Maneiras de melhorar a vida útil das ferramentas de perfuração de rocha

Análise de falhas de ferramentas de perfuração de rochas:

Nos últimos anos, as ferramentas de perfuração de rochas do meu país desenvolveram-se rapidamente, e uma série de produtos foi criada com características próprias, como brocas de dente de coluna, brocas integrais de metal duro, brocas de perfuração de rochas extremamente tenazes, metal duro K610, aço para ferramentas de perfuração de ultra-alta resistência Ni-Cr-Mo, hastes de perfuração onduladas e trapezoidais ∅38, etc., com qualidade e vida útil significativamente melhoradas. No entanto, a qualidade da produção em massa ainda é instável e as ferramentas de perfuração falham precocemente. As razões são analisadas a seguir:

1. Broca

As formas de dano da broca incluem principalmente desgaste anormal e desgaste normal, como fragmentos, dentes quebrados, remoção de dentes internos, abaulamento do corpo da broca e fratura. Meu país usa brocas retas de estilo antigo há muito tempo. Após o descarte, a lâmina residual média no meio da peça de liga é superior a 12 mm e a taxa normal é inferior a 5%. Abaulamento, desgaste do cone invertido, cintura quebrada, rachaduras e fragmentos caindo em rochas duras geralmente são responsáveis ​​por mais de 80% do uso da broca. O principal motivo é que a asa da lâmina da broca é muito fina e a espessura relativa da asa é de apenas 1,16. Não é resistente ao desgaste, tem desgaste radial rápido e tem baixa estabilidade de forma geométrica. O corpo de aço da lâmina tem força de fixação insuficiente na chapa de liga, o que faz com que a chapa caia, o furo de explosão não é redondo, a resistência à rotação é grande e o desgaste da lâmina da broca é agravado. A antiga cabeça de perfuração de formato reto tem uma profundidade de furo cônico de 32 mm e a profundidade de inserção da ponta da broca é inferior a 24 mm. O furo cônico é raso. Sob a ação de cargas de alta frequência e alto impacto, a pressão positiva por unidade de área da parede da calça facilmente excederá a resistência final do corpo de aço da cabeça de perfuração, causando expansão ou rachaduras na calça. Primeiro, a partir da parede interna da abertura da calça, a deformação residual de tração tangencial é gerada, fazendo com que a parede da calça se expanda, formando um formato de trombeta, conexão frouxa e a calça caia. Quando a dureza do aço do corpo da calça é muito alta para causar rachaduras na calça, o sistema de descarga de pó é deficiente e ocorre esmagamento repetido, o que aumenta o desgaste da cabeça de perfuração.

Os principais danos à cabeça da broca de dente esférico são: queda da borda do dente, queda do dente quebrado, rachaduras na calça, remoção da capa e quebra da cintura. De acordo com as estatísticas de falha de brocas de dente esférico suecas de ∅48 mm perfuradas com perfuratrizes hidráulicas COP1038HD na Universidade de Geociências da China, 37% dos dentes foram perdidos, 28,3% dos dentes foram quebrados e 13,2% dos dentes foram quebrados. Ao perfurar furos em granito duro com perfuratrizes pneumáticas 7655, 22,7% dos dentes foram perdidos, 35,4% dos dentes foram quebrados e 26,4% dos dentes foram quebrados. Testes de campo mostram que os dentes foram perdidos e quebrados. Isso ocorre porque os dentes são submetidos a tensões excêntricas, que são distribuídas de forma extremamente desigual, e os dentes são submetidos a diferentes pressões circunferenciais radiais, o que faz com que os dentes suportem tensões e os dentes são submetidos a diferentes pressões circunferenciais radiais, o que faz com que os dentes suportem tensões insuficientes e causem dentes quebrados. Devido à alta dureza da base da broca, o ajuste de interferência entre os dentes e os furos permanece inalterado. Durante a fixação, devido à alta dureza do furo do dente, a deformação elasto-plástica é ruim. Quando os dentes são fixados sob pressão, microfissuras são facilmente geradas. À medida que a rocha é perfurada em uma velocidade mais rápida, elas se expandem em diferentes direções, resultando em esmagamento irregular dos dentes de liga. À medida que o número de impactos na broca do dente da coluna aumenta, a deformação plástica da parede do furo do dente continua a aumentar, causando o aparecimento de uma boca de sino na boca do furo do dente, resultando em uma diminuição na força de fixação dos dentes e fácil de causar o descascamento do dente. Além disso, devido à pequena interferência entre os furos dos dentes, a baixa dureza do corpo da broca também agrava o descascamento dos dentes. Como o metal duro é um material quebradiço, os poros, inclusões e outras fontes inevitáveis ​​de microfissuras em seu interior continuarão a se expandir e quebrar durante o processo de milhões de impactos à medida que a rocha é perfurada. A influência do corpo da broca de alta dureza nos dentes de metal duro é muito maior do que a dos corpos de broca de média e baixa dureza. Quanto menor a dureza do corpo da broca, menor a influência da força de pressão no desempenho do metal duro. No entanto, a redução da dureza do corpo da broca levará à força insuficiente de fixação dos dentes e ao descascamento dos dentes. Além disso, está relacionado a fatores como o material, o desempenho do fluxo, a operação de soldagem e o método de uso.

