МЕТАЛЛОПРИЕМНИК ДЛЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ЛИТЬЯ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ
IRON RECEIVER FOR CENTRIFUGAL CASTING WITH VERTICAL ROTATIONAL AXIS

Предлагаемое изобретение относится к литейному производству, а именно к устройствам для литья с применением внешних воздействий на жидкий и кристаллизующийся металл, и может быть использовано при проектировании оборудования и изготовлении отливок способом литья с центрифугированием расплава.
Известны литниковые системы, имеющие центральный стояк (круглый, овальный, четырех-, шестигранный и др.) с установленным в центре конусным рассекателем (и без него) и литниковые ходы, радиальные или в виде отрезка кольца, с присоединенными к ним с помощью питателей формами отливок [см. Чистяков В.В. Методы подобия и размерностей в литейной гидравлике. - М.: Машиностроение, 1990, с.55; Серебряков С.П., Колобков Ю.А., Зарайская И.С. Патент РФ №2043826: 20.09.1995; Серебряков С.П., Чистяков В.В. Авторское свидетельство СССР №1003996, БИ №10, 15.03.83; Голованов И.Д. Авторское свидетельство СССР №1323217, БИ №26, 15.07.1987; Мирзоян Г.С., Куршев Н.Н., Бадалян М.У. Авторское свидетельство СССР №1675038, БИ №33, 07.09.91; Шишкин Г.В., Шомовский С.С., Лабутина Н.И., Морозова Т.Б. Авторское свидетельство СССР №1650338, БИ №19, 23.05.1991].
Такие литниковые системы не обеспечивают необходимой заполняемости рабочих полостей формы при производстве отливок. Причиной является проскальзывание расплава в металлоприемнике мимо входного отверстия радиального коллектора, которое дополнительно усиливается в результате практически полной потери начального динамического напора при резком повороте потока на 90°. Указанное снижение пропускающей способности литниковой системы, особенно на начальной стадии заполнения формы, способствует значительному снижению качества отливок.
Известна литниковая система, содержащая центральный стояк с расширяющейся нижней частью, рассекатель с лопатками, выполненными с переменной кривизной, и литниковые ходы, соединенные с формами питателями [см. Моисеев B.C., Неуструев А.А., Серебряков С.П., Колобков Ю.А., Церковский Б.Г., Фадеев А.В., Скорняков Ю.Л., Губанцев Н.В. Патент РФ №2058849, 27.04.1996], а также известен металлоприемник, содержащий центральный стояк, конусный рассекатель с ребрами, имеющими профиль лопатки центробежного насоса [см. Голованов И.Д. Авторское свидетельство СССР №203842, БИ №21, 09.10.1967].
Указанные конфигурации литниковых систем за счет применения глухих несообщающихся объемов, образуемых лопатками, существенно снижают проскальзывание расплава в металлоприемнике, повышают пропускающую способность литниковой системы. Однако использование лопаток или рассекателей с ребрами способствует вспениванию расплава - захвату потоком газов, образованию металловоздушной смеси и соответствующему браку отливок.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является металлоприемник, включающий приемную полость, конусный рассекатель, индивидуальные вертикальные каналы, переходящие в горизонтальные с радиусом перехода R и соединяющие приемную полость с выходными отверстиями [см. Шомовский С.С., Тонценко В.И. Авторское свидетельство СССР №969445, БИ №40, 30.10.1982].
Данный металлоприемник способствует увеличению пропускающей способности, однако существенно не снижает эффект проскальзывания расплава мимо вертикальных каналов, удар потока о рассекатель во время заливки приводит к значительной потере начального динамического напора, что способствует снижению пропускающей способности металлоприемника несмотря на уменьшение дальнейших гидравлических потерь за счет плавного поворота потока на 90°, а при недостаточном расходе может привести к безнапорному течению расплава в вертикальном канале металлоприемника и на выходе из него, снижению качества и браку отливок по недоливу.
Техническим эффектом, достигаемым от изобретения, является повышение качества отливок за счет повышения пропускающей способности металлоприемника и устранения проскальзывания, обеспечения напорного заполнения формы и более высокой скорости течения расплава (расхода) по каналам литниковой системы за счет снижения потерь динамического напора в металлоприемнике, устранения вихреобразования и снижения турбулизации потока.
Данный технический эффект достигается за счет того, что в металлоприемнике, включающем приемную полость и вертикальный канал, переходящий в горизонтальный с радиусом перехода R, вертикальный канал выполнен в виде насадка конфузорного или коноидального типа, присоединенного к основанию металлоприемника в его осевой части, причем угол конусности конфузора α не более 30°, отношение радиуса поворота канала к его диаметру R/d не менее 2,0, степень сужения насадка 1,5-3,0.
На фиг.1 представлен металлоприемник для центробежного литья с вертикальной осью вращения, где: 1 - приемная полость, 2 - вертикальный канал с насадком конфузорного типа (а) или коноидального типа (б).
Работает предлагаемый металлоприемник следующим образом. Расплав из заливочного устройства поступает в приемную полость 1 и далее в вертикальный канал 2, заполняя его по всему сечению. Расположение устья вертикального канала на оси вращения формы позволяет устранить эффект проскальзывания и обеспечить стабильное истечение расплава из приемной полости в канал. Конфигурация вертикального канала, включающая насадок коноидального или конфузорного типа, присоединенного к основанию приемной полости в его осевой части, и поворот потока на 90° относительно оси вращения формы, обеспечивает максимальное сохранение начального динамического напора при входе в приемную полость и снижает потери на гидравлические сопротивления в вертикальном канале. Согласно данным [см. Альтшуль А.Д., Животовский Л.С., Иванов Л.П. Гидравлика и аэродинамика. М.: Стройиздат, 1987, с.207-210, 313-316] коэффициент скорости потока для насадка конфузорного типа составляет 0,96, коноидального типа 0,97-0,995, коэффициент сопротивления насадка 0,01-0,1 в зависимости от степени сужения, его плавности, числа рейнольдса; коэффициент гидравлических потерь канала с углом поворота потока 90° зависит от отношениея R/d радиуса поворота к диаметру канала, коэффициента гидравлического трения.
Данный металлоприемник обеспечивает течение потока расплава по каналам литниковой системы в напорном режиме, без завихрений и заворотов и имеет высокую пропускающую способность (коэффициент расхода 0,7-0,8).
С целью проведения сравнительных испытаний предлагаемого металлоприемника и прототипа были проведены модельные исследования, в которых определены основные гидродинамические параметры процесса: расход, коэффициент расхода. Оптимальные значения основных конструктивных параметров металлоприемника (угол конусности α не более 30°; отношение радиуса поворота канала к его диаметру р=R/d не менее 2,0; степень сужения насадка 1,5-3,0) получены моделированием на прозрачных моделях и подтверждены экспериментально при получении реальных отливок. Результаты испытаний приведены в таблицах 1-3.
Как следует из данных табл.1, оптимальные значения коэффициента расхода (µ=0,7-0,8 были получены при использовании насадка конфузорного типа с углом конусности α не более 30°. Увеличение угла конусности более 30° приводит к существенному снижению коэффициента расхода, что значительно сказывается на пропускающей способности металлоприемника.
Как следует из данных табл.2, увеличение радиуса поворота канала пропорционально повышению коэффициента расхода металлоприемника, наиболее оптимальные значения коэффициента расхода µ=0,65-0,8 получаются при отношении радиуса поворота канала к его диаметру р=R/d не менее 2,0, однако чрезмерное увеличение радиуса поворота приводит к необоснованному увеличению габаритов металлоприемника.
Как следует из данных табл.3, оптимальные значения коэффициента расхода µ=0,7-0,8 были получены при степени сужения h=1,5-3,0. Снижение степени сужения менее 1,5 приводит к некоторому увеличению коэффициента расхода, однако способствует необоснованному увеличению габаритов металлоприемника. Увеличение степени сужения более 3,0 приводит к существенному снижению коэффициента расхода (при одинаковом объеме заливаемой жидкости) и повышению металлоемкости металлоприемника (при сохранении одинакового напора над устьем вертикального канала).
