Гидромеханические явления процесса формирования отливок

Глава II. Гидромеханические явления процесса

формирования отливок

Гидромеханические явления поведения металлических расплавов рассматриваем как приложения законов гидростатики и гидродинамики к анализу технологических операций, связанных с жидким металлом. Гидромеханические явления рассматриваются для металлов и сплавов с перегревом 20-100°С и выше над температурой затвердевания, при котором металлические расплавы ведут себя как обычные капельные (ньютоновские) жидкости.

2.1. Приложения законов гидростатики к поведению

расплавов металлов в литейных печах, ковшах,

разливочных устройствах, литейных формах

Величина давления расплава на дно ковша, литейной формы описывается выражением:

, где r – плотность расплава; g – ускорение земного притяжения; h – высота столба жидкого металла; р₀ – величина давления на свободную поверхность расплава, чаще всего р₀ = р_атм – атмосферному давлению. Но в некоторых практических случаях литейных технологий р₀ ¹ р_атм. Например, в вакуумных печах, литейных формах, заливаемых вакуумным всасыванием или под разрежением р₀ < р_атм. И напротив в герметизированных ковшах при модифицировании чугуна магнием в автоклавном способе литья р₀ > р_атм.

По величине рассчитанного давления р_д, определяем силу Р, действующую на отрыв дна ковша, на разрушение литейной формы в самой нижней ее части:

, где F – площадь плоской поверхности дна ковша (литейной формы).

Если полость литейной формы, полость ковша или печи имеет непостоянное по высоте поперечное сечение, то в расчетах следует учитывать известный гидростатический парадокс и вместо величины металлостатического rgh принимать величину силы тяжести жидкого металла, находящегося в емкости – Mg, где М – масса жидкого металла.

Величина силы давления, действующей на боковую поверхность литейной формы, ковша, печи определяется:

, где F_б – площадь проекции боковой поверхности литейной формы (ковша, печи); р_б – расчетная величина давления расплава на боковую поверхность: , , т.е. половина величины металлостатического напора. По величине силы давления на боковую поверхность рассчитывают усилие раздвижения полуформ при вертикальной плоскости разъема и соответственно усилие запирания таких форм.

Большая роль в литейных технологиях отводится применению закону Архимеда – поведению твердых тел погруженных в жидкость, в нашем случае в расплав металла. Сила давления расплава на погруженное в него твердое тело рассчитывается:

, где W – объемное водоизмещение, т.е. объем расплава, вытесненного погруженным твердым (или жидким нерастворимым в металле) теле. Если , то имеет место равновесие, М – масса погруженного в расплав тела (литейный стержень, частицы шлака, инородный металл).

При условии  происходит погружение (опускание) в расплав, а при  – всплывание (подъем) инородного тела. Итак, если масса литейного стержня меньше величины "водоизмещения" – rW, то будет происходить всплывание стержня, и необходимо применять дополнительные технологические приемы, чтобы предупредить это явление (устройство жеребеек, увеличение размеров знаков стержней, приклеивание знаков стержней к форме). Заметим, что в соответствии с законом Архимеда подъемная сила на стержни и другие тела, погруженные в расплав легких сплавов меньше, чем для тяжелых металлов пропорционально величине плотности расплава r.

Для однородной массы шлаковых частиц (флюсы, оксиды) без внутренних пустот и раковин закон Архимеда преобразуется в виде соотношения плотностей металла и шлака. В большинстве своем  – для чугунов и сталей  г/см³, а  г/см³ и потому шлак всплывает на поверхность в печах и ковшах. Это явление используют при разработке процессов плавки, рафинирования металлов и сплавов. Для шлаковых частиц не очень мелких размеров (более одного миллиметра) скорость всплывания рассчитывают:

, где d – диаметр шлаковой частицы; g – ускорение силы тяжести.

Для легких сплавов на основе магния и алюминия соотношение плотностей оксидов и расплава металла иное, а именно  ( г/см³,  г/см³), поэтому частицы оксидов тонут и располагаются в нижней части металлической ванны.

Для легких сплавов подбор состава покровных шлаков, обеспечивающих их постоянное и стабильное расположение на поверхности расплава (), рассматривается в виде основного технологического параметра.

На основе законов гидростатики рассчитываются усилия нагружения песчаных форм и запирания металлических форм. Для форм с горизонтальной плоскостью (поверхностью) разъема усилие на верхнюю полуформу, развиваемое металлостатическим давлением металла, определяется:

, где h_p – расчетный металлостатический напор; F – проекция профиля полости на верхнюю горизонтальную плоскость формы. Если в форме имеется стержень (или несколько стержней), то к величине Р_рас плюсуется подъемная сила стержня:

.

Естественно при  подъемная сила стержня отсутствует.

Отсюда, усилие нагружения (закрепления) форм при горизонтальной плоскости разъема равно:

, где М_вер – масса верхней полуформы.

Усилие запирания металлических форм с вертикальной плоскостью разъема при свободной (гравитационной) заливке рассчитывают по усилию, действующему на боковую поверхность:

.