Гидравлические особенности литейного процесса при заливке сплава сверху вниз

В современной литейной стереотипной технике в основном применяют два способа литья стереотипов: заливку сплава сво­бодно падающей струей сверху вниз и заливку под принуди­тельным давлением струей, направленной снизу вверх.

При анализе гидравлических условий поведения струи сплава и заполнения формы важно учитывать конечные техно­логические задачи: быстродействие литейных установок, осо­бенно в газетном производстве, хорошее качество отливки и от­носительную стойкость матриц при многократно повторяющих­ся отливках.

При заливке сплава сверху вниз скорость движения струи v приближенно может быть определена из условия течения сплава через малое отверстие в вертикальной стенке:

» = Ф 1/2^77, (2.1)

где ф — коэффициент скорости, равный ~0,95—0,97; Я — высо­та столба сплава.

Расход сплава через прямоугольное сечение литейной щели может быть определен по формуле

Q=|i.fe-fl К2^ЛГ, (2.2)

где \х — коэффициент расхода, равный ~0,62; Ъ — ширина от­верстия; а — высота отверстия.

Средняя скорость v_cp заполнения формы сплавом может быть рассчитана по формуле

VCV =

V

h' Ui,

ИЛИ

ycp

rrr

A г

= nJ/"2g-

H

"ср =» 4^{1 или у}ср = 4" = I^х V*!⁷", (2.3)

п" г

где h' — толщина струи в сжатом сечении; h" — высота сечения формы.

Действительная скорость потока значительно (на 50— 60 %) меньше вследствие противодавления воздуха, сил трения расплава при непрерывно изменяющихся вязкости и гидравли­ческих сопротивлениях в литнике и форме. При течении сплав, соприкасаясь со стенками, становится более вязким, течет мед­леннее, образуя корку, в то время как внутренние слои сплава текут с большей скоростью, частично размывают эту корку, спо­собствуя тем самым заполнению углублений в матрице. Вместе с тем такое слоистое течение непрерывно изменяет условия теплопередачи от сплава к форме, а значит, и условия кристал­лизации и охлаждения отливки.

С учетом трения и противодавления воздуха скорость по­тока сплава (по Заксу) может быть определена по формуле

^/WESL, ₍₂.4)

где Р — давление на сплав; Р_в — противодавление воздуха; у — УД. вес сплава; 2£ — сумма коэффиицентов гидравлических сопротивлений для сужений потока в литнике, его расширения и закругления в самой изложнице, а также трения в литнико­вой системе.

Так, для литейного автомата типа ОГА, принимая сечения перед краном F =35—40 см², при входе в форму F₂=20 см² и собственно в форме /**₃ = =40 см², можно принять (по Вейсбаху)

Јi — для сужения потока — 0,34; |₂ — для внезапного расширения

(*-Г

£з = 0Д а сопротивление с учетом трения Ј₄=1J5 (по Заксу). Общее суммарное сопротивление составит

26 = 0,34+1+0,3+1,75^3,4.

В этом случае скорость потока v (без учета противодавления воздуха Р_в) составит

_ / 2gP, / 2g-0,6

где Р — давление столба, равное 6-10⁴ Н/м²; Y — УД. вес. сплава ~ 10 500 кг/м³. Зная скорость, определим число Рейнольдса:

Re= ⁴^^гидр, (2.5)

V

где v — средняя скорость движения потока, м/с;

v — коэффициент кинематической вязкости сплава при температуре за­ливки, м²/с;

Ягидр — гидравлический радиус (м), равный отношению площади попе­речного сечения потока к длине смоченного периметра этого сечения.

Значение Re при скорости и «1,65 м/с оказывается значительно больше его критического значения /?£?_крит = 2300, при котором движение потока из ламинарного переходит в турбулентное. При этом вихревые потоки залива­емого сплава захлестывают инжектированный и заполнявший изложницу воз­дух и затрудняют его выход.

Газы, вытесняемые сплавом, частично выходят из отливки через вентиляционные каналы в замке или донной планке и по­лукольцах, а частично застревают в отливке, особенно в ее верхней зоне. Поэтому при расчете полостей каналов нужно ис­ходить из условий, что площадь сечения вентиляционных кана­лов и их размещение должны обеспечивать свободное течение жидкого сплава из формы и свободный выход воздуха.

Вентиляционные каналы выполняются в виде широких ще­лей глубиной 0,05—0,1 мм. При расчете вентиляционных кана­лов задается их глубина, определяется площадь поперечного сечения каналов и общая ширина воздухоотводов.

Вентиляционная система изложниц стереотипных литейных машин оказывает существенное влияние на качество литейной структуры стереотипов и их тиражестойкость. Так, при глубине вентиляционных каналов 0,08—0,1 мм общая их ширина в стан­ках для отливки газетных стереотипов должна находиться в пределах 140—160 мм, а книжно-журнальных —50—70 мм.

Вентиляционные каналы на донной планке (или в замке) должны быть расположены равномерно по всей длине. В полу­кольцах вентиляционные каналы наиболее часто должны быть расположены в области, примыкающей к литнику.

Затрудненность выхода воздуха при заливке сплава струей сверху вниз в условиях интенсивного турбулентного потока по­рождает значительную газовую пористость в отливке и ухуд­шение ее механических свойств. Поэтому естественно стремле­ние советских и зарубежных исследователей к внесению усовер­шенствований в литейную систему стереотипных станков с це­лью обеспечения более благоприятных условий заполнения фор­мы сплавом.

Способ литья струей, направленной снизу вверх, имеет пре­имущество по сравнению с ранее рассмотренными, так как под­нимающийся вверх поток сплава в условиях правильно подо­бранных скоростей впуска и течения по изложнице гонит впере­ди себя воздух и выталкивает его в систему вентиляционных ка­налов. При этом скорость потока и геометрическая форма лит­ников должны быть подобраны таким образом, чтобы поток сплава не завихрял воздух, не обгонял его, а плавно вел впере­ди себя и в то же время чтобы сплав сохранял достаточную те­кучесть при заданной температуре и хорошо заполнял наиболее удаленные от литника углубленные участки матрицы.

Следовательно, гидродинамические режимы заливки спла­ва должны жестко регламентироваться и правильно сочетаться с термическими условиями литья. Кроме того, при заливке сни­зу вверх необходимо максимально снизить величину гидравли­ческого удара, неизбежно возникающего при любом виде литья в момент резкого прекращения подачи сплава после заполнения изложницы.