автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Улучшение буровых свойств синтетических рекуперированных алмазов для повторного оснащения породоразрушающего инструмента

На правах рукописи

ОСЕЦКИИ Александр Иосифович

УЛУЧШЕНИЕ БУРОВЫХ СВОЙСТВ

СИНТЕТИЧЕСКИХ РЕКУПЕРИРОВАННЫХ АЛМАЗОВ ДЛЯ ПОВТОРНОГО ОСНАЩЕНИЯ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Специальность 05.15.14 - "Технология и техника

геологоразведочных работ"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1995

Работа выполнена во Всероссийском научно-иселедовательс ком институте методики и техники разведки (ВИТР).

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, про(|>ессор КУДРЯШОВ Борис Борисович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, прос|)ессор ГОРШКОВ Лев Капитонович; кандидат технических наук БУДЮКОВ Юрий Евдокимович

Ведущее предприятие: Государственное Геологическое

предприятие "Невспгеологин"

Защита диссертации состоится "/£_" >Л-/л;.у - ^1905 I в /-•>" часов в аудитории ЛЬ 2214 на заседании Спецнале зированного совета Д.063.15.12 в Санкт-Петербургском г< сударствешюм горном институте имени Г.В.Плеханов (техническом университете) по адресу: 199026, Санкт-П< тербург, 21 линия, дом 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиогеь института.

Автореферат разослан " /.с" с I /-у 1995 года.

Ученый секретарь Специализированного совета, доктор техн. паук, профессор

И. II. Тимофее

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Геологоразведочная отрасль играет р¿тающую роль п создании минерально-сырьевой базы как основы развития производнтечьных сил страны. Одним из главных видов геологоразведочных работ является бурение скважин. Для решения задач, проставленных перед отраслью "Федеральной программой развития минерально-сырьевой базы Российской Федерации на 1994-2000 годы", одобренной Постановлением правительства Российской Федерации от 80 июля 1994 i. Л'. 87G, большое значение имеет рост эффективности буровых работ: механизация и автоматизация трудоемких н вспомогательных работ, повышение комфортности и безопасности условий труда, снижение удельных затрат энергии, топлива и материалов, а также трудозатрат и численности работников, занятых в процессе производства и эксплуатации Суровой техники, совершенствование управления технологическим процессом бурения и организации работ.

Для повышения этих показателей существенное значение имеет решение проблемы повторного использования и повышения качества алмазного сырья и, соответственно, повышения качества и снижении стоимости нородоразрупшющего инструмента.

Эта проблема возникла в связи с разработкой полнкристалличес ких синтетических алмазов, которые в сравнении с природными алмазами имеют недостаточно высокие прочностные свойства. Кроме того, в связи с различиями буровых свойств природных и поликристаллнческих синтетических алмазов возникли дополнительные трудности но разделению этих алмазов после их рекуперации из отработанного инструмента.

Настоящая работа направлена на решение данной актуальной проблемы и основана на результатах исследований и опытно-кои-струкгорских разработок, выполненных автором u 1982-94 гг. в соответствии с координационными планами п отраслевыми программами Мишсо СССР, Минстамкопрома СССР и Роскомиедра.

Работы проводились во Всесоюзном научно-исследовательском институте методики и техники разведки (ВИТР), на ' Кабардино-Балкарском заводе алмазных инструментов (КБЗАИ) при участии работников института "Механобр", а также в производственных геологических объединениях (ПГО): "Донбассгеология", "Сепзапгеология", "Сепказгеология", "Запсибгеология" и "Красно-ярскгеологня".

Цель работы. Исследование и разработка методов и технических средств извлечения синтетических алмазов и твердосплавных KONiiioncHTor из матриц отработанного породоразрушающего инструмента, разделения рекуперированных природных н синтетических алмазов, повышения буровых свойств рекуперированных синтетических алмазов и совершенствование алмазного породоразрушающего инструмента на основе использования рекуперированных синтетических алмазов с улучшенными буровыми свойствами.

Основные задачи исследований:

I. Анализ возможности и целесообразности использования рекуперированных синтетических алмазов в буровых коронках и расширителях.

2. Разработка способа извлечения алмазов и твепдосплав-}1ых компонентов из отработанного алмазного инструмента, обеспечивающего их повторное использование.

3. Анализ существующих способов разделения природных и синтетических алмазов, выбор путей их совершенствования.

4. Обоснование методики расчета электромагнитной системы технических средств разделения природных и синтетических а.пмазов после рекуперации. "

5. Разработки методики и технических средств разделения природных и синтетических алмазов.

6. Разработка способа улучшения буровых свойств рекуперированных синтетических алмазов.

7. Оценка эффективности разработанных способов и технических средств в производственных условиях.

