Вопрос-1 (Алмазы, их виды и свойства. Природные и синтетические алмазы, сверхтвердые и композиционные (алмазно-твердосплавные) материалы

Алмаз- самый твердый минерал, является кристалическим углеродом с очень плотной атомной решеткой.При высокой температуре алмаз превращется в графит.

Алмаз имеет твердость по шкале Маоса равную 10, его микротвердость находится в пределах 95000-100 600 МПа. Плотность алмаза от 2,9 до 3,55г/см³.

Алмаз обладает уникальными свойствами – твердостью и износостойкостью, что позволяет использовать его для бурения самых твердых пород, причем значительно эффективнее, чем дробью.

Породы 1Х – Х11 категорий разрушать которые может только один природный материал-минерал - АЛМАЗ

Выделяют 4 типа природных алмазов:

-- целые монокристаллы – обычно представляют большую ценность и используются для ювелирных целей,

-- балассы - тонкокристаллические поликристаллические образования округлой формы лучистого строения с более твердой и износостойкой чем сердцевина оболочкой,

-- карбонадо - черные или коричневые бразильские алмазы также поликристаллические овальной формы и также имеющие более твердую и износостойкую оболочку (карбонадо и балассы раньше за рубежом использовались в буровых коронках в качестве подрезных).

-- борт – технические алмазы небольшой величины (от 2 – 3 шт. на карат до 600 шт. на карат и мельче), представленные обломками и сростками кристаллов, дефектными кристаллами с трещинами, сколами, включениями и прочими дефектами. Именно алмазный борт идет на изготовление обрабатывающего инструмента и буровых коронок.

Синтетические алмазы представляют собой обычно мелкие монокристаллы и их сростки. Из наиболее мелких природных и синтетических алмазов можно создавать поликристаллические спеки размерами до 4 мм. , но это уже относится к «сверхтвердым материалам».

Свойства технических алмазов.

1. + + + Твердость (сопротивление внедрению в поверхность данного материала) у алмаза самая большая из всех природных, да и синтетических материалов и равна 100 ГПа (100 кН/мм.кв.). Это в 5 раз выше, чем у следующего по твердости корунда, в 7 раз больше чем у твердого сплава ВК и в 10 раз больше чем у кварца.

2. + + + Износостойкость алмаза в 150 раз выше, чем у корунда и почти в 1000 раз выше, чем у кварца.

3. + + + Химическая стойкость. Алмаз обладает почти уникальной химстойкостью, он не растворяется ни в каких кислотах, даже в «царской водке» (смеси серной и азотной кислот). Он может подвергаться воздействию лишь при повышенных температурах расплавов некоторых солей и щелочей (особенно в присутствии железа).

4. + + + Теплопроводность. Алмаз имеет довольно высокую теплопроводность, что весьма полезно для работы алмазных резцов в буровых коронках. Теплопроводность алмаза в 2 – 5 раз выше, чем у твердого сплава, что в отличие от твердосплавных резцов, обеспечивает своевременный отвод тепла от режущей кромки резца независимо от скорости вращения буровой коронки (до 1500 – 3000 об/мин. в производственных условиях и до 40.000 об/мин. в эксперименте).4.

5. Прочность статическая (сопротивление кристалла или зерна от статической нагрузки сжатия или сдвига). По этому показателю алмаз уступает твердому сплаву примерно в 2 раза на сжатие (алмаз имеет от 2 до 9 ГПа, в среднем 3 ГПа) и в 3 – 4 раза слабее твердого сплав на изгиб – скол (у алмаза 0,2 – 0,5 ГПа). Невысокие значения прочности надо учитывать при выборе нагрузки на алмазные резцы.

6. -- Динамическая прочность еще больше проявляется слабость алмаза. Динамическая прочность алмаза в 4 раза меньше статической, что очевидно требует охранения алмазных резцов от динамических (ударных) нагрузок.

7 -- Анизотропность (разнотвердость, разноизносостойкость, разнопрочность по разным направлениям и граням зерна) Хотя анизотропность алмаза сравнительно невелика от 10 до 30%, но само это явление негативное и его надо учитывать при ориентированной установке алмазных резцов в коронке

8. -- -- Термостойкость – слабое место алмаза. На воздухе алмаз буквально сгорает при температуре 850 – 1000 С. При нагреве более 350С алмаз начинает постепенно терять свои уникальные свойства – твердость и износостойкость. Выдерживать высокие температуры, необходимые при изготовлении коронок, алмаз может в инертной среде при отсутствии кислорода (инертные газы, водород, вакуум, где он выдерживает до 1100 – 1400С).

9. Плотность Обычно 3,5, но в зависимости от пористости могут быть камни с плотностью от 2,9 до 3,56. Большого значения для буровых качеств плотность не имеет.

Вопрос-2 (Типы алмазных коронок,их параметры)

Имеется три типа алмазных коронок: однослойные, многослойные и импрегнированные. Многослойные коронки раньше широко применялись, сейчас практически не применяются. Однослойные алмазные коронки предназначены для бурения в породах V11 – Х категорий по буримости, импрегнированные для пород Х – Х11.

