Fundição de turbocompressores

As peças fundidas de turbocompressores para novos motores de alto desempenho requerem um material que seja compatível ao comportamento dos componentes, não menos importante que o objetivo de reduzir os gases de exaustão e o aumento do desempenho. Os requisitos para estes componentes fundidos sob alto esforço aumentam à medida que o tamanho da unidade e a capacidade de desempenho aumentam.

Um turbocompressor consiste essencialmente de dois conjuntos principais:

Em relação aos gases de exaustão, na carcaça o rotor da turbina absorve a energia dos gases de exaustão e a transmite mecanicamente para o compressor através de um eixo. O rotor da turbina pode girar com uma velocidade de 160.000 a 300.000 rpm. Em um motor de ignição por faísca, devem ser suportadas temperaturas dos gases de exaustão de até 1.050°C na área da carcaça da turbina. O rotor da turbina, a aba de desvio e o defletor de calor também atingem temperaturas correspondentemente altas. O defletor de calor impede que o calor penetre na carcaça do mancal. Em geral, a carcaça do mancal é resfriada a água para evitar um aumento de temperatura inadmissível após o desligamento do motor. Neste componente, quatro meios diferentes se reúnem em um espaço confinado:

  • Gás de exaustão quente
  • Ar frio
  • Água para resfriamento
  • Óleo que não deve ficar muito quente


Na fundição, três partes são fundidas principalmente para o componente "turbocompressor de gás de exaustão":

  • A carcaça da turbina
  • Em um motor diesel: Normalmente ferro fundido nodular de alta liga, tais como D2 e D5.
  • Em um motor de ignição por faísca, devido as temperaturas de operação muito altas: aço fundido tipo austenítico com alto conteúdo de Ni-Cr.
  • A carcaça do mancal
  • Normalmente feita de ferro fundido cinzento
  • O rotor da turbina
  • Liga a base de níquel altamente resistente ao calor que é derretida e fundida a vácuo

 

A Carcaça da Turbina

A carcaça da turbina é de fundamental importância aqui, pois é colocada sob tensão térmica extremamente alta e é também o componente mais caro devido a seu tamanho, complexidade e material. A carcaça da turbina é composta por paredes finas, estruturas altamente elaboradas a finas com altos gradientes de temperatura em seu interior, e frequentes mudanças de temperatura durante a operação. Além disso, o turbocompressor também é produzido como um componente em combinação com o coletor de escape atualmente. Sob carga total, todo o componente é exposto a tensões térmicas e mecânicas extremas. O fato de ele se tornar vermelho de tão quente enfatiza isto. Anos de experiência e o uso de métodos de projeto e simulação de última geração são necessários para atender a estes requisitos.

Métodos de fundição e materiais para a carcaça da turbina

Os machos da peça fundida são fabricados com areia Croning® (marca registrada da ACTech GmbH) ou com diferentes formulações de caixa fria, e o molde associado é fabricado principalmente com areia verde. Isto é, uma maneira clássica de fundição em areia.

Atualmente, a maioria das carcaças de turbinas são produzidas utilizando ferro fundido nodular (qualidade GJSA-XNiSiCr 35-5-2, ou seja, Ni-resist D5 S). De acordo com a literatura especializada, este ferro fundido austenítico com grafita nodular tem temperaturas de operação de até 850°C. Em casos excepcionais, é até suposto que atinja 900°C.

A proporção de carga total e a densidade do fluxo de calor aumentam nos modernos motores de downsizing. Estes fatores devem ser levados em consideração ao determinar a vida útil dos motores.
Hoje em dia, as temperaturas dos gases de exaustão também estão geralmente aumentando para temperaturas de até 1.050°C nos conceitos atuais de motores. Neste contexto, os turbocompressores são projetados diferentemente hoje em dia e são necessários materiais novos e de maior qualidade. O aço fundido resistente ao calor, cujos materiais e comportamento são conhecidos da petroquímica, se presta a este propósito. Entretanto, esta experiência deve ser quebrada para ser aplicada a um componente de tamanho significativamente menor e às espessuras finas das paredes dos turbocompressores. Os aspectos relacionados ao preço dos novos materiais também devem ser levados em consideração aqui. Os tipos de aço fundido austenítico resistentes ao calor, em particular, são utilizados para temperaturas de gases de exaustão de até 1.050°C. Estes materiais têm altas proporções de cromo e níquel, o que tem uma influência particularmente positiva na estabilidade e resistência a choques térmicos.

Em contraste com o D5 S, o processo de fundição ocorre a temperaturas que são 200°C a 300°C mais altas; é também por isso que é mais difícil fundir o material. Isto significa que resinas de alta qualidade, tintas altamente refratárias e possivelmente também aditivos ou areias especiais são usados para os moldes e machos destes turbocompressores. O processo de caixa fria também é usado para produzir os moldes na fundição de aço, a fim de evitar que as altas temperaturas causem reações com a areia verde.
O projeto do sistema de canais e alimentação, que deve ser removido da peça fundida com o mínimo de esforço possível, torna-se significativamente mais complexo. Isto requer filtros de alta qualidade para fundir o material da maneira mais calma possível. Devido ao pequeno tamanho dos componentes e da área dos canais, deve-se garantir a eficiência máxima dos massalotes.

Entretanto, o maior desafio para o fundidor é que a produção deve ser implementada com as menores taxas de refugos possíveis e com alta produtividade. A placa do molde deve ser projetada de tal forma que o maior número possível de peças possa ser fundido por molde.

Para o melhor uso da placa do molde, ela deve ser projetada da forma mais estreita e simétrica possível, para que os componentes possam ser jateados após a fundição e separados com a maior eficiência possível, utilizando a tecnologia de canais. A posição e o tipo dos massalotes devem ser determinados de tal forma que, idealmente, os pescoços dos massalotes estejam na mesma altura do molde e suas superfícies de contato com o componente sejam absolutamente pequenas. Tanto em ferro como em fundição de aço, os materiais são de alta liga e requerem que os massalotes sejam projetados de forma ideal para manter o esforço de remoção e a quantidade de retornos a um mínimo por razões de custo.
O processo geral de fusão, desde a aplicação das ligas até a fusão e até a fundição dos moldes, deve ocorrer com a maior consistência possível. O cumprimento exato de todas as especificações é o requisito básico para evitar problemas estruturais e defeitos de fundição, tais como bolhas, porosidades, microporosidades e até mesmo rechupes.

O fato da areia sílica ser utilizada, em geral significa que, além da seleção da resina e da tinta, o aditivo desempenha um papel fundamental para garantir uma fundição sem veiamento. O tipo de aditivo e também a quantidade adicionada têm uma influência chave sobre o resultado.
Uma tinta de alta qualidade, hoje em dia normalmente à base de água, é necessária para criar superfícies particularmente limpas e lisas no interior da turbina. Como as tolerâncias de componentes são extremamente estreitas, a tinta deve ter excelentes propriedades reológicas e sua formulação deve ser sofisticada para que sejam evitadas degenerações estruturais na interface entre o macho e a peça fundida.

Quando os machos são fundidos, os gases de fundição se desenvolvem a partir dos produtos de decomposição da resina. Portanto, deve-se garantir que seja utilizada a menor quantidade possível de resinas e que a extração de gás seja assegurada, tanto quanto possível, por meio da ventilação adequada do macho.
A alimentação da peça fundida é indispensável tanto na fundição de ferro fundido nodular quanto na fundição de aço. As simulações de enchimento e solidificação do molde devem servir como base para a seleção e posicionamento do massalote. Além de serem pequenas, as miniluvas com machos estranguladores EXACTCAST™ garantem uma superfície de contato correspondentemente pequena com a peça fundida com propriedades ótimas de moldagem. Um sistema de canais não pressurizado combinado com uso de filtros evita o enchimento turbulento do molde e reduz o risco de defeitos de bolhas e juntas frias. Em geral, a moldagem com areia verde é usada na produção do molde. O teor de umidade, flúor e nitrogênio na areia verde em particular pode ter um efeito altamente negativo sobre a qualidade de fundição. A fim de neutralizar o risco de bolhas, devem ser utilizadas luvas sem flúor EXACTCAST™ e as proporções de umidade e nitrogênio devem ser pequenas, se possível. O material que forma carbono lustroso também deve ser usado o mais constantemente possível e não deve, de forma alguma, ser trocado com frequência. Se a peça for produzida em aço fundido, além do macho, o molde também é produzido utilizando sistemas de resinas para garantir propriedades constantes e para lidar com as altas temperaturas de fundição adequadamente.

O rotor da turbina

O rotor da turbina é o componente do turbocompressor que está sujeito as maiores tensões. Aqui também, as temperaturas atingem até 1.050°C, e as forças puramente mecânicas colocam o componente sob extrema tensão. Estes rotores de turbina são geralmente fundidos a partir de ligas à base de níquel de alta resistência. Todo o processo, desde a fusão até a fundição, ocorre sob vácuo.

A Carcaça do mancal

A conexão da carcaça do mancal à carcaça da turbina tem a maior influência sobre a vida útil total do turbocompressor de gás de exaustão. O maior gradiente de temperatura ocorre aqui. O resfriamento a água também requer novos desenvolvimentos nesta área, devido às temperaturas mais altas dos gases de exaustão, já que a quantidade de calor que precisa ser dissipada é significativamente maior. A carcaça do mancal em si é normalmente feita de ferro fundido cinzento e fundida usando o método de fundição em areia. A alta produtividade e pouco retrabalho devem ser assegurados na produção das peças fundidas. Neste caso, os machos são produzidos usando diferentes métodos de fabricação de machos orgânicos. O molde geralmente é produzido pelo sistema de moldagem em areia verde.

Soluções de sistema para a fundição de turbocompressores

Atendemos os mais altos requisitos em fundição de motores, os produtos vendidos pela ASK Chemicals também são modificados e adaptados aos materiais de base especiais e matérias-primas que predominam nas fundições de cada país. Os produtos são consistentemente alinhados e adequados para a aplicação e uso diário no respectivo país em estreita cooperação com as fundições.

A simulação de fundição, utilizada pelo Grupo ASK Chemicals Design Services, é uma ferramenta para a simulação de diferentes processos físicos que ocorrem no molde durante a fundição. Isso se refere principalmente aos processos de preenchimento do molde, solidificação e formação de tensões durante o resfriamento. A finalidade da simulação desses processos físicos é examinar os processos de fundição e solidificação de forma rápida e eficiente, para evitar rechupes e microporosidade, para minimizar tensões residuais e distorções, e para reduzir o número de protótipos e peças de testes. O Grupo ASK Chemicals Design Services utiliza esta ferramenta de forma consistente para tirar conclusões dos resultados em conjunto com os clientes para os próximos passos no desenvolvimento.

O objetivo de cada projeto é atingir uma qualidade de fundição que corresponda aos requisitos da especificação. Prosseguir em colaboração pode produzir efeitos sinergéticos significativos que vão desde a produção de molde e macho e operação de fusão até a inoculação, fundição, enchimento de molde e filtragem. Sugestões para melhorar todo o processo de produção são desenvolvidas e implementadas em colaboração. Em última análise, isso significa que serviços para etapas específicas da produção ou peças completas fundidas estão disponíveis.