книги из ГПНТБ / Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента

в ходе деформации) и на сравнительно больших скоростях. Особое внимание уделяется чистовой обработке проката и его заключительной термообработке. Стальные прутки упаковыва­ ются в пачки и укладываются в отдельные кассеты. Сталь перед отправкой потребителю покрывается полностью антикоррозион­ ной пастой особого состава. Концы каждого прутка дополни­ тельно закрываются пластмассовыми пробками или колпачками (рис. 7). Отправка буровой стали в зарубежные страны осуще­ ствляется в специальных судах-контейнерах, швартующихся непосредственно вблизи территории завода.

IHBPjCKя я фирма «Коромант» [35], а также большинство фирм других государств выпускают буровые штанги самых различных конструкций. Значительный объем в производстве занимают перфораторные штанги шестигранного профиля и круглого с резьбовым соединением их .рабочего конца и коронки. Реже встречаются штанги с конусным соединением. В Швеции и Ка­ наде, по сравнению с другими странами, в большом количестве выпускаются буры из шестигранной стали, на рабочем конце которых вместо коронки впаивается твердосплавная пластинка. В Швеции, Канаде, а также Финляндии и Норвегии значитель­ ный объем в производстве занимают свинчивающиеся штанги, изготавливаемые из холоднокатанной круглой буровой стали с наружным диаметром 32 мм и реже из шестигранной стали с размером в поперечнике 25 мм для бурения с помощью тяжелых перфораторов, устанавливаемых на каретках. У круглых штанг, как правило, увеличен диаметр промывочного отверстия, что улучшает очистку шпура, уменьшает износ коронки, а также увеличивает скорость бурения. В Швеции резьбовое соединение свинчивающихся штанг цементируется с целью обеспечения высокой износоустойчивости. .

Для бурения шпуров при отработке рудного месторождения системой подэтажного обрушения (уступами) в Канаде, Швеции, а также Чехословакии [36—38] применяются буры «.моно­ блок» длиной 10—12 м, изготавливаемые из гибкой мартенсит­ ной хромоникелевой стали прямоугольного, а в последнее время более износоустойчивого шестигранного профиля. В процессе бурения штанги «моноблок» подвергаются изгибу с радиусом закругления 2, 5—3 м и потому работают по принципу гибкого вала.

Во Франции, ФРГ, Австрии, Венгрии, Польше, ГДР, Чехо­ словакии для изготовления полых буровых штанг применяется в основном низколегированная конструкционная и углеродистая инструментальная сталь, выпускаемая собственной металлурги­ ческой промышленностью. Однако, многие зарубежные фирмы, имеющие рудники в Австралии, Африке, Турции, Иране, заку­ пают буровую сталь преимущественно в Швеции, США и Япо­ нии. '

40

Буровая сталь, выпускаемая металлургической промышлен­ ностью большинства государств, как правило, не подвергается какой-либо специальной термообработке, преследующей цель повышения прочностных свойств металла. Считается, что буро­ вая сталь за счет наличия в ней некоторого количества легирую­ щих элементов, в частности, никеля и хрома, приобретает доста­ точную прочность благодаря тому, что она подвергается после прокатки дополнительно нормализации или высокому отпуску. Однако, в некоторых государствах, например, во Франции осу­

После сквозной термической обработки сталь подвергается незначительной холодной деформации протяжкой, целью кото­ рой является улучшение чистоты и качества поверхности [39], а также создается упрочненная поверхностная оболочка.

В последние годы страны с высокоразвитой горнорудной и металлургической промышленностью ведут работы по дальней­ шему усовершенствованию геометрии профиля буровой стали и её состава. В США и Англии начинает внедряться в производ­ ство так называемая спиральная (витая) буровая сталь со скругленной резьбой по всей длине, а также восьмигранная сталь с поперечным сечением 22 мм. Наибольшее распростране­ ние получает хромоникельмолибденовая сталь со структурой отпущенного мартенсита, которая после прокатки подвергается воздушной закалке с последующим высоким отпуском. Англий­ ская фирма «Бедфорд» освоила производство низкоуглеродистых цементуемых буровых штанг.

