一种超声波振动钢粒冲击牙轮钻头及钻进方法技术

本发明专利技术公开了一种超声波振动钢粒冲击牙轮钻头及钻进方法，涉及钻头技术领域。本发明专利技术包括钻杆、装设在钻杆一端的钻头本体、均布装设在钻头本体外侧壁上多个牙轮本体、装设在钻杆另一端的超声波振动发生器，牙轮本体的一侧开设有放置孔，放置孔的内部放置有钢粒。本发明专利技术通过在常规钻头本体的牙轮本体中，嵌入压电陶瓷，同时在钻进过程中，还会通过钻杆不断注入钢粒，实现利用压电陶瓷激发出的超声波振动诱导钢粒对岩石进行超高频冲击，使坚硬岩石产生破碎坑，之后伴随钻头本体的转动，一方面通过牙轮本体上的切削齿切削破坏岩石，同时还能通过牙轮本体带动钢粒实现磨削破坏，进而可以极大程度上提高坚硬岩石的破坏效率。极大程度上提高坚硬岩石的破坏效率。极大程度上提高坚硬岩石的破坏效率。

【技术实现步骤摘要】
一种超声波振动钢粒冲击牙轮钻头及钻进方法


[0001]本专利技术属于钻头领域，具体地说，涉及一种超声波振动钢粒冲击牙轮钻头及钻进方法。

技术介绍

[0002]目前，煤矿井下水力压裂技术是矿井瓦斯治理的一种可靠、实用的技术。由于普通的水力压裂技术具有钻孔工程量大、成本高的特点，煤矿逐渐引入定向钻机进行大直径、长距离的钻孔施工，并以此作为水力压裂的压裂孔，取得了一系列比较好的效果。但是，采用定向钻机进行长距离定向钻孔时是有相应适用条件的，要求煤岩层硬度不能太小，也不能太大，硬度太小时，钻孔时容易塌孔，硬度太大时，钻进、成孔速度太慢，效率太低。
[0003]随着地层深度提高，面临着岩石强度大、可钻性低的问题，但是超声波在钻头中传播时分布不均匀,导致钻头表层性能分布不均匀，后期磨损程度不一，修复难度大的问题。
[0004]综上，因此本专利技术提供了一种超声波振动钢粒冲击牙轮钻头及钻进方法，以解决上述问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种超声波振动钢粒冲击牙轮钻头及钻进方法。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用技术方案的基本构思是：
[0007]一种超声波振动钢粒冲击牙轮钻头，包括钻杆、装设在钻杆一端的钻头本体、均布装设在钻头本体外侧壁上多个牙轮本体、装设在钻杆另一端的超声波振动发生器，牙轮本体的一侧开设有放置孔，放置孔的内部放置有钢粒，方便了把钢粒放置在放置孔的内部；
[0008]钻杆的内部开设有第一通道，钻头本体的内部开设有两个第二通道、两个第三通道，且第三通道与放置孔相连通，第三通道与第二通道相连通，第二通道与第一通道相连通，方便了钢粒在第一通道、第二通道、第三通道、第四通道的内部移动。
[0009]可选的，钻头本体的内部均布开设有多个第四通道，且第四通道与第三通道相连通，第二通道与第三通道的接触处设有第一圆角，第四通道与第三通道的接触处设有第二圆角，提高了钢粒在第四通道与第三通道移动的效率。
[0010]可选的，两个第二通道相连通，且两个第二通道接触处设有第三圆角，两个第二通道呈V字型阵列，钢粒与第一通道、第二通道、第三通道配合，钢粒与第四通道配合，一个第一通道、两个第二通道呈Y型阵列。
[0011]一种超声波振动钢粒冲击牙轮钻头钻进方法，包括如下步骤：
[0012]步骤一：将钻头本体进行清洗，去除表面杂质，包括浸泡、酸洗、电解、超声波清洗和冲洗，并把压电陶瓷嵌入牙轮本体的内部；
[0013]步骤二：配置钢粒，并将钢粒放置在清洗完成后的钻头本体的第一通道内部，钻头本体的底端设置有旋转座；
[0014]步骤三：垂直悬空安装超声波设备，并将其输出头从四个方向深入进入钻头本体的内部；
[0015]步骤四：启动超声波设备，从四个方向通过钻头本体对岩石进行破坏，实现利用压电陶瓷激发出的超声波振动诱导钢粒对岩石进行超高频冲击，使坚硬岩石产生破碎坑，之后伴随牙轮钻头的转动，一方面通过牙轮上的切削齿切削破坏岩石，同时还能通过牙轮带动钢粒实现磨削破坏，进而可以极大程度上提高坚硬岩石的破坏效率。
[0016]钻头本体2制备的过程分为以下几个步骤：
[0017]步骤一、原料的准备：所述原料包括金刚石粉末、石墨烯、二氧化钛粉末、氢化钛粉末、镍、粘结剂和催化剂，金刚石粉末的粒径为50nm
‑
150nm，所述氢化钛粉末的粒径为200nm
‑
350nm，金刚石粉末为100
‑
120份、石墨烯80
‑
90份、二氧化钛粉末5
‑
7份、氢化钛粉末1
‑
10份、镍1
‑
10份、粘结剂1
‑
10份、催化剂1
‑
10份；
