Шлакоуловитель в литейной форме

Разновидности литниковых систем

Шлакоуловители служат для задержания шлака и других неметаллических включений, могущих оказаться в расплаве, например оксидных плен, частиц формовочного материала и огнеупорной облицовки (футеровки) ковша.

Улавливание шлака может происходить и в коллекторе, если он быстро заполняется металлом и имеет достаточную протяженность, чтобы частицы шлака успели всплыть в верхнюю часть его до попадания в питатель. Это наиболее вероятно при малых скоростях движения расплава в коллекторе, в случае литья тяжелых сплавов (чугуна, стали, латуней и бронз), когда значительно более легкие неметаллические включения быстро всплывают.

При литье легких сплавов (алюминиевых, магниевых) это обычно не происходит и коллектор выполняет только роль канала, подводящего расплав к питателям в горизонтальной плоскости. Поэтому для надежного задержания шлаков и других неметаллических включений при изготовлении отливок из любых литейных сплавов в литниковой системе выполняют различные специальные шлакоулавливающие устройства, некоторые конструкции которых показаны на рис. 1.9. Ранее были показаны устройства, способствующие задержанию шлаков в литниковой чаше (см. рис. 1.7) ив конце стояка, перед литниковым ходом (см. рис. 1.5; 1.8, а).

Рис. 1.9. Шлакоуловители в литниковых системах различной конструкции:
а — литниковая система с шлакоулавливающими бобышками, б — схема центробежного шлакоуловителя, в — схема шлакоуловителя с рожковым литниковым ходом и шлаковыпором. г — двусторонняя литниковая система с фильтрующей сеткой, шлакоуловителями и закрытыми отводными прибылями (питающими бобышками); 1 — стояк. 2 — литниковый ход (коллектор), 3 — шлакоулавливающие бобышки, 4 — рожковый литниковый ход, 5 — шлаковыпор, 6 — надсеточный шлакоуловитель, 7 — фильтрующая сетка из стержневой смеси, 8 — подсеточный металлоприемник, 9 — промежуточный шлакоуловитель, 10 — литниковые ходы, 11 — закрытые отводные прибыли (питающие бобышки), 12 — питатели

Литниковые дроссели — местные сужения в литниковой системе в виде вертикальных щелевидных каналов, используются для регулирования скорости движения расплава и заполнения формы (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Литниковая система с дросселем:
1 — стояк, 2 — металлоприемник, 3 — дроссель, 4 — расширяющаяся часть дросселя, 5 — литниковый ход ведущий к питателям

Питатели — каналы, служащие для непосредственного подвода металла в рабочую полость формы. Обычно питатели представляют собой прямые каналы трапециевидного сечения и располагаются между литниковым ходом или шлакоуловителем и отливкой. Наиболее характерно расположение питателей под литниковым ходом (рис. 1.11) или в нижней части его (см. рис. 1.15,6), что затрудняет попадание шлака в полость формы. Применяют также питатели специальной конструкции: рожковые, вертикально-щелевые (рис. 1.12) и др.

Рис. 1.11. Литниковая система с подводом металла в среднюю часть отливки, сбоку: 1 — литниковая чаша, 2 — стояк, 3 — металлоприемник (зумпф), 4 — литниковый ход (коллектор), 5 — питатели, 6 — отливка. 7 — выпоры-прибыли

Рис. 1.12. Подвод металла через вертикально-щелевую литниковую систему: 1 — литниковая чаша, 2 — змеевидный стояк, 3 — фильтрующая сетка, 4 — металлоприемник, 5 — литниковый ход, 6 — обратный стояк (колодец), 7 — вертикальный щелевой питатель, 8 — прибыли, 9 — отливка

Выпоры — элементы литниковой системы для вывода воздуха и газов из полости формы и контроля заполнения ее расплавленным металлом. В ряде случаев выпоры служат и для питания отливки металлом при ее затвердевании, т, е. выполняют роль прибыли (см. рис. 1.11). В соответствии с назначением выпоры представляют собой открытые сверху вертикальные или наклонные каналы обычно круглого, овального или прямоугольного сечения, устанавливаемые над наиболее возвышенными и удаленными от места подвода металла частями формы либо примыкающими к ним сбоку (см. рис. 1.5; 1.13).

