1. Вступ
Відцентрові насоси є домінуючою категорією обладнання для транспортування рідини в промислових системах, на них припадає більшість насосних установок у всьому світі.
Оскільки робочі параметри продовжують зростати в бік підвищення тиску, температура, і корозійна стійкість, Корпуси насосів повинні відповідати дедалі суворішим механічним і металургійним стандартам.
Корпус насоса є основним структурним компонентом, що відповідає за збереження тиску, формування каналу потоку, і механічна опора.
Для великих нержавіюча сталь насос кожухів, поєднання масивних розмірів, складні внутрішні порожнини, і локалізовані товсті ділянки особливо ускладнюють контроль дефектів.
Традиційні емпіричні методи проектування процесу часто не можуть надійно усунути дефекти, пов’язані з усадкою, і можуть призвести до надмірних запасів процесу або низького виходу.
З розвитком технологій моделювання лиття, стало можливим передбачити та контролювати еволюцію поведінки наповнення та затвердіння перед виробництвом.
Це дослідження використовує чисельне моделювання як основний інструмент проектування та поєднує його з металургійними принципами та практичним ливарним досвідом для розробки надійного процесу лиття для великого корпусу відцентрового насоса з нержавіючої сталі..
2. Структурні характеристики та аналіз поведінки матеріалу
Конструктивна складність корпусу насоса
Досліджуваний корпус насоса має великі розміри, порожнистий, ротаційно-симетричний компонент із кількома пересічними поверхнями та складними внутрішніми потоками.
Корпус включає розширені бічні секції, посилені фланці, і симетрично розташовані підйомні проушини.
Існують значні варіації товщини стінок між областями каналів потоку та структурними зонами посилення.
Місця перетину бічних стінок і торців утворюють типові термічні точки, які мають тенденцію застигати в останню чергу і дуже сприйнятливі до дефектів усадки, якщо їх неправильно подавати.
Характеристики затвердіння нержавіючої сталі
Вибрана марка нержавіючої сталі характеризується високою легованістю і широким діапазоном температур застигання.
Під час охолодження, сплав залишається в напівтвердому стані протягом тривалого часу, що призводить до обмеження проникності живлення та зниження рухливості рідкого металу на пізніх стадіях затвердіння.
Крім того, нержавіюча сталь демонструє відносно високу об'ємну усадку порівняно з вуглецевими сталями.
Ці металургійні характеристики вимагають процесу лиття, який забезпечує стабільне наповнення, контрольовані градієнти температури, та ефективне живлення протягом усієї послідовності затвердіння.
3. Вибір системи форм і оптимізація схеми заливки
Матеріал прес-форми та характеристики охолодження
смола піщане формування технологія була обрана через її придатність для великих і складних виливків.
У порівнянні з металевими формами, Смоляні піщані форми забезпечують кращу теплоізоляцію та меншу швидкість охолодження, що допомагає зменшити термічну напругу та тенденцію до розтріскування у виливках з нержавіючої сталі.
Система прес-форм також пропонує гнучкість у складанні серцевини та дозволяє точно контролювати жорсткість і проникність форми, що важливо для забезпечення точності розмірів і відведення газу.
Оцінка орієнтації заливки
Кілька орієнтацій заливки оцінювали з точки зору стабільності наповнення, ефективність годування, та запобігання дефектам.
Було виявлено, що горизонтальні конфігурації лиття створюють кілька ізольованих гарячих точок, особливо у верхніх частинах, які важко ефективно годувати.
Зрештою було обрано вертикальну орієнтацію заливки, оскільки це узгоджується з принципом спрямованого затвердіння.
У цій конфігурації, першими застигають нижні частини виливка, у той час як верхні гарячі зони залишаються підключеними до джерел живлення, значно покращує надійність годівлі та контроль дефектів.
4. Оптимізація дизайну системи литникових заповнень
Принципи проектування
Ліберну систему розроблено з метою швидкого, але стабільного заповнення, мінімальна турбулентність, та ефективний контроль за включенням.
Щоб запобігти захопленню шлаку та ерозії поверхні прес-форми, уникали надмірної швидкості металу та різких змін напрямку потоку..
Конфігурація нижньої заливки
Знизу, була прийнята система воріт відкритого типу. Розплавлений метал потрапляє в порожнину форми з нижньої частини і плавно піднімається, дозволяючи повітрю та газам витіснятися вгору та ефективно видалятися.
Цей режим наповнення значно зменшує турбулентність потоку та сприяє рівномірному розподілу температури під час наповнення, що особливо корисно для великих виливків з нержавіючої сталі з тривалим часом заливання.