Однослойные алмазные коронки (обозначаются буквой – А) оснащаются «объемными» алмазами размером от 1600 мкм. До 2500 мкм. (20 – 60 шт./кар.), размещенными в матрице по торцу и выступающие из матрицы на 0,1 – 0,3 от своего линейного размера. На наружной (а иногда и на внутренней) стороне матрицы размещаются «подрезные» алмазы обычно зернистостью 20 – 40 шт./кар. лучшего качества, обеспечивающие сохранение наружного диаметра коронки и соответственно диаметра скважины.

Многослойные коронки (буква - М) выпускались ранее, оснащались объемными алмазами зернистостью 40 – 90 шт./кар., один слой по торцу коронки, далее в глубине матрицы от двух до пяти слоев. Работает такая коронка по принципу самозатачивания – когда стирается один слой алмазов, стирается матрица и обнажаются рабочие грани следующего слоя алмазов. Сейчас практически не выпускаются, полностью заменены импрегнированными коронками.

Импрегнированные коронки (буква – И) оснащены мелкими алмазами от 90 – 120 шт./кар. до 600 шт./на кар. (серийные) и до 1200 и даже до 12000 шт./кар. (с мелкими фракциями алмазов и порошковые) Подрезные алмазы, как и в однослойных, хорошие и крупные. Объемные алмазы равномерно распределены внутри алмазосодержащего слоя матрицы высотою обычно 4 мм., иногда 6 мм., работают по принципу самозатачивания

Выбор параметров режима бурения алмазными коронками.

При традиционном подходе, режим алмазного бурения, как и при других разновидностях геологоразведочного бурения, включает три основных параметра: осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент, частота вращения и расход очистного агента

. Результатом управления, т.е. функцией будет механическая скорость бурения (скорость углубки) и интенсивность износа алмазов. Контрольными параметрами (тоже функции) служат затраты мощности на бурение и давление в нагнетательной линии очистного агента.

Особенностью алмазного бурения является решающая роль величины углубки резца - hр и особенно величины зазора между забоем и торцом матрицы hш. Их размеры зависят от величины осевой нагрузки, размеров алмаза и прочности породы. Но от величины осевой нагрузки эти величины зависят косвенно, что не дает возможности с помощью подбора осевой нагрузки достаточно точно и своевременно устанавливать оптимальный режим. И теория и практика алмазного бурения показывают, что значительно точнее и оперативнее можно находить и поддерживать оптимальный режим, если управлять процессом не по осевой нагрузке, а непосредственно устанавливая оптимальные значения углубки за оборот,

Осевую нагрузку рекомендуется выбирать по выражению Сос = q·Sк, где q удельная нагрузка в Н на 1 см² рабочей площади (площадь кольца минус площадь промывочных каналов) торца матрицы коронки - Sк. Рекомендуемые значения q в зависимости от категории буримых пород приведены в табл. №…

Таблица №

Категория пород		V – V1	V11 – V111	1Х	Х	Х1	Х11
Однослойные	q,H	0,4 - 0,6	0,6 - 0,8	0,8 – 0,9
Импрегнированные					1,0 – 1,1	1,2 – 1,3	1,4 – 1,5

Осевую нагрузку следует ограничивать (снижать на 30 – 50 %) при бурении в трещиноватых породах.

Для того, чтобы обеспечить оптимальный процесс бурения алмазными коронками необходимо поддерживать оптимальные значения углубки резца hр и величины зазора hш.

.Для повышения производительности бурения желательно устанавливать максимальное значение углубки за оборот, но при этом нельзя допускать такого увеличения глубины резанья, при которой начнется скол алмазных резцов или начнется зашламование забоя. Экспериментами было показано, что для каждого конкретного случая коронка – порода имеется предельное значение углубки за оборот, после которого начинается либо резкое разрушение резцов, либо зашламование забоя. Рис ..

hоб

hоб

hоб

а. б. в.

Рис 40

На рис. 40 приведены опытные зависимости затрат забойной мощности (рис 40 а), величины осевой нагрузки (рис 40 б) и износа алмазной коронки (рис 40в) от задаваемой величины углубки за оборот ( по данным аспиранта кафедры бурения Ганина И.П.). Из совокупности всех трех графиков очевидно, что имеется четко выраженная величина критического значения hоб., после которой матрица коронки настолько приближается к забою, что отделяемые частицы породы зажимаются и перестают удаляться, образуется спрессованная «шламовая подушка». При продолжении увеличения hоб., коронка вынуждена раздавливать эту шламовую подушку, при чем резко возрастает трение и разогрев торца коронки и возникает катастрофический износ алмазов. Для того чтобы раздавливать шлам и еще внедрять резцы в породу требуется значительное увеличение осевой нагрузки, что и видно по показаниям дриллометра бурового станка.