm。當繩鋸串珠外徑小于Φ6.5 mm,采用上下壓頭進行串珠熱壓燒結成本隨繩鋸串珠外徑的縮小而迅速提高,當繩鋸串珠外徑小于Φ5 mm,幾乎不能采用上下壓頭進行串珠熱壓燒結,而只能采用無壓燒結方法。當繩鋸串珠外徑小于Φ6 mm,盡管單位面積繩鋸鋸切成本將隨繩鋸直徑減小而迅速提高,但與采用小直徑串珠繩鋸帶來的巨大經濟效益相比,繩鋸鋸切成本顯得微不足道,串珠外徑在Φ4～Φ6 mm間的繩鋸研發,必將得到有識之士的重視。

2.6 國家檢驗標準推廣應用

目前,國內許多繩鋸企業按ISO9001質量管理體系要求開展質量管理活動,在穩定質量方面起到了一定的作用。但一些企業在推廣ISO9001質量管理體系時,沒有同時推廣相關國家標準,導致這些企業費力不討好,質量穩定性未能得到持續提升,仍在執行不科學的百分比抽樣檢驗或固定抽樣檢驗,在檢驗前也不認真編寫抽樣方案和抽樣計劃。

按國家相關標準進行抽樣檢驗具有下列優勢[7]: 1)國家相關標準設計的抽樣檢驗方案具有科學依據;2)國家相關抽樣檢驗標準已覆蓋大多數情況,包括計量檢驗及計數檢驗,連續生產及間斷生產等30多個國家標準;3)國家相關標準已在其他行業得到驗證,對提高質量穩定具有十分積極的作用;4)當企業進入信息化時代,企業的質檢過程也將接受用戶監督。若企業不采用國家檢驗標準,將有損企業的形象。

當然,推廣執行國家相關檢驗標準并不是一件容易的事情,比推廣ISO9001質量管理體系的投入要大得多,而且在推廣的前期對質量的提高不明顯,這需要企業家具有戰略眼光,持續培養質量管理人才,長期堅持應用國家檢驗標準,從而實現質量從量變到質變的轉變。