V法鑄造真空系統(tǒng)管道設計及優(yōu)化
真空系統(tǒng)是V法鑄造的關鍵，但是在V法鑄造工藝推廣實施過程中，一些企業(yè)對真空系統(tǒng)沒有足夠重視，尤其是管道設計不當，造成真空能耗大等問題。
1 管道設計
1.1 管道中氣體流動狀態(tài)的判定
對于理想氣體，粘滯流與湍流的判別，采用雷諾數(shù)判別
。對于室溫空氣，T取20℃，η數(shù)值為1.82×10-5Pa?s，Q>2640D為湍流，Q<1440D為粘滯流。在真空系統(tǒng)處于工作壓力-0.04~-0.06MPa時，代入平均壓力-0.05 MPa，得到Se>3.168D為湍流，Se<1.728D為粘滯流，其中Se為抽速，m3/min。當D為400mm（常用主管道直徑）時，Se>1.27 m3/min為湍流；當D為50mm（通用末端軟管直徑）時，Se>0.158 m3/min為湍流。
對于澆注后高溫氣體，T取200℃（軟管所能承受的溫度），數(shù)值為2.58×10-5Pa.s，Q>6044D為湍流，Q<3297D為粘滯流。代入平均壓力-0.05MPa，可知Se>7.25D為湍流，Se<3.96D為粘滯流。當D為400mm時，Se>2.9 m3/min為湍流；當D為50mm時，Se>0.36m3/min為湍流。
而常用真空泵抽氣速率為67 m3/min（1.11m3/s），對于主管道直徑為400mm的真空系統(tǒng)，通常連接至少3臺真空泵，顯然流速管道中的氣體流動為湍流，而對于末端直徑50mm的軟管，在工廠進行了流量測量。
1.2 流量測量試驗
試驗采用智能DN50渦街流量計，自行改造后固定于軟管中，跟蹤同一砂箱在整個生產(chǎn)流程中抽氣量變化，多次試驗后取平均值。
表1 自動線工廠真空系統(tǒng)末端軟管流量數(shù)據(jù)
|
階段 |
雙側(cè)抽氣（m3/min） |
單側(cè)抽氣（m3/min） |
|
| 上箱 |
下箱 |
上箱 |
|
|
合箱待澆注 |
1.3 |
0.5 |
|
|
澆注中 |
2.9 |
1.15 |
|
|
澆注完保壓 |
2.25 |
0.95 |
2 |
注：測量的生產(chǎn)線砂箱尺寸為2200 mm×2200 mm×350 mm /250 mm，設計造型速度10箱/h，井蓋鑄件。
從表1可以看出，①上箱抽氣量比下箱抽氣量大一倍多。這是由于上箱真空需要承受所有型砂的質(zhì)量，而下箱型砂有地面支撐；②抽氣量只與壓力差和氣阻有關，所以單側(cè)抽氣和雙側(cè)抽氣的每個抽氣軟管流量相差不大；③砂箱中氣體泄漏量，澆注時最大，其次是保壓階段，最后是待澆注階段；④根據(jù)前文標準，最小流量時也明顯大于湍流標準，所以V法鑄造管道中氣體流動狀態(tài)絕大部分階段是湍流。
2 管道優(yōu)化數(shù)值模擬
2.1 雙邊抽氣接入管道探討
某廠采用如圖1所示的接入管道時，相隔2米的3個真空泵上的真空表數(shù)據(jù)差別很大，兩端的負壓為-0.08MPa，中間為-0.05MPa。導致兩端真空泵軸功率過高，能耗大。
在實際生產(chǎn)中，無法觀察真空管道中氣體的流動，為了更加合理地優(yōu)化真空泵接入管道，解決實際運行中真空利用率不高的問題，采用fluent軟件進行了模擬。
圖1 兩端抽氣管道圖
氣體在管道中流動為湍流，因此流動條件設為湍流，真空泵選擇水環(huán)泵2BE303，3個真空泵均處在工作狀態(tài)，每個泵的抽速和泵入口處負壓穩(wěn)定，其工作參數(shù)66m3/min，負壓為-0.06 MPa。根據(jù)實際該型號真空泵，將真空泵入口管徑設為200 mm，模擬兩種不同直徑總管道對真空的影響。
第1種是產(chǎn)生問題時實際主管徑200 mm，第2種管徑根據(jù)前文結(jié)論，總管道面積等于分管道面積之和。連接3臺真空泵入口和穩(wěn)壓罐的主管道截面積應該約等于3個入口之和，直徑略大于346.4mm,取350mm。
（a）主管道直徑200mm
（b）主管道直徑350mm
圖2 三臺真空泵串聯(lián)兩端抽氣時管道壓力分布
（a）主管道直徑200mm
（b）主管道直徑350mm
圖3 3臺真空泵串聯(lián)兩端抽氣時管道抽氣速度分布（帶流動粒子）
