Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Классификация литниковых систем

04.11.2018

Как известно из теории литниковых систем, расход сплава, протекающего через литниковую систему, определяется площадью узкого места системы wуз и величиной действующего напора Hp.

Узким местом литниковой системы называется ее элемент, имеющий наименьшую площадь сечения и определяющий расход сплава в системе.

При литье из поворотных ковшей площадь узкого места литниковой системы, обеспечивающей заливку формы за оптимальное время, рассчитывают по следующей формуле:

где рж - плотность жидкого сплава, кг/см3;

u - коэффициент расхода литниковой системы;

Hр - действующий напор, см;

g - ускорение свободного падения, g = 981 см/с2;

Gж - масса жидкого сплава, залитого в форму через литниковую систему, кг.

Литниковая система является замкнутой в том или ином элементе, если в нем одновременно выполняются следующие два условия: поперечное сечение данного элемента системы полностью заполнено жидким сплавом и в потоке сплава через данный элемент отсутствует разрежение. Система, все элементы которой удовлетворяют условиям замкнутости, называется замкнутой. Если хотя бы в одном элементе система не замкнута, то вся она называется незамкнутой.

Замкнутость системы имеет важное значение для обеспечения улавливания шлака и неметаллических включений. Если сечения каналов не заполнены сплавом, то шлак и неметаллические включения всплывают на свободную поверхность потока сплава и выносятся в полость формы. В случае создания в потоке сплава разрежения происходит подсос газов, которые могут стать причиной возникновения газовых раковин в отливках.

Для обеспечения замкнутости литниковой системы ее делают сужающейся, т. е. по ходу потока сплава площади сечений элементов системы уменьшаются. При этом скорость сплава увеличивается, достигая наибольшего значения на выходе в полость формы. Замкнутые системы неприемлемы для сплавов, склонных к вспениванию и окислению (для алюминиевых и магниевых сплавов, высоколегированных сталей, алюминиевых бронз и латуней). Для них применяют незамкнутые, расширяющиеся литниковые системы. Для обеспечения шлакоулавливания в данном случае применяют специальные приемы (например, устанавливают фильтровальные сетки).

Несмотря на очень большое число конструктивных типов литниковых систем, которые будут рассмотрены далее, можно выделить несколько типов, отличающихся включенными в них элементами, а также гидравлическими особенностями функционирования. С этой точки зрения Г.М. Дубицкий выделил 4 класса литниковых систем.

Системы I класса. В состав системы данного класса входят литниковая чаша или воронка и стояк. Конструкция системы с цилиндрическим стояком приведена на рис. 3.2 и 3.3. На рис. 3.2 показана система с газопроницаемыми стенками, а на рис. 3.3 - с газонепроницаемыми. В обоих случаях литниковая система не замкнута в стояке.

Как видно из рис. 3.2, в случае газопроницаемых стенок струя сплава в стояке отходит от его стенок и, следовательно, не заполняет поперечное сечение стояка. В случае стояка с газонепроницаемыми стенками струя полностью заполняет его сечение, но в ней развивается разрежение. Так как в данном учебнике рассматривается литье в разовые, т. е. газопроницаемые, формы, литниковые системы с газонепроницаемыми стенками в дальнейшем не принимаются во внимание.

Узкое место системы I класса находится в верхнем сечении стояка AB (см. рис. 3.2). Расчетный напор Hр = Hч, где Hч - высота уровня металла в чаше. При этом динамический напор струи, падающей из ковша, полностью гасится в чаше.

При применении литниковой воронки, по данным Г.М. Дубицкого, часть напора сохраняется. Поэтому в данном случае расчетный напор равен Hр = (1,3/1,4)Нв, где Hв - высота уровня металла в воронке.

Для обеспечения замкнутости системы в стояке он выполняется коническим, сужающимся книзу. При этом струя полностью по всей высоте стояка заполняет его поперечное сечение. Узкое место системы в данном случае располагается в нижнем сечении стояка MN (см. рис. 3.3), а расчетный напор определяется по формулам:

• Hр = Hч + hст - при применении чаши;

• Нр = (1,3/1,4)Нв + hст — при применении воронки.

Системы I класса относительно редко применяются на практике. В качестве примера их использования можно привести дождевую литниковую систему, которая подробно рассмотрена далее.

Системы II класса. Литниковая система этого класса состоит из воронки или чаши, стояка и питателя (рис. 3.4, 3.5). Расход металла в сечении AB равен

где u1 - коэффициент расхода в сечении AB;

wAB - площадь сечения AB.

Жидкий металл, накапливаясь в нижней части стояка, начинает вытекать в полость формы через питатель. Если площадь сечения питателя меньше площади нижнего сечения стояка (wMN < wст.н), то расход металла при истечении в полость формы Qе равен

где u2 - коэффициент расхода в сечении MN;

h' - уровень сплава в стояке относительно оси выходного сечения питателя.

