متعادل کننده خنک کننده و ریخته گری: طراحی حفره آب در سیلندرهای کمپرسور ضد زنگ 17-4PH

I. انتخاب مواد: الزامات عملیاتی و خواص مواد

ساختار ژاکت آب سه لایه معمولی بلوک سیلندر از داخل به بیرون از دیواره داخلی سیلندر، یک جلیقه آب حلقوی و یک محفظه هوا تشکیل شده است. در حالی که چدن می‌تواند الزامات تولید چنین بلوک‌های سیلندری را برآورده کند، چدن نمی‌تواند مقاومت کافی در برابر خوردگی را در محیط‌های بسیار خورنده با محتوای گوگرد بالا و رطوبت بالا ایجاد کند و فولاد ضد زنگ را اجباری می‌کند.

با این حال، فولادهای زنگ نزن آستنیتی معمولی (مانند 304/316) سختی نسبتاً کمی دارند و نمی توانند نیاز فنی مشتری HRC 30-34 را برآورده کنند. در این شرایط عملیاتی، فولاد ضد زنگ 17-4PH مارتنزیتی سخت‌کننده بارش، مقاومت در برابر خوردگی را با استحکام مکانیکی ترکیب می‌کند و آن را به ماده‌ای مناسب برای این قطعه تبدیل می‌کند.

 

II. چالش های ریخته گری: تفاوت های فرآیند بین چدن و ​​فولاد ضد زنگ

ساختار سه محفظه یک طرح بلوک استوانه ای چدنی معمولی است. هنگام استفاده از 'ساختار جلیقه آب سه لایه' طراحی شده اولیه برای فولاد ضد زنگ، فرآیند ریخته گری با موانع قابل توجهی روبرو می شود. مایع فولاد ضد زنگ چسبناک است و سیالیت ضعیفی دارد. ساختار حفره داخلی سه لایه یک پیکربندی پیچیده با حفره های متعدد محصور، اتصالات حرارتی متعدد و چندین هسته شنی تو در تو است. هنگام ریخته‌گری با فولاد ضد زنگ، جریان مذاب برای فولاد مذاب و رسیدن به یک حلقه بسته در حفره داخلی دشوار است. به طور همزمان، حفره‌های محصور پیچیده، رسیدگی به تخلیه گاز در طول فرآیند ریخته‌گری و حذف شن و ماسه را در مراحل بعدی غیرممکن می‌سازد.

• خطر تف جوشی هسته شنی: دمای ریختن برای آهن داکتیل تقریباً 1300 درجه سانتیگراد است، در حالی که برای فولاد ضد زنگ تا 1600 درجه سانتیگراد است. در دماهای بالا، هسته شنی حفره ای خنک شده با آب مقدار زیادی گرما را جذب می کند. به دلیل حجم بسیار کم حفره خنک شده با آب در ساختار سه لایه، هسته شنی مستعد تف جوشی است. این کار حفره خنک‌شده با آب را مسدود می‌کند، حذف شن و ماسه بعدی را غیرممکن می‌کند و مستقیماً منجر به شکست ریخته‌گری می‌شود. حتی اگر مقدار کمی از ماسه قالب در داخل باقی بماند، پس از راه اندازی تجهیزات، همراه با آب خنک کننده به گردش در می آید و باعث ساییدگی مهر و موم پمپ یا مسدود شدن مبدل های حرارتی می شود.

• اتصالات حرارتی و عیوب حفره انقباضی: انقباض حجمی فولاد ضد زنگ به اندازه 10٪ تا 14٪ است، به مراتب بیشتر از چدن شکل پذیر است، و فاقد قابلیت خود تغذیه از طریق انبساط گرافیت در طول انجماد است که چدن دارد. بلوک سیلندر سه محفظه دارای چندین اتصال حرارتی ایزوله است که نیاز به رایزرهای متعدد و کنترل دقیق انجماد جهت دار دارد. با این حال، محفظه های متعدد با یکدیگر تداخل دارند و باعث می شوند که دشواری طراحی فرآیند به طور تصاعدی افزایش یابد. تخلخل انقباض به یک نقص فرکانس بالا تبدیل شده است، و از آنجایی که بلوک سیلندر کمپرسور یک جزء تحمل کننده فشار است، هر گونه تخلخل انقباض داخلی منجر به رد فوری می شود.

• مشکل فیلم اکسید کروم:  یک فیلم اکسید Cr2O3 پیوسته، با نقطه ذوب بالا و بسیار مقاوم بر روی سطح فولاد مذاب تشکیل می شود. در محل اتصال محفظه های متعدد و ورودی های متعدد، لایه اکسیدی در قسمت جلوی جریان فلز به راحتی در داخل قالب ریخته گری محبوس می شود و اجزاء و لایه های اکسیدی را تشکیل می دهد. تشخیص چنین نقص هایی از طریق آزمایش های غیر مخرب بسیار دشوار است.