Mais de 80% das fraturas do corpo de aço da broca ocorrem na interface entre a extremidade da ponta da broca e a parte inferior da calça de perfuração, e a fratura da broca do dente da coluna ocorre ao longo da interface inferior do furo do dente. A partir da lei de transmissão das ondas de tensão, pode-se observar que a área entre a extremidade da ponta da broca e a parte inferior da calça de perfuração é a área onde a resistência da onda muda repentinamente. A fratura por fadiga causada pela reflexão da onda de tensão e pela mutação da seção transversal é frequentemente agravada por fatores como seleção inadequada do aço, projeto de parâmetros geométricos estruturais inadequados, seleção inadequada do processo de fabricação e métodos de uso inadequados.

2. Haste de perfuração

As hastes de perfuração são submetidas a tensões alternadas abrangentes, compostas principalmente por impacto, flexão e corrosão durante a operação. Portanto, a haste de perfuração deve apresentar alta resistência à fadiga, resistência ao impacto, resistência à corrosão, baixa sensibilidade ao entalhe e baixa taxa de crescimento de trincas. As formas de dano das hastes de perfuração incluem dureza insuficiente da extremidade do cabo da haste de perfuração pequena, causando amontoamento do topo; dureza excessiva, causando explosão do topo; desgaste da rosca da biela; e fratura por fadiga e fratura frágil.

A fratura da haste de perfuração é a principal forma de falha. A fratura por fadiga é a trinca causada pelo acúmulo de danos sob estresse repetido. Geralmente se origina de partes fracas do material, como inclusões não metálicas, bolhas, manchas brancas, cicatrizes, descarbonetação, trincas de corrosão dentro do material; material e tratamento térmico inadequados, como o núcleo da haste de perfuração cementada ser muito duro, têmpera inadequada, produzindo trincas e rachaduras na extremidade da haste da cauda; devido a razões de projeto, como formato inadequado da rosca da haste de perfuração, encaixe inadequado da luva e da rosca, encaixe inadequado do cone e da haste da cauda, ​​rachaduras e quebras; uso inadequado, como marcas de martelo, lubrificação inadequada das juntas e corrosão do aço da broca, etc., que causam rachaduras e quebras. Além da expansão dessas rachaduras, a fratura por fadiga da haste de perfuração ocorre após um longo processo de desenvolvimento. O tratamento da fratura por fadiga da haste de perfuração pode ser dividido em três etapas: sob a ação de tensões cíclicas, algumas partes da haste de perfuração produzem deformação plástica na forma de deslizamento, e microfissuras aparecem, que gradualmente se desenvolvem em macrofissuras sob a ação repetida de tensões cíclicas; na segunda etapa, a área efetiva da haste de perfuração é reduzida com o desenvolvimento de macrofissuras; na terceira etapa, quando a seção transversal da haste de perfuração é reduzida a uma tensão equivalente à resistência à tração, ela se rompe. A fratura por fadiga da haste de perfuração da biela ocorre principalmente na raiz da rosca, e a trinca se desenvolve da superfície externa para o interior; na fratura por fadiga da haste de perfuração pequena, a trinca de fadiga interna é gerada na superfície do furo de água da haste de perfuração e se desenvolve gradualmente para fora, e a trinca de fadiga externa é gerada na superfície da haste de perfuração e se desenvolve gradualmente para dentro. A fratura por fadiga da haste de agulha pequena ocorre principalmente dentro de 300~400mm antes do colar.

