Течение расплава в литниковой системе и форме. Конструктивные особенности элементов литниковой системы

Заполнение формы металлом можно разделить на несколько этапов:

1. Движение расплава из выемного тигля или разливочного ковша в литниковую воронку или чашу и движение металла в полости чаши.

2. Движение сплава по элементам литниковой системы.

3. Движение сплава в полости формы.

Заполнение литниковой чаши или воронки всегда производится открытой струей. Расплав в этот период интенсивно окисляется, и возможно загорание магниевых сплавов. Поэтому перед заливкой производится припыливание поверхности воронок, чаш и открытых прибылей серным цветом. Струя металла во время заливки также припыливается серным цветом.

Свободно падающая струя при ударе о дно чаши резко затормаживается и теряет скорость. Давление под струей у дна чаши или формы повышается, и расплав растекается по дну чаши. При подходе к боковым стенкам чаши струя вновь затормаживается, возникает подпор, и расплав переливается с более высокого уровня на более низкий в направлении к падающей струе. При этом возможно разбрызгивание расплава, захват им воздуха, окисление и образование шлака.

Эти отрицательные явления происходят тем в большей степени, чем больше мощность падающей струи, которую можно определить по формуле:

N =  =  =  =       (4.1),

где m — масса струи; τ — время падения струи; V — скорость движения струи; F — площадь поперечного сечения струи; μ — коэффициент расхода; H — высота падения струи.

Мощность струи увеличивается с увеличением сечения и высоты падения. Для уменьшения ее следует держать носок ковша или выемного тигля как можно ближе к поверхности чаши.

При значительной циркуляции металла в чаше может образоваться вихревое движение с вертикальной осью вращения, которое приводит к возникновению вихревой воронки при выходе металла из чаши в стояк.

Всю жидкость, вращающуюся в чаше, можно рассматривать как вращающуюся вихревую трубку. В вихревой трубке произведение угловой скорости в каком-то ее сечении на площадь поперечного сечения есть величина постоянная, называемая интенсивностью вихревой трубки, т. е.:

ω₁ · F₁ = ω₂ · F₂ = const (c) (4.2),

где ω₁ и ω₂ — угловые скорости в сечениях F₁ и F₂ (в сечениях чаши и стояка, например).

Так как ω = , то интенсивность вихревой трубки можно выразить как ω · F =  · Πr² = c, и V = .

Отсюда следует, что окружная скорость на различных линиях тока обратно пропорциональна радиусу. Поэтому вращательное движение жидкости у стенок чаши, имеющее малую скорость, может иметь большую скорость у входа в стояк. Металл под влиянием центробежных сил будет отбрасываться к стенкам стояка, возникнет вихревая воронка. Если вершина конуса достигает дна чаши и входа в стояк, в него начинает засасываться воздух и шлак. Бороться с этим явлением можно путем увеличения объема чаши, уменьшения диаметра стояка и повышением уровня металла в чаше.

Для магниевого литья разработаны конструкции и размеры чаш для мелкого (массой до 8 кг), среднего (массой от 8 до 50 кг) и крупного (более 50 кг), которые можно найти в справочной литературе. Чаши формуют из стержневой смеси, реже делают литыми из чугуна. Рекомендуемая емкость чаш составляет (в % от массы отливки):

мелкое литье……………….20-30;

среднее литье……………...30-40;

крупное литье……………...40-50.

Для крупного, а иногда и для среднего литья рекомендуется применять стопорные пробки, изготовленные из чугуна (выемные) или из магниевого сплава (расплавляемые), которые позволяют заполнить чашу раньше, чем металл начинает поступать в стояк. Таким образом создаются условия для поддержания в стояке положительного давления во все время заливки.

Стопорные пробки в виде дисков из магниевых сплавов или из чистого магния заделывают в чаше в специальное углубление над входной воронкой. Толщину диска можно выбирать из соотношения, что требуемое время на расплавление диска составляет 2 с на 1 мм толщины.

Следующий элемент литниковой системы — стояк — должен быть суживающимся. При движении сплава в цилиндрическом стояке по всей его высоте образуется разрежение, которое тем больше, чем больше высота стояка. При достаточно высоком разрежении в стояке может произойти срыв струи, т. е. расплав будет вытекать из чаши, не касаясь стенок стояка из-за прорыва воздуха и газов в разреженное пространство.

Уменьшить скорость движения сплава, а, следовательно, и разрежение в стояке можно путем плавного сопряжения стояка с чашей и увеличением гидравлических потерь. С этой целью делают стояки малых сечений, заменяют круглые стояки на прямоугольные, вместо вертикальных применяют наклонные и зигзагообразные.

