Лабораторная установка для криогенной обработки породоразрушающего инструмента

© A.A. Морев, 2014

УДК 622. 24 А.А. Морев

ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ КРИОГЕННОЙ ОБРАБОТКИ ПОРОДОРАЗРУШАЮШЕГО ИНСТРУМЕНТА

Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки лабораторной установки для криогенной обработки породоразрушаюшего инструмента (ПРИ) с целью исследования и совершенствования технологии его упрочнения. Цель работы!: разработка лабораторной установки для криогенной обработки ПРИ с дополнительными требованиями к ее конструкции, такими как наличие средств механизации рабочего процесса и системы автоматического долива хладагента, а так же повышенной теплоизоляцией для снижения расхода хладагента. Результаты: В статье приведены обшие сведения о технологии упрочнения ПРИ методом криогенной обработки. Разработана конструкция лабораторной установки для обработки ПРИ жидким азотом, с целью изучения и совершенствования способов упрочнения породоразрушаюшего инструмента.

Ключевые слова: Породоразрушаюший инструмент, упрочнение бурового инструмента, криогенная обработка, установка для криогенной обработки.

В настоящее время существует большое количество способов упрочнения породоразрушающе-го инструмента (ПРИ), позволяющих модифицировать отдельные эксплуатационные показатели твердых сплавов и композиционных алмазосодержащих материалов (КАМ), используемых для изготовления ПРИ. Способы упрочнения основаны на использовании различных видов энергии: тепловой, механической, энергии заряженных частиц (радиационное облучение) и т.д. Некоторые из них представляют интерес чисто в теоретическом плане, другие имеют практический интерес для повышения ресурса ПРИ.

В соответствии с классификацией проф. Рябчикова [1], все методы упрочнения металлов и сплавов можно разделить на две группы: методы поверхностного упрочнения и методы объемного упрочнения. Наиболее перспективным для упрочнения ПРИ являются методы второй группы, прежде всего криогенная обработка.

Криогенная обработка - это способ термической обработки, который реализуется путем погружения изделий в среду жидкости с низкой отрицательной температурой (от -150 до -269 °С) и выдержкой в ней. Этот процесс называют «ударным» охлаждением. Самой доступной и дешевой жидкостью с низкой отрицательной температурой является жидкий азот. Он находит широкое применение в криогенных технологиях, в том числе и для упрочнения ПРИ.

Криогенная обработка позволяет производить объемное упрочнение материалов на значительную глубину, является простой, не требует капитальных затрат.

Для обработки ПРИ жидким азотом используются специальные установки или сосуды Дьюара с большим проходным отверстием. Установки существующих конструкций имеют значительные габаритные размеры, большой вес и по своим параметрам не в полной мере соответствуют разработанной технологии упрочнения

ПРИ [1]. При разработке установки за основу взята установка конструкции «УКРО-02». Установка «УКРО-02», созданная в ТПУ [1], наиболее полно отвечает требованиям технологии криогенной обработки ПРИ, однако имеет ряд недостатков:

• отсутствие системы автоматического долива жидкого азота;

• недостаточная механизация рабочих процессов;

• большой расход жидкого азота.

Блок-схема разработанной нами

установки представлена на рис. 1. Она состоит из криостата 4, грузоподъемного устройства 2, рабочего стола 3, и транспортной цистерны 6. Криостат представляет собой емкость, объемом 0,083 м3 с двойными стенками, изготовленными из стального листа. В качестве теплоизоляционного материала используется пенопласт.

Заполнение рабочей емкости установки 4 жидким азотом из цистерны 6 осуществляется через теплоизоляционный шланг 7, а слив остатков азота, после завершения работ, в сливную емкость 9 - через шланг 8. Для доставки

Рис. 1. Блок-схема установки для криогенной обработки ПРИ: 1 - тельферная балка; 2 - тельфер электрический; 3 - стол; 4 - криостат; 5 - цепь или канат; 6 - цистерна ЦТК-5/0,25 ГОСТ 17518-79; 7, 8 - теплоизолированные шланги нагнетания и слива; 9 - сливная емкость

Рис. 2. Схема поплавково-клапанного механизма: 1 - поплавок; 2 - кронштейн поплавка; 3 - шарнир; 4 - клапан; 5 - угловой штуцер

жидкого азота к месту работы используются цистерны типа ЦТК-5/0,25 ГОСТ 17518-79 или сосуды Дьюара емкостью 25-50 л.

Проблема недостаточной механизации предлагается решить включением в состав установки электрического тельфера.

Тельфер канатный предназначен для подъема, опускания и горизонтального перемещение груза. Электротельфер перемещается по подвесному пути двутаврового профиля в помещениях и на открытых площадках. Управление тельфером осуществляется посредством кнопочного поста управления. Электротельфер обеспечивает значительную скорость подъема груза и его горизонтального перемещения.

Проблема автоматического долива жидкого азота решается посредством поплавково-клапанного механизма (рис. 2), который должен работать таким образом, чтобы при определенном уровне жидкости поплавок всплывал за счет архимедовой силы, а далее усилие через кронштейн 2 и шарнир 3 передается к клапану 1, который должен перекрывать угловой штуцер 5.

Технологические процессы при криогенной обработке ПРИ:

1. Подготовка ПРИ к обработке в жидком азоте осуществляется в несколько этапов. Вначале инструмент тщательно отмывают от загрязнений и смазки, затем обезжиривают и удаляют

влагу с поверхности, после чего ПРИ расставляется в загрузочную кассету.

2. Необходимо включение вытяжной вентиляции. Заливка азота в камеру будет сопровождаться его интенсивным испарением, пока температура в камере не достигнет -196 °С. Затем следует быстро погрузить обрабатываемый инструмент в рабочую камеру.

