Такая струя имеет начальный участок, в котором сохраняется скорость, соответствующая начальной при вытекании, и основной участок, в котором даже по оси скорость меньше, чем в начале. Длина начального участка независимо от природы жидкости равна примерно 4,5 диаметра канала, через который струя вытекает. Угол факела - 28° (Б. Б. Гуляев).
Если заполняемый объем невелик (рис. 6.18, б), граница приближается к стенке и при взаимодействии с ней образует возвратное течение. Участок, на котором струя сохраняет ясные границы, является основным. Затем следует участок распада струи и беспорядочного движения с постепенным ее переходом в установившийся турбулентный поток, занимающий все сечение канала.
При падении струи сверху в ограниченное пространство - на жидкую подушку (рис. 6.18, в) - в сосуде небольших размеров картина усложняется еще больше. Вокруг места ее падения возникает вихревое кольцо, дающее начало факелу.
6.7.Расчет истечения металла из ковша и заполнения формы
При истечении металла из ковша со стопорным устройством через отверстие в дне по мере его опорожнения гидростатический напор Я будет уменьшаться, а скорость истечения замедляться.
Для ковша с площадью зеркала металла F и высотой Я в некоторый момент времени г, когда уровень будет равен А, можно написать, что элементарный расход металла равен
d Q - |
f.i- f yj 2gh >dx - |
F - dh |
(6.28) |
или |
d x = ------ Fdh, |
. |
(6.29) |
Интегрируя левую часть равенства (6.29) от 0 до г и правую от Я до О, |
|||
получим |
2HF |
|
|
. |
|
(6.30) |
|
l V /V 2 i/7 ’ |
|
|
|
где т\ - полное время опорожнения ковша.
Когда истечение жидкости из емкости (ковша или литниковой чаши) происходит при непрерывной добавке жидкого металла, поддерживающей его уровень постоянным, то время истечения Т2 из полного объема емкости сечением F и высотой Я можно определить следующим образом:
г,=— *£— • |
(6-31) |
H-fpgH |
|
Следовательно, время истечения одного и того же объема металла при постоянном его уровне вдвое меньше, чем при переменном уровне.
При заливке из стопорного ковша расход металла задается параметрами литейной формы и должен быть назначен таким образом, чтобы обеспечить
требуемое качество отливки. Площадь сечения стаканчика, через который металл вытекает, будет равна
(6.32)
где d - диаметр стаканчика; р - коэффициент торможения.
Установлено, что при р < 0,5 струя, как правило, вытекает из стаканчика в виде факела. При этом металл разбрызгивается, окисляется и процессом заливки трудно управлять. Для получения ровной компактной струи желательно, чтобы Р > 0,8.
В процессе разливки происходит размывание стаканчика. Однако по мере вытекания металла и увеличения площади отверстия стаканчика уменьшается гидростатический напор. Эти процессы компенсируют друг друга. Наибольшие трудности возникают в начале заливки, когда уровень металла максимальный, площадь стаканчика еще не изменилась и приходится давать максимальное
торможение, чтобы обеспечить заданный расход металла: |
|
|
Q = P ^ - H - ^ h , |
(6.33) |
|
откуда |
|
|
J fiflл J2gfi |
|
(6.34) |
|
|
|
Если принять для условий истечения через стаканчик р = 0,8 (исходя из |
||
условия обеспечения хорошей струи) и g = 981 |
см/с2, то получим |
|
rf =° , 8 ^ |
, |
(6.35) |
где d - требующийся диаметр стаканчика, см; Я - высота уровня металла в ковше, см; Q - расход металла, см3/с.
Заполнение полости формы можно рассматривать как истечение жидкости из одного сосуда с постоянным уровнем (литниковая система) в другой с переменным уровнем жидкости (полость формы h на рис. 6.19).
Определим время заполнения формы через литниковую систему и расчетный гидростатический напор Ярасч, зная геометрические параметры литейной формы (рис. 6.19).
Примем следующие допущения:
- металл не содержит частицы твердой фазы и во время заполнения формы образование твердой корки на ее стенках не происходит, следовательно, величина и распределение скоростей в каждом сечении системы не изменяются
втечение всего процесса заполнения;
-заполнение литниковой системы происходит мгновенно, т. е. ее объем мал по сравнению с объемом отливки и отсчет времени начинается с момента ее заполнения;
-уровень металла в литниковой системе поддерживается постоянным.
