Л итниково-питающие системы (лпс)

Литниково-питающая система (ЛПС) - это система каналов и элементов литейной формы, предназначенная для подвода металла к полости формы, ее заполнения и питания отливки во время затвердевания. Первые две задачи выполняются литниковой системой и третья — прибылями, необходимыми для предотвращения образования в отливках усадочных раковин. В некоторых случаях, например, при использовании сплавов с малой объемной усадкой или при отсутствии в отливке массивных частей, прибыли можно не предусматривать.

Литниковая система (ЛС) представляет собой совокупность резервуаров и каналов, через которые расплавленный металл из ковша поступает в полость формы. Правильная конструкция литниковой системы обеспечивает равномерное и спокойное поступление расплава в полость формы, улавливание шлака и других неметаллических включений, не вызывает местных разрушений формы, создает направленное затвердевание отливки.

 

Литниковая система включает, как правило, следующие основные элементы (рис.): литниковую воронку или чашу (1) - резервуар, предназначенный для приема жидкого металла из ковша, частичного удержания шлака (в чаше) и передачи металла в стояк; стояк (2)- вертикальный (иногда наклонный) канал круглого, овального или иного сечения, который служит для передачи расплава из чаши (воронки) к другим элементам литниковой системы; шлакоуловитель (3) (называемый коллектором при цветном литье) - это горизонтальный канал, предусмотренный для удержания шлака и передачи металла из стояка к питателям. При разливке из стопорного ковша стали, свободной от шлаковых включений, он выполняет только распределительную роль и называется горизонтальным ходом. Питатели (4) (литники) - каналы, подводящие расплав в полость формы. К элементам ЛПС относят выпор (или выпоры) - вертикальный канал, расположенный или в самой верхней части формы, или сбоку и служащий для отвода газов, путем наблюдения за ходом заливки служит указателем ее окончания и иногда для питания отливки.

На рис. 4 показана более сложная литниково-питающая система. Литниковая воронка или чаша 1, стояк 2, заканчивается зумпфом 3 или углублением для частичного гашения динамической энергии потока металла. Дроссель 4является гидравлическим сопротивлением, регулирующим скорость заполнения формы. В нем металл, проходя через суженное сечение, изменяет направление своего течения. Шлакоуловитель 5питатели 6. Прибыли, одна из которых 9 верхняя сливная, а две другие 7 боковые проливные, предназначены для питания отливки 8 во время ее затвердевания. Выпор - 10.

 

Рис. 4. Сложная литниково-питающая система

 

Проектирование литниковой системы является важным этапом технологического процесса и оказывает значительное влияние на качество и свойства получаемых отливок. Выбором подвода металла и регулированием его потоков при заполнении формы можно создавать необходимый режим охлаждения отливки и в определенной мере регулировать ее структуру и служебные свойства.

Литниковая система должна отвечать следующим требованиям:

- заполнять форму металлом за определенное время,

-обеспечивать минимальное количество неметаллических и газовых включений в металле,

 - создавать рациональный режим затвердевания и охлаждения отливки,

- иметь небольшую массу,

- занимать мало места в форме и обеспечивать удобство формовки.

Определение времени заполнения формы является наиболее важной частью расчета литниковой системы, так как оно в наибольшей степени влияет на качество отливок. Продолжительное заполнение вызывает появление в отливках недоливов, неслитин в результате преждевременного охлаждения или затвердевания расплава, а также ужимин и засоров, возникающих в результате длительного теплового воздействия расплава на стенки формы. Ускоренное заполнение связано с появлением в отливках газовых раковин,

Напряжений, трещин и засоров из-за размыва формы металлом.

 

Рис. 5. Схема движения шлаковых включений в прямом шлакоуловителе:

             1 - стояк; 2 - шлакоуловитель; 3 - питатель

 

Удерживание шлаковых включений, вносимых вместе с вливаемым металлом, обеспечивается правильной конструкцией литниковых чаш и шлакоуловителей. В чаше шлак всплывает на поверхность зеркала расплава, а более тяжелый металл уходит в стояк.

