بررسی تاثیر مشخصات ابزاری با نگرشی خاص بر پوشش های نانوکامپوزیتی فوق سخت بر عملکرد فرآیند حفاری سنگ های سخت

STUDENT

DEGREE

YEAR

Drilling operation is considered to be an important issue and inseparable section in mining. It is also the determinative role in excavation operation stages compared to other excavation stages. So that, the better method has not been found as alternative option so far. As the technology and science develop, the drilling operation is applied more scientific. In drilling operation, the dominant cost is related to the cost of drilling machine and energy consumption. Therefore, according to these two mentioned parameters, knowing the influential parameters in drilling such as specific energy is appropriate. Drilling bits sustain the most stress during drilling operation. The bits are parts of drilling operation and continually expose to wear. Hence, after drilling a specific depth should be replaced. One of the important parameters in determining the drilling cost and bit life is bit wear. It can be effective on the type of drilling method for a certain rock. It is possible to produce the more durable and stronger bit using nanocomposites, nanostructures and carbon nanopipes. In this research, with regard to rise in demand, the need in excavation of mining with high efficiency and dysfunctional drilling tools, the modern technology in nanotechnology especially in drilling tool and wear coating is introduced. this study deals with the effect of physical and mechanical properties such as uniaxial compressive strength, tensile strength, and so on, operational parameters for instance thrust, penetration rate and torch and tool specifications such as coating on drilling performance and evaluation of drilling criteria for example bite wear, specific energy, the roughens of penetrated surface. Furthermore, drilling efficiency is investigated based on tool specifications. For this purpose, nanocomposite coating or Diamond-DLC coating and TiAlSi coating as thin layers with the thickness of micrometer are coated on drilling tool. After conducting different tests by 3 types of bits, 5 types of rocks including 4 kind of granite sample and 1 kind of marble sample, 3 types of penetration rate, 3 types of rotational velocity and measuring dependent parameters such as bite wear, specific energy, the roughens of penetrated surface, performance of bit drilling in terms of criteria such as life bit, specific energy and roughens of penetrated surface before and after coating was considered. In the end the performance of the coated bits and non-coated bits (WC) was compared. The results showed that, after drilling, the most wear is related to the non-coated bits and there is the least wear for the bits coated with TiAlSi. It was observed that, uniaxial compressive strength, hardness and rock wear parameters are more significant than other parameters owing to paying attention to effect of microscopic and macroscopic parameters at the same time. The test results expressed that in each penetration rate, the specific energy is less for the bits coated with TiAlSi than the bits coated with non-coated bits and there is no remarkable differences compared to DLC coating. Acoustic parameter emitted for non-coated bits is more than acoustic emitted for Diamond-DLC and TiAlSi bits. Finally, the roughness measured for Diamond-DLC and TiAlSi bits is extremely less than WC bit. Keyword: operational parameter, physical properties, TiAlSi coating, Diamond-DLC coating, WC coating, drilling specific energy, wear, roughness, acoustic.