No processo de perfuração de rochas em minas, um pequeno número de hastes de perfuração quebradas não apresenta marcas de fadiga na superfície da fratura, geralmente apresentando um estado de superfície cristalina brilhante, frequentemente denominado fratura frágil. Isso se deve principalmente a defeitos na haste de perfuração, como inclusões, indentações, marcas de martelo ou alterações excessivas na seção transversal, bem como à formação de uma boca de sino durante o forjamento, tratamento térmico inadequado e outros fatores, resultando em baixa resistência da haste de perfuração, baixa plasticidade ou alta concentração de tensões, o que faz com que a trinca se desenvolva extremamente rápido e facilmente cause fratura frágil precoce da haste de perfuração.

Maneiras de melhorar a vida útil da ferramenta de perfuração

1. Melhore a qualidade do design

Determinar parâmetros estruturais razoáveis ​​e desenvolver continuamente novas variedades são pré-requisitos para aumentar a vida útil da ferramenta de perfuração. A broca reta de estilo antigo tem sido utilizada há muitos anos. A principal razão para sua curta vida útil é o design inadequado do produto, que se manifesta na pequena espessura relativa da asa, furo cônico raso, efeito de descarga de pó fraco, forma geométrica instável, fácil deformação cilíndrica precoce e parâmetros geométricos inadequados da chapa de metal duro. Portanto, é difícil melhorar com base no design original, e a broca reta de estilo antigo deve ser eliminada o mais rápido possível.

Brocas de lâmina utilizam amplamente brocas retas, de três lâminas, em forma de cruz e em forma de X, dispostas radialmente. Quanto mais lâminas a broca tiver, maior será a resistência ao desgaste. A broca em forma de cruz tem uma metragem de retificação 30 a 50% maior do que a broca em forma reta, mas a fabricação e a retificação são complexas e caras. A espessura relativa da asa é preferencialmente de 1,6 a 2,2, e a seção transversal da ranhura de drenagem do pó e a área total da seção transversal do furo de água devem ser iguais ou maiores que a seção transversal do furo central da haste de perfuração. Um arranjo de 3 furos é frequentemente usado, e o diâmetro do furo central é ligeiramente maior. A estrutura do corpo razoável é ter um ângulo de incidência de 2° a 3° na cabeça e uma transição de arco circular ou cone com um raio de curvatura de R = 30 a 80 mm entre a superfície cônica e a superfície cilíndrica da cauda do corpo da calça estendida. A broca pequena com diâmetro inferior a 45 mm é conectada à haste de perfuração por meio de uma conexão cônica, e a broca com diâmetro superior a 45 mm é conectada por meio de uma rosca trapezoidal corrugada ou composta. A velocidade de perfuração da rocha é inversamente proporcional ao quadrado do diâmetro da broca. No entanto, para usar a tecnologia de forma racional e melhorar a qualidade e a vida útil da broca, a frequência de retificação da broca pode ser aumentada em até 15 vezes. Para reduzir o desgaste radial da broca, a área de contato entre a lâmina da broca e a parede do furo pode ser aumentada para tornar a descarga do pó suave, o ângulo de abertura da chapa de liga pode ser determinado de forma razoável e a espessura da chapa de liga pode ser aumentada adequadamente.

O formato da coroa do dente da coluna da broca de dente de coluna é principalmente hemisférico. A velocidade de perfuração da rocha é alta. Ao pressionar a rocha, a superfície do dente é relativamente forte e durável sob tensão de compressão. O tamanho do diâmetro do dente deve considerar a tensão de tração suficiente, a firmeza dos dentes fixos e a possibilidade de arranjo dos dentes. O número de dentes deve considerar a quebra efetiva da rocha, a possibilidade de arranjo dos dentes, a resistência suficiente e a retificação conveniente. A partir da análise de falhas, sabe-se que a condição de tensão dos dentes laterais é ruim, e os dentes laterais estão quebrados e quebrados. As seguintes medidas podem ser tomadas para reduzir os danos aos dentes laterais e estender a vida útil da broca de dente de coluna.

