2.5.4.2. Расчет литниковой системы при заливке форм из поворотного ковша

При заполнении форм удельный расход жидкого металла лимитируется наиболее узким местом литниковой системы, которым может быть как нижнее сечение стояка, так и входное сечение питателя. Из уравнения расхода жидкости при напорном течении следует, что суммарная площадь узкого места F_УЗ равна:

F_УЗ = G_Р / ( _Ж  t_ЗАП  ) , (2.5.13)

где G_Р – расчетная масса жидкого металла, кг;

_ж - плотность жидкого металла, кг/ м³;

 - коэффициент расхода литниковой системы;

t_ЗАП – оптимальная продолжительность заполнения формы, с;

g – ускорение свободного падения, м/ с² ;

H_Р – расчетный напор металла, м.

В сужающихся литниковых системах наиболее узким местом является сечение питателей. За питателями находятся полости всех отливок, а также боковых прибылей (точнее всех прибылей или их частей, находящихся ниже верхнего горизонта отливки). Поэтому расчетная масса жидкого металла равна:

G_Р = G_o + G_б,пр , (2.5.14)

где G_o и G_б,пр – соответственно масса отдельных отливок и боковых прибылей, кг;

В расширяющихся литниковых системах узким местом является нижнее сечение стояка. Через это сечение к моменту заполнения полости отливки в форме заполняются все прочие полости, расположенные ниже верхнего горизонта отливки, т.е. литникового хода, питателей и боковых прибылей. Поэтому расчетная масса расплава равна:

G_Р = G_o + G_лх + G_пит + G_б,пр , (2.5.15)

где G_ЛХ и G_ПИТ – соответственно масса литникового хода и питателей, кг.

Коэффициент расхода литниковой системы  определяется совокупностью местных и линейных коэффициентов гидравлических сопротивлений:

 = , (2.5.16)

где - сумма коэффициентов местных и линейных гидравлических сопротивлений соответственно стояка, литникового хода и питателей;

F_УЗ, F_С, F_ЛХ, F_ПИТ – площади сечений узкого места, стояка, литникового хода и питателей соответственно, м².

В расширяющихся литниковых системах F_УЗ = F_С, а в сужающихся - F_УЗ = F_ПИТ. В литниковых системах с одинаковым суммарным сечением элементов F_УЗ = F_С = F_ЛХ = F_ПИТ. Напрямую рассчитать коэффициент расхода не удается из-за неизвестности линейных размеров элементов литниковой системы, от которых зависят коэффициенты линейных сопротивлений. Можно эту задачу решить методом последовательного приближения. Сначала задаются некоторым начальным значением коэффициента расхода  = ₁. По нему рассчитывают площади и размеры элементов литниковой системы. Далее по найденным размерам элементов литниковой системы определяют коэффициенты линейных гидравлических сопротивлений и коэффициент расхода _1Р. Затем сравнивают расчетное и начальное значения коэффициентов расхода. При этом, если начальное значение сходится с расчетным, то процедуру расчета прекращают и принимают  = ₁. В противном случае принимают новое значение коэффициента расхода  = ₂ = (₁+_1Р)/2 и повторяют процедуру расчета до схождения принятого и расчетного коэффициентов расхода. При правильном первоначальном выборе значения коэффициента расхода ₁ процедура расчета методом последовательного приближения завершается на первом цикле и фактически необходимость в его осуществлении отпадает. В большинстве случаев ограничиваются мотивированным (с учетом всех факторов) выбором значения коэффициента расхода . В зависимости от сложности конструкции литниковой системы значение коэффициента  колеблется от 0,25 до 0,70 (Табл. 2.5.7).

Таблица 2.5.7 Значения коэффициента расхода  литниковых систем

Сложность литниковой системы	Тип литниковой системы
	Верхне-боковая	Средне-боковая	Нижне-боковая	Сифонная	Вертикально-щелевая
Несложная (два поворота) Среднесложная (три поворота) Сложная (четыре поворота и более)	0,70 0,60 0,40	0,60 0,50 0,35	0,55 0,45 0,30	0,60 0,50 0,25	- 0,55 0,30

Приведенные в табл.2.5.7 значения  относятся к литниковым системам с открытыми прибылями. Для литниковых систем с закрытыми прибылями соответственно типу и сложности табличные значения  необходимо уменьшить на 0,10.

Полученную расчетом по формуле (2.5.13) продолжительность заполнения формы необходимо уточнить путем проверки на допустимую линейную скорость подъема уровня расплава. Такая необходимость обусловлена тем, что жидкая сталь с открытой поверхности активно взаимодействует с атмосферой литейной формы путем окисления и образования оксидных плен, а также, интенсивно остывая за счет тепловых потерь излучением, может затвердевать в период заполнения, формируя дефекты в виде неслитин, спаев и плен. Поэтому линейная скорость подъема уровня расплава _Л,Р должна быть не меньше допустимой скорости _{Л, КР}. Значение _Л,Р находят по простому соотношению:

_Л,Р = C / t_ОПТ , (2.5.17)

где С – высота отливки, м.

Если _Л,Р  _Л,КР , то в дальнейших расчетах литниковой системы используют первоначально рассчитанное по формуле (2.5.13) значение продолжительности заполнения формы. Если же _Л,Р  _{Л, КР} , то в дальнейших расчетах используют уточненное значение оптимальной продолжительности заполнения формы:

t_ОПТ = C / _{Л, КР} . (2.5.18)

Легированные стали должны заливаться с большей линейной скоростью, чем нелегированные стали. А стали с большим содержанием пленообразующих элементов (хрома, алюминия, титана) необходимо заливать еще быстрее. Ниже приведены значения _Л,КР для некоторых типов сталей, м/с:

Толшина отливки, мм: до 4 4-10 10-40 40-70 70

Стали углеродистые и

низколегированные 100-20 20-16 16-12 12-10 10-8

Стали высоколегированные:

типа 40Х24Н12СЛ - 40-32 32-24 24-20 20-16

10Х18Н9Л - 36-29 29-22 22-18 18-14

20Х13Л - 28-22 22-17 17-14 14-11

110Г13Л - 25-20 20-15 15-13 13-10

Расчетный напор при заливке форм из поворотного ковша расчитывают по формуле:

Н_Р = Н₁ + Н_О - , (2.5.19)

где H₁ – высота уровня расплава в ковше над верхним горизонтом формы, м;

Н_О – расстояние от верхнего горизонта формы до уровня питателя, м;

P – высота верхней части отливки, находящейся над горизонтом питателей, м.

При заливке форм через нижнебоковую литниковую систему Р = С и Н_р = Н₁ + Н₀ – Р/2, а при верхнебоковой литниковой системе Р = 0 и Н_Р = Н₁ + Н₀.

Подставив в формулу (2.5.13) значения всех параметров, рассчитывают значение F_УЗ. Далее по соотношениым (2.5.10-2.5.12) определяют суммарные площади сечений элементов литниковой системы F_С, F_ЛХ и F_ПИТ. Затем определяют число стояков, ветвей литниковых ходов и питателей, вычисляют площади сечения каждого отдельного элемента литниковой системы и их размеры по методике, изложенной ниже.