Методика исследований. Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследовании: анализ и обобщение теоретических представлений и результатов предшествую тих исследований по изучению способов извлечения,' разделения и

улучшения буровых свойств вторичного алмазного сырья, аналитические исследования процесса разделения природных и синтетических алмазов в электромагнитном поле, разработка основ теории и расчетный анализ электромагнитной системы с вращающимся узлом разделения, экспериментальные исследования свойств рекуперированных синтетических алмазов и макета технического устройства разделения алмазного сырья; лабораторные и производственные испытания опытных образцов технических средств разделения алмазов и буровых коронок; статистическая обработка результатов экспериментов к испытаний алмазного по-родоразруишощего инструмента; технико-экономический анализ.

Научная новизна. Аналитически установлена и экспериментально подтверждена зависимость качества (полноты) разделении рекуперированных природных и синтетических алмазов от напряженности магнитного поля, на основе чего на уровне изобретений разработаны способы и устройства для извлечения.алмазов и твердосплавные компонентов из матриц отработанного инструмента, разделения рекуперированных природных и синтетических алмазов и улучшения буровых свойств последних для повторного использования в буровом поридоразрушающем инструменте.

Достоверность научных положений, полученных результатов и выводов базируется на достаточном объеме теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в стендовых и полевых условиях с использованием современной контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратуры и подтверждается положительными результатами внедрения разработок в практику.

Практическая ценность исследования заключается в разработке и внедрении комплекса методических, технологических и технических решений (на уровне изобретений), обеспечивающих улучшение буровых свойств природных и синтетических алмазов, а именно:

1. Разработай н внедрен способ извлечения алмазов и твердо сплавных компонентов из отработанного алмазного инструмента.

2. Разработаны и внедрены способ и технические средства разделения природных и синтетических рекуперированных алмазов.

3. Разработан и внедрен способ улучшения буровых свойств рекуперированных синтетических алмазов.

4. Организовано производство боровых коронок, оснащенных рекуперированными синитетическими алмазами с улучшенными буровыми свойствами.

Оценка объема и надежности экспериментальных исследований и производственных данных производилась с вероятностью 0,85.

Обоснованность научных положений и комплекса методических рекомендаций подтверждается высокой экономической эффективностью внедрения новой техники.

Реализация результатов исследооаний

Разработанные способы и технические средства: нз&чеченне алмазов и твердосплавных компонентов из отработанного инструмента, разделения природных и синтетических алмазов после рекуперации, а также улучшения буровых свойств рекуперированных синтетических алмазов внедрены на КБЗАИ.

Серийное производство буровых коронок 01АЗ-СВ и 02ИЗ-СВ, оснащенных рекуперированными синтетическими алмазами с улучшенными буровыми свойствами, организовано на КБЗЛ1! (ныне Терский завод алмазных инструментов - ТЗАИ) с 01.11.87 г.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на .Всесоюзном семинаре-совещании специалистов, передовиков и новаторов производства в области геологоразведочных работ (Кировоград, 1С86 г ), технических совещаниях на КБЗАИ (г.Терек, 1987 г.), на III Международном симпозиуме по бурению скважин в осложненных условиях (5-10 июня 1995 г., Санкт-Петербург).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, 2 изобретения н получено положительное решение о выдаче патента Российской Федерации.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций и изложена на 12$ стр. машинописного текста, имеет 12 рисунков, 28 таблиц, список использованной литературы из 05 наименований.

С одержапие работы. В первой главе рассмотрено современное состояние способов улучшения буровых свойств и разделения природных и синтетических (в том числе рекуперированных) алмазов и дана оценка внедренных методов. Большой вклад в разработку способов улучшения буровых свойств природных и синтетических алмазов, предназначенных для армирования нородоразрушакнцего инструмента, внесли: Барон Л.И., Безруков Г.Н., Быченков Е.И., Богатырева Г.П., Бугаев A.A., Верещагин Л.Ф., Веприцев В.И., Воблнков B.C., Волков С.А., Головин О.С , Горшков JI.K., Грушевский И.П., Илларионова Т.М., Калинин В.Д., Корнилов Н.И., Курочкии П.Н., Ножкина A.A., Пименов В.В., Самойлович М.И., Ступкина Л.М., Шамшев Ф.А., Шафра-новскнй U.M. и другие. Показано, что несмотря на значимости, ряда исследований, существующие методы не в полной мере обеспечивают улучшение буровых свойств рекуперированных синтетических алмазов, а разделение природных и синтетических алмазов после рекуперации представляется трудоемким и сложным процессом, что и определило задачи исследований.

Во второй главе изложена методика проведения аналитических и экспериментальных исследований по извлечению, разделению, оценке работоспособности и пригодности алмазного сырыг длл повторного использования, статистической обработки результатов исследований.

В третьей главе приведены результаты экспериментально-теистических исследований методов повышения буровых свойств природных и синтетических алмазов; выполнен анализ существующих способов извлечения алмазов из отработанного инструмента, разделения смеси природных п синтетических алмазов после рекуперации н улучшения буровых свойств синтетических алмазов; обоснована и разработана методика расчета принципиальных схем устройств для осуществления электромагнитной селекции алмазов; дано описание разработанного способа улучшения буровых свойств рекуперированных синтетических алмазов.

