Экспертное руководство по проектированию литейных систем для литья металлов

Проектирование литейной системы

Конструкция литейной системы зависит как от состава металла, так и от типа формы. Например, для легко окисляемых металлов с низкой температурой плавления, таких как алюминий, требуется сложная схема литья, чтобы избежать образования шлака (оксидов). Для чугуна, напротив, выбирают короткий путь расплава, чтобы не повышать температуру литья. Проектирование для керамических форм существенно отличается от того, что применяется для пористых песчаных форм.

В общем случае конструкции литейных систем делят на три категории:

• вертикальное литье;
• нижнее литье;
• горизонтальное литье.

Вертикальное литье

Жидкий металл вливается вертикально, заполняя форму под атмосферным давлением у основания.

Нижнее литье

Расплав заполняет форму снизу вверх, что исключает брызги и окисление, характерные для вертикального литья. На рис. 2.6 показаны схемы простого вертикального и нижнего литья.

Горизонтальное литье

В систему добавляются горизонтальные участки для лучшего распределения расплава с минимальной турбулентностью.

Расчёт времени заполнения формы

Простые расчёты на основе уравнения Бернулли позволяют оценить время заполнения формы. Рассмотрим две схемы на рис. 2.6. Уравнение энергобаланса на единицу массы потока (уравнение Бернулли) между точками 1 и 3 при условиях p₁ = p₃, постоянном уровне 1 и нулевой скорости в точке 1 (v₁ = 0) без учёта трения даёт скорость струи, вытекающей против статического напора h, где эффективный напор равен (h_t – h).

Если за время dt уровень металла в форме поднимается на dh, а A_m и A_g — поперечные сечения формы и заливочной горловины соответственно, то получаем дифференциальное уравнение для определения времени наполнения.

Эффект аспирации

Для форм из пористых материалов (песок) необходимо, чтобы давление в потоке жидкого металла нигде не падало ниже атмосферного. Иначе газы, выделяющиеся при выгорании органических добавок в форме, втягиваются в расплав, образуя пористые отливки. Это явление называется эффектом аспирации.

Применение уравнения Бернулли между точками 2 и 3 (рис. 2.6а) показывает условие возникновения отрицательного давления. Другая опасная ситуация — резкое изменение направления потока. На рис. 2.9а видно, что струя сжимается вокруг острого угла из-за инерции (вена-контракта). В вертикальном литье это не связано с ускорением свободного падения.

Чтобы избежать вакуума в области вены-контракта, форму изготавливают по её профилю (рис. 2.9б), исключая резкое изменение направления. Если диаметр ствола d, а диаметр на входе d′, то соотношение d′/d ≈ 1,3, что соответствует радиусу скругления r ≈ 0,15d.

Элементы литейной системы для предотвращения примесей

Основные элементы, предотвращающие попадание примесей в отливку (см. рис. 2.10):

1. Заливная чаша — гасит эрозионную силу струи из печи и поддерживает постоянную заливную голову.
2. Сепаратор (стренер) — керамическая сетка в стволе задерживает шлак.
3. Сплэш-кор (ударопогаситель) — керамическая вставка внизу ствола, снижающая эрозию от падающей струи.
4. Ским-боб (ловушка) — установлена в горизонтальном заливочном канале для удержания тяжелых и легких примесей.

Влияние трения и распределения скоростей

Скорость расплава в стволе и заливочной горловине неравномерна по сечению: на стенках она нулевая, на оси — максимальная. Профиль скоростей зависит от формы канала и режима течения (ламинарное/турбулентное). Ранее мы пренебрегали трением, но в реальных жидкостях потери на трении всегда присутствуют, особенно при внезапных сужениях или расширениях сечения. Учёт неравномерности скоростей и трения позволяет уточнить полученные ранее уравнения.