Выбор конструкции литниковой системы

Литниковые системы для стального литья

Для обеспечения заполнения за оптимальное время полости литейных форм в них должны быть выполнены соответствующие литниковые каналы, называемые литниковой системой. В простейшем варианте она включает литниковую воронку, стояк, зумпф, литниковый ход и питатель. Литниковая система дополнительно может содержать фильтр для очистки расплава от шлаковых и песчаных частиц, а также неметаллических включений. Она должна обеспечить получения качественных отливок при наименьших затратах энергетических, материальных и трудовых ресурсов.

Для этого литниковая система должна: 1) обеспечивать быстрое, но спокойное заполнение формы; 2) быть экономичной с точки зрения расхода металла; 3) быть технологичной, т.е. удобной для формовки, компактной и легко отделяемой от отливки; 4) предотвращать попадание в полость формы шлаковых и песчаных частиц, а также обеспечивать очистку жидкого металла от неметаллических включений; 5) способствовать последовательному затвердеванию различных частей отливки по направлению к прибыли; 6) способствовать рассредоточению термических напряжений и не затруднять линейную усадку отливки; 7) не препятствовать удалению газов из стержней.

В стальном литье применяют расширяющиеся литниковые системы или литниковые системы равного сечения. В расширяющихся литниковых системах суммарные площади сечения ее элементов последовательно увеличиваются от стояка к литниковому ходу и питателю, т.е. SF_СТ < SF_ЛХ < SF_ПИТ. В таких литниковых системах скорость потока расплава в каналах постепенно снижается и жидкий металл поступает в полость формы спокойно, без разбрызгивания. При разливке стали из стопорных ковшей, когда струя расплава попадает в форму с большой скоростью, требование спокойного заполнения становится определяющим. Поэтому расширяющиеся литниковые системы применяют прежде всего при изготовлении крупного и большей части среднего стального литья. Однако, в этом случае возникает опасность неполного заполнения каналов литниковой системы, особенно литникового хода и питателей.

В литниковых системах равного сечения суммарные площади всех ее элементов одинаковы, т.е. SF_СТ: SF_ЛХ: SF_ПИТ = 1: 1: 1. Их применяют в условиях стопорной разливки при производстве крупных стальных отливок, когда каналы литниковой системы выполняют с использованием составных нормализованных керамических изделий в виде воронок, трубок, тройников, звездочек и щелевых питателей. Применение керамических изделий предотвращает эрозионное разрушение формы. Однако, из-за их высокой стоимости, а также повышения трудоемкости изготовления форм литниковые системы равного сечения применяют в особых случаях, если другие варианты выполнения литниковых систем не обеспечивают получение отливки требуемого качества.

В стальном литье виду высокой склонности жидкого металла к окислению для предотвращения разбрызгивания струи и обеспечения спокойного заполнения формы применяют преимущественно литниковые системы с нижним подводом расплава –нижнебоковые или сифонные, ярусные, с обратным стояком.

Нижнебоковая и сифонная литниковые системы обеспечивают подачу расплавленного металла в полость литейной формы на уровне нижней части отливки, что создает благоприятные условия для спокойного заполнения формы. Применение их в стальном литье обусловлено прежде всего необходимостью предотвращения разбрызгивания струи расплава и ограничения его взаимодействия с воздухом из-за повышенной склонности жидкой стали к поверхностному окислению и пленообразованию. Но при таком подводе верхняя подприбыльная часть отливки заполняется более холодным металлом, чем нижняя. Последняя и охлаждается менее интенсивно, так как нижние слои формы успевают заметно прогреться к моменту окончания заливки. Вследствие этого нарушается ход направленного снизу вверх (к прибыли) последовательного затвердевания отливки. Поэтому такие литниковые системы могут применяться лишь при изготовлении отливок небольшой высоты.

Ярусная литниковая система обеспечивает подачу расплавленного металла в полость литейной формы на нескольких уровнях. Фактически она представляет собой сочетание нижне, средне- и верхнебоковой литниковых систем. При этом вначале она работает как нижнебоковая, а затем как среднебоковая и, наконец, как верхнебоковая литниковая система. Поэтому практически вся полость формы заполняется расплавом под затопленный уровень. При этом в верхнюю ее часть подводится наиболее горячий расплав. Вследствие этого ярусная литниковая система имеет преимущества всех боковых литниковых систем. Ее недостатками являются сложность конструкции и обусловленное этим увеличение расхода металла на литниковую систему, а также повышение трудоемкости формовки из-за необходимости выполнения разъма формы для каждого яруса. Однако, применение ярусных литниковых систем вполне оправдано при изготовлении крупных и уникальных отливок, поскольку другие типы литниковых систем не могут обеспечить эквивалентное сочетание качества отливок и экономичности их производства.

Литниковая система с обратным стояком, наряду с обычным (прямым), имеет дополнительный (обратный) стояк, связанный с первым сифонным подводом металла. При этом каналы литникового хода и питателей примыкают к обратному стояку. Такая литниковая система обеспечивает почти полную релаксацию кинетической энергии потока расплава, поэтому создается возможность спокойного заполнения формы, несмотря на высокие начальные скорости истечения струи из ковша. Литниковая система с обратным стояком обычно имеет ярусное распределение жидкого металла в форме. При изготовлении мелких стальных отливок на каждом ярусе размещают одну или группу отливок. При изготовлении крупных стальных отливок ярусные литниковые каналы обеспечивают спокойное заполнение одной отливки, но с благоприятным распределением температуры по высоте отливки, способствуя ее направленному затвердеванию.

Верхнебоковая литниковая система обеспечивает подачу расплавленного металла в полость литейной формы на уровне верхней части отливки. Она имеет такие же достоинства, что и верхняя литниковая система, но расплав попадает в полость формы не свободной, а каскадной струей, с меньшей кинетической энергией. Причем по мере уменьшения высоты отливки эти недостатки становятся все менее значимыми. Поэтому верхнебоковые литниковые системы применяют при изготовлении отливок высотой не более 100 мм.

Среднебоковая литниковая система обеспечивает подачу расплавленного металла в полость литейной формы на уровне средней по высоте части отливки. При этом полость формы, расположенная ниже уровня питателей, заполняется металлом как при верхнебоковой литниковой системе, а выше уровня питателей – как при нижнебоковой литниковой системе. Поэтому такая литниковая система сочетает достоинства и недостатки обоих типов литниковой системы, хотя и не в полной мере.

При выборе крнструкции литниковой системы необходимо придерживаться следующих правил:

1. Протяженность каналов литниковой системы должна быть короткой и жидкий металл необходимо подводить к полости формы кратчайшим путем. Для этого следует разместить отливки на плоскости разъема формы максимально плотно, но с соблюдением требуемых дистанций между отливками, отливками и элементами литниковой системы, между отливками или элементами и краем опоки (Табл. 2.5.6).

Таблица 2.5.6. Рекомендуемые расстояния между элементами в литейной форме

Масса отливки, кг	Минимальное расстояние между элементами в литейной форме, мм
Моделью и верхом или низом опоки	Моделью и стенками опоки	Моделью и моделью	Моделью и литниковой системой
До 10	40 - 50	30 – 40	30 – 40
> 10 до 50	60 – 70	40 – 50	50 - 60	30 – 40
> 50 до 250	90 – 100	50 – 60	70 - 100	50 – 60
> 250 до 1000	120 – 150	70 – 90	≥ 120	70 – 120
> 1000 до 4000	200 – 275	100 – 150	-	150 – 225
> 4000 до 10000	300 – 350	175 – 200	-
> 1000			-

Затем необходимо выбрать рациональную траекторию литникового хода. В частности, при изготовлении отливок, имеющих конфигурацию тел вращения и наружный диаметр не более 700 мм, наиболее рациональным является подвод металла в центральную часть отливки. При наружном диаметре в пределах 700-1000 мм металл к отливке необходимо подводить с внешней стороны отливки через подковообразный литниковый ход. При большем наружном диаметре отливок целесообразно применять комбинированный подвод металла – в центральную часть и с внешней стороны. Размещение литникового хода вдоль внешнего контура применяют также при изготовлении отливок коробчатого типа. При изготовлении в одной форме нескольких отливок желательно разместить их симметрично относительно литникового хода, а стояк – в центре ветвей литникового хода.