На практике наиболее часто применяют прямые шлакоуловители трапециевидного сечения (рис. 5), в которых движение частицы шлака определяется скоростью ее движения в горизонтальном направлении υ_щ.г. совместно с потоком металла и скоростью ее всплытия υ_щ.в., т. е. скоростью в вертикальном направлении. Чем больше отношение υ_щ.в./ υ_щ.г.. тем быстрее частица достигнет потолка шлакоуловителя и не будет увлечена в питатель, а затем в полость формы. Увеличение эффективности действия шлакоуловителя достигается обычно снижением υ_щ.г. за счет пропорционального увеличения площади поперечного сечения шлакоуловителя. Дроссели, фильтры, перегородки в шлакоуловителях, являющиеся дополнительными сопротивлениями, также снижают скорость включений в горизонтальном направлении. Так повышение температуры чугуна (увеличение υ_щ.в) способствует лучшему шлакозадержанию за счет укрупнения шлаковых частиц и понижения вязкости металла.

Устранение окисления металла и засорения его неметаллическими включениями во время движения по каналам формы гарантируется ламинарными или с допустимой степенью турбулентности потоками металла. Невысокие линейные скорости поступления металла в полость формы устраняют разбрызгивание, нарушение сплошности струи и размывание стенок формы.

С помощью литниковой системы можно регулировать режим затвердевания и охлаждения отливки. Для создания направленного затвердевания от тонких к более массивным частям отливки и далее к прибыли, которая затвердевает последней, питатели необходимо подводить к массивным частям или непосредственно в прибыль. Для обеспечения одновременного затвердевания и снижения напряжения питатели подводят к тонким стенкам отливки.

Направленное затвердевание применяют для сталей, алюминиевых, магниевых и других сплавов, имеющих значительную объемную усадку и склонных к образованию усадочных раковин. Одновременное затвердевание целесообразно обеспечивать для сплавов с малой объемной усадкой и не дающих сосредоточенных усадочных раковин (серого чугуна, силуминов, оловянных бронз и др.).

 КЛАССИФИКАЦИЯ ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ

Литниковые системы подразделяют по гидродинамическому признаку на сужающиеся и расширяющиеся и по направлению течения расплава в полость формы по месту подвода металла в полость формы: на верхние, верхнебоковые, боковые, ярусные, нижнебоковые, нижние (сифонные), рассредоточенные по периметру отливки.

Для сужающихся литниковых систем характерно последовательное уменьшение площадей поперечных сечений стояка, шлакоуловителя и питателей:

f _ст > f _шл > ∑ f _пит

При наличии самого узкого места в питателях, лимитирующих расход металла, обеспечивается быстрое заполнение металлом всей системы и шлакоуловителя в целях лучшего улавливания шлака. Однако истечение металла в полость формы происходит с большой линейной скоростью, что может привести к разбрызгиванию и окислению расплава, захвату воздуха и размыву формы. Наиболее широко эти системы применяют в производстве стальных и некоторых чугунных отливок.

В расширяющихся литниковых системах узкое место чаще всего находится в нижнем сечении стояка:

f _ст  < f _шл  < ∑ f _пит

Скорость потока от стояка к питателям последовательно снижается, в результате чего металл поступает в полость формы более спокойно, с меньшим разбрызгиванием, меньше окисляясь и размывая стенки формы. Расширяющиеся системы применяют при изготовлении отливок из алюминиевых, магниевых, большинства медных и других легкоокисляющихся сплавов. В настоящее время наблюдается тенденция их использования и для чугунных отливок.

На рис. 6 показаны литниковые системы с верхним (а), боковыми (б-г), ярусным (д), нижним (е) подводом металла.

 

а)              б)            в)          г)              д)             е)

  Рис. 6. Схемы подвода металла

Тип литниковой системы выбирают в зависимости от конструкции отливки, вида сплава и при этом стремятся к наименьшему расходу металла на литниковую систему. Рациональность выбора типа литниковой системы можно оценить по градиенту распределения температуры расплава внутри формы для создания направленного или объемного затвердевания и турбулентности или ламинарности потока заливаемого расплава.

Верхняя литниковая система наиболее проста по конструкции, легко выполняется, требует незначительного расхода металла. Для систем на рис. 6 а,б характерным является то, что в течение всей заливки обеспечивается горячее зеркало расплава, что способствует направленному снизу вверх затвердеванию и устранению дефектов отливок, связанных с охлаждением и преждевременным затвердеванием головной части потока металла. Применять их для легкоокисляющихся сплавов нецелесообразно, так как падающая струя способствует образованию оксидных плен и пены. При таком подводе расплава может произойти размыв формы, повышенное окисление сплава. Система не обеспечивает задержание шлака, поэтому верхнюю литниковую систему применяют для низких отливок небольшой массы, простой конфигурации, с малыми и средними толщинами стенок.