В четвертой главе обоснована экономическая целесо образность созданных технических средств.

Основные выводы отражают обобщенные результаты исследований в соответствии с поставленными задачами. Решение этих задач позволило достичь цели, поставленной в диссертационной работе.

В рекомендациях изложены перспективные направления по совершенствованию алмазного породоразрушающего инструмента.

Основные защищаемые положения:

Положение ]. В основу способа разделении рекуперированных природш>1х и синтетических алмазов положен эффект воздействия электромагнитных сил на размещенные а магнитном поле а смеси с природными частицы синтетических алмазов, обладающие повышенной магнитной восприимчивостью по сравнению с природны. ми. Степень воздействия зависит от размеров, формы и состава разделяемых частиц, а также от характеристик электромагнитного поля.

Известно, что природные и синтетические алмазы обладают различной магнитной восприимчивостью. Интенсивность намагничивания вещества зависит от напряженности магнитного ноля и магнитной восприимчивости

х н, (!)

где 3 - интенсивность намагничивания; % - магнитная восприимчивость, м3/кг; /( - напряженность магнитного ноля, А/м.

Гак как между магнитпим проницаемостью ^ и магнитной восприимчивостью существует прямо пропорциональная зависимость, магнитная проницаемость ^ смеси синтетических и природных алмазов рассматривается как входная величина, значение которой характеризует наличие в смеси частиц с повышенной магнитной восприимчивостью.

Технологический процесс разделения смеси синтетических и при родных алмазов требует решении задачи контроля качества разделения. В основу положен электромагнитный метод контроля, основанным на взаимодействии объекта контроля с электро-

магнитным полем, создаваемым в объекте преобразователем, включенным во входную цепь измерительного устройства. Наиболее разработаны методы и схемы, использующие индуктивные преобразователи. Объект контроля - заполненный двухкомпонент ним материалом измерительный контейнер, помещенный внутрь полого цилиндрического индуктивного преобразователя.

В связи с неоднородностью смеси используем понятие "эффектив ная магнитная проницаемость" эф.

где 2 о - радиус объекта контроля;

- функции Бесселя первого и второго рода нулевого порядка от комплексного аргумента; $ - коэффициент распространении электромагнитных поли в среде, зависящий от круговой частоты поля Ь) и электромагнитных параметров материала, определяемых его составом и свойствами компонентов; $ -

- мнимая единица ( = -1); ^ - действи тельная и мнимая составляющие "эффективной магнитной проводимости".

Приращения активной и ргактивиой составляющих полного сопротивления, возникающее в результате взаимодействия рекуперированных синтетических алмазов с электромагнитным полем, определяются из выражений

У ¿Ц о & (1), (3)

а СО Ц (4>

где Ко - электрическое сопротиааение, Ом; {.0 - индуктивность, Ги; и) - (футовал частота электромагнитного по.1я, Гц; ^ - ко-з(|)фициент заполнения, определяемый как соотношение площадей сечения объекта контроля и преобразователя.

Для контроля качества разделения природных И синтетических алмазов выбран одпопарамегровый способ контроля по прираще-

нию индуктивности преобразовать я. При малых содержаниях включений синтетических алмазов (на выходном контроле) и относительно небольших размерах зерен приращеине индуктивности прямо пропорционально содержанию магннтовосприимчнвых частиц

д1=ик(>?1~1)*ик (5)

где К - геометрический коэффициент (функция соотношения геометрических размеров объекта контроля и преобразователя); Рм - объемное содержание магиитовоспринмчипых частиц (Рм 1);

- магнитная проницаемость магиитовоспринмчивых частиц (вещества).

Рассмотренный способ контроля качества разделения используется в устройствах контроля магнитных включений в неметаллических материалах.

Предложенный способ разделения синтетических и природных алмазов опробован с исНол!>зоваиием изодниамнческого прибора СИМ-1.

В результате исследований было установлено, что синтетические алмазы с магнитной восприимчивостью, равной (15-20) 108 м3/кГ и более, в изодинамнческнх приборах разделять затруднительно, так как часть алмазов оседает на поверхности вдоль зазора, в результате чего иногда наблюдалось полное прекращение процесса разделения. Возникла задача Повышения качества (полноты) разделения алмазои.

Положение 2. Повышение качества и технологичности процесса разделения рекуперированных алмазов достигается а а счет дополнении электромагнитного устройства разделения электромеханическим вращающим устройством, осуществляющим захват и перемещение в магнитном поле разделяемых частиц.

Способ электромеханического разделения синтетических н природных алмазов реализован в конструкции электромагнитного сепаратора ЭМС-2 с вращающимся узлом разделения (рис.1 ).Разработа-

А - А

Рис.]. Вращающийся узел разделения электромапштноп) сепаратора

ЭМС-2: '

] - полюсный наконечник; 2 - рабочий орган; 3 -иыег}71 рабочего органа; 4 - внбрологок; 5 - диамагнитный материал; 8 - природные алмазы; 7 - еинтепгческис алмазы; 8 - разгрузочное ггросгралство; 9 - лоток

И

на методика расчета электромагнита и величины тока, обеспечивающей требуемое значение электромагнитной силы. Магнитная проводимость цепи намагничивания определяется геометрическими размерами мапштопровода и конфигурацией полюсных наконечников.

Для принятой в конструкции сепаратора зубцеобразной формы наконечника мапштопровода и ширины воздушного зазора £ расчет магнитной проводимости 9£ производится по фррмуле:

Г „ ь. 0,157 Е к

где

- магнитная проводимость, Вб/А; эффективное

сечение основания 3}<5ца полюсного накош^ника, м2; В - ширина зубца в основании, м; = 4 ЛГ10'* - - - магнитная постоянная; Л - угол наклона полюсных наконечников; ширина воздушного зазора, м.

Намагничивающая сила б к электромагнита определяется составляющими

Ок. - 0§< + Н^гнбмАгн+2^НАК^НАк + Немцем , (7)

где ■ намагиичив«*1К!Цая сила, необходимая для прохождения магнитного потока

через воздушный зазор 8* ;Нмагн,Ннак, Ней - напряженность магнитного поля в магнитопроводе, наконечниках и эквивалентном элементе смеси разделяемых алмазов соответственно, А/м; 6 маги , Спаи . - средняя длина сило-

ныч линий п магнитопроводе, наконечниках, элементе смеси соответственно, м.

Магнитный поток определяется по формуле

.Фх-Ф^б/, (8)

где Фх - магнитный поток в сечении Ч , ; СЭх - коэффициент рассеяния (<рх =

Для любого распределения поля, сила притяжения определяется по энергетической формуле

CIG;

d S

9.а* , (9)

где F*M сила притяжения, Н; " О - сила тока, A; W

число витков в катушке электромагнита.

Величина

d Gff

с| S

определяется из зависимости G -J- (ё/

(например, (6) для з^бцеобразной формы наконечника).

Движение магнитных частиц к магнитопроаоду начнется с момента, когда сила притяжения электромагнита будет больше максимальной суммарной противодействующей силы.

Расчет электромагнитной ситемы сепаратора производится в следующей последовательности:

а) определяется максимальный вес притягиваемой магнитной частицы смеси для заданной зернистости н состава;

б) с учетом конструкции, качества покрытий и положения лотков, определяется необходимая максимальная и минимальная сила притяжения F»M мдл - К , где К = (1,1-1,5) - коэффициент запаса;

в) определяется рабочий магнитный поток;

г) вычисляется проводимость воздушных зазоров;

д) определяется полная проводимость магнитной системы с учетом магнитных свойств материалов;

е) рассчитывается производная проводимости системы по воздушному зазору;

ж) определяется по (9) необходимая м.д.с. катушки (3w) или ток- п обмотке намагничивания при известных параметрах катушки.

Выполнен детальный расчетный анализ влияния различных факторов на полнот}' разделения с использованием программного комплекса Ma Field, разработанного'для ПЭВМ, совместимых с IBM

РСХТ/АТ, определены конструктивные электромагнитной системы и устройства в целом.

параметры

Экспериментальные исследования по разработке макета устройства для разделения природных и синтетических алмазов проводились в ВИТРе. Были опробованы различные варианты конструкций и материалов для изготовления деталей магнитопро-водов и полюсных наконечников устройства с вращающимся узлом разделения алмазов.

Установлено, что мз существующих магннтомягких материалов дал изготовления полюсных наконечников н деталей магпитопро-вода предъявляемым требованиям наиболее полно отвечают два материала - Лрмко-железо и сталь 49К2ФА.

На рис.2а,б представлены графики расчетной и экспериментальной зависимости индукция магнитного поля от силы тока и ширины воздушного зазора между полюсными наконечниками магиитопронода ЭМС-2, изготовленных из Лрмко-железо н 49К2ФА.

Анализ результатов исследования показывает, что индукция магнитного иола узла разделения, выполненного из материала 49К2ФА, к 1,7-1,8 раза выше индукции этого же узла из Лрмко--желсза, а магнитное насыщение магинтопровода наступает при силе тока 1 > 1,5 А. Теоретически обосновано и экспериментально установлено, что при токе до 2 А электромагнитная система разработанного устройства создает индукцию, обеспечивающую усилия, достаточные для разделения алмазов крупностью от 800-000 штук/карат до 30-20 штук/карат.

Производственные испытания электромагнитного сепаратора ЭМС-2 были пропечены в условиях КБЗАМ при разделении природных и синтетических алмазов из отработанного бурового инструмента и сырья заводского брака инструмента для строительной промышленности. Анализ данных исследований показал, что применение сепаратора позволяет разделить рекуперированные природные и синтетические алмазы крупных фракций (до 30-20 штук за карат), что ранее на приборах других конструкций не представлялось возможным (табл.1).

а)

б)

и»

1300 1200

1100

1000

900

800

700 600

500

400 300

„1__ -г.

