книги из ГПНТБ / Повышение эффективности термического и механического бурения

небольших частиц и их уплотнение перед режущей кромкой породо­ разрушающего инструмента и новый скол крупной частицы. При бурении на режимах, обеспечивающих объемное разрушение горной породы, наблюдаются увеличение скорости бурения пропорцио­ нально усилию подачи, отделение от забоя крупных частиц породы, минимальная энергоемкость процесса разрушения и высокая изно­ состойкость породоразрушающего инструмента. •

Из сказанного следует, что при ударном, ударно-вращательном и вращательном бурении разрушение крепких горных пород на забое скважины происходит вследствие деформаций смятия, вдав­ ливания, растяжения и сжатия, изгиба и скалывания (сдвига, среза). Все эти деформации разрушения сопровождаются тре­ нием, вследствие чего происходит износ режущих кромок породо­ разрушающего инструмента. Степень износа породоразрушающего инструмента зависит от абразивных свойств буримых пород, кон­ струкции инструмента и режима его работы.

Таким образом, разрушение горных пород при бурении в основ­ ном связано с преодолением их твердости, прочности, абразивно­ сти и ударной вязкости (при ударном и ударно-вращательном бу­ рении). Учитывая то, что в зависимости от применяемого метода испытаний и способа приложения внешних усилий можно опреде­ лить различные показатели, характеризующие механические свой­ ства горных пород, необходимо для каждого процесса разрушения выбирать тот метод, который лучше других воспроизводит этот процесс. Так, при бурении скважин твердосплавным породораз­ рушающим инструментом механические свойства горных пород целесообразнее определять методами проф. Е. Ф. Эпштейна [99] и проф. Л. А. Шрейнера [98].

Шкала крепости пород, разработанная проф. М. М. Протодьяконовым, мало приемлема для характеристики буримости, так как она базируется на механической прочности горных пород при од­ ноосном сжатии [56]. Разрушаемые горные породы при бурении скважин находятся в условиях всестороннего сжатия. Поэтому ве­ личина временного сопротивления сжатию горных пород при одно­ осном и трехосном сжатии будет различной, а скорость бурения пород с одинаковой прочностью на одноосное сжатие (например, кварцитов и базальтов) совершенно различна.

Анализ работы по исследованию физико-механических свойств и механизмов разрушения горных пород механическими способами [1, 4, 6, 56, 98, 99} и результаты исследований процессов разруше­

ния крепких горных пород, выполненных авторами, подтверждают реальную возможность разрушения большинства горных пород не только за счет деформаций сжатия, гіо и за счет деформаций рас­ тяжения, изгиба, скалывания (сдвига, среза) и отрыва. Поэтому с целью повышения эффективности и расширения области приме­ нения вращательного бурения шпуров и неглубоких взрывных и разведочных скважин, необходимо научно-исследовательские ра­ боты направить на разработку и внедрение:

ПО

принципиально новых, в том числе и комбинированных спосо­ бов разрушения горных пород; высокопрочного твердосплавного

бурения при максимально возможной степени механизации и автоматизации спуско-подъемных и вспомогательных опера­ ций.

Повышение производительности вращательного бурения шпу­ ров H скважин может быть достигнуто благодаря применению породоразрушающего инструмента, обеспечивающего объемное разрушение пород, рациональных режимов бурения и усовершенст­ вованных буровых станков. Авторами установлено, что эффектив­ ность разрушения крепких и средней крепости горных пород зави­ сит от соотношения горизонтальной и вертикальной нагрузок. Минимального значения объемная работа разрушения породы до­ стигает при соотношении этих нагрузок равным 0,3. В данном слу­ чае берется отношение величины окружной нагрузки к усилию на коронку. Наибольшего эффекта разрушения крепких горных пород на забое скважины можно достичь при минимально возможной площади контакта режущих кромок породоразрушающего инстру­ мента с породой и максимально возможной свободной поверхно­ стью забоя скважины. Эти условия обеспечиваются при разруше­ нии забоя скважины коронками специальной формы с прерыви­ стым лезвием, расстояние между которыми находится в пределах 1,62—2,47 от глубины внедрения. В этом случае в породе создается неоднородное напряженное состояние и 40—50% площади забоя скважины разрушается за счет деформаций растяжения, изгиба и скалывания (сдвига, среза).

