Теория литейных процессов том1

101

помощью специальных дополнительных опор – жеребеек. При конструкции, изображенной на рис. 3.5, б, всплывание стержня произойдет, если архимедова сила, определяемая объемом выступов 1 на стержне, окажется больше массы всего стержня.

a) б)

Рис. 3.5. Конструкция литейной формы, при которой всплывание стержня в расплаве теоретически невозможно (а) и вероятно (б)

Законы гидродинамики

Закон постоянства расхода. Металлические расплавы обладают плотностью, не зависящей от давления. Поэтому при течении расплава по полностью заполненному каналу, площадь поперечного сечения которого переменна и составляет f1, f2, f3,…,fn, наблюдается постоянство объемного расхода q = v1f1 = v2f2 = v3f3=…= vnfn. Здесь v – средняя линейная скорость потока на участке канала с соответствующим сечением. Поскольку плотность расплава при всех условиях остается неизменной, то и массовый расход тоже постоянен.

Закон Бернулли. При движении жидкости в закрытом канале (рис. 3.6) в направлении от сечения 1 к сечению 2 происходят взаимные пе-

102

реходы кинетической и потенциальной энергий частиц жидкости. При этом в силу закона сохранения сумма обоих видов энергии остается постоянной.

Рис. 3.6. Схема, поясняющая закон Д. Бернулли

Потенциальная энергия определяется высотой Z над произвольно выбранным уровнем, где Z = 0, и давлением Р. Кинетическая энергия определяется линейной скоростью движения частиц v. Количественно закон постоянства энергии в рассматриваемом потоке выражается равенством

Это и есть уравнение Д. Бернулли, согласно которому сумма гео-

метрического Z, пьезометрического Pγ и скоростного ν2 2g напоров в

различных сечениях потока жидкости есть величина постоянная. Уравнение Д. Бернулли можно написать в единицах давления (Па,

атм и т. д.):

103

В приведенной форме уравнение Д. Бернулли характеризует поведение идеальной жидкости, имеющей нулевую вязкость и не испытывающей трения о стенки каналов. Для реальных ньютоновских жидкостей, какими являются металлические расплавы, при течении от сечения 1 к сечению 2 некоторая часть энергии будет потеряна. Поэтому в правой части уравнения вводится дополнительный член 1 – 2, выражающий эти потери:

Режимы движения жидкости

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 соотношением 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/ϑ, где v – линейная ско-

рость потока, d – диаметр канала круглого сечения, ϑ – кинематическая вязкость. Для канала некруглого сечения используется эквивалентный диаметр dэкв = 4Rгидр, равный четырем гидравлическим радиусам.

Гидравлический радиус есть отношение площади поперечного сечения потока жидкости к смоченному периметру. Например, если канал

104

имеет прямоугольную форму в поперечном сечении с размерами а и в и целиком заполнен потоком, то площадь поперечного сечения F = а в, смоченный периметр Р = 2(а + в), гидравлический радиус

Rгидр = F/Р = а в / 2(а + в).

Эквивалентный диаметр

dэкв = 2а в/(а + в).

Для канала квадратного сечения а = в; Rгидр = а/4; dэкв = а. Для цилиндрического канала гидравлический радиус

Rгидр = (πd 2 4)πd = d 4 ; dэкв = d.

Для равномерного движения потока в трубе критическое значение критерия Рейнольдса принимается равным 2300, т. е. течение сохраняется ламинарным при Re < 2300. При Re > 2300 течение становится турбулентным. При ускоренном движении критическое значение критерия Рейнольдса возрастает, при замедленном – уменьшается.

Тема 3.2. Заполнение литейных форм жидким металлом

Классификация способов заливки форм

Свободная заливка небольших порций металла (обычно до 1 т) – чугуна или цветных сплавов – производится из поворотных ковшей через носик (рис. 3.7, а). В случае образования большего количества шлака или иных загрязнений заливка может производиться через чайниковое устройство с забором металла из нижней части ковша (рис. 3.7, б). Большие количества металла, в особенности стали, заливаются из ковшей со стопорным устройством (рис. 3.7, в). Свободная заливка из пово-

105

ротных и стопорных ковшей является способом, преобладающим в литейном производстве.

Рис. 3.7. Классификация способов заливки

Для получения отливок, имеющих специфическую конфигурацию или малую толщину стенок, с целью облегчения заливки и механизации и автоматизации применяют принудительную заливку. Например, детали типа тел вращения (трубы, фасонные детали, кольца) заливают на центробежных машинах во вращающиеся формы (рис. 3.7, г). Металл в этом случае под действием центробежных сил заполняет форму лучше, чем в обычных условиях. Кроме того, в отливке легко получается осевое отверстие без применения внутренних стержней.

Сложные тонкостенные детали отливают под давлением (рис. 3.7, д). В камеру сжатия из печи или небольшого ковша заливается определенная порция сплава, откуда она под действием давления поршня впрыскивается в полость металлической пресс-формы.

