Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение касается буровой коронки инструмента для бурения породы. Данное изобретение также касается инструмента для бурения породы и способа обработки буровых коронок инструмента для бурения породы.
Предшествующий уровень техники
Буровой инструмент, содержащий буровые коронки для бурения породы, обычно содержит множество буровых коронок, выполненных из твердого материала, внедренных в бурильную головку из относительно более мягкого материала, такого, как сталь. Буровые коронки обычно имеют цилиндрическую часть, которая введена в сталь, и куполообразный концевой профиль, который выступает из стали.
Такие буровые коронки обычно изготавливаются из композиционного материала, образованного твердой фазой и связующей фазой. Твердая фаза обычно представляет собой карбид вольфрама, а связующая фаза часто представляет собой кобальт. Для упрощения формования буровых коронок также используется лубрикант. Этот композиционный материал сжимают с приданием ему желаемой формы буровой коронки (сырец) и нагревают (часть при управляемом давлении и в газовой смеси, специально адаптированной для такого процесса), так что связующая фаза становится более вязкой и смачивает частицы карбида вольфрама и эти частицы карбида вольфрама соединяются таким образом друг с другом. В зависимости от исходного материала, буровые коронки будут давать усадку, приобретая желаемую окончательную геометрию во время стадии охлаждения согласно процессу спекания. Затем их шлифуют и сортируют по величине. Во время каскадирования, буровые коронки подвергаются механической обработке, когда они трутся друг от друга или о добавляемый абразивный материал. Каскадирование используют, чтобы избавиться от углов и скруглить края буровых коронок, и считается наиболее экономичным способом очистки и обработки поверхности. При каскадировании обычно используют воду в сочетании с навеской так называемого компаунда. Компаунд может быть чистящим, обезжиривающим, регулирующим pH, защищающим от коррозии, смазывающим и шлифующим. Чтобы поддерживать компоненты, которые сортируются по величине, разделенными, можно использовать так называемую крошку. Крошка представляет собой твердые тела, которые могут иметь желаемую форму, такую, как пирамидальная, коническая, цилиндрическая, и т.д.
Некоторые типы спеченного карбида, такие, как композиционный материал с твердой фазой со средним размером частиц примерно 2,5 микрометров и с содержанием связующей фазы примерно 6% являются мелкозернистыми и поэтому очень твердыми.
Следовательно, такой композиционный материал имеет такую твердость, что считается слишком твердым и хрупким для использования при бурении в твердой породе, как правило - кварцевой породе. Следовательно, в породе этого типа для буровых коронок используется более мягкий композиционный материал, имеющий больший средний размер частиц в твердой фазе и/или с большим содержанием связующей фазы. В этих случаях буровые коронки, к сожалению, изнашиваются гораздо быстрее, а буровой инструмент имеет меньший срок службы. Еще одним примером, когда приходится переходить на более мягкую буровую коронку, является ситуация бурения в железной руде.
В патенте США № 7258833 описан способ, который увеличивает твердость поверхности компонентов из карбида вольфрама. Авторы этого патента заявляют, что упомянутый способ предотвращает образование трещин и/или разрыв компонентов и увеличивает их стойкость к абразивному истиранию. Кроме того, авторы упомянутого патента заявляют, что способ существенно увеличивает твердость поверхности обработанных компонентов.
Краткое изложение существа изобретения
Целью данного изобретения является создание усовершенствованной буровой коронки инструмента для бурения породы.
Эта цель достигается с помощью буровой коронки по п.1 формулы изобретения, причем эта буровая коронка имеет бурящую поверхность, способную контактировать с материалом, который надо пробурить. Продольное сечение (10t) буровой коронки (10) имеет нижеследующее соотношение между суммарной длиной Lсум(глубина) трещин Палмквиста (Palmqvist) на разных глубинах ниже бурящей поверхности и суммарной длиной Lсум(5,0) трещин Палмквиста на глубине 5,0 мм, т.е. Lсум(глубина)/Lсум(5,0), если буровая коронка (10) имеет длину (L) 10 мм или более, при этом длина буровой коронки представляет собой набольшее расстояние в направлении, которое коаксиально или параллельно продольной осевой центральной линии (C) буровой коронки. Вышеупомянутое сечение также имеет нижеследующее соотношение между твердостью H(глубина) на разных глубинах и твердостью H(5,0) на глубине 5,0 мм, т.е. H(глубина)/H(5,0). Эти свойства измеряются, по существу, вдоль максимального расстояния D/4 или на этом расстоянии, предпочтительно - на максимальном расстоянии D/6, от продольной осевой центральной линии (C) буровой коронки, при этом D - диаметр буровой коронки, т.е. наибольшее расстояние, которое проходит под прямым углом к продольной осевой центральной линии (C) буровой коронки и которое может быть измерено на буровой коронке. Нормаль к плоскости сечения будет проходить под прямым углом к (перпендикулярно или, по существу, перпендикулярно) продольной осевой центральной линии буровой коронки, см. фиг.1. Свойства буровой коронки на глубине 5,0 мм считаются такими же, как в массе буровой коронки.
Продольное сечение (10t) буровой коронки (10), проходящее через бурящую поверхность (10b), демонстрирует нижеследующие соотношения Lсум(глубина)/Lсум(3,5) и H(глубина)/H(3,5) на заданных глубинах, где H(глубина)/H(3,5) измеряется в соответствии с испытанием по Викерсу, а Lсум(глубина)/Lсум(3,5) измеряется в соответствии со способом Палмквиста, описанным в данном документе, по существу, вдоль продольной осевой центральной линии (C) буровой коронки.
