Теория литейных процессов том1

121

где ΔΤ − падение температуры за время τ; Твып и Тков – температуры металла соответственно при выпуске и внутренней поверхности ковша перед выпуском; G – масса металла в ковше, т.

Таблица 3.3

Влияние толщины слоя шлака в ковше на скорость охлаждения (6 т стали в ковше за 20 мин после выпуска)

Толщина слоя шлака	100	200	300
в ковше, мм
Скорость охлаждения	3	1,5	0,5
стали, град/мин

Тема 3.3. Проектирование литниковых систем и их классификация

Элементы и классификация литниковых систем

Расплав из ковша или печи заполняет литейную форму через литниковую систему. Литниковая система представляет собой совокупность каналов и резервуаров, через которые жидкий металл заполняет полость формы, соответствующую отливке. В общем случае литниковая система (рис. 3.13) состоит из литниковой чаши 1, стояка 2, распределительного канала, или шлакоуловителя 3, и литников, или питателей 4.

Литниковая чаша (рис. 3.14, а) предназначена для принятия струи металла из ковша, гашения ее энергии, первичного отделения крупных частиц шлака и поддержания постоянного уровня металла при заполнении формы. Применяется она при литье чугуна и цветных сплавов, заливаемых из поворотных ковшей. Для облегчения отделения шлака в чашах устанавливаются перегородки (рис. 3.14, б). С этой же целью, а

122

также для обеспечения спокойного заполнения формы применяются мерные чаши (рис. 3.14, в). Объем такой чаши должен быть равен объему полости формы. Когда мерная чаша заполнена, стопор удаляется и металл перетекает в форму.

Рис. 3.13. Схема литниковой системы

При литье стали, заливаемой из стопорного ковша, применяются литниковые воронки (рис. 3.14, г). В воронках отделение шлака не происходит. Металл в них охлаждается меньше, чем в чашах, а это имеет большое значение при литье стали.

Рис. 3.14. Элементы литниковых систем

123

Стояк (рис. 3.14, д) предназначается для передачи жидкого металла из литниковой чаши или воронки в нижние части формы. Стояки имеют круглое сечение и небольшую конусность. Как правило, они располагаются вертикально. При литье из цветных сплавов в металлические формы иногда применяются зигзагообразные стояки (рис. 3.14, е).

В основании стояка имеется углубление - зумпф, гасящий гидродинамический удар струи и препятствующий размыванию формы.

Распределительный канал предназначается для направления жидкого металла к нескольким отливкам, помещаемым в одной форме, или к различным узлам одной крупной отливки. Кроме того, в нем происходит отделение шлаковых частиц. При литье чугуна этот элемент часто называют шлакоуловителем; цветных сплавов - коллектором. Распределительный канал размещается горизонтально по разъему формы, обычно в верхней полуформе. Его сечение чаще всего имеет форму трапеции.

Литники, или питатели, предназначаются для подвода металла от распределительного канала непосредственно в полость формы. Они имеют в сечении форму трапеции или щели. При литье тонкостенных крупногабаритных отливок применяются плоские литники-топорики (рис. 3.14, ж), имеющие большую площадь сечения и толщину, равную толщине отливки. При литье высоких чугунных отливок делают несколько вертикальных литников, присоединенных непосредственно к литниковой чаше или шлакоуловителю («дождевые» литники, рис. 3.14, з). При изготовлении отливок из цветных сплавов, склонных к окислению и вспениванию, необходимо более спокойное заполнение формы. Такой режим обеспечивают вертикально-щелевые литники (рис. 3.14, и).

Литниковые системы могут состоять из двух элементов (литниковая воронка, литники); трех элементов (литниковая воронка, стояк, литники);

124

четырех элементов (литниковая воронка, стояк, распределительный канал, литники)

Классификация литниковых систем может быть произведена по их расположению относительно отливки (рис. 3.15).

Рис. 3.15. Классификация литниковых систем по их расположению относительно отливки: а – верхняя; б – по разъему, или боковая; в –

сифонная, или нижняя; г - ярусная

В зависимости от величины, конфигурации и материала отливки литниковая система в форме может быть горизонтальной, верхней, дождевой, сифонной и ярусной.

Горизонтальная литниковая система с питателями, расположенными в горизонтальной плоскости, обеспечивает подвод металла в полость формы по ее разъему. Такая литниковая система имеет все основные элементы и применяется в формах с глубиной полости в нижней опоке до 200 мм, заливаемых в сыром виде.

