1. Introduktion
Centrifugalpumpar representerar den dominerande kategorin av vätsketransportutrustning i industriella system, står för majoriteten av pumpinstallationerna över hela världen.
När driftsparametrarna fortsätter att öka mot högre tryck, temperatur, och korrosionsmotstånd, pumphus krävs för att uppfylla allt strängare mekaniska och metallurgiska standarder.
Pumphuset är den centrala strukturella komponenten som ansvarar för tryckinneslutning, flödeskanalbildning, och mekaniskt stöd.
För stora rostfritt stål pumphöljen, kombinationen av massiva dimensioner, komplexa inre håligheter, och lokaliserade tjocka sektioner gör defektkontroll särskilt svårt.
Traditionella empiriska processdesignmetoder kämpar ofta för att tillförlitligt eliminera krympningsrelaterade defekter och kan resultera i överdrivna processmarginaler eller lågt utbyte.
Med utvecklingen av gjutningssimuleringstekniker, det har blivit möjligt att förutsäga och kontrollera utvecklingen av fyllnings- och stelningsbeteende före produktion.
Denna studie utnyttjar numerisk simulering som ett kärndesignverktyg och kombinerar det med metallurgiska principer och praktisk gjuterfarenhet för att utveckla en robust gjutprocess för ett stort centrifugalpumphölje av rostfritt stål.
2. Strukturella egenskaper och materialbeteendeanalys
Pumphusets strukturella komplexitet
Det undersökta pumphuset är ett stort, ihålig, rotationssymmetrisk komponent med flera korsande ytor och komplexa inre flödespassager.
Höljet inkluderar förlängda sidosektioner, förstärkta flänsar, och symmetriskt anordnade lyftöglor.
Betydande väggtjockleksvariationer finns mellan flödeskanalområden och strukturella förstärkningszoner.
Skärningspunkterna mellan sidoväggar och ändytor bildar typiska termiska hot spots, som tenderar att stelna sist och är mycket känsliga för krympdefekter om de inte matas ordentligt.
Solidifieringsegenskaper hos rostfritt stål
Den valda rostfria stålkvaliteten kännetecknas av högt legeringsinnehåll och ett brett stelningstemperaturområde.
Under kylning, legeringen förblir i ett halvfast tillstånd under en längre period, vilket resulterar i begränsad matningspermeabilitet och minskad rörlighet för flytande metaller i de sena stadierna av stelning.
Dessutom, rostfritt stål uppvisar relativt hög volymetrisk krympning jämfört med kolstål.
Dessa metallurgiska egenskaper kräver en gjutprocess som säkerställer stabil fyllning, kontrollerade temperaturgradienter, och effektiv utfodring genom hela stelningssekvensen.
3. Val av formsystem och optimering av hällningsschema
Formmaterial och kylegenskaper
Harts sandformning teknologin valdes på grund av dess lämplighet för stora och komplexa gjutgods.
Jämfört med metalliska formar, hartssandformar ger bättre värmeisolering och en långsammare kylningshastighet, som hjälper till att minska termisk stress och sprickbildningstendenser i gjutgods av rostfritt stål.
Formsystemet erbjuder också flexibilitet vid kärnmontering och tillåter exakt kontroll av formstyvhet och permeabilitet, vilket är väsentligt för att säkerställa dimensionsnoggrannhet och gasevakuering.
Utvärdering av hällorientering
Flera hällningsriktningar utvärderades ur perspektivet av fyllningsstabilitet, utfodringseffektivitet, och förebyggande av defekter.
Horisontella hällkonfigurationer visade sig skapa flera isolerade heta punkter, särskilt i övre sektioner som är svåra att mata effektivt.
En vertikal hällorientering valdes slutligen, eftersom det överensstämmer med principen om riktad stelning.
I denna konfiguration, de nedre delarna av gjutgodset stelnar först, medan de övre hot spot-områdena förblir anslutna till matningskällor, avsevärt förbättra utfodringens tillförlitlighet och defektkontroll.
4. Gatingsystemdesign och fyllningsoptimering
Designprinciper
Grindsystemet utformades med målen att snabbt men stabilt fylla, minimal turbulens, och effektiv inkluderingskontroll.
Överdriven metallhastighet och abrupta flödesriktningsändringar undveks för att förhindra slaggmedryckning och erosion av formytan.
Bottenhällningskonfiguration
En bottenmatad, grindsystem av öppen typ antogs. Smält metall kommer in i formhåligheten från det nedre området och stiger mjukt, så att luft och gaser kan förskjutas uppåt och släppas ut effektivt.
Detta fyllningsläge minskar flödesturbulensen avsevärt och främjar jämn temperaturfördelning under fyllningen, vilket är särskilt fördelaktigt för stora rostfria gjutgods med långa gjuttider.
