در سیستم‌های صنعتی مدرن، قطعات ریخته‌گری شده پروانه از جنس فولاد ضد زنگ به عنوان اجزای اصلی ماشین‌آلات سیالات عمل می‌کنند و نقش حیاتی در تبدیل انرژی و حمل و نقل مواد واسطه ایفا می‌کنند. از پمپ‌های مواد واسطه با خوردگی بالا در فرآیندهای شیمیایی گرفته تا سیستم‌های تهویه با دمای بالا و فشار بالا در تولید برق و تجهیزات تصفیه فاضلاب در مهندسی محیط زیست، این قطعات ریخته‌گری شده با عملکرد برتر خود، عملکرد کارآمد، پایدار و طولانی مدت کل سیستم‌ها را تضمین می‌کنند. این مقاله به طور سیستماتیک جنبه‌های فنی کلیدی و کاربردهای صنعتی قطعات ریخته‌گری شده پروانه از جنس فولاد ضد زنگ را از ابعادی شامل طراحی سازه، خواص مواد، فرآیندهای تولید پیشرفته، کاربردهای متنوع و روندهای توسعه فناوری بررسی می‌کند.
I. ویژگی‌های ساختاری ریخته‌گری پروانه از جنس فولاد ضد زنگ
طراحی ساختاری پروانه از جنس فولاد ضد زنگ به طور مستقیم عملکرد آیرودینامیکی، راندمان هیدرولیکی و پایداری عملکرد ماشین آلات سیال را تعیین می کند. یک پروانه معمولی از سه بخش تشکیل شده است: تیغه، توپی و صفحه پوششی. طراحی آن باید الزامات مکانیک سیالات و مکانیک سازه را در نظر بگیرد.
(۱) تیغه‌ها
پره‌ها اجزای اصلی تبدیل انرژی سیال هستند، جایی که طراحی پروفیل، زاویه نصب و تعداد پره‌ها به طور قابل توجهی بر راندمان پمپ، عملکرد کاویتاسیون و سر و صدای عملیاتی تأثیر می‌گذارد. انواع رایج پره‌ها شامل طرح‌های منحنی به عقب، منحنی به جلو و شعاعی است. پره‌های منحنی به عقب به دلیل راندمان بالا و سطح صدای کم، معمولاً در پمپ‌های گریز از مرکز استفاده می‌شوند و آنها را برای کاربردهای جریان متوسط تا زیاد مناسب می‌کنند. پره‌های منحنی به جلو در درجه اول در فن‌های فشار بالا به کار می‌روند و راندمان کمی پایین‌تر اما افزایش فشار تک مرحله‌ای بالاتری را ارائه می‌دهند. پره‌های شعاعی به ویژه برای ماشین‌آلات تخصصی سیال مانند پمپ‌های خلاء مناسب هستند.
در تعیین تعداد پره‌ها باید یکنواختی جریان، تلفات آشفتگی و الزامات ضد گرفتگی در نظر گرفته شود. به طور کلی، پروانه یک پمپ آب زلال 6 تا 8 پره دارد؛ هنگام انتقال سیال حاوی ذرات جامد، می‌توان تعداد پره‌ها را به طور مناسب کاهش داد تا خطر سایش کاهش یابد.
(دوم) توپی چرخ‌ها
به عنوان سازه اصلی تحمل بار که پره‌ها را به شفت اصلی متصل می‌کند، طراحی هاب باید الزامات انتقال گشتاور و تکیه‌گاه صلب را در شرایط سرعت بالا برآورده کند. افزایش قطر هاب و بهینه‌سازی پروفیل هاب معمولاً برای بهبود پایداری دینامیکی روتور استفاده می‌شود که به ویژه در پروانه‌های بزرگ با سرعت بالا بسیار مهم است.
(سوم) صفحه پوششی
پروانه از صفحات جلویی و پشتی تشکیل شده است که یک کانال جریان را تشکیل می‌دهند، نشت داخلی را به حداقل می‌رسانند و تلفات جریان گردابی را کاهش می‌دهند. پروانه نوع بسته دارای آب‌بندی کامل با صفحات جلویی و پشتی است که راندمان بالایی را برای کاربردهای محیط‌های تمیز ارائه می‌دهد. نوع نیمه باز که فقط به یک صفحه پشتی نیاز دارد، ظرفیت جریان افزایش یافته و مقاومت بهتری در برابر گرفتگی ارائه می‌دهد و آن را برای جابجایی محیط‌های حاوی ذرات یا الیاف مناسب می‌کند.