Рис. 1.13. Верхняя литниковая система с отводным (боковым) выпором:
1 — литниковая воронка, 2 — стояк, 3 — металлоприемник, 4 — коллектор, 5 — питатели, 6 — отливка, 7 — отводной (боковой) выпор

§ 1. Литейная форма и ее основные элементы

Литейная форма (рис. 2) представляет собой систему элементов, образующих рабочую полость с внешними контурами получаемой отливки. После заливки в такую полость жидкого металла он охлаждается в ней и затвердевает, образуя отливку.

Литейная форма состоит из нескольких, обычно из двух, частей (полуформ), собранных в одно целое. Полуформа , т. е. верхняя или нижняя половина литейной формы, представляет собой опоку, в которой находится в уплотненном состоянии смесь неорганических (кварцевый песок, глина и др.) и органических (опилки, уголь и др.) материалов.

Назначение литейной опоки — удерживать смесь при ее уплотнении, перемещении и сборке полуформ. Опоки снабжают цапфами или ручками для их транспортирования. Крупные опоки имеют крестовины, которые придают опоке жесткость и прочность.

Сборку полуформ производят по штырям, которые вставляют в отверстия приливов на опоке. Штыри — тщательно обработанные металлические стержни. При ручной формовке и сборке форм применяют обычно одни и те же штыри. Иногда штыри закрепляют в нижней опоке.

В литейной форме выполняют систему каналов, т. е. литниковую систему , предназначенную для подвода жидкого металла в полость формы и для обеспечения ее заполнения, а также питания отливки при затвердевании. Литниковая система включает подводящие (чашу, стояк, шлакоуловитель, питатели) и питающие (прибыль, выпор) элементы.

Рис. 2. Литейная форма:

1, 2 —полуформы, 3 — выпор, 4 — крестовины опок, 5 — литниковая чаша, 6 — стояк, 7 — шлакоуловитель, 8 — штырь, 9 — питатель, 10 — цапфа опоки, 11 — вентиляционные каналы, 12 — жеребенка, 13 — холодильник, 14 — стержень, 15 — полость формы

Для приема расплавленного металла и удерживания шлака служит литниковая чаша , расположенная в верхней полуформе. Вертикальный или наклонный канал — стояк предназначен для подачи металла из литниковой чаши в шлакоуловитель. Последний расположен горизонтально и предназначен для удерживания шлака и других неметаллических примесей расплавленного металла. Следующий за шлакоуловителем литниковый канал — питатель (их может быть несколько) служит для подвода жидкого металла непосредственно в рабочую полость формы.

Для вывода газов из рабочей полости формы, для контроля заполнения формы расплавленным металлом при заливке, а иногда для питания отливки при затвердевании служит вертикальный канал — выпор , расположенный в верхней полуформе. Кроме того, для улучшения газопроницаемости формы в ней выполняют вентиляционные каналы — тонкие полости, получаемые при накалывании полуформ острыми металлическими иглами-душниками.

В массивных частях отливки могут возникнуть дефекты усадочного происхождения — поры, раковины, которые снижают ее прочность. Такие дефекты предупреждают использованием прибыли — элемента литниковой системы в виде полости, заполняемой жидким металлом для питания отливки в процессе ее затвердевания. С этой же целью применяют металлические холодильники , которые устанавливают в форму около массивных частей отливки.

Литейный стержень — элемент литейной формы, предназначенный для образования отверстий, полостей или других сложных контуров в отливке. Стержни в форме фиксируют на знаках — выступах, входящих в соответствующие впадины рабочей полости. Дополнительными опорами стержней являются металлические подставки (жеребейки) различной конструкции и конфигурации, которые сплавляются с заливаемым в форму жидким металлом.

