Автор: Главный металлург ООО "Унибуртех" Андрей Каличак
Разведка и добыча полезных ископаемых в современном мире становится все более интенсивной. При этом каждый из нас, услышав эти слова, вспоминает такие атрибуты, как: геолог, буровая вышка, шахта, карьер. В любом случае, для того чтобы добыть ископаемые из недр земли нужен инструмент, который будет бурить скважину или выбуривать породу или даже готовить отверстия под взрывчатку. Таким инструментом в большинстве случаев будет буровое долото или как говорят бур.
С первого взгляда это простое и невзрачное изделие, особенно после использования. На самом деле оно состоит из 3-5 сборочных единиц и около двух десятков деталей, при его производстве используется до 20 разных марок сталей и сплавов и более двух десятков металлургических операций. Именно о производстве бурового шарошечного долота сегодня будет идти речь, а именно о его металлургической составляющей.
На самом западе Украины, у подножья Карпат есть предприятие, которое изготовляет буровые шарошечные долота и другой инструмент для разрушения породы – ООО «Универсальная буровая техника».
Здесь изготавливливают буровые трехшарошечные долота для самых разнообразных отраслей – это шахтное бурение и геологоразведка, глубокое бурение и бурение на воду, бурение в железорудных карьерах и сыпучих песках. Первый параметр долота – это его диаметр. Так на предприятии изготавливают серийно долота диаметром 74 - 490мм, и уже готовы производить опытные партии долот от 63 до 590мм.
Начиная от проектирования до последней операции контроля – везде присутствует то, что называют металлургией. Однажды, будучи простым инженером, имел честь познакомится с главным металлургом тогда еще процветающего завода «ЗИЛ». Он мне высказал интересное трактование слова металлургия, точнее того, чем она занимается: «Металлургия на производстве занимается всем, что имеет температуру более 36,6 градусов»
Буровое трехшарошечное долото сочетает в себе несколько отдельных требований – это крепкая соединительная часть и корпус, стойкие подшипники и мощное армирование, которое разрушает породу.
Корпус долота изготовляется из низколегированных низкоуглеродистых сталей и специальных марок, и уже на этом этапе изготовления долота, металлургия вступает в дело. Сталь изготавливается металлургическими заводами по предварительно согласованным техническим условиям в которых оговорены не только обычный химсостав, но остаточное количество газов, механические свойства, прокаливаемость, неметалические включения, способ выплавки и другое. Работа по согласованию технических условий начинается задолго до начала производства стали. Все эти требования нужны для обеспечения разносторонних свойств материала и изделия. Уже при поступлении стали на предприятие металл каждой плавки проходит лабораторный контроль на соответствие практически всех параметров, заложенных в технических условиях.
На предприятии имеется лаборатория которая в состоянии проводить иследования химсостава, структуры, механических свойств стали и твердых сплавов, а также множества вспомогательных материалов. В ней же производится контроль всех параметров детали и изделия на всех стадиях термической и химико-термической обработки. В составе лаборатории есть химическая, металлографическая, спектральная и механо-физическая лаборатория, а также отдельная лаборатория термического цеха.
Все буровые трехшарошечное долота состоят из трех лап, трех шарошек, тел скольжения или качения подшипников, и других мелких деталей которые служат направляющими или запорной арматурой для бурового раствора. Бывают долота с одной шарошкой или двумя или даже четермя, но они используются редко. Для изготовления лап и шарошек в качестве заготовки используется поковка. А это опять же металлургический процесс.
На ООО «Универсальная буровая техника» имеется свой кузнечно-прессовый цех, кстати один из крупнейших в Украине. Изготовление поковок производится на кривошипных прессах усилием 1600тс, 2500тс, 4000тс, 6300тс, а также на ковочных и штамповочных молотах с массой падающих частей от 400 до 3100кг. Проектированием поковок, штампов и техпроцессов изготовления также занимается служба главного металлурга. Нагрев заготовок под штамповку производится как в газовых печах, так и в индукционных нагревателях.
После штамповки все поковки проходят смягчающую термообработку - это нормализация в ящиках с температуры ковки и дополнительно высокий отпуск для снятия напряжений и подготовки структуры под механическую обработку и дальнейшую термообработку. Конечно после каждой группы операций производится контроль параметров.
В зависимости от породы, которую придется бурить долоту используется разная конструкция и материал зубьев и тела шарошек – клиновидные стальные зубы для мягких и твердых неабразивных пород и твердосплавные вставные зубья для крепких и абразивных пород.
