V法铸造真空系统管道设计及优化

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没有足够重视，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。对于室温空气，T取20℃，η数值为1.82×10^{-5Pa・s，Q>2640D为湍流，Q<1440D为粘滞流。在真空系统处于工作压力-0.04~-0.06MPa时，代入平均压力-0.05 MPa，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400mm（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^{-5Pa.s，Q>6044D为湍流，Q<3297D为粘滞流。代入平均压力-0.05MPa，可知Se>7.25D为湍流，Se<3.96D为粘滞流。当D为400mm时，Se>2.9 m3/min为湍流；当D为50mm时，Se>0.36m3/min为湍流。}

而常用真空泵抽气速率为67 m^{3/min（1.11m3/s），对于主管道直径为400mm的真空系统，通常连接至少3台真空泵，显然流速管道中的气体流动为湍流，而对于末端直径50mm的软管，在工厂进行了流量测量。}

1.2 流量测量试验

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。

表1  自动线工厂真空系统末端软管流量数据

注：测量的生产线砂箱尺寸为2200 mm×2200 mm×350 mm /250 mm，设计造型速度10箱/h，井盖铸件。

从表1可以看出，①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；②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；③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；④根据前文标准，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。

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1所示的接入管道时，相隔2米的3个真空泵上的真空表数据差别很大，两端的负压为-0.08MPa，中间为-0.05MPa。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入管道，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。

图1  两端抽气管道图

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，其工作参数66m^{3/min，负压为-0.06 MPa。根据实际该型号真空泵，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200 mm，第2种管径根据前文结论，总管道面积等于分管道面积之和。连接3台真空泵入口和稳压罐的主管道截面积应该约等于3个入口之和，直径略大于346.4mm,取350mm。

（a）主管道直径200mm

（b）主管道直径350mm

图2 三台真空泵串联两端抽气时管道压力分布

（a）主管道直径200mm

（b）主管道直径350mm

图3 3台真空泵串联两端抽气时管道抽气速度分布（带流动粒子）

从图2和图3中可看出，直径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），同样进行前文类似的边界条件设置，其模拟结果见图5~图9。

图4 单边抽气管道实物图

图5 单边抽气直径200 mm主管道速度分布

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，模拟数值与真空泵入口处实际抽速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。

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