Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0028

Аннотация скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0028
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук"
Название доклада
Комбинированный инструмент с применением сверхтвердых композиционных материалов для эффективного разрушения горных пород
Докладчик
Никитенко Сергей Михайлович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель проекта: исследование и разработка комплекса научно-технических решений, направленных на создание экспериментальных конструкций комбинированного инструмента с армирующими вставками из сверхтвёрдых композиционных материалов (СТКМ) для эффективной дезинтеграции горных пород в различных условиях эксплуатации.
Задачи проекта:
1. Разработка методических подходов к разработке новых видов комбинированного горного инструмента с армирующими вставками из СТКМ.
2. Изготовление экспериментальных образцов комбинированного инструмента с армирующими вставками из СТКМ.
3. Разработка комплекса стендового оборудования для исследования процессов бурения и энергоемкости разрушения горных пород, абразивного износа породоразрушающего инструмента, технологий пайки армирующих вставок из СТКМ.
4. Разработка рекомендаций по использованию новых видов комбинированного инструмента с применением СТКМ на горнодобывающих предприятиях в различных условиях эксплуатации.
Актуальность и новизна исследования
Механический способ разрушения получил наибольшее распространение при ведении основных производственных процессов в мировой горнодобывающей промышленности, при строительстве подземных сооружений и тоннелей. В то же время, механический способ разрушения ведёт к интенсивному износу инструмента. Именно поэтому проблема разрушения горного массива с минимальными удельными энергозатратами была и остается одной из важнейших научно-прикладных задач в горном производстве.
В тоже время, исследования учёных-материаловедов и эксплуатационная статистика подтверждают, что присутствие легирующих добавок в виде вольфрама в используемых в горном инструменте твердых сплавах на основе карбида вольфрама дают при истирании искры, способные поджечь пылегазовые смеси. В июле 2016 года Ростехнадзор завершил техническое расследование аварии на шахте «Северная» в Воркуте («Северсталь»), которая унесла жизни 36 человек. Основная версия: к взрыву могло привести скопление метана и искры от резцов горного оборудования (https://news.mail.ru/incident/26548710/?frommail=1).
Композиционные материалы, не содержащие карбид вольфрама, не вызывают искру при истирании, что может обеспечить дополнительную безопасность при бурении в условиях горнодобывающих производств, опасных по газу и пыли.

Актуальность исследований подтверждается положениями Долгосрочной Программы развития угольной промышленности России на период до 2030 г., одна из подпрограмм которой «Обеспечение технологического развития отрасли и укрепление научно-технической базы компаний и научных центров» предполагает решение задач модернизации горношахтного оборудования, разработки новых способов и средств разрушения пород и полезных ископаемых.
Описание исследования

Повышение эффективности разрушения пород горным инструментом может быть достигнуто тремя способами: изменением геометрии инструмента, использованием новых более производительных и энергоэффективных режимов породоразрушения, применением новых сверхтвёрдых композиционных материалов для изготовления вставок в инструмент. При этом, необходимо обеспечить существенно более высокую прочность инструмента по сравнению с прочностью пород, и создать такие формы инструмента, при которых процесс разрушения был бы наименее энергоемким.

Приемы прикладных и экспериментальных исследований зависят от поставленной цели, используемых средств и специфики условий, в которых исследование должно проводиться. Программы и методики экспериментальных исследований  образцов новых видов горного инструмента включают в себя следующие обязательные разделы: цели и объект испытаний; условия и порядок проведения испытаний;  материально-техническое обеспечение испытаний;  метрологическое обеспечение испытаний; форма отчетности по испытаниям.

Программы и методики экспериментальных исследований  разработаны для каждого из четырёх типов разрабатываемого инструмента:  для резцов для вращательного бурения;  для  резцов комбайновых тангенциальных; для  буровых коронок безлезвийных; для резцов комбайновых радиальных.

Конечная цель  исследований - отыскание оптимальных решений, способных  оптимизировать некоторые критерии  при заданной системе ограничений. Программы исследований разработаны на основе следующих методов:

-  методы выявления микроструктуры, подлежащих дальнейшей обработке;

- методы изучения  механических свойств материалов, предназначаемых к процессам формоизменения;

- методы экспериментального исследования по разработке инженерных подходов к  расчету технологических процессов обработки новых материалов;

- методы и  технологии обработки металлов, процессов современного машиностроения, включающих наиболее сложные операции.

Разработка экспериментальных конфигураций армирующих вставок буровых резцов была осуществлена с учетом динамики процесса бурения и специфики работы буровых машин, заключающейся в наличие колебаний системы вращатель-штанга-инструмент. Экспериментальные данные убедительно доказывают наличие в процессе бурения колебательных явлений в штанге, их значительное влияние на эффект разрушения забоя и на производительность процесса в целом.

Исходными данными к разработке экспериментальных конфигураций армирующих вставок безлезвийных буровых коронок являлись исследования процесса взаимодействия различных типов и схем размещений инденторов с горной породой. В процессе исследований были найдены четыре технических решения, позволяющих обеспечить более эффективное разрушение горных пород при ударном воздействии на инструмент: недопущение переизмельчения горной породы за счет введения рассечки в буровой коронке; достижение активного разрушения забоя шпура посредством установки инденторов по концентрическим окружностям коронки; разработка безлезвийных вставок с неодинаковыми кривизнами по главным направлениям; увеличение эффекта разрушения за счет создания комбинированного вооружения коронок – безлезвийного и лезвийного.

Разработка экспериментальных конфигураций армирующих вставок тангенциальных поворотных резцов была осуществлена посредством анализа нагрузок, испытываемых твердосплавной вставкой в процессе работы резца. Конструкция тангенциального поворотного резца основана на реализации принципа «самозатачивания» резца, т.е. вращения в резцедержателе при разрушении массива. В связи с этим достижение гарантированной проворачиваемости резца в резцедержателе является основной задачей, решаемой при проектировании экспериментальных конфигураций армирующих вставок.

Исследования радиальных резцов, показали, что основными причинами выхода радиальных резцов из строя является излом корпуса и затупления твердосплавной вставки. Основываясь на этом, разработка экспериментальных конфигураций армирующих вставок радиальных резцов была осуществлена на основе анализа нагружения резца при резании хрупких сред. Учитывая то, что изменение геометрии инструмента может приводить к существенным изменениям действующих сил, а значит и изменять эффективность всего процесса резания, были предложены четыре технических решения, позволяющих обеспечить более эффективное разрушение горных пород. 

Результаты исследования

Анализ зарубежного опыта   по созданию комбинированного инструмента с армирующими вставками из СТКМ показывают, что научные направления разработки новых видов горнорежущего инструмента не  увязываются с необходимостью изменения геометрических параметров и конфигурации базовой части инструмента (корпусов), которая является основой для установки армирующих вставок.

Предлагаемые  в проекте решения имеют преимущества перед зарубежными в том, что они основываются на изменении конструкции не только собственно армирующих вставок, но и базовых элементов инструмента, что позволяет обеспечивать синергетический эффект.

Анализ патентно-лицензионной ситуации показал достаточно устойчивую тенденцию изобретательской активности к исследованию и поиску вариантов конструкций режущих пластин бурового резца с применением сверхтвердых композиционных материалов для эффективного разрушения горных пород.

Всего по заданной теме отобрано и проанализировано 208 патентных документов. Анализ изобретательской активности показал достаточно стабильный и высокий уровень патентования в данной области техники. Взаимное патентование по странам, где проводился патентный поиск, показал, что наибольшую активность по вопросу патентования за рубежом проявляют компании США.

Как показал патентный анализ, поиск вариантов конструкций режущих пластин бурового резца с применением сверхтвердых композиционных материалов для эффективного разрушения горных пород продолжается. Интерес крупных промышленных производителей к этому вопросу высок. Территория использования запатентованных ранее технических решений по данному вопросу показывает, что востребованность и актуальность поставленной задачи не снижается.

На текущем этапе разработаны четыре лабораторных технологических регламента: изготовления комбинированного инструмента с армирующими вставками из СТКМ; пайки (сваркопайки) комбинированных армирующих вставок из СТКМ;   получения наноструктурных  прослоек;  получения новых типов припоев. При разработке лабораторных технологических регламентов учитывались требования  Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии, а также требования к разработке технических регламентов Таможенного союза, (в частности: Технический регламент ТС "О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах" (ТР ТС - 012 - 2011), Технический регламент ТС "О безопасности машин и оборудования" (ТР ТС - 010 - 2011). Лабораторные технологические регламенты прошли формальную экспертизу в техническом комитете по национальной стандартизации ТК 269 «Горное дело».

Ожидаемые результаты проекта:

1. Методические (теоретические) подходы к разработке новых видов комбинированного горного инструмента с  армирующими вставками из СТКМ на  основе  корреляции литологии и прочности пород с различными типами инструмента.

2. Экспериментальные образцы комбинированного инструмента с  армирующими вставками из СТКМ для различных условий разрушения горных пород.

3. Технологические принципы проектирования стендового оборудования для исследования процессов бурения,  энергоемкости разрушения горных пород, абразивного (эрозионного) износа породоразрушающего инструмента, технологий пайки армирующих вставок из СТКМ.

4. Рекомендации по использованию новых видов  комбинированного инструмента с применением СТКМ на горнодобывающих предприятиях на основе   новых более производительных и энергоэффективных режимов дезинтеграции пород. 

Практическая значимость исследования
1. Расширение области и пределов границ применения всех типов горного инструмента для буровых установок, проходческих и добычных комбайнов.
2. Развитие в России высокотехнологичной отрасли нанокомпонентных сверхтвердых композиционных материалов, обладающих значительным экспортным потенциалом.
3. Возможность разработки технологий добычи полезных ископаемых (пластовых и россыпных) на основе эффективной дезинтеграции горных пород с применением новых видов безопасного горного инструмента из СТКМ.
4. Значительное снижения энергоемкости и себестоимости разрушения горных пород на предприятиях горнодобывающей и перерабатывающей отраслях.
5. Реализация новых технологий безвзрывной, экологически щадящей подземной добычи алмазов, а также технологий подземной разработки кимберлитовых руд повышенной крепости и абразивности.
6. Обеспечение безопасности ведения горных работ во взрывоопасной пыле-газовой среде.
Потенциальные потребители результатов проекта: предприятия горнодобывающей отрасли (ОАО «АЛРОСА»; ОАО «СУЭК» - письма поддержки проекта), в том числе зарубежные: АО «АрселлорМиттал Темиртау (Казахстан), Viru Keemie Grupp AS, Eesti energia kaevavdused AS (Эстония), T Sharqawi Trading Branch Est (Саудовская Аравия), Erkat Middle EAST W.L.L.( Катар), предприятия юго-восточного региона (Индия, Индонезия, Вьетнам).