При wст.н < wMN

где u2 — коэффициент расхода в нижнем сечении стояка.

Если wMN >> wст.н (площадь сечения питателя значительно больше площади сечения стояка), то сечение питателя не будет заполнено сплавом до тех пор, пока уровень металла в полости формы не поднимется выше сечения питателя.

В начале заливки напор h' мал. Поэтому Qе < Qа. Это приводит к накоплению сплава в стояке, т. е. к увеличению h' и росту расхода Qе.

Можно выделить два вида систем II класса: IIA и IIB.

В системах вида IIA при некотором значении h'=h'y расход из питателя Qe становится равным приходу сплава в систему через сечение AB, т. е. Qe = Qa:

Эти условия выполняются при значениях величин h'y, удовлетворяющих равенствам

Очевидно, что, чем больше отношение wAB/wMN или wAB/wст.н, тем меньше h'у.

Если величина h'у меньше высоты стояка hст, то литниковая система относится к классу систем, не замкнутых в стояке. Заполнение части полости формы, находящейся ниже уровня питателя, будет происходить при постоянном напоре в стояке h'y. Когда уровень металла в полости формы достигнет сечения питателя, уровень сплава в стояке h' начнет подниматься. При этом разность уровней сплава в стояке и в полости формы будет равна h'y.

Когда уровень сплава в стояке достигнет плоскости AB, напор, под действием которого происходит истечение из узкого сечения системы, внезапно возрастет до величины Hp=H+hст. При достаточно большой высоте стояка (hст>>h') можно считать, что заполнение полости формы происходит при постоянном напоре h'y и постоянном расходе Qe = QAB.

В качестве расчетного сечения wуз в данном случае следует принимать сечение стояка вверху (АВ), а действующий в нем напор можно определить по формуле Hр=Hч (см. рис. 3.4, б) или Hр = (1,3/1,4)Н(см. рис. 3.4, а).

Сечение питателя wMN оказывает влияние на скорость, с которой расплав поступает в полость формы.

В системах вида IIA происходит эжекция газов в стояке. Это создает разрежение в расплаве, что является нежелательным. Кроме того, при применении воронки (см. рис. 3.4, а) расход металла зависит от напора, который при заливке трудно контролировать. Поэтому время заливки практически невозможно стабилизировать.

На основании сказанного можно заключить, что системы вида IIA нецелесообразно применять на практике.

В системах вида IIB при любых возможных значениях h' расход Qе всегда меньше расхода Qa (Qe < Qa). Поэтому уровень сплава в стояке очень быстро поднимается до сечения AB и весь стояк оказывается заполненным сплавом (см. рис. 3.5). Такую систему называют замкнутой в стояке.

Если площадь сечения питателя меньше площади стояка внизу, то система будет замкнута во всех элементах. Если площадь сечения питателя больше площади стояка внизу, то система будет замкнута в стояке, но не замкнута в питателе. В последнем случае уменьшается скорость поступления сплава в полость формы из питателя. Поэтому данную систему можно рекомендовать для отливок из сплавов, склонных к вспениванию и окислению.

Общим недостатком систем II класса является отсутствие в них шлакоулавливающего элемента. Поэтому при их использовании часто предусматривают установку фильтровальных сеток. Системы II класса часто применяются при вертикальной плоскости разъема формы, например при литье в безопочные формы, изготовленные на формовочных линиях типа «Дизаматик».

Схема заполнения полости формы через систему вида IIB приведена на рис. 3.6. Напор во время заливки является переменным. Он изменяется от H0 в начале заливки до величины т в момент ее окончания.

Расчетный напор при вычислении площади узкого места по формуле (3.4) следует определять по формуле Дитерта

где P - расстояние от уровня подвода сплава к полости формы до ее верхней плоскости;

С - высота полости формы;

H0 - высота уровня металла в стояке и воронке (чаше).

Величина H0 составляет

где Hст - высота стояка;

Hв - высота уровня металла в воронке;

Hч - высота уровня металла в чаше.

Узким местом системы является сечение питателей MN, если wMN < wст.н; или нижнее сечение стояка при wст.н < wMN.

Системы III класса. Литниковые системы III класса содержат все основные элементы: литниковую чашу или воронку, стояк, шлакоуловитель и питатели (рис. 3.7, 3.8). Среди этих систем можно выделить два подкласса: системы, замкнутые в питателях, и системы, не замкнутые в питателях. В замкнутых в питателях системах во время заливки шлакоуловители и питатели заполнены металлом. Для обеспечения этого необходимо соблюдение следующих условий: wст.н > wпит и wшл > wпит.

