The calculation of the length slag trap to the first feeder

V. N Labutin; Лабутин В. Н; D. O Pustovalov; Пустовалов Д. О; K. V Sharov; Шаров К. В; A. V Bogomiagkov; Богомягков А. В; S. A Belova; Белова С. А

doi:10.15593/2224-9877/2016.1.14

Расчет длины шлакоуловителя до первого питателя

Авторы: Лабутин В.Н¹, Пустовалов Д.О¹, Шаров К.В¹, Богомягков А.В¹, Белова С.А¹
Учреждения:
1. Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Выпуск: Том 18, № 1 (2016)
Страницы: 205-222
Раздел: СТАТЬИ
URL: https://ered.pstu.ru/index.php/mm/article/view/3191
DOI: https://doi.org/10.15593/2224-9877/2016.1.14
Цитировать

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Статистика

Аннотация

Для получения качественной отливки необходимо предотвратить попадание неметаллических включений в полость формы. Для этого следует обеспечить должную работу элемента литниковой системы - шлакоуловителя. При этом необходимо, чтобы за время прохождения потока по всей длине шлакоуловителя шлаковые частицы, даже те из них, которые сначала находились на дне, всплывали на полную высоту канала. Скорость течения в шлакоуловителе должна быть такой, чтобы поток металла не мог увлечь за собой частицы, уже всплывающие в его верхнюю часть. Это становится возможным, если скорость потока не превосходит некоторой предельной величины. В современном литейном производстве представлено множество методик расчета литниковых систем, по которым полученные данные отличаются. В представленной работе обобщены данные о критической скорости течения потока металла для шлаковых частиц железоуглеродистых сплавов, а также о средней линейной скорости подъема металла в форме. Приведены расчеты литниковых систем по стандартным методикам и по методике, предложенной авторами, расчеты шлакоуловителя производили с учетом, что литниковая система в данном случае должна быть замкнутой. Показано, что не все представленные методы дают адекватный результат, так как в стандартных методиках расчета принимается вес литниковой системы, колеблющийся в пределах 10-20 %. Разработанная методика расчета литниковой системы, основанная на критической скорости течения потока металла в шлакоуловителе, в отличие от стандартных методик дает результаты расчетов в виде размеров сечений элементов литниковых систем и длины шлакоуловителя, исходя из заданных параметров литейно-модельных указаний.

Ключевые слова

литниковая система, шлакоуловитель, неметаллические включения, шлаковая частица, скорость всплытия, критическая скорость потока, средняя линейная скорость потока, минимальная длина шлакоуловителя, размеры шлакоуловителя, площади сечений элементов литниковой системы, качество отливок, литниковая система, питатель, продолжительность заливки, суммарное сечение, плотность, металлостатический напор.

Полный текст

Правильный выбор типа литниковой системы во многом определяет качество отливок и технико-экономические показатели литейного цеха. При проектировании и выборе типа литниковой системы необходимо учитывать ряд факторов: особенности свойств сплава, конфигурацию отливки, положение отливки в форме и разъем формы, наличие стержней и пр. Нередко одной из причин появления дефектов и брака отливок является неправильно спроектированная литниковая система. Одним из распространенных видов брака отливок является наличие неметаллических включений, которые образуются в сплавах в процессе их производства - выплавки и разливки. Неметаллические включения существенно влияют на свойства изделий, их эксплуатационные характеристики в зависимости от природы, количества, формы, размера и характера распределения. Размеры неметаллических включений и их количество в стали должны соответствовать ГОСТ 1178-75 «Металлографические методы определения неметаллических включений». Для предотвращения попадания неметаллических включений в полость формы в литниково-питающей системе предусмотрены шлакоуловители, которые имеют различные конструкции. Принцип работы шлакоуловителя (рис. 1) основан на том, что неметаллические частицы, находящиеся в заливаемом металле (частицы шлака, флюса, продукты разрушения огнеупорных материалов и формы) имеют значительно меньшую плотность, чем расплавленный металл, в связи с чем, попав из стояка 1 в шлакоуловитель 2, они всплывают наверх и остаются в верхней части шлакоуловителя, не имеющего соединения с полостью литейной формы, а в расположенные ниже питатели 3, выходящие непосредственно в полость формы, поступает лишь более тяжелый расплавленный металл. Рис. 1. Принцип работы шлакоуловителя: 1 - стояк; 2 - шлакоуловитель; 3 - питатели; 4 - шлак; 5 - расплавленный металл Рассчитывая параметры шлакоуловителя, необходимо учитывать следующее. При получении годных отливок излишний расход металла на литниково-питающую систему снижает технологический выход годного, поэтому длина шлакоуловителя должна быть минимальной, но достаточной для задержания неметаллических частиц. Необходимо, чтобы за время прохождения потока по всей длине шлакоуловителя даже те частицы, которые сначала находились на дне, всплывали на полную высоту канала. Скорость течения в шлакоуловителе должна быть такой, чтобы поток металла не мог увлечь за собой частицы, уже всплывающие в его верхнюю часть. Это становится возможным, если скорость потока не превосходит некоторую предельную величину. Исследования Б.В. Рабиновича показали, что для шлаковых частиц диаметром dmin = 1 мм в потоке жидкого чугуна и стали критическая скорость, не способная их извлечь из пристеночного слоя, составляет vш.кр.= 40 см/с. Огромная номенклатура отливок из разных сплавов предопределяет использование самых разнообразных методов расчета и фактических рекомендаций по конструированию литниковых систем и их элементов. Цель работы - проанализировать различные способы, выбрать или разработать наиболее оптимальную систему расчета минимальной длины шлакоуловителя с расчетом литниково-питающей системы исходя из критической скорости движения металла в шлакоуловителе. Для этого в качестве исходной для расчетов выбираем деталь «муфта», для которой разработаны литейно-модельные указания (рис. 2, 3) и рассчитаны параметры литниковой чаши (рис. 4). Рис. 2. Литейно-модельные указания для отливки детали «муфта», рассчитанные по стандартной методике Рис. 3. Литейно-модельные указания для отливки детали «муфта», рассчитанные по разработанной авторами методике Исходные данные для расчетов по формулам разных авторов (согласно литейно-модельным указаниям): - сплав - углеродистая сталь: плотность твердого металла r = 7,5 г/см3; плотность расплава r¢ = 7,2 г/см3; - плотность жидкого шлака rшл = 2,5 г/см3; - высота отливки в форме по положению при заливке С = 568 мм; - вес расплава, проходящего через шлакоуловитель, G¢ = 240 кг; - толщина стенки отливки d > 40 мм. Рис. 4. Литниковая чаша · Параметры стояка: - диаметр стояка dст = 44 мм; - длина стояка lст = Н0 - hч + hз = 424 - 140 + 40 = 324 мм = 32,4 см (где hз - высота зумпфа); - объем стояка Vст = Fст × lст = 14,2 × 32,4 = 460 см3; - вес стояка Gст » Vст × r = 460 × 7,5 = 3,45 кг. · Параметры питателей: - объем питателей Vпит = × 4lпит = 12,9 × 4 × 6 = 310 см3; - вес питателей Gпит » Vпит × r = 310 × 7,5 = 2,3 кг. · Параметры литниковой чаши: - диаметр стояка dст = 44 мм; - высота чаши hч = 3,25 × dст = 140 мм = 14 см; - габаритные размеры чаши - bч = 3,5×dст = 150 мм = 15 см; ач = 6 × dст = 260 мм = 26 см; - объем чаши Vч » hч × bч × ач = 14 × 15 × 26 = 5460 см3; - вес чаши Gч » Vч × r = 5460 × 7,5 = 41 кг (r = 7,5 г/см3 - удельный вес затвердевшего сплава). Вес литниково-питающей системы Gм.с = Gч + Gст + Gпит = 41 + 3,45 + 2,3 = 46,8 кг. Металлоемкость формы Gм.ф = Gотл + Gм.с = 240 + 46,8 » 287 кг. Расчет литников в узком смысле предусматривает определение продолжительности заливки формы металлом и размеров элементов литниковой системы. Однако такое решение задачи еще не гарантирует получения качественной отливки, так как, например, неудачно выбранное место подвода питателей может привести к размыву формы или стержня и вызвать брак отливки по различным дефектам. Исходя из этого при расчете литниковой системы одновременно решаются следующие основные задачи: определение продолжительности заливки формы металлом; выбор места подвода металла и направления питателей; выбор размеров и соотношения площадей элементов литниковой системы. Расчет шлакоуловителя производят с учетом, что литниковая система в данном случае должна быть замкнутой (запирающейся) и необходимо выдержать следующие соотношения площадей сечений (питателей, шлакоуловителей и стояка соответственно): для чугуна 1 : 1,5 : 2 - для среднего и крупного литья; 1 : 1,2 : 1,4 - для крупного литья; 1 : 1,1 : 1,15 - для среднего и мелкого литья; 1 : 1,06 : 1,11 - для тонкостенного мелкого литья; для стали 1 : 1,05 : 1,1 - для простых толстостенных отливок; 1 : 1,1 : 1,2 - для сложных тонкостенных отливок; 1 : 1,3 : 1,6 - для крупных отливок. Предлагаемая авторами методика расчета 1. Для получения качественной отливки большое значение имеет средняя линейная скорость подъема металла в форме (1) где С - высота отливки в форме по положению при заливке, мм; tзал - оптимальная продолжительность заливки, с. Значения vср зависят от толщины стенок отливки и вида сплава. Данные для стали и чугуна представлены в табл. 1. Таблица 1 Минимальные допустимые значения vср поднятия уровня металла в форме Сплав Толщина стенки отливки, мм vср, мм/с Чугун Более 40, а также все плоские отливки, отливаемые в горизонтальном положении 10-8 10-40 20-10 4-10 30-20 1,5-4 100-30 Сталь 7-10 20 10-40 20-10 >40 10-8 2. Суммарное сечение шлакоуловителя определяют исходя из формулы критической скорости (2) где - вес расплава, проходящего через шлакоуловитель (без литниковой системы), кг, = Gдет + Gприп + Gприб, Gдет - вес детали, Gприп - вес припусков, Gприб - вес прибылей; - плотность расплава, г/см3; - суммарное сечение шлакоуловителя; tзал - продолжительность заливки в соответствии с табл. 1, с, . (3) В соответствии с формулой (1) и табл. 1 принимаем vср = 9 мм/с (по табл. 1 - 10-8 мм/с); следовательно Тогда суммарное сечение шлакоуловителя выражается через формулу (4) Согласно формуле (4) Отливка является простой толстостенной, и должно соблюдаться соотношение = 1 : 1,05 : 1,1. Тогда после расчета в соответствии с указанным соотношением получаем: - суммарное сечение питателей = 12,6 см2; - суммарное сечение шлакоуловителей = 13,2 см2; - сечение стояка Fст = 13,9 см2. Учитывая рассчитанные сечения = = 12,6 : 13,2 : 13,9 см2, можно определить: - Диаметр стояка - Размеры питателя. В связи с тем, что суммарное сечение питателей = 12,9 см2, а количество питателей 4 шт., размер одного питателя Fпит = 3,2 см2. - Размеры шлакоуловителя. В связи с тем, что суммарное сечение шлакоуловителей = 13,2 см2, количество шлакоуловителей 1 шт., площадь шлакоуловителя = 13,2 см2. Наиболее часто используется трапециевидный шлакоуловитель, так как он лучше улавливает шлаки, допуская меньшие потери тепла. Учитывая, что площадь шлакоуловителя определяют из формулы = 0,68 × h2, можно определить его размеры: Проверка: Проверка скорости потока в шлакоуловителе по формуле (2): Для нормальной работы шлакоуловителя для детали «муфта» условие выполнено. 3. Далее определяем длину шлакоуловителя. Учитывая, что разные авторы предлагают свои формулы для определения длины шлакоуловителя, произведем расчеты по этим формулам. По источникам [1, 5] длина шлакоуловителя (5) где β = 0,2 - коэффициент пропорциональности. Тогда По источнику [4] длину шлакоуловителя определяют следующим образом: (6) где Lшл - длина шлакоуловителя от кромки стояка до 1-го питателя, см; q - доля всей массы металла, протекающей через шлакоуловитель; hшл - высота шлакоуловителя, см; - начальный массовый расход металла, кг/с где - количество металла, протекающего через шлакоуловитель, кг; k - коэффициент, учитывающий падение скорости заливки под затопленный уровень, где hо.в - высота отливки над линией разъема (см. рис. 3), hо.в = 32,4 см; hо - высота отливки, hо = 56,8 см; Н0 - гидростатический напор (высота уровня расплава в чаше над уровнем подвода расплава в форму), Н0 = 42,4 см. Рассчитав коэффициент, получаем Определяем долю всей массы металла, протекающей через шлакоуловитель: (7) Тогда длина шлакоуловителя согласно формуле (7) должна быть По источнику [8] длина шлакоуловителя где По источнику [14] длина шлакоуловителя (8) где Lшл - длина шлакоуловителя от кромки стояка до первого питателя, см; Ншл - высота шлакоуловителя, см; vшл.кр - критическая скорость потока в шлакоуловителе, vшл.кр = 40 см/с; vв.с - скорость всплытия шлаковой частицы в турбулентном потоке, см/с, где g - ускорение свободного падения, g = 981 см/с2; - плотность расплава, = 7,2 г/см3; rшл - плотность жидкого шлака, г/см3, rшл = 2,5; d - минимальный размер шлаковой частицы, d = 0,1 см; b - коэффициент пропорциональности, b = 0,2. Тогда По источнику [15] где скорость всплытия шлаковой частицы Сравнительные данные по результатам расчета длины шлакоуловителя по методикам разных авторов представлены ниже. Сравнительные данные, полученные с использованием различных методик расчета: Источник (в списке литературы) Длина шлакоуловителя Lшл, мм 14 204 8 230 1; 5 333 15 191 4 223 Из приведенных выше данных видно, что разброс по длине шлакоуловителя достаточно большой - от 191 до 333 см. Авторы предлагают проводить расчет длины шлакоуловителя следующим образом: 1. Определить время заполнения формы tзал по табл. 1. 2. Определить суммарное сечение шлакоуловителя по формуле (4). 3. Определить длину шлакоуловителя по формуле (8): где ; β = 0,2; Ншл = 44 мм. Размер Lшл = 220 мм укладывается в полученные с использованием различных методик расчета данные. Определение суммарной площади питателей: , (9) где Gм.ф - металлоемкость формы, кг; - коэффициент расхода металла (табл. 2); r¢ - плотность жидкого расплава, г/см3; tзал - продолжительность заливки формы, с; g - ускорение свободного падения, см/с2; Нр - расчетный металлостатический напор. Таблица 2 Коэффициенты расхода жидкого металла в литниковой системе Сплав Коэффициент расхода при литье в сырую форму в сухую форму Чугун 0,35-0,5 0,41-0,6 Сталь 0,25-0,42 0,3-0,5 Учитывая, что Gм.ф = 288 кг (см. рис. 3) и = 0,55, определяем время заполнения формы где А - коэффициент, зависящий от марки сплава: Сплав А СЧ, ВЧ, БЧ 3,7 Углеродистая сталь 2,4 Рассчитываем гидростатический напор: где Н0 - гидростатический напор, см; Р - высота отливки в верхней полуформе, см; С - высота всей отливки, см. Тогда в соответствии с формулой (9) определяем суммарное сечение питателей Используя соотношение = 1 : 1,05 : 1,1 (для простых стальных толстостенных отливок), вычисляем = 13 см2, = 13,5 см2. Определяем скорость потока в шлакоуловителе по формуле (4): По условию критическая скорость потока vш.кр = 40 см/с. Тогда >. Таким образом, при скорости потока vш.кр = 111 см/с шлакоуловитель, рассчитанный по стандартной методике [13], не выполнит предназначенную ему функцию, т.е. не будет задерживать шлаковые частицы.

Об авторах