從圖2和圖3中可看出，直徑200 mm的主管道壓力分布有差別，中間壓力低，兩端的分管道渦流造成高真空區(qū)。主管道抽速差達到50 m/s，兩端分管道由于渦流嚴重，有效抽氣面積大大減少，導致兩端的真空泵抽氣阻力很大而中間的氣體卻太集中來不及抽走，因而中間真空泵的負壓較低，兩邊真空泵負壓較高。直徑350 mm的主管道負壓分布均勻，不受分管道影響。主管道內(nèi)抽速差為10 m/s，分管道接口處渦流也得到很大改善。
2.2 單邊抽氣接入管道
針對實際生產(chǎn)中更常用的單邊抽氣情況（見圖4），同樣進行前文類似的邊界條件設置，其模擬結(jié)果見圖5~圖9。
圖4 單邊抽氣管道實物圖
圖5 單邊抽氣直徑200 mm主管道速度分布
對比圖5和圖6可以看出，對于細管，3個分管道之間抽速有2個數(shù)量級的差別，氣體渦流明顯，離穩(wěn)壓管最近的分管道抽速很慢，這說明第一個真空泵抽氣阻力大而最后一個氣體沖擊大。對于直徑350 mm主管道，3個分管道抽速差別較小，最大抽速也只有59m/s，而且3個分管道末端抽速比較平均，模擬數(shù)值與真空泵入口處實際抽速35 m/s比較接近。另外，主管道末端產(chǎn)生了嚴重氣流停滯而旋轉(zhuǎn)，這段對于主管道而言是不需要的，應該去掉。
針對垂直接頭產(chǎn)生的渦流現(xiàn)象，嘗試改變?yōu)閺澢宇^，彎曲半徑為200mm和500mm，效果也不相同。
圖6 單邊抽氣直徑350mm主管道速度分布圖
圖7 接頭彎曲半徑200mm時速度分布圖
圖8 接頭彎曲半徑500mm時速度分布圖
圖9 直徑350mm接頭彎曲半徑500mm時流體粒子圖
對比圖5，圖7和圖8發(fā)現(xiàn)，直接頭的最大流速在分管道，分管道接頭處極易形成氣體渦流，減少分管道等效抽氣面積。彎曲接頭的最大流速在主管道，而且隨著彎曲半徑的增大，渦流現(xiàn)象得到明顯改善。當彎曲半徑為500 mm時，最遠端分管道的氣體流速為32 m/s，與真空泵抽速66 m3/min相匹配，說明管道參數(shù)設置比較合理。但圖8中離穩(wěn)壓罐最近的分管道還是抽氣阻力很大，分管道之間抽速差別也很大，這與主管道直徑過細有關。增大直徑后，結(jié)果見圖9，其中3個分管道氣體流速差別很小，與真空泵入口處實際抽速35 m/s接近，粒子可以看出氣體流量分配，氣體均勻地分配到3個分管道中，
3個真空泵同時工作時都能達到最高效率且沒有相互影響，因此圖9是最合理的設計。
2.3 大小泵串聯(lián)順序
在實際生產(chǎn)線中，大小真空泵配合使用更能減少能耗，造型時使用小泵，澆注時使用大泵，因此需要對于大小泵串聯(lián)順序探討。
假設選用兩個泵，小泵為2BE253，進氣直徑125 mm，轉(zhuǎn)速為660r/min，進氣量為33.3 m3/min，45kW。大泵為2BE353，進氣直徑200 mm，轉(zhuǎn)速為530r/min，進氣量為78.8m3/min，110kw。兩泵工作負壓均為-0.060 MPa。
模擬結(jié)果見圖10和圖11。兩者整體流速差別不大，分管道末端平均流速均在35~45 m/s，但圖11出現(xiàn)了較大面積的氣體流速緩慢區(qū)。觀察流動粒子圖后發(fā)現(xiàn)，此處氣體產(chǎn)生了緩慢地橫向移動，即氣體在此處停滯了?？梢娪捎谛”玫某闅饽芰τ邢迣е轮鞴艿乐袣怏w來不及抽走而紊亂，氣體抽氣阻力增大。
圖10 小泵在前速度分布（帶流體粒子）
圖11 大泵在前速度分布（帶流體粒子）
3 結(jié)論
（1）V法鑄造管道中氣體流動狀態(tài)絕大部分階段是湍流。
（2）由于上箱真空需要承受所有型砂質(zhì)量，而下箱型砂有地面支撐。上箱抽氣量比下箱抽氣量大一倍多。而且砂箱中氣體泄漏量，澆注時最大，其次是保壓階段，最后是待澆注階段。
（3）在接頭壓力損失較小時主管道面積應為分管道面積之和，符合此參數(shù)的連接真空泵主管道能夠保證真空泵間相互不影響。彎曲接頭能有效消除分管道中的氣體渦流，保證分管道有效抽氣面積。
（4）通過模擬驗證，當大小泵串聯(lián)時，小泵在前，大泵在后，能減小抽氣阻力，大小泵都能充分得到利用
建筑資質(zhì)代辦咨詢熱線：13198516101
咨詢熱線：13198516101 
