книги из ГПНТБ / Разумов, В. Н. Технология литейного производства учеб. пособие

Другой подход к расчету теплообмена, как мы уже знаем, осуществлен А. И. Вейнпком. В итоге анализа ус­ ловий теплоотвода в стенке песчаной формы он получил следующее расчетное уравнение для периода заливки

как от нуля.

131

Для массивных отливок ѵВтгп рассчитывается из ус­ ловия отсутствия обгара стенок формы. Расчет основан на известном уравнении теплоизлучения

сединицы поверхности зеркала расплава;

ал— коэффициент передачи тепла излучением;

Т1п — температура на зеркале расплава;

Т2п(т)— переменная температура облучаемой поверх­

ности формы.

А. Ф. Спасский и А. А. Рыжиков для системы ме­ талл — форма предложили считать, что тепло, отводи­ мое внутрь облучаемой стенки формы, в соответствии с законом Фурье, при х = 0 будет равно

11

Температурное поле в облучаемой стенке формы можно найти из равенства

которая выражена графически на рис. 5.

Для расчета с помощью графика необходимо снача­ ла по данным о свойствах формовочной смеси определить Ггп.крит, затем рассчитать по приведенному уравнению Ѳ и по графику найти значение Кт■ Наконец, рассчитать критическую продолжительность заливки тн и ѵ вт іп-

Следует отметить, что все расчеты, связанные с теп­ лоотдачей от зеркала расплава в полости формы, до­ вольно условны, т. к. на этой поверхности происходит не только теплообмен излучением, но и химические реакции окисления и раскисления сплавов с образованием шла­ ков, а также засорение зеркала расплава частицами формовочной краски, припыла, песчинками со стенок формы. В ряде случаев все эти новообразования цепля­ ются за стенки формы или стержней, обнажая поверх­ ность расплава. В других случаях они превращаются в

12

полутвердую корку и закрывают большую часть зеркала расплава до конца заполнения полости формы. Точно предугадать характер поведения новообразований на зеркале расплава пока не удается, поэтому трудно со­ ставить точную расчетную схему теплоотдачи с зеркала металла. Вот почему такие расчеты проводятся крайне редко.

Определение цВкрит для плавного заполнения поло­ сти формы и Пв min, обеспечивающего отсутствие спаев или обгара формы для достаточно больших и ответст-

Оітія

Рис. 6. Расчетные графики скоростей послойного заполнения форм расплавом

венных отливок, следует проводить методом послойного анализа характера заполнения формы. При этом разбив­ ку полости формы на условные слои надо делать так, чтобы каждый слой характеризовался постоянным гид­ равлическим радиусом или постоянной толщиной стенок.

Если заливать формы сифоном снизу, то при расчете Ѵвтіп, обеспечивающего отсутствие спаев, необходимо предполагать, что снижение температуры расплава до Т’лик можно допускать только в самом верхнем слое по­ лости формы в конце заливки. Во всех промежуточных слоях температура металла должна иметь некоторые промежуточные значения от Гзал до Гпромі, затем от Гпр0мі до ТпРом2 и т. д. Если заливка ведется через дождевую

13

литниковую систему сверху, то расчет ѵвтіп не имеет смысла, т. к. зеркало расплава все время освежается вновь поступающим металлом и условий для образова­ ния спаев не возникает. В этом случае ѵвтіп следует определять только тогда, когда появляется опасность об­ гара формы.

Результаты расчетов Увкрит и ѵвтіп лучше всего ана­ лизировать с помощью графиков. При этом может быть два случая. В первом, показанном на рис. 6 а, во всех СЛОЯХ Ѵв крит больше ѵв min- Это весьма благоприятный случай, при котором всегда можно выбрать общую про­ должительность заливки и удельную скорость qm так, чтобы в каждом слое полости формы фактически ѵв укла­ дывалась в пределах между ѵвтіп и аВКрИТ.

Во втором, крайне неблагоприятном случае, ѵвтіп по величине во всех слоях больше, чем оВКрит. Следова­ тельно, здесь неизбежно образование спаев при спокой­ ном заполнении формы и турбулентное заполнение при отсутствии спаев. В таких случаях необходимо приме­ нять специальные меры для снижения расчетной величи­ ны Ѵвтіп и приближения ее к значениям аВкрит.

Анализ уравнения А. Ф. Спасского и А. А. Рыжико­ ва показывает, что снизить величину ѵвтіп можно тремя способами:

— увеличением температуры заливаемого метал­

ла

—увеличением температуры формы Т2нач;

—выбором такого способа подвода расплава, при ко­ тором произойдет непрерывное или достаточно частое периодическое поступление свежего горячего металла на зеркало поднимающегося в полости формы расплава.

Рассмотрим более подробно возможности каждого из этих способов.

Увеличение температуры заливаемого металла Гзал не только облегчает борьбу с образованием спаев, но и позволяет лучше очистить расплав от газовых пузырей

ишлаковых частиц, которые в перегретом металле легче

иполнее всплывают кверху. Кроме того, облегчается борьба с засорением металла окисными пленами.

