孕镶金刚石钻头（精选三篇）
孕镶金刚石钻头 篇1
在金刚石碎岩过程中, 金刚石吃入岩石的深度, 决定了克取岩石的金刚石数量及碎岩效率。本文在对金刚石的形状及岩石表面做了一定的假设后, 得出了孕镶金刚石钻头唇面上金刚石的最大出刃数量、参加克取岩石的金刚石数量、金刚石吃入岩石的深度等重要参数, 并对其影响因素进行了分析。并通过对单粒金刚石在岩石表面的刻划试验, 探讨了该试验方法在研究金刚石碎岩机理及应用方面的前景。
1 孕镶金刚石钻头唇面上金刚石的最大出刃数量
确定钻头唇面上的金刚石出刃数量, 是合理选择钻压的依据, 假定金刚石为圆球体, 钻头的结构参数和金刚石参数为已知, 并且在钻进过程中, 金刚石出刃高度超过其半径时即脱落, 则对于平底孕镶金刚石钻头来说, 钻头唇面上金刚石的最大出刃数量即为:
上式中, K—金刚石浓度;
D—钻头外径;
d—钻头内径;
r—单粒金刚石半径;
△S—水口总面积。
公式 (1) 表明:金刚石最大出刃数量与钻头的金刚石浓度和胎体端面积成正比, 与金刚石粒度成反比, 当钻头结构参数和金刚石参数确定后, 金刚石的出刃数量为一定值。因此, 在钻头的制造中, 针对不同的地层, 可以人为地控制钻头唇面上的金刚石出刃数量。
由于钻头唇面上的金刚石出刃高度不同, 在金刚石碎岩过程中, 只有与岩石接触的部分金刚石参与碎岩工作。由于金刚石在轴压下吃入岩石的深度为δ时, 则参与孕镶金刚石钻头唇面上金刚石的最大出刃数量予碎岩的金刚石数量为:
上式中, 为单粒金刚石在轴压下吃入岩石的最大深度。
公式 (2) 表明:当钻头唇面上金刚石的最大出刃数量一定时, 参与碎岩的金刚石数量与金刚石吃入岩石的最大深度成正比。当一定后, 即可确定碎岩的金刚石数量。
2 金刚石切削刃吃入岩石的深度
对于坚硬致密岩石来说, 可将其视为弹性体, 所以单个金刚石切削刃吃入岩石的过程可以看作赫兹接触。金刚石切削刃在法向载荷下吃入岩石, 为了简化计算, 可将岩石表面视为半径为R的球面粗糙体, 计算吃入深度的几何简图如图1所示, 根据几何关系即可得出金刚石切削刃吃入岩石的深度为:δ=Z1+Z2
(3) 式表明:金刚石吃入岩石的深度与岩石表面粗糙度、金刚石的弹性模量、外界施加的载荷有关, 载荷越大, 金刚石吃入岩石越深。在相同的载荷下, 岩石越硬, 吃入深度越小。
3 单粒金刚石刻划试验在碎岩中的应用
在目前由于无法检测钻头在孔底的碎岩过程, 而主要靠理论分析和模拟试验中的一种。它是用单粒金刚石刻头在可变的轴压下, 在特制的岩样表面上刻槽, 金刚石刻头在岩样表面上的运行轨迹是一条阿基米德螺旋线。它的最大特征是即模拟了单粒金刚石的碎岩过程又反映了岩石的整体性质。
试验是在宣化材料试验机厂产的ML—10磨料损试验机上进行, 本次试验在于研究不同轴压下, 刻槽宽度的变化以及刻槽宽度与岩石可钻性等级的关系。
刻划试验规程:轴压范围为4.9N到34.5N, 转速60转/分, 每转水平给进量2mm, 金刚石刻头锥角为120°, 岩样表面光洁度为▽9。
试验结果表明:对于同一岩石, 随着轴压的增大, 刻槽宽度变宽, 在一定的轴压下, 随着岩石压入硬度的增大, 刻槽宽度逐渐减小, 其变化规律如图2所示。
