采礦業(yè)需要新的鉆探解決方案，以應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的成本與效益壓力。與當(dāng)前鉆探方案相比，新方案不僅要更為環(huán)保，而且要更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

許多現(xiàn)有的地下礦井已接近極限開(kāi)采深度，因此目前的鉆探方法很難再保證各項(xiàng)成本的可控性。新的礦床埋藏更深，產(chǎn)量也較低。種種因素疊加在一起，要求采礦企業(yè)必須實(shí)現(xiàn)礦產(chǎn)資源的合理規(guī)劃和規(guī)模開(kāi)采，因此采用更加高效、精準(zhǔn)的鉆探方法成為了必然的選擇。

背景

Wassara是來(lái)自瑞典的一家礦業(yè)設(shè)備公司，擁有許多創(chuàng)新產(chǎn)品，這些產(chǎn)品能夠在開(kāi)采礦石的同時(shí)最大限度地減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。Wassara的核心技術(shù)是使用高壓水射流驅(qū)動(dòng)的潛孔 （DTH） 錘。Wassara的液動(dòng)潛孔錘是目前最環(huán)保的沖擊鉆探方法。潛孔錘由高壓水射流驅(qū)動(dòng)，不使用油脂進(jìn)行潤(rùn)滑，因此不會(huì)污染空氣或地下水，此外，高壓水還可有效抑制粉塵。水的不可壓縮性是Wassara潛孔錘高效工作的關(guān)鍵因素。與相對(duì)傳統(tǒng)的氣動(dòng)潛孔錘技術(shù)相比，Wassara的技術(shù)可節(jié)省大量的能源成本，因?yàn)轵?qū)動(dòng)液動(dòng)潛孔錘所需的能量更少。

潛孔 （DTH） 錘技術(shù)示意圖

由于高壓水能夠驅(qū)動(dòng)沖錘產(chǎn)生高頻、高能量沖擊運(yùn)動(dòng)，因此被Wassara選作傳動(dòng)媒介。此外，當(dāng)水流離開(kāi)錘體時(shí)，其速度足以將鉆探出的巖心和碎屑帶回地面，并清潔鉆孔。此項(xiàng)技術(shù)具有許多絕佳優(yōu)點(diǎn)，例如鉆進(jìn)效率高、鉆孔質(zhì)量佳，并且對(duì)鉆探巖層的護(hù)壁能力強(qiáng)。液驅(qū)潛孔錘技術(shù)的加入，使得礦山企業(yè)在選擇最適合礦體特性的開(kāi)采方式時(shí)有了更多選擇，它被視為是向科學(xué)開(kāi)采邁進(jìn)的一大步。

挑戰(zhàn)

每部潛孔錘都由眾多復(fù)雜的部件組成。潛孔錘的核心部件是為活塞組件提供雙向高壓水導(dǎo)流的滑動(dòng)外殼，該外殼內(nèi)部要求具有多條高壓水流動(dòng)孔道；由于設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，必須將多個(gè)加工好的零件接合在一起，才可制作出完整的外殼。復(fù)雜的設(shè)計(jì)也使得該部件的造價(jià)較為昂貴。此外，接合工藝過(guò)程中頻繁產(chǎn)生的不合格產(chǎn)品，以及使用階段由于部件磨損或斑蝕而導(dǎo)致的設(shè)備故障（這將增加維修成本），這些都使得潛孔錘的整體擁有成本進(jìn)一步上升。