Если буровая коронка (10) имеет длину (L) менее 10 мм, и поэтому свойства буровой коронки на глубине 3,5 мм считаются такими же, как в массе буровой коронки. Таблицы, приведенные выше, дают измеренные значения к центру буровой коронки, т.е. на расстоянии до 3,5 мм ниже бурящей поверхности, для буровых коронок, которые имеют длину менее 10 мм, и на расстояние до 5,0 мм ниже бурящей поверхности, для буровых коронок, которые имеют длину 10 мм или более.
Длина трещины по способу Палмквиста обратно пропорциональна критической вязкости при разрушении буровой коронки. Чем меньше длина трещины Палмквиста, тем вязче материал буровой коронки. Следовательно, буровая коронка, которая имеет длину трещины по способу Палмквиста и имеет твердость, соответствующую вышеуказанным таблицам, будет становиться вязче по мере приближения к бурящей поверхности, хотя ее твердость не будет существенно увеличиваться по мере приближения к бурящей поверхности.
Более вязкие буровые коронки приводят к меньшим разрывам буровых коронок и большему сроку службы при бурении. Следовательно, это ведет к получению изделий, таких, как буровые коронки, инструменты для бурения породы, головки буров, содержащие буровые коронки, и машины для бурения породы, становящиеся ходкими товарами на рынке, так как позволяют бурить больше материалов; иными словами, количество пластов породы, для которых можно использовать буровые коронки, увеличивается. В частности, это справедливо в отношении бурения в твердых материалах, такого, как бурение в кварцевой породе. Более того, можно получить лучшие свойства при бурении, например, в железной руде, где в настоящее время часто используется тип бурового инструмента с коронками ударного типа (алмазодержащими кольцами коронок) вместо обычных буровых коронок. Головки буров с такими буровыми коронками дешевле в изготовлении, чем алмазодержащие кольца коронок роторного типа, и имеют большую скорость бурения (так называемую скорость резания при бурении), которая почти вдвое больше, чем у алмазодержащих колец коронок роторного типа.
За счет использования способа обработки, соответствующего данному изобретению, можно для бурения в вышеупомянутых пластах породы выбирать более твердую буровую коронку, которая изнашивается (утрачивает свою исходную форму) медленнее, а это увеличивает срок службы инструмента.
Для определения твердости материала используют способ вдавливании, так называемый способ испытания по Викерсу (соответствующий стандарту DIN50133, «Теория и информация для пользователя», том А «Руководство пользователя», 2001 г.). Принцип, заложенный в основу испытания по Викерсу, заключается в измерении способности материала выдерживать пластическую деформацию, а измеренное значение твердости задают в таких единицах, как Н/мм2. Алмазный индентор пирамидальной формы (см. фиг.3) с главным передним углом при вершине, составляющим 136°, вдавливают в плоскую испытуемую деталь, а именно - соответствующую продольному сечению буровой коронки, с заданной силой (F в ньютонах). Измеряют длину двух диагоналей (DIA1 и DIA2) во вмятине и вычисляют среднее значение (DIAсредн в мм). После этого твердость (H) можно найти в таблице преобразования или вычислить с использованием уравнения.
При измерениях по способу Викерса в твердых материалах, на продолжении диагоналей образуются трещины (так называемые трещины по способу Палмквиста), см. фиг.5.
Критическую вязкость при разрушении буровых коронок также оценивают исходя из способа вдавливания с использованием нижеследующего уравнения для трещин по способу Палмквиста, которое предложили W.D. Schubert и др. в International Journal of Refractory Metals & Hard Materials («Международном журнале огнеупорных металлов и твердых материалов», 16 (1998), стр. 133-142:
где KIC - критическая вязкость при разрушении, Н - твердость (в Н/мм2), A - постоянна, P - нагружающая сила (в Н), а Lсум - суммарная длина трещин по способу Палмквиста, т.е. сумма длин (L1+L2+L3+L4) четырех трещин по способу Палмквиста (показанных на фиг.5), созданных индентором при измерении твердости (способом Палмквиста). Одна из трещин по способу Палмквиста показана на фиг.6. Для конкретной твердости, более короткие трещины по способу Палмквиста (Lсум) дают большее значение (KIC) твердости при разрыве, а значит - и более вязкий материал.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, буровая коронка содержит композиционный материал или состоит из композиционного материала, который содержит твердую фазу, такую, как карбид вольфрама, карбид ниобия, карбид титана, карбид тантала, карбид ванадия, карбид хрома, карбонитрид титана или смесь либо химическое соединение этих материалов.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, буровая коронка содержит твердую фазу, объеденную со связующей фазой кобальта, никеля, железа (низколегированного или нормально легированного сплава) или смесь либо химическое соединение этих элементов.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, буровая коронка содержит композиционный материал с твердой фазой, имеющей средний размер частиц примерно 2-3 микрометра и со связующей фазой кобальта в количестве примерно 6%.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, буровая коронка содержит 4-12% связующей фазы кобальта, никеля, железа или смесь либо химическое соединение этих элементов.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, твердая фаза в содержащей спеченный карбид буровой коронке имеет средний размер частиц до 10 микрометров, предпочтительно - в диапазоне от 0,5 до 5,0 микрометров, а предпочтительнее - от 1,5 до 3,5 микрометров, вследствие чего средний размер частиц определяется микроскопической оценкой в соответствии со стандартом E112-96 “Standard Test Methods for Determining Average Grain Size" («Стандартные способы испытаний для определения среднего размера зерен») (повторно одобренным в 2004 г.) Американского общества по испытанию.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления изобретения буровая коронка имеет конец, который является куполообразным, полубаллистическим, полусферическим, полуцилиндрическим или имеет некоторую другую желаемую форму, и его внешняя кромка ограничивает бурящую поверхность.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, буровая коронка имеет длину 10 мм или более и диаметр (D), по меньшей мере, 7 мм, предпочтительно - находящийся в диапазоне 7-22 мм. В альтернативном варианте, буровая коронка имеет длину менее 10 мм и диаметр (D), по меньшей мере, 7 мм, предпочтительно - находящийся в диапазоне 7-22 мм.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, буровая коронка содержит цилиндрическую часть с диаметром (D) 7 мм или более. В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, буровая коронка имеет массу 5 грамм или более. Буровая коронка предпочтительно имеет диаметр (D) в диапазоне 7-22 мм и массу в диапазоне 5-150 грамм.
