стенки каналов. Для реальной ньютоновской жидкости, какой являются расплавы, при течении от сечения 1 к сечению 2 некоторая часть энергии будет потеряна и перейдет в тепло. Поэтому в правой части уравнения вводится дополнительный член Ai _2, выражающий эти потери:
(6.6)
Течение жидкости может быть ламинарным и турбулентным. При ламинарном характере отдельные струи текут, не перемешиваясь в виде параллельных слоев. При турбулентном течении струи произвольным образом перемешиваются, частицы жидкости движутся не только вдоль, но и поперек общего потока. Характер течения жидкости определяется взаимодействием сил инерции и сил вязкости.
Преобладание сил вязкости приводит к ламинарному движению. При усилении влияния инерционных сил течение становится турбулентным. Очевидно, что характер течения должен зависеть от вязкости жидкости, линейной скорости движения и размера сечения канала как элемента, воспринимающего силы трения. Эта связь выражается безразмерной величиной числом Рейнольдса Re = Vd/v, где V - линейная скорость потока; d - диаметр канала круглого сечения; v - кинематическая вязкость. Для канала некруглого сечения используется эквивалентный диаметр d3KB = 4ЯП1др, равный четырем гидравлическим радиусам.
Гидравлический радиус есть отношение площади поперечного сечения потока жидкости к смоченному периметру. Например, если канал имеет прямоугольную форму в поперечном сечении с размерами а и в и целиком заполнен потоком, то площадь F - а в, смоченный периметр Р = 2{а + в), гидравлический радиус
Япиф = FIP= а • в I2{а + в).
Эквивалентный диаметр
d3кв = 2а • в!{а + в).
Для канала квадратного сечения а = в; Лпщр = а/4; d3кв = а. Для цилиндрического канала гидравлический радиус
Для воды установлено, что течение сохраняется ламинарным при Re < 2300. При Re > 2300 течение становится турбулентным.
6.3.Классификация способов заливки форм
Свободная заливка небольших порций металла (обычно до 1 т) - чугуна или цветных сплавов - производится из поворотных ковшей через носик (рис. 6.6, а).
зшвившш |
T |
turttai |
|
|
ш) |
Р ис. 6 .6 . К лассиф икация сп о со б о в заливки
Если на поверхности расплава образуется много шлака или иных загрязнений, заливка металла производится через чайниковое устройство с забором металла из нижней части ковша (рис. 6.6, б). Большие количества металла, в особенности стали, заливаются из ковша со стопорным устройством (рис. 6.6, в). Свободная заливка является преобладающей в литейном производстве.
Принудительная заливка. При заливке деталей, имеющих специфическую конфигурацию или малую толщину стенок, для облегчения заливки, а также с целью механизации и автоматизации применяют принудительную заливку.
Детали типа тел вращения, в особенности трубы и кольца, а также фасонные отливки заливают на центробежных машинах во вращающиеся формы (рис. 6.6, г). При этом легко получается осевое отверстие.
Сложные тонкостенные детали отливают под давлением (рис. 6.6, д). В камеру сжатия из печи или небольшого ковша заливается определенная порция расплава, откуда она под действием давления поршня впрыскивается в полость металлической пресс-формы.
При заливке под низким давлением форма помещается на крышку печи. При повышении давления в кожухе металл через металлопровод заливается в форму. В этих условиях металл не окисляется, процесс заполнения легко регулируется и поддается автоматизации (рис. 6.6, е).
Детали типа втулок из цветных сплавов изготовляются путем вакуумного всасывания расплава в специальную форму, нижний конец которой погружается в металл непосредственно в печи (рис. 6.6, ж).
При литье небольших порций тугоплавких расплавов, например титановых, применяется свободная заливка без ковша (рис. 6.6, э). В этом
случае печь и форма помещаются в кожух, в котором создается вакуум. Когда металл расплавляется, кожух поворачивается, и расплав прямо из печи через носик или желоб переливается в форму.
6.4.Литниковая система
Литниковая система (рис. 6.7) представляет собой совокупность каналов и резервуаров, через которые жидкий металл заполняет полость литейной формы, соответствующей отливке. Она состоит из литниковой чаши 1, стояка 2, шлакоуловителя 3 (распределительного канала) и литников-питателей 4.
Рис. 6.7. С хем а литниковой системы
Литниковая чаша предназначена для принятия жидкого металла из ковша, первичного отделения крупных частиц шлака и поддержания постоянного уровня металла при заполнении формы (рис. 6.8, а). Применяется при литье чугуна и цветных сплавов, заливаемых из поворотных ковшей. Для эффективного отделения шлаковых включений в чашах устанавливаются перегородки (рис. 6.8, б). С этой же целью, а также для обеспечения спокойного заполнения формы применяются мерные чаши (рис. 6.8, в) со стопорным устройством (пробкой). Объем такой чаши соответствует объему литейной формы.
Рис. 6.8. Элементы литниковы х систем
163
В воронках отделение шлака не происходит, металл в них охлаждается в меньшей степени, чем в чашах, а это имеет большое значение для стального литья (рис. 6.8, г). При литье стали, заливаемой из стопорного ковша, применяются литниковые воронки.
Стояк (рис. 6.8, д) предназначается для передачи металла из литниковой чаши или воронки в нижние части формы. Стояки в большинстве случаев имеют круглое сечение и небольшую конусность.
На крупных отливках массой в сотни килограммов диаметр стояка доходит до 40 мм. Поскольку вероятность захвата поверхностных оксидов в глубь потока тем выше, чем больше число Рейнольдса, при заливке сплавов, склонных к пленообразованию (например, хромистых, алюминиевых и др.), стараются снизить эту величину в стояке, где особенно велика линейная скорость движения расплава. Поэтому иногда используют стояки не круглого, а прямоугольного сечения. В этом случае при одинаковой площади поперечного сечения уменьшается эквивалентный диаметр стояка.
Например, если круглый стояк диаметром d = 15 мм заменить на прямоугольный с размерами axb, при Ь = 2аи той же площади, то из равенства
площадей F=mf/4=ab=2a2 получаем, что а = |
|
|
||
Эквивалентный |
диаметр |
прямоугольного |
сечения |
составляет |
^экв = 4F!р [р = 2(а |
+ 2d) = 6а |
- периметр сечения]. Таким образом, |
||
^экв = 4 2а2/6а = 4а/3 = (2d70,5zr)/3 = (2*15л/0,5тгУз = 12,5 мм .Снижение величи ны эквивалентного диаметра обусловливает уменьшение числа Рейнольдса в 1,2 раза.
Подобный же результат достигается использованием не одного, а нескольких стояков, работающих на один шлакоуловитель (так называемый наборный стояк). Применение наклонного стояка или стояка с несколькими поворотами (стояк «Змейка») позволяет увеличить общее гидравлическое сопротивление, т. е. получить меньшую величину коэффициента скорости и соответственно меньшую линейную скорость. Как правило, они располагаются вертикально в верхней части формы. При литье цветных сплавов в металлическую форму иногда применяются зигзагообразные стояки (рис. 6.8, е). В основании стояка имеется чашечка - зумпф, гасящая удар струи и препятствующая размыванию формы.
Распределительный канал предназначен для направления жидкого металла к нескольким отливкам, помещенным в одной форме, или к различным узлам одной крупной отливки. Кроме того, в нем происходит отделение шлаковых частиц. При литье чугуна этот элемент часто называют шлакоуловителем, цветных сплавов - коллектором. Распределительный канал размещается горизонтально по разъему форм, обычно в верхней полуформе. Его сечение чаще всего имеет форму трапеции.
Инородная частица (шлаковые или другие включения) в расплаве, текущем в шлакоуловителе, характеризуется двумя линейными скоростями. В горизонтальном направлении ее скорость равна скорости потока Vi (рис. 6.9).
Рис. 6.9. Д виж ение инородной частицы в потоке расплава в ш лакоуловителе
Если принять, что в вертикальном направлении движение частицы
подчиняется закону Стокса, то скорость такого движения равна |
|
|
|
V2 = 2г (</м- rfoK-л)g/9rj. |
(6.7) |
При радиусе частицы г = 10’4 м, плотности расплава dM= 7000 кг/м3, |
||
плотности включения |
= 2500 кг/м3, вязкости расплава rj = |
5-10'3 Па с |
скорость достигает величины V2 = 20 мм/с. |
|
|
Шлакоуловитель должен иметь достаточно большие длину и высоту, чтобы в ходе течения расплава от стояка до первого питателя (литника) со скоростью Vi неметаллическая частица имела возможность подняться достаточно высоко и поэтому не быть затянутой потоком расплава в питатель. Если скорость потока равна, например, V\ = 0,5 м/с, при длине участка шлакоуловителя L = 0,5 м этот путь будет пройден за время г= UV\ = 1с. В течение 1 с частица переместится в вертикальном направлении на расстояние h = V2T = 20 мм. Поэтому высота шлакоуловителя должна быть не меньше этой величины. Чтобы обеспечить наиболее полное удаление шлаковых включений, необходимо иметь длину шлакоуловителя как можно больше, а скорость потока расплава в нем как можно меньше. Это приводит к увеличению времени, необходимого для поднятия даже мелких включений в верхнюю часть сечения этого канала. Однако размеры шлакоуловителя ограничены техническими и экономическими условиями.
Практикой выработаны определенные соотношения размеров шлакоуловителей в зависимости от типа сплава, массы отливки, условий заливки. Шлакоуловителю обычно придают трапециевидное сечение, высота которого составляет 20-80 мм, нижнее основание 20-60 мм.
Для более надежного удержания загрязненного расплава в шлакоуловителе иногда устраивают специальные карманы 1 (рис. 6.10), нередко устанавливают фильтрующие сетки 2 (керамические для стали, чугуна, бронз; стальные для алюминиевых, магниевых сплавов), действие которых проявляется двояким образом. С одной стороны, они фильтруют расплав и удерживают на входной стороне частицы, размеры которых больше размеров