Литниковая система, ее назначение и устройство

Литниковая система — система каналов и элементов литейной формы, обеспечивающих подвод расплавленного металла к полости формы, ее качественное заполнение и питание отливки при затвердевании. Ее основными элементами являются (рис. 3.45): литниковая чаша 7, стояк 2, шлакоуловитель 3, питатели 4, выпор 5, прибыль, зумф 6.

Литниковая чаша — элемент литниковой системы для приема расплавленного металла из ковша и подачи его в форму. Кроме того, заполненная литниковая чаша при заливке препятствует проникновению в форму шлака, который легче металла, а потому всплывает и остается на поверхности литниковой чаши. При заливке из больших ковшей широкая струя металла может разрушить дно чаши и смытые куски смеси попадут в форму. Чтобы избежать размывания литниковой чаши, стенки ее делают из более прочной облицовочной смеси, а в дно заформовывают керамическую плитку.

Тип литниковой чаши зависит от необходимого объема металла в ней. Маленькие литниковые чаши удобно делать утопленными на поверхности формы (рис. 3.45, а), если между дном чаши и полостью формы 8 остается достаточный слой смеси. Если дно чаши расположено близко к полости формы, то металл, заливаемый в чашу, может продавить небольшой слой смеси и разрушить верх формы. В таких случаях литниковую чашу делают не в форме, а в отдельной небольшой рамке 7, поставленной на поверхность формы над стояком (рис. 3.45, б).

Стояк — элемент литниковой системы в виде вертикального или наклонного канала, служащий для подачи расплавленного металла из литниковой чаши к другим элементам системы или непосредственно в рабочую полость формы. Для удобства удаления модели из формы стояки делают коническими, расширяющимися кверху. В маленьких формах верхняя часть стояка заканчивается небольшой воронкой, выполняющей роль чаши (рис. 3.45, в). При заливке крупных форм во избежание размыва металлом дна стояка под ним (на поверхности разъема формы, в нижней опоке) делают углубление, называемое зумпфом (рис. 3.45, а, б).

Рис. 3.45. Элементы литниковой системы: 1 — литниковая чаша; 2 — стояк; 3 — шлакоуловитель; 4 — питатели; 5 — выпор; 6 — зумпф; 7 — рамка; 8 — полость формы

Шлакоуловитель — элемент литниковой системы для задерживания шлака, кусочков формовочной смеси и подвода расплавленного металла из стояка к питателям. Существуют несколько конструкций шлакоуловителей: трапецеидальные, зигзагообразные, шаровые, ступенчатые. В сырых формах для художественных отливок чаще всего используют шлакоуловители с трапецеидальным сечением. Частицы шлака, попадая с металлом в шлакоуловитель, расположенный выше питателей, всплывают и остаются в нем, не проникая в полость формы. В кусковых формах устройство шлакоуловителя, подающего расплавленный металл из стояка к питателям, не всегда представляется возможным. В этих случаях для подачи металла из стояка к питателям на поверхности разъема формы вырезают канал, называемый литниковым ходом.

Питатель — элемент литниковой системы для подвода расплавленного металла в полость литейной формы. Питатели чаще всего располагают в нижней полуформе под шлакоуловителем. Их не следует делать в том месте под шлакоуловителем, где в него входит стояк, так как возможно попадание шлака в форму. В формах толстостенных отливок питатели прорезают в виде каналов с треугольным сечением, в тонкостенных отливках — в виде широких трапецеидальных каналов (рис. 3.45, в). Толщина таких питателей не должна превышать толщину стенки отливки; в противном случае при обрубке литника будет выламываться стенка отливки.

Выпор — элемент литниковой системы для вывода газов из формы при заливке, контроля заполнения формы расплавленным металлом, питания отливки в момент ее затвердевания, смягчения удара струи металла в верхнюю стенку полости формы в конце заливки, слива холодного металла из верхней части полости формы.