В США в последние годы осуществляются исследования по изысканию новых марок буровой стали с добавками урана и других редких металлов, а также буровых штанг, изготавливае­ мых из легких сплавов на основе алюминия [40—43]. Сообщает­ ся, что на руднике «Миликен» проведены испытания буровых щтанг из стали с добавками урана в количестве 0,07%. В про­ цессе исследований выяснилось, что стойкость буров, изготов­ ленных из такой стали, повысилась на 10—15% по сравнению с обычной. О причинах, вызывающих увеличение долговечности штанг введением микроприсадок радиоактивного элемента, не сообщается.

Фирма «Гарднер Денвер» (США) широко рекламирует бу­ ровую сталь марки «Хилайд», отличающейся высокой износо­ устойчивостью, и высокопроизводительные буры «Айртрак» [44].

Всего за рубежом в настоящее время освоили самостоятель­ ное производство буровых штанг и прочего инструмента около тридцати фирм [45], из которых более половины выпускают штанги только из легированных сталей. Ни одна фирма не опубликовывает конкретных данных по исследованию и обос­ нованию выбранных марок буровой стали, а также технологии их изготовления, однако, отмечается, что их производству во

41

всех отношениях уделяется такое же внимание, как и выпуску высококачественных инструментальных сталей.

Советский Союз в связи с отсутствием собственного бурово­ го металла длительное время вынужден был закупать его за границей. Освоение и выпуск отечественной буровой стали на­ чался у нас сравнительно недавно, однако уже сейчас метал­ лургическая промышленность полностью удовлетворяет этим металлом нужды горнорудного производства. На металлургиче­ ских заводах буровая сталь выплавляется в основных мартенов­ ских печах скрапрудным процессом с использованием до 50% жидкого чугуна. После раскисления производится разливка стали в слитки развесом 4—4,5 т. Прокатка стали осуществляет­ ся последовательно за несколько приемов па обжимных, сорто­ вых и мелкосортных станах. Промывочное отверстие (канал) в прутках формируется за счет вытяжки в заготовке предвари­ тельно вставленного сердечника из аустенитной стали.

В окончательном виде сталь поставляется потребителям после низкотемпературного отжига, обеспечивающего смягчение металла. Основной продукцией заводов, специализированных на прокате буровой стали, является шестигранная сталь с попе­ речным размером 25, 22 и сравнительно редко 19 мм.

Около 15% от всего объема бурового металла составляет сталъ круглого сечения диаметром 32 мм.

Длительное время заводы выпускали буровую сталь марки У7 и У8. Однако, начиная с 1952 года, в целях повышения проч- -ности буровых штанг начали осуществляться исследования по изысканию новых марок стали. Большую работ)' в этом направ­ лении провели институты МИСиС, ЦНИЧМ, НЙГРИ, УНИПРОмедь, ГИПРОрудмаш, УкрНИОМШС, а также Серовский металлургический завод и завод «Серп и молот». Первоначаль­ но в результате лабораторных и промышленных исследований большого количества марок буровой стали была рекомендована и внедрена буровая сталь 55С2. Стойкость б^р..г... ях штанг, изготовленных из данной стали, оказалась в три раза выше штанг из сталей У7 и У8. Учитывая постоянно растущие требо­ вания к повышению долговечности бурового инструмента, в последние годы некоторые институты, рудники, металлургиче­ ские заводы, провели исследование стойкости хромоникелевых,

перфоратором ПР-30К- Испытывались стали ШХ15М, ШХ15МФ, IIIXl5МЗ, 55С2.

В результате испытаний выяснилось, что максимальную стойкость показали штанги, изготовленные из стали ШХ15М (112—131 шпурометров) и несколько меньшую стойкость—штанги из стали 55С2 (91 —112 шпурометров). Этим же институтом в

42

содружестве с Березовским рудником осуществлялись работы по испытаниям штанг, изготовленных кроме указанных также из сталей 25ХГНЗМ и ЗОХЗЛ1Ф. Испытание штанг производилось при бурении пород крепостью 12—14; 16—18 перфораторами ПР -ЗОК. Испытаниями установлено, что максимальную стой­ кость показали штанги, изготовленные из сталей 25ХГНЗМ (211—228 шпурометров) и ШХ15М (107—134 шпурометров).

Институт УкрНИИОМШС провел на ряде шахт комбината Донецкшахтострой сравнительные испытания штанг, изготов­ ленных из сталей У7 и 55С2 при бурении пород крепостью 4—6, 6—8. Сообщается, что штанги из стали 55С2 показали стойкость в 2,8 раза выше, а расход ее в 2,1 раза меньше, чем сталь У7. Это же было подтверждено работами института ГИПРОрудмаш, установивших, что стойкость штанг из стали 55С2 также в 3—4 раза выше стойкости штанг из стали У7.

Уральский научно-исследовательский институт черных метал­ лов и металлургический завод им. Серова провели комплексные исследования долговечности штанг, изготовленных из различных марок сталей, в шахтных условиях с изучением влияния на их стойкость некоторых металлургических факторов. Испытывались штанги из сталей У7, 45, 40Х, 6ХС, 55С2, 40X11, 37XH3A.

Проведенные испытания буровых штанг из указанных марок сталей показали целесообразность применения стали 55С2, обеспечивающей стойкостью в 2,5 раза (160 шпурометров) по сравнению с другими сталями. Установлено, что термическая обработка, а также конфигурация конусной головки и буртика резко влияют на стойкость штанг. В связи с этим даются реко­ мендации по улучшению технологии закалки хвостовика, конуса и высадки буртика усиленной конструкции.

Обширные исследования по повышению стойкости буровых штанг из различных легированных сталей в лабораторных и шахтных условиях провел институт НИГРИ. Исследовалась стойкость штанг, изготовленных из сталей У7, 55С2, 30X1 СФА, ЗОХГТ, 35ХМА, 45Г2, 50ХФА, У7ФА, 95ХМА. В результате промышленных испытаний, проведенных на шахте «Новая» при бурении пород крепостью 10—14, 14—18 перфораторами ПР-35 установлено, что максимальную стойкость показали штанги из стали 95ХМА (160—180 шпурометров). Штанги из стали 55С2 показали стойкость в 3—4 раза меньше.

Исследования стойкости штанг из различных легированных сталей 55С2, 28ХГНЗМ, 30ХГСФА, ШХ15М, ЗЗХНЗМА и др. провел на горных предприятиях Урала Серовский металлурги­ ческий завод. Было установлено, что максимальную стойкость обеспечивают при бурении пород различной крепости перфора­

43

Рис. 8. Выкрашивание торіи хвостовиков буровых штанг, вызванное нарушением температурных. режимов высадки.

200—300 мм, как правило, до очень высоких температур, пре­ вышающих оптимальные температуры горячей деформации стали и нередко допускают сильное обезуглероживание поверх­ ности, а на конце штанги даже оплавление ребер.. По граням хвостовика штанг у торцов в результате этого возникают про­ дольные трещины или раскрашивание торцевых кромок (рис. 8). Особенно много дефектов, связанных с бурозаправочными ра­ ботами, наблюдается у штанг, приспособленных для бурения с боковой промывкой (рис. 1 б), поскольку для формирования шейки под гидромуфту требуется дополнительно 2—3 нагрева. У данных штанг по этой причине часто наблюдается растрески­ вание поверхности. Высадка штанг чаще всего осуществляется па пневматических бурозаправочных станках в специальных разъемных полуматрицах, позволяющих при ударе перфоратор­ ного бойка формировать буртик.

Бурозаправочные станки являются малогабаритными пнев­ матическими молотами и помимо высадочных работ дают воз­ можность осуществлять другие несложные, но весьма необхо­ димые в условиях рудничных мастерских работы (гибка, рубка и т. n.). По этой причине на рудниках бурозаправочные станки нашли применение повсеместно. Однако, они при всех своих достоинствах обладают рядом существенных недостатков, среди которых можно указать следующие.

1.Значительный шум в работе.

2.Весьма малая степень деформации металла в матрицах за один удар бойка.

3.Низкая долговечность матриц.

Малая степень деформации металла в матрицах бурозапра­ вочного станка вызывает необходимость часто подогревать ме­ талл до высокой температуры, что неизбежно вызывает его чрезмерный угар и порчу поверхности. Поэтому исследователи неоднократно отмечали, что при выполнении высадки штанг на бурозаправочных станках на конце хвостовика часто сохраняет-

45'

ся высокая температура в пределах 1200—1300oC и, следова­ тельно, создаются условия роста зерна в стали [184]. Указывает­ ся также, что неудовлетворительный нагрев буровых штанг под высадку вызывает неравномерность свойств стали по длине, которая выражается в резком нарушении направления волокон металла, изменении твердости, величины зерна и фазового сос­