В системах на рис. 6,б – 6,г шлакоуловители и питатели расположены сбоку отливки, чаще всего в горизонтальной плоскости разъема формы, что удобно в отношении формовки.

Нижнебоковая литниковая система рис 6,в обеспечивает спокойное заполнение формы, устраняет опасность размывания стенок и образования засоров. Однако при таком подводе сплава наблюдается неблагоприятное распределение температур по высоте отливки, что ухудшает условия ее питания. Нижние литниковые системы широко применяют при литье сплавов, склонных к пленообразованию: сплавов на основе алюминия, алюминиевых бронз, некоторых латуней.

При машинной формовке наиболее часто используют систему, показанную на рис. 6,г. Боковая система является одной из самых распространенных, особенно для отливок, плоскость симметрии которых совпадает с плоскостью разъема формы. При таком подводе сплава снижается (по сравнению с верхним) высота падения сплава и возможность разрушения формы.

В литниковых системах на рис. 6,е металл поступает снизу под затопленный уровень без разбрызгивания, окисления и вспенивания, что наиболее важно для легкоокисляющихся пленообразующих сплавов. Эти системы обычно применяют для отливок с отношением их высоты к толщине стенки не более 50, так как в противном случае форма может не заполниться металлом из-за преждевременного охлаждения и затвердевания головной части потока. Нижний подвод металла не способствует направленному снизу вверх затвердеванию отливки.

Ярусные литниковые системы (рис. 6,д) характеризуются последовательным действием питателей, начиная с нижних, по мере подъема уровня металла в полости формы. Эти системы, обеспечивающие спокойное заполнение и достаточно горячий металл в головной части потока, широко применяют при изготовлении крупных и тонкостенных отливок из черных и цветных сплавов.

Ярусную литниковую систему обычно используют для крупных отливок. В отличие от сифонного подвода сплава она создает лучшее питание отливки. Ярусная литниковая система наиболее сложна в выполнении и требует большого расхода металла.

Вертикально-щелевая система обеспечивает спокойное заполнение формы расплавом при сохранении направленности затвердевания отливки. Эту систему широко применяют при литье пленообразующих сплавов для отливок с малой толщиной стенки, хотя она требует большого расхода металла и повышает трудоемкость обрубных работ.

Дождевая (рассредоточенная по периметру отливки) литниковая система создает равномерное поступление сплава по периметру отливки, ее широко используют при отливке различных втулок из оловянных бронз.

Плавное без ударов и завихрений заполнение литейных форм обеспечивается применением расширяющихся литниковых систем с соотношением площадей сечений основных элементов

f _ст  : f _шл : ∑ f _пит =  1: 2: 3; 1: 2: 4; 1: 3: 6

соответственно для нижнего, щелевого или многоярусного подвода металла к полости литейной формы. Скорость подъема металла в полости литейной формы не должна превышать 4,5/δ, где δ - преобладающая толщина стенок отливки, см.

Рис. 7. Основные типы литниковых систем для литья алюминиевых сплавов в песчаные формы (по Н. М. Галдину):

а - верхняя; б - нижняя; в - боковая; г - вертикально-щелевая; д - ярусная с горизонтально расположенными питателями; е - ярусная с вертикально расположенными питателями; ж - комбинированная; 1 - чаша; 2 -  стояк; 3 - зумпф; 4 - металлоприемник; 5 - коллектор; 6 - горизонтальный питатель; 7 - отливка; 8 - прибыль; 9 - колодец; 10 - вертикальная щель; 11 -  шлакоуловитель; 12 - питающая бобышка; 13 - вертикальный питатель; 14 – выпор.

 

 

Тип литниковой системы выбирают с учетом габаритов отливки, сложности ее конфигурации и расположения в форме. Заливку форм для отливок сложной конфигурации небольшой высоты осуществляют, как правило, с помощью нижних литниковых систем. При большой высоте отливок и тонких стенках предпочтительно применение вертикально-щелевых или комбинированных литниковых систем. Формы для отливок малых размеров допустимо заливать через верхние литниковые системы. При этом высота падения струи металла в полость формы не должна превышать 80 мм.

 

Рис. 8. Расположение сеток в литниковых системах песчаных форм (а – г) и кокилей (д – ж)(по Н.М. Галдину):

1 - под стояком; б - в коллекторе; в - под питателем; г - между металлоприемником и шлакоуловителем; д - в колодце; е - в колодце и вертикальной щели; ж - в вертикальной щели.