На рис. 4.1 приводятся сечения стояков, а на рис. 4.2 — профили стояков, применяемых для магниевого литья.

Рис. 4.1. Сечения стояков: а — круглые, б — овальные, в — квадратные, г — прямоугольные, д и е — многоугольные.

Рис. 4.2. Профили стояков: а — прямой, б — змееобразный, в — наклонный, г — наклонный («гусиная шейка»); 1 — стояк, 2 — отливка, 3 — питатели, 4 — коллектор.

Все эти мероприятия направлены на то, чтобы в стояке не происходило окисление металла и образование шлаковых включений. В то же время, стояк полностью «промывается» расплавом, и те включения, которые попали в него из чаши, уносятся в следующие элементы литниковой системы.

Небольшие возмущения в потоке образуются в месте выхода металла из стояка. В этом месте металл сталкивается с дном формы, меняет направление и начинает поступать в коллектор. Следовательно, конструкция этого участка должна способствовать смягчению удара о дно стояка, уменьшению вихреобразования, окисления и образования шлаков. Существует много конструкций этого участка литниковой системы (рис. 4.3), но наиболее удачными, по всей видимости, являются «д», «ж», «и», «к», «м», «н», «п», «с», которые позволяют вводить расплав в коллектор снизу вверх, что создает дополнительные гидравлические сопротивления и способствует снижению скорости потока.

Рис. 4.3.

В системе «и» над  коллектором предусмотрен шлакосборник, позволяющий задерживать шлак. В системах «е», «к» предусматривается расширение нижнего основания стояка, предназначенного для установки сеток из листового железа толщиной 0,3-0,5 мм и размером ячейки диаметром 2-3 мм.

Диаметр разделки стояка под сетку определяется по таблицам в зависимости от площади поперечного сечения стояка и металлостатического напора.

Элементом литниковой системы, в котором возможно эффективное  задержание шлаковых включений, является коллектор. Коллектор должен выполнить 2 задачи:

1. не допустить затекания расплава с окисленной поверхностью в питатель в первый момент заливки, когда коллектор еще не заполнен;

2. дать возможность шлаковым и флюсовым включениям в заполненном коллекторе всплыть до подхода металла к питателям.

Решение первой задачи обеспечивается установкой тонких питателей (4-8 мм), сопряженных с нижней частью коллектора. Вторая задача решается расположением первого питателя на некотором расстоянии от стояка, которое, по данным Н. М. Галдина, для магниевых сплавов (при скорости всплытия шлаковой частицы, равной 0,069 м/с) определяется из выражения:

l_п ≥ 17,4 h_к · V_к (4.3),

где h_к — высота коллектора, V_к — скорость потока в коллекторе.

Чтобы шлаковые частицы, находящиеся в верхней части коллектора, не попали в питатель, необходимо, чтобы высота коллектора в несколько раз превышала толщину питателей. Нельзя размещать питатели в самом конце коллектора.

Для замедления скорости потока питатели располагают чаще всего под прямым углом к коллектору, обеспечивая плавное сочленение их с коллектором.

В полость формы сплав может поступать из питателей, которые располагаются выше, на уровне или ниже уровня основания формы.

Если питатель располагается выше основания формы, то часть времени или все время расплав падает вниз или стекает по стенке формы открытой струей. При этом происходит интенсивное окисление металла и образование вторичных шлаков.

Если расплав подводится в полость формы из питателей, примыкающих к нижнему ее основанию, то решающее значение имеет начальный период заполнения. В случае чрезмерно высокой скорости заполнения может наблюдаться фонтанирование и разбрызгивание сплава. Исключить это явление можно путем уменьшения скорости поступления металла в полость формы за счет увеличения сечения питателей.

Металл в полость должен поступать ламинарным потоком или потоком с допустимой степенью турбулентности. Так как по мере продвижения металла от стояка к полости формы возрастают возмущения в потоке, то необходимо уменьшать скорость течения расплава, для чего используются расширяющиеся литниковые системы.

Типы литниковых систем

Для магниевого литья могут применяться типы литниковых систем, показанные на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Типы литниковых систем: а — верхняя, б — нижняя, в — боковая (по разъему), г — вертикально-щелевая, д — ярусная с горизонтально расположенными питателями, е — ярусная с вертикально расположенными питателями, ж — комбинированная; 1 — чаша, 2 — стояк, 3 — зумпф, 4 — металлоприемник (промежуточный канал), 5 — коллектор, 6 — питатель горизонтальный, 7 — отливка, 8 — прибыль, 9 — колодец (обратный стояк), 10 — вертикальная щель, 11 — шлакосборник, 12 — питающая бобышка, 13 — питатель вертикальный, 14 — выпор.