Данное изобретение также касается способа обработки для увеличения вязкости буровых коронок инструмента для бурения породы без существенного увеличения твердости упомянутых буровых коронок. Эксперименты показали, что это достигается посредством столкновения друг с другом буровых коронок, выполненных из карбида вольфрама с 6% содержанием кобальта со средним размером частиц с размером 2,5 микрометра. Эти буровые коронки демонстрируют свойства, соответствующие таблицам, приведенным выше. Эти свойства указаны в п.1 формулы изобретения. Если энергия столкновения мала, составляя менее 35 мДж, то буровые коронки подвержены ухудшению свойств в самой малой степени, т.е. самое малое уменьшение суммарной длины трещин по способу Палмквиста (Lсум) как функция глубины достигается, если энергия при соударении становится слишком большой, превышая 175 мДж, как при увеличенной твердости в области поверхности, так и при увеличенной вязкости. Столкновения в диапазоне энергии 35-175 мДж, предпочтительно - 35-100 мДж, обеспечивают буровые коронки с увеличенной критической вязкостью при разрушении и очень незначительно изменившейся или сохранившейся твердостью.
Суммарную энергию (E) перед столкновением буровых коронок вычисляют с помощью одного из нижеследующих уравнений (см. фиг.9):
E=mgh или E=mv2/2,
где m - масса (в кг) буровой коронки, g - ускорение силы тяжести, составляющее 9,81 м/с2, h - высота падения, а v - скорость (в м/с) буровой коронки перед тем, как она сталкивается с другой буровой коронкой или прижимается к ней при осуществлении способа обработки.
Способ обработки можно автоматизировать целым рядом различных путей, например, с использованием ленты транспортера, которая транспортирует буровые коронки на некоторую высоту, чтобы затем дать им упасть на слой буровых коронок, за счет вращения барабана со скоростью вращения, которая обеспечивает падение буровых коронок с высоты, что приводит к требуемой энергии столкновения, подвергая буровые коронки воздействию вибрационного каскадирования или центробежного каскадирования таким образом, что они достигают правильной энергии столкновения.
Ниже приводятся три примера возможности получения свойств изделия, которые упоминаются в п.1 формулы изобретения.
1) Вращательное каскадирование
Вращающийся барабан (с горизонтальной осью), цилиндрический или многоугольный, заполняют на 1-75%, предпочтительно на 15-50%, компонентами, которые надлежит обработать. Огромное значение для процесса имеют диаметр и скорость вращения барабана, а его длина не так важна. Перед началом процесса компоненты загружают в барабан вместе с водой и добавкой, такой, как очищающее соединение и/или средство регулирования pH, можно использовать и одну чистую воду, а также воздух. Абразивное (шлифовальное) вещество не добавляют.
В ходе процесса, барабан вращается таким образом, что компоненты, которые находятся в барабане, следуют вращению внешней стенки вплоть до некоторого момента, в который они начинают двигаться от внешней стенки и выдвигаются сначала кверху, а потом книзу в слой других компонентов. Скорость вращения и диаметр барабана вместе со степенью, до которой заполнен барабан, определяют высоту h в уравнении E=mgh, описанном выше. Индивидуальная масса компонентов, диаметр барабана и степень, до которой заполнен барабан, известны, и поэтому скорость вращения вычисляют так, что достигается желаемая высота h падения. Таким образом, можно определить уровень энергии для произвольного столкновения между компонентами. Тогда время определяет, сколько этих столкновений имеют место. Технологическое время обычно находится в диапазоне 0,5-16 часов или более, предпочтительно - 1,5-6 часов.
Из вышеуказанного вытекают несколько скоростей вращения и диаметров барабана, которые приводят к получению изделий, имеющих свойства, которые упоминаются в п.1 формулы изобретения.
⌀=190 мм и 20-100 об/мин. Это обеспечивает высоты падения 80-120 мм и кинетическую энергию до столкновения примерно 35-120 мДж для масс буровых коронок в диапазоне 47-150 грамм.
⌀=300 мм и 15-75 об/мин. Это обеспечивает высоты падения 125-190 мм и кинетическую энергию до столкновения примерно 40-135 мДж для масс буровых коронок в диапазоне 20-110 грамм.
⌀=600 мм и 10-55 об/мин. Это обеспечивает высоты падения 250-380 мм и кинетическую энергию до столкновения примерно 35-150 мДж для масс буровых коронок в диапазоне 10-40 грамм.
Буровые коронки в соответствии с данным изобретением изготовлены с помощью машины вращательного каскадирования в следующих условиях: диаметр равен 190 мм, степень, до которой заполнен барабан, равна 33 %, скорость вращения равна 75 об/мин, масса буровой коронки равна 74,8 г, время обработки равно 2 часа (см. результаты, касающиеся свойств вязкости и твердости, на фиг.7 и фиг.8 (кривые, обозначенные надписью «вращательное»), барабан снабжен внутри четырьмя поперечными крыльями высотой 5 мм.
Следует упомянуть, что при вращательном каскадировании поперечная скорость (vx, фиг.9) создается благодаря скорости вращения, но в пределах заданных скоростей вращения и высот падения ее вклад в кинетическую энергию перед столкновением составляет менее 10%.
