بهینه سازی ریخته گری برای روکش های پمپ های فولادی ضد زنگ بزرگ

1. مقدمه

پمپ های گریز از مرکز نشان دهنده دسته غالب تجهیزات حمل و نقل سیال در سیستم های صنعتی است, اکثر تاسیسات پمپ در سراسر جهان را تشکیل می دهد.

همانطور که پارامترهای عملیاتی همچنان به سمت فشار بالاتر افزایش می یابد, دما, و مقاومت در برابر خوردگی, محفظه های پمپ برای مطابقت با استانداردهای سختگیرانه مکانیکی و متالورژیکی مورد نیاز است.
پوشش پمپ جزء ساختاری اصلی است که مسئول مهار فشار است, تشکیل کانال جریان, و پشتیبانی مکانیکی.

برای بزرگ فولاد ضد زنگ پمپ, ترکیبی از ابعاد عظیم, حفره های داخلی پیچیده, و مقاطع ضخیم موضعی کنترل عیب را به ویژه دشوار می کند.

روش‌های طراحی فرآیند تجربی سنتی اغلب برای از بین بردن قابل اعتماد عیوب مربوط به انقباض تلاش می‌کنند و ممکن است منجر به حاشیه‌های بیش از حد فرآیند یا بازده پایین شود..
با پیشرفت تکنولوژی های شبیه سازی ریخته گری, پیش بینی و کنترل تکامل رفتار پر شدن و انجماد قبل از تولید امکان پذیر شده است.

این مطالعه از شبیه‌سازی عددی به‌عنوان ابزار طراحی هسته استفاده می‌کند و آن را با اصول متالورژی و تجربیات عملی ریخته‌گری ترکیب می‌کند تا یک فرآیند ریخته‌گری قوی برای یک بدنه پمپ گریز از مرکز فولاد ضد زنگ بزرگ ایجاد کند..

2. ویژگی های ساختاری و تحلیل رفتار مواد

پیچیدگی ساختاری بدنه پمپ

پوشش پمپ مورد بررسی بزرگ است, توخالی, جزء متقارن دورانی با سطوح متقاطع متعدد و گذرهای جریان داخلی پیچیده.

پوشش شامل بخش های جانبی گسترده است, فلنج های تقویت شده, و لنگه های بالابر به طور متقارن مرتب شده اند.
تغییرات ضخامت دیواره قابل توجهی بین مناطق کانال جریان و مناطق تقویت سازه وجود دارد.

تقاطع دیوارهای جانبی و وجه های انتهایی نقاط داغ حرارتی معمولی را تشکیل می دهند, که تمایل دارند در آخر سفت شوند و در صورت عدم تغذیه مناسب به شدت مستعد عیوب انقباض هستند..

ویژگی های انجماد فولاد ضد زنگ

درجه فولاد ضد زنگ انتخاب شده با محتوای آلیاژ بالا و محدوده دمای انجماد گسترده مشخص می شود.

در طول خنک شدن, آلیاژ برای مدت طولانی در حالت نیمه جامد باقی می ماند, منجر به محدود شدن نفوذپذیری تغذیه و کاهش تحرک فلز مایع در مراحل پایانی انجماد می شود.
علاوه بر این, فولاد ضد زنگ در مقایسه با فولادهای کربنی انقباض حجمی نسبتاً بالایی را نشان می دهد.

این ویژگی های متالورژیکی نیازمند فرآیند ریخته گری است که پر شدن پایدار را تضمین می کند, گرادیان های دمایی کنترل شده, و تغذیه موثر در کل توالی انجماد.

3. انتخاب سیستم قالب و بهینه سازی طرح ریختن

مواد قالب و ویژگی های خنک کننده

رزین قالب گیری شن و ماسه تکنولوژی به دلیل مناسب بودن آن برای ریخته گری های بزرگ و پیچیده انتخاب شد.

در مقایسه با قالب های فلزی, قالب های شن و ماسه رزین عایق حرارتی بهتر و سرعت خنک کنندگی کمتری را ارائه می دهند, که به کاهش تنش حرارتی و تمایل به ترک در ریخته گری فولاد ضد زنگ کمک می کند.

سیستم قالب همچنین انعطاف پذیری در مونتاژ هسته را ارائه می دهد و امکان کنترل دقیق سفتی و نفوذپذیری قالب را فراهم می کند., که برای اطمینان از دقت ابعاد و تخلیه گاز ضروری است.

ارزیابی جهت گیری ریختن

جهت گیری های ریختن چندگانه از منظر پایداری پر شدن مورد ارزیابی قرار گرفت, راندمان تغذیه, و پیشگیری از نقص.

پیکربندی‌های ریختن افقی برای ایجاد چندین نقطه داغ جدا شده پیدا شد, به خصوص در بخش های بالایی که تغذیه موثر آنها دشوار است.
یک جهت ریختن عمودی در نهایت انتخاب شد, همانطور که با اصل انجماد جهت دار مطابقت دارد.

در این پیکربندی, بخش های پایینی ریخته گری ابتدا سفت می شوند, در حالی که مناطق نقطه داغ بالایی به منابع تغذیه متصل باقی می مانند, به طور قابل توجهی قابلیت اطمینان تغذیه و کنترل نقص را بهبود می بخشد.

4. طراحی سیستم گیتینگ و بهینه سازی پر کردن

اصول طراحی

سیستم دروازه با هدف پر کردن سریع و در عین حال پایدار طراحی شده است, حداقل تلاطم, و کنترل شمول موثر.

از سرعت بیش از حد فلز و تغییرات ناگهانی جهت جریان برای جلوگیری از نفوذ سرباره و فرسایش سطح قالب اجتناب شد..

پیکربندی ریختن پایین

یک تغذیه از پایین, سیستم دروازه نوع باز پذیرفته شد. فلز مذاب از ناحیه تحتانی وارد حفره قالب می شود و به آرامی بالا می رود, اجازه می دهد هوا و گازها به سمت بالا جابجا شوند و به طور موثر تخلیه شوند.
این حالت پر کردن به طور قابل توجهی تلاطم جریان را کاهش می دهد و توزیع یکنواخت دما را در طول پر کردن افزایش می دهد, که به ویژه برای ریخته گری های فولاد ضد زنگ بزرگ با زمان ریختن طولانی مفید است.

5. طراحی سیستم تغذیه و استراتژی کنترل حرارتی

شناسایی نقاط داغ بحرانی

نتایج شبیه سازی عددی به وضوح مناطق انجماد نهایی را در تقاطع دیوارهای جانبی و وجه های انتهایی شناسایی کرد..

این مناطق به عنوان اهداف اولیه برای تغذیه و کنترل حرارتی تایید شدند.

پیکربندی و عملکرد رایزر

ترکیبی از رایزرهای بالا و رایزرهای کور جانبی برای رفع نیازهای تغذیه جهانی و محلی طراحی شده است.

بالابر به عنوان منبع تغذیه اصلی عمل می کرد و همچنین خروج گاز را تسهیل می کرد, در حالی که رایزرهای جانبی دسترسی تغذیه به نقاط داغ جانبی را بهبود بخشیدند.
هندسه و مکان رایزر برای حفظ زمان تغذیه کافی و اطمینان از اینکه انجماد نهایی در رایزرها به جای بدنه ریخته گری اتفاق می افتد بهینه شده است..

کاربرد Chills

سرماهای خارجی به طور استراتژیک در نزدیکی بخش های ضخیم قرار گرفتند تا به صورت محلی انجماد را تسریع کنند و شیب دمایی مطلوب ایجاد کنند..

استفاده هماهنگ از لرز و خیز کننده به طور موثری انجماد جهتی را ارتقا داد و از نقاط داغ جدا شده جلوگیری کرد..

6. شبیه سازی عددی و تحلیل چند بعدی

برای ارزیابی رفتار پر شدن قالب از نرم افزار شبیه سازی ریخته گری پیشرفته استفاده شد, تکامل دما, توسعه کسر جامد, و حساسیت به نقص.
نتایج شبیه‌سازی یک فرآیند پر کردن پایدار با جلوی فلزی صاف و بدون شواهدی از جدایی یا رکود جریان را نشان داد..

در طول انجماد, ریخته گری یک الگوی انجماد واضح از پایین به بالا را نشان داد.

پیش بینی تخلخل انقباض نشان داد که تمام عیوب بالقوه انقباض محدود به رایزرها و سیستم دریچه ای است., بدن ریخته گری را عاری از عیوب داخلی می کند.
تجزیه و تحلیل تنش حرارتی و تمایل به ترک نشان داد که سطوح تنش در محدوده قابل قبول باقی مانده است, اعتبار بیشتر استحکام طراحی فرآیند.

7. ماشینکاری و عملکرد پس از ریخته گری

کیفیت ریخته گری مستقیماً بر راندمان ماشینکاری بعدی و عملکرد اجزا تأثیر می گذارد.

عدم وجود عیوب انقباض داخلی و ناپیوستگی سطح، سایش ابزار را کاهش می دهد, لرزش ماشینکاری, و خطر ضایعات در طول عملیات تکمیل.
علاوه بر این, انجماد یکنواخت و خنک سازی کنترل شده به ریزساختارهای همگن و توزیع تنش پسماند کمک می کند, که ثبات ابعادی را در حین ماشینکاری و سرویس بهبود می بخشد.

این امر به ویژه برای پوشش های پمپ که نیاز به تراز دقیق فلنج ها و گذرگاه های جریان برای حفظ راندمان هیدرولیکی دارند، مرتبط است..

8. کنترل استرس پسماند و قابلیت اطمینان خدمات

تنش پسماند عامل مهمی است که بر قابلیت اطمینان طولانی مدت بدنه پمپ های فولادی ضد زنگ بزرگ تأثیر می گذارد..

گرادیان های حرارتی بیش از حد در طول انجماد می تواند منجر به تنش های داخلی بالا شود, افزایش احتمال اعوجاج یا ترک خوردن در طول عملیات حرارتی و سرویس.
استفاده ترکیبی از قالب های شن و ماسه رزینی, ریختن پایین, و خنک کننده کنترل شده باعث افزایش تدریجی دما در سراسر ریخته گری می شود.

این رویکرد به طور موثر تجمع استرس پسماند را محدود می کند و نیاز به درمان های تهاجمی کاهش استرس پس از ریخته گری را کاهش می دهد., در نتیجه قابلیت اطمینان سازه در طول عمر مفید قطعه بهبود می یابد.

9. تولید آزمایشی و اعتبار سنجی

بر اساس پارامترهای فرآیند بهینه شده, ریخته گری آزمایشی در مقیاس کامل انجام شد.

محفظه پمپ تولید شده خطوط کاملاً مشخصی را نشان می دهد, سطوح صاف, و هیچ نقص سطحی قابل مشاهده نیست.
تست های غیر مخرب بعدی و بازرسی های ماشینکاری، سلامت داخلی عالی و پایداری ابعادی را تایید کرد..

نتایج کارآزمایی با پیش‌بینی‌های شبیه‌سازی مطابقت داشت, نشان دادن قابلیت اطمینان بالا و کاربرد عملی فرآیند ریخته گری پیشنهادی.

10. نتیجه گیری

این مطالعه یک طراحی فرآیند ریخته‌گری و بهینه‌سازی جامع برای یک محفظه پمپ گریز از مرکز فولاد ضد زنگ بزرگ ارائه می‌کند..

این کار تجزیه و تحلیل ساختاری را ادغام می کند, رفتار انجماد مواد, انتخاب طرح قالب و ریختن, پیکربندی سیستم دروازه, و بهینه سازی تغذیه.

فناوری شبیه‌سازی عددی پیشرفته برای تجزیه و تحلیل پر کردن قالب استفاده شد, تکامل دما, و ویژگی های جامد سازی, امکان پالایش هدفمند فرآیند.

تولید آزمایشی بر اساس فرآیند بهینه شده، یکپارچگی سطح عالی و سلامت داخلی را نشان داد, تایید اثربخشی و قابلیت اطمینان رویکرد پیشنهادی.

این مطالعه یک مرجع سیستماتیک و عملی برای تولید بزرگ فراهم می کند, روکش پمپ های فولادی ضد زنگ با کیفیت بالا.