T Y 7
Рис. 6.19. Схема красчету времени заполнения формы
Отливка состоит из верхней и нижней частей с сечениями FB и Fu и высотами hüи й„. Гидростатический напор обозначим через Я, площадь сечения литника, подведенного сбоку,/
Заполнение нижней части полости формы будет происходить с постоянной скоростью и расходом. Время ее заполнения гн получим делением
объема нижней части на расход (6.31), т. е. |
|
= FA |
(6.36) |
ft-fJi gH' |
|
где /л - коэффициент расхода литниковой системы.
Заполнение верхней части полости формы будет происходить под
затопленным уровнем с расходом |
|
Q = H f p g ( H - h ) , |
(6.37) |
где h - расстояние от уровня подвода литника до поверхности зеркала жидкого
металла в форме. |
|
|
|
Аналогично выражению (6.28) можно написать |
|
||
dQ = у. • f f t g (H - h ) • àx = FBdh |
(6.38) |
||
или |
FBdh |
|
|
dx = |
(6.39) |
||
|
|||
H - f pg ( H - h)
Интегрируя левую часть от 0 до rBзаполнения верхней части формы - и правую от 0 до йв, получим
(6'40’ Общая продолжительность заполнения всей формы будет равна всей
сумме:
r _ r +r F X + 2 F , [ H - 4 H { H - h , ) ] |
(641) |
Г* - Г“ + Г"- |
|
Расчетный напор должен обеспечить именно это время заполнения при той же литниковой системе. Следовательно, нужно записать
г = |
(6.42) |
Общий объем V=Fnhu+FnAu, расчетный расход gpacii = / . я p g H ^ ,
где/ - площадь поперечного сечения узкого канала системы. Таким образом, имеем
AFA + F J Ü |
|
= [(^ А / АЙ) + 2F„(Vtf - -/;„)] |
(6.43) |
|
|
(/ |
/<V2i) |
После сокращений и преобразований получаем |
|
||
„ |
= н ______ FA + |
(6.44) |
|
|
|
1.FA +2F0AH (AH - J H - h, ) |
|
При F„ = F„ формула упрощается: |
|
||
н ^ = н |
H.. |
(6.45) |
|
|
|||
11„+г4н{Ан -AH~h.)
Описанный способ расчета литниковых систем является наиболее общим. При некоторых специальных способах получения фасонных отливок расчет литниковых систем проводится исходя из совершенно других соображений, чем рассмотренные. Например, при литье под давлением никакого улавливания неметаллических включений в литниковой системе не предусматривается, поскольку это физически невозможно. Расчет ведут исходя из практических данных о времени заполнения и развиваемых величинах давления. При центробежном литье приходится учитывать постоянство
ускорения, зависящего от радиуса вращения.
6.8.Движение неметаллических частиц в потоке расплава
иих задержание
Неметаллические частицы в отливках можно разделить на две большие группы, хотя такое деление не является общепринятым:
1. Загрязнения, представляющие собой частицы шлаков, флюсов, продуктов разрушения огнеупорных материалов и формы. Размеры таких частиц колеблются от 1 мм до нескольких сантиметров.
2. Неметаллические включения, представляющие собой продукты взаимодействия компонентов сплавов с атмосферой, а также металлических компонентов с неметаллическими примесями. Размеры этих частиц измеряются микронами (в данном параграфе они не рассматриваются).
Неметаллические частицы отличаются по плотности от металлических сплавов и поэтому обладают способностью к самостоятельному движению.
В сплавах на основе железа, меди и титана шлаки, флюсы и окислы всех компонентов легче, чем жидкие сплавы, и их частицы всплывают на поверхность потоков. В сплавах на основе алюминия и магния их окислы
тяжелее расплавов и тонут в потоках. Исключение составляют окислы натрия, которые образуются при модифицировании алюминиевых сплавов. Флюсы в алюминиевых сплавах плавают на поверхности как более легкие; в магниевых сплавах они находятся на дне плавильных тиглей (табл. 6.10). Таким образом, борьба с неметаллическими частицами в тяжелых и легких сплавах должна производиться различными методами. Эти различия должны быть учтены при конструировании литниковой системы.