Буровые коронки в соответствии с данным изобретением, имеющие диаметр 14,5 мм и 15,8 мм или массу 48 или 63 грамм, соответственно, были изготовлены с помощью машины вращательного каскадирования, снабженной барабаном, имеющим диаметр 190 мм (и внутренними крыльями высотой 5 мм) при следующих условиях:
скорость вращения: 44 об/мин; степень, до которой заполнен барабан: 30%; масса буровой коронки: 62,8 г; время каскадирования: 8 часов, что соответствует энергии столкновения 54 мДж;
скорость вращения: 44 об/мин; степень, до которой заполнен барабан: 30%; масса буровой коронки: 47,8 г; время каскадирования: 16 часов, что соответствует энергии столкновения 45 мДж;
скорость вращения: 44 об/мин; степень, до которой заполнен барабан: 50%; масса буровой коронки: 62,6 г; время каскадирования: 12 часов что соответствует энергии столкновения 60 мДж;
скорость вращения: 44 об/мин; степень, до которой заполнен барабан: 30%; масса буровой коронки: 62,8 г; время каскадирования: 12 часов, что соответствует энергии столкновения 54 мДж;
скорость вращения: 44 об/мин; степень, до которой заполнен барабан: 30%; масса буровой коронки: 62,8 г; время каскадирования: 16 часов, что соответствует энергии столкновения 54 мДж;
скорость вращения: 75 об/мин; степень, до которой заполнен барабан: 33%; масса буровой коронки: 47,8 г; время каскадирования: 2 часа, что соответствует энергии столкновения 57 мДж;
скорость вращения: 75 об/мин; степень, до которой заполнен барабан: 33%; масса буровой коронки: 47,8 г; время каскадирования: 4 часа, что соответствует энергии столкновения 57 мДж.
2) Вибрационное каскадирование
Вибрационное каскадирование - это процесс, в ходе которого компоненты, подлежащие обработке, загружаются в подпружиненный сосуд. Электрический двигатель, который установлен по центру вместе с сосудом, вращается с определенной скоростью, которая здесь именуется частотой. Электрический двигатель имеет груз, который несимметрично установлен на его оси, что приводит к дисбалансу, который создает вибрационное движение в сосуде, где имеет место обработка.
Компоненты обрабатываются за счет ударения друг о друга, и при этом достигается желаемая энергия. Если масса компонентов слишком мала (менее 30 г для буровых коронок), то приходится смешивать их с более тяжелыми компонентами (так называемыми болванками), так что при столкновениях будет достигаться высокий уровень энергии. При обработке компонентов, имеющих большую массу, можно - наоборот - получить преимущество, смешивая их с малыми «болванками», чтобы уменьшить энергию и предотвратить краевые повреждения этих компонентов. Соответственно, упомянутые «болванки» должны быть изготовлены из того же композиционного материала, что и обработанные компоненты.
Типичную машину вибрационного каскадирования загружают компонентами через посредство загрузочной крышки в верхней части машины. Как правило, вес загрузки (т.е. суммарный вес буровых коронок) составляет 20-50 кг. После загрузки добавляют воду и добавку, такую, как очищающее соединение и/или средство регулирования рН; можно также использовать и одну чистую воду. Абразивное (шлифовальное) вещество не добавляют. Также возможно использование лишь воздуха.
Машина имеет систему управления, которая является полностью автоматической, и это означает, что пользователь выбирает программу и запускает машину. Мощность и время обработки программируют с помощью соответствующей программы. Когда обработка завершается, начинается программа промывки, а после нее - программа сушки.
Буровые коронки в соответствии с данным изобретением изготовлены путем использования машины (Reni Cirillo) вибрационного каскадирования при следующих условиях:
объем сосуда: 25 литров;
мощность электродвигателя: 0,75 кВт;
частота: 30 Гц (устанавливаемая мощность = 100%);
10 буровых коронок, имеющих массу 10 г, смешанных с 418 буровыми коронками, имеющими массу 47,6 г, т.е. нагрузочный вес (т.е. суммарный вес буровых коронок) = 20 кг,
время каскадирования: 4 часа;
см. результаты, касающиеся свойств вязкости и твердости, на фиг.7 и фиг.8 (кривые, обозначенные надписью «вибрационное»).
3) Центробежное каскадирование
В этом процессе компоненты загружают сверху вниз в вертикальный барабан с вращающейся нижней плитой. Когда нижняя плита приводится во вращение, компоненты отбрасываются к внутренним стенкам барабана. В ходе обработки, компоненты отжимаются наружу в радиальном направлении вокруг стенки барабана, и можно увидеть дно барабана в центре. Вращающееся дно барабана выполнено так, что масса, отжимаемая вбок, движется благодаря скорости вращения кверху вдоль внутренней стенки барабана. Использование правильного объема компонентов в барабане приводит к созданию движения деформации, за счет чего компоненты, которые находятся выше всего, отжимаются наружу снизу и падают вниз к центру. Компоненты вращаются вокруг барабана с высокой скоростью вращения в то же время, когда они скручиваются и/или деформируются и непрерывно изменяют положение друг относительно друга.
В ходе процесса непрерывно добавляют жидкость, обычно - воду и добавку (соединение), такую, как очищающее соединение и/или средство регулирования рН; можно также добавлять одну воду. Абразивное (шлифовальное) вещество не добавляют. Жидкость вытесняется за счет столба, находящегося между стенкой барабана и вращающейся нижней плитой. Возможно также использование только воздуха в качестве упомянутого среды.
В этом процессе энергия обеспечивается большой скоростью вращения, что приводит к действию большой части загружаемого объема как отжимающей массы на малую часть нагруженного объема, а именно, компоненты, которые являются крайними снаружи у внутренней стенки барабана, подвергаются наибольшей нагрузке отжимом. Благодаря движению деформации достигается непрерывное смешивание, которое приводит к тому, что все компоненты одинаково обрабатываются друг с другом.
