20. Обосновать необходимость расчета каждого из элементов литниковой системы, основываясь на функциях каждого элемента и законах течения расплавов (рисунки)

Литниковая система – это система каналов, через которую металл попадает в полость формы и заполняет ее. Основными элементами литниковой системы являются литейная чаша или воронка, стояк, зумпф, шлакоуловитель, питатель.

Правильно рассчитанная литниковая система обеспечивает заполнение формы без недоливов и спаев; задержку неметаллических частиц; создание такого режима заполнения, который способствовал получению плотной отливки; в частности, выбранный режим заполнения формы не должен создавать условий для возникновения местных перегревов. Если это требование не будет выполнено, то в отливке может развиться пористость, вызывающая нарушение герметичности литых деталей. Кроме того, течение расплава в литниковой системе должно быть организовано таким образом, чтобы потоки металла не размывали и не разрушали форму; а элементы литниковой системы должны быть скомпонованы таким образом, чтобы они не тормозили усадки отливки и не создавали затруднений для отделения литников от отливки.

Литейная чаша или воронка (рис.1) предназначена для принятия струи, гашения ее энергии, первичного отделения шлаковых частиц и поддержания постоянного уровня металла при заполнении формы. Шлак лучше отделяется в чашках с перегородкой. С целью успокоения металла и отделения шлака используют мерные чаши со стопорным устройством. Объем такой чаши должен равняться объему формы (рис.1,в).

При литье стали, заливаемой из стопорного ковша, меняют литниковые воронки (рис.1,г), в них отделение шлака не происходит, но металл охлаждается меньше, что для стали очень важно. Рассмотрим принцип действия шлакоотделения (рис.2).

а – свободная; б – с перегородкой; в – со стопором; г – воронка

Рис.1. Типы литниковых чаш

Рис.2. Шлакоудаление в литейной чаше

Металл в чаше образует завихрение 1 и по направлению 2 и 3 течет в стояк 4. На частицу шлака 5 действует деленная система сил:

а) выталкивающая сила перемещает частицу со скоростью _;

б) при вращении частицы в вихре на нее действует центростремительная сила, которая перемещает частицу одновременно к оси вращения со скоростью ₂;

в) тангенциальная скорость вихря _ влечет частицу к стояку.

Сложив скорости, получим результативную скорость частицы _р, которая направлена к поверхности металла.

Чем больше угол , тем меньше всплывания шлака.

У чаши рассчитывают следующие параметры: радиусы скруглений, емкость чаши, высоту.

Стояк служит для передачи металла из чаши в нижние части формы. Как правило, чаши изготавливают с круглым, сечением, с небольшой конусностью и располагают верти­кально. При литье цветных металлов в металлические формы иногда применяют зигзагообразные стояки.

В основании стояка имеется чашечка-зумпф, гасящая удар струи и препятствующая разливанию формы.

Рассмотрим заполнение вертикального канала. В нем металл может течь свободной струей, под избыточным дав­лением или в разреженном состоянии (рис.3).

а – свободной струей; б – струей с избыточным давлением;

в – струей с разряжением

Рис.3. Течение расплава по стояку

По закону непрерывности потока через любое сечение канала протекает одинаковое количество металла: S₁V₁ = S_xV_x = S₂V₂, а . Тогда: , или _, S₁ / S₂ = V₂ / V₁.

В этом случае вся статическая энергия переходит в ки­нетическую, и поток не оказывает на стенки никакого давле­ния – струя свободная (рис.3,а). Если расплав протекает по заполненному каналу (рис.3,6) с начальным сечением S^/₁ > Si, то скорость истечения через сечение S₂ определяют по формуле: , но S^/₁ / S₂ > S₁ / S₂, поэтому S^/₁ / S₂ > , или S^/₁ / S₂ > V₂ / V₁ (избыточное давление).

Следовательно, у стояка необходимо рассчитывать следующие параметры: высоту, диаметр стока внизу и вверху, высоту стояка.

Шлакоуловитель предназначен для подвод металла к нескольким отливкам, а также для отделения шлаковых частиц. Размечают его по разъему формы горизонтально, обычно в верхней полуформе, сечение, как правило, трапе­циевидное.

Шлакоуловитель также может быть заполненным или незаполненным. Обычно он заполняется постепенно.

В точке 2 (рис.4,а) вся кинетическая энергия перехо­дит в статическую, и уровень повышается на величину h, последовательно заполняется весь объем.

Частицы включений уносятся потоком со скоростью V₁, выталкивающая сила выносит их вверх со скоростью V_B. а результирующая V является истинной скоростью всплывания частиц (рис.4,6).

Из сравнения скоростей V_T и V_B видно, что в коротком шла­ковике всплывают только крупные частицы.

Эффективность улавливания шлаковых включений можно повысить в гребенчатых шлаковиках, где за каждым зубцом образуется завихрение, которое быстрее выносит час­тицы за его пространство (рис.4, в, г).

а – заполнение стояка; б – силы, действующие на шлаковую частицу; в-г – гребенчатый шлакоуловитель

Рис.4. Заполнение шлакоуловителя расплавом

Трапециидальное сечение (конусность) шлакоуловителя обеспечивает задержку шлака по меньшей поверхности.

На силу вихря будет влиять и длина, т.е., чтобы V_р(b)  min, l должна  mах.

По техническим требованиям шлакоуловитель должен быть коротким, но достаточным, т.к.: остывание металла происходит медленнее; увеличивается экономия металла.

Большая высота оказывает следующее влияние: большая затрудненность при всплывании шлаков; низкая экономия металла; плохой переход металла в питатели.

Шлакоуловитель – последняя инстанция очищения от шлаков и успокоения металла.

Следовательно, у шлакоуловителя будет рассчитывать следующие параметры: площадь сечения, форму сечения, длину.

Питатели – переносят металл из шлакоуловителя в форму в том количестве, в котором нужен.

Рассчитываем следующие параметры: площадь сечения, форму сечения, длину, количество.

Длина питателя зависит от: расхода металла; от способа удаления литниковой системы.

Параметры питателя могут быть рассчитаны, но и могут быть взяты из производственных таблиц. Количество питателей влияет на заполняемость формы. Чем меньше толщина стенки, т.е. чем сложнее отливка, тем больше питателей.