防噴器鑄件的鑄造工藝設(shè)計(jì)

潘寶強(qiáng) 李彩虹 郭小強(qiáng)

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(lǐng)域里有著舉足輕重的作用，而油氣服務(wù)行業(yè)與石油天然氣的發(fā)展息息相關(guān)，隨著國(guó)際油服巨頭如貝克休斯在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)布局，高端市場(chǎng)需求也逐漸走強(qiáng)。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(guò)程中，當(dāng)井口發(fā)生溢油時(shí)，需對(duì)防噴器采取緊急操作，實(shí)現(xiàn)迅速關(guān)井動(dòng)作[1]。由于材質(zhì)屬于中高碳低合金高強(qiáng)鋼，鑄件綜合力學(xué)性能尤其是對(duì)硬度及其偏差范圍要求很高，同時(shí)對(duì)內(nèi)腔尺寸要求極高，不易加工，屬于高端鑄件，目前國(guó)內(nèi)暫沒(méi)有以鑄造方式生產(chǎn)此產(chǎn)品的先例。

2 產(chǎn)品分析

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)包括單閘防噴器、雙閘防噴器，材質(zhì)為ASTM A487 Grade 4。以單閘防噴器為例，鑄件輪廓尺寸見(jiàn)表1，凈重3580kg，鑄件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 防噴器結(jié)構(gòu)

表1 單閘防噴器鑄件輪廓尺寸 （mm）

2.2 產(chǎn)品鑄造難點(diǎn)分析

1）鑄件輪廓小，壁厚差異大，孔洞較多，導(dǎo)致形成多個(gè)熱節(jié)。

產(chǎn)品輪廓尺寸僅有1238mm×822mm×876mm，但最大壁厚為330m m，鑄件本體多達(dá)6個(gè)相交叉孔洞，孔洞之間形成交叉鑄造熱節(jié)，間距不足200m m。在鑄造過(guò)程中易出現(xiàn)熱節(jié)厚大部位縮松、冒口根部組織偏析等鑄造缺陷，從而導(dǎo)致鑄件報(bào)廢。產(chǎn)品三維結(jié)構(gòu)如圖2所示，模擬結(jié)果如圖3 所示。

圖2 產(chǎn)品三維結(jié)構(gòu)

圖3 鑄件模擬結(jié)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(nèi)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(fù)雜結(jié)構(gòu)，在1560℃鋼液包圍中，易導(dǎo)致型腔內(nèi)部粘砂。通過(guò)模擬可看出，高溫狀態(tài)下內(nèi)腔窩角及油槽部位粘砂風(fēng)險(xiǎn)很高，若內(nèi)腔粘砂，則無(wú)法返修，鑄件只能作報(bào)廢 處理。

3 鑄造工藝設(shè)計(jì)

3.1 鑄造工藝方案的確定

根據(jù)對(duì)產(chǎn)品數(shù)模進(jìn)行凝固模擬分析，結(jié)合鑄件結(jié)構(gòu)，考慮出芯及成形問(wèn)題，確定鑄件長(zhǎng)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(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品模擬分析，鑄件熱節(jié)分散，長(zhǎng)方形內(nèi)腔與橫氣道相慣部位形成較多熱節(jié)，從梯度來(lái)看存在補(bǔ)縮孤島部位，相慣熱節(jié)壁厚達(dá)到350mm，冒口補(bǔ)縮為末端區(qū)，需要特殊冷鐵進(jìn)行分區(qū)，保證鑄件不產(chǎn)生縮松缺陷。

鑄件冒口模數(shù)及熱節(jié)模數(shù)采用模數(shù)計(jì)算法進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)。模數(shù)法的基本原理是冒口應(yīng)比鑄件受補(bǔ)縮部分延遲凝固，以冒口中的金屬液補(bǔ)縮鑄件使鑄件致密。