Буровые коронки в соответствии с данным изобретением изготовлены с помощью центрифуги (ERBA TURBO - 60) при следующих условиях:
объем: 60 литров; ⌀=500 мм; высота: 360 мм;
скорость вращения: 250 об/мин;
масса буровой коронки: 11,3 г; суммарная масса: 100 кг, что дает объем примерно 10 литров и время обработки 3 часа;
см. результаты, касающиеся свойств вязкости и твердости, на фиг.7 и фиг.8 (кривые, обозначенные надписью «центробежное»).
Вышеупомянутые примеры показывают, как можно использовать для некоторой цели стандартные машины, предназначенные для другой цели. Есть много фирм-изготовителей соответствующих машин и есть также другие типы машин и способы, которыми их можно использовать для того, чтобы получить желаемый уровень энергии в соответствии с данным изобретением.
Эксперименты показали, что для изготовления буровых коронок из карбида вольфрама с 6% кобальта, имеющих средний размер частиц 2,5 мкм и демонстрирующих желаемые свойства в соответствии с вышеуказанными таблицами, требуется энергия E, равная 35-175 мДж. Эти свойства указаны в п.1 формулы изобретения.
Следует отметить, что уравнения для вычисления упомянутой энергии (E) значительно сложнее тех, которые приведены выше, и что вышеупомянутый способ вычисления энергии очень упрощен, потому что не учитывает среди прочих такие факторы, как среды и трение.
Даже несмотря на то, что это уравнение упрощено, оно основано на понимании того, что можно использовать обычные машины, чтобы увеличить вязкость буровых коронок машины для бурения породы без существенного увеличения твердости упомянутых буровых коронок, если эксплуатировать эти машины определенным образом, а именно, если суммарная энергия Е, возникающая перед столкновением буровых коронок, и оказывается в диапазоне 35-175 мДж. Известно, что упомянутая энергия Е является функцией диаметра машины, скорости вращения, массы и степени, до которой заполнен барабан. Поэтому специалист в данной области техники может определить, как нужно эксплуатировать некоторую машину, чтобы изготовить буровые коронки в соответствии с данным изобретением, либо путем расчетов, либо путем проведения экспериментов, либо следуя примерам, приведенным в описании данного изобретения.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, фрагменты, которые откалываются от буровых коронок во время обработки, удаляют непрерывно или периодически. Это означает, что фрагменты буровых коронок могут не повреждать буровые коронки во время каскадирования. Фрагменты буровой коронки можно удалять посредством слива технологической жидкости из машины, вследствие чего отток фрагментов буровых коронок происходит вместе с водой. Кроме того, буровые коронки можно промывать, например, во время этапа вибрационного каскадирования, чтобы удалить фрагменты буровых коронок. В альтернативном варианте, фрагменты буровых коронок можно удалять путем постоянной фильтрации технологической воды, магнитного удаления или за счет использования ситовой ловушки.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения, энергию обработки увеличивают путем увеличения скорости обработки во время осуществления способа обработки, либо непрерывно, либо поэтапно. Малая вязкость приводит к более хрупким буровым коронкам. Поскольку буровые коронки становятся вязче во время обработки, они проявляют стойкость, подвергаясь обработке с большей энергией, и вследствие этого можно увеличить скорости и/или энергию обработки во время осуществления способа.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, твердость, которую измеряют на расстоянии под бурящей поверхностью, составляющим до 3,5 мм, для буровых коронок, которые имеют длину менее 10 мм, на расстоянии под бурящей поверхностью, составляющим до 5,0 мм, для буровых коронок, которые имеют длину 10 мм или более, становится максимум на 4% больше, чем твердость, которая измерена в массе буровой коронки.
Дополнительные варианты осуществления способа в соответствии с изобретением приведены в зависимых пунктах формулы изобретения на способ.
Конечно же, можно подшлифовать буровые коронки до заданного размера до или после того, как они подверглись обработке способом в соответствии с данным изобретением.
Данное изобретение также касается инструмента для бурения породы, который содержит, по меньшей мере, одну буровую коронку в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Инструмент для бурения породы предназначен, в частности, но не исключительно, для бурения в руде или в твердом материале, таком, как кварцевая порода.
Краткое описание чертежей
Ниже приведено более подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, на которых изображено следующее:
на фиг.1 показана буровая коронка в соответствии с вариантом осуществления изобретения и продольное сечение;
на фиг.2 показаны несколько типичных инструментов для бурения породы - головок ударных буров, в которых применимо данное изобретение;
на фиг.3 показан индентор, который используется в способе вдавливания;
на фиг.4 показаны вмятины, выполненные в заполированном срезе в продольном сечении материала буровой коронки: расстояние вмятины от бурящей поверхности задано в миллиметрах, где DIA1 и DIA2 в различных вмятинах используются для определения твердости материала;
на фиг.5 показан чертеж трещин L1, L2, L3 и L4 по способу Палмквиста в четырех разных углах вмятины;
на фиг.6 показана чертеж трещины Lx Палмквиста, где «x» обозначает четыре разных угла вмятины, а Lx обозначает отдельные трещины L1, L2, L3 и L4 по способу Палмквиста;
на фиг.7 показано соотношение суммарной длиной Lсум(глубина) трещин по способу Палмквиста на разных глубинах ниже бурящей поверхности и суммарной длиной Lсум(5,0) трещин по способу Палмквиста на глубине 5,0 мм, т.е. Lсум(глубина)/Lсум(5,0)×100, для трех различных способов обработки - вращательного каскадирования, вибрационного каскадирования и центробежного каскадирования - в соответствии с параметрами, принятыми в данном изобретении;
на фиг.8 показано выражаемое в процентах соотношение между твердостью H(глубина) на разных глубинах и твердостью H(5,0) на глубине 5,0 мм, т.е. H(глубина)/H(5,0)×100, для трех различных способов обработки - вращательного каскадирования, вибрационного каскадирования и центробежного каскадирования - в соответствии с параметрами, принятыми в данном изобретении;
на фиг.9 показаны высота h падения и скорость v перед столкновением, а также то, как вычисляется энергия для машины вращательного каскадирования;
на фиг.10 показано выражаемое в процентах соотношение Lсум(глубина)/Lсум(5,0)×100, которое демонстрируют буровые коронки, изготовленные в соответствии с данным изобретением.