Заливка, при которой часть холодного металла сливается из полости формы через выпор, носит название заливки с перепуском. При заливке формы с перепуском уровень металла в чаше должен быть несколько выше уровня металла в выпоре. В литейных формах, полость которых расположена в нижней опоке, выпор делают в виде стояка на противоположном от литниковой системы конце формы (рис. 3.46, а). Такой выпор называют отводным. Кроме того, он может быть питающим и сигнальным.

Рис. 3.46. Устройство выпора и прибыли: а — отводной выпор; б — выпор в верхней части формы; в — отливка без прибыли; г — отливка с прибылью

В формах, полости которых расположены в верхней опоке, выпор ставят в той части полости формы, которая расположена выше всех остальных (рис. 3.46, б). Если выпор поставлен в части формы, которая расположена ниже других, газы и шлак, всегда скапливающиеся в верхней части формы, могут не попасть в него, а потому останутся в форме, образуя газовые или шлаковые раковины.

Прибыль. Во время усадки металла в форме в стенках отливки могут образовываться усадочные раковины. Наиболее часто они возникают там, где металл долгое время остается в жидком состоянии, т. е. в толстых сечениях отливки (рис. 3.46, в). В тонких сечениях раковины образоваться не могут, потому что возникающая в процессе затвердевания усадка компенсируется металлом из соседних, более толстых сечений отливки, находящихся еще в жидком состоянии.

Таким образом, усадочные раковины располагаются в наиболее толстых частях отливки, которые затвердевают последними. Если во время затвердевания отливки в то место, где происходит образование усадочной раковины, своевременно добавлять жидкий металл — питать отливку, то усадочной раковины в ней не будет. Такой прием в производстве отливок используется как средство борьбы с усадочными раковинами.

Питание отливки в момент ее усадки осуществляется за счет жидкого металла элемента литниковой системы, устраиваемого в форме над той частью отливки, где возможно образование раковины. Такую полость в форме называют прибылью (рис. 3.46, г). Но такая прибыль может питать отливку лишь в том случае, если металл в ней в момент образования раковины в отливке еще жидкий и затвердевает после затвердевания питаемого узла. Следовательно, чтобы в прибыли сохранить металл в жидком состоянии, сечение и размеры ее должны быть больше размеров той части отливки, которую она питает. При таком условии усадочные раковины будут образовываться не в отливке, а в прибыли, которая впоследствии будет удалена. Прибыли могут быть закрытыми и открытыми. На рис. 3.46, г показана часть отливки трубы с фланцем и открытой прибылью.

Описанный выше способ устройства прибылей как средство борьбы с усадочными раковинами в отливках неэкономичен вследствие большого расхода металла и трудоемкости операции отрезки прибылей. Существуют более выгодные способы питания отливок с помощью прибылей с атмосферным и газовым давлением, позволяющие значительно уменьшить размеры прибылей. Принцип работы прибыли, действующей под атмосферным давлением, состоит в том, что в полость ее до заливки вставляют песчаный стерженек, через который вовнутрь передается атмосферное давление, способствующее подаче жидкого металла в питаемый узел.

В прибыль, действующую под газовым давлением, вставляется патрон с мелом. Разлагаясь при заливке, он выделяет газ и создает в прибыли повышенное давление. Толщина стенки патрона делается такой, чтобы она расплавилась после того, как на поверхности прибыли образовалась корка затвердевшего металла.

Применяемые при отливке крупных изделий открытые прибыли для уменьшения их размеров подогревают путем доливки металла, засыпки материалами, выделяющими теплоту (молотым шлаком, древесным углем, лункеритом). Обогрев открытых прибылей производится при помощи облицовки их экзотермическими смесями, в состав которых входят алюминиевый порошок, ферросилиций, железная окалина, шамотный порошок и огнеупорная глина. При химической реакции между составляющими смеси выделяется теплота, которая обогревает прибыль. Экзотермический обогрев прибыли позволяет уменьшить ее размеры на 8-9 %.