模數(shù)法計(jì)算公式為

式中M——鑄件模數(shù)（cm）；

S——鑄件截面積（cm2）；

CL——不包括非散熱面截面周長(zhǎng)（cm）。

一般明冒口與鑄件模數(shù)關(guān)系為M冒＝1.2M件，暗冒口與鑄件模數(shù)關(guān)系為M冒＝1.4M件[2]。

通過(guò)模數(shù)計(jì)算確定冒口和冷鐵后，應(yīng)用MAGMA凝固模擬進(jìn)行驗(yàn)證，以保證順序凝固和有效補(bǔ)縮，確保防噴器內(nèi)部不產(chǎn)生超標(biāo)缺陷。防噴器凝固模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 防噴器凝固模擬結(jié)果

3.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)必須保證鋼液平穩(wěn)、迅速且連續(xù)地流入型腔，并能夠順利排氣、浮渣，防止局部過(guò)熱而產(chǎn)生裂紋、縮孔等缺陷[3]。

考慮對(duì)防噴器的質(zhì)量要求，由于澆注鋼液量較小，因此澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)濾器進(jìn)行防渣。為了減小內(nèi)澆口末端熱節(jié)，采用鴨嘴澆口。為了防止?jié)沧⒑笃阡撘褐械脑舆M(jìn)入型腔，設(shè)計(jì)補(bǔ)澆冒口系統(tǒng)。內(nèi)澆口出流速度控制在1m/s以下。利用模擬軟件MAGMA，對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行模擬優(yōu)化改進(jìn)。

3.4 鑄造工藝計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化

通過(guò)MAGMA模擬分析，鑄件無(wú)超標(biāo)縮松及中心縮孔顯示，鑄造工藝冒口安全距離滿足補(bǔ)縮要求，補(bǔ)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(qū)域，鑄件中無(wú)孤立液相區(qū)，冒口間冷鐵分區(qū)合理。充型過(guò)程平穩(wěn)，無(wú)噴濺及倒流，各個(gè)內(nèi)澆口的平均進(jìn)流速度＜1m/s，且充型溫度場(chǎng)分布利于鑄造凝固，鑄造工藝模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 防噴器鑄造工藝模擬結(jié)果

3.5 造型方案的確定

根據(jù)該鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求，結(jié)合產(chǎn)品熱節(jié)模擬情況及補(bǔ)縮梯度考慮，選擇以防噴器法蘭中間為分型面，鑄件內(nèi)腔通過(guò)出芯形成，以保證鑄件內(nèi)腔的尺寸。

雙層內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸公差小，如制作成單層砂芯（見(jiàn)圖7a），則長(zhǎng)度達(dá)到1975mm，芯盒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，砂芯單薄易變形，因此將雙層內(nèi)腔設(shè)計(jì)成雙層砂芯（見(jiàn)圖7b）；由于內(nèi)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(qiáng)度，防止粘砂。另外，芯盒必須采用實(shí)木材料，保證砂芯尺寸精度。

圖7 鑄件內(nèi)腔砂芯

4 生產(chǎn)驗(yàn)證效果

通過(guò)鑄造工藝優(yōu)化，造型過(guò)程操作方便，鑄件壁厚控制合理，內(nèi)腔油槽粘砂得到良好控制。鑄件首次補(bǔ)焊率達(dá)到0.5dm3/t，鑄件化學(xué)成分、力學(xué)性能均達(dá)到客戶規(guī)范要求。通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，可以批量生產(chǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用MAGMA軟件對(duì)防噴器所設(shè)計(jì)工藝進(jìn)行凝固及充型模擬，根據(jù)Porosity、Niyama等判據(jù)的結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的防噴器鑄造工藝?yán)碚撋喜粫?huì)產(chǎn)生超標(biāo)的鑄造缺陷，實(shí)際檢測(cè)鑄件內(nèi)腔油槽無(wú)粘砂，鑄件無(wú)縮松、縮孔等缺陷，可以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)試驗(yàn)。