بررسي تاثير مشخصات ابزاري با نگرشي خاص بر پوشش هاي نانوکامپوزيتي فوق سخت بر عملکرد فرآيند حفاري سنگ هاي 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.

چکيده عمليات حفاري در معادن از اهميت بسيار زيادي برخوردار است به گونه‌اي که بخش تفکيک ناپذير عمليات استخراجي در معادن به شمار مي‌رود و به عنوان اولين مرحله عمليات استخراج نقش بسيار تعيين کننده‌اي بر ساير مراحل استخراج داردکه تاکنون روش مناسب‌تري براي جايگزيني اين عمليات پيدا نشده است، با پيشرفت تکنولوژي و علوم، اين عمليات نيز به طريق علمي‌تر و با اصول پايدارتر اجرا مي‌شود. در عمليات حفاري هزينه تمام شده بيشتر تحت تأثير فاکتورهايي نظير هزينه‌هاي مربوط به دستگاه حفاري (سايش سرمته) و هزينه‌هاي مصرف انرژي قرار خواهد داشت، لذا باتوجه به هزينه‌هاي بالاي عمليات حفاري و همچنين هزينه ماشين‌آلات، که بخش عمده‌اي از آن صرف انرژي مي‌شود، شناختن کامل پارامترهاي درگير در حفاري از جمله انرژي ويژه حفاري، مطلوب خواهد بود. بيشترين تنش طي عمليات حفاري، به مته‌هاي حفاري وارد مي‌شود. مته‌هاي حفاري، جزء قسمت‌هايي از رشته حفاري هستند که مرتباً در حال فرسايش مي‌باشند و پس از حفر يک متراژ مشخص، کارايي خود را از دست مي‌دهند و بايستي جايگزين شوند. در حفاري سنگ، سايش سرمته يک عامل مهم در تعيين عمر مته و هزينه حفاري است و مي‌تواند بر روش حفاري انتخاب شده براي نوع سنگ مشخص شده تأثير بگذارد. مي‌توان با استفاده از نانوکامپوزيت‌ها، نانوساختارها و نانولوله‌هاي کربني، مته‌هاي حفاري بادوام و مستحکم‌تري را توليد کرد. در اين مطالعه با توجه به افزايش تقاضا و نياز روزافزون براي استخراج معادن با سرعت و راندمان بالاتر، عدم کارايي مناسب ابزارهاي حفاري، نياز به بکارگيري تکنولوژي‌هاي برتر همچون نانوتکنولوژي در صنعت ابزار و حفاري پوشش‌هاي نانوساختار جديدي معرفي مي‌شوند که از پتانسيل بسيار بالايي در افزايش عمر و عملکرد ابزارهاي حفاري برخوردارند. هدف از تحقيق حاضر بررسي تأثير همزمان پارامترهاي فيزيکي و مکانيکي (مقاومت فشاري و کششي و سختي و ...) سنگ و همچنين پارامترهاي عملياتي (بار پشت مته، سرعت چرخش، نرخ نفوذ و گشتاور) و مشخصات ابزاري (پوشش‌دهي) بر عملکرد حفاري و معيارهاي ارزيابي حفاري (صوت، ميزان سايش سرمته، زبري سطح سوراخ شده و انرژي ويژه حفاري) مي‌باشد. همچنين راندمان حفاري با توجه به مشخصات ابزاري بررسي مي‌شود. براي اين منظور پوشش‌هاي نانو کامپوزيتي و يا بطورکلي پوشش‌هاي نانوساختار کربن شبه الماس و پوشش چندلايه آلومينيم، تيتانيم و سيليسيم‌دار بصورت لايه‌اي نازک به ضخامت چند ميکرون برروي ابزارهاي حفاري ايجاد شده و پس از انجام آزمايش هاي گوناگون حفاري با سه نوع سرمته، پنج نمونه سنگ (شامل چهار نمونه سنگ گرانيت و يک نمونه سنگ مرمريت)، سه نوع نرخ نفوذ و سه نوع سرعت دوراني و اندازه گيري پارامترهاي وابسته (صوت، ميزان سايش سرمته، زبري سطح سوراخ شده و انرژي ويژه حفاري) به بررسي ميزان عملکرد سرمته هاي حفاري از ديدگاه معيارهايي نظير عمر سرمته (ميزان سايش پذيري)، انرژي ويژه (ميزان مصرف انرژي دستگاه به ازاي واحد حجم حفاري شده از سنگ) و در نهايت زبري سطوح حفاري شده قبل و بعد از پوشش دهي در عمليات حفاري سنگ پرداخته شد و عملکرد سرمته هاي پوشش دهي شده و سرمته هاي معمولي(داراي پوشش WC) مقايسه شدند. نتايج نشان داد که پس از حفاري، مته داراي پوششWC داراي بيشترين سايش و مته داراي پوشش TiAlSi داراي کمترين ميزان سايش مي باشد. همچنين مشاهده شد، از ميان پارامترهاي فيزيکي و مکانيکي سنگ، مقاومت فشاري، سختي و سايندگي سنگ به دليل اينکه همزمان به تأثير پارامترهاي ماکروسکپي و ميکروسکپي سنگ توجه مي شود، از اهميت بيشتري نسبت به ساير پارامترها برخوردارند. همچنين نتايج نشان داد که در هر نرخ نفوذ، مقدار انرژي ويژه در حفاري با استفاده از مته داراي پوشش TiAlSi در مقايسه با مته داراي پوشش WC خيلي کمتر بوده و در مقايسه با مته داراي پوشش DLC داراي اختلاف ناچيزي مي‌باشد. بررسي ميزان صوت ناشي از حفاري در سنگ‌هاي سخت نشان داد که ميزان صوت ايجاد شده هنگام حفاري با سرمته حفاري داراي پوشش WC بيشتر از ميزان صوت ايجاد شده در هنگام حفاري با سرمته‌هاي داراي پوشش Diamond-DLC و TiAlSi مي باشد. در نهايت نتايج حاصل از اندازه‌گيري زيري سطح حفاري شده نشان داد که مقدار زبري اندازه‌گيري شده (Ra) سوراخ حفاري شده با استفاده از مته داراي پوشش TiAlSi و مته داراي پوشش Diamond-DLC بسيار کمتر از مقدار زبري اندازه‌گيري شده با استفاده از مته داراي پوشش WC مي‌باشد. کلمات کليدي: پارامترهاي عملياتي، مشخصات مکانيکي سنگ، پوشش TiAlSi، پوشش Diamond-DLC، پوشش WC، انرژي ويژه حفاري، سايش، ميزان صوت، زبري سطح