CC BY
18
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie.ru/ Том 8, №3 (2016) http ://naukovedenie. ru/index.php?p=vol8-3 URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/100TVN316.pdf Статья опубликована 23.06.2016. Ссылка для цитирования этой статьи:
Афанасьев А.Е., Каргин В.Р., Каргин Б.В. Совершенствование технологии литья крупногабаритных полных слитков для прессования бурильных труб // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 8, №3 (2016) http://naukovedenie.ru/PDF/100TVN316.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
УДК 669.719: 621.74
Афанасьев Александр Евгеньевич
ФГАОУ ВО «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева»
Россия, Самара1
Аспирант кафедры «Обработки металлов давлением» E-mail: alexander.afanasiev@alcoa.com
Каргин Владимир Родионович
ФГАОУ ВО «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева»
Россия, Самара
Профессор кафедры «Обработки металлов давлением»
Доктор технических наук E-mail: vrkargin@mail.ru РИНЦ: http://elibrary.ru/author profile.asp?id=583344
Каргин Борис Владимирович
ФГАОУ ВО «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева»
Россия, Самара
Профессор кафедры «Обработки металлов давлением» Кандидат технических наук, доцент E-mail: kargin163@gmail.com РИНЦ: http://elibrary.ru/author profile.asp?id=338154
Совершенствование технологии литья крупногабаритных полных слитков для прессования бурильных труб
Аннотация. Рассмотрена технология производства крупногабаритных полых слитков из высоколегированных алюминиевых сплавов серии 7ХХХ для изготовления длинномерных прессованных труб переменного сечения диаметром более 500 мм со стенкой 35 мм и утолщениями на торцах, используемых при изготовлении водоотделяющих колонн при морском бурении. Основное внимание уделено повышению чистоты металла по твердым неметаллическим включениям. Описана современная система очистка расплава, включающая внепечное рафинирование смесью аргона и хлора на установке А622, фильтрование через насыпной и пенокерамический фильтры, распределение и регулирование жидкого металла в кристаллизаторе с помощью установки распределительного сита со съемными лодочками. Оценка чистоты металла свидетельствовала о снижении почти на два порядка содержания неметаллических включений в металле при использовании этой системы. Обеспечено выполнение требований по содержанию водорода не более 0,2 см3/100 грамм металла, по
1 443030, г. Самара, ул. Владимирская, дом 7, кв. 101 1
размеру зерна не более 1 мм и получение равноосной структуры на крупногабаритных полых слитках с наружным диаметром 1100 мм и внутренним диаметром 600 мм.
Ключевые слова: бурильные трубы; крупногабаритные полые слитки; плавильно-литейный агрегат; полунепрерывное литье; газонасыщенность расплава; внепечное рафинирование; неметаллические включения; насыпной фильтр; пенокерамический фильтр; распределительное сито; очистка металла
Введение
Интенсивное развитие нефтяной и газовой промышленности требует новых технологических решений. Одним из таких инновационных решений является изготовление водоотделяющих колонн (райзеров) для глубоководного бурения на основе длинномерных прессованных труб переменного сечения из высокопрочных алюминиевых сплавов серии 7ХХХ диаметром более 500 мм со стенкой 35 мм и утолщениями на торцах [1]. Для прессования таких труб на уникальном экструзионном прессе усилием 200 МН на ЗАО "Алкоа - СМЗ" требуются крупногабаритные полые слитки с наружным диаметром < 1100 мм и внутренним 500-800 мм.
Помимо высоких требований к чистоте металла по содержанию водорода не более 0,2 см3/100 грамм металла, неметаллическим и вредным металлическим примесям слитки для прессования должны иметь мелкозернистую однородную по всему объему структуру с размером зерна не более 1 мм и обеспечивать максимальную пластичность в интервале температур деформации [2-7].
В данной статье приведены результаты исследований по повышению качества технологии литья крупногабаритных полых слитков для последующего прессования из них бурильных труб ответственного назначения.
Постановка задачи.
