V法鑄造真空系統(tǒng)管道設(shè)計及優(yōu)化
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涂益明 葉升平 梁慶民
（華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）
摘要根據(jù)雷諾判別式和試驗測得的抽氣量數(shù)據(jù)，判定V法鑄造真空管道中氣體流動均為湍流，并推導(dǎo)出主管道和分管道面積公式。進(jìn)行了管道數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)真空泵接入處主管道直徑能改變真空泵間相互影響，彎曲接頭能有效消除接頭處氣體渦流。
關(guān)鍵詞V法鑄造；真空系統(tǒng)；管道設(shè)計
中圖分類號 TG249.6；TB7 DOI:10. 15980/j．tzzz．2016. 06. 020
V法鑄造使用完全不含粘接劑的干砂造型，型砂整體被塑料薄膜包裹，并抽真空，通過鑄型內(nèi)外受到的壓力差，使砂粒之間的摩擦力增加，從而保持鑄型形狀，而且能達(dá)到很高的鑄型強(qiáng)度。其中真空系統(tǒng)是V法鑄造的關(guān)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)重視不夠，尤其是管道設(shè)計不當(dāng)，造成真空能耗大等問題。
1 管道設(shè)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：
-0. 04～-0. 06 M Pa時，將平均壓力-0. 05 M Pa代入式(1)，得到Se>3. 168D為湍流，Se<1. 728D為粘滯流，其中Se為抽速，m3/min。當(dāng)D為400 mm（常用主管道直徑）時，Se>1. 27 m3/min為湍流；當(dāng)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. 58×10-5 Pa．s，Q>6 044D為湍流，Q<3 297D為粘滯流。將平均壓力-0. 05 M Pa代入式(1)，可知Se>7. 25D為湍流，Se<3. 96D為粘滯流。當(dāng)D為400 mm時，Se>2.9 m3/min為湍流；當(dāng)D為50 mm時，Se>0. 36 m3／min為湍流。
而常用真空泵抽氣速率為67m3／min，對于主管道直徑為400 mm的真空系統(tǒng)，通常連接至少3臺真空泵，顯然真空管道中的氣體流動為湍流，而對于末端直徑為50 mm的軟管，進(jìn)行了流量測量。
1.2流量測量試驗
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，結(jié)果見表1。
從表1可以看出，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，且上箱澆冒口處存在漏氣；抽氣量只與壓力差和氣阻有關(guān)，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；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；軟管的最小流量時也明顯大于湍流標(biāo)準(zhǔn)，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。
1.3 分管道與主管道設(shè)計
在真空系統(tǒng)管道設(shè)計中，經(jīng)常遇到分管道與主管道的連接，在此對其進(jìn)行探討。
設(shè)分管道質(zhì)量流量為Q i，主管道質(zhì)量流量為Q0，則有，
2 管道優(yōu)化數(shù)值模擬
2.1 雙邊抽氣接入管道探討
某廠采用接入管道見圖1，相隔2m的3個真空泵上的真空表數(shù)據(jù)差別很大，兩端的負(fù)壓為-0. 08 M Pa，中間為-0. 05 M Pa。導(dǎo)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)化真空泵接人管道，解決實際運(yùn)行中真空利用率不高的問題，采用Fluent軟件進(jìn)行了模擬。
由于氣體在管道中流動為湍流，因此流動條件設(shè)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(fù)壓穩(wěn)定，其抽速為66m3／min，負(fù)壓為-0. 06 M Pa。根據(jù)該型號實際真空，將真空泵入口管徑設(shè)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為200 mm，第2種管徑，總管道面積等于分管道面積之和。連接3臺真空泵人口和穩(wěn)壓罐的主管道截面積應(yīng)該約等于3個人口之和，直徑略大于346.4 mm，取350 mm。
從圖2和圖3中可看出，直徑為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(dá)到50 m/s，兩端分管道由于渦流嚴(yán)重，有效抽氣面積大大減少，導(dǎo)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(fù)壓較低，兩邊真空泵負(fù)壓較高。直徑350 mm的主管道負(fù)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），其模擬結(jié)果見圖5～圖9。
對比圖5和圖6可以看出，對于細(xì)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的主管道，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)值與真空泵人口處實際抽速35 m/s比較接近。另外，主管道末端產(chǎn)生了嚴(yán)重氣流停滯而旋轉(zhuǎn)，這段對于主管道而言是不需要的，應(yīng)該去掉。
針對垂直接頭產(chǎn)生的渦流現(xiàn)象，嘗試改為彎曲接頭，彎曲半徑為200 mm和500 mm，效果也不相同。
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(dāng)彎曲半徑為500 mm時，最遠(yuǎn)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(shè)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(xì)有關(guān)。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(dá)到最高效率且沒有相互影響，因此圖9是最合理的設(shè)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)順序進(jìn)行探討。
假設(shè)選用兩個泵，小泵為2BE253，進(jìn)氣直徑為125mm，轉(zhuǎn)速為660 r／min，進(jìn)氣量為33.3 m3／min，45kW。大泵為2BE353，進(jìn)氣直徑為200 mm，轉(zhuǎn)速為530r／min，進(jìn)氣量為78.8m3／min，110 kW。兩泵工作負(fù)壓均為-0. 060 M Pa。
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�，導(dǎo)致主管道中氣體來不及抽走而紊亂，氣體抽氣阻力增大。
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，因此上箱抽氣量比下箱抽氣量大一倍多。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(yīng)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(dāng)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。
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