V法铸造真空系统管道设计及优化

 涂益明  叶升平  梁庆民

 （华中科技大学材料科学与工程学院）

摘要根据雷诺判别式和试验测得的抽气量数据，判定V法铸造真空管道中气体流动均为湍流，并推导出主管道和分管道面积公式。进行了管道数值模拟，发现真空泵接入处主管道直径能改变真空泵间相互影响，弯曲接头能有效消除接头处气体涡流。

 关键词V法铸造；真空系统；管道设计

 中图分类号  TG249.6；TB7 DOI:10. 15980/j．tzzz．2016. 06. 020

 V法铸造使用完全不含粘接剂的干砂造型，型砂整体被塑料薄膜包裹，并抽真空，通过铸型内外受到的压力差，使砂粒之间的摩擦力增加，从而保持铸型形状，而且能达到很高的铸型强度。其中真空系统是V法铸造的关键，但是在V法铸造工艺推广实施过程中，一些企业对真空系统重视不够，尤其是管道设计不当，造成真空能耗大等问题。

1  管道设计

1.1  管道中气体流动状态的判定

对于理想气体，粘滞流与湍流的判别，采用雷诺数判别：

-0. 04～-0. 06  M Pa时，将平均压力-0. 05  M Pa代入式(1)，得到Se>3. 168D为湍流，Se<1. 728D为粘滞流，其中Se为抽速，m3/min。当D为400 mm（常用主管道直径）时，Se>1. 27 m3/min为湍流；当D为50mm（通用末端软管直径）时，Se>0.158  m3/min为湍流。

 对于浇注后高温气体，t取200℃（软管所能承受的温度），数值为2. 58×10-5 Pa．s，Q>6 044D为湍流，Q<3 297D为粘滞流。将平均压力-0. 05 M Pa代入式(1)，可知Se>7. 25D为湍流，Se<3. 96D为粘滞流。当D为400 mm时，Se>2.9 m3/min为湍流；当D为50 mm时，Se>0. 36 m3／min为湍流。

 而常用真空泵抽气速率为67m3／min，对于主管道直径为400 mm的真空系统，通常连接至少3台真空泵，显然真空管道中的气体流动为湍流，而对于末端直径为50 mm的软管，进行了流量测量。

1.2流量测量试验

 采用智能DN50涡街流量计，自行改造后固定于软管中，跟踪同一砂箱在整个生产流程中抽气量变化，多次试验后取平均值，结果见表1。

 从表1可以看出，上箱抽气量比下箱抽气量大一倍多。这是由于上箱真空需要承受所有型砂的质量，而下箱型砂有地面支撑，且上箱浇冒口处存在漏气；抽气量只与压力差和气阻有关，所以单侧抽气和双侧抽气的每个抽气软管流量相差不大；砂箱中气体泄漏量，浇注时最大，其次是保压阶段，最后是待浇注阶段；软管的最小流量时也明显大于湍流标准，所以V法铸造管道中气体流动状态绝大部分阶段是湍流。

1.3  分管道与主管道设计

 在真空系统管道设计中，经常遇到分管道与主管道的连接，在此对其进行探讨。

 设分管道质量流量为Q i，主管道质量流量为Q0，则有，

 

2  管道优化数值模拟

2.1  双边抽气接入管道探讨

 某厂采用接入管道见图1，相隔2m的3个真空泵上的真空表数据差别很大，两端的负压为-0. 08 M Pa，中间为-0. 05 M Pa。导致两端真空泵轴功率过高，能耗大。

 在实际生产中，无法观察真空管道中气体的流动，为了更加合理地优化真空泵接人管道，解决实际运行中真空利用率不高的问题，采用Fluent软件进行了模拟。

 由于气体在管道中流动为湍流，因此流动条件设为湍流，真空泵选择水环泵2BE303，3个真空泵均处在工作状态，每个泵的抽速和泵入口处负压稳定，其抽速为66m3／min，负压为-0. 06 M Pa。根据该型号实际真空，将真空泵入口管径设为200 mm，模拟两种不同直径总管道对真空的影响。