Следует отметить, что чертежи не обязательно сделаны в масштабе и что размеры некоторых конструктивных элементов намеренно преувеличены для ясности иллюстрации.
Подробное описание вариантов осуществления
На фиг.1 показана буровая коронка 10, внедренная в буровую головку инструмента 12 для бурения породы. Буровые коронки 10 имеют цилиндрообразную часть 10a диаметром D, равный например, 16 мм, и куполообразный концевой профиль 10p, выступающий из буровой головки, а его внешняя кромка ограничивает бурящую поверхность 10b. Концевой профиль 10p может быть полубаллистическим, полусферическим, полуцилиндрическим или может иметь некоторую другую желаемую форму.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения буровая коронка 10 имеет диаметр (D) равный 7 мм или более или массу, равную 5 грамм или более и содержит спеченный карбид с зернами карбида вольфрама, имеющими средний размер частиц, равный 2,5 микрометра, и 6% связующей фазы кобальта, или зернам карбида вольфрама, объединенные связующей фазой кобальта в количестве 12%, предпочтительно 0,6-2,5% кобальта со средним размером частиц до 10 микрометров, предпочтительно - находящимся в диапазоне 0,5-5,0 микрометров, а предпочтительнее - в диапазоне 1,5-3,5 микрометров.
Параметры Lсум(глубина) и H(глубина) измеряли на разных глубинах, по существу, вдоль осевой центральной линии C буровой коронки в ее продольном сечении 10t, т.е. на максимальном расстоянии D/4 от осевой центральной линии (C) буровой коронки. Например, если буровая коронка имеет диаметр 16 мм, то трещины Палмквиста и твердость измеряют в продольном сечении, которое располагается максимум на расстоянии 2,0 мм от плоскости другой продольной плоскости, содержащей осевую центральную линию (C) буровой коронки. Нормаль к плоскости сечения должна проходить под прямым углом к (перпендикулярно или, по существу, перпендикулярно) продольной осевой центральной линии буровой коронки.
На фиг.2 показаны несколько типичных инструментов 12 для бурения породы, а именно, буровых головок ударных буров, в которых применимо данное изобретение.
На фиг.3 показан на видах сбоку и снизу ромбический индентор 14 пирамидальной формы, который используется в испытании по Викерсу для измерения твердости. Нагружая ромбический индентор 14 в испытании по Викерсу пирамидальной формы, имеющий диагонали d1 и d2 и главный передний угол при вершине, составляющий 136°, под нагрузкой 30 кг (HV30) (F=300 Н) получают ряд лунок Викерса в соответствии с рисунком на фиг.4. Индентор 14 вдавливают в срез буровой коронки сверху со скоростью проникновения, находящейся, например, в диапазоне 0,001-0,02 мм/с, в течение 30 секунд на некоторые определенные глубины ниже бурящей поверхности 10b буровой коронки. Индентор 14 затем извлекают, и в зависимости от твердости материала на испытуемой поверхности будут образованы вмятины с двумя диагоналями DIA1 и DIA2; измеряют обе диагонали во вмятине и вычисляют среднее значение ((DIA1+DIA2)/2) в мм, вследствие чего можно затем вычислить или найти в таблицах преобразования твердость (H). Для подготовки буровой коронки 10 к измерению, буровую коронку отливают в смоле и полируют таким образом, что создается продольный срез. Буровую коронку подвергают грубой шлифовке таким образом, что до осевой центральной линии С буровой коронки остается максимальное расстояние D/4. Затем созданную поверхность 10t среза полируют партиями все более и более мелкого шлифовального вещества, так что она становится свободной от царапин. В заключительной фазе шлифования обычно используют алмазную суспензию с размером частиц 3 микрометра, чтобы уменьшить любое сохраняющееся остаточное механическое напряжение.
На фиг.4 показаны вмятины 16, которые остаются на срезе 10t буровой коронки, выполненном параллельно продольной осевой центральной линии С буровой коронки. Благодаря хрупкости буровых коронок, на концах вмятины 16 образуются так называемые трещины 18 Палмквиста. Исходя из каждой вмятины 16, можно вычислить значение H(глубина) твердости и можно вычислить значение Lсум(глубина), что дает возможность сравнить различия в вязкости и твердости буровых коронок в каждой точке измерения, т.е. на глубине равной 0,3, 0,5, 1,0, 2,0 и 5,0 мм под бурящей поверхностью 10b. Первую вмятину также делают на глубине 4,0 мм ниже бурящей поверхности (10b), чтобы минимизировать погрешности при изменении.
На фиг.6 показан чертеж трещины 18 по способу Палмквиста на срезе 10t буровой коронки, как эта трещина выглядит под оптическим микроскопом с увеличением 500х. Суммарная длина Lсум(глубина) трещин Палмквиста измеряется от угла вмятины 16 в направлении, которое совпадает с диагональю вмятины. Суммарная длина Lсум (глубина) трещин по способу Палмквиста дает показание критической вязкости при разрыве буровой коронки: чем короче Lсум(глубина) и следовательно чем меньше Lсум(глубина)/Lсум(5,0), тем вязче буровая коронка. Следует отметить, что суммарная длина трещин Палмквиста, которая указана в п.1 формулы изобретения, равна сумме всех четырех трещин по способу Палмквиста, т.е. Lсум=L1,+L2,+L3,+L4.
