鄧 偉,李子章,胡 立

(中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川成都 611734)

金剛石定位排布鉆頭設(shè)計(jì)

鄧 偉,李子章,胡 立

(中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川成都 611734)

對(duì)孕鑲金剛石鉆頭中的金剛石定位排布方式和參數(shù)進(jìn)行了分析,設(shè)計(jì)、制造出 40/45目和 50/60目金剛石定位排布鉆頭。在廣西橫縣孟村礦區(qū)的鉆進(jìn)試驗(yàn)中,40/45目金剛石鉆頭的壽命是普通鉆頭的 1184倍;50/60目金剛石鉆頭的壽命是普通鉆頭的 2174倍,時(shí)效提高 1917%。

金剛石定位排布;孕鑲金剛石鉆頭;排布參數(shù)

0 引言

熱壓孕鑲金剛石鉆頭的金剛石是隨機(jī)分布于胎體金屬中,常出現(xiàn)金剛石堆積或空白區(qū),嚴(yán)重影響了鉆頭的壽命和鉆進(jìn)時(shí)效。在金剛石密集區(qū),濃度高,容易被拋光,導(dǎo)致鉆頭打滑,同時(shí)由于金剛石的堆積,降低了胎體對(duì)金剛石包鑲的牢固程度,出現(xiàn)掉粒,脫落的金剛石加劇了對(duì)胎體的磨損,鉆頭的壽命降低。在金剛石稀疏區(qū),金剛石的濃度低,單粒金剛石承受的外力大,易崩裂。同時(shí),由于金剛石分布不均,出現(xiàn)胎體拉槽現(xiàn)象,也會(huì)降低對(duì)金剛石的包鑲程度。

基于以上原因,將金剛石制粒技術(shù)應(yīng)用于孕鑲鉆頭的制造中,可有效提高金剛石在金屬胎體中分布的均勻性,鉆頭壽命和時(shí)效均得到較大幅度提高[1,2]。但是,鉆頭在孔內(nèi)受力復(fù)雜,特別是鉆頭的內(nèi)外徑磨損特別嚴(yán)重,常出現(xiàn)內(nèi)外圓弧、錐形等非正常磨損現(xiàn)象。因此,在鉆頭的設(shè)計(jì)中,要求提高鉆頭內(nèi)外徑區(qū)域的耐磨性,而制粒技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)金剛石按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行定位排布。近年來,國內(nèi)外對(duì)金剛石均勻分布 /定位排列技術(shù)展開了較深入的研究,特別是在金剛石工具行業(yè),高端產(chǎn)品基本采用金剛石均布/定位排列技術(shù),可以充分發(fā)揮單粒金剛石的切削功效,提高工具的切割效率和壽命,并研究、開發(fā)出模板法、點(diǎn)膠法、人工智能負(fù)壓吸附法和真空吸附法等金剛石定位排布工藝和設(shè)備,實(shí)現(xiàn)金剛石可按照設(shè)計(jì)在胎體中定位排列[3～7]。

金剛石在孕鑲鉆頭胎體中的定位排布的目的在于實(shí)現(xiàn)金剛石在鉆頭胎體中按照設(shè)計(jì)進(jìn)行準(zhǔn)確定位,提高胎體對(duì)金剛石的包鑲能力,充分發(fā)揮單粒金剛石破碎巖石的功效。本文主要對(duì)金剛石在鉆頭胎體中的定位排布設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析,并針對(duì)花崗巖地層進(jìn)行金剛石定位排布孕鑲鉆頭的制作和試驗(yàn),取得了較好的鉆進(jìn)效果。

1 金剛石排布參數(shù)設(shè)計(jì)

金剛石定位排布孕鑲鉆頭的制造工藝與普通鉆頭不同,在松散的胎體粉末中無法實(shí)現(xiàn)金剛石的排布,必須先將胎體粉末壓制成薄片,利用排布技術(shù)將金剛石定位排布在胎體薄片上,最后將多塊排布有金剛石的薄片組合、疊加,壓制成孕鑲胎體塊,最后在石墨模具中組裝,熱壓燒結(jié)[8]。

金剛石定位排布鉆頭的最重要的參數(shù)是金剛石的間距和排布方式。在設(shè)計(jì)過程中,排布參數(shù)應(yīng)根據(jù)鉆進(jìn)地層的巖石性質(zhì)和采用的金剛石的粒徑確定。

1.1 排布方式

為提高鉆頭胎體工作層的使用效率,避免出現(xiàn)內(nèi)外徑磨損過快導(dǎo)致鉆頭出現(xiàn)內(nèi)外圓弧狀或錐形,可通過改變金剛石參數(shù)以提高內(nèi)外徑區(qū)域的金剛石濃度,達(dá)到增強(qiáng)內(nèi)外徑區(qū)域耐磨性的目的。因此,在設(shè)計(jì)中將金剛石在胎體唇面中的排布分為內(nèi)、中、外3個(gè)環(huán)帶 (圖 1),每個(gè)環(huán)帶的周向間距和徑向間距可不同,在內(nèi)外環(huán)區(qū)帶,由于受力大,磨損嚴(yán)重,采用較小的間距,在中間帶,采用較大的間距。其中,中間環(huán)帶面積占鉆頭唇面的 50%,內(nèi)外環(huán)帶各占 25%。