3. После выравнивания температур в рабочей камере (прекращения активного испарения) необходимо удерживать ПРИ погруженным в рабочую жидкость в течение 20 минут.

4. Крышка криостата и загрузочная кассета извлекаются с помощью электротельфера и устанавливаются на загрузочный стол. Далее несущая рама отделяется от крышки посредством извлечения фиксирующих штифтов и присоединяется запасная рама с уже загруженным в нее ПРИ.

5. Извлеченный из криостата инструмент мгновенно покрывается инеем. Его необходимо выдерживать

при комнатной температуре до тех пор, пока температура ПРИ не приблизится к плюсовой. Затем инструмент протирается, смазывается и упаковывается.

Заключение. Разработанная установка позволит производить обработку твердосплавного, алмазного и шарошечного ПРИ по запатентованной технологии криогенного упрочнения с производительностью: при диаметре 46 мм - 96 шт./час; 59 мм - 60 шт./час; 76 мм - 32 шт./час; 93 мм - 24 шт./час. Работы могут производиться, как в условиях лаборатории, так и в условиях цехов геологоразведочных предприятий. В связи с применением в конструкции установки элементов механизации и автоматизации рабочих процессов, значительно улучшаются условия для лабораторных исследований по оптимизации режимных параметров криогенной обработки, а так же для исследований других способов упрочнения в комбинации с криогенной обработкой.

1. Рябчиков С.Я. Объемное упрочнение твердосплавного и алмазного породоразру-шающего инструмента с целью повышения его эксплуатационных показателей: дис. ... д-ра техн. наук. Томск. 2002. 309 с

2. Рябчиков С.Я., Власюк В.И., Спирин В.И. Объемное упрочнение породораз-рушающего и металлорежущего инструмента. М.: Геоинформмарк, 2001. 49 с.

_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Рябчиков С.Я., Мамонтов А.П., Власюк В.И. Повышение работоспособности породоразрушающего инструмента методами криогенной обработки и радиационного облучения. М.: Геоинформмарк, 2001. 92 с.

4. Лошак М.Г., Александрова Л.И. Упрочнение твердых сплавов. Киев: Наукова думка, 1977. 147 с. ЕИЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ_

Морев Артем Алексеевич - аспирант, ассистент кафедры, e-mail: ar_morev@mail.ru, Институт природных ресурсов Томского политехнического университета.

А

UDC 622. 24

LABORATORY EQUIPMENT FOR CRYOGENIC TREATMENT OF DRILLING TOOLS

MorevA.A., Graduate Student, Assistant of Chair, e-mail: ar_morev@mail.ru, Institute of Natural Resources at Tomsk Polytechnical University.

Actuality of work associated with the necessity to develop laboratory equipment for cryogenic processing of drilling tool with the purpose of improving the technology and research of its hardening.

Purpose: Development of a laboratory equipment for cryogenic treatment with additional requirements for its design, such as the availability of means of mechanization of workflow, automatic refilling coolant, and high thermal insulation for reducing the flow of refrigerant.

Results. The article shows general information about hardening technology by cryogenic treatment. The design of the laboratory equipment for treatment with liquid nitrogen for exploration ways of strengthening and improving the drilling tools was developed.

Key words: core bit, hardening drilling tool, cryogenic processing, equipment for cryogenic processing.

REFERENCES

1. Rjabchikov S.Ja. Ob#emnoe uprochnenie tverdosplavnogo i almaznogo porodorazrushajushhego instrumenta s celju povyshenija ego jekspluatacionnyh pokazatelej (Volumetric Strengthening of Carbide and Diamond Rock-Cutting Tool for Its Performance Criteria Enrichment Purposes), Doctor's thesis, Tomsk, 2002, 309 p.

2. Rjabchikov S.Ja., Vlasjuk V.I., Spirin V.I. Ob#emnoe uprochnenie porodorazrushajushhego i metal-lorezhushhego instrumenta (Volumetric Strengthening of Rock-Cutting and Metal-Cutting Tool), Moscow, Geoinformmark, 2001, 49 p.

3. Rjabchikov S.Ja., Mamontov A.P., Vlasjuk V.I. Povyshenie rabotosposobnosti porodorazrushajushhego instrumenta metodami kriogennoj obrabotki i radiacionnogo obluchenija (Rock-Cutting Tool Performance Incoordination by Cryogenic and Irradiation Treatment), Moscow, Geoinformmark, 92 p.

4. Loshak M.G., Aleksandrova L.I. Uprochnenie tverdyh splavov (Hard Alloy Strengthening), Kiev, Nau-kova dumka, 1977, 147 p.

Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород

Ю.О. Кузьмин, B.C. Жуков 2012 год 264 с.

ISBN: 978-5-98672-327-3

UDK: 551.24: 551.243:550.342: 553:.98:622.1:622.83 Обосновано существование нового класса современных геодинамических процессов в зонах разломов - параметрически индуцированных суперинтенсивных деформаций (CÄ) земной поверхности. Показано, что наличие CÄ-процессов в платформенных, асейсмичных регионах диктует необходимость перехода от понятия «активный разлом» к понятию «опасный разлом» и радикальной коррекции нормативов, регламентирующих эколого-промышленную безопасность. Впервые проведено лабораторное моделирование деформационных процессов в условиях искусственно созданного «геодинамического полигона» на образцах горных пород. Получена уникальная информация о динамике физических свойств горных пород в условиях длительно действующих (порядка 1 года) квазистатических нагрузок. Осуществлены эксперименты, имитирующие процесс разработки месторождений нефти или газа.

ГОРНАЯ КНИГА