对于同一可钻性等级的岩石, 随着轴压的增大, 刻槽宽度变宽, 在一定的轴压下随着岩石可钻性等级的提高, 刻槽宽度逐渐减小, 其变化规律如图3所示。
4 结果与讨论
上述的计算及试验结果表明:
(1) 钻头唇面上的金刚石出刃数量取决于选用的金刚石参数及钻头的结构参数, 当这些参数确定后, 唇面上的金刚石出刃数量即为定值, 此时, 参与碎岩的金刚石数量仅取决于金刚石切削刃吃入岩石的最大深度。对不同的岩石来说, 当钻压一定时, 金刚石切削刃吃入岩石的深度不同, 吃入软岩石的深度大, 吃入硬岩石的深度小, 这种差异是由于岩石表面粗糙程度和岩石的物理力学性质的不同所造成的。对任一岩石来说, 当钻压一定时, 金刚石切削刃吃入岩石的深度即为一确定值。在实际钻进过程中, 由于金刚石的磨损, 金刚石切削刃的显微面积增大, 参与碎岩的金刚石数量增多, 单粒金刚石上的载荷减小, 表现为钻进中的钻速衰减, 为了减轻钻速衰减的程度, 应适当降低钻头的浓度, 对于软岩石应采用小颗粒金刚石, 以使得金刚石参数、钻头的结构参数与钻进工艺参数三者之间成合理的配制关系。
(2) 通过不同轴压下的刻槽宽度的变化曲线可以看出:它反映了钻压与碎岩的关系, 同时也表明了在一定的轴压范围内, 不同的岩石对压力的敏感性不同。在相同的轴压范围内, 软岩对压力的变化比较敏感, 因此钻进这类岩石提高钻压能显著提高碎岩效率, 当单粒金刚石上的轴压大于35N时, 由于岩石内的裂隙闭合、压实, 岩石由塑性变形转变为弹性变形, 此时, 增大钻压对碎岩的作用逐步减小, 因此, 钻进软岩时, 对钻压的选择应有一个合理的压力限制。对于硬岩, 当轴压小于25N时, 对压力的变化不太敏感, 只有当单粒金刚石上的轴压大于35N时, 碎岩效果才随着轴压的增大而显著提高。由此可以认为, 通过槽宽随轴压的变化规律, 可以确定钻进时的钻压F, 。
(3) 通过槽宽与岩石可钻性的关系曲线可以看出, 在9.8N到35N的轴压范围内, 槽宽与岩石的可钻性有明显的相关关系。它表明了在一定的刻槽宽度, 通过刻划试验使得岩石的可钻性定量化, 这样岩石的可钻性对于选择钻头参数及钻进工艺参数就有了实际指导意义。同时刻划试验也可直接作为确定岩石可钻性的新方法, 与其他方法相比, 更直接地反映了金刚石切削刃的碎岩过程。
5 结论
1、当钻头参数确定后, 钻头唇面上的金刚石出刃数量为一定值, 而参与碎岩的金刚石颗粒数仅取决于切削刃吃入岩石的最大深度。
2、金刚石切削刃吃入岩石的最大深度是一个很重要的参量, 它决定了碎岩效率, 应作为确定钻头参数及选择合理的钻进工艺参数的重要依据。
3、研究金刚石刻头在不同岩石上刻槽宽度随轴压的变化规律, 单粒金刚石上的轴压应小于35N, 对于硬岩, 则应大于25N。
4、刻划硬度试验可作为确定岩石可钻性的新方法。
参考文献
[1]武汉地院五院校.钻探工艺学[M].地质出版社, 1979.
孕镶金刚石钻头 篇2
黄陇煤田西部孕镶金刚石钻头的应用实践
针对黄陇煤田西部砂砾岩夹粗砾岩地层,开展孕镶金刚石钻头的应用研究,介绍了在试验中碰到的一些工程技术难题和采取的`相应技术措施.
作 者：杨文清 崔忠省 作者单位：陕西省煤田地质局一八六队,陕西,西安,710054刊 名：西部探矿工程英文刊名：WEST-CHINA EXPLORATION ENGINEERING年，卷(期)：200921(3)分类号：P634.4关键词：黄陇煤田 孕镶金刚石钻头 应用实践
孕镶金刚石钻头 篇3
孕镶金刚石工具的工作性能与其磨损过程密切相关,对其磨损机理的研究一直为人们所关注。孕镶金刚石工具工作时的磨损过程无法用肉眼观察,影响因素很多,只能通过模拟实验来研究,目的在于提高其工作效率和使用寿命。影响孕镶金刚石工具工作效率和使用寿命的因素主要有三个方面:工具本身的技术性能;工作参数;工作对象的性质。金刚石工具本身的工作性能包括金刚石的性能(强度、粒度、形状),胎体的性能(成分、硬度、耐磨性)以及两者的关系(胎体对金刚石的包镶力、金刚石浓度、金刚石的分布、金刚石的出刃)。工作参数包括工具转速、压力、冷却液流量。换言之即金刚石的线速度、金刚石所承受的载荷、金刚石的冷却。工作对象的性质就岩石而言,包括岩石的矿物成分、岩石的结构,反映在物理性质上即岩石的硬度和研磨性等。上述诸因素对金刚石工具的工作效率与使用寿命的综合影响主要反映在金刚石粒的失效(亦即失去工作能力)以及胎体的磨损。金刚石粒的失效有三种形式即磨损、裂碎、脱落。这三种失效形式可能同时出现在同一个金刚石工具上的不同的金刚石颗粒上,也可能出现在同一个金刚石工具的不同工作环境。金刚石的失效与金刚石和胎体的磨损有关。金刚石和胎体的磨损也存在三种形式,即研磨性磨损、粘附性磨损和冲蚀性磨损。研磨性磨损由物体相互摩擦而产生;粘附性磨损则由于摩擦发热而产生;冲蚀性磨损是由于冷却液携带着岩屑(或其它硬质粒)的冲刷作用而产生的。
关于孕镶金刚石工具的磨损问题,许多研究工作者从不同的角度对不同的影响因素做了大量研究工作。本文只着重分析研究当前提出的几个值得探计的问题。
1 关于金刚石出刃值问题
在钻探工程施工中,长期以来人们认为孕镶金刚石钻头上金刚石的出刃值为其直径的1/3,若超出此值,金刚石即从胎体上脱落。最近,M.Cardu 等人对金刚石串珠绳锯锯切坚硬岩石时金刚石串珠的磨损进行实验研究,借助显微镜观察与测微仪测量并绘制串珠工作面上的出露的金刚石的频度分布图。经观察与测量大量出露的金刚石得知,当金刚石的平均直径为300μm时,其最大出刃值在150至220μm之间,即出刃占金刚石粒度的1/2至7/10[1]。当然,金刚石的出刃值与金刚石的粒度、形状,胎体的性能,岩石的性质以及工作参数有关。Cardu 等人没有给出有关数据并分析其影响。不过,他们对金刚石出刃值的研究方法是可取的。金刚石圆锯片和金刚石孕镶取芯钻头都是目前大量使用的金刚石孕镶工具,对此类工具进行金刚石出刃值的实验研究,正确估算出金刚石的出刃值有助于调整工作参数从而提高工具的工作效率与使用寿命。
2 关于有效工作的金刚石数量问题
Cardu 等人根据金刚石串珠上出露的金刚石的频度分布图分析指出,一个金刚石串珠上出露的金刚石数量大约为120颗。显然,并不是所有出露的金刚石都在同一瞬时有效地参与工作。因为串珠工作时只有一半的表面与岩石接触,而且金刚石出刃大小不一,所以只有一部分金刚石能同时进入工作状态。借助显微镜观测分析大约只有20至30颗金刚石的出刃值明显大于平均值,其中有些可能在短时间内磨损或者破碎。实际上在一个串珠上能同时有效工作的金刚石只有10至15颗[1]。须指出的是,上述用于分析研究的金刚石串珠工作层的技术规格为:Φ11mm,长7mm,厚1mm,金刚石粒度为0.2至0.4mm,工作层体积为220mm3,其中金刚石占26%,金刚石总数约为1800颗。显然,孕镶金刚石工具上有效工作的金刚石数量与金刚石工具工作层的结构形状、金刚石的浓度、粒度和形状均有关。
上述关于有效工作的金刚石数量的分析研究对于金刚石定间距有序排列的孕镶金刚石工具的设计与生产具有重要意义。
3 关于金刚石串珠的磨损
根据金刚石串珠绳锯工作时的受力状态分析,锯切力是沿着串珠的轴心线,而在串珠与岩石接触面之间存在着锯切阻力(摩擦阻力),因而 串珠受到一个力矩的作用,串珠与岩石接触面的前部受到的压力大于后部,因此串珠前部的磨损大于后部,致使串珠磨成圆锥形,其锥度约为3%～5%[1]。根据这一现象,在金刚石串珠的结构设计中可考虑在其前部提高胎体硬度或者适当增加金刚石浓度以期达到均衡磨损的目的来提高串珠的使用寿命,延长金刚石串珠绳锯的工作周期,利于提高生产效率。
4 关于等效石英含量
取芯钻头、圆锯片和串珠绳锯等此类孕镶金刚石工具以岩石为工作对象时它们的生产效率与岩石的性质密切相关。岩石的性质在很大程度上决定于它的矿物成分。在钻探工程施工中,钻头类型的选用往往参考岩石的可钻性。岩石中石英含量越大越难钻进,可钻性级别就越高。石英是花岗岩类岩石中常见的矿物,它的硬度较大,而且抗磨性也较强。目前在石材加工行业中选用金刚石圆锯片和金刚石串珠绳锯尚未有统一的岩石可锯性级别作参考。最近,伊朗Shahtood工业大学R.ikaeil等人在研究金刚石串珠锯锯切碳酸盐类岩石的生产效率预测时引入等效石英含量(equivalent quartz xontent)的概念。这比单纯以石英含量来衡量岩石的可锯性更为合理。它比较全面和客观地反映了岩石的可锯性。所谓等效石英含量即岩石中所有矿物含量以石英的硬度或磨耗度来指代。等效石英含量可借助模态分析法,对岩样薄片进行岩相分析由下列公式确定[2]:
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式中A—矿物含量(%)
R—罗氏磨耗度(%)
n—矿物数目
罗氏磨耗度(Rosiwal abrasiveness)与莫氏硬度(Mohs hardness)之间的相应对比关系如下图[3]。
岩石中的常见矿物可根据其莫氏硬度从上图中得出其相应的罗氏磨耗度,便如石英的莫氏硬度为7,则相应的罗氏磨耗度为100。
Mikaeil等人采用多重点曲线回归分析法研究金刚石串珠绳锯的生产效率与岩石性质之间的关系,认为可用等效石英含量和单轴向抗压强度来评定岩石的可锯性。而金刚石串珠绳锯的生产效率受岩石等效石英含量的影响远大于受岩石单轴身抗压强度的影响。正确评估岩石的可锯性有助于提升石材加工企业生产管理的科学水平。
5 关于孕镶金刚石工具的冲蚀性磨损
研究孕镶金刚石工具的磨损性状对优化其使用性能至关重要。孕镶金刚石工具工作时金刚石与胎体同时受到磨损,但两者的靡损机理各不相同。研究两者的磨损过程,目的在于提高工具的工作效率与使用寿命。孕镶金刚石工具如金刚石圆锯片和孕镶金刚石钻头是在高转速和相当大的压力下工作的,金刚石和胎体都可能受到研磨性磨损,或粘附性磨损或冲蚀性磨损。研磨性磨损属于物体摩擦学的研究范畴。粘附性磨损在确保冷却液充足的条件下是可以避免的。最近,有关冲蚀性磨损的研究引人关注。都柏林工程学院J.D.Dwan等人用SB 9006型克拉克喷砂装置对不同金刚石浓度与粒度的含钴金属胎体试样进行了模拟冲蚀性磨损试验。试验结果表明,砂粒喷射速度对冲蚀性磨损的速率有明显影响;射流与试样表面之间的夹角(入射角)也影响到冲蚀性磨损的速率;喷射颗粒的切刻作用与入射角大小有关。就孕镶金刚石胎体本身而言,金刚石的浓度和胎体的硬度都会影响冲蚀性磨损的速率。Dwan等人所制备的孕镶金刚石含钴胎体试样中选用SDA 85+中等品级的金刚石,粒度分别为30/35,35/40,40/45,45/50,50/60,60/70;浓度为20,30,40。试验时喷砂压力取4,5和6bar,喷砂入射角为15°,25°,35°,45°。喷砂时间为10分钟。根据试验结果分析得出如下结论:喷砂入射角越大和喷砂压力越大,则冲蚀性磨损也越大。但压力的影响大于入射角的影响。金刚石浓度越低则冲蚀性磨损越大,与金刚石粒度无关。在金刚石浓度一定时,金刚石粒度越大则冲蚀性磨损越大[3]。
以上实验方法与结论对于孕镶金刚石钻头的结构设计(金刚石粒度、浓度以及胎体硬度的选定,特别是水口大小与形状的设计)以及如何用好孕镶金刚石钻头(正确选择钻进参数,特别是冲洗液流量大小)均有可借鉴之处。
摘要：孕镶金刚石工具如取芯钻头、圆锯片和串珠绳锯等的研制中有大量工作要做。文章仅从孕镶金刚石工具的磨损因素分析,提出孕镶金刚石工具研究工作中几个值得探讨的问题,包括金刚石的出刃值、有效工作的金刚石数量、金刚石串珠的磨损、等效石英含量、孕镶金刚石工具的冲蚀性磨损。
关键词：孕镶金刚石工具,磨损因素,出刃值,等效石英含量,冲蚀性磨损
参考文献
[1] M.CARDU,E.MICHELOTTI.Experimintal research on the wear on diamond impregnated beads in hard rock cutting[J].Industrial Diamond Review,2008(1).
[2]R.MIKAEIL,M.ATAEI,S.H.HOSEINIE.Predicting the pro-duction rate of diamond wire saws in carbonate rock cutting[J].Industrial Diamond Review,2008(3).
[3] K.THURO.Drillability prediction-geological influences in hard rock drill and blast tunnelling.geol Rundsch,1997,(86):426-38.