(1) Reforçar os dentes laterais e selecionar corretamente o formato, o diâmetro e a altura dos dentes. O diâmetro dos dentes do meio e dos dentes laterais é atualmente de 9,65 a 9,95 mm. O diâmetro dos dentes laterais pode ser aumentado para 10,65 a 10,95 mm para aumentar a resistência ao impacto e ao desgaste, e o diâmetro dos dentes do meio pode ser reduzido para 8,65 a 8,95 mm para facilitar o arranjo dos dentes laterais e reduzir custos.

(2) A redução adequada do ângulo de inclinação dos dentes laterais contribui para melhorar a condição de tensão e aumentar a resistência ao impacto dos dentes laterais. Em países estrangeiros, ângulos de inclinação de 30° a 35° são frequentemente utilizados, podendo ser reduzidos para 20° a 25°, aumentando a área de contato entre a superfície externa dos dentes laterais e a rocha, o que também contribui para a autoafiação dos dentes laterais e melhora a resistência ao desgaste radial da broca. Os dentes do meio são ligeiramente mais altos que os dentes laterais para facilitar a centralização e abrir superfícies laterais livres para os dentes laterais, melhorando a eficiência de quebra de rochas. Para rochas macias com baixa abrasividade radial, o ângulo de inclinação deve ser pequeno.

(3) Selecione corretamente a folga da solda e a interferência dos dentes fixos para aumentar a força de fixação dos dentes da coluna. Quando a interferência é pequena, a força de aperto é reduzida. Quando a interferência é ligeiramente maior, arranhões aparecerão no furo do dente. Se o dente for ainda mais alargado, ele não será pressionado. Quando é muito grande, o dente é fácil de quebrar e, às vezes, o corpo da broca incha e quebra. Se a rugosidade da superfície do furo do dente for aumentada, o coeficiente de atrito é aumentado para aumentar a força de aperto, o que é uma medida viável. Usando um aninhamento plástico (material de cobre H62Y comumente usado) como intermediário, o aninhamento e o furo são combinados transicionalmente, e os dentes são combinados por interferência. Quando os dentes são prensados ​​a frio, o aninhamento é comprimido um contra o outro sob a ação da força de fixação do dente, e o aninhamento sofre deformação plástica e a superfície rugosa dos dentes do furo é encaixada uma na outra, aumentando assim a força de ligação (atrito estático) entre os dentes do furo e obtendo um dente fixo firme.

(4) Os dentes laterais são selecionados em carboneto cimentado de alta tenacidade e submetidos a tratamento isostático a quente para prevenir eficazmente a quebra dos dentes. O reforço do corpo de aço da broca aumenta a resistência à abrasão do corpo de aço.

(5) Arranjo razoável dos dentes, aumenta o número de dentes laterais o máximo possível, melhora o sistema de descarga de pó, mantém o furo de água frontal e o sistema de descarga de pó de dois furos e três ranhuras de grande abertura, alta eficiência de descarga de pó, reduz o esmagamento repetido de pó de rocha, reduz o consumo de energia e prolonga a vida útil da broca.

As hastes de perfuração de rocha para furos rasos utilizam aço oco hexagonal B19, B22 e B25, que representa cerca de 80 a 85% do uso de aço oco; as hastes de perfuração de rocha para furos profundos utilizam aço oco redondo ou hexagonal D32, D38, B25 e B32, representando 15 a 20%. As hastes de perfuração hexagonais apresentam boa rigidez, grande abertura de descarga de pó e são fáceis de laminar.

A estrutura da haste de perfuração foi aprimorada, como a haste de perfuração com rosca completa proposta pela Ingersoll Rand Company nos Estados Unidos, que é processada por laminação, com tratamento de endurecimento superficial, melhorando a tenacidade e a resistência ao desgaste, possui grande ângulo de hélice, bom autotravamento e fácil desmontagem e montagem. Quando a extremidade de conexão está desgastada, ela pode ser cortada, chanfrada e reutilizada, o que aumenta a vida útil em 3 a 4 vezes. A haste de perfuração SPEEDROD da Samdvik Company na Suécia adota uma biela roscada, elimina a luva da biela, elimina a folga da superfície da junta, melhora significativamente o alinhamento e a rigidez da conexão, mantém a linearidade do furo de perfuração e economiza energia.

