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 m3/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
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阶段 |
双侧抽气（m3/min） |
单侧抽气（m3/min） |
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| 上箱 |
下箱 |
上箱 |
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合箱待浇注 |
1.3 |
0.5 |
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浇注中 |
2.9 |
1.15 |
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浇注完保压 |
2.25 |
0.95 |
2 |
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
某厂采用如图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66m3/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。
针对垂直接头产生的涡流现象，尝试改变为弯曲接头，弯曲半径为200mm和500mm，效果也不相同。
图6 单边抽气直径350mm主管道速度分布图
图7 接头弯曲半径200mm时速度分布图
图8 接头弯曲半径500mm时速度分布图
图9 直径350mm接头弯曲半径500mm时流体粒子图
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探讨。
假设选用两个泵，小泵为2BE253，进气直径125 mm，转速为660r/min，进气量为33.3 m3/min，45kW。大泵为2BE353，进气直径200 mm，转速为530r/min，进气量为78.8m3/min，110kw。两泵工作负压均为-0.060 MPa。
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。
图10 小泵在前速度分布（带流体粒子）
图11 大泵在前速度分布（带流体粒子）
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。上箱抽气量比下箱抽气量大一倍多。而且砂箱中气体泄漏量，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
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