圖 1 金剛石排布方式

1.2 金剛石間距

金剛石間距是金剛石定位排布的孕鑲金剛石鉆頭中的重要參數(shù),其決定了孕鑲胎體中金剛石之間的空間位置。在鉆頭軸向上,用軸向間距衡量。由于鉆頭都是通過回轉(zhuǎn)方式破碎巖石的,在鉆頭的底唇面用周向和徑向兩個(gè)方向的間距來衡量金剛石的位置比較直觀,也能準(zhǔn)確衡量,如圖 2所示。在金剛石間距的設(shè)計(jì)中,金剛石間距小,單位體積內(nèi)金剛石的顆粒數(shù)增多,濃度高;反之,金剛石濃度低。同時(shí),金剛石間距與金剛石目數(shù)密切相關(guān),目數(shù)大,金剛石粒徑小,在鉆頭軸向上,金剛石的軸向間距小,排布的金剛石層數(shù)多;而在底唇面上,相應(yīng)的周向間距和徑向間距也小,單位面積內(nèi)的金剛石顆粒數(shù)增多。因此,在金剛石定位排布孕鑲鉆頭的制造中,應(yīng)根據(jù)不同地層的巖石情況,選用不同目數(shù)的金剛石,進(jìn)而設(shè)計(jì)各種金剛石間距參數(shù),以達(dá)到最佳的鉆進(jìn)效果。

圖 2 金剛石定位排布參數(shù)示意圖

在本文的研究中,徑向間距和軸向間距恒定,在中間環(huán)帶,通過增大周向間距實(shí)現(xiàn)三環(huán)帶的金剛石定位排布。在本試驗(yàn)中,40/45目金剛石的軸向間距為 014 mm;徑向間距為 110 mm;中間環(huán)帶的周向間距為 112 mm,內(nèi)外環(huán)帶的周向間距為 110 mm。50/60目金剛石的軸向間距為 013 mm;徑向間距為017 mm;中間環(huán)帶的周向間距為 110 mm,內(nèi)外環(huán)帶的周向間距為 017 mm。

2 胎體配方設(shè)計(jì)

孕鑲金剛石鉆頭的胎體配方應(yīng)與所鉆遇巖石性質(zhì)相適應(yīng),在廣西橫縣孟村礦區(qū),鉆遇的巖石主要為花崗巖 (如圖 3所示)?；◢弾r為塊狀構(gòu)造,主要由斜長(zhǎng)石 (20%±)、微斜長(zhǎng)石 (45%±)、石英 (30%±)、綠泥石 (3%～5%)組成。斜長(zhǎng)石大多絹云母化。綠泥石可能是由黑云母轉(zhuǎn)變過來。經(jīng)成都理工大學(xué)測(cè)試,巖石的壓入硬度為 4500 MPa,肖氏硬度 78。按壓入硬度分級(jí),巖石的可鉆性為Ⅸ,巖石研磨性中等偏弱。

圖 3 花崗巖顯微特征

根據(jù)礦區(qū)巖石性質(zhì),應(yīng)采用中等硬度的胎體配方,同時(shí),通過加入微量元素 Cr、稀土元素等增強(qiáng)胎體對(duì)金剛石的浸潤能力,使胎體能牢固包鑲金剛石,有利于發(fā)揮金剛石的切削能力。因此,試驗(yàn)中采用碳化鎢作為骨架材料,含量為 45%;663青銅作為粘接劑,含量為 35%;鎳、錳、鈷、鐵和鉻等為 20%,其胎體硬度為 HRC32。

3 鉆頭試驗(yàn)

基于金剛石排布參數(shù)和胎體配方的設(shè)計(jì),采用相同的胎體配方 (HRC32),分別采用 40/45目和50/60目金剛石制作出 “77 mm/“7419 mm繩索取心的金剛石定位排布孕鑲鉆頭。

生產(chǎn)試驗(yàn)地點(diǎn)為廣西橫縣孟村鉛鋅礦區(qū) ZK126-6號(hào)孔,鉆遇的地層為中?；◢弾r;鉆進(jìn)設(shè)備為XY-4型鉆機(jī),鉆速為 460 r/min,鉆壓 4～5 kN,沖洗液為清水。鉆頭如圖 4所示,其中試驗(yàn) 1號(hào)鉆頭為 50/60目金剛石,2號(hào)鉆頭為 40/45目金剛石。