Для увеличения стойкости стальных зубьев их армируют - наплавляют твердыми материалами. Это закатанный в стальную трубку или ленту колотый карбид вольфрама, известный под названием «релит», либо смесь карбидов вольфрама, хрома и других твердых материалов в никелевой матрице. Наплавка производится с использованием кислородо-ацетеленового пламени. Аналогичным материалом наплавляются наиболее изнашиваемые поверхности лап. На предприятии разработан и внедрен целый ряд документов по производству и контролю качества как самих наплавочных материалов, так и произведённой наплавки, в том числе контроль микроструктуры наплавленного слоя. Все материалы при поступлении на предприятие проходят входной контроль в условиях лаборатории и пробную наплавку.
Твердосплавные зубья из сплавов типа ВК предприятие покупает у других производителей и проводит их тщательный входной контроль. Далее запрессовка в тело деталей долот. Форма зубов может быть самая разнообразная.
А что ж внутри? А внутри подшипники на которых вращается шарошка вокруг лапы. Причем количество и конфигурация подшипников совершенно разная минимально 3, максимум 5, причем один обязательно шариковый качения а остальные качения, скольжения, радиальные, упорные - как конструктор просчитал. И тут опять дело за металлургией. Подшипникам нужна твердость как беговых дорожек, так и тел качения. Приходится обеспечивать твердость классическим методом цементации с последующей закалкой с температуры цементации, высоким отпуском, закалкой цементированного слоя, низким отпуском. Все это делается на гордости завода – термическом цехе построенном в 2003-2007 годах полностью с нуля. В цехе установлены камерные универсальные печи немецкой (на сегодня уже американской) фирмы IPSEN International GmbH. Это одно и двухкамерные универсальные печи, способные делать цементацию, нитроцементацию, закалку деталей в закрытом закалочном баке, эндогенераторы, отпускные печи и моющие машины. Все процессы в цехе находятся под управлением вычислительной техники.
Не все поверхности деталей подлежат цементации, а на некоторых ее наличие категорически запрещено. Поверхности, где не нужна цементация защищаются специальной пастой. На предприятии испробовали много разных паст для защиты, а остановились на наиболее простой и надежной, состоящей из двух компонентов: двуокись титана и жидкое стекло. Паста надежно защищает от газовой цементации и при соблюдении несложных правил изготовления и нанесения обеспечивает очень хороший уровень защиты. Эта паста нетоксична, не загрязняет печи, легко удаляется с поверхности обработанных деталей, а детали покрытые ей выглядят завораживающе.
Если в привычном варианте требования по термообработке вкладываются в одну или несколько строк на чертеже детали. То требований к химико-термической обработке деталей долот настолько много, что они собраны в отдельный документ объёмом 30 страниц. Основные из них это требования соответствия контура цементации, глубины цементации, распределению углерода по глубине слоя, твердости цементированной поверхности и послойной твердости цементированного слоя; твердости нецементированных поверхностей и сердцевины изделия, микроструктуры цементированного слоя и сердцевины и другое, там же описаны методы и объемы контроля, причем для разных типов долот они разные. Каждая партия деталей, что загружается в печь (это около 800кг) проходит контроль на соответствие всех параметров на контрольных образцах, а периодически на реальных деталях
В последние годы, с целью уменьшения деформаций деталей, внедрено проведение первой (с цементации) закалки в среде эндогаза с подачей газообразного азота.
Сами тела скольжения или качения также изготавливаются из различных материалов, так шарики и ролики изготавливаются из стали 55СМФА, вкладыши подшипников скольжения из бронзы или никелевых сплавов, нержавеющей стали ферритного класса, подверженной цементации, упорные подшипники из быстрорежущих сталей и твердых сплавов часть деталей предприятие изготавливает само, часть покупает. Некоторые поверхности подшипников скольжения на лапах наплавляются сплавами типа «стеллит» (сплав на основе кобальта). Наплавка осуществляется методом ацетиленово-кислородной наплавки и автоматизированной плазмовой наплавкой.
Даже когда термообработка деталей казалось бы сделана, впереди еще сварка.
Проведя окончательную механическую обработку начинается процесс сборки - сварки. Сначала каждая лапа собирается с шарошкой и телами подшипников, потом сваривается в единое долото.
Это происходит не за один проход и не за одну операцию. После сварки приходит очередь нарезать резьбу, но и тут снова металлургическая операция, высокий отпуск сварных швов в зоне нарезки резьбы, иначе в местах изменения твердости на резьбе получится волнистость, а это недопустимо.
Ну вот практически и все, осталось заполнить смазкой, установить детали для направления промывочной жидкости и испытать прочность швов методом гидроопресовки. Потом покраска, приемка и на буровую. А работают долота ООО «Унибуртехника» по всему миру.
