Файл: Циклическая прочность и долговечность бурового инструмента..pdf

ветствующая поправка на величину остаточных напряжений, которая естественно, снижает интенсивность внешних напряже­ ний. Расчет параметров скорости роста трещин и живучести упрочненного .материала в данном случае осуществляется поэ­ тапно при переходе от одного композита к другому с соответст­ вующим учетом их констант вязкости разрушения. Важнейшей характеристикой, необходимой для расчетов, как указывалось, является вязкость разрушения. Определяется эта константа по результатам растяжения специальных разрывных образцов или по изломам усталостных образцов с помощью расчетных фор­ мул Тиффани [168]. В указанных формулах основными величи­ нами является глубина усталостной трещины, коэффициент ее формы и номинальное напряжение в сечении.

Значения вязкости разрушения при плоской деформации в кг/мм 3/2 для некоторых буровых сталей в отожженном состоя­

Таким образом, зная параметр вязкости разрушения, а также величину силового фактора (рабочие напряжения), возможно рассчитать предельно допустимый размер трещины в любом конструктивном варианте бурового инструмента и с достаточной надежностью получить указанные выше важнейшие характерис­ тики его эксплуатационной надежности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В горнодобывающей промышленности при существующем состоянии бурозаправочного производства пока что основная масса буровых перфораторных штанг изготовляется без какоголибо упрочнения поверхности. Не производится и их антикорро­ зионная обработка. Это приводит к тому, что в процессе экс­ плуатации штанги, испытывающие высокие ударно-циклические напряжения, напряжения изгиба, а также напряжения смятия на конусе, быстро разрушаются в следствие усталости. Существен­ ное влияние на процесс усталостного разрушения штанг при этом оказывает вода, применяемая для очистки шпуров, а также хими­ чески активные рудничные воды.

Исследованиями установлено, что стойкость штанг, изготов­ ленных из перлитной стали 55С2, значительно повышается в ре­ зультате поверхностного термического упрочнения и дополни­ тельной антикоррозионной обработки канала. Особое внимание

199

необходимо уделить качеству полуфабриката, т. е. бурового

проката.

Анализ выпускаемой в настоящее время буровой стали по­ казывает, что на современном уровне развития металлургии тех­ нология, которая применяется для ее изготовления, несовершенна и практически не отличается от технологии производства обычно­ го сортового металла. При прокатке буровой пустотелой стал/ пока применяется калибровка (рис. 90), которая практически не дает возможности получить пустотелого шестигранника правиль­ ной формы даже при самой тщательной настройке стана. Не соответствуют условиям получения буровой стали высокого каче­ ства и другие технологические процессы производства: выплавка стали, разливка, раскисление, нагрев под прокатку, термообра­ ботка и т. д. [170].

Рис. 90. Калибровка прокатных валков, приме­ няемая в настоящее время при про­ катке пустотелой буровой стали:

а — на грань, б — на ребро.

При современном уровне развития металлургии есть реальная возможность осуществить производство высококачественной ин­ струментальной буровой стали по новой технологической схеме, применяя на каждом переделе передовые и прогрессивные спо­ собы труда. Исследования последних лет показали, что опытная буровая сталь, выполненная в электропечах и прокатанная из слитков малого развеса; обладает повышенным по сравнению с обычной (выплавка в мартеновских печах), комплексом прочност­ ных свойств. Такая сталь показала в шахтных условиях более вы­ сокую стойкость. Следовательно, при производстве буровой стали необходимо предусмотреть выплавку металла в электропе­ чах с последующей обработкой расплавленного металла, приме­ няя рациональные режимы разливки и раскисления. Необходимо

200

повысить требования к металлу после выплавки, добиваясь мини­ мально возможного наличия в стали неметаллических и газовых включений. Нагрев металла под прокатку необходимо осуществ­ лять в печах с защитными или контролируемыми атмосферами для предотвращения обезуглероживания поверхности. Однако, учитывая небольшие габариты загатовок буровой стали, нагрев их лучше всего осуществлять индукционным способом, что даст возможность также исключить нежелательное обезуглерожива­ ние поверхности металла и в то же время резко увеличить произ­ водительность прокатки.

Прокатка буровой стали—наиболее ответственная операция, при которой окончательно формируется геометрия штанги, ее размеры, создаются предпосылки получения в прокате стабиль­ ной и мелкозернистой структуры.

В настоящее время прокатка буровой пустотелой стали осу­ ществляется по принципу продольной вытяжной прокатки за счет обжатия металла в калиброванных валках сортовых станов. При­ меняются для этой цели станы 300-линейного типа. Предваритель­ но заготовки прокатываются на стане 750. При таком способе прокатки возникают значительные поперечные деформации, зат­ рудняющие получение геометрически правильного сечения с центровым промывочным отверстием. Поскольку сечение буро­ вой стали по геометрии симметричное, при прокатке ее желатель­ но обеспечить во всех калибрах наибольшие равномерные вытяж­ ки с тем, чтобы возможно большая часть деформируемого в калибре объема смещалась в продольном направлении, а наи­ меньшая — в поперечном, т. е. в уширение. Однако в валках существующих станов при прокатке буровой стали невозможно исключить уширения, поскольку в очаге деформации по сечению стержня возникает неравномерное уширение. Нежелательное уширение при прокатке буровой стали вызывает смещение отвер­ стия по длине прутка, искажает сечение и является фактором, увеличивающим количество проходов и снижающим производи­ тельность стана.

Для обеспечения больших вытяжек при прокатке буровой стали необходим принципиально отличный от существующего калибр, который смещал бы весь деформируемый металл в удли­ нение, полностью исключая поперечную деформацию. При рав­ номерной вытяжке внешней оболочки буровой стали (рубашки) будет обусловлена и равномерная деформация аустенитного сердечника, что позволит получить близко к идеальному конфи­ гурацию промывочного отверстия.

