» » Литниковая система. Течение расплава в каналах литниковой системы
22.04.2015

При получении фасонных отливок литейную форму, как правило, заполняют расплавом через специальные каналы, называемые литниковой системой. В общем случае литниковая система состоит из литниковой чаши 1, стояка 2, шлаковика-коллектора 3, литников 4 и шлаковыпоров 5 (рис. 11). Литники — это каналы, непосредственно примыкающие к отливке 6; их часто называют питателями. Однако термином «питание» в литейном производстве обозначают процесс заполнения усадочных раковин и пор в отливке, возникающих при затвердевании Для этого служат специальные полости — прибыли. Поэтому правильнее называть каналы, через которые металл поступает непосредственно в форму, литниками.
Литниковая система необходима для того, чтобы обеспечить спокойное, без вспенивания и разбрызгивания поступление металла в форму, не допускать в форму частиц оксидов, флюсов, шлака, создать такие тепловые условия в форме, при которых в процессе затвердевания отливки в ней не возникали бы усадочные раковины, рыхлоты, пористость.
Литниковая система. Течение расплава в каналах литниковой системы

Литниковая чаша. Первая струя металла непосредственно из ковша поступает в чашу. Этот металл наиболее загрязнен оксидами, шлаком, флюсами. При попадании в чашу скоростной напор в металле гасится, и заполнение формы происходит уже под напором, определяемым уровнем металла в чаше, а не под действием всей высоты струи, начиная от ковша. Чашу следует заполнить в первый же момент заливки и держать полной до конца заполнения формы Струю металла не направляют в отверстие стояка, льют всегда в противоположный конец чаши. Благодаря этому металл дольше находится в чаше, и за это время частицы загрязнений могут всплыть на поверхность.
В тех случаях, когда нет необходимости тщательно очищать расплав или нежелательно снижать его температуру, применяют не чашу, а воронку — расширение в верхней части стояка.
Стояк. Из чаши металл попадает в стояк — вертикальный канал чаще всего круглогосечения.
Обычно ради удобства формовки стояки делают суженными книзу.
Очень важным является вопрос заполнения стояка на выходе из чаши. Если выходное отверстие в чаше меньше, чем примыкающее сечение стояка, то струя металла будет свободно падать вниз и стояк будет заполняться по мере подъема уровня расплава. При частичном заполнении стояка линейная скорость истечения металла из него в полость формы будет малой.
Однако в самом стояке может происходить захват воздуха, разбрызгивание и окисление струи расплава.
Если стояк заполнен целиком, окисление металла непосредственно в этом канале значительно уменьшается Однако в шлаковик из стояка расплав попадает с большой линейной скоростью, которая определяется высотой столба металла от нижнего сечения стояка до уровня металла в чаше. Это вызывает значительное перемешивание и окисление металла в шлаковике. Особенно опасен в этих условиях начальный этап заполнения Первый поток металла, попавший в заполненный стояк, движется с большой скоростью Увеличение скорости первого потока металла является результатом своеобразного гидравлического удара в момент заполнения суживающегося канала, вызывающего резкий выброс металла в шлаковик.
Шлаковик. Этот канал называют также коллектором Основное назначение шлаковика — задерживать частицы шлака, флюса, футеровки, пленки окислов и других взвешенных включений, которыми загрязнен расплав. При достаточно малой скорости потока расплава загрязнения, как более легкие, постепенно всплывают и скапливаются вверху. Расплав в нижней части шлаковика оказывается свободным от загрязнений, и именно отсюда он отводится в литники и далее в отливку. Следовательно, в шлаковике расплав должен течь как можно медленнее, поэтому сечение шлаковика должно быть достаточно большим. Необходимо, чтобы высота шлаковика была такой, чтобы задержанные загрязнения занимали лишь верхнюю часть его, а внизу находился чистый расплав. Для более надежного удержания шлака устанавливают так называемые шлаковыпоры (5 на рис. 11). Их обычно располагают в глухих торцах шлаковика. Иногда шлаковыпоры устанавливают над входом литника в шлаковик. Большая высота, создаваемая шлаковыпором, дает возможность отвести загрязнения дальше от входа в литник.
Литниковая система. Течение расплава в каналах литниковой системы

Чтобы в шлаковике надежно задерживались инородные частицы, необходима возможно меньшая линейная скорость движения расплава. Это наглядно видно на рис 12. Пусть инородная частица оказалась на самом дне шлаковика 2 под стояком 1. Расстояние до входа в литник 3 равно х, высота шлаковика h. Скорость всплывания частицы v2 есть величина постоянная для данного металла, размера и формы частицы. Скорость потока v1 можно менять, изменяя величину и форму чаши, стояка, шлаковика и литников. Очевидно, частица, двигаясь в потоке, пройдет расстояние х за время т = x/v1. За это же время частица всплывает вверх на расстояние у = v2т = xv2/v1. Чем больше y, тем выше окажется частица над литником, тем меньше вероятность, что ее занесет потоком металла в литник и далее в отливку. Величина yтем больше, чем меньше v1 и больше v2. Следовательно, снижение скорости потока — уменьшение v2 — обеспечивает лучшее отделение загрязнений. Увеличение х — расстояния вдоль шлаковика до входа в литник — влияет так же. Однако слишком сильно увеличивать х нецелесообразно; когда y станет равным h, т. е. когда частица окончательно всплывет, дальнейшее увеличение х уже не будет улучшать условий отшлакования. Расчетное определение соотношения h и х почти невозможно, так как имеется слишком много неизвестных величин (размеры и форма инородных частиц и закономерности их движения в расплаве). Поэтому на практике пользуются опытными данными и справочными материалами. Однако проделанный простейший анализ показал, что литник не должен находиться непосредственно под стояком. Только когда литник расположен на некотором расстоянии от стояка, возможно всплывание и удержание инородных частиц.
Поскольку в шлаковике желательна наименьшая скорость потока, он не должен сразу заполняться первыми потоками расплава. Если шлаковик заполняется сразу, то скорость в нем определяется большим напором, зависящим от степени заполнения стояка и чаши. Если же шлаковик не заполняется первыми потоками расплава, линейная скорость течения в нем оказывается значительно меньшей. Чтобы обеспечить незаполнение стояка на первых порах, обычно площадь поперечного сечения шлаковика делают значительно больше, чем площадь поперечного сечения стояка.
Для удержания взвешенных в металле частиц в литниковой системе иногда устанавливают фильтрующие сетки. Чаще всего сетки размещают в шлаковике. Размер отверстий в сетках составляет 0,5—3 мм. Действие таких сеток весьма своеобразно. Они задерживают взвешенные частицы не только механически. Сетки действуют как гидравлические сопротивления-диафрагмы, создающие после себя в потоке зону вихрей. Эти вихри возникают из-за турбулентного характера течения после сетки, создающего участки с пониженным давлением. Взвешенные частицы захватываются вихрями и удерживаются в них. Действие сеток в этом отношении подобно действию снегозащитных лесных полос или щитов вдоль дорог. Как известно, снег скапливается не перед полосой или щитами, а за ними по направлению ветра.
Литники. По литникам-питателям расплав поступает непосредственно в форму. Первые потоки металла, попадающие в литниковую систему, оказываются в наибольшей степени загрязненными оксидами, флюсом и шлаком. Это объясняется тем, что удержание инородных включений и в литниковой чаше, и в шлаковике возможно лишь после частичного их заполнения. Поэтому нельзя допустить, чтобы первые потоки расплава сразу попали в литники и оттуда в форму. Это достигается, как уже отмечалось, незаполнением шлаковика в начале заливки и, кроме того, обеспечивается малой высотой литников, которым часто придают форму горизонтально расположенной щели. Из-за малой высоты литников расплав может затечь в них лишь после того, как высота расплава в шлаковике достигнет определенного уровня. Затеканию расплава в литники препятствуют поверхностные силы, поскольку расплав не смачивает литейную форму. Расчеты показывают, например что для затекания алюминиевого расплава, имеющего прочность поверхностного слоя 1000 мН/м, в щель толщиной 5 мм необходимо давление, создаваемое столбом расплава высотой 16 мм.
Линейная скорость движения расплава в литниках и особенно на выходе из них в полость формы во избежание разбрызгивания должна быть незначительной. Для этого поперечные сечения литников должны быть достаточно большими. Поскольку желательна небольшая высота литников, приходится увеличивать ширину их поперечного сечения. Именно по этой причине литники имеют форму узкой и широкой щели.
Как уже отмечалось, назначение литниковой системы состоит в том, чтобы обеспечить спокойное поступление расплава в отливку. Поэтому место подвода литников к отливке необходимо выбирать очень осмотрительно. Очевидно, наиболее спокойное поступление расплава будет наблюдаться, если литники подведены в самую нижнюю часть формы. В этом случае не будет свободно падающих струй в полости формы. Заполнение будет идти в результате постепенного повышения уровня расплава без разбрызгивания и захвата окисных пленок, образующихся на открытой поверхности расплава. Иногда такой способ заполнения формы называют «сифонным». Это определение неверно, так как в этом случае никакого сифона нет.
Необходимо иметь в виду, что литники оказывают очень большое действие на ход и характер затвердевания отливки. Участок отливки, к которому подведены литники, затвердевает медленнее, чем более удаленные ее части. Через литник протекает весь расплав, заполняющий форму. Из-за этого форма около литников разогревается и последующее охлаждение и затвердевание замедляются. Это обстоятельство вынуждает решать вопрос о месте подвода литников к отливке, учитывая не только спокойное заполнение, но и обеспечение нужного хода затвердевания отливки Из-за того, что подавляющее большинство технических сплавов при кристаллизации уменьшается в объеме, в отливках могут возникать пустоты усадочного происхождения. Они появляются в тех местах отливки, где затвердевание шло в последнюю очередь. Следовательно, местный разогрев формы, создаваемый литниками, может вызвать появление на этих участках усадочных пустот. Очевидно, что подвод литников в нижнюю часть отливки (по положению при заливке) обеспечивает наилучшие условия заполнения формы, но неблагоприятен для процесса затвердевания отливки. Последовательное и направленное затвердевание отливки без образования усадочных пустот наиболее легко достигается, если оно проходит снизу вверх. Поэтому подвод литников в верхнюю часть формы дает возможность создать наилучшие условия для получения плотной отливки, однако условия заполнения в этом случае будут совершенно неудовлетворительными. По этим причинам приходится искать компромиссные решения и подводить литники так, чтобы удовлетворить условиям, которые в каждом конкретном случае являются более важными.
В зависимости от соотношения площадей поперечных сечений каналов литниковые системы могут быть сужающимися или расширяющимися В сужающихся литниковых системах соблюдается следующее соотношение площадей поперечных сечений каналов. Fст≥Fщл≥ΣFлитн, где Fст, Fщл, ΣFлитн — площади поперечных сечений стояка, шлаковика и литников (одного или нескольких) соответственно (рис. 13). Сужающиеся системы заполняются первыми потоками расплава В этих системах линейная скорость истечения расплава из литников определяется напором, измеряемым разностью высот от уровня расплава в чаше до литников. В расширяющихся литниковых системах соблюдается обратное соотношение площадей поперечных сечений каналов — Fст≤Fщл≤ΣFлитн (рис. 13, б).
Литниковая система. Течение расплава в каналах литниковой системы

Основное достоинство расширяющихся литниковых систем состоит в том, что в первые моменты заливки расплав из литников вытекает в полость литейной формы с малой линейной скоростью, определяемой уровнем расплава в незаполненном шлаковике. Сужающиеся литниковые системы раньше широко применялись для чугунного литья. Когда началось освоение фасонного литья из алюминиевых сплавов, оказалось, что строить литниковые системы по аналогии с системами для чугунного литья совершенно невозможно из-за интенсивного окисления и захвата окисных пленок. Поэтому были разработаны иные принципы создания литниковых систем — с расширяющимися каналами. В настоящее время во всех случаях для отливок из алюминиевых, магниевых и медных сплавов применяют расширяющиеся литниковые системы. В последнее время такие системы успешно используют для ответственного чугунного литья.
Размеры каналов литниковых систем определяют путем расчетов. В расчетных формулах имеется ряд эмпирических коэффициентов, поскольку невозможно полностью описать движение расплава при заполнении литейной формы строгими аналитическими формулами. Расчетные формулы основаны на уравнении. Бернулли и условии постоянства расхода.