В литературе [8] описана традиционная технология литья круглых полых слитков из алюминиевых сплавов, основанная на использовании литейно-плавильного агрегата, в состав которого входит печь плавильная газовая, миксер газовый раздаточный, литейная машина и установка для непрерывного модифицирования расплава лигатурой Al-Ti5-B1, рис. 1а.
а)
Печь миксер А622 ПКФ литейная машина
б)
Рисунок 1. Состав плавильно-литейного агрегата до (а) и после совершенствования (б)
(разработано авторами)
Рафинирование расплава в печи и в миксере осуществляли смесью аргон-хлор с помощью рафинирующих трубок, для фильтрации расплава использовали фильтр из стеклосетки.
Для выполнения указанных выше требований к качеству металла крупногабаритных полых слитков предложена современная технологическая схема, имеющая в составе плавильно-литейный агрегат, печь плавильную газовую, миксер поворотный газовый,
установку внепечного рафинирования А622, установку для непрерывного модифицирования расплава лигатурой Al-Ti5-B1, камеру фильтрации расплава через насыпной пенокерамический (ПКФ) фильтр, литейную машину, рис. 1б.
Одной из проблем качества крупногабаритных слитков из алюминиевых сплавов серии 7ХХХ являются неметаллические включения, переходящие при прессовании в бурильную трубу, снижая качество ее изготовления, рис. 2б. Они могут привести к разрывам, дефектам, износу прессового инструмента.
Включения могут попасть в расплав алюминия на любой стадии получения слитка от плавления до литья. В табл. 1. по данным работ [7-12] приведены основные виды неметаллических включений в алюминиевых сплавах и их происхождение.
100:1
б)
Рисунок 2. Неметаллические включения (а) и окислые плены (б) в микроструктуре бурильной
трубы (разработано авторами)
Таблица 1
Основные виды включений в алюминиевых сплавах, их характеристики и происхождение. (разработано авторами)
Включения Химическая формула Плотность, г/см3 Морфология/размеры, мкм Происхождение
Диборид титана ТШ2 4,50 Кластеры частиц 4,5 Модификатор
Оксид алюминия (а) а - А1203 3,97 Частицы: 0,2-30,0 Плены: 10-5000 Перегрев расплава
Оксид алюминия (7) У-Ак0з 3,97 Частицы: 0,2-30,0 Плены: 10-5000 Турбулентность расплава
Включения Химическая формула Плотность, г/см3 Морфология/размеры, мкм Происхождение
Оксид магния МдО 3,58 Частицы: 0,1-5,0 Плены: 10-5000 Перегрев или длительное нахождение расплава в печи или миксера
Шпинель МдА1204 3,60 Частицы: 0,1-5,0 Плены: 10-5000 Перегрев или длительное нахождение расплава в печи или миксера
Графит C - - Трубки для рафинирования или роторы в установке внепечного рафинирования
Хлориды МдС12 1,98-2,16 Частицы: 0,1-5,0 Обработка хлором
Шлаки А1(РеМпСг)Б1 >4,00 Частицы -
Практика показывает [7-11], что неметаллические включения образуются при перегреве расплава, длительном нахождении в печи или миксере, несоблюдении операций по снятию шлака с поверхности расплава, при турбулентности расплава, при некачественном обслуживании футеровки печей, миксеров, камер фильтрации и лотков.
Футеровка печей, миксеров, камер, установок внепечного рафинирования и фильтрования расплава, желобов выполнена из современных огнеупорных материалов, которые противостоят химическому воздействию алюминиевых сплавов, шлака и флюсов, применяемых при обработке расплава. Это обеспечивает возможность легко удалять шлак и поддерживать в чистом состоянии их поверхность, контактирующую с алюминиевым расплавом, что значительно снижает риски образования включений в процессе приготовления сплава. Основными элементами технологии, которая обеспечивает очистку металла от неметаллических включений, является системы внепечной обработки, фильтрования расплава и его раздачи в кристаллизаторы при литье.
Установка для внепечной обработки расплава А622 во время литья слитков (рис. 3) представляет собой высокоэффективное рафинирующее устройство, состоящее из установки для дегазации и флотационной камеры. Установка работает на инертном ^г) и реакционно-способном (О2) газах и предназначена для удаления водорода, агломерации неметаллических включений, их флотации с последующим съемом в виде шлака, а также удаления металлических примесей (№ и Ca) за счет их взаимодействия с хлором. Она имеет плотно примыкающую крышку, что обеспечивает очень малые выбросы газах в цехах. Почти весь объем технологического газа, находящегося в рафинирующей коробке, удерживается. Металл поступает и выходит из установки через жаростойкий блок, выполняющий роль «воздушного запора». Это позволяет поддерживать низкий уровень кислорода над поверхностью металла меньше 2%, что предотвращает воспламенение шлака и уменьшает окисление алюминия.
3
Рисунок 3. Схема установки внепечного рафинирования А622: 1 - крышка; 2 - выход; 3 -ротор; 4 - корпус; 5 - вход (разработано авторами)
Известно, что водород (Я2) - единственный газ, обладающий высокой растворимостью в жидком алюминии и относительно низкой в твердом. Удаление водорода из металла должно проходить до литья, иначе слиток будет иметь недопустимую высокую пористость, которая окажет негативное влияние на качество литого слитка. Очистку обеспечивают при вращении роторов, приводящих к образованию миллионов пузырьков из смеси аргона и хлора, которые вступают во взаимодействие с перемешиваемым металлом: водород из расплава проникает в пузырьки и выносится на поверхность. Это процесс обусловлен перепадом давления водорода в жидком металле и в пузырьках с аргоном и хлором. Эффективность установки А622 по удалению водорода представлена на рис. 4. Среднее содержание Н2 уменьшилось с 22 см3/100 гр. металла до 0,13.
0,35
0.02
" 12 3 1 5 6 7 в 9 10 11 Я 13 11 15
плавка б)
Рисунок 4. Содержание водорода в плавках, отлитых на ПЛА до (а) и после совершенствования (б) (разработано авторами)
Процесс перемешивания, происходящий в комплексной установке А622 делает ее идеальным местом для введения лигатуры Al-Ti5-B1.
Первым элементом системы фильтрования является насыпной фильтр, представляющий собой две камеры, заполненные фильтрующим материалом в виде корундовых шариков и крошки. При прохождении расплава по каналам между частицами фильтрующего материала происходит налипание включений на стенки каналов. Вторым элементом системы фильтрования является пенокерамический фильтр (ПКФ) изготовленный на основе высокочистого отхода алюминия с фосфатным связующим. Механизм очистки расплава состоит в том, что при его прохождении по узким извилистым каналам фильтра включения налипают на их стенки. Очистка расплава происходит по всей толщине фильтра, при этом размеры захваченных включений могут быть меньше, чем размеры каналов фильтра.
Оценка результатов
Оценка чистоты расплава с помощью инструмента PoDFA показала, что после внедрения комплексной системы очистки с применением установки внепечного рафинирования, насыпного и пенокерамического фильтров концентрация включений при его прохождении от миксера до литейной установки уменьшилась в 94 раза, а от установки внепечного рафинирования до литейной в 25 раз (табл. 2).
Таблица 2
Уменьшение количества включений на всех этапах очистки (разработано авторами)
Место отбора образца Печь/Миксер До установки А622 До насыпного фильтра До ПКФ После ПКФ
Среднее количество включений, мм2/кг 0,1425 0,0389 0,00965 0,00242 0,00152
Уменьшение количество включений в 3,5 раза в 4 раза в 4 раза в 1,6 раза
в 94 раза
При раздаче расплава в кристаллизатор в процессе литья крупногабаритного полого слитка предложена новая конструкция распределительного устройства со съемными лодочками (рис. 5) обеспечивающая по сравнению с ситом со стационарными лодочками по серийной технологии: облегчение в целом конструкции, уменьшения количества используемых распределительных сит, так как заменяются только распределительные лодочки, повышение надежности распределения расплава по центру сечения слитка.