К системам вида IIIA (см. рис. 3.7) относятся системы, у которых при некотором значении высоты уровня сплава в стояке расход из питателей становится равным расходу из чаши или воронки. При этом литниковая система замкнута в питателях, но не замкнута в стояке.

Узкое место системы вида IIIA и расчетный напор определяются так же, как для системы вида IIA.

Если при любом возможном значении напора в стояке h' расход из питателей Qе меньше расхода из чаши или воронки, то имеет место литииковая система вида IIIB (см. рис. 3.8). В данной системе стояк быстро заполняется сплавом. Поэтому она является замкнутой во всех элементах. На рис. 3.8 линия PQ указывает положение верхнего уровня полости формы.

Узким местом системы вида IIIB является сечение питателей MN, а расчетный напор Hр определяется по формуле Дитерта (3.5). Данный вид литниковых систем наиболее распространен при заливке форм железоуглеродистыми и многими медными сплавами. Эта система хорошо задерживает шлак.

Однако скорость сплава по ходу потока через систему вида IIIB увеличивается, достигая в питателях наибольшего значения. Поэтому для сплавов, склонных к окислению и вспениванию, такие системы неприменимы. Для уменьшения выходной скорости потока узкое место системы переносится в шлакоуловитель или нижнее сечение стояка.

Если wшл << wпит или wст.н << wпит, то система будет не замкнутой в питателях. В этих системах и шлакоуловители, и питатели не заполнены сплавом во время заливки до тех пор, пока уровень сплава в полости формы не поднимется выше уровня питателей и шлакоуловителей.

Различают два вида таких систем. Системы вида IIIC не замкнуты в питателях и в стояке. По характеру заполнения стояка они аналогичны системам видов IIA и IIIA. Для систем вида IIIC расчетным сечением (wуз) следует считать верхнее сечение стояка, а расчетный напор Hр необходимо определять так же, как для систем видов IIA и IIIA.

Если стояк быстро заполняется сплавом, то мы получаем системы вида IIID (при wшл < wпит или wст.н < wпит), которые замкнуты в стояке, но не замкнуты в питателях. Узким местом этих систем будет или сечение шлакоуловителя, или нижнее сечение стояка. Расчетный напор определяется по формуле Дитерта (3.5).

Системы вида IIID чаще всего применяются при литье легкоокисляющихся и вспенивающихся сплавов.

Системы IV класса. При заполнении высоких отливок возникает необходимость в подводе расплава на нескольких уровнях. При этом горячий металл последовательно поступает через питатели на поверхность поднимающегося в полости формы расплава, что обеспечивает качественное заполнение формы и направленное затвердевание отливки. Однако практическая реализация данного режима заполнения формы предъявляет специфические требования к конструированию и расчету литниковой системы.

Литниковые системы данного типа, называемые ступенчатыми, отнесены Г.М. Дубицким к IV классу. На рис. 3.9 приведены схемы работы литниковых систем видов IVA и IVB.

К системам вида IVA относят системы, не замкнутые в стояке. Они рассчитаны так, чтобы вначале действовали только питатели на нижнем уровне. Площадь сечения нижнего питателя определяется таким образом, чтобы установившаяся высота уровня сплава в стояке h'уст не превышала расстояния между двумя соседними питателями. По мере подъема уровня сплава в форме выше нижнего питателя уровень сплава в стояке повышается. При этом разность уровней сплава в стояке и полости формы будет равна h'уст. После подхода сплава в стояке к последующему питателю через него начнется истечение расплава в форму. При этом начальная высота падения струи на поверхность расплава в форме равна h'уст.

Для разных сплавов существует максимально допустимая с точки зрения качества заполнения формы высота падения струи hmax. Чем больше склонен сплав к окислению, тем меньше величина hmax.

При расчете литниковых систем необходимо обеспечить выполнение условия h'уст < hmax. В качестве расчетного сечения системы вида IVA выбирают верхнее сечение стояка. Расчетный напор Hр принимают равным высоте расплава Hч в чаше над верхним сечением стояка. Площадь сечения AB определяют по формуле (3.4).

По известным значениям wAB и h'уст площадь сечения питателей на нижнем уровне определяют по формуле

где u1 и u2 - коэффициенты расхода системы в сечениях AB и MN.

Методика расчета ступенчатых систем будет рассмотрена далее.

В системах вида IVB уровень металла в стояке очень быстро достигает сечения AB, т. е. величина h'уст больше высоты стояка. Очевидно, что при этом все питатели по высоте стояка начинают работать одновременно. Данная система будет замкнута в стояке. Одновременное истечение расплава из питателей со всех уровней приводит к окислению и разбрызгиванию металла, размыванию стенок формы, т. е. не обеспечивает качественного заполнения формы. Поэтому системы вида IVB на практике не применяются.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: