1.2.3. Розрахунок ливникових каналів

При виготовленні виливка з конструкційних сталей - з товщинами стінок до 5 мм для запобігання недоливів (не заповнення стінок виливка) питома швидкість заливання ( ,кг/с) може бути визначена по формулі:

(1.10)

де - коефіцієнт пропорційності, що залежить від способу підведення металу у формі. При підведенні металу зверху =0,05, збоку =0,06, знизу - =0,08;

- найбільша довжина тонкої стінки чи крайки мм;

- товщина тонкої стінки чи крайки виливка, мм;

Для виливків зі стінками товщиною більш 5 мм можна визначати швидкість заливання, що вимагається, виходячи з тривалості заповнення форми ( ):

(1.11)

де - щільність, кг/м³, і питома теплоємність, Дж/(кг•⁰С);

- обсяг, м³ і площа поперечного перетину, м² виливка;

- температура розплаву на початку і наприкінці заливання, °С;

- коефіцієнт акумуляції теплоти для матеріалу форми, Дж/(м² С^½ °С);

- початкова температура форми, °С.

Площа вузького перетину ливникового каналу ( , м²), що обумовлює питому швидкість заповнення форми, можна визначити по формулі:

(1.12)

де - коефіцієнт витрат, прийнятий рівним 0,7-0,9;

- щільність рідкого металу, кг/м³;

- металостатичний напір над звуженим перетином, що складається з висоти розплаву у формі і висоти струменя, що падає з ковша, м.

Значення можна задавати, виходячи з конструктивних міркувань, але не менш ніж 0,07 м (для сталі).

За знайденим значенням , визначають перетин інших елементів ливникової системи, користуючись їх співвідношеннями. Наприклад, для сталі

1:1,3:1,5, Де площі перетинів стояка, шлаковловлювача і живильника, відповідно, чи елементів, що виконують їхню роль.

Гідравлічний розрахунок заповнених ливникових систем складається у визначенні площ перетинів їхніх елементів і величини металостатичного напору, що забезпечують необхідну витрату розплаву через кожен конкретний живильник. При цьому ливникова система повинна забезпечити компактність потоку розплаву, відсутність ежекції повітря в метал, мінімальні втрати температури і напору.

Рідкі метали по своїм властивостям відносяться до числа ньютонівських (нестисливих) рідин. Тому площу перетину елементів ливникової системи розраховують по формулі :

(1.13)

де - металостатичний напір розплаву на вихідному перетині розглянутого елементу ливникової системи, м;

• - витрата розплаву через даний елемент, кг/с;

- коефіцієнт витрати;

- щільність металу в рідкому стані, кг/м³;

- прискорення вільного падіння тіла ( =9,81 м/с²).

Коефіцієнт витрати визначають шляхом перемножування коефіцієнту швидкості ( ) і коефіцієнту стиску струменя ( ):

(1.14)

Коефіцієнт стиску струменя являє собою відношення площі стиснутого живого перетину струменя ( ) до площі отвору, з якого він випливає ( ).

(1.15)

Стиск струменя при витіканні може бути повним, коли струмінь витримує стиск по всьому периметру, і неповним, коли струмінь витримує частковий стиск. У випадку неповного стиску в даній ділянці ливникової системи має місце розрядження, що приводить до ежекції повітря з атмосфери в розплав.

Для забезпечення повного стиску струменя вхідні крайки елементів ливникової системи необхідно закруглювати. При цьому радіус закруглення повинний бути не меншим 0,3 діаметру отвору, слідуючого за закругленням /8 /. При повному стиску струменя .

Коефіцієнт швидкості визначають по формулі:

(1.16)

де - коефіцієнт Бруссинекса ( а ≈ 1,02...1 ,03);

К - коефіцієнт втрат.

Коефіцієнт втрат К визначає частку швидкісного напору, затрачуваного на подолання опору ливникової системи. Опір ливникової системи складається з втрат по довжині ливникових каналів ( ) за рахунок тертя розплаву об стінки форми і місцевих втрат ( ) (повороти ливникових каналів, зміни їхнього перетину і т.д.).

При визначенні К використовують принцип накладення втрат, що полягає в тім, що загальну втрату швидкісного напору умовно розглядають як суму втрат, викликаних кожним опором окремо, тобто:

. (1.17)

Коефіцієнт для ливників круглого перетину:

; (1.18)

для ливників не круглого перетину:

, (1.19)

де l - довжина ливника, м ;

D - діаметр окружності, вписаної в перетин ливника, м;

- коефіцієнт Дарсі.

Ливникові канали в литті по витоплюваним моделям відносяться до гідравлічних гладких труб. У зв'язку з цим коефіцієнт Дарсі визначають по формулі:

(1.20)

де Re- число Рейнольдса:

,

де W - швидкість течії розплаву в даному елементі ливникової системи, м/с;

- кінематична в'язкість розплаву при температурі течії , м²/с.

Величину W визначають згідно формули:

де і = 1,2,3...m, (1.21)

де - витрата розплаву через розглянутий елемент ливникової системи, кг/с ;

- площа перетину даного елементу, м² ;

- час течії розплаву через даний елемент, с.

Таким чином, рівняння (1.13) варто записати у вигляді ( )

(1.22)

де V=1 для ливників круглого перетину і V=2 для ливників не круглого перетину.

Коефіцієнти місцевих втрат визначають індивідуально для кожного опору ливникової системи і представлені на рисунках 1.8 ÷ 1.11.

Одержати рівняння (1.22) у замкнутому виді не представляється можливим. Тому величину визначають методом послідовних ітерацій з використанням ЕОМ.

	0,01	0,10	0,20	0,40	0,60	0,80	1,0
	0,50	0,45	0,40	0,30	0,22	0,12	0

Рисунок 1.8 - Схема до визначення коефіцієнту місцевих втрат ( ) при раптовому звуженні струменя розплаву

Для ливника круглого перетину

	300	400	500	600	700	800	900
	0,2	0,3	0,4	0,55	0,7	0,9	1,1

Для ливника квадратного перетину

	150	300	450	600	900
	0,025	0,11	0,26	0,49	1,2

Рисунок 1.9 - Схема до визначення коефіцієнту місцевих втрат ( ) при повороті ливника на кут

	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
	0,131	0,138	0,158	0,206	0,294	0,440	0,661	0,997	1,408	1,978

Рисунок 1.10 - Схема до визначення коефіцієнту місцевих втрат ( ) при плавному повороті струменя

Рисунок 1.11 - Схема до визначення коефіцієнту місцевих втрат ( ) при плавному звуженні струменя

Коефіцієнт місцевих втрат при плавному звуженні струменя можна визначити по формулі:

, (1.23)

де .

Розрахунок перетинів елементів ливникової системи необхідно проводити послідовно від живильників до стояка.

Важливим моментом у конструюванні ливникових систем є ежектування повітря при взаємодії струменя розплаву з його вільною поверхнею. Вхід струменя у ванну розплаву зустрічається в ливникових чашах і лійках, у стояку і в порожнині форми, що оформляє виливок у випадку застосування верхнього або бічного підведення розплаву.

Утворення метало - повітряних сумішей у ливниковій системі приводить до зниження її видаткових характеристик і, у випадку лиття сплавів, що легко окислюються - до забруднення металу окісними плівками, утворенню у виливках газових раковин. У зв'язку з цим, при литті тонкостінних, великогабаритних, фасонних виливків необхідно застосовувати заповнені ливникові системи.