Так-так распределительные лодочки жестко не связаны с основным ситом и появляется возможность выставить распределительные лодочки четко посередине сечения слитка и горизонтально. Распределение расплава по центру сечения слитка и горизонтальность подачи расплава в слитке обеспечивают формирование лунки по центру сечения слитка и подачу расплава под мениск металла, что в свою очередь обеспечивает получение равномерной структуры отливаемого слитка и чистоту металла.
Рисунок 5. Схема установки распределительного сита со съемными лодочками в кристаллизаторе при литье крупногабаритных полых слитков (разработано авторами)
0,17 016 0,15 £ 0,% 1 * 0.13 | | 0,12 0.11 0.1
[\
\ / \ /
\ /
1 2 3 4 5 6 7 в 9 10 11 12 13 К 15 16 17 18 19 20 21 22
Рисунок 6. Величина зерна (разработано авторами)
Как видно из рис.6 средняя величина зерна по объему полого крупногабаритного слитка составила 0,13 мм. Измельчение зерна значительно повышает пластичность металла в литом состоянии и определяет возможность увеличения размеров слитка.
Заключение
Таким образом, совершенствование технологии литья крупногабаритных полых слитков из сплавов серии 7ХХХ для прессования бурильных труб путем дополнительного внепечного рафинирования и фильтрации расплава через насыпные и пенокерамические фильтры обеспечивают снижение почти на два порядка включений в металле выполнение требований по содержанию водорода не более 0,2 см3/100 грамм металла, по размеру зерна не более 1 мм и получении равноосной структуры.
ЛИТЕРАТУРА
1. Файн, Г.М Состояние и перспективы производства и применение труб нефтепромыслового сортамента из алюминиевых сплавов [Текст] / Г.М. Файн, Е.М. Макаров - Территория Нефтегаз, 2007, №5 - с. 66-71.
2. Черепок, Г.В. Литье полых слитков из высоколегированных алюминиевых сплавов для производства крупногабаритных труб переменного сечения / Г.В. Черепок, А.Е. Афанасьев, Г.Г. Колобов // Цветные металлы, 2008, №3, с. 84-89.
3. Щадрин, Г.Г. Разработка промышленной технологии производства крупногабаритных слитков / Г.Г. Щадрин, Г.В. Черепок // Технология легких сплавов, 1966, №3, с. 18-20.
4. Черепок, Г.В. Литье крупногабаритных полых слитков из алюминиевых сплавов / Г.В. Черепок, Г.Г. Щадрин // Цветные металлы, 1983, №5, с. 70-74.
5. Афанасьев, А.Е. Об очистке металла в производстве слитков из деформируемых алюминиевых сплавов / А.Е. Афанасьев, А.В. Иващенко // Металлургия машиностроения, 2012, №3, с. 37-38.
6. Ефремов, В.П. Полунепрерывное литье крупногабаритных слитков из алюминиевого сплава В96Ц-3пч / Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук / Ефремов, В.П. - Екатеринбург, 2012, 16 с.
7. Афанасьев, А.Е. Современная система очистки расплава при производстве слитков из алюминиевых сплавов / А.Е. Афанасьев, Е.Г. Кондалова // Цветные металлы, 2014, №2, с. 82-89.
8. Альтман М.Б., Андреев В.Д., Балахонцев Г.А. Плавка и литье алюминиевых сплавов. - М.: Металлургия, 1983. - 352 с.
9. Курдюмов, А.В., Инкин, С.В., Чулков, В.С. и др. Металлические примеси в алюминиевых сплавах. - М.: Металлургия, 1988. - 142 с.
10. Макаров Г.С. Слитки из алюминиевых сплавов с магнием и кремнием для прессования. Основы производства. - М.: Интермет Инжиниринг, 2011. - 528 с.
11. Курдюмов А.В., Инкин С.В., Чулков В.С., Графас Н.И. Флюсовая обработка и фильтрование алюминиевых расплавов. - М.: Металлургия, 1980. - 196 с.
12. Добаткин В.И., Габидуллин Р.М., Колачев Б.А., Макаров Г.С. Газы и окислы в алюминиевых деформируемых сплавах. - М.: Металлургия, 1976. - 264 с.
Afanasyev Aleksandr Evgenyevich
Samara national research university, Russia, Samara E-mail: alexander. afanasiev@alcoa. com
Kargin Vladimir Rodionovih
Samara national research university, Russia, Samara E-mail: vrkargin@mail.ru
Kargin Boris Vladimirovich
Samara national research university, Russia, Samara E-mail: kargin163@gmail.com
Improvement of technology of moulding of large-size hollow ingots for pressing of boring pipes
Abstract. The production technology of large-size hollow ingots from the high-alloyed aluminum alloys of a series 7XXX for production of the lengthy pressed pipes of variable section with a diameter more than 500 mm with a wall of 35 mm and thickenings at the end faces used at production of the water separating columns at sea drilling is considered. The main attention is paid to increase of purity of metal on firm nonmetallic inclusions. The modern system the fusion cleaning including extra oven refinement by mix of argon and chlorine on the A622 installation, filtering through bulk and foam - ceramic filters, distribution and regulation of liquid metal in a crystallizer by means of installation of a distributive sieve with removable court shoes is described. The assessment of purity of metal demonstrated decrease almost on two orders of content of nonmetallic inclusions in metal when using this system. Implementation of requirements for the content of hydrogen no more 0,2 cm3/100 metal gram, by the grain size no more than 1 mm and receiving structure on large-size hollow ingots with the outer diameter of 1100 mm and with an internal diameter of 600 mm is provided.
Keywords: boring pipes; large-size hollow ingots; the melting and foundry unit; semi-continuous molding; gas saturation of fusion; extra oven refinement; nonmetallic inclusions; the bulk filter; foam - the ceramic filter; a distributive sieve; purification of metal
REFERENCES
1. Fain, G.M. State and prospects of production and application of pipes of an oil-field range from aluminum alloys. Territoriya Neftegaz, 2007, No5. P 66-71.
2. Cherepok G.V., A.E. Afanasev, G.G. Kolobov Molding of hollow ingots from the high-alloyed aluminum alloys for production of large-size pipes of variable section.Non-ferrous metals, 2008, No3. P. 84-89.
3. Shadrin G.G., Cherepok G.V. Development of the industrial production technology of large-size ingots. Technology of easy alloys, 1966, No3. P. 18-20.
4. Shadrin G.G., Cherepok G.V. Molding of large-size hollow ingots from aluminum alloys. Non-ferrous metals, 1983, No5. P. 70-74.
5. Afanasev A.E., Ivashhenko A.V. About purification of metal in production of ingots from deformable aluminum alloys. Mechanical engineering metallurgy, 2012, No3. P. 37-38.
6. Efremov V.P. Semi-continuous molding of large-size ingots from an aluminum alloy of V96Ts-3pch. Abstract, 2012, P. 16.
7. Afanasev A.E., Kondalova E.G. Modern system of cleaning of fusion by production of ingots from aluminum alloys. Non-ferrous metals, 2014, No2. P. 82-89.
8. Altman M.B., Andreev V.D., Balahoncev G.A. Melting and molding of aluminum alloys. Moscow, Metallurgy. 1983. P. 352.
9. Kurdjumov A.V., Inkin S.V., Chulkov V.S. Metal impurity in aluminum alloys. Moscow, Metallurgy. 1988. P 142.
10. Makarov G.S. Ingots from aluminum alloys with magnesium and silicon for pressing. Productionbases. Moscow, Intermet Inzhiniring. 2011. P. 528.
11. Kurdjumov A.V., Inkin S.V., Chulkov V.S., Grafas N.I. Flux processing and filtering of aluminum fusions.Moscow, Metallurgy. 1980. P. 196.
12. Dobatkin V.I., Gabidullin R.M., Kolachev B.A., Makarov G.S. Gases and oxides in aluminum deformable alloys. Moscow, Metallurgy. 1976. P. 264.