106

При заливке под низким давлением форма помещается на крышку печи. Печь заключена в металлический кожух. При повышении давления в кожухе металл через металлопровод заливается в форму. Преимущества этого метода – отсутствие окисления металла, возможность регулирования процесса заполнения и автоматизации процесса (рис. 3.7, е).

Детали типа втулок из цветных сплавов изготовляются путем вакуумного всасывания расплава в специальную форму, нижний конец которой погружается в жидкий металл непосредственно в печи (рис. 3.7, ж).

При литье небольших порций тугоплавких сплавов (титановых, никелевых и др.) применяется свободная заливка без ковша. В этом случае печь и форма помещаются в кожух, в котором создается вакуум. Когда металл расплавляется, кожух поворачивается и металл прямо из печи через носик или желоб переливается в форму (рис. 3.7, з).

Расчет истечения металла из ковша

Скорость истечения жидкого металла V через небольшое круглое отверстие в дне сосуда описывается уравнением Торричелли

Коэффициент скорости ϕ учитывает потери напора на трение о края отверстия. Независимо от природы жидкости он имеет величину 0,97.

Скорость частиц жидкости, подходящих со всех направлений к отверстию, одинакова (рис. 3.8, а). Поскольку потоки жидкости встречаются на оси, траектории их движения искривляются и сечение струи по выходе из отверстия сжимается. На некотором расстоянии от отверстия

107

траектории выпрямляются и струя приобретает практически цилиндрическую форму.

Рис. 3.8. Схемы свободных струй: а – спокойное истечение из отверстия в дне; б – возмущенное истечение в виде факела; в – истечение

через стаканчик; г – истечение через носик

Расход металла при истечении, т. е. объем Q вытекающего из отверстия расплава в единицу времени, получается умножением скорости струи на фактическую площадь ее сечения:

равный произведению коэффициента скорости ϕ на коэффициент сжа-

тия сечения струи α:

μ = ϕ α = 0,60 - 0,65 (для всех жидкостей и расплавленных металлов) (3.13)

При затрудненном подходе и искажениях профиля отверстия струя может разрушаться сразу же по выходе из него, превращаясь в факел, состоящий из отдельных потоков и капель (рис. 3.8, б).

При истечении через стаканчик большей длины по сравнению с диаметром в начальном участке струя отрывается от его стенок и обра-

108

зует вихревую зону. Скругление места входа в стаканчик уменьшает вихреобразование. На некотором расстоянии от вихревой зоны струя расширяется и течет потоком, заполняющим все сечение стаканчика

(рис. 3.8, в).

При истечении через носик (рис. 3.8, г) роль гидростатического напора Н играет расстояние от нижней точки носика до поверхности зеркала жидкого металла в ковше. Расход металла из поворотного ковша зависит от углубления канала в носике, скорости поворота и площади поверхности (зеркала) металла в ковше.

Струя металла, срывающаяся с носика, описывает в воздухе параболическую траекторию

где х и у – соответственно координаты точки по горизонтальному и вертикальному направлениям, отсчитываемые от места срыва струи; V – горизонтальная скорость струи в месте срыва.

При истечении металла из ковша со стопорным устройством через отверстие в дне по мере его опорожнения гидростатический напор Н будет уменьшаться, а скорость истечения замедляться.

Для ковша с площадью зеркала металла F и высотой Н в некоторый момент времени τ, когда уровень будет равен h, можно написать, что элементарный расход металла равен

109

где τ1 – полное время опорожнения ковша.

Когда истечение жидкости из емкости (ковша или литниковой чаши) происходит при непрерывной добавке жидкого металла, поддерживающей его уровень постоянным, то время истечения τ2 из полного объема емкости сечением F и высотой Н можно определить следующим образом:

Следовательно, время истечения одного и того же объема металла при постоянном его уровне вдвое меньше, чем при переменном уровне.

При заливке из стопорного ковша расход металла задается параметрами литейной формы и должен быть назначен таким образом, чтобы обеспечить требуемое качество отливки. Площадь сечения стаканчика, через который вытекает металл, будет равна

где d – диаметр стаканчика;

β − коэффициент торможения.

Установлено, что при β < 0,5 струя, как правило, вытекает из стаканчика в виде факела. При этом металл разбрызгивается, окисляется, и процессом заливки трудно управлять. Для получения ровной компактной струи желательно, чтобы β ≥ 0,8.

В процессе разливки происходит размывание стаканчика. Однако по мере вытекания металла и увеличения площади отверстия стаканчика уменьшается гидростатический напор. Эти процессы компенсируют друг друга. Наибольшие трудности возникают в начале заливки, когда уровень металла максимальный, площадь стаканчика еще не изменилась и приходится давать максимальное торможение, чтобы обеспечить заданный расход металла