[0018]步骤二、原料的搅拌：将步骤一中所述原料投入搅拌釜内，搅拌至均匀；
[0019]步骤三、钻头刀具胎体的制备：将步骤二中搅拌后的原料放入真空炉的模具内，加热成型；
[0020]步骤四、高温高压处理：将步骤三的钻头刀具胎体放入铰链式六面顶压机中进行高温高压成型，获得钻头刀具；
[0021]步骤五、初加工：对步骤四中成型的钻头刀具进行机械加工；
[0022]步骤六、镀膜加工前处理：采用金属洗涤剂对钻头刀具进行去油去污处理，并在表面进行抛光处理，随后进行超声波清洗，最终进行烘干；
[0023]步骤七、镀膜处理：将钻头刀具置入镀膜室内的旋转式工件架上，同时使得钻头刀具处于多组阴极弧源靶所包围的圆柱形区域内，然后完成镀膜处理。
[0024]钢粒3制备的过程分为以下几个步骤：
[0025]步骤一、电炉冶炼，要求红包无渣出钢；
[0026]步骤二、LF精炼炉，精炼时间≥30min，过程根据渣况补加CaO，前期使用Al粒加高品位碳化硅脱氧，中后期使用高品位碳化硅保持白渣；根据Alt含量补加铝铁或铝线，Alt保持≥0.020％，精炼后期控制进VD前〔Al〕：0.020
‑
0.040％，精炼过程Cr按0.78％以内控制，其它元素除Al、B、S按目标值下限调整；
[0027]步骤三、VD真空炉，真空度≤1毫巴下保持，保持时间≥12min，破真空确保软吹Ar≥20min以上；按目标值使用CrN合金增氮，MnN线微调；用喂线或加合金进行微调,喂线或加合金顺序如下：C、Al、Ca、B
‑
Fe、S，微调成分操作如下：C线喂完立即喂入Al线：80
‑
100m,然后搅拌1min以上喂入Ca线：30m,完毕后保持静搅3min以上加入BFe：0.16
‑
0.20kg/t，再静搅5min以上加入硫化铁合金：0.60
‑
0.80kg,再确保静搅5
‑
10min以上，静搅过程取成品样后吊包上连铸；
[0028]步骤四、连铸，得到连铸坯；该齿轮钢连铸坯按重量百分比其成分为：C0.16～0.21％、Si0.20～0.33％、Mn0.85～1.10％、Cr0.85～1.20％、Al0.030
‑
0.060％、P≤0.035％、S0.015
‑
0.030％、B0.0005
‑
0.020％、N0.0120％、Ni≤0.30％Mo≤0.30％、Cu≤0.20％，余量是Fe和不可避免的杂质；
[0029]步骤五、轧钢，加热炉内温度：预热段≤850℃、加热段1200－1250℃、均热段1200－1230℃,总加热时间135～145分，出入钢节奏90～100秒，水除鳞压力≥20MPa，开轧
温度≥1100
‑
1130℃,终轧温度≥950℃；轧后轧材入干燥坑缓冷，入坑温度≥500℃，保温时间≥24小时，出坑温度≤200℃；得到晶粒细化的齿轮钢。
[0030]采用上述技术方案后，本专利技术与现有技术相比具有以下有益本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声波振动钢粒冲击牙轮钻头，包括：钻杆(1)、装设在钻杆(1)一端的钻头本体(2)、均布装设在钻头本体(2)外侧壁上多个牙轮本体(201)、装设在钻杆(1)另一端的超声波振动发生器(102)，其特征在于，牙轮本体(201)的一侧开设有放置孔(205)，放置孔(205)的内部放置有钢粒(3)；钻杆(1)的内部开设有第一通道(101)，钻头本体(2)的内部开设有两个第二通道(202)、两个第三通道(203)，且第三通道(203)与放置孔(205)相连通，第三通道(203)与第二通道(202)相连通，第二通道(202)与第一通道(101)相连通。2.根据权利要求1所述的一种超声波振动钢粒冲击牙轮钻头，其特征在于，钻头本体(2)的内部均布开设有多个第四通道(204)，且第四通道(204)与第三通道(203)相连通。3.根据权利要求1所述的一种超声波振动钢粒冲击牙轮钻头，其特征在于，第二通道(202)与第三通道(203)的接触处设有第一圆角(206)。4.根据权利要求2所述的一种超声波振动钢粒冲击牙轮钻头，其特征在于，第四通道(204)与第三通道(203)的接触处设有第二圆角(207)。5.根据权利要求1所述的一种超声波振动钢粒冲击牙轮钻头，其特征在于，两个第二通道(202)相连通，且两个第二通道(202)接...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐琼琼，韩观胜，周宇，
申请(专利权)人：绍兴文理学院，
类型：发明
国别省市：