دوم، ویژگی‌های مواد ریخته‌گری پروانه از جنس فولاد ضد زنگ
جنس فولاد ضد زنگ با مقاومت عالی در برابر خوردگی، استحکام بالا و پایداری حرارتی خوب، به ماده‌ای ترجیحی برای ساخت پروانه تبدیل شده است، به ویژه برای محیط‌های صنعتی خشن مناسب است.
(1) مقاومت در برابر خوردگی
با ترکیب عناصر آلیاژی مانند کروم (کروم)، نیکل (نیکل) و مولیبدن (مو)، سطوح فولاد ضد زنگ می‌توانند یک لایه غیرفعال متراکم تشکیل دهند که به طور موثر در برابر محیط‌های خورنده مقاومت می‌کند. به عنوان مثال، فولاد ضد زنگ 304 (0Cr18Ni9) برای محیط‌های خورنده عمومی و صنایع غذایی مناسب است؛ فولاد ضد زنگ 316 (0Cr17Ni12Mo2)، حاوی مولیبدن، مقاومت بالایی در برابر خوردگی حفره‌ای و شکافی نشان می‌دهد و آن را به طور گسترده در محیط‌های شیمیایی و دریایی استفاده می‌کند؛ فولادهای ضد زنگ دوپلکس مانند 2205 فازهای آستنیتی و فریتی را ترکیب می‌کنند و استحکام و مقاومت بالایی در برابر ترک خوردگی ناشی از خوردگی تنشی کلریدی ارائه می‌دهند.
(دوم) استحکام مکانیکی و چقرمگی بالا
مواد پروانه از جنس فولاد ضد زنگ نه تنها باید در برابر خوردگی مقاوم باشند، بلکه باید از استحکام بالا و چقرمگی عالی نیز برخوردار باشند تا در برابر نیروهای گریز از مرکز و بارهای سیال در حین چرخش با سرعت بالا مقاومت کنند. به عنوان مثال، فولاد ضد زنگ رسوب سخت شده (17-4PH، 0Cr17Ni4Cu4Nb) می‌تواند از طریق عملیات حرارتی به استحکام کششی بیش از 1000 مگاپاسکال برسد، که باعث می‌شود معمولاً در اجزای پروانه با تنش بالا استفاده شود.
(سوم) عملکرد عالی در دمای بالا
در کاربردهای دما بالا (مانند پمپ‌های آب تغذیه بویلر و پمپ‌های گردش سیال حرارتی)، مواد پروانه باید مقاومت عالی در برابر اکسیداسیون و مقاومت خزش در دماهای بالا را نشان دهند. فولاد ضد زنگ 310S (0Cr25Ni20) با محتوای بالای کروم-نیکل خود، می‌تواند عملکرد پایدار را برای مدت طولانی در دمای زیر 1200 درجه سانتیگراد حفظ کند، که آن را به انتخابی ایده‌آل برای پروانه‌های دما بالا تبدیل می‌کند.
سوم، فرآیند تولید ریخته‌گری پروانه از جنس فولاد ضد زنگ
تولید قطعات ریخته‌گری شده از جنس فولاد ضد زنگ، یک فرآیند شکل‌دهی دقیق چند مرحله‌ای است که شامل طراحی قالب، ذوب و ریختن مذاب، عملیات حرارتی و ماشینکاری دقیق می‌شود.
(1) طراحی و ساخت قالب
طراحی دلار کانادا/CAE قالب‌های پروانه بر اساس شبیه‌سازی سیالات و تحلیل المان محدود، بهینه‌سازی سیستم راهگاهی، طرح خنک‌کننده و طراحی رایزر انجام می‌شود. مواد قالب عمدتاً از H13 و سایر فولادهای قالب گرم‌کاری انتخاب می‌شوند و ماشینکاری سی ان سی پنج محوره و فرآیندهای ای دی ام دقت حفره و کیفیت سطح را تضمین می‌کنند.
(دوم) ذوب و ریختن
ذوب: کوره القایی با فرکانس متوسط یا کوره آ او دی برای تصفیه استفاده می‌شود، عناصر C، S، P و سایر ناخالصی‌ها به شدت کنترل می‌شوند و خلوص فولاد مذاب با فرآیند دی‌اکسیداسیون آرگون بهبود می‌یابد.
ریخته‌گری: ریخته‌گری ثقلی، ریخته‌گری فشار پایین یا ریخته‌گری گریز از مرکز را می‌توان با توجه به ساختار پروانه انتخاب کرد. ریخته‌گری گریز از مرکز به ویژه برای پروانه متقارن محوری مناسب است که می‌تواند چگالی مواد و خواص مکانیکی را به طور قابل توجهی بهبود بخشد.