На фиг.7 показаны результаты измерения суммарной длины Lсум(глубина) трещин по способу Палмквиста для трех различных способов обработки - вращательного каскадирования, вибрационного каскадирования и центробежного каскадирования - в соответствии с параметрами, принятыми в данном изобретении. На фиг.7 показано, как изменяется соотношение Lсум(глубина)/Lсум(5,0)×100 с изменением глубины ниже бурящей поверхности 10b (т.е. от отметки 0,0 мм ниже бурящей поверхности), и при этом значение Lсум(глубина) задается как % от значение Lсум(5,0), т.е. суммарной длины трещин по способу Палмквиста на глубине 5,0 мм, и поэтому свойства буровой коронки на глубине 5,0 мм считаются такими же, как в массе буровой коронки. На фиг.7 показано, что буровые коронки становятся вязче по мере приближения к бурящей поверхности 10b.
На фиг.8 показана разница в твердости буровой коронки как функция глубины от поверхности по отношению к твердости в массе коронки для трех различных способов обработки - вращательного каскадирования, вибрационного каскадирования и центробежного каскадирования - в соответствии с параметрами, принятыми в данном изобретении. На фиг.8 показано, как соотношение Н(глубина)/Н(5,0) изменяется на разных глубинах ниже бурящей поверхности 10b (т.е. ниже отметки 0,0 мм), и при этом значение Н(глубина) задается в % от значения Н(5,0), и поэтому свойства буровой коронки на глубине 5,0 мм считаются такими же, как в массе буровой коронки. На фиг.8 показано, что твердость буровой коронки не становится существенно больше по мере приближения к бурящей поверхности 10b.
На фиг.9 показано, как вычисляется суммарная энергия Е, возникающая до столкновения буровых коронок 10 в машине 26 вращательного каскадирования. Поскольку вклад энергии, обуславливаемый, например, скоростью vx в направлении «х», меньше, чем 10% суммарной энергии столкновения, и им можно пренебречь, суммарная энергия Е, в принципе, равна потенциальной энергии буровой коронки (mgh), где m - масса (в кг) буровой коронки (10), g - ускорение силы тяжести (9,81 м/с2), а h - высота (в м) в самой высокой точке перед тем, как буровая коронка (10) переваливается книзу и начинает падать вниз, попадая в слой (B), где она «приземляется».
На фиг.10 показано, как изменяется соотношение Lсум(глубина)/Lсум(5,0) на разных глубинах d ниже бурящей поверхности (10b), см. профиль вмятины на фиг.4. Свойства на глубине 5,0 мм считаются такими же, как в массе буровой коронки. Обе линии на фиг.10 определяют максимальное значение (Lсум(глубина)/Lсум(5,0)×100) согласно данному изобретению и предпочтительное максимальное значение (Lсум(глубина)/Lсум(5,0)×100). На фиг.10 показано, что буровые коронки становятся вязче по мере приближения к бурящей поверхности (10b). Обе линии - максимального и предпочтительного максимального значений - основаны на множестве измеренных буровых коронок, которые изготовлены в соответствии со способами согласно данному изобретению.
Для специалиста в данной области техники должны быть очевидны несколько модификаций изобретения. Например, даже если в формуле изобретения речь идет о буровой коронке инструмента для бурения породы, способ в соответствии с данным изобретением можно было бы использовать для увеличения вязкости другого компонента машины для бурения породы без существенного увеличения твердости.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ШАРОШЕЧНАЯ БУРОВАЯ КОРОНКА | 2016 |
|
RU2719867C2 |
| Вставка для бурового инструмента | 2019 |
|
RU2781827C2 |
| АЛМАЗНАЯ БУРОВАЯ КОРОНКА | 1996 |
|
RU2112131C1 |
| Способ регулирования процесса вращательного бурения | 1988 |
|
SU1649088A1 |
| СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ БУРОВЫХ КОРОНОК, АРМИРОВАННЫХ АЛМАЗНО-ТВЕРДОСПЛАВНЫМИ ПЛАСТИНАМИ | 2014 |
|
RU2566523C1 |
| Алмазная буровая коронка | 1989 |
|
SU1707180A1 |
| КОРОНКА ЦЕЛЬНОГО БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА | 1996 |
|
RU2166608C2 |
| КОЛЬЦЕВАЯ БУРОВАЯ КОРОНКА | 1992 |
|
RU2078899C1 |
| КОРОНКА ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН И СПОСОБ БУРЕНИЯ | 2008 |
|
RU2469173C2 |
| Перераспределение связующего во вставке из цементированного карбида для бурового наконечника | 2019 |
|
RU2799380C2 |
Группа изобретений относится к буровым коронкам для бурения породы, к способам увеличения вязкости буровых коронок, к инструментам для бурения породы и к применениям инструмента для бурения породы. Обеспечивает создание усовершенствованной буровой коронки инструмента для бурения породы. Буровая коронка имеет бурящую поверхность, причем продольное сечение буровой коронки через бурящую поверхность характеризуется определенными соотношениями Lсум (глубина)/Lсум (5,0) и Н (глубина)/Н (5,0) на заданных глубинах, где Lсум(глубина) - суммарная длина трещин, измеренная по способу Палмквиста на разных глубинах ниже бурящейся поверхности вдоль продольной осевой центральной линии буровой коронки, Lсум (5,0) - суммарная длина трещин на глубине 5,0 мм, Н (глубина) - твердость по Викерсу на разных глубинах ниже бурящейся поверхности, Н(5,0) - твердость на глубине 5,0 мм, если буровая коронка имеет длину, равную 10 мм или более; и продольное сечение буровой коронки через бурящую поверхность характеризуется определенными соотношениями Lсум (глубина)/Lсум (3,5) и Н (глубина)/Н (3,5), где Lсум (3,5) - суммарная длина трещин на глубине 3,5 мм, Н (3,5) - твердость на глубине 3,5 мм, если буровая коронка имеет длину менее 10 мм. Способ увеличения вязкости буровых коронок головки для бурения породы без существенного увеличения твердости буровых коронок содержит обработку буровых коронок в машине вращательного каскадирования, машине вибрационного каскадирования или в центрифуге, при этом суммарная энергия (Е), создаваемая перед столкновением буровых коронок друг с другом, находится в определенном диапазоне и вычисляется определенным образом. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 10 ил.