 第1种是产生问题时实际主管径为200 mm，第2种管径，总管道面积等于分管道面积之和。连接3台真空泵人口和稳压罐的主管道截面积应该约等于3个人口之和，直径略大于346.4 mm，取350 mm。

 从图2和图3中可看出，直径为200 mm的主管道压力分布有差别，中间压力低，两端的分管道涡流造成高真空区。主管道抽速差达到50 m/s，两端分管道由于涡流严重，有效抽气面积大大减少，导致两端的真空泵抽气阻力很大而中间的气体却太集中来不及抽走，因而中间真空泵的负压较低，两边真空泵负压较高。直径350 mm的主管道负压分布均匀，不受分管道影响。主管道内抽速差为10 m/s，分管道接口处涡流也得到很大改善。

2.2  单边抽气接入管道

 针对实际生产中更常用的单边抽气情况（见图4），其模拟结果见图5～图9。

 对比图5和图6可以看出，对于细管，3个分管道之间抽速有2个数量级的差别，气体涡流明显，离稳压管最近的分管道抽速很慢，这说明第一个真空泵抽气阻力大而最后一个气体冲击大。对于直径350 mm的主管道，3个分管道抽速差别较小，最大抽速也只有59m/s，而且3个分管道末端抽速比较平均，模拟数值与真空泵人口处实际抽速35 m/s比较接近。另外，主管道末端产生了严重气流停滞而旋转，这段对于主管道而言是不需要的，应该去掉。

 针对垂直接头产生的涡流现象，尝试改为弯曲接头，弯曲半径为200 mm和500 mm，效果也不相同。

 对比图5，图7和图8发现，直接头的最大流速在分管道，分管道接头处极易形成气体涡流，减少分管道等效抽气面积。弯曲接头的最大流速在主管道，而且随着弯曲半径的增大，涡流现象得到明显改善。当弯曲半径为500 mm时，最远端分管道的气体流速为32 m/s，与真空泵抽速66 m3／min相匹配，说明管道参数设置比较合理。但图8中离稳压罐最近的分管道还是抽气阻力很大，分管道之间抽速差别也很大，这与主管道直径过细有关。增大直径后，结果见图9，其中3个分管道气体流速差别很小，与真空泵入口处实际抽速35 m/s接近，粒子可以看出气体流量分配，气体均匀地分配到3个分管道中，3个真空泵同时工作时都能达到最高效率且没有相互影响，因此图9是最合理的设计。

2.3大小泵串联顺序

 在实际生产线中，大小真空泵配合使用更能减少能耗，造型时使用小泵，浇注时使用大泵，因此需要对于大小泵串联顺序进行探讨。

 假设选用两个泵，小泵为2BE253，进气直径为125mm，转速为660 r／min，进气量为33.3 m3／min，45kW。大泵为2BE353，进气直径为200 mm，转速为530r／min，进气量为78.8m3／min，110 kW。两泵工作负压均为-0. 060 M Pa。

 模拟结果见图10和图11。两者整体流速差别不大，分管道末端平均流速均在35～45 m/s，但图11出现了较大面积的气体流速缓慢区。观察流动粒子图后发现，此处气体产生了缓慢地横向移动，即气体在此处停滞了。可见由于小泵的抽气能力有限，导致主管道中气体来不及抽走而紊乱，气体抽气阻力增大。

3  结  论

 (1)V法铸造管道中气体流动状态绝大部分阶段是湍流。

 (2)由于上箱真空需要承受所有型砂质量，而下箱型砂有地面支撑，因此上箱抽气量比下箱抽气量大一倍多。砂箱中气体泄漏量，浇注时最大，其次是保压阶段，最后是待浇注阶段。

 (3)在接头压力损失较小时主管道面积应为分管道面积之和，符合此参数的连接真空泵主管道能够保证真空泵间相互不影响。弯曲接头能有效消除分管道中的气体涡流，保证分管道有效抽气面积。

 (4)通过模拟验证，当大小泵串联时，小泵在前，大泵在后，能减小抽气阻力，大小泵都能充分得到利用。