—1— — 3

//

/ ' I

'—Л

н

1 у 1 / \ 1

\И I 1 '

1

1

,1

В1?об

1200

1100

1000 900

600

700

600

500 400 300

I !

1 !

I

-----

ЯГ - 1 I

// • .. -—^

\1/У I

¡1

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 1,А

0 0,5 1,0 1,5 2,0. 2,5 1.А

Рис.2. Зависимость индукции магнитного поля от силы тока и ширины воздушного зазора между полюсными наконечшжами сепаратора ЭМС-2:

а) материал потосных наконечников - 49К2ФА; 1,2 - экспериментальные кривые для зазоров шириной 0,9 мм и 1;8 мм соответственно; 3,4 - расчетные кривые для зазоров шириной 0,9 мм и 1,8 мм соотпетствешю;

б) материал полюсных наконечшгков - Армко-железо; 1,2 - экспериментальные кривые для зазоров шириной 1,0 мм и 2,0 мм соответственно; 3,4 - расчетные кривые для зазоров шириной 1,0 мм и 2,0 мм соответственно.

Таблица 1

Результаты разделетля природных и синтетических «лмазов после рекуперации на сепараторе ОМС-2

№ Наименование н зернис- Майя Время Результаты разделения

ПЛ гость рекупери|кшалиого алмазного сырья алмазов, карат резрелекил, МИ)| природное сырье синтетнчес-. кое сырье

1. Алмшное сырье зернистостью а диапазоне от 600-400 до 30-20 штук на карат 459,0 60,0 452 карата (содержат 3,5 % «ш- тешчееккх алмазов) 7 карат (содержат 18,5 % ПрН|ЮД!(ЫХ алмазов

2. Сегментное сырье аабра-ковакного инструмента "Стройиндустрин" зернистостью 800-500 штук на карат 148,0 45,0 146 карата (содержат 0,7 % сип тетнчееккх алмазов) 2,0 карата (седержат 62,5 % природных алмазов

3. Алмазное сырье размерностью (>.'10/500 мим (содераогг 3,15 карата С1пггетичесК10[ алмазов) 451,0 65,0 447,85 карла (содержит 0,01 % сии готических алмазов) 3,25 карата (содержат 4,3 % природных алмазов)

4. Алмазное сырье размерностью 630/500 мкм (содерхагг 2,0 карата синтетических алмазов) 100,2 10,0 98,3 карата (содержат 0,01 % синтетических алмазов) 1,9 карата (содержат 5,2 % природных алмазов)

5. Алмазное сырье размерностью 630/500 мхм (содержит 2,0 карата сютдачесюсх алмазов) 236,0 ■ 30,0 231,5 карата (содержат 0,01 % синтетически* алмазов) 4,5 карата (не содержат 11рИ|ЮШ(ЫХ алмазов)

Электромагнитный сепаратор ЭМС-2 в настоящее время нспользу-етсл в производстве ТЗАН при разделении рекуперированных сил тетических и природных алмазов.

Положение 3. Улучшение буровых свойств синтетических алмазов достигается за счет избирательного объемного измельчения и обработки алмазов олектрогид-равлическим дроблением, а также рассева ситоаылt способом с отделением буровых фракций, из которых, в свою очередь, посредством вибростола выделяют кондиционные по форма алмазы, а некондиционные по форме алмазы овализуют. Дальнейшее повышение прочности и изометричности алмазов (в случае необходимости) достигается путем объемного сжатия, а затем повторной обработкой объемным сжатием зерен крупностью более 1,0 мм и злектротдраалическим дроблением зерен крупностью менее J, 0 леи.

С целыо расширения области применения способа обработки рекуперированных синтетических алмазов электрогидравлическим дроблением возможна предварительная сортировка алмазов на партии по крупности, а электрогидрдвлическое дробление следует осуществлять на разных режимах, соответствующих крупности И первичной прочности алмазов каждой партии.

11а рис.3 приведена схема реализации предлагаемого способа улучшения буровых свойств синтетических алмазов. Основной комплекс операций включает электрогидравлическое дробление синтетических алмазов, ситовой рассев раздробленных алмазов с отделением мелких алмазов, сепарацию на вибростоле надрешет-иого материала с выделением кондиционных по форме буровых зерен И овалнзацию некондиционных по форме алмазов п последующее их разделение посредством ситового рассева с исключением буровой мелочи и выделением кондиционных буровых зерен. Последние подвергаются контролю.

Известно, что обработка рекуперированных синтетических алмазов на установке овализацни алмазов УОА-ЗМ (конструкции В И TP) позволяет повысить их прочность при статическом нагру-жении (основной критерий качества синтетических алмазов) и улучшить коэффициент формы (отношение наибольшего размера зерна к наименьшему). Вместе с тем, рекуперированные алмазы.

