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
где G - масса отливки; р - плотность металла; т- время заполнения формы, определяемое из технологических соображений; m и п - коэффициенты.
Скорость течения в шлакоуловителе должна быть такой, чтобы поток металла не мог увлечь за собой частицы, уже всплывшие в его верхнюю часть. Это становится возможным, если скорость потока не превосходит некоторую предельную величину. В гидротехнических исследованиях установлено, что если скорость потока воды, текущей по ложу из мелкого песка, не превосходит 35 см/с, песок не будет размываться. Исследования Б. В. Рабиновича показали, что для шлаковых частиц диаметром dm\n = 1 мм в потоке из жидкого чугуна критическая скорость, не могущая их извлечь из пристеночного слоя, составляет 40 см/с. Обозначим эту критическую скорость через Кш. кр. Тогда соотношение размеров сечений шлакоуловителя и литника, соответствующее
условиям задержания шлаковых частиц, определится равенством |
|
||
К |
I/ |
|
|
G /6 |
|
(6.51) |
|
F„ |
p m - n - VmKp |
|
|
|
|
||
Примем: VmK|, = 40 см/с; для жидкого чугуна р |
= 0,0068 кг/см3; п =1,35 и |
||
m = 2,0. Тогда |
G УI |
|
|
£ш |
I/ |
(6.52) |
|
1,0-С'6, |
|||
К 0,0068 |
1,35-2,0-40 |
|
|
где G - масса отливки, кг. |
|
|
|
Полагая, что в выражении (6.48) правая и левая части равны друг другу, и |
|||
решая его относительно длины, получим |
|
|
|
LJU_ = |
_^,uçp ______ |
(6.53) |
|
*M 5 ^ ^ ^ 4 ..-P-Vmxr
Примем: dm\n= 1/до; д, = 6,8 г/см3; рш= 2,3 r/cMJ; Р = 0,2; Уш.кр=40 см/с.
Тогда
HI _ |
|
40 |
|
г = 32 |
(6.54) |
h |
|
(i о _ 9 ^ |
J |
||
U 5f981 |
|
|
|||
|
- — |
0,1 - 0,2 • 40 |
|
||
|
|
6,8 |
|
|
|
Таким образом, длина шлакоуловителя, на котором частицы диаметром больше 1 мм могут задерживаться, должна быть не меньше 32 высот.
Выражения (6.52) и (6.54) позволяют ориентировочно определить размеры шлакоуловителей. Практически применяемые размеры этого элемента имеют тот же порядок величин.
6.9.Конструкция литниковой системы для создания условии задержания неметаллических частиц
Наряду с выбором необходимых размеров шлакоуловителя условием задержания частиц является полное заполнение каналов литниковой системы. Литниковые системы, соответствующие этому требованию, называются
запертыми (рис. 6.21, б и в). Если в каналах литниковой системы образуется свободная поверхность, шлаковые частицы будут транспортироваться по ней в полость формы. Литниковая система, в которой образуется свободная поверхность, называется незапертой (рис. 6.21, а).
подводом литниковых систем
Считается, что для получения запертой литниковой системы необходимо, чтобы каждый последующий элемент имел сечение меньше предыдущего. Более надежно это условие может быть выполнено путем установки на пути жидкого металла порога, обеспечивающего заполнение распределительного канала снизу (рис. 6.21, в).
При литье из легких цветных сплавов, в которых всплывание неметаллических частиц не происходит, основным требованием к литниковой системе является спокойный ввод металла в полость формы. Многие из компонентов (Al, Zn, Si и др.) этих сплавов легко окисляются; их интенсивное перемешивание усиливает окисление. Для обеспечения спокойного заполнения рекомендуется применение незапертых литниковых систем и расширение сечений их элементов от стояка к отливке.
При литье из стали заливка форм производится, как правило, из стопорного ковша. В этом случае шлаковые частицы легко отделяются от металла и не попадают в литниковую систему.
В табл. 6.11 представлены соотношения площадей сечения элементов литниковых систем, рекомендуемые для различных сплавов.
Таблица 6.11
Отношение площадей сечения элементов литниковых систем
______________ для различных сплавов__________ ______________
Сплав |
Литник |
Шлакоуловитель |
Стояк |
|
Серый чугун |
1 |
и |
1,2 |
|
Сталь |
1 |
1,1-1,2 |
1 |
|
Цветные сплавы, не |
1 |
0,8-1,5 |
1 |
|
склонные к окислению |
||||
|
|
|
||
Цветные сплавы, |
1 |
2-4 |
1 |
|
|
склонные к окислению
Кроме того, для отделения шлаковых частиц в литниковые системы встраивают специальные устройства. Основным принципом их работы является по возможности резкое снижение скорости потока жидкого металла на ограниченном участке, дающее возможность неметаллическим включениям всплыть и задержаться. Схемы специальных шлакоуловителей приведены на рис. 6.22.
Тормозящие и «поворотные» литниковые системы (рис. 6.22, а) разработаны В. И. Фундатором. Оми представляют собой серию поворотов под углом 90° в распределительном канале с переходом элементов, следующих один за другим из верхней полуформы в нижнюю, и наоборот. Такие повороты являются средством резкого замедления скорости потока.
Рис. 6.22. Схемы специальны х ш лакоуловителей: а - тормозящ ие элементы ; ô - дроссель; в - фильтрующ ая сетка
Дроссельная литниковая система (рис. 6.22, б), разработанная Б. В. Рабиновичем, позволяет осуществить торможение потока на небольшом участке, представляющем собой узкую вертикальную щель, следующую за местным расширением канала. Для площадей элементов дроссельной литниковой системы (стояк - дроссель - шлакоуловитель - литник) рекомендуется следующее соотношение: F CT / F ,ip / F m;l / F im = 1,8/1/1,6/1,04.
Сетки, имеющие форму диафрагм с 3-10 отверстиями, диаметром 5-12 мм устанавливаются на пути потока металла. Такие сетки (рис. 6.22, в) не должны рассматриваться как обычные фильтры, так как размеры их отверстий много больше, чем обычные шлаковые частицы.
В отливках из легких сплавов отделение неметаллических частиц производят до заливки формы. Одним из наиболее надежных средств их отделения является фильтрация сплава при пропускании через слой размельченных материалов с размером частиц порядка 1 мм. В качестве материалов фильтра применяют магнезит и соли галогенов. Фильтрация происходит не столько за счет удерживания крупных частиц при прохождении расплава через каналы малых размеров, сколько за счет прилипания частиц окислов к материалам из фильтра.
Сужающиеся и расширяющиеся литниковые системы. Литниковые системы делятся на два типа - сужающиеся и расширяющиеся (рис. 6.23). В
сужающихся системах площади поперечного сечения каналов, по которым последовательно течет расплав, уменьшаются. Таким образом, в сужающихся системах имеет место следующее соотношение площадей поперечных сечений стояка, шлакоуловителя и суммы сечений питателей (литников):
^ , > ^ > 1 ^ - |
(6-55) |
В расширяющихся системах соблюдается обратное соотношение |
|
площадей поперечных сечений каналов: |
|
Fa <Fut<'£F„,. |
(6.56) |
Рис. 6.23. Сужающаяся (а) и расширяющаяся (б) литниковые
системы: ci —fç\ ^./пи -> ТцПГ, о — |
27пит |
Всужающихся системах обеспечивается обязательное заполнение всех каналов первыми потоками расплава (запертые литниковые системы). Поэтому
ссамого начала заполнения действует полный гидростатический напор Я, создающий большую линейную скорость расплава, вытекающего из литников в полость формы.
Врасширяющихся системах шлакоуловитель не может заполниться первым потоком расплава, поскольку имеет большую площадь поперечного сечения, чем стояк. Поэтому вытекание расплава происходит с небольшой линейной скоростью, создаваемой малым напором h в шлакоуловителе. Через некоторое время в расширяющейся системе может действовать полный напор Я. Это произойдет, когда уровень расплава в полости формы поднимется выше литников. Однако вытекание расплава с возникшей большой скоростью будет происходить под зеркало в полости формы так, что разбрызгивание и захват воздуха исключены. Для успешной работы расширяющихся литниковых систем очень важным является организация наполнения шлакоуловителя в начале заливки. В противном случае может происходить перемерзание расплава вследствие вытекания его из литников с очень малой линейной скоростью. Для достижения этой цели высоту литников делают небольшой (5-15 мм). В этом случае расплав может затечь в литник, только если его уровень в
шлакоуловителе превысит определенную величину Л, при которой