1. Буровая коронка (10) инструмента (12) для бурения породы, имеющая бурящую поверхность (10b), предназначенную для контакта с породой при бурении, отличающаяся тем, что продольное сечение (10t) буровой коронки (10) через бурящую поверхность (10b) характеризуется нижеследующими соотношениями Lсум (глубина)/Lсум (5,0) и Н (глубина)/Н (5,0) на заданных глубинах, где Lсум(глубина) - суммарная длина трещин, измеренная по способу Палмквиста на разных глубинах ниже бурящейся поверхности, по существу, вдоль продольной осевой центральной линии (С) буровой коронки, Lсум (5,0) - суммарная длина трещин на глубине, равной 5,0 мм ниже бурящейся поверхности, Н (глубина) - твердость по Викерсу на разных глубинах ниже бурящейся поверхности, Н (5,0) - твердость на глубине, равной 5,0 мм, ниже бурящейся поверхности:
если буровая коронка (10) имеет длину (L), равную 10 мм или более, и продольное сечение (10t) буровой коронки (10) через бурящую поверхность (10b) характеризуется нижеследующими соотношениями Lсум (глубина)/Lсум (3,5) и Н (глубина)/Н (3,5), где Lсум (3,5) - суммарная длина трещин на глубине, равной 3,5 мм ниже бурящейся поверхности, и Н (3,5) - твердость на глубине, равной 3,5 мм, ниже бурящейся поверхности:
если буровая коронка (10) имеет длину (L) менее 10 мм.
2. Буровая коронка (10) по п.1, отличающаяся тем, что содержит композиционный материал, включающий в себя твердую фазу, такую, как карбид вольфрама, карбид ниобия, карбид титана, карбид тантала, карбид ванадия, карбид хрома, карбонитрид титана или их смеси.
3. Буровая коронка (10) по п.1 или 2, отличающаяся тем, что содержит твердую фазу, соединенную со связующей фазой кобальта, никеля, железа или их смеси или их химического соединения.
4. Буровая коронка (10) по п.1, отличающаяся тем, что содержит композиционный материал с твердой фазой, имеющей средний размер частиц примерно 2-5 мкм, и со связующей фазой в количестве около 6%.
5. Буровая коронка (10) по п.1, отличающаяся тем, что имеет средний размер частиц до 10 мкм, предпочтительно в диапазоне от 0,5 до 5,0 мкм и наиболее предпочтительно в диапазоне от 1,5 до 3,5 мкм.
6. Буровая коронка (10) по п.1, отличающаяся тем, что содержит 4-12% связующей фазы кобальта, никеля, железа или смесь или химического соединения этих элементов.
7. Буровая коронка (10) по п.1, отличающаяся тем, что имеет конец, который является куполообразным, полубаллистическим, полусферическим или полуцилиндрическим, и его внешняя кромка ограничивает бурящую поверхность(10b).
8. Буровая коронка (10) по п.1, отличающаяся тем, что имеет диаметр (D), составляющий, по меньшей мере, 7 мм и предпочтительно находящийся в диапазоне 7-22 мм.
9. Буровая коронка (10) по п.1, отличающаяся тем, что содержит цилиндрическую часть (10а) с диаметром (D), равным, по меньшей мере, 7 мм.
10. Буровая коронка (10) по п.1, отличающаяся тем, что имеет массу, составляющую, по меньшей мере, 5 г.
11. Способ увеличения вязкости буровых коронок (10) головки (12) для бурения породы без существенного увеличения твердости буровых коронок (10), отличающийся тем, что содержит обработку буровых коронок (10) в машине (28) вращательного каскадирования, машине вибрационного каскадирования или в центрифуге, при этом суммарная энергия (Е), создаваемая перед столкновением буровых коронок (10) друг с другом, находится в диапазоне 35-175 мДж, предпочтительно в диапазоне 35-150 мДж и наиболее предпочтительно в диапазоне 40-100 мДж, причем энергия (Е) вычисляется, исходя из следующего уравнения:
E=mgh или E=mv2/2,
где m - масса буровой коронки (10), кг; v - скорость буровой коронки (10) перед столкновением, м/с; g - ускорение силы тяжести 9,81 м/с2; h - высота, м, от точки, где буровая коронка (10) поворачивается книзу и направляется вниз на слой (В), где она размещается.
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что буровая коронка (10) обрабатывается с помощью добавки абразивного материала.
13. Способ по п.11, отличающийся тем, что фрагменты буровых коронок (10) удаляются во время обработки непрерывно или периодически.
14. Способ по п.11, отличающийся тем, что энергия (Е) увеличивается во время обработки непрерывно или поэтапно.
15. Инструмент (12) для бурения породы, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, одну буровую коронку (10) по любому из пп.1-10 или, по меньшей мере, одну буровую коронку (10), обработанную способом по любому из пп.11-14.
16. Применение инструмента для бурения породы, содержащего, по меньшей мере, одну буровую коронку (10) по любому из пп.1-10 или, по меньшей мере, одну буровую коронку (10), обработанную способом по любому из пп.11-14, для бурения твердой породы, такой, как кварцевая порода или гранит.
| US 4869329 A, 26.09.1989 | |||
| 0 |
|
SU354939A1 | |
| Способ поверхностной термомеханической обработки цементованных изделий | 1980 |
|
SU954451A1 |
| Способ термической обработки инструмента из порошковых быстрорежущих сталей | 1985 |
|
SU1315493A1 |
| СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ | 1991 |
|
RU2032162C1 |
| US 7258833 B2, 21.08.2007. | |||