В последние годы в Магнитогорском горнометаллургическом институте под руководством проф. Бояршинова Μ. И. осуществ­ лены исследования по прокатке биметаллических симметричных многоугольных профилей в многовалковых клетях, которые поз­ воляют получить значительные вытяжки за проход и правильную

201

геометрию профиля [171]. Разработанные им схемы прокатки биметаллических полос при соответствующем исследовании и доработке, по-видимому, могут быть применены и для прокатки буровой стали. Целесообразно исследовать возможность прокат­

симметричной полосы буровой стали при этом приближается к протяжке, где по условиям объемно-напряженного состояния металла в очаге деформации создается равномерная вытяжка по всему периметру и, следовательно, есть предпосылки получить более правильное сечение, чем при прокатке по существующей схеме.

Термическая обработка готовой (прокатаной) буровой стали является исключительно ответственной операцией, оказывающей в ряде случаев решающее влияние на долговечность буров и штанг. Сейчас при назначении термообработки бурового проката на металлургических заводах ограничиваются низкотемператур­ ным отжигом (высокий отпуск) при температуре 700—750°.

Данная термообработка осуществляется в камерных пламен­ ных печах большой емкости, куда одновременно пачками загру­ жается несколько тонн проката. Металлографический анализ буровой стали после указанной термообработки позволил сде­ лать вывод, что при отжиге практически обеспечивается только незначительное снижение твердости металла, в то же время в связи с неполной перекристаллизацией стали, не достигается выравнивание структуры и зерна по длине и сечению прутка. Предварительную термообработку буровой стали сейчас необхо­ димо назначать, исходя из условий последующего упрочнения

буровых штанг.

Исследования последних лет [90] позволили установить, что наибольшее сопротивление буровых штанг ударно-усталостному разрушению наблюдается тогда, когда на металлургическом за­ воде буровая сталь подвержена предварительному упрочнению термической или термомеханической обработкой.

Буровой прокат из перлитных сталей более рационально под­ вергать нормализации или улучшению, вместо проводимого в настоящее время отжига, применяя для этого самое совершен­ ное оборудование и контрольно-измерительную аппаратуру. Прочностные свойства стали после такой обработки повышаются в 1,5—2 раза. Стали, самозакаливающиеся, выгодно подвергать термомеханической обработке. При современном уровне метал­ лургического оборудования и технологии термообработки мож­ но организовать предварительное упрочнение бурового проката

202

Рис. 91 а — Примерные рекомендуемые схемы много­ валковой прокатки пустотелой буровой ста­ ли, б — правильная форма сечения прутка.

с максимально возможной степенью автоматизации всех рабочих операций.

Особое место в процессе производства буровой стали зани­ мает контроль качества продукции и условия поставки. По раз­ личным причинам пока буровая сталь потребителю поставляется по техническим условиям, в которых не предусматриваются мно­ гие весьма важные ограничения и допуски. Например, часто сталь поставляется в виде прутков различной длины без соответствую­ щей упаковки (рис. 92). Качество стали от этого дополнительно ухудшается вследствие атмосферной коррозии, т. к. заготовки транспортируются в открытых вагонах. По-видимому, металлур­ гическим заводам следует значительно повысить требования к поставке буровых сталей потребителю с разработкой пунктов, нормирующих не только заданные пределы химического состава металла и полного комплекса механических свойств, но и уста­ навливающих рациональные допуски на величину зерна, неметал­ лические и газовые включения, а также состояние поверхности.

В настоящее время существует мнение о сосредоточении производства буровых штанг непосредственно на металлургиче­ ском заводе, где в одном потоке выполнены выплавка, прокатка буровой стали, изготовление и упрочнение буровых штанг. Дан­ ную форму организации централизованного производства буро­ вого инструмента следует считать наиболее рациональной. Толь­ ко при таком производстве можно достичь согласованной и единой технологии изготовления бурового инструмента на уровне передовых достижений науки и техники.

Это в значительной степени позволит поднять выпуск высоко­ прочных буровых штанг для горнодобывающей промышленно­ сти, исключить неоправданные потери дефицитной буровой стали

и значительно повысить производительность буровых работ на рудниках.

203

P и с. 92. Внешний вид буровой стали в состоянии поставки.

Следует значительно улучшить качество и ,долговечность другого очень ответственного вида бурового инструмента—бу­ ровых коронок. Для этой цели необходимо разработать комп­ лексную технологию, предусматривающую прочность пайки, эф­ фективное упро.чнение корпуса и антикоррозионную защиту.

До сих пор проблемным остается вопрос о распрессовке (снятии) затупленных коронок на перезаточку. Съем коронок в шахтных условиях повсеместно производится путем ударов мо­ лотком по юбке коронки. Это приводит к преждевременному разрушению не только коронки, но и штанги. В настоящее время применяется несколько типов съемников, однако все они, ввиду малой эффективности, нашли очень ограниченное применение. Следует широко исследовать возможность перехода в некоторых случаях на бурение шпуров коронками, соединяемыми со штан­ гой с помощью резьб. Опыт эксплуатации за рубежом и в СССР

показывает, что долговечность инструмента с резьбовым соеди­ нением в 2—3 раза выше, чем аналогичного инструмента с ко­ нусным соединением, а эксплуатация его значительно проще. Очевидно, на некоторых рудниках могут быть успешно приме­ няться цельноармированные буры, подвергнутые упрочнению по всей длине.

C этой целью необходимо тщательно изучить и исследовать режимы бурения шпуров различными видами съемных коронок и цельноармированных буров, которые позволяют выявить наибо­ лее экономичный и рациональный тип инструмента.

204