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기존의 실린더 블록의 3층 워터자켓 구조는 내부에서 바깥쪽으로 실린더 내벽, 환형 워터자켓, 에어 챔버로 구성됩니다. 주철은 이러한 실린더 블록의 생산 요구 사항을 충족할 수 있지만, 주철은 황 함량이 높고 습도가 높은 부식성이 높은 환경에서는 충분한 내식성을 제공할 수 없으므로 스테인리스강이 필수입니다.
그러나 기존의 오스테나이트계 스테인리스강(예: 304/316)은 경도가 상대적으로 낮아 고객의 기술 요구사항인 HRC 30-34를 충족할 수 없습니다. 이러한 작동 조건에서 17-4PH 마르텐사이트 석출 경화 스테인리스강은 내식성과 기계적 강도를 결합하여 이 부품에 적합한 소재입니다.
3챔버 구조는 전형적인 전통적인 주철 실린더 블록 설계입니다. 원래 설계된 '3층 워터 재킷 구조'를 스테인레스 스틸에 적용할 때 주조 공정은 심각한 장애물에 직면합니다. 스테인레스 스틸 액체는 점성이 있고 유동성이 좋지 않습니다. 3층 내부 캐비티 구조는 여러 개의 밀폐된 캐비티, 수많은 열 접합부, 서로 중첩된 여러 개의 샌드 코어로 구성된 복잡한 구성입니다. 스테인레스강으로 주조할 때 용강이 유입되어 내부 캐비티에 폐쇄 루프를 형성하는 것이 어렵습니다. 동시에 복잡하게 둘러싸인 공동으로 인해 주조 공정 중 가스 배출과 이후 단계의 모래 제거를 처리하는 것이 불가능합니다.
모래 코어 소결 위험: 연성철의 주입 온도는 약 1300°C인 반면 스테인리스강의 주입 온도는 1600°C에 달합니다. 고온에서는 수냉식 캐비티 샌드 코어가 많은 양의 열을 흡수합니다. 3층 구조에서는 수냉식 공동의 부피가 지나치게 작기 때문에 모래 코어가 소결되기 쉽습니다. 이로 인해 수냉식 캐비티가 막히고 후속 모래 제거가 불가능해지며 주조 실패가 직접적으로 발생합니다. 내부에 미량의 주물사가 남아 있어도 장비 가동 후 냉각수와 함께 순환하여 펌프 씰이 마모되거나 열교환기를 막는 원인이 됩니다.
열 접합 및 수축 공동 결함: 스테인레스 강의 체적 수축은 연성 철보다 훨씬 큰 10%-14%에 달하며 응고 중 흑연 팽창을 통한 주철의 자체 공급 능력이 부족합니다. 3개의 챔버로 구성된 실린더 블록에는 여러 개의 격리된 열 조인트가 있어 수많은 라이저와 방향 응고에 대한 엄격한 제어가 필요합니다. 그러나 다수의 챔버가 서로 간섭하게 되어 공정 설계의 어려움이 기하급수적으로 증가하게 된다. 수축 다공성은 고주파수 결함이 되었으며, 압축기 실린더 블록은 압력을 견디는 부품이므로 내부 수축 다공성은 즉시 거부됩니다.
크롬 산화물 피막 문제: 용강 표면에 연속적이고, 고융점, 고강성 Cr²O₃ 산화물 피막이 형성됩니다. 다중 챔버와 다중 입구의 접합부에서 금속 유동 전면의 산화막은 주물 내부에 쉽게 갇혀 산화물 개재물과 적층을 형성합니다. 이러한 결함은 비파괴 검사를 통해 발견하기가 매우 어렵습니다.
고온 열 응력 및 균열 민감도: 스테인리스 강의 선형 수축률은 1.8%~2.5%입니다. 냉각 중에 여러 챔버의 벽 두께가 고르지 않으면 열간 찢어짐과 변형이 쉽게 발생하여 3개 챔버의 치수 체인을 보장하기가 매우 어렵습니다.
앞서 언급한 스테인리스강 주조 문제에 직면하여 업계에서 일반적으로 채택되는 솔루션은 원본을 변경하는 것입니다. '3층 구조'에서 '2층 구조' 로, 내부에서 바깥쪽으로 원통 내벽, 간헐 수냉식 챔버, 공기 챔버로 구성됩니다.
2층 구조는 주물의 열 접합 수를 줄여 조밀한 미세 구조를 가진 주물을 더 쉽게 얻을 수 있습니다. 그것은 모래 코어 소결을 피하면서 수냉식 공동 모래 코어의 부피를 증가시킵니다. 모래 주형의 수를 줄여 후속 모래 제거 및 주조 청소를 용이하게 합니다.
그러나 원래의 3챔버 구조는 환형 워터 재킷을 특징으로 했지만 2챔버 구조는 2개의 독립적인 물 공간으로 구성됩니다. 이는 공기실에서 발생하는 열을 효과적으로 제거하기 위한 완전한 물 순환 루프의 형성을 방지하여 작동 요구 사항과 구조적 강도를 충족시키면서 냉각 용량을 희생시킵니다.
2층 구조의 물 흐름
구조적 복잡성을 줄여 주조 타당성을 저하시키는 업계 전반의 관행 속에서 TOTEM 팀은 실린더 블록의 냉각 효율성을 희생하지 않기로 결정했습니다. 17-4PH 재료가 HRC 30-34 경도 및 내식성 요구 사항을 충족한다는 전제 하에 직경 550mm의 왕복동 압축기 소형 실린더 블록에 대한 심층적인 공정 혁신과 맞춤형 설계를 수행했습니다.
특정 구조 레이아웃을 통해 주조 중 열 접합 및 모래 제거 어려움을 크게 증가시키지 않으면서 물 구멍 사이의 효과적인 소통을 달성했습니다. 이 솔루션은 다음과 같은 엔지니어링 목표를 달성했습니다.
순환 냉각 복원: 기존 2층 구조의 독립적인 물 공간의 한계를 깨고 냉각수의 순환 경로를 복원하여 공기실의 열 축적 문제를 효과적으로 해결합니다.
균형 잡힌 주조 타당성: 복잡한 내부 공동으로 인해 발생하는 모래 코어 소결 및 모래 제거 문제를 극복하고 주조의 내부 밀도를 보장하여 스테인레스 스틸 재료에 결함이 발생하기 쉬운 구조 영역에 특별한 예방 조치를 취했습니다.
까다로운 작동 조건 충족: 17-4PH 재료의 HRC 30-34 경도 및 내식성 요구 사항을 충족하면서 장기간 연속 작동 시 실린더 블록의 열 관리 기능을 향상시킵니다.
우리는 부식성이 높은 유사한 조건에서 복잡한 구조의 스테인레스 스틸 실린더 블록을 제조하고 재료 특성, 주조 공정 및 냉각 성능의 균형을 맞추기 위한 실현 가능한 기술 경로를 제공했습니다.
디자인이나 제조 과정에서 어려움을 겪고 있는 경우 부식성이 높은 조건의 압축기 실린더 블록 또는 17-4PH 스테인리스강의 복잡한 구조 주조에 관심이 있는 경우 언제든지 당사에 문의하십시오. TOTEM 팀은 여러분과 자세히 소통하고 맞춤형 기술 솔루션을 제공하기를 기대합니다!
재료 업그레이드부터 구조 최적화에 이르기까지 TOTEM은 전 세계 압축기 고객에게 보다 안정적이고 내구성이 뛰어난 핵심 구성 요소를 제공하기 위해 지속적으로 최선을 다하고 있습니다.