(سوم) عملیات تکمیلی و پرداخت نهایی
عملیات حرارتی: فولاد ضد زنگ آستنیتی معمولاً با محلول (خنک کردن با آب در دمای 1050 تا 1150 درجه سانتیگراد) عملیات حرارتی می‌شود تا تنش ریخته‌گری از بین برود و مقاومت در برابر خوردگی بهینه شود؛ فولاد رسوب سخت شده با پیرسازی برای بهبود استحکام عملیات حرارتی می‌شود.
پردازش مکانیکی: پروانه باید با تراشکاری، فرزکاری، سنگ‌زنی و سایر فرآیندها پردازش شود تا پردازش دقیق خط کانال جریان و سطح نصب انجام شود تا از تعادل دینامیکی و استاتیکی و دقت مونتاژ اطمینان حاصل شود.
عملیات سطحی: پرداخت الکترولیتی، غیرفعال‌سازی یا پاشش پوشش‌های ویژه اغلب برای بهبود بیشتر مقاومت در برابر خوردگی و عملکرد ضد حفره‌ای استفاده می‌شوند.
چهارم. زمینه‌های کاربرد ریخته‌گری پروانه از جنس فولاد ضد زنگ
(۱) صنایع شیمیایی
برای پمپ‌های گریز از مرکز، همزن‌ها و کمپرسورهای مقاوم در برابر خوردگی، مانند پروانه 316L مناسب برای صنعت کلر-قلیا و انتقال اسیدهای آلی استفاده می‌شود.
(دوم) انرژی و برق
این ماده که پمپ تغذیه دیگ بخار، توربین بخار و سیستم خنک‌کننده نیروگاه بادی را پوشش می‌دهد، باید مقاومت دمایی بالا، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر ریزلرزش و سایش داشته باشد.
(سوم) حفاظت از محیط زیست و تصفیه آب
این ماده به طور گسترده در پمپ بالابر فاضلاب، فن هوادهی و پمپ گردش گوگردزدایی استفاده می‌شود و باید با ترکیب شیمیایی پیچیده و محیط همزیستی سایش و خوردگی مقابله کند.
(چهارم) مواد غذایی و دارویی
فولاد ضد زنگ آستنیتی (مانند 304،316) به دلیل ویژگی‌های غیرسمی، مقاوم در برابر خوردگی و سهولت تمیز کردن، اولین انتخاب برای پمپ‌های مواد غذایی و تجهیزات اختلاط بهداشتی است.
(V) اقیانوس‌ها و کشتی‌ها
پروانه‌های استیل ضد زنگ 316L و دوبلکس برای استفاده در کارخانه‌های نمک‌زدایی، پمپ‌های آب بالاست و سیستم‌های پمپ آتش‌نشانی عالی هستند.
V، روند توسعه ریخته گری پروانه فولاد ضد زنگ
(1) تحقیق و توسعه مواد جدید
فولاد ضد زنگ فوق آلیاژی، کامپوزیت‌های زمینه فلزی و آلیاژهای سفارشی به تدریج برای سازگاری با خوردگی شدید و محیط‌های با دمای بالا ارتقا خواهند یافت.
(دوم) تولید دقیق و دیجیتالی شدن
فناوری تولید افزایشی (چاپ سه‌بعدی) برای قالب‌گیری یکپارچه پروانه‌های پیچیده به کار گرفته شده است؛ بهینه‌سازی کانال جریان مبتنی بر هوش مصنوعی و فناوری دوقلوی دیجیتال، عملکرد را بیش از پیش بهبود بخشیده‌اند.
(سوم) تولید و بازتولید سبز
ترویج فرآیند ذوب کم کربن، تقویت فناوری بازیافت و بازسازی پروانه‌های ضایعاتی و حمایت از بازیافت منابع.
(چهارم) سفارشی‌سازی و بهره‌برداری و نگهداری هوشمند
ارائه راهکارهای یکپارچه مواد-ساختار-فرآیند بر اساس شرایط کاری، و ادغام حسگرها برای تحقق نظارت آنلاین و نگهداری پیش‌بینی‌کننده وضعیت پروانه.
اپیلوگ
به عنوان قلب تپنده تجهیزات سیال صنعتی، ریخته‌گری پروانه از جنس فولاد ضد زنگ، نشان‌دهنده پیگیری بی‌وقفه بخش تولید پیشرفته برای دستیابی به قابلیت‌های یکپارچه در مواد، فرآیندها و طراحی است. با نگاهی به آینده، با افزایش تقاضا برای راه‌حل‌های سبز و کم‌کربن و تولید هوشمند، این ریخته‌گری‌ها به پیشرفت خود به سمت عملکرد بالا، قابلیت اطمینان استثنایی و طول عمر مفید بیشتر ادامه خواهند داد. این تکامل، پشتیبانی ضروری را برای کاربردهای حیاتی صنعتی در بخش‌های مختلف فراهم خواهد کرد.