Как показали сравнительные испытания предлагаемого изобретения с прототипом, при одинаковых конструктивных параметрах среднее значение коэффициента расхода у прототипа в 1,4-1,5 раза ниже.
Табл.1
Исследование влияния угла конусности насадка конфузорного типа на коэффициент расхода при числе оборотов формы 100-800 об/мин, диаметре приемной полости D=30 мм, диаметре канала 10 мм
n, об/мин
Коэффициент расхода µ для угла конусности α, град
60
45
30
15
13
100
0,40
0,56
0, 68
0,74
0,75
200
0,41
0,58
0,70
0,75
0,77
300
0,43
0,59
0,71
0,77
0,8
400
0,46
0,61
0,74
0,79
0,81
500
0,49
0,65
0,76
0,82
0,83
600
0,39
0,52
0,66
0,70
0,72
700
0,34
0,48
0,60
0,64
0,65
800
0,32
0,44
0,58
0,62
0,64
Табл.2
Исследование влияния отношения радиуса поворота канала к его диаметру р=R/d на коэффициент расхода при числе оборотов формы 100-800 об/мин, диаметре приемной полости D=30 мм, диаметре канала 10 мм
n, об/мин
Коэффициент расхода µ для радиуса поворота канала R (отношения радиуса поворота канала к его диаметру р=R/d), мм
10 (р=1,0)
20 (р=2,0)
30 (р=3,0)
40 (р=4,0)
50 (р=5,0)
100
0,48
0,59
0,63
0,65
0,68
200
0,50
0,61
0,65
0,67
0,7
300
0,52
0,64
0,67
0,69
0,71
400
0,55
0,66
0,71
0,72
0,74
500
0,58
0,60
0,72
0,75
0,76
600
0,47
0,53
0,60
0,62
0,66
700
0,42
0,48
0,56
0,57
0,60
800
0,39
0,42
0,49
0,54
0,58
Табл.3
Исследование влияния степени сужения на коэффициент расхода при числе оборотов формы 100-800 об/мин
n, об/мин
Коэффициент расхода µ при диаметре приемной полости D=30 мм для диаметра канала металлоприемника d (степени сужения h=D/d), мм
20 (1,5)
17 (1,7)
15 (2,0)
12 (2,5)
10 (3,0)
100
0,71
0,69
0,69
0,68
0,67
200
0,73
0,72
0,71
0,70
0,68
300
0,76
0,74
0,73
0,72
0,70
400
0,79
0,78
0,77
0,75
0,74
500
0,84
0,8
0,79
0,78
0,76
600
0,75
0,73
0,71
0,69
0,66
700
0,68
0,66
0,65
0,63
0,60
800
0,64
0,61
0,60
0,59
0,58
n, об/мин
Коэффициент расхода µ при диаметре канала металлоприемника d=10 мм для диаметра приемной полости (степени сужения h=D/d), мм
20 (2,0)*
30 (3,0)*
40 (4,0)*
50 (5,0)*
60 (6,0)*
100
0,72/0,50
0,68/0,42
0,6/0,39
0,46/0,31
0,32/0,18
200
0,75/0,52
0,70/0,44
0,61/0,40
0,47/0,32
0,35/0,19
300
0,77/0,54
0,71/0,47
0,63/0,42
0,49/0,34
0,37/0,22
400
0,82/0,57
0,74/0,50
0,65/0,44
0,50/0,36
0,4/0,26
500
0,85/0,58
0,76/0,51
0,67/0,46
0,52/0,38
0,43/0,27
600
0,73/0,53
0,66/0,44
0,59/0,41
0,45/0,34
0,39/0,23
700
0,67/0,50
0,60/0,42
0,5/0,34
0,38/0,30
0,32/0,21
800
0,65/0,46
0,58/0,40
0,48/0,32
0,35/0,27
0,3/0,19
* в знаменателе приведены значения коэффициента расхода прототипа при одинаковых конструктивных параметрах металлоприемника