Верхняя литниковая система обеспечивает хорошую заполняемость при кратчайшем пути металла до формы, создает наиболее благоприятные условия для последовательно-направленной кристаллизации  отливки снизу к прибылям. Она требует наименьшего расхода металла, легко удаляется при обрубке литья.

Основной недостаток — трудность обеспечения спокойного поступления металла в форму и исключения замешивания шлаков в отливке.

Нижняя литниковая система обеспечивает спокойное поступление металла в форму без окисления, разбрызгивания и образования вторичных шлаков и способствует задержанию включений, проникающих из стояка. Она обеспечивает последовательное  удаление воздуха из полости формы.

Однако из-за перегрева нижних слоев формы может расстроиться тепловой режим, нарушив направленность затвердевания. Это, в свою очередь, может привести к образованию в отливке усадочных дефектов. При нижней литниковой системе трудно обеспечить заполняемость протяженных тонкостенных отливок.

Вертикально-щелевая система, обладая достоинствами нижней литниковой системы, обеспечивает хорошие условия для заполнения тонкостенных  отливок и лучший тепловой режим.

К недостаткам следует отнести сложность выполнения ее в форме и удаления от отливки.

Ярусная литниковая система обеспечивает спокойное заполнение формы и создание правильного теплового режима. Недостаток ее — сложность изготовления, так как требуется наличие нескольких горизонтальных разъемов формы.

Комбинированная литниковая система совмещает одновременно несколько типов систем. Эту систему применяют для заливки крупногабаритных отливок сложной конфигурации в песчаных формах. Недостаток — сложность выполнения и удаления ее при обрубке.

Боковая литниковая система обеспечивает заполнение нижней части формы сверху, а верхней — снизу; соответственно, сочетает преимущества и недостатки этих литниковых систем.

Чаще всего используются верхняя, нижняя и вертикально-щелевая литниковые системы.

Выбор той или иной литниковой системы для конкретной отливки определяется ее массой, габаритными размерами и положением отливки в форме. Для отливок из магниевых сплавов, для которых определено положение их в форме, выбор типа литниковой системы может производиться по номограмме (рис. 4.5). Несмотря на то, что номограмма разрабатывалась для сплава Мл 5, она может применяться для всех магниевых сплавов.

Рис. 4.5. Номограмма для выбора типа литниковой системы для отливок из сплава Мл 5.

Для выбора типа литниковой системы по номограмме необходимо предварительно определить:

1. высоту отливки без прибылей (мм); определяется по чертежу отливки и положению ее в форме;

2. среднюю толщину отливки (мм), включая припуск на механическую обработку;

3. массу отливки без прибылей (кг), определяемую по чертежу детали и умноженную на коэффициент для деталей типа:

- колес и цилиндров — 1,8;

- каркасов, рам, кронштейнов — 1,6;

- деталей моторного литья (картеры, помпы, блоки и др.) — 1,5.

Коэффициенты уменьшаются, если отливки не подвергаются механической обработке.

Номограмма имеет 3 зоны, соответствующие вертикально-щелевой, нижней и верхней литниковой системе. Для определения типа литниковой системы необходимо выяснить следующее:

1. На оси ординат находят точку, соответствующую массе отливки (вес отливки на номограмме) — точка «а», и проводят горизонтальную линию 1 до конца номограммы.

2. На той же оси в нижней части находят точку «б», равную высоте отливки, и от нее  проводят горизонтальную линию 2 до конца номограммы.

3. На оси абсцисс номограммы, в зоне, где линия 2 пересекает наклонные линии, находят точки «в», отвечающие средней толщине стенок отливки, проводят линии 3 до пересечения с  линией 2.

4. Из точек «г», полученных от пересечений линии 2, отвечающей высоте отливки, с линиями 3, отвечающими средней толщине стенок отливки, проводят вверх линии, параллельные оси ординат, до пересечения с линией 1, отвечающей массе отливки (точки «д»).

5. Положение точек «д», полученных в каждом из секторов (в верхней части номограммы, отделенных жирными кривыми), определяет тип пригодной литниковой системы.

Если выпадает случай, что пригодны 2 типа литниковой системы (в нашем случае пригодны вертикально-щелевая и нижняя, или могут быть пригодны нижняя и верхняя литниковая системы), то выбирается нижняя литниковая система.

Анализируя номограмму, можно отметить:

1. Верхняя литниковая система может применяться для мелкого литья, имеющего небольшую высоту (не более 150 мм).

2. Вертикально-щелевая литниковая система применяется для высоких тонкостенных отливок, у которых высота превышает среднюю толщину в 50 и более раз.

3. Наибольшее применение находит нижняя литниковая система.