На основании исследований процессов разрушения пород сред­ ней крепости и крепких, а также анализа механизма их разруше­ ния, авторами разработаны рекомендации по конструированию породоразрушающего твердосплавного инструмента для враща­ тельного бурения шпуров и скважин.

1. Геометрия и расположение режущих кромок должны обес­ печивать форму забой скважины с максимально возможным коли­ чеством свободных поверхностей, позволяющих эффективно ис­ пользовать неоднородное напряженное состояние породы и 40— 50% площади забоя скважины разрушать за счет деформаций рас­ тяжения, изгиба и скалывания (сдвига, среза).

2.Расстояние между режущими кромками должно выбираться

сучетом механических свойств горных пород и обеспечения усло­ вий полного отделения целиков породы по свободным поверхно­ стям забоя скважины.

3. Твердосплавные пластинки толщиной до 8 мм с углом за

точки 80—85° и передним отрицательным углом 15—20° должны располагаться так, чтобы на наивыгоднейших режимах бурения они работали на сжатие, а не на растяжение.

19. С О В Р Е М Е Н Н Ы Е М Е Т А Л Л О К Е Р А М И Ч Е С К И Е Т В Е Р Д Ы Е

С П Л А В Ы

Для ударного, ударно-вращательного и вращательного бурения шпуров и скважин при добыче и разведке месторождений полез­ ных ископаемых в нашей стране выпускается большое количество твердосплавного породоразрушающего инструмента. Однако се­ рийно выпускаемый породоразрушающий инструмент, особенно резцы для вращательного бурения, обладает низкой прочностью и износостойкостью. Так, в горнорудной промышленности 22—25% (а иногда и 50%) твердосплавного породоразрушающего инстру­ мента выходит из строя на первом периоде бурения. Причиной этого во многих случаях является неправильно выбранные режимы бурения, форма и геометрия режущих кромок породоразрушаю­ щего инструмента, недопустимо большие временные и остаточные напряжения, возникающие в твердосплавных пластинках в резуль­ тате теплового и механического воздействия.

На прочность и износостойкость твердосплавного породоразру­ шающего инструмента существенное влияние оказывает динамика процесса разрушения горной породы на забое скважины, обуслов­ ливая значительные изменения действующих нагрузок на режущие кромки во времени. Поэтому прочность и износостойкость твердо­ сплавного породоразрушающего инструмента является одним из важнейших факторов, определяющим экономическую эффектив­ ность разрушения горной породы и рациональную область приме­ нения того или иного способа бурения.

Повышение прочности и износостойкости твердосплавного поро­ доразрушающего инструмента для бурения шпуров и скважин в породах средней крепости и крепких должно идти по следующим направлениям: повышение прочностных качеств применяемых твер­ дых сплавов; совершенствование технологии его изготовления и эксплуатации; изыскание рациональной формы и геометрии его режущих граней; разработка и внедрение рациональных режимов бурения, при которых изменение напряжений в твердосплавных пластинках бурового инструмента будет происходить по асиммет­ ричному знакопостоянному циклу.

Современные металлокерамические твердые сплавы можно раз­ делить на три основные группы [93]:

инструментальные сплавы, применяющиеся для оснащения раз­ личного рода инструмента, например, при обработке металлов и неметаллических материалов резанием, при бесстружковой обра­

ботке металлов (давлением, штамповкой), а также при бурении горных пород и др.

конструкционные сплавы — для изготовления некоторых дета­ лей машин и движущихся механизмов, подверженных износу, а также деталей приборов с особыми свойствами, например, с вы­ сокими значениями предела прочности при сжатии и модуля упру­ гости;

жаропрочные и жаростойкие сплавы.

Металлокерамические твердые сплавы обладают рядом весьма ценных свойств, благодаря которым они эффективно используются во многих областях техники. Основным из этих свойств является большая твердость (86—-92 HRA), сочетающаяся с высоким сопро­ тивлением износу при трении как о металлы, так и о неметалли­ ческие материалы (горные породы, стекло, дерево, пластмассы и др.). Сплавы не подвергаются заметной пластической деформа­ ции при низких температурах и почти не подвержены упругой де­ формации: величина модуля упругости составляет 500 000— 700 000 мН/м2, т. е. выше, чем у всех известных в технике матери­ алов. Металлокерамические твердые сплавы характеризуются также весьма высоким пределом прочности при сжатии, достигаю­ щим 6000 мН/м2. Однако значения предела прочности при изгибе и ударной вязкости этих сплавов относительно невелики: апзг = = 1000 — 2500 мН/м2, ан=(0,2 — 0,6) - ІО5 Дж/м2.

Сплавы обладают относительно высокой электропроводностью, приближающейся к электропроводности железа и его сплавов,

атакже теплопроводностью.

Вхимическом отношении металлокерамические твердые сплавы являются весьма устойчивыми против воздействия кислот и ще­ лочей.

По составу карбидной основы различают три основные группы металлокерамических твердых сплавов: WC—Со'; WC—ТіС—Со; WC—ТіС—ТаС (NbC) —Со.

Сплавы первой группы (WC—Со). Монокарбид вольфрама WC образует с кобальтом Со сплавы наиболее прочные из извест­ ных металлокерамических сплавов. Промышленные марки сплавов этой группы различаются по содержанию в них кобальта и раз­ мерам зерен карбидной фазы WC. Сплавы с низким содержанием кобальта ' (менее прочные и более износостойкие) применяются в условиях безударной нагрузки, где может быть выгодно исполь­ зована их высокая износостойкость. Сплавы с повышенным содер­ жанием кобальта обладают более высокой прочностью и меньшей износостойкостью. В зависимости от содержания кобальта сплавы группы WC—Со условно делятся на три подгруппы: малокобаль­ товые (2—8% Со), среднекобальтовые (10—15% Со) и высоко­ кобальтовые (20—30% Со).

Наиболее распространенными представителями первой подгруп­ пы сплавов являются марки с содержанием 3,6 и 8 % Со. Сплавы вто­

рой подгруппы часто встречающихся составов содержат 11 и 15% Со.

Третью подгруппу составляют сплавы с содержанием кобальта 20, 25 н 30%.

Сплавы первой подгруппы применяются для обработки чугуна, неметаллических материалов и частично стали резанием, для оснащения волочильного инструмента, не испытывающего больших напряжений и ударов, и для оснащения некоторых горных инстру­ ментов— перфораторных коронок, зубков врубовых машин и ко­ ронок вращательного бурения. Сплавы второй подгруппы применя­ ются для оснащения буровых коронок и инструмента по обработке металлов высадкой и штамповкой, работающих в условиях удар­ ной нагрузки. Сплавы третьей подгруппы, обладающие наиболее высокой ударной вязкостью, применяются для оснащения штампового инструмента, работающего в условиях ударной на­ грузки.

Сплавы второй группы (WC—ТіС—Со) применяются главным образом для оснащения инструментов при обработке стали реза­ нием. Эти сплавы отличаются от сплавов WC—Со более высокой стойкостью при высокой температуре. Свойства сплавов этой группы зависят от содержания в них карбида титана и кобальта. Увеличение содержания карбида титана (при постоянном объем­ ном содержании кобальта) приводит к повышению износостойко­ сти сплава и одновременно к снижению прочности. С увеличением содержания кобальта при постоянном содержании карбида титана твердость и износостойкость сплава падает и возрастает его проч­ ность. В зависимости от содержания карбида титана сплавы вто­ рой группы делятся на три подгруппы: малотитановые (4—6 %

ВСоветском Союзе выпускаются сплавы двух групп: WC—Со

иWC—ТіС—Со. Одним из основных требований, предъявляемых к твердым сплавам, является их качество и в первую очередь од­ нородность свойств. В течение нескольких лет качество сплавов,

выпускаемых отечественными заводами, повышалось очень мед­ ленно. Это относится в основном к таким массовым маркам спла­ вов, как ВК8, ВК15, Т15К6 и Т5 К10. Главный недостаток твердых

сплавов — их значительная неоднородность [49, 93]. Основными причинами низкого качества твердых сплавов являются использо­ вание в производстве металлокерамических твердых сплавов не­ достаточно чистого исходного сырья — вольфрамового ангидрида, окиси кобальта, двуокиси титана.

20. Т В Е Р Д Ы Е С П Л А В Ы Д Л Я И З Г О Т О В Л Е Н И Я П О Р О Д О Р А З Р У Ш А Ю Щ Е Г О И Н С Т Р У М Е Н Т А

Эффективность бурения горных пород твердыми сплавами в значительной степени зависит от их эксплуатационных свойств — прочности и износостойкости. Прочность твердого сплава должна быть достаточной для того, чтобы он в процессе бурения нормально изнашивался, а не разрушался в результате поломок и выкраши­ ваний. При соблюдении этого обязательного условия экономичность бурения будет зависеть от износостойкости сплава. Чем выше из­ носостойкость, тем больше проходка до затупления твердосплав­ ной пластинки и до ее износа, и тем меньше удельный расход бу­ рового инструмента и затрат, связанных с его изготовлением и эксплуатацией.

В зависимости от характера воздействия породоразрушающего инструмента на горную породу различают ударный, ударно-вра­ щательный и вращательный способы бурения. При ударном буре­ нии разрушение горной породы происходит под действием дина­ мических нагрузок. Причем, в течение времени, соответствующего внедрению бурового инструмента за один удар, величина контакт­ ного усилия в коронке несколько раз изменяется от максимума до минимума [4, 93]. Чем больше глубина внедрения коронки в' породу за один удар, тем больше количество пиков усилий возникает в те­ чение одного внедрения. Такой характер контактных усилий явля­ ется следствием того, что разрушение горной породы при удар­ ном бурении происходит скачкообразно. Разрушение породы при ударно-вращательном бурении происходит как под действием удар­ ной, так и за счет среза горной породы при вращении породораз­

породы впереди режущей кромки происходит в результате непре­ рывного и одновременного воздействия осевых и окружных усилий.

Изменение напряжений по передней режущей грани твердо­ сплавной пластинки породоразрушающего инструмента происхо­ дит по асимметричному в основном знакопостоянному циклу.

В зависимости от способа бурения к твердым сплавам для по­ родоразрушающего инструмента предъявляются различные тре­ бования.

Состав и структура твердых сплавов для ударного и ударно­ вращательного бурения и требования к их свойствам определяются следующими условиями.

1.Породоразрушающий инструмент испытывает ударную на­ грузку при частоте 2000—3000 ударов/мин;

2.Режущие кромки твердосплавного породоразрушающего ин­ струмента подвержены абразивному износу как при ударе, так и при непрерывном вращении инструмента по забою скважины.

Таким образом, режущие кромки твердосплавного породораз­ рушающего инструмента при ударном и ударно-вращательном бу­ рении могут изнашиваться либо вследствие разрушения (раска­ лывания) под воздействием ударов о породу, либо вследствие по­ стоянного износа (истирания), приводящего к потере первоначаль­ ной формы H размеров. Износ первого вида наблюдается главным образом тогда, когда применяются недостаточно прочные твердые сплавы. Если же твердый сплав выдерживает ударную нагрузку, то выход из строя породоразрушающего инструмента будет опре­ деляться его износостойкостью. Поэтому основным показателем

прочности твердого сплава для оснащения коронок ударного и ударно-вращательного бурения является динамическая прочность или ударная вязкость. А так как удары повторяются с большой частотой (2000—3000 ударов в минуту), не менее важна цикличе­ ская усталостная прочность, а также статическая прочность, в ча­ стности — предел прочности при изгибе.

Наиболее пригодными для оснащения породоразрушающего инструмента при ударном и ударно-вращательном бурении явля­ ются сплавы WC—Со, обладающие высокой прочностью й изно­ состойкостью при трении о горные породы. Сплавы, содержащие карбид титана, менее прочны и менее износостойки при абразив­ ном воздействии горных пород. Износостойкость сплавов группы WC—Со при трении о горные породы зависит от содержания ко­ бальта и размера зерен фазы WC (рис. 47, 48). Износостойкость сплава с 25% Со в 5 раз ниже, чем износостойкость сплава с 8%

Со. С укрупнением зерен WC износостойкость падает, а с измель­ чением— возрастает. Однако мелкозернистые сплавы (1—2 мк)

с низким содержанием кобальта обладают высокой хрупкостью,, приводящей к выходу породоразрушающего инструмента вследст­ вие поломок твердосплавных пластин. С увеличением содержания кобальта в сплавах WC—Со до 20% все показатели прочности растут. В течение ряда лет в Советском Союзе для оснащения по­ родоразрушающего инструмента ударного и ударно-вращательного бурения выпускали относительно мелкозернистый и вследствие этого недостаточно прочный сплав с 15% Со [49, 93], изготавли­ вающийся на основе вольфрама, получаемого восстановлением вольфрамового ангидрида углеродом (сажей) при 1400—1500° С. А так как с увеличением содержания наиболее дорогого и дефи­ цитного кобальта неизбежно снижается износостойкость твердых сплавов, что ведет к более быстрому их истиранию и резкому уве­ личению расхода инструмента, советские исследователи в послед­ ние годы вели поиски способов повышения прочности твердых сплавов при сохранении их высокой износостойкости. В результатеисследовании установлено, что повысить прочность и износостой­ кость твердого сплава можно регулированием структуры твердогосплава, точнее — размера зерен карбида вольфрама. Увеличение размера карбидных зерен в сплавах WC—Со с 1—2 мк, характер­ ных для стандартных сплавов, до 2—5 мк дает существенное повы­ шение как ударной вязкости, так и статической и усталостной прочности.

Для получения нужной структуры сплава (размер основной массы зерен WC — 2—5 мк) Всесоюзным научно-исследователь­ ским институтом твердых сплавов разработана оригинальная тех­ нология получения исходных порошков вольфрама и карбида вольфрама при повышенной температуре. Сплавы ВК8В и ВК6В,.

изготовленные по этой технологии, обладающие более высокой из­ носостойкостью, чем сплав ВК15, все шире применяются в горном: деле.

При вращательном бурении режущая часть породоразрушаю­ щего инструмента находится под постоянной нагрузкой в непре­ рывном контакте с породой. Причем, как отмечалось выше, изме­ нение напряжений в твердосплавных пластинках породоразрушаю­ щего инструмента при правильно выбранных режимах бурения и геометрии режущих кромок происходит по асимметричному знако­ постоянному циклу. В этих условиях режущие кромки породораз­ рушающего инструмента интенсивно истираются о породу. Поэтому при вращательном бурении следует применять более износостой­ кие сплавы, чем при ударном. В связи с этим для армирования коронок при вращательном бурении применяются твердые сплавы WC—Со с 8, 6 и 3% Со.

В настоящее время для вращательного бурения угля и горных пород невысокой крепости применяется также и сплав ВК4В, ко­ торый по способу изготовления аналогичен сплаву ВК8В. Преиму­

щество крупнозернистого сплава с 4%-ным содержанием Со (раз­ мер основной массы зерен фазы WC 2—5 мк) по сравнению со

среднезернистым с 8 %-ным содержанием Со заключается в его

большей износостойкости при трении о горные породы при незна­ чительно меньшей прочности.

В табл. 29 приведен перечень, примерный состав, физико-меха­ нические свойства и области применения твердых сплавов, выпус­ кающихся в СССР для оснащения бурового инструмента.

н величины напряжений, возникающих в его твердосплавных плас­ тинках, невозможно обоснованно рассчитать эффективный процесс разрушения горных пород на забое скважины, рациональные ре­ жимы бурения и параметры буровых станков, а также целесооб­ разную область применения данного способа бурения.

Напряжения в твердосплавных пластинках породоразрушаю­ щего инструмента, возникающие в процессе бурения, рассчитаны по формулам теории упругости для двухмерного напряженногосостояния. Результаты расчета напряжений в режущих кромках: породоразрушающего инструмента применены для анализа и уста­ новления условий его работы, при которых обеспечивается его вы­ сокая прочность.

При расчете напряжений в твердосплавных пластинках буро­ вого инструмента были приняты следующие допущения: трением по первоначальной площадке притупления (около 0,1 мм) на зад­

ней грани резца можно пренебречь; температура в процессе бурения по передней грани распределяется равномерно и не вызывает по­ нижения предела прочности твердого сплава; распределение сил резания по передней грани резца также равномерно; влиянием ра­ диуса по вершине резца можно прнебречь; значения усилий, по­ лученных при бурении с первоначальной площадкой притупления 0,05—0,1 мм, рассматриваются как соответствующие идеально ост­ рой режущей кромке.

Силы, действующие на режущие кромки твердосплавного по­ родоразрушающего инструмента, определяли на буровом стендепри исследовании процессов разрушения крепких горных пород.. Для записи усилия подачи и крутящего момента применяли про­

ные планшайбы штоков гидравлических цилиндров станка, на бу­ ровую штангу и на специальную приставку к шпинделю станка.

Для усиления величины напряжения небаланса применяли тен­ зометрическую установку УТС-ВТ-12, выносными плечами изме­ рительного моста которой являются два одинаковых по электриче­ ским свойствам датчика, из которых один рабочий, а второй—- компенсирующий. Величины усилия подачи и крутящего момента