防噴器鑄件的鑄造工藝設計

潘寶強 李彩虹 郭小強

共享鑄鋼有限公司 寧夏銀川 750021

1 序言

石油天然氣在能源領域里有著舉足輕重的作用，而油氣服務行業與石油天然氣的發展息息相關，隨著國際油服巨頭如貝克休斯在國內市場布局，高端市場需求也逐漸走強。防噴器配套殼體鑄件，屬于油氣深井鉆探核心零部件，其作用是在石油鉆井過程中，當井口發生溢油時，需對防噴器采取緊急操作，實現迅速關井動作[1]。由于材質屬于中高碳低合金高強鋼，鑄件綜合力學性能尤其是對硬度及其偏差范圍要求很高，同時對內腔尺寸要求極高，不易加工，屬于高端鑄件，目前國內暫沒有以鑄造方式生產此產品的先例。

2 產品分析

2.1 產品結構分析

產品結構包括單閘防噴器、雙閘防噴器，材質為ASTM A487 Grade 4。以單閘防噴器為例，鑄件輪廓尺寸見表1，凈重3580kg，鑄件結構如圖1 所示。

圖1 防噴器結構

表1 單閘防噴器鑄件輪廓尺寸 （mm）

2.2 產品鑄造難點分析

1）鑄件輪廓小，壁厚差異大，孔洞較多，導致形成多個熱節。

產品輪廓尺寸僅有1238mm×822mm×876mm，但最大壁厚為330m m，鑄件本體多達6個相交叉孔洞，孔洞之間形成交叉鑄造熱節，間距不足200m m。在鑄造過程中易出現熱節厚大部位縮松、冒口根部組織偏析等鑄造缺陷，從而導致鑄件報廢。產品三維結構如圖2所示，模擬結果如圖3 所示。

圖2 產品三維結構

圖3 鑄件模擬結果

2）鑄件空間狹小，油槽多，易粘砂，難返修。

雙閘防噴器有兩層腔室，內腔空間狹小，最大空間為167mm，每層腔室有4層油槽，油槽直徑32mm，狹小空間與油槽的復雜結構，在1560℃鋼液包圍中，易導致型腔內部粘砂。通過模擬可看出，高溫狀態下內腔窩角及油槽部位粘砂風險很高，若內腔粘砂，則無法返修，鑄件只能作報廢 處理。

3 鑄造工藝設計

3.1 鑄造工藝方案的確定

根據對產品數模進行凝固模擬分析，結合鑄件結構，考慮出芯及成形問題，確定鑄件長方形型腔朝下的鑄造工藝方案，如圖4所示。

圖4 防噴器鑄造工藝方案

3.2 冒口及冷鐵設計

根據產品模擬分析，鑄件熱節分散，長方形內腔與橫氣道相慣部位形成較多熱節，從梯度來看存在補縮孤島部位，相慣熱節壁厚達到350mm，冒口補縮為末端區，需要特殊冷鐵進行分區，保證鑄件不產生縮松缺陷。

鑄件冒口模數及熱節模數采用模數計算法進行計算設計。模數法的基本原理是冒口應比鑄件受補縮部分延遲凝固，以冒口中的金屬液補縮鑄件使鑄件致密。

模數法計算公式為

式中M——鑄件模數（cm）；

S——鑄件截面積（cm2）；

CL——不包括非散熱面截面周長（cm）。

一般明冒口與鑄件模數關系為M冒＝1.2M件，暗冒口與鑄件模數關系為M冒＝1.4M件[2]。

通過模數計算確定冒口和冷鐵后，應用MAGMA凝固模擬進行驗證，以保證順序凝固和有效補縮，確保防噴器內部不產生超標缺陷。防噴器凝固模擬結果如圖5所示。

圖5 防噴器凝固模擬結果

3.3 澆注系統設計

澆注系統必須保證鋼液平穩、迅速且連續地流入型腔，并能夠順利排氣、浮渣，防止局部過熱而產生裂紋、縮孔等缺陷[3]。

考慮對防噴器的質量要求，由于澆注鋼液量較小，因此澆注系統設計過濾器進行防渣。為了減小內澆口末端熱節，采用鴨嘴澆口。為了防止澆注后期鋼液中的渣子進入型腔，設計補澆冒口系統。內澆口出流速度控制在1m/s以下。利用模擬軟件MAGMA，對澆注系統進行模擬優化改進。

3.4 鑄造工藝計算機模擬優化

通過MAGMA模擬分析，鑄件無超標縮松及中心縮孔顯示，鑄造工藝冒口安全距離滿足補縮要求，補縮梯度符合鑄鋼件順序凝固要求，最終凝固位置均在冒口區域，鑄件中無孤立液相區，冒口間冷鐵分區合理。充型過程平穩，無噴濺及倒流，各個內澆口的平均進流速度＜1m/s，且充型溫度場分布利于鑄造凝固，鑄造工藝模擬結果如圖6所示。

圖6 防噴器鑄造工藝模擬結果

3.5 造型方案的確定

根據該鑄件的結構特點及技術要求，結合產品熱節模擬情況及補縮梯度考慮，選擇以防噴器法蘭中間為分型面，鑄件內腔通過出芯形成，以保證鑄件內腔的尺寸。

雙層內腔結構復雜、尺寸公差小，如制作成單層砂芯（見圖7a），則長度達到1975mm，芯盒結構復雜，砂芯單薄易變形，因此將雙層內腔設計成雙層砂芯（見圖7b）；由于內腔狹窄，鑄造易粘砂，因此鑄造工藝采取特殊方法及涂料，保證砂型表面強度，防止粘砂。另外，芯盒必須采用實木材料，保證砂芯尺寸精度。

圖7 鑄件內腔砂芯

4 生產驗證效果

通過鑄造工藝優化，造型過程操作方便，鑄件壁厚控制合理，內腔油槽粘砂得到良好控制。鑄件首次補焊率達到0.5dm3/t，鑄件化學成分、力學性能均達到客戶規范要求。通過實際生產驗證，可以批量生產。

5 結束語

利用MAGMA軟件對防噴器所設計工藝進行凝固及充型模擬，根據Porosity、Niyama等判據的結果顯示，所設計的防噴器鑄造工藝理論上不會產生超標的鑄造缺陷，實際檢測鑄件內腔油槽無粘砂，鑄件無縮松、縮孔等缺陷，可以進行現場生產試驗。