1. 導入
遠心ポンプは産業システムにおける流体輸送機器の主要なカテゴリーを代表します, 世界中のポンプ設置の大部分を占めています.
動作パラメータは高圧に向かって増加し続けるため、, 温度, 耐食性, ポンプケーシングは、ますます厳格化する機械的および冶金的基準を満たすことが求められています.
ポンプ ケーシングは、圧力封じ込めを担当する中心的な構造コンポーネントです。, 流路形成, および機械的サポート.
大型用 ステンレス鋼 ポンプケース, 巨大な次元の組み合わせ, 複雑な内部空洞, 局所的な厚い部分により欠陥管理が特に困難になります.
従来の経験的なプロセス設計手法では、収縮関連の欠陥を確実に排除することが困難なことが多く、過剰なプロセスマージンや歩留まりの低下を招く可能性があります。.
鋳造シミュレーション技術の進歩により, 充填・固化挙動の進化を製造前に予測・制御することが可能になりました.
この研究では、コア設計ツールとして数値シミュレーションを活用し、それを冶金学的原理および実際の鋳造経験と組み合わせて、大型ステンレス鋼製遠心ポンプケーシングの堅牢な鋳造プロセスを開発しました。.
2. 構造特性と材料挙動解析
ポンプケーシングの構造の複雑さ
調査したポンプケーシングは大きい, 中空, 複数の交差面と複雑な内部流路を備えた回転対称コンポーネント.
ケーシングには拡張されたサイドセクションが含まれています, 強化フランジ, 対称的に配置されたリフティングラグ.
流路領域と構造補強ゾーンの間には大きな壁厚のばらつきが存在します.
側壁と端面の交差部分が典型的な熱ホットスポットを形成します。, これは最後に固まる傾向があり、適切に供給しないと収縮欠陥が非常に発生しやすいです.
ステンレス鋼の凝固特性
選択されたステンレス鋼グレードは、高い合金含有量と広い凝固温度範囲を特徴としています。.
冷却中, 合金は長期間半固体状態に留まります, その結果、凝固の後期段階で供給透過性が制限され、液体金属の移動度が低下します。.
さらに, ステンレス鋼は炭素鋼と比較して比較的高い体積収縮を示します.
これらの冶金学的特性には、安定した充填を保証する鋳造プロセスが必要です, 制御された温度勾配, 凝固シーケンス全体を通して効果的な供給が可能.
3. 金型システムの選択と注湯スキームの最適化
金型材質と冷却特性
樹脂 砂型 この技術は、大型で複雑な鋳物に適しているため選択されました。.
金型との比較, 樹脂砂型は断熱性が高く、冷却速度が遅い, ステンレス鋼鋳物の熱応力と亀裂傾向を軽減します。.
また、金型システムはコアの組み立てに柔軟性をもたらし、金型の剛性と透過性を正確に制御できます。, 寸法精度とガス排出を確保するために不可欠です.
注湯方向の評価
充填安定性の観点から複数の注湯方向を評価, 給餌効率, そして欠陥防止.
水平注水構成では、複数の孤立したホットスポットが発生することが判明しました, 特に効果的に餌を与えるのが難しい上部セクションでは.
最終的に選択されたのは垂直注湯方向です, 方向性凝固の原理と一致しているため.
この構成で, 鋳物の下部が最初に固まります, 一方、上部のホットスポット領域は給電源に接続されたままになります。, 供給の信頼性と欠陥制御が大幅に向上.
4. ゲートシステムの設計と充填の最適化
設計原則
ゲート システムは、迅速かつ安定した充填を目的として設計されました。, 最小限の乱気流, 効果的な包含管理.
スラグの巻き込みや金型表面の浸食を防ぐために、過剰な金属速度と急激な流れ方向の変化を回避しました。.
底部注入構成
底から供給される, オープンタイプゲートシステムを採用. 溶融金属は下部領域から金型キャビティに入り、スムーズに上昇します。, 空気とガスを上方に移動させて効率的に排出することができます。.
この充填モードは流れの乱流を大幅に軽減し、充填中の均一な温度分布を促進します。, これは、注湯時間が長い大型のステンレス鋼鋳物に特に有益です。.
5. 供給システムの設計と熱制御戦略
重大なホットスポットの特定
数値シミュレーションの結果、側壁と端面の交差点における最終凝固領域が明確に特定されました。.
これらのエリアは給餌と温度管理の主なターゲットであることが確認されました。.
ライザーの構成と機能
トップライザーとサイドブラインドライザーの組み合わせは、グローバルとローカルの両方の給餌要件に対応するように設計されました。.
上部ライザーは主な供給源として機能し、ガスの排出も促進しました, サイドライザーにより、横方向のホットスポットへの給餌アクセスが向上しました.
ライザーの形状と配置は、十分な供給時間を維持し、最終凝固が鋳造本体内ではなくライザー内で確実に行われるように最適化されました。.
悪寒の応用
局所的に凝固を促進し、好ましい温度勾配を確立するために、外部冷却を厚い部分の近くに戦略的に配置しました。.
チルとライザーを調整して使用することで、方向性凝固が効果的に促進され、孤立したホットスポットが防止されました。.
6. 数値シミュレーションと多次元解析
高度な鋳造シミュレーション ソフトウェアを使用して金型の充填挙動を評価しました, 温度の変化, 固形分開発, 欠陥感受性.
シミュレーション結果は、滑らかな金属前面と流れの分離や停滞の証拠がない安定した充填プロセスを実証しました。.
固化中, 鋳物は明確なボトムアップ凝固パターンを示しました.
収縮気孔率の予測により、潜在的な収縮欠陥はすべてライザーとゲート システムに限定されていることがわかりました。, 鋳造本体の内部欠陥をなくす.
熱応力と亀裂傾向の分析により、応力レベルが許容範囲内にとどまっていることが示されました。, プロセス設計の堅牢性をさらに検証する.
7. 機械加工性と鋳造後の性能
鋳造の品質は、その後の加工効率と部品の性能に直接影響します。.
内部収縮欠陥や表面の不連続性がないため、工具の摩耗が軽減されます。, 加工振動, 仕上げ作業中にスクラップが発生するリスク.
さらに, 均一な凝固と制御された冷却により、より均一な微細構造と残留応力分布が実現します。, 機械加工やサービス中の寸法安定性を向上させます。.
これは、油圧効率を維持するためにフランジと流路の正確な位置合わせが必要なポンプ ケーシングに特に関係します。.
8. 残留応力管理とサービスの信頼性
残留応力は、大型ステンレス鋼製ポンプ ケーシングの長期信頼性に影響を与える重要な要素です。.
凝固中の過度の温度勾配は、高い内部応力を引き起こす可能性があります, 熱処理や整備中に歪みや亀裂が発生する可能性が高くなります。.
レジン砂型の併用, 底注ぐ, 制御された冷却により、鋳造全体の段階的な温度上昇が促進されます。.
このアプローチは残留応力の蓄積を効果的に制限し、積極的な鋳造後の応力除去処理の必要性を軽減します。, これにより、コンポーネントの耐用年数にわたる構造的信頼性が向上します。.
9. 試作・検証
最適化されたプロセスパラメータに基づく, 本格的な試鋳が行われました.
製造されたポンプケーシングは、明確な輪郭を示しました, 滑らかな表面, 目に見える表面欠陥はありません.
その後の非破壊検査と機械加工検査により、優れた内部健全性と寸法安定性が確認されました。.
試験結果はシミュレーションの予測とほぼ一致しました, 提案された鋳造プロセスの高い信頼性と実用性を実証.
10. 結論
この研究では、大型ステンレス鋼製遠心ポンプケーシングの包括的な鋳造プロセス設計と最適化を紹介します。.
この作業には構造解析が統合されています, 材料の凝固挙動, 金型と注入スキームの選択, ゲートシステム構成, および給餌の最適化.
高度な数値シミュレーション技術を採用して金型充填を解析, 温度の変化, および凝固特性, ターゲットを絞ったプロセスの改良を可能にする.
最適化されたプロセスに基づく試作により、優れた表面整合性と内部健全性を実証, 提案されたアプローチの有効性と信頼性を確認する.
この研究は、大型製品の製造に関する体系的かつ実践的な参考資料を提供します。, 高品質のステンレス鋼ポンプケーシング.