Прибыли делают прямыми и отводными. Отводные прибыли применяют для питания местных термических узлов и нескольких небольших отливок. В отличие от прямых их располагают сбоку от питаемого узла и соединяют с ним массивной шейкой.

Каждый из элементов литниковой системы имеет свое назначение, а потому неправильное изготовление его может стать причиной брака в отливке. Поэтому при серийном производстве отливок выгоднее применять заранее изготовленные модели литниковой системы, имеющие расчетную площадь сечения и правильный профиль.

Шлакоулавливающее устройство в литейной форме

Изобретение относится к литейному производству и может быть использовано при изготовлении отливок из черных и цветных сплавов. Шлакоулавливатель выполнен в виде полости-бобышки и металлоприемника, между которыми размещена вставка. Вставка выполнена с выступом, образующим зазор между стенками полости-бобышки. Вставка может содержать встроенный фильтрующий элемент. Металлоприемник соединен с питателем, который имеет меньшее пропускное сечение, чем литниковый ход. Расплав вводят из литникового хода в полость-бобышку по касательной, благодаря чему он приобретает центробежное движение. Наибольшему воздействию центробежных сил расплав подвергается в зазоре между полостью-бобышкой и выступом вставки. Это способствует очищению первых порций металла от шлаков. По мере очищения расплава от шлаков в полости-бобышке он поступает в металлоприемник, а затем по питателю — в форму. Дополнительная очистка расплава осуществляется при прохождении его через фильтр. Обеспечивается требуемая чистота расплава, исключается преждевременное закупоривание фильтра. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к литейному производству, а именно к литниковым системам, применяемым для литейных форм, и может быть использовано при изготовлении отливок из черных и цветных сплавов.

Известно шлакоулавливающее устройство в литейной форме в виде горизонтальной полости со встроенным фильтрующим элементом для повышения эффективности очистки расплава от неметаллических включений, засоров и шлака [1]. Фильтрующим элементом служит сетка металлическая или изготовленная из стержневой смеси, огнеупорного состава или керамики.

Недостатком такой конструкции является низкая эффективность улавливания включений.

Известно шлакоулавливающее устройство в литейной форме, содержащее вертикально или горизонтально встроенный пенокерамический фильтр [2].

Недостатком данной конструкции является невозможность ее применения для крупных отливок, отливаемых в песчано-цементных формах, из-за закупорки отверстий фильтра включениями в процессе заливки, что приводит к снижению скорости или остановке течения расплава в литниковой системе. Кроме того, высока стоимость пенокерамических фильтров.

Наиболее близким к заявляемому является шлакоулавливающее устройство [3] в литейной форме, в виде полости, предусматривающей образование в ней центробежных усилий, в частности в виде бобышки — цилиндрической или усеченной конусообразной, воздействующих на вводимый в устройство по касательной к боковой поверхности полости расплав, причем к полости для вывода расплава подсоединен литниковый канал, примыкающий к ней по касательной в нижней ее части, при этом потоку расплава в полости придается вращательное движение. Такая конструкция шлакоуловителя способствует улавливанию большей части неметаллических включений за счет действия на твердые частицы центробежных, выталкивающих сил и сил, обусловленных разностью удельных весов включений и расплава.

Недостатком такой конструкции является то, что не улавливаются первые порции металла, обогащенные различными включениями, а также то, что центробежные усилия неравномерны по всему объему формы. Кроме того, не все частицы шлака улавливаются таким устройством.

Заявляемое изобретение решает задачу создания шлакоулавливающего устройства, эффективно удерживающего неметаллические включения в расплаве.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения, является более эффективное удержание неметаллических включений, в том числе и в первых порциях расплава, за счет формирования слоя расплава, подвергающегося наибольшему воздействию центробежных усилий, благодаря направляющим выступам на вставке вблизи боковых стенок формы устройства. Кроме того, удержание может быть еще более эффективным за счет механического удержания неметаллических включений путем фильтрации через вставку.

Этот технический результат достигается тем, что в шлакоулавