1. Zavedenie
Odstredivé čerpadlá predstavujú dominantnú kategóriu zariadení na prepravu tekutín v priemyselných systémoch, predstavujú väčšinu inštalácií čerpadiel na celom svete.
Ako sa prevádzkové parametre stále zvyšujú smerom k vyššiemu tlaku, teplota, a odolnosť proti korózii, Plášte čerpadiel musia spĺňať čoraz prísnejšie mechanické a metalurgické normy.
Puzdro čerpadla je základným konštrukčným prvkom zodpovedným za tlakovú izoláciu, tvorba prietokového kanála, a mechanickú podporu.
Pre veľké nehrdzavejúca oceľ pump, kombinácia masívnych rozmerov, zložité vnútorné dutiny, a lokalizované hrubé časti obzvlášť sťažujú kontrolu defektov.
Tradičné empirické metódy navrhovania procesov sa často snažia spoľahlivo eliminovať chyby súvisiace so zmršťovaním a môžu viesť k nadmerným maržiam procesu alebo nízkej výťažnosti..
S pokrokom technológií simulácie odlievania, bolo možné predvídať a kontrolovať vývoj správania pri plnení a tuhnutí pred výrobou.
Táto štúdia využíva numerickú simuláciu ako hlavný konštrukčný nástroj a kombinuje ju s metalurgickými princípmi a praktickými skúsenosťami zlievarenstva na vývoj robustného procesu odlievania pre veľké puzdro odstredivého čerpadla z nehrdzavejúcej ocele..
2. Analýza štrukturálnych charakteristík a materiálového správania
Konštrukčná zložitosť telesa čerpadla
Skúmaný plášť čerpadla je veľký, dutý, rotačne symetrický komponent s viacerými pretínajúcimi sa povrchmi a zložitými vnútornými prietokovými kanálmi.
Puzdro obsahuje predĺžené bočné časti, zosilnené príruby, a symetricky usporiadané zdvíhacie oká.
Medzi oblasťami prietokového kanála a zónami štrukturálneho vystuženia existujú významné variácie hrúbky steny.
Priesečníky bočných stien a koncových plôch tvoria typické tepelné horúce miesta, ktoré majú tendenciu stuhnúť ako posledné a sú veľmi náchylné na chyby pri zmrašťovaní, ak nie sú správne podávané.
Vlastnosti tuhnutia nehrdzavejúcej ocele
Vybraná trieda nehrdzavejúcej ocele sa vyznačuje vysokým obsahom zliatin a širokým rozsahom teplôt tuhnutia.
Počas chladenia, zliatina zostáva v polotuhom stave dlhší čas, čo má za následok obmedzenú priepustnosť prívodu a zníženú pohyblivosť tekutého kovu v neskorých štádiách tuhnutia.
Ďalej, nehrdzavejúca oceľ vykazuje relatívne vysoké objemové zmrštenie v porovnaní s uhlíkovými oceľami.
Tieto metalurgické vlastnosti vyžadujú proces odlievania, ktorý zaisťuje stabilné plnenie, riadené teplotné gradienty, a efektívne kŕmenie počas celej sekvencie tuhnutia.
3. Výber systému formy a optimalizácia schémy odlievania
Materiál formy a vlastnosti chladenia
Živica pieskové formovanie technológia bola zvolená z dôvodu jej vhodnosti pre veľké a zložité odliatky.
V porovnaní s kovovými formami, formy zo živicového piesku poskytujú lepšiu tepelnú izoláciu a pomalšie chladenie, ktorý pomáha znižovať tepelné namáhanie a tendenciu k praskaniu v odliatkoch z nehrdzavejúcej ocele.
Systém foriem tiež ponúka flexibilitu pri montáži jadra a umožňuje presné riadenie tuhosti a priepustnosti formy, čo je nevyhnutné na zabezpečenie rozmerovej presnosti a odvodu plynu.
Hodnotenie orientácie nalievania
Z hľadiska stability plnenia boli hodnotené viaceré orientácie nalievania, účinnosť kŕmenia, a prevencia defektov.
Zistilo sa, že konfigurácie horizontálneho liatia vytvárajú viaceré izolované horúce miesta, najmä v horných častiach, ktoré je ťažké efektívne podávať.
Nakoniec bola zvolená vertikálna orientácia liatia, pretože je v súlade s princípom smerového tuhnutia.
V tejto konfigurácii, najprv stuhnú spodné časti odliatku, zatiaľ čo horné oblasti horúceho bodu zostávajú pripojené k zdrojom napájania, výrazne zlepšuje spoľahlivosť kŕmenia a kontrolu defektov.
4. Návrh vtokového systému a optimalizácia plnenia
Princípy dizajnu
Vtokový systém bol navrhnutý s cieľom rýchleho, ale stabilného plnenia, minimálne turbulencie, a efektívnu kontrolu inklúzie.
Zabránilo sa nadmernej rýchlosti kovu a náhlym zmenám smeru prúdenia, aby sa zabránilo strhávaniu trosky a erózii povrchu formy.
Konfigurácia spodného nalievania
Krmivo zdola, bol prijatý vtokový systém otvoreného typu. Roztavený kov vstupuje do dutiny formy zo spodnej oblasti a hladko stúpa, umožňuje, aby vzduch a plyny boli posunuté smerom nahor a efektívne odsávané.
Tento režim plnenia výrazne znižuje turbulenciu prúdenia a podporuje rovnomerné rozloženie teploty počas plnenia, čo je obzvlášť výhodné pre veľké odliatky z nehrdzavejúcej ocele s dlhými časmi odlievania.
5. Návrh kŕmneho systému a stratégia tepelnej kontroly
Identifikácia kritických horúcich miest
Výsledky numerickej simulácie jasne identifikovali oblasti konečného tuhnutia v priesečníkoch bočných stien a koncových plôch.
Tieto oblasti boli potvrdené ako primárne ciele pre kŕmenie a tepelnú kontrolu.
Konfigurácia a funkčnosť stúpačky
Kombinácia horných stúpačiek a bočných slepých stúpačiek bola navrhnutá tak, aby riešila globálne aj miestne požiadavky na kŕmenie.
Horná stúpačka slúžila ako hlavný zdroj napájania a tiež uľahčovala únik plynu, zatiaľ čo bočné stúpačky zlepšili dostupnosť kŕmenia na bočné horúce miesta.
Geometria a umiestnenie stúpačiek boli optimalizované tak, aby sa zachovala dostatočná doba podávania a aby sa zabezpečilo, že ku konečnému tuhnutiu došlo skôr v stúpačkách než v odlievacom tele.
Aplikácia Chills
Vonkajšie chladiace zariadenia boli strategicky umiestnené v blízkosti hrubých častí, aby sa lokálne urýchlilo tuhnutie a vytvorili sa priaznivé teplotné gradienty.
Koordinované použitie chladenia a stúpačiek účinne podporovalo smerové tuhnutie a predchádzalo izolovaným horúcim miestam.
6. Numerická simulácia a multidimenzionálna analýza
Na vyhodnotenie správania pri plnení foriem sa použil pokročilý softvér na simuláciu odlievania, vývoj teploty, vývoj tuhej frakcie, a náchylnosť na defekty.
Výsledky simulácie demonštrovali stabilný proces plnenia s hladkým kovovým čelom a bez dôkazu separácie toku alebo stagnácie.
Počas tuhnutia, odliatok vykazoval jasný vzor tuhnutia zdola nahor.
Predpovede pórovitosti zmršťovania ukázali, že všetky potenciálne defekty zmršťovania boli obmedzené na stúpačky a vtokový systém, ponechanie odliatku bez vnútorných defektov.
Analýzy tepelného napätia a tendencie vzniku trhlín ukázali, že úrovne napätia zostali v prijateľných medziach, ďalšie overenie robustnosti návrhu procesu.
7. Obrobiteľnosť a výkon po odliatí
Kvalita odliatku priamo ovplyvňuje následnú efektivitu obrábania a výkon komponentov.
Absencia defektov vnútorného zmrštenia a diskontinuít povrchu znižuje opotrebovanie nástroja, vibrácie pri obrábaní, a riziko šrotu počas dokončovacích operácií.
Navyše, rovnomerné tuhnutie a riadené chladenie prispievajú k homogénnejším mikroštruktúram a rozdeleniu zvyškového napätia, ktoré zlepšujú rozmerovú stabilitu počas obrábania a servisu.
To je obzvlášť dôležité pre telesá čerpadiel vyžadujúce presné zarovnanie prírub a prietokových kanálov, aby sa zachovala hydraulická účinnosť.
8. Kontrola zvyškového stresu a spoľahlivosť služby
Zvyškové napätie je kritickým faktorom ovplyvňujúcim dlhodobú spoľahlivosť veľkých krytov čerpadiel z nehrdzavejúcej ocele.
Nadmerné teplotné gradienty počas tuhnutia môžu viesť k vysokým vnútorným napätiam, zvýšenie pravdepodobnosti deformácie alebo prasknutia počas tepelného spracovania a servisu.
Kombinované použitie foriem zo živicového piesku, spodné nalievanie, a riadené chladenie podporuje postupný vývoj teploty počas odlievania.
Tento prístup účinne obmedzuje akumuláciu zvyškového napätia a znižuje potrebu agresívnych úprav na zmiernenie napätia po odliatí, čím sa zlepšuje konštrukčná spoľahlivosť počas životnosti komponentu.
9. Skúšobná výroba a overenie
Na základe optimalizovaných parametrov procesu, uskutočnilo sa skúšobné odlievanie v plnom rozsahu.
Vyrobené puzdro čerpadla vykazovalo dobre definované obrysy, hladké povrchy, a bez viditeľných povrchových chýb.
Následné nedeštruktívne testovanie a kontroly obrábania potvrdili vynikajúcu vnútornú neporušenosť a rozmerovú stálosť.
Výsledky pokusu sa tesne zhodovali s predikciami simulácie, preukazujúce vysokú spoľahlivosť a praktickú použiteľnosť navrhovaného procesu odlievania.
10. Závery
Táto štúdia predstavuje komplexný návrh a optimalizáciu procesu odlievania pre veľké puzdro odstredivého čerpadla z nehrdzavejúcej ocele.
Práca integruje štrukturálnu analýzu, správanie materiálu pri tuhnutí, výber formy a schémy odlievania, konfigurácia vtokového systému, a optimalizácia kŕmenia.
Na analýzu plnenia foriem bola použitá pokročilá technológia numerickej simulácie, vývoj teploty, a vlastnosti tuhnutia, umožňujúci cielené zdokonaľovanie procesov.
Skúšobná výroba založená na optimalizovanom procese preukázala vynikajúcu integritu povrchu a vnútornú neporušenosť, potvrdením účinnosti a spoľahlivosti navrhovaného prístupu.
Štúdia poskytuje systematický a praktický odkaz na výrobu veľkých, vysokokvalitné teleso čerpadla z nehrdzavejúcej ocele.