Рнс.5. Схема последовательности операцшЧ па улучшению буровых

свойств сшггетпческпх рекупер)фсваш£ых алмазов: 1,2,3 - комплексы операций обработки; 4 - электропщравл^еское дробление; 5 - ситовой рассев дробленых алмазов по фракциям; 0 - отденле-ние алмазов мелких фракций; 7 - сепарация алмазов на вкбросголе; 8 -отделение кондиционных по форме алмазов; 9 - овализацпя некондицн-онных по форме алмазов; 10 т контроль качества алмазов; 11 - объемнос сжатие алмазов; 12 - селекция алмазов; 12 - селешв1я алмазов иа две партии по крупное™ - более 1000 мкм п менее 1000 мкм

обработанные па установке УОА-ЗМ, по прочности при статическом иагруженин не соответствуют требованиям ГОСТ 9200-80 "Порошки алмазные. Технические условия". Были проведены исследования прочности рекуперированных синтетических алмазов при статическом нагруженин. Исследованы 500 карат рекуперированных синтетических алмазов марки ЛРС-ЗР двух разновидностей-

- ЛРС-ЗР (рекуперированные, необработанные) зернистостью 1000/800 мкм и 1250/1000 мкм;

- ЛРС-ЗР (рекуперированные, обработанные при различных режимах на овализаторе УОЛ-ЗМ конструкции ВИТР) зернистостью 1000/800 мкм и 1250/1000 мкм.

Режимы обработки:

- давление в камере МПа - 0,25; 0,20; 0,20; 0,15; 0,30;

- время, мин - 20; 25; 30; 20; 60.

Средний показатель прочности определялся но результатам разрушения 50 зерен алмазов каждой зернистости и вида бработкн. Результаты исследований приведены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты исслсдовпвий синтетических рекуперированных алмазов, обработанных на овализаторе УОА-ЗМ

Разновидность ОЛМ&ЗОВ Крупность алмазов, мкм Прочность ш статическом 1 Н/зе шазоз при агруженин, шо

трсСоааиие ГОСТ фактическля

Рскут5ери|юванные синтетические алмязи, об|>яботаикые на овалшато(*е Рекуперированные синтетические алмазы необработанные 1250-1000 1000-800 392 274 351* 287"

1250-1 ООО 1000-800 392 274 303 180

* Сроднее значение по двум партиям

* ' Среднее значение по трем партиям

Установлено, что показатель прочности синтетических рекуперированных алмазов при обработке на овализаторе УОА-ЗМ,

повышается на 15-48%. При этом следует отметить, что потерн массы алмазов обрабатываемых фракций (измельчение, переход п другую группу по зернистости) состашдаот в среднем 37-58%, а выход годных фракций составляет 42-63% от исходной массы алмазов. Проведены исследования работоспособности 9 штук буровых коронок диаметром 20 мм, оснащенных рекуперированными синтетическими алмазами, обработанными на овалнзаторе УОА-ЗМ. Средний ресурс коронок составил 108,6 см.

Таким обрааом, синтетические рекуперированные алмазы, обработанные на овалнзаторе УОА-ЗМ, по показателю прочности при статическом нагружешш н ресурсу буровых коронок диаметром 20 мм не соответствуют требованиям ГОСТ 9206-80 "Порошки алмазные. Технические условия" и, в связи с этим, для оснащения буровых коронок применяться не могут.

Разработанный новый способ улучшения буровых евонсти синтетических рекуперированных алмазов заключается в следующем:

а) рекуперированные синтетические алмазы обрабатывают на установке электрогидравлического дробления ЭГУД-А1 (конструкция Центральной лаборатории электрогидравлического эффекта) в течение 3-5 минут в зависимости от крупности основных фракций;

б) алмазы сортирует по фракциям (ситовым способом) и форме зерен (на вибрационном столе):

- угол наклона деки в продольном направлении - 30°;

- угол наклона деки а поперечном направлении - 25°;

- частота колебаний деки, Гц - 50;

- максимальная амплитуда колебаний деки, мм - 2;

в) обработанные алмазы с коэффициентом формы более

. подвергаются дополнительно■ овалмзацни на установке УОА-ЗМ при давленш! воздуха в камере - (2-2,5) 105 Па в течение 20-30 мин.;

г) определяется прочность полученных фракций алмазов при статическом иагружешш по методике, наложенной в ГОСТ 9206-80. В случае несоответствия показателя прочности партия алмазов подвергаетсп механическому дроблению, на установке объемного сжатия ПР-204 конструкции ВННИАлмаза при давлении в камере Рк - 25 МПа И давлении в цилиндре Рц - 0,5 МПа;

д) производится ситовое разделение алмазов по фракциям;

е) определяется прочность алмазои при статическом нагруже-

ним, зерновой состав н коэффициент формы по ГОСТ 9206-80.

С целью оценки качества полученного сырья изготавливают буровую коронку типа 02ИЗ-СВ диаметром 20 мм из алмазов размерностью 1000/800 мкм в количестве 400 штук. Производят контрольное бурение шлифовального крута из зеленого карбида кремния марки 63С (зернистость 40-50 мкм, степень твердости -СМП) при следующих режимах:

- осевая нагрузка - 450-500 Н;

- частота вращения - 1450 мин'4;

- расход промывочной жидкости - 1,2-1,5 дм3/мин. Ресурс буропой коронки должен быть не менее 1,15 м.

Пыла проведена обработка предложенным способом двух партий синтетических рекуперированных алмазов массой по 500 карат каждая зернистостью 1000/1250 мкм. Результаты исследований:

- выход фракций алмазов, пригодных для оснащения бурового инструмента, составил 01% в среднем но 2 партиям;

- показатель прочности при статическом нагруженни превосходит требования ГОСТ 9200-80 на 2-37%;

- ресурс буровых коронок диаметром 20 мм (2 партии по 3 штуки) составил в среднем 1,17 и 1,33 по 2 партиям.

Результаты 'испытаний в лабораторных условиях подтверждают целесообразность применения этого способа для обработки синтетических рекуперированных алмазов с целью улучшения их буровых свойств.

Для подтверждения эффективности разработанного способа было отобрано 80 карат синтетических алмазов, разбитых на 4 группы. Группы представляли собой разновидности синтетических полн-крпсталлнческпх алмазов марки ЛРС-3: исходные (АРС-3); рекуперированные необработанные (АРС-ЗРС); рекуперированные, обработанные на установке типа УОА-ЗМ (АРС-ЗРСД) и рекуперированные, обработанные предложенным методом (ЛРС-ЗРСД1). Каждая группа была представлена навесками следующих зернис-тостей: 1000/1250; 1250/1000; 1000/300 н 800/030. В процессе исследований определялись: коэффициент формы зерен (Кф) н показатель прочности при статическом иагружении (Р). Исследования проводились в ВПТРе. Установлено, что обработка рекуперированных алмазов предлагаемым способом приводит к

увеличению показателя прочности зерен в 1,3-1,6 раза и уменьшению коэффициента формы в среднем иа 8%, в то время как обработка алмазов на установке УОА-ЗМ оказывает несущественное влияние на эти показатели.

Для подтверждения вывода о целесообразности обработки синтетических алмазов предложенным способом был произведен отбор 9064 карат рекуперированных синтетических алмазов. Из них 3400 карат обработаны на овализаторе УОА-ЗМ, а 4100 карат обработаны предложенным способом. Были изготовлены буровые коронки 01АЗ и 02ИЗ диаметром 59 и 76 мм, оснащенные следующими видами синтетических алмазов: АРСЗ по ГОСТ 9200-80 исходные - индекс коронок 01АЗ-СВ и 02ИЗ-СВ (база сравнения); необработаннее рекуперированные алмазы - индекс коронок 01АЗ-РС и 02ИЗРС, алмазы, обработанные на установке УОА-ЗМ - индекс коронок 01АЗ-РСД и 02ИЗ-РСД; алмазы рекуперированные, обработанные по предложенному способу - индекс коронок 01АЗ-РСД1 и 02ИЗ-РСД1. Исследования работоспособности коронок проводились в производственных геологических объединениях (ПГО): "Доибассгеология", "Севзапгеология", "Севказгеология", "Запсибгеология" и "Красноярскгеология". В таблице 3 приведены результаты бурения коронками диаметром

' Таблица 3

Результаты испытаний буровых коронок 02113 50 и 01АЗ-59, армированных ал пазами АРС-З; АРС-З РС; АРС-ЗРСД, АРС-ЗРСД1

Тип коронок Кол-во отработанных коронок, ,тук Средняя категория пород по бурнмостн (ЕНВ) Работоспособность коронок

механическая скорость бурения, м/ч ресурс, И раехход алмазов, карат/м ут лубка ад рейс, И

огиа-рс-аа 20 8.8 1,93 17,95 0,730 4,49

02113-РОД-53 20 8,8 2,04 23,05 0,720 4,52

02ИЗРСД1-50 20 8.9 1,78 33,47 0,382 4.52

02ИЗСВ-59

(базе сравнения) - 50 8,5 1,37 19,00 0,649 3,67

О1АЗ-РС-50 25 8.6 1.31 11,26 0,872 2.87

01АЗ-РСД59 25 8,6 1,38 20,05 0,514 2,95

01АЗ-РСД1Э 25 8,6 1,40 16,80 0,604 3,06

01ЛЗ-СВ-59

(база сравнения) 34 8.7 14,01 0,660 2.9!

На основании результатов исследований рекомендовано использовать рекуперированные синтетические алмазы обработанные предложенным способом для оснащения серийных коронок типа 01АЗ-СВ и 02ИЗ-СВ. Годовой экономический эффект от внедрения разработанного способа составит 419,25 тыс.руб. (в ценах 1989 г.) ил») 2.67 руб. па один карат обработанных алмазов. Расчет экономической эффективности прошел экспертизу в ЦМЭГЭ11 Министерства геологии СССР и рекомендован к утверждению.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Существенным резервом повышения эффективности и снижения стоимости алмазного бурения разведочных скважин на

твердые полезные ископаемые является повторное использование рекуперированного из матриц алмазного сырья н твердосплавных компонентов для оснащения бурового породоразрушающего инструмента.

2. В процессе изготовления буровых коронок и рекуперации синтетических алмазов после отработки ннстрргентл происходит

снижение их прочности на 14-39%, что делает невозможным их повторное применение без дополнительной обработки.

3. Качество (полнота) разделения рекуперированных природных и синтетических алмазов может быть повышено с помощью

переменного по напряженности магнитного поля, создаваемого вращающимся устройством захвата и перемещения зерен алмазов с различной магнитной восприимчивостью, что положено в основу предложенного способа разделения.

4. Разделение природных и синтетических алмазов с магнитной восприимчивостью более 20108 м3/кг ц зернистостью до

90-50 штук/карат в электромагнитном поле стандартного изодима-мического сепаратора происходит со значительными засорениями, что приводит к необходимости повторения операций сортировки и удорожанию стоимости работ. .

5. В электромагнитном поле сепаратора ЭМС-2 с вращающимся

рабочим узлом возможно разделение рекуперированных синтетических и природных алмазов с магнитной восприимчивостью до 2 108 м3/кг и зернистостью до 30-20 штук/карат практически

без засорения, что позволяет значительно снизить стоимость работ и увеличить производительность процесса разделения. Экономический эффект от использования одного карата рекуперированных синтетических алмазов с улучшенными свойстзами составляет 2,67 руб/карат (в ценах 1989 г.).

6. Применение известных способов для улучшения свойств реку-

перированных синтетических алмазов не позволяет довести цх буровые свойства до уровня требований, предъявляемых к сырью, используемому для оснащения бурового инструмента (ГОСТ 9206-80 "Порошки алмазные. Технические требования").

7. Обработка синтетических рекуперированных алмазов предложенным новым способом позволяет повысить показатель их

прочности при статическом нагружении до требований ГОСТ 9206-80 "Порошки алмазные. Технические условия", что делает их пригодными для повторного оснащения породоразрушающего инструмента.

8. Перспективным направлением совершенствования техничес-

ких средств разделения смесей рекуперированных прнродных и синтетических алмазов является использование электродинамического способа н устройства для его реализации на базе линейных индукционных машин.

9. Для полного устранения ручного труда при сортировке алмазов необходимо совершенствовать разработанные технические

средства и технологии.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих

1, Курочнин П.Н., Осецкий Л.Н., Холодок Н.Н., Кочанов Д. П. Выбор промышленного способа дробления синтетических алмазов. В сб.: "Разработка н совершенствование алмазного породоразрушающего инструмента", Мм. 1982, С.40-42.

2. Курочкин П.Н., Осецкий А.II., Холодок Ц.Н., Никишкина Л.А., Лободина Н.П. Применение ультразвукового резания для контроля качества синтетических алмазов (СА) и сверхтвердых материалов (СТМ). В сб.. "Исследование, разработка и внедрение

высокопроизводительных технических средств алмазного бурения", Л., 1982, С.71-73.

3. Осецний A.IL, Оношко Ю.Л., Холодок H.H., Нурочкин П.Н., Никишкина JI.A. Исследование применения алмазов СВСП для армирования расширителей. В сб.: "Исследование, разработка, внедрение высокопроизводительных технических средств алмазного бурения", Л., 1982, C.69-7I.

4. Осецкий A.II,. Кушхабаев A.C., Курманов Н.М., Егоров А.Б., Головин О.С. Результаты испытаний буровых коронок с рекуперированными синтетическими алмазами. В сб.: "Создание и внедрение породоразрушающего инструмента с синтетическими алмазами и сверхтвердыми материалами", Л., 1987, С.58-67.

5. Осецкий А.И., Блинов Г.А. Анализ результатов эксплуатации. породоразрушающего инструмента, оснащенного синтетическими алмазами. В сб.: "Применение синтетических алмазов в бурении", Л., 1991, С.76-80.

6. Осецкий А.И. Способ и устройства для разделения природных и синтетических алмазов после рекуперации. Тезисы докладов И! Между народного симпозиума по бурению скважин в осложненных условиях, 5-10 июня 1995 г., С-Петербург, С.91.

7. Способ извлечения алмазов и твердосплавных компонентов из отработанного алмазного инструмента. A.C. № 1600256 "Открытия, изобретения", № 38, 1990 (соавторы: Грушевский И. П., Гоов A.A., Бобровский С.А.).

8. Электромагнитный сепаратор. A.C. № 1639752 "Открытия, изобретения", № 13, 1991 (соавторы: Грушевский И.П., БычеН' ков E.H., Гоов A.A., Бобровский C.A.).

9. Способ извлечения алмазов и твердосплавных компонентов из алмазоносной матрицы инструмента. Положительное решение о выдаче патента Российской Федерации, 1993, № 4771371/15033 (соавторы: Грушевский И. П., Кушхабиев A.C., Курманов U.M., Вычетов E.H.).