• تنش حرارتی در دمای بالا و حساسیت به ترک: انقباض خطی فولاد ضد زنگ 1.8٪ - 2.5٪ است. در طول خنک شدن، ضخامت دیواره ناهموار محفظه های متعدد به راحتی منجر به پارگی و تغییر شکل داغ می شود و اطمینان از زنجیره بعدی سه محفظه را بسیار دشوار می کند.

 III. راه حل استاندارد صنعت: سازش یک ساختار دو لایه

در مواجهه با چالش های ریخته گری فولاد ضد زنگ فوق الذکر، راه حل متداول اتخاذ شده در صنعت، تغییر نسخه اصلی است. 'ساختار سه لایه' به یک 'ساختار دو لایه' که از داخل به بیرون، از دیواره داخلی سیلندر، یک محفظه متناوب خنک شده با آب و یک محفظه هوا تشکیل شده است.

ساختار دو لایه تعداد اتصالات حرارتی روی ریخته گری را کاهش می دهد و به دست آوردن ریخته گری با ریزساختار متراکم را آسان تر می کند. حجم هسته شنی حفره ای خنک شده با آب را افزایش می دهد و از تف جوشی هسته ماسه جلوگیری می کند. و تعداد قالب های شن و ماسه را کاهش می دهد و حذف شن و ماسه بعدی و تمیز کردن ریخته گری را تسهیل می کند.

با این حال، در حالی که ساختار اصلی سه محفظه دارای یک ژاکت آب حلقوی بود، ساختار دو محفظه از دو حفره آب مستقل تشکیل شده است. این از تشکیل یک حلقه کامل گردش آب برای حذف موثر گرمای تولید شده توسط محفظه هوا جلوگیری می کند و در نتیجه ظرفیت خنک کننده را قربانی می کند و در عین حال الزامات عملیاتی و استحکام ساختاری را برآورده می کند.

ساختار دو لایه جریان آب

IV. تمرین مهندسی TOTEM: حفظ راندمان خنک کننده ژاکت آب

تیم TOTEM تصمیم گرفت که بازده خنک‌کننده بلوک سیلندر را قربانی کند. با فرض اطمینان از اینکه مواد 17-4PH با الزامات سختی و مقاومت در برابر خوردگی HRC 30-34 مطابقت دارد، ما نوآوری عمیق در فرآیند و طراحی سفارشی را برای این بلوک سیلندر کوچک کمپرسور رفت و برگشتی با قطر 550 میلی متر انجام دادیم.

از طریق یک طرح ساختاری خاص، ما به ارتباط موثر بین حفره‌های آب بدون افزایش قابل توجه اتصالات حرارتی و دشواری حذف شن و ماسه در طول ریخته‌گری دست یافتیم. این راه حل به اهداف مهندسی زیر دست یافت:

• خنک‌سازی گردشی بازسازی‌شده: با شکستن محدودیت‌های حفره‌های مستقل آب در ساختار دو لایه سنتی، مسیر گردش آب خنک‌کننده را بازیابی می‌کند و به طور موثر مسئله انباشت گرما در محفظه هوا را حل می‌کند.

• امکان‌سنجی ریخته‌گری متعادل: اقدامات احتیاطی ویژه در مناطق ساختاری مستعد نقص در مواد فولاد ضد زنگ، غلبه بر چالش‌های تف جوشی هسته ماسه و حذف ماسه ناشی از حفره‌های پیچیده داخلی، و اطمینان از چگالی داخلی ریخته‌گری انجام شد.

• شرایط عملیاتی مورد نیاز: در حالی که الزامات سختی و مقاومت در برابر خوردگی HRC 30-34 مواد 17-4PH را برآورده می کند، توانایی مدیریت حرارتی بلوک سیلندر را تحت عملکرد مداوم طولانی مدت افزایش می دهد.

ما یک مسیر فنی عملی برای ساخت بلوک‌های استوانه‌ای فولاد ضد زنگ با ساختارهای پیچیده تحت شرایط بسیار خورنده مشابه، متعادل کردن خواص مواد، فرآیندهای ریخته‌گری و عملکرد خنک‌کننده ارائه کرده‌ایم.

 

اگر شما نیز با چالش هایی در طراحی یا ساخت مواجه هستید بلوک های سیلندر کمپرسور تحت شرایط بسیار خورنده، یا اگر به ریخته گری ساختار پیچیده فولاد ضد زنگ 17-4PH علاقه مند هستید، لطفا با ما تماس بگیرید. تیم TOTEM مشتاقانه منتظر ارتباط دقیق با شما و ارائه راه حل های فنی سفارشی است!

از ارتقاء مواد گرفته تا بهینه سازی ساختاری، TOTEM به طور مداوم به ارائه قطعات اصلی قابل اعتمادتر و بادوام به مشتریان جهانی کمپرسور اختصاص دارد.