[50], Джезказганский, а также Серовский металлургический за­ вод, применили электрические контактно-стыковые сварочные машины типа MCP, удачно сочетающие электронагрев с одно­ временным деформированием металла в зоне буртика. Прове­ денными в этом направлении работами было установлено, что с внедрением контактно-сварочной машины отпадает необходи­ мость в нагревательных устройствах, улучшаются условия труда

технология высадки штанг стыковыми сварочными мйшинами обладает в свою очередь специфичными недостатками, среди которых наиболее существенными являются:

1. Частый перегрев и оплавление граней заготовки в кон­ тактном устройстве;

По этой причине массовое внедрение стыковых сварочных машин в горнорудной промышленности не получило развития. C тем, чтобы не нарушать структуру и свойства стали по длине штанги, в некоторых странах производились опыты по созданию искусственных буртиков. Считают, что при этом упрощается тер­ мообработка хвостовика и устраняются вызванные высадкой местные напряжения в зоне бурта, улучшаются ѵсловия пере­ дачи энергии удара и в итоге удлиняется срок службы штанги. Например, во Франции фирмой «Лебурин» буртик на штанге изготавливается из трех профилированных резиновых колец, которые обжимают снаружи стальной гильзой, а в США наиоолее распространена конструкция резинового буртика фирмы «Леооіі», которая специальным клеем соединяется с телом штанги [51, 52]. Однако многие специалисты, отрицают возмож­ ность широкого применения штанг .с резиновыми и пластмас­ совыми буртами, ссылаясь на низкую их прочность и смещение в процессе бурения. Почти во всех странах идут по пути ко­

46

стойкость буровых штанг наблюдается в случае увеличения у буртика радиусов галтелей и повышения чистоты поверхности металла штанг. Рекомендуют отказаться от устаревшей техно­ логии высадки буров на бурозаправочных станках с печного нагрева [53]. Например, институтом ВостІІИГРИ предложена технология бурозаправочных работ, которая отличается от известной более высокой культурой производства и производи­ тельностью. Согласно данной технологии [54], механическая обработка штанг осуществляется полностью до высадки буртика. Основой данной технологии является деформация буртика штанги в матрицах горизонтально-ковочной машины с индукци­ онного нагрева. Штамповка буртика штанг на горизонтально­ ковочной машине выгодно отличается от высадочных операций на бурозаправочных станках и стыковых сварочных аппаратах.' Штамповка осуществляется бесшумно, за одну7 операцию (в течение 1—2 секунд). Это дает возможность вести операцию высадки буртика при минимально возможных ковочных темпе­ ратурах, тем самым получать в зоне деформации мелкозернис­ тую структуру. Очень важным достоинством высадки штанг на горизонтально-ковочных машинах является регулировка в ши­ роких пределах степени деформации металла в зоне высадки за одно перемещение матриц.

Это дает возможность получить очень точно любые габари­ ты высаженной части штанги с точно заданными размерами. При высадке на.бурозаправочных станках размеры буртика колеблются в широких пределах, что вызывает искривление, слипание или надрыв волокон металла в промывочном отвер­ стии. При высадке буртика на горизонтально-ковочной машине этого явления не наблюдается, вследствие строго равномерной деформации металла и одинакового заполнения им полости мат­ рицы. Как видно из рисунка 9, промывочное отверстие в зоне

буртика у штанги, высаженной на горизонтально-ковочной ма­ шине, не нарушается. Применение горизонтально-ковочной ма­ шины для высадки буровых штанг позволяет кроме того полу­ чить штанги с усиленной конфигурацией бурта и необходимой

47

Рис. 10. Дефекты, возникающие в буровых штангах вследствие нека­ чественной закалки их хвостовиков:

а — трещины на концах хвостовика; б —' расклепывание торцовой кромки.

ман, Дарби, Симпсон и др. [184 — 190]. Ими отмечается, что при­ чиной поломки часто является несоблюдение режимов закал­ ки,. а также наличие «мягкой зоны», возникающей между на­ гретым и холодным участком штанги (рис. 11). Это так назы­ ваемый «металлургический надрез», для ликвидации которого предлагается двойная или даже тройная закалка. Для дости­ жения діаилучших результатов при обычной закалке рекомен­ дуется предварительная нормализация как ступень между ков­ кой и закалкой. По данным других исследователей более вы-