Повышение качества отливок при литье направленным затвердеванием Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

78

/л ггттт гт гсягшетттгс

/ 2 (34). 2085-

ИТЕИН0Е1 ПРОИЗВОДСТВО

New construction of gating system increasing the quality of castings at founding by directional hardening is worked out.

Е. И. МАРУКОВИЧ, В. Ю. СТЕЦЕНКО, ИТМ HAH Беларуси

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ОТЛИВОК ПРИ ЛИТЬЕ НАПРАВЛЕННЫМ ЗАТВЕРДЕВАНИЕМ

УДК 621.746.628.4

Гидродинамика заполнения литейных форм оказывает существенное влияние на качество полученных отливок. При литье направленным затвердеванием подача жидкого металла в кристаллизатор 1 из литейного ковша 2 происходит посредством сифонной литниковой системы. Она состоит из литниковой чаши 3, дросселя 4, металлопровода 5 и соединительного стакана 6

(рис. 1). При литье направленным затвердеванием применяют дроссель открытого типа. Известно, что струя расплава, попадая в литейную чашу, инжектирует в нее неметаллические частицы и воздушные пузыри [1]. Попадая в литейную форму, они захватываются фронтом кристаллизации, что приводит к браку отливок по неметаллическим включениям и газовым раковинам. Кроме

Рис. 1. Процесс заполнения кристаллизатора посредством сифонной литниковой системы с открытым дросселем: 1 — кристаллизатор; 2 - литейный ковш; 3 - литниковая чаша; 4 - дроссель; 5 - металлопровод; 6 - соединительный стакан; 7 -

воздушные пузыри; 8 — неметаллические частицы

ГГГТТгП ГГ Г^^ГГГЛЛЛГГГТГГТ

-2 0«. 2005

/79

того, струя расплава оказывает дополнительное гидродинамическое напорное воздействие на процесс перетекания жидкого металла из литниковой чаши в форму, что при определенных условиях увеличивает в ней колебание уровня. Это приводит к браку отливок по неспаям и нарушению стабильности процесса литья.

При литье направленным затвердеванием для получения равнотолщинных по высоте отливок необходимо относительно быстрое заполнение кристаллизатора расплавом. Поэтому его уровень в литниковой чаше поддерживают максимально высоким, соответствующим заданному уровню 1—1 жидкого металла в кристаллизаторе (рис. 1).

Струя жидкого металла из литейного ковша на уровне 1—1 имеет в соответствии с уравнением

Торичелли скорость сос, равную:

сос=д/2^, (1)

где Ас — высота падения струи; g - ускорение силы тяжести.

Средняя площадь сечения струи равна:

V

Sr

со„т

'с 13

(2)

где Уотл - объем отливки; т3— время заполнения кристаллизатора от уровня 0~0 - падения в нем расплава после извлечения отливки до равновесного уровня Ар (рис. 1).

Объем отливки определяется по уравнению:

У0ТЛ=Ц4Ок^-¥)Н0ТП,

(3)

где £>

внутренний диаметр кристаллизатора;

(4)

£ - средняя толщина отливки; Нотл - высота отливки.

Из уравнения (2), учитывая (3), получаем:

к(4РЛ-¥)Нотл 4т3 Т^Г

При литье направленным затвердеванием для отливки диаметром 0,12 м ее высота и толщина стенки в среднем составляют 0,27 и 0,013 м, при

этом т3=3 с, а Ас=0,2 м.

Подставляя эти значения в формулу (4),

получаем 5С=210~4. Будем считать, что струя

расплава из ковша цилиндрическая. Тогда ее диаметр Ос составит 0,016 м. Заполнение литниковой чаши происходит по законам распространения затопленной турбулентной струи. Участок

длиной ¿0, на котором скорость сос остается

постоянной, равен 7£>с [1]. При литье отливок диаметром 120 мм в соответствии с указанными

выше расчетными данными ¿0=0,11 м. Учитывая, что высота уровня металла в литниковой чаше Ач в среднем составляет 0,1 м, можно утверждать, что струя расплава при ее центральной симметричной подаче в литниковую чашу попадает в

металлопровод с максимальной скоростью сос. В данном случае она равна 2 м/с . Для неметаллических частиц и воздушных пузырей размером более 1 мм и плотностью р2 скорость их всплы-вания в железных сплавах определяется как [2]:

œ.=UW

(pi-Р2) Pi

(5)

где рх — плотность расплава.

Из уравнений (1) и (5) следует, что максимальные размеры неметаллических частиц и газовых пузырей, инжектируемых в металлопровод и кристаллизатор, рассчитываются по уравнению:

l,5AcPi

Р1-Р2

(6)

При Ас =0,2м и р2 =3000 кг/м3 и р! =7000 кг/

м3 ^тах неметаллических частиц составляет

0,5 м, а ¿/тах воздушных пузырей - 0,3 м. Это означает, что при литье направленным затвердеванием открытый дроссель не препятствует проникновению неметаллических включений и воздушных пузырей в кристаллизатор при его заполнении расплавом. Это значительно ухудшает качество отливок.

Для предотвращения этого негативного процесса разработан дроссель закрытого типа (рис. 2) [3]. Его конструкция позволяет гасить энергию струи из литейного ковша, что уменьшает ее динамическое воздействие на расплав в кристаллизаторе. Инжектированные в жидкий металл литниковой чаши 1 неметаллические частицы 2 и газовые пузыри 3, отражаются от крыши дросселя 4 ив восходящем потоке всплывают к уровню 1—1 (поверхности) жидкого металла, не попадая в металлопровод 5.

Таким образом, дроссель закрытого типа полностью предотвращает попадание пузырей воздуха и неметаллических частиц в кристаллизатор при его заполнении расплавом из литейного ковша. Это значительно повышает качество получаемых заготовок.

Качество отливок при литье направленным затвердеванием определяется не только конструкцией дросселя, но и оптимальными параметрами литниковой системы, влияющими на колебания уровня металла в кристаллизаторе. Его заполнение происходит с напором Ар~А, где А - высота подъема уровня в кристаллизаторе относительно 0—0 при перетекании жидкого металла. Тогда в соответствии со вторым законом Ньютона

р I 2 С

2 04).

где Д/*п — потери напора при перетекании расплава из литниковой чаши в кристаллизатор.

Если ь" >0, то движения уровня расплава в кристаллизаторе будут носить нестационарный, колебательный характер.

При Ар-А = ДА заполнение кристаллизатора

будет идти без колебания, в установившемся режиме при переменном напоре.

При литье направленным затвердеванием площади внутренних сечений соединительного стакана

и металлопровода равны (£ст = £м). Тогда потери напора при перетекании расплава из литниковой чаши в кристаллизатор можно выразить [4]:

(он=\1^28{кР-к)9 (11)

где Ц — коэффициент расхода литниковой системы.

Выражение (11) справедливо, если в формуле

(10) величина

1-

Следовательно, отсутствие колебания уровня расплава в кристаллизаторе определяется услови-

ем т; 7 0 , т. е. 5М « £к. На практике это условие

Ч'-Ч'-Г

О)

Цд (Цд-ОЧ.У

Ч 2g

^Ътр л ттэп

, К,-00»*)2

(8)

2£

где £д — площадь внутреннего сечения дросселя;

£ч - площадь зеркала расплава в литниковой чаше;

сод - средняя скорость потока на выходе из

дросселя; сом — средняя скорость расплава в метал-

лопроводе; ^ - коэффициент сопротивления при трении потока о стенки металлопровода;

^тр где ^ Д™на металлопрово-

да и соединительного стакана; £>м - внутренний диаметр металлопровода; ^пов - коэффициент сопротивления при повороте потока на 90° равен 1,1 [2]; п — число поворотов равно 2.

Для любого сечения потока литниковой системы справедливы следующие уравнения неразрывности:

«А сок^к=сом^м. (9)

Подставив сОд и сокиз уравнения (9) в

уравнение (8) с учетом определенных выше параметров, получим:

выполняется, если внутренний диаметр кристаллизатора Ик будет больше 0,12 м при внутреннем диаметре металлопровода £>м=0,04 м, т. е. когда 5К > 105м . При литье направленным затвердеванием обычно принимают £к = и £=0,8 м. В соответствии с этими условиями уравнение (Ю) примет вид:

\2

ДА =

2,6

-2

+ 5

(12)

Л* Л

0,5

5,

V,

+и

Л

+

4

+ 0,04-+ 2,2 +

А.

5 V

1- —

(Ю)

В гидродинамических расчетах литниковых систем для установившегося потока с пере-

Рис. 2. Механизм действия закрытого дросселя: 1 — литниковая менным напором величину (0М определяют по чаша; 2 - металлопровод; 3 - дроссель; 4 - неметаллические формуле [2]: частицы; 5 — воздушные пузыри

V

/

ЛГГТТгГ^ [? ГСШМЛТГГТГЯ

-2 04). 2005

/81

Поскольку для отсутствия колебания уровня жидкого металла в кристаллизаторе необходимо

выполнение условия \ - к = Акп } то с учетом (11) и (12) получим:

1

2,6

-2

+ 5

(13)

Время заполнения кристаллизатора в режиме установившегося потока расплава с переменным напором рассчитывается по уравнению[2]:

=

М^л/^Г

(14)

Подставляя в (14) коэффициент расхода литниковой системы из уравнения (13), учитывая,

V

» _ »отл

ЧТО Пр ~ ^

получаем

Т, =

(15)

Это уравнение совместно с условием определяет основные оптимальные параметры литниковой системы. Минимальное время ее заполнения будет происходить при условии £м = £д:

(16)

_шт V11>2^отА

При литье направленным затвердеванием время заполнения кристаллизатора расплавом определяется техническими возможностями двухпози-ционной литейной машины и может превышать

хтт р этом сдучае будет меньше £м.

Таким образом, при литье направленным затвердеванием применение закрытого дросселя, установленного в литниковую чашу сифонной литниковой системы, значительно повышает качество получаемых заготовок.

Литература

1. Е ф и м о в В. А. Разливка и кристаллизация стали. М.: Металлургия, 1976.

2. Гуляев Б. Б. Теория литейных процессов Л. : Машиностроение, 1976.

3. Устройство для подачи металла в кристаллизатор: А. с. 1503986 СССР: МКИ В221Ц10).

4. Чу га ев Р. Р. Гидравлика Л.: Энергоиздат, 1982.

>

д

/