Сифонная литниковая система (рис. 3.15, в) – это горизонтальная или вертикальная питательная система, обеспечивающая подачу расплавленного металла снизу. Литейные формы отливок, имеющих значительную высоту при малых поперечных размерах, заливают обычно в вертикальном положении с подачей металла снизу.

125

Верхняя литниковая система (рис. 3.15, а) обеспечивает подачу металла в полость формы сверху. В небольших формах верхнюю литниковую систему делают в виде щели, подводящей металл в полость формы сверху, потому ее часто называют щелевой литниковой системой.

Ярусная литниковая система (рис. 3.15, г) – вертикальная литниковая система, обеспечивающая подачу металла в полость формы на нескольких уровнях ее высоты.

Выпор – элемент литниковой системы для вывода газов из формы при заливке, контроля заполнения формы расплавленным металлом, питания отливок в момент их затвердевания, смягчения удара струи металла в верхнюю стенку полости формы в конце ее заливки, для слива холодного металла из верхней части полости формы (заливка с перепуском).

В литейных формах, полость которых расположена в нижней опоке, выпор делают в виде стояка, на противоположном литниковой системе конце формы (рис. 3.16, а); такой выпор называют отводным. Кроме того, выпор может быть питающим и сигнальным.

Рис. 3.16. Устройство выпора и прибыли:

а– отводной выпор; б – выпор в верхней части формы;

в– отливка без прибыли; г – отливка с прибылью

126

В формах, полости которых находятся в верхней опоке, выпор ставят в той части полости формы, которая расположена выше остальных

(рис. 3.16, б).

Прибыль. Наиболее часто усадочные раковины возникают там, где металл долгое время остается в жидком состоянии и затвердевает в последнюю очередь, т. е. в толстых сечениях отливки – в тепловых узлах

(рис. 3.16, в).

Питание отливки в момент ее усадки осуществляется за счет жидкого металла. Элемент литниковой системы, устраиваемый в форме над той частью отливки, где возможно образование раковины, называют прибылью (рис. 3.16, г). Для сохранения в прибыли металла в жидком состоянии размеры ее должны быть больше размеров той части отливки, которую она питает. При таком условии усадочные раковины будут образовываться не в отливке, а в прибыли, которая впоследствии будет отделена от отливки.

Прибыли могут быть закрытыми и открытыми. На рис. 3.16, г показана часть отливки трубы с фланцем и открытой прибылью.

Подробно организация питания тепловых узлов отливки с помощью прибылей и регулирования их работы описана в разделе 7.

Расчет литниковой системы

Для обеспечения необходимых свойств отливок, кроме получения качественного жидкого сплава, очень большое значение имеет выбор типа литниковой системы, места подвода металла в полость литейной формы и правильный расчет элементов литниковой системы.

Существует множество способов расчета отдельных элементов литниковой системы. Все они подразделяются на две группы: универсальные (приближенные) расчеты для отливок любого типа из любых

127

сплавов и точные методы расчетов для отдельных отливок (плиты, колеса и т.п.), применяемые для конкретных сплавов.

На первом этапе проектирования литниковых систем целесообразно использовать универсальные методы расчета их элементов.

Тип литниковой системы выбирают в зависимости от сплава и конструкции отливки, учитывая ряд требований:

-заполнение формы без недолива;

-задержание шлака и неметаллических включений;

-заполнение формы за оптимальное время с определенной скоростью, без разбрызгивания и размывания формы;

-минимальный расход металла на литниковую систему;

-обеспечение рационального распределения температуры сплава после заполнения полости формы.

Положение отливки в форме должно обеспечивать высокое качество отливки, минимальные затраты на ее изготовление, минимальный расход металла и возможность механизации технологического процесса.

Отливку необходимо располагать так, чтобы обеспечить спокойное заполнение формы, исключающее разрушение струей металла отдельных участков формы и стержней. Тонкие стенки отливок нужно размещать в нижней части формы вертикально или наклонно. Наиболее ответственные поверхности отливки, которые должны получиться с минимальным количеством дефектов, необходимо размещать в нижней части формы.

Следует выбирать такое положение отливок, при котором можно обеспечить ее направленное затвердевание от тонких нижних частей к утолщенным верхним.

При заливке металла в форму литниковая система должна подводить жидкий металл равномерно без значительного падения температу-

128

ры. При этом затвердевание металла должно происходить последовательно и направленно, чтобы не появились усадочные раковины.

Подвод литников в полость формы осуществляют различными способами, учитывая особенности отливки – массу, высоту, толщину стенки и вид заливаемого расплава.

Нижний подвод (в том числе и сифонный) расплава обеспечивает спокойное заполнение формы, без размыва стенок, образования засоров, брызг и захвата воздуха, так как после начала заливки уровень расплава в полости формы очень быстро перекрывает литник, и далее заполнение идет несвободной струей, под затопленный уровень. Однако такой подвод расплава сопровождается нежелательным разогревом нижней части литейной формы и, следовательно, замедлением отвода тепла от нижней части отливки, в результате чего в отливке около литников могут возникнуть усадочные пороки - раковины и рыхлость.

Кроме того, нижняя система подвода металла в форму не создает условий направленного затвердевания. Эта система сложна по конструкции, требует большого расхода металла. Применяют ее для отливок средней и большой массы, значительной высоты, с большой толщиной стенок.

Верхний подвод расплава обеспечивает рациональное распределение температуры жидкого металла в литейной форме, однако из-за падения свободной струи расплава в полости формы в отливке могут образоваться воздушные пузыри и оксидные плены. Кроме того, динамическое воздействие струи металла может привести к нарушению целостности поверхностных слоев формы.

Верхняя литниковая система наиболее проста по конструкции, требует незначительного расхода металла, создает условия направленного затвердевания в отливке.

129

Боковой подвод уменьшает (по сравнению с верхним) высоту падения струи и размывание формы, однако ухудшает условия затвердевания и увеличивает расход металла. Применяют для отливок небольшой высоты, средней массы, при машинном изготовлении форм.

При ярусном подводе реализуются достоинства нижнего подвода по спокойному поступлению расплава в полость формы и преимущества верхнего подвода по созданию благоприятного распределения температуры в форме.

Ярусная литниковая система обеспечивает лучшее питание отливки, чем сифонная. Однако она сложна в исполнении и требует большого расхода металла. Применяется для крупных тяжелых отливок.

Вертикально–щелевой подвод обеспечивает спокойное заполнение формы при сохранении направленности затвердевания. Применяется для литья цветных металлов. Его реализация в наибольшей степени позволяет согласовать противоречие требований по спокойному заполнению литейной формы и обеспечению рационального распределения температуры с точки зрения последующего направленного затвердевания отливки. Этот вариант является логическим развитием и завершением ярусного подвода. Вместо нескольких отдельных литников делается сплошная вертикальная щель толщиной 5- 15 мм. Канал, от которого отходит вертикально-щелевой литник, может иметь приблизительно такое же поперечное сечение, как шлакоуловитель. В таком случае его называют колодцем.

При дождевой литниковой системе металл тонкими струйками заполняет форму сверху. Применяется в основном для отливок цилиндрической формы.

При выборе способа подвода расплава в литейную форму стремятся к тому, чтобы потоки, вытекающие из разных литников, как можно быстрее слились в один. Длительное существование отдельных потоков

130

расплава в полости литейной формы может привести к окислению поверхности и подстуживанию расплава, в результате чего затрудняется слияние расплава в один общий поток и на отливке появляются дефекты - спаи.

При определении способа подвода расплава в полость литейной формы и размеров литников на стыке с отливкой немаловажное значение имеют чисто технологические обстоятельства, например учет того, как будет проводиться обрубка отливок, т. е. отделение литниковой системы. На чугунных отливках литники толщиной до 10 мм легко можно отбить ударом молотка, на стальных отливках принято применять либо автогенную резку, либо зубила; в случае отливок из алюминиевых сплавов используют ленточные пилы или отрезные станки.

При литье тонкостенных крупногабаритных отливок применяются плоские литники – топорики, имеющие большую площадь сечения и толщину, равную толщине отливки.

При литье высоких чугунных отливок делают несколько вертикальных литников, присоединенных прямо к литниковой чаше или шлакоуловителю («дождевые» литники). При падении тонкими струями, даже с большой высоты, металл не размывает форму.

При изготовлении отливок из цветных сплавов, склонных к окислению и вспениванию, необходимо более спокойное заполнение формы. Такой режим обеспечивает вертикально-щелевые литники.

Большое значение имеет выбор места подвода питателей к отливке с точки зрения создания условий для направленного или одновременного затвердевания.

Направленное затвердевание создается подводом металла в наиболее массивные части отливки. Например, сталь, имеющая большую усадку и пониженную жидкотекучесть, подводится в толстое сечение, под прибыли или непосредственно в прибыли.