Melhorar a qualidade da aparência e da embalagem da ferramenta de perfuração, projetar bem o formato da aparência e a estrutura da embalagem, pode proteger efetivamente a ferramenta de perfuração, embelezá-la e prolongar sua vida útil.

2. Selecione materiais de alta qualidade

A seleção dos materiais da ferramenta de perfuração deve levar em consideração tenacidade e resistência ao desgaste, boa rigidez e resistência ao desgaste, resistência à fadiga suficientemente alta, baixa sensibilidade ao entalhe por fadiga, alta capacidade de fixação de chapas de liga e certa resistência à corrosão. Apresenta bom desempenho de processo, fácil corte, boa temperabilidade e boa soldabilidade. É compatível com as condições nacionais, tem baixo custo e busca utilizar menos Ni e Cr. Os resultados do método de seleção de aço para ferramenta de perfuração baseado em matemática fuzzy são os seguintes:

(1) O aço 24SiMnNi²CrMo é um novo tipo de aço que imita o aço sueco FF710 e possui as melhores propriedades mecânicas convencionais, propriedades de fratura e avaliação abrangente. A vida útil média da broca de coluna de nove dentes ∅50 produzida internamente no Projeto Rodoviário é de 715,2 m/peça, e a vida útil máxima é de 901,4 m/peça, o que se aproxima da vida útil da broca de coluna sueca ∅48 no projeto de 760 m/peça. Também é um bom material para hastes de perfuração. A vida útil média do carrinho hidráulico da perfuratriz hidráulica Mercury 300 na Mina de Ferro é de 152,4 m/peça, e a vida útil da cauda da broca é de 609 m/peça, o que é 76% maior do que a vida útil da cauda da broca francesa 23CrNi³Mo de 345 m/peça;

(2) A metragem cumulativa média da haste de perfuração feita de aço 40SiMnMoV é de 1225,4 m, o que está próximo do nível estrangeiro;

(3) A vida útil da pequena haste de perfuração feita de 55SiMnMo é próxima ao nível de 250m da pequena haste de perfuração sueca de 95CrMo;

(4) A vida útil média da haste de perfuração feita de 35SiMnMoV pode chegar a 300 m/peça. O aço acima é tratado termicamente por têmpera, revenimento, recozimento, normalização, etc., para formar aço bainítico com alta resistência à fadiga e tenacidade.

Para peças fixas de brasagem por indução e brocas de dentes fixos de pequeno e médio porte, utiliza-se o aço 40MnMoV como material do corpo da broca. A vida útil das brocas de rosca corrugada de dentes cruzados e de coluna ∅50 produzidas é próxima à das brocas suecas. Para brocas de dentes de coluna com dentes embutidos a quente, o aço 45NiCrMoV é o preferido.

A seleção de materiais de metal duro deve ser adaptada às propriedades mecânicas da rocha e ao tipo de perfuratriz. Normalmente, os metal duros com alto teor de cobalto, como YJo e YG13C, são usados ​​para rochas extremamente tenazes e perfuratrizes com grande poder de impacto; YJ¹, YK25 e YG11C são usados ​​principalmente para rochas duras; YG8C e YJ² são usados ​​para rochas de minério de dureza média; e YJ³ e YG6 são usados ​​para rochas macias. O coeficiente de expansão linear da fase de cobalto no metal duro é cerca de 3 vezes maior que o do metal duro de tungstênio. A tensão interna gerada durante o aquecimento e resfriamento rápidos causará rachaduras na mesma interface. Portanto, independentemente do processo de fabricação, soldagem e retificação, o aquecimento e o resfriamento repentinos do metal duro devem ser evitados.

A solda à base de prata é amplamente utilizada na brasagem de pontas de brocas no exterior. Possui baixo ponto de fusão, pouco impacto no desempenho do corpo de aço e do metal duro, além de alta resistência à soldagem e baixa tensão de soldagem. Meu país deve realizar pesquisa e desenvolvimento para atender às necessidades de abertura de mercados de comércio exterior. Atualmente, soldas à base de cobre, como 105, 801 e SB-1, são as mais utilizadas devido à sua eficiência e vida útil na perfuração de rochas.