Для частиц размером более 1 мм в железных сплавах скорость всплывания настолько велика, что происходит их всплывание при турбулентном режиме потока по закону Стокса:
IV = IJ5 ё |
(Р„-Р,„) d ' |
(6.46) |
V с |
Р„ |
|
где рм и рш - плотность расплава и неметаллических частиц; ci - диаметр частиц; g - ускорение силы тяжести; с - коэффициент, зависящий от критерия Re, а также соотношения размеров частиц и канала, в котором происходит их всплывание; по данным Б. В. Рабиновича его можно считать равным единице (с=1).
Таблица 6.10
Плотности основ сплавов и неметаллических загрязнений_______
Основа |
|
Плотность, г/см3 |
|
|
литейного |
основы сплавов |
шлака и л и флюса |
окисла компонентов |
|
сплава |
|
|
|
|
|
|
|
FeO |
5,7 |
Fe |
6,8 |
|
Fe3Û4 |
5,1 |
Шлаки 2,5-3,5 |
Fe^Oj |
5,2 |
||
|
|
|
SiÔ2 |
2,3 |
|
|
|
Сг20з |
5,2 |
|
|
Уголь 2,2 |
Си,О |
6,0 |
Си |
8,0 |
СиО |
6,4 |
|
|
|
Флюсы 2,5-4,0 |
АЬОз |
4,9 |
Ti |
|
|
Sn02 |
6,9 |
4,1 |
- |
ТЮ2 |
3,8 |
|
|
|
Флюсы 1,6-2,1 |
А126 з |
3,9 |
Al |
2,4 |
|
MgO |
3,6 |
|
|
|
Na20 |
2,3 |
Mg |
1,5 |
Флюсы 1,5-2,5 |
MgO |
3,6 |
|
|
|
А120 з |
3,9 |
При всплывании неметаллических частиц в вертикальном канале (стояке) литниковой системы их отделение возможно только в случае, когда скорость всплывания больше скорости потока расплава. Расчеты по W показывают, что для чугунных отливок всплывать могут только крупные частицы (> 10 мм), а остальные уносятся с потоком в следующие элементы литниковой системы.
Вгоризонтальном потоке (рис. 6.20) траектория движения
неметаллической частицы определяется скоростью всплывания W,
направленной вверх, усредненной горизонтальной скоростью потока Vlu и вертикальной составляющей движения турбулентного потока. Эта статистическая величина, определяющаяся вихревым характером движения, может быть направлена как вверх, так и вниз. Величина вертикальной составляющей VB пропорциональна средней горизонтальной скорости потока Кш:
К„ = /?-Гш, |
(6.47) |
где Р ~ коэффициент пропорциональности, равный примерно 0,2.
Рис. 6 .2 0 . С хем а к расчету ш лакоуловителя
Для того чтобы неметаллические частицы были задержаны, необходимо, чтобы за время прохождения потока по всей длине шлакоуловителя даже те из них, которые вначале находились на дне, всплывали на полную высоту канала. Поскольку мы должны рассматривать наихудшие условия, будем считать, что вертикальная составляющая турбулентного потока все время будет направлена вниз. Обозначим длину шлакоуловителя через £ш, а высоту литника через Л. Тогда условие, обеспечивающее всплывание, имеет вид
Au ^ |
h |
(6.48) |
К |
w-p.vma |
|
Если скорость потока настолько же велика, насколько мала скорость всплывания, то это будет означать, что частицы соответствующего размера не будут задерживаться в шлакоуловителе. Они будут находиться в состоянии «витания».
Определим размеры шлакоуловителя, обеспечивающего задержание шлаковых частиц минимального размера dm\n(см. рис. 6.20).
Металл из шлакоуловителя, имеющего сечение Fm, текущий со скоростью Кш, переходит в литник сечением Fn, в котором будет течь со скоростью Ул.
Исходя из условий неразрывности потока, можно написать |
|
||
F |
К |
|
(6.49) |
Ки |
|
|
|
Как будет показано ниже, скорость течения металла через литник можно |
|||
определить выражением |
л'ьООО |
|
|
v |
G = |
G l/6 |
(6.50) |
|
|
|
|
p-FnT р - т - п 9