潛孔錘閥門(mén)技術(shù)圖示

解決方案

為了降低成本并提高滑動(dòng)外殼部件的可靠性，Wassara找到了雷尼紹，希望了解增材制造（AM） 技術(shù)是否能夠成為一種合適的替代制造方案。金屬增材制造的顯著優(yōu)點(diǎn)之一，便是能夠?qū)⒃痉稚⒌牧慵M合成一個(gè)復(fù)雜的3D幾何結(jié)構(gòu)，而且還可簡(jiǎn)化加工步驟，例如，在加工一端需要盲塞或焊接的跨孔時(shí)，增材制造便可發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。當(dāng)增材方式制造的部件與傳統(tǒng)方式制造的部件在設(shè)計(jì)上沒(méi)有過(guò)大差異時(shí)，便可在相同的應(yīng)用環(huán)境中對(duì)二者進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果可作為驗(yàn)證金屬增材組件可用性的理想依據(jù)。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下對(duì)兩類(lèi)部件的性能進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，如果結(jié)果中出現(xiàn)任何顯著差異，即可直接歸因于制造技術(shù)的變化。Wassara滑動(dòng)外殼的幾何結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)了重新設(shè)計(jì)，集成了增材制造在設(shè)計(jì)自由度方面的優(yōu)勢(shì)。

利用增材制造技術(shù)制造的馬氏體時(shí)效鋼滑動(dòng)外殼部件

采用金屬增材制造方案需要克服的下一個(gè)難題是針對(duì)特定應(yīng)用采用合適的金屬合金。在本案例中，該部件原來(lái)使用的是標(biāo)準(zhǔn)合金鋼527M20，這是一種合金結(jié)構(gòu)鋼，由于碳含量中等，通常不會(huì)用于金屬增材制造。更適合增材制造的合金鋼為316L不銹鋼，然而，雖然這種合金鋼的耐腐蝕性能較好，但預(yù)計(jì)在使用期間仍無(wú)法保證足夠的耐磨蝕和耐侵蝕性能。

雷尼紹提出的另一種備選方案是使用馬氏體時(shí)效合金鋼生產(chǎn)測(cè)試部件。馬氏體時(shí)效鋼是一種時(shí)效硬化工具鋼，用途極為廣泛；可對(duì)其進(jìn)行熱處理，通過(guò)調(diào)節(jié)工藝溫度可獲得適合特定應(yīng)用要求的材料特性。

這是該類(lèi)型鋼在礦山開(kāi)采領(lǐng)域的第一次測(cè)試和應(yīng)用，因此在滑動(dòng)外殼加工完成后對(duì)其進(jìn)行了熱處理，以確保達(dá)到最大硬度。

依照增材制造特點(diǎn)重新設(shè)計(jì)的滑動(dòng)外殼部件

結(jié)果

為了測(cè)試增材滑動(dòng)外殼的性能，Wassara將其組裝到完整的潛孔錘上，在標(biāo)準(zhǔn)采掘條件下測(cè)試使用，即在選定巖面上鉆鑿典型的長(zhǎng)通道孔。隨后對(duì)潛孔錘進(jìn)行常規(guī)目視檢查和維護(hù)，與傳統(tǒng)外殼相比，增材制造的滑動(dòng)外殼并未出現(xiàn)任何斑蝕跡象，并且磨損程度很小。接著又重新組裝潛孔錘，并繼續(xù)進(jìn)行更多的鉆鑿作業(yè)。

Wassara的高壓水射流驅(qū)動(dòng)的潛孔 （DTH） 錘

完成上述作業(yè)后，Wassara對(duì)增材制造的滑動(dòng)外殼進(jìn)行了第二次檢查，發(fā)現(xiàn)確實(shí)出現(xiàn)了一些磨損跡象，但除此之外，部件表面并沒(méi)有出現(xiàn)斑蝕（這是導(dǎo)致設(shè)備故障的第二大常見(jiàn)原因）。隨后Wassara又進(jìn)行了第三次鉆鑿測(cè)試，這次的持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出正常的潛孔錘工作周期，以期盡可能確定是否會(huì)出現(xiàn)斑蝕跡象，但實(shí)際上仍未出現(xiàn)任何斑蝕情況。由此得出的初步結(jié)論是，與采用標(biāo)準(zhǔn)合金鋼制造的傳統(tǒng)滑動(dòng)外殼相比，采用馬氏體時(shí)效鋼制造的增材部件具有卓越的潛在耐斑蝕性能。
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