عملیات حفاری در معادن از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است به گونه‌ای که بخش تفکیک ناپذیر عملیات استخراجی در معادن به شمار می‌رود و به عنوان اولین مرحله عملیات استخراج نقش بسیار تعیین کننده‌ای بر سایر مراحل استخراج داردکه تاکنون روش مناسب‌تری برای جایگزینی این عملیات پیدا نشده است، با پیشرفت تکنولوژی و علوم، این عملیات نیز به طریق علمی‌تر و با اصول پایدارتر اجرا می‌شود. در عملیات حفاری هزینه تمام شده بیشتر تحت تأثیر فاکتورهایی نظیر هزینه‌های مربوط به دستگاه حفاری (سایش سرمته) و هزینه‌های مصرف انرژی قرار خواهد داشت، لذا باتوجه به هزینه‌های بالای عملیات حفاری و همچنین هزینه ماشین‌آلات، که بخش عمده‌ای از آن صرف انرژی می‌شود، شناختن کامل پارامترهای درگیر در حفاری از جمله انرژی ویژه حفاری، مطلوب خواهد بود. بیشترین تنش طی عملیات حفاری، به مته‌های حفاری وارد می‌شود. مته‌های حفاری، جزء قسمت‌هایی از رشته حفاری هستند که مرتباً در حال فرسایش می‌باشند و پس از حفر یک متراژ مشخص، کارایی خود را از دست می‌دهند و بایستی جایگزین شوند. در حفاری سنگ، سایش سرمته یک عامل مهم در تعیین عمر مته و هزینه حفاری است و می‌تواند بر روش حفاری انتخاب شده برای نوع سنگ مشخص شده تأثیر بگذارد. می‌توان با استفاده از نانوکامپوزیت‌ها، نانوساختارها و نانولوله‌های کربنی، مته‌های حفاری بادوام و مستحکم‌تری را تولید کرد. در این مطالعه با توجه به افزایش تقاضا و نیاز روزافزون برای استخراج معادن با سرعت و راندمان بالاتر، عدم کارایی مناسب ابزارهای حفاری، نیاز به بکارگیری تکنولوژی‌های برتر همچون نانوتکنولوژی در صنعت ابزار و حفاری پوشش‌های نانوساختار جدیدی معرفی می‌شوند که از پتانسیل بسیار بالایی در افزایش عمر و عملکرد ابزارهای حفاری برخوردارند. هدف از تحقیق حاضر بررسی تأثیر همزمان پارامترهای فیزیکی و مکانیکی (مقاومت فشاری و کششی و سختی و ...) سنگ و همچنین پارامترهای عملیاتی (بار پشت مته، سرعت چرخش، نرخ نفوذ و گشتاور) و مشخصات ابزاری (پوشش‌دهی) بر عملکرد حفاری و معیارهای ارزیابی حفاری (صوت، میزان سایش سرمته، زبری سطح سوراخ شده و انرژی ویژه حفاری) می‌باشد. همچنین راندمان حفاری با توجه به مشخصات ابزاری بررسی می‌شود. برای این منظور پوشش‌های نانو کامپوزیتی و یا بطورکلی پوشش‌های نانوساختار کربن شبه الماس و پوشش چندلایه آلومینیم، تیتانیم و سیلیسیم‌دار بصورت لایه‌ای نازک به ضخامت چند میکرون برروی ابزارهای حفاری ایجاد شده و پس از انجام آزمایش های گوناگون حفاری با سه نوع سرمته، پنج نمونه سنگ (شامل چهار نمونه سنگ گرانیت و یک نمونه سنگ مرمریت)، سه نوع نرخ نفوذ و سه نوع سرعت دورانی و اندازه گیری پارامترهای وابسته (صوت، میزان سایش سرمته، زبری سطح سوراخ شده و انرژی ویژه حفاری) به بررسی میزان عملکرد سرمته های حفاری از دیدگاه معیارهایی نظیر عمر سرمته (میزان سایش پذیری)، انرژی ویژه (میزان مصرف انرژی دستگاه به ازای واحد حجم حفاری شده از سنگ) و در نهایت زبری سطوح حفاری شده قبل و بعد از پوشش دهی در عملیات حفاری سنگ پرداخته شد و عملکرد سرمته های پوشش دهی شده و سرمته های معمولی(دارای پوشش WC) مقایسه شدند. نتایج نشان داد که پس از حفاری، مته دارای پوششWC دارای بیشترین سایش و مته دارای پوشش TiAlSi دارای کمترین میزان سایش می باشد. همچنین مشاهده شد، از میان پارامترهای فیزیکی و مکانیکی سنگ، مقاومت فشاری، سختی و سایندگی سنگ به دلیل اینکه همزمان به تأثیر پارامترهای ماکروسکپی و میکروسکپی سنگ توجه می شود، از اهمیت بیشتری نسبت به سایر پارامترها برخوردارند. همچنین نتایج نشان داد که در هر نرخ نفوذ، مقدار انرژی ویژه در حفاری با استفاده از مته دارای پوشش TiAlSi در مقایسه با مته دارای پوشش WC خیلی کمتر بوده و در مقایسه با مته دارای پوشش DLC دارای اختلاف ناچیزی می‌باشد. بررسی میزان صوت ناشی از حفاری در سنگ‌های سخت نشان داد که میزان صوت ایجاد شده هنگام حفاری با سرمته حفاری دارای پوشش WC بیشتر از میزان صوت ایجاد شده در هنگام حفاری با سرمته‌های دارای پوشش Diamond-DLC و TiAlSi می باشد. در نهایت نتایج حاصل از اندازه‌گیری زیری سطح حفاری شده نشان داد که مقدار زبری اندازه‌گیری شده (Ra) سوراخ حفاری شده با استفاده از مته دارای پوشش TiAlSi و مته دارای پوشش Diamond-DLC بسیار کمتر از مقدار زبری اندازه‌گیری شده با استفاده از مته دارای پوشش WC می‌باشد. کلمات کلیدی: پارامترهای عملیاتی، مشخصات مکانیکی سنگ، پوشش TiAlSi، پوشش Diamond-DLC، پوشش WC، انرژی ویژه حفاری، سایش، میزان صوت، زبری سطح