2. Поток металла, подводимый в полость формы, должен быть направлен вдоль стенки отливки или касательно (тангенциально) к ней, но никак не перпендикулярно к поверхности стержня или стенки формы. Для этого необходимо подводить металл в торцевые части плоских стенок отливки или касательно к средней оси сечения отливок тел вращения.

3. Подвод металла должен обеспечивать одностороннее движение металла в форме. При этом для отливок тел вращения односторонее движение должно трансформироваться во вращательное движение. Встречное движение потоков допускается, если их головные части затем сливаются в прибыль, выпор или другую вспомогательную емкость.

4. Не желательно размещать элементы литниковой системы вблизи знаков стержней (из-за ухудшения условия газоотвода из формы) и холодильников (из-за снижения эффективности их работы), а также жеребеек (из-за опасности их проплавления и обусловленного этим смещения стержня).

5. Подвод металла осуществляют в наиболее массивную часть отливки, если толщина ее стенок отличается незначительно, и, наоборот, металл подводят к тонким стенкам, если в отливке имеются стенки с существенно различающимися толщинами. Первая часть правила обусловлена необходимостью обеспечения направленного затвердевания отливки, поскольку при незначительной разнице в толщине ее стенок это является наиболее актуальной задачей. Вторая часть правила обусловлена необходимостью уменьшения градиента температур в различных частях отливки из-за опасности возникновения трещин. При сильно различающихся толщинах актуальной становится уже проблема снижения термических напряжений, поскольку условие направленного затвердевания выполняется заведомо. Причем при значительной разнице толщин рекомендуется, наряду с подводом металла в тонкие части, ускоренно охлаждать массивные части. Но соблюдая при этом условие обеспечения направленного к прибыли последовательного затвердевания отливки.

Если возможно технологически, то целесообразно применять литниковые системы, содержащие элементы нижнего или сифонного подвода металла, которые обеспечивают заполнение полости формы под затопленный уровень. В этом случае даже при применении расширяющехся литниковых систем литниковый ход и питатели оказываются всегда заполненными, как при применении сужающихся литниковых систем. Поэтому, при условии заполнения полости формы жидким металлом под затопленный уровень во всех случаях следует применять расширяющиеся литниковые системы. При этом соотношение площадей сечений элементов выдерживают в следующих пределах:

SF_СТ: SF_ЛХ: SF_ПИТ = (1: 1,3: 1,5) ¸ (1: 1,5: 2). (2.5.10)

При изготовлении крупных стальных отливок ответственного назначения каналы литниковой системы выполняют из огнеупорых трубок. При этом площади элементов литниковой системы принимают одинаковыми или кратными:

SF_СТ: SF_ЛХ: SF_ПИТ = 1: 1: 1 или 1: 2: 2. (2.5.11)

Если по технологическим условиям не удается сконструировать литниковую систему с подводм жидкого металла в нижние горизонты отливки, а заливка осуществляется из поворотного ковша, то литниковую систему выполняют сужающейся. В этом случае литниковый ход выполняет роль шлакоуловителя. Такие ситуации могут возникать при изготовлении мелкого и частично среднего литья. При этом рекомендуют следующее соотношение площадей сечений элементов литниковой системы:

SF_СТ: SF_ЛХ: SF_ПИТ = (1,1: 1,05: 1) ¸ (1,4: 1,2: 1). (2.5.12)

Для снижения скорости потока жидкого металла на входе в полость формы питатели выполняют в виде раструбов с увеличением площади выходного сечения в 1,2 – 1,3 раза.

Дата добавления: 2014-01-07