5. Конструкція системи годування та стратегія теплового контролю
Виявлення критичних гарячих точок
Результати чисельного моделювання чітко ідентифікували області остаточного затвердіння на перетині бічних стінок і торців.
Було підтверджено, що ці області є основними цілями для годівлі та термоконтролю.
Конфігурація та функціональність стояка
Комбінація верхніх стояків і бічних глухих стояків була розроблена для задоволення як глобальних, так і місцевих вимог до годівлі.
Верхній стояк служив основним джерелом живлення, а також полегшував вихід газу, в той час як бічні стояки покращили доступ годування до бічних гарячих точок.
Геометрію стояка та розміщення оптимізували, щоб підтримувати достатній час подачі та гарантувати, що остаточне затвердіння відбувалося всередині стояка, а не в ливарному тілі.
Застосування Ознобу
Зовнішні охолоджувачі були стратегічно розміщені поблизу товстих секцій для локального прискорення затвердіння та встановлення сприятливих градієнтів температури.
Скоординоване використання охолоджувачів і стояків ефективно сприяло спрямованому затвердінню та запобігало ізольованим гарячим точкам.
6. Чисельне моделювання та багатовимірний аналіз
Розширене програмне забезпечення моделювання лиття використовувалося для оцінки поведінки заповнення форми, еволюція температури, розвиток твердої фракції, і схильність до дефектів.
Результати моделювання продемонстрували стабільний процес заповнення з гладким металевим фронтом і відсутністю ознак відриву або застою потоку.
Під час застигання, відливка показала чітку форму затвердіння знизу вгору.
Прогнози усадкової пористості показали, що всі потенційні дефекти усадки були обмежені стояками та системою литників, залишаючи тіло виливка без внутрішніх дефектів.
Аналіз термічної напруги та схильності до розтріскування показав, що рівні напруги залишаються в допустимих межах, подальша перевірка надійності конструкції процесу.
7. Оброблюваність і продуктивність після лиття
Якість лиття безпосередньо впливає на подальшу ефективність обробки та продуктивність компонентів.
Відсутність внутрішніх усадочних дефектів і розривів поверхні зменшує знос інструменту, вібрація обробки, і ризик браку під час завершальних операцій.
Більше, рівномірне затвердіння та контрольоване охолодження сприяють більш однорідній мікроструктурі та розподілу залишкових напруг, які покращують стабільність розмірів під час обробки та обслуговування.
Це особливо важливо для корпусів насосів, які вимагають точного вирівнювання фланців і каналів потоку для підтримки гідравлічної ефективності.
8. Контроль залишкової напруги та надійність обслуговування
Залишкова напруга є критичним фактором, що впливає на довгострокову надійність великих корпусів насосів із нержавіючої сталі.
Надмірні температурні градієнти під час затвердіння можуть призвести до високих внутрішніх напруг, збільшення ймовірності викривлення або розтріскування під час термічної обробки та експлуатації.
Комбіноване використання смолисто-піщаних форм, нижня заливка, а контрольоване охолодження сприяє поступовому зміну температури в лиття.
Цей підхід ефективно обмежує накопичення залишкової напруги та зменшує потребу в агресивній обробці для зняття напруги після лиття, тим самим підвищуючи структурну надійність протягом терміну служби компонента.
9. Пробне виробництво та валідація
На основі оптимізованих параметрів процесу, проведено натурне пробне лиття.
Виготовлений корпус насоса мав чіткі контури, гладкі поверхні, і без видимих дефектів поверхні.
Подальші неруйнівні випробування та перевірки механічної обробки підтвердили відмінну внутрішню міцність і стабільність розмірів.
Результати випробувань дуже збігалися з прогнозами моделювання, що демонструє високу надійність і практичну придатність запропонованого процесу лиття.
10. Висновки
У цьому дослідженні представлено комплексний дизайн процесу лиття та оптимізацію для великого корпусу відцентрового насоса з нержавіючої сталі.
Робота включає структурний аналіз, поведінка затвердіння матеріалу, вибір форми та схеми заливки, конфігурація ліберної системи, та оптимізація годівлі.
Для аналізу заповнення прес-форм використовувалася передова технологія чисельного моделювання, еволюція температури, і характеристики затвердіння, уможливлення цілеспрямованого вдосконалення процесу.
Пробне виробництво на основі оптимізованого процесу продемонструвало чудову цілісність поверхні та внутрішню надійність, підтвердження ефективності та надійності запропонованого підходу.
Дослідження забезпечує систематичну та практичну довідку для виробництва великих, високоякісні корпуси насосів з нержавіючої сталі.