5. Utfodringssystemdesign och termisk kontrollstrategi
Identifiering av kritiska hotspots
Numeriska simuleringsresultat identifierade tydligt de slutliga stelningsregionerna vid skärningspunkterna mellan sidoväggar och ändytor.
Dessa områden bekräftades som de primära målen för utfodring och termisk kontroll.
Riser-konfiguration och funktionalitet
En kombination av topp- och sidoskydd har utformats för att möta både globala och lokala matningskrav.
Den översta stigaren fungerade som den huvudsakliga matningskällan och underlättade även gasutsläpp, medan sidosteg förbättrade matningstillgängligheten till laterala hot spots.
Stigrörsgeometri och placering optimerades för att bibehålla tillräcklig matningstid och säkerställa att slutlig stelning inträffade i stigarna snarare än i gjutkroppen.
Applicering av frossa
Externa kylningar placerades strategiskt nära tjocka sektioner för att lokalt påskynda stelningen och etablera gynnsamma temperaturgradienter.
Den samordnade användningen av frossa och stigare främjade effektivt riktad stelning och förhindrade isolerade hot spots.
6. Numerisk simulering och multidimensionell analys
Avancerad gjutningssimuleringsprogram användes för att utvärdera formfyllningsbeteende, temperaturutveckling, fast fraktion utveckling, och defektmottaglighet.
Simuleringsresultaten visade en stabil fyllningsprocess med en slät metallfront och inga tecken på flödesseparation eller stagnation.
Under stelning, gjutgodset uppvisade ett tydligt stelningsmönster nedifrån och upp.
Krympporositetsförutsägelser visade att alla potentiella krympningsdefekter var begränsade till stigar- och grindsystemet, lämnar gjutkroppen fri från inre defekter.
Termiska spänningar och spricktendensanalyser indikerade att spänningsnivåerna höll sig inom acceptabla gränser, ytterligare validering av robustheten i processdesignen.
7. Bearbetbarhet och prestanda efter gjutning
Gjutkvaliteten påverkar direkt efterföljande bearbetningseffektivitet och komponentprestanda.
Frånvaron av interna krympningsdefekter och ytdiskontinuiteter minskar verktygsslitaget, bearbetningsvibrationer, och risken för skrot vid efterbearbetning.
Dessutom, enhetlig stelning och kontrollerad kylning bidrar till mer homogena mikrostrukturer och restspänningsfördelningar, som förbättrar dimensionsstabiliteten under bearbetning och service.
Detta är särskilt relevant för pumphus som kräver exakt inriktning av flänsar och flödespassager för att upprätthålla hydraulisk effektivitet.
8. Restbelastningskontroll och servicetillförlitlighet
Restspänning är en kritisk faktor som påverkar den långsiktiga tillförlitligheten hos stora pumphus i rostfritt stål.
För stora termiska gradienter under stelning kan leda till höga inre spänningar, ökar sannolikheten för snedvridning eller sprickbildning under värmebehandling och service.
Den kombinerade användningen av hartssandformar, botten hälla, och kontrollerad kylning främjar gradvis temperaturutveckling genom hela gjutningen.
Detta tillvägagångssätt begränsar effektivt kvarvarande spänningsackumulering och minskar behovet av aggressiva eftergjutningsbehandlingar., vilket förbättrar den strukturella tillförlitligheten under komponentens livslängd.
9. Provproduktion och validering
Baserat på de optimerade processparametrarna, provgjutning i full skala genomfördes.
Det producerade pumphuset uppvisade väldefinierade konturer, släta ytor, och inga synliga ytdefekter.
Efterföljande oförstörande provning och bearbetningsinspektioner bekräftade utmärkt inre soliditet och dimensionsstabilitet.
Försöksresultaten överensstämde nära simuleringsförutsägelser, demonstrerar den höga tillförlitligheten och praktiska användbarheten av den föreslagna gjutprocessen.
10. Slutsatser
Denna studie presenterar en omfattande gjutprocessdesign och optimering för ett stort centrifugalpumphölje av rostfritt stål.
Arbetet integrerar strukturanalys, material stelningsbeteende, val av form och gjutning, konfiguration av grindsystem, och utfodringsoptimering.
Avancerad numerisk simuleringsteknik användes för att analysera formfyllning, temperaturutveckling, och stelningsegenskaper, möjliggör målinriktad processförfining.
Provproduktion baserad på den optimerade processen visade utmärkt ytintegritet och inre sundhet, bekräftar effektiviteten och tillförlitligheten hos den föreslagna metoden.
Studien ger en systematisk och praktisk referens för tillverkning av stora, pumphus i rostfritt stål av hög kvalitet.