Для уменьшения скорости движения расплава при входе в полость литейной формы и лучшего отделения взвешенных в нем оксидных плен и шлаковых включений в литниковые системы вводят дополнительные гидравлические сопротивления - устанавливают сетки (металлические или из стеклоткани) (рис. 8) или ведут заливку через зернистые фильтры.

Литники (питатели), как правило, подводят к тонким сечениям (стенкам) отливок рассредоточенно по периметру с учетом удобства их последующего отделения при обработке. Подвод металла в массивные узлы недопустим, так как вызывает образование в них усадочных раковин, макрорыхлот и усадочных «провалов» на поверхности отливок. В сечении литниковые каналы чаще всего имеют прямоугольную форму с размером широкой стороны 15-20 мм, а узкой 5-7 мм.

 

 

РАСЧЕТ ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ

В расчетах используют законы гидравлики, эмпирические зависимости и номограммы. Расчет обычно сводится к определению площади поперечного сечения узкого места f_уз литниковой системы с последующим определением площадей поперечных сечений остальных элементов системы. Основным является уравнение

где М - масса всех отливок в форме, включая боковые прибыли; р - плотность жидкого металла; τ - продолжительность заполнения формы; μ -коэффициент расхода металла; 0 < μ < 1; g -ускорение свободного падения; Н _p - расчетный статический напор.

Время заполнения формы рассчитывают по формулам, которые можно представить в следующей обобщенной форме:

τ =А δ^mMⁿ

где δ - толщина стенки (преобладающая) отливки, мм; М - масса отливки, кг; А, m, n - коэффициенты, значения которых различны для различных сплавов.

Наиболее часто используют зависимость вида     τ = A , в которой m  и n = 0,334.

Коэффициент расхода μ, характеризующий суммарные гидравлические потери, определять расчетным методом затруднительно, так как литниковые каналы являются относительно короткими и, кроме того, заранее необходимо знать площади сечений и размеры всех элементов литниковой системы. Поэтому его обычно определяют экспериментально. В большинстве случаев μ = 0,4-0,7.

Наибольшее влияние на коэффициент расхода оказывает сама литниковая система: ее сложность, характер местных сопротивлений, число поворотов и др. Влияние полости формы незначительно, и только для самых сложных и тонкостенных отливок можно вносить поправку 5-7 % в сторону снижения коэффициента μ.

В первом приближении можно пользоваться некоторыми практическими рекомендациями. По мере перехода от нижних к верхним литниковым системам коэффициент расхода увеличивается. Так, например, боковая и нижняя литниковые системы по сравнению с верхней имеют меньшие значения μ соответственно на 0,1 и 0,2. При повышении температуры заливки на 50 °С к значению μ прибавляют 0,05. Если полость формы имеет слабую вентиляцию, то μ уменьшают на 0,05.

При заливке через литниковую чашу происходит полное гашение энергии струи металла, падающей из ковша. Расчетный статический напор в этом случае (рис. 9, а)

H_p = H_o - p ² /(2 c)

где Н o - начальный напор или расстояние от горизонтальной оси питателей до верхнего уровня металла в чаше; р - расстояние от горизонтальной оси питателей до верха отливки; с — высота отливки.

 

Рис. 9. К определению расчетного статического напора при заливке металла через литниковую чашу (а) и воронку (б)

 

Для литниковых систем на рис. 6, а, б р = 0 и H р = H ₀ и для систем на рис. 6, в, е р = с и H р = H ₀ - с/2. Если заливка ведется через литниковую воронку (рис. 9, б), то расчетный статический напор

Hp = H ₀ - p ² (2 c)+ H ₁

где H ₀ - расстояние от оси питателей до верхней кромки верхней опоки; H ₁ - расстояние от верхней кромки верхней опоки до уровня металла в поворотном ковше.

После определения площади сечения узкого места по указанной ранее формуле рассчитывают площади поперечных сечений остальных элементов системы. На практике наиболее часто используют следующие соотношения площадей поперечных сечений стояка, шлакоуловителя и питателей;

  для чугунов

fст: fшл: ∑fпит составляет 1: 1,2: 1,5;

 

1: 1,5: 1,2; 1: (1-2): 1; 1,2:1,1:1,

Для сталей

fст:fшл:∑fпит =1,5: 1,3: 1,1,

а если применяют шамотный сифонный припас  

fст: fшл: ∑fпит  = 1:1:(1- 2),

Для медных сплавов

fст: fшл: ∑fпит  = 1: 2: (2- 4),