Предложение бороться с окисными пленами за счет повышения температуры расплава на первый взгляд па­ радоксально. Однако чем выше температура расплава, тем больше его испарение и больше парциальное давле-

14

ние паров над зеркалом металла. При некоторой крити­ ческой температуре парциальное давление паров метал­ ла равно парциальному давлению кислорода атмосферы, и с этого момента окисление расплава на зеркале пре­ кращается. К сожалению, этот прием пока можно реко­ мендовать только для хромистых сталей, критическая температура которых при 5% Сг равна 1700° С, при 10% Сг составляет около 1720° С и потому вполне дости­ жима. В сплавах, содержащих Al, M g, Ті и повышенное

Рис. 7. Зависимость плотности отливки из стали 25Л от темпе­ ратуры заливки

количество Si, т. е. элементов, придающих сплавам склон­ ность к образованию окисных плен, критическая темпера­ тура очень высока и пока еще в производстве не дости­ жима.

С другой стороны, еще А. С. Лавров в 1866 г. писал: «Размер кристаллов или крупность зерна в стали при ра­ венстве всех других обстоятельств, т. е. при одинаковом сорте и при одном и том же отливаемом предмете зависит: 1) от избытка температуры металла над тою, которая действительно необходима для его расплавления и, сле­ довательно, 2) от времени, которое отлитая масса упо­ требляет для своего охлаждения и отвердевания. Таким образом, чем ниже температура, при которой происхо­ дит отливаиие в форму, и чем быстрее охлаждается мас­ са до ее отвердевания, тем плотнее будет зерно металла».

Таким образом, при выборе оптимальной температу­ ры заливки необходимо учитывать, что при очень низкой температуре металл больше засоряется неметаллически­ ми включениями, газовыми раковинами и хуже пропиты­ вается расплавом при затвердевании, а при очень высо­ кой температуре заливки получается грубозернистым. И то, и другое снижает механические и физические свой­

15

ства металла в отливках. Наглядно это прослеживается на рис. 7, где приведены данные В. Г. Грузина о влиянии температуры заливки на плотность отливки из ста­ ли 25Л.

Следует обратить внимание на тот факт, что полу­ чение грубозернистого металла обусловлено не столько температурой заливки, сколько замедлением скорости затвердевания при повышении температуры заливки. Следовательно, если повысив температуру заливки, мы сможем сохранить высокую скорость затвердевания, то грубого зерна не получим. Вот почему старое правило литейщиков: «Плавь металл горячо, а заливай его в фор­ му похолоднее» сохраняется только при заливке массив­ ных отливок из сравнительно низкосортных марок спла­ вов. Для тонкостенных отливок из высокопрочных спла­ вов температуру заливки стремятся выдерживать на верхнем пределе производственных возможностей, обес­ печивая необходимую скорость затвердевания расплава в форме.

При определении производственных возможностей следует учитывать, что расплав из плавильной печи вы­ пускается при следующих температурах:

Следует заметить, что верхние пределы указанных температур достигаются при соблюдении специальных режимов плавки с применением подогрева дутья в ваг­ ранке, с введением кислорода в: пламенные и электропе­ чи и т. п.

Металл при заполнении разливочного ковша, в пери­ од модифицирования в ковше и выдержки до заливки, а также во время заливки теряет свою температуру. Эти потери и фактически достижимую температуру заливки можно приблизительно определить с помощью данных, приведенных в таблице.

Температурный режим заливки определяется также начальной температурой формы Г 2нач. Последняя выби­ рается с учетом следующих положений.

Самые тонкостенные отливки можно получить совер­ шенно годными даже при заливке малоперегретым ме­ таллом, если довести Т2нач до температуры плавления сплава. Это подтверждается расчетами по уравнению

16

ЧИТАТЬ:.

А. Ф. Спасского и А. А. Рыжикова, которые показывают, что при увеличении Т2Ііач с 293 до 1073° К продолжитель­ ность заливки без образования спаев можно увеличить

в5,8 раза, а при Т2нач, равном 1373° К, — даже в 74 раза.

Сдругой стороны, повышение Т2нач для наиболее

массивных отливок опасно, т. к. приводит к увеличению зерна и получению более грубых межзеренных прослоек в металле отливки и, следовательно, к ухудшению меха­ нических свойств отливок. В этом случае полезно не только снижать Т2„ач, но и выбирать такую форму, кото-

Рис. 8. Зависи­

^затв

рая обеспечит более быстрое затвердевание отливки, на­ пример переходить на заливку в кокили.

При ІІЗГОТОВЛеНИИ В КОКИЛЯХ ЧуГуННЫХ ОТЛИВОК, Т2дач следует выбирать в зависимости от требований к струк­ туре металла. Если нужна отливка с отбеленной поверх­ ностью, то Т 2пач следует брать на нижнем пределе, если нужна однородная структура по всему сечению отливки,

18