防喷器铸件的铸造工艺设计

2022-11-18潘宝强李彩虹郭小强

金属加工(热加工) 2022年11期

潘宝强李彩虹郭小强

共享铸钢有限公司宁夏银川 750021

1 序言

石油天然气在能源领域里有着举足轻重的作用，而油气服务行业与石油天然气的发展息息相关，随着国际油服巨头如贝克休斯在国内市场布局，高端市场需求也逐渐走强。防喷器配套壳体铸件，属于油气深井钻探核心零部件，其作用是在石油钻井过程中，当井口发生溢油时，需对防喷器采取紧急操作，实现迅速关井动作[1]。由于材质属于中高碳低合金高强钢，铸件综合力学性能尤其是对硬度及其偏差范围要求很高，同时对内腔尺寸要求极高，不易加工，属于高端铸件，目前国内暂没有以铸造方式生产此产品的先例。

2 产品分析

2.1 产品结构分析

产品结构包括单闸防喷器、双闸防喷器，材质为ASTM A487 Grade 4。以单闸防喷器为例，铸件轮廓尺寸见表1，净重3580kg，铸件结构如图1 所示。

图1 防喷器结构

表1 单闸防喷器铸件轮廓尺寸（mm）

2.2 产品铸造难点分析

1）铸件轮廓小，壁厚差异大，孔洞较多，导致形成多个热节。

产品轮廓尺寸仅有1238mm×822mm×876mm，但最大壁厚为330m m，铸件本体多达6个相交叉孔洞，孔洞之间形成交叉铸造热节，间距不足200m m。在铸造过程中易出现热节厚大部位缩松、冒口根部组织偏析等铸造缺陷，从而导致铸件报废。产品三维结构如图2所示，模拟结果如图3 所示。

图2 产品三维结构

图3 铸件模拟结果

2）铸件空间狭小，油槽多，易粘砂，难返修。

双闸防喷器有两层腔室，内腔空间狭小，最大空间为167mm，每层腔室有4层油槽，油槽直径32mm，狭小空间与油槽的复杂结构，在1560℃钢液包围中，易导致型腔内部粘砂。通过模拟可看出，高温状态下内腔窝角及油槽部位粘砂风险很高，若内腔粘砂，则无法返修，铸件只能作报废处理。

3 铸造工艺设计

3.1 铸造工艺方案的确定

根据对产品数模进行凝固模拟分析，结合铸件结构，考虑出芯及成形问题，确定铸件长方形型腔朝下的铸造工艺方案，如图4所示。

图4 防喷器铸造工艺方案

3.2 冒口及冷铁设计

根据产品模拟分析，铸件热节分散，长方形内腔与横气道相惯部位形成较多热节，从梯度来看存在补缩孤岛部位，相惯热节壁厚达到350mm，冒口补缩为末端区，需要特殊冷铁进行分区，保证铸件不产生缩松缺陷。

铸件冒口模数及热节模数采用模数计算法进行计算设计。模数法的基本原理是冒口应比铸件受补缩部分延迟凝固，以冒口中的金属液补缩铸件使铸件致密。

模数法计算公式为

式中M——铸件模数（cm）；

S——铸件截面积（cm2）；

CL——不包括非散热面截面周长（cm）。

一般明冒口与铸件模数关系为M冒＝1.2M件，暗冒口与铸件模数关系为M冒＝1.4M件[2]。

通过模数计算确定冒口和冷铁后，应用MAGMA凝固模拟进行验证，以保证顺序凝固和有效补缩，确保防喷器内部不产生超标缺陷。防喷器凝固模拟结果如图5所示。

图5 防喷器凝固模拟结果

3.3 浇注系统设计

浇注系统必须保证钢液平稳、迅速且连续地流入型腔，并能够顺利排气、浮渣，防止局部过热而产生裂纹、缩孔等缺陷[3]。

考虑对防喷器的质量要求，由于浇注钢液量较小，因此浇注系统设计过滤器进行防渣。为了减小内浇口末端热节，采用鸭嘴浇口。为了防止浇注后期钢液中的渣子进入型腔，设计补浇冒口系统。内浇口出流速度控制在1m/s以下。利用模拟软件MAGMA，对浇注系统进行模拟优化改进。

3.4 铸造工艺计算机模拟优化

通过MAGMA模拟分析，铸件无超标缩松及中心缩孔显示，铸造工艺冒口安全距离满足补缩要求，补缩梯度符合铸钢件顺序凝固要求，最终凝固位置均在冒口区域，铸件中无孤立液相区，冒口间冷铁分区合理。充型过程平稳，无喷溅及倒流，各个内浇口的平均进流速度＜1m/s，且充型温度场分布利于铸造凝固，铸造工艺模拟结果如图6所示。