圖 4 試驗(yàn)鉆頭

鉆頭試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 1所示。

表1 金剛石定位排布鉆頭的鉆進(jìn)數(shù)據(jù)表

使用的 3只普通孕鑲金剛石鉆頭的平均鉆進(jìn)速度為 1157 m/h,平均進(jìn)尺為 5514 m。采用 50/60目金剛石的定位排布孕鑲鉆頭 (1號(hào))的壽命達(dá)到了151177 m,鉆進(jìn)時(shí)效達(dá)到了 1188 m/h。壽命是普通孕鑲金剛石鉆頭的 2174倍,鉆進(jìn)時(shí)效提高 1917%。采用 40/45目金剛石定位排布孕鑲鉆頭 (2號(hào))的壽命為 101177 m,而鉆進(jìn)時(shí)效為 1121 m/h,鉆頭壽命為普通鉆頭的 1184倍,但與普通鉆頭的鉆進(jìn)時(shí)效相比,該鉆頭較低。

從試驗(yàn)結(jié)果分析,采用金剛石定位排布技術(shù)制造的孕鑲鉆頭的鉆進(jìn)壽命較普通鉆頭有較大幅度的提高,說明金剛石在胎體中定位排布后,充分發(fā)揮了單粒金剛石破巖功效,提高了金剛石的使用效率。但在鉆進(jìn)時(shí)效上,采用不同目數(shù)的金剛石時(shí),結(jié)果相差較大,綜合巖石性質(zhì)分析,該礦區(qū)主要為花崗巖,硬度較高,可鉆性為Ⅸ級(jí),且研磨性較低,而 40/45目金剛石的粒徑較大,較難壓入巖石,降低了鉆進(jìn)速度。

從試驗(yàn)后的鉆頭唇面 (如圖 5)可以看出,金剛石在唇面上按環(huán)帶排列,說明金剛石在胎體內(nèi)部也與唇面的排列方式相同。在鉆進(jìn)過程中,金剛石是在軸向方向上分層出刃和脫落,即當(dāng)上一層金剛石失去工作能力而脫落后,下一層金剛石自動(dòng)出刃,破碎巖石。這種設(shè)計(jì)可以確保每一層中的金剛石都能充分發(fā)揮其切削功效,直至其失去工作能力后,隨著胎體的磨損而自動(dòng)脫落,促進(jìn)下一層金剛石及時(shí)出刃。

圖 5 試驗(yàn)后的鉆頭唇面

4 結(jié)論

通過金剛石定位排布技術(shù),實(shí)現(xiàn)金剛石按照設(shè)計(jì)定位排布,可以避免鉆頭胎體中出現(xiàn)金剛石堆積區(qū)和空白區(qū),并較大幅度降低了金剛石濃度,有利于提高單粒金剛石破碎巖石的能力。采用三環(huán)帶的金剛石定位排布方式,有效提高了鉆頭內(nèi)外環(huán)帶部分的耐磨性,增強(qiáng)了鉆頭的穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)胎體等強(qiáng)度的磨損,孕鑲胎體工作層得到充分應(yīng)用,避免由于內(nèi)外徑磨損嚴(yán)重而導(dǎo)致的內(nèi)外圓弧、錐形等非正常磨損狀況。

金剛石在鉆頭胎體中的定位排布,解決了常規(guī)鉆頭中金剛石破碎巖石效率低,不能充分發(fā)揮金剛石切削作用的缺陷,有效提高了鉆進(jìn)時(shí)效和壽命,是高品質(zhì)孕鑲鉆頭的重要研究方向之一。

[1] 楊國煥.金剛石均布鉆頭的研究與試驗(yàn)[A].第六屆全國探礦工程學(xué)術(shù)會(huì)議優(yōu)秀論文[C],1989.57-60.

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Design of Drill Bits with Diamond Position ing Arrangement

DENGWei,LI Zi-zhang,HU Li(The Institute of Explo-ration Technology,CAGS,Chengdu Sichuan 611734,China)

Analysiswasmade on the diamond positioning arrangement mode and parameters of impregnated diamond bit,40/45 mesh and 50/60 mesh diamond positioning arrangement drill bitswere designed and produced.In the drilling experi-ments ofMengcun mining area in Guangxi,the service life of 40/45 mesh diamond bit is respectively 1.84 timesof conven-tional bit;the service life of 50/60 mesh diamond bit is respectively 2174 timesof conventional bit,and the drilling rate in-creased by 1917%.

diamond positioning arrangement;impregnated drill bit;arrangement parameters

P634.4+1

A

1672-7428(2011)06-0062-03

2010-12- 24;

2011-03-25

鄧偉(1967-),男(漢族),四川射洪人,中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所工程師,探礦工程專業(yè),從事金剛石鉆頭研究開發(fā)工作,四川省成都市郫縣紅光鎮(zhèn)現(xiàn)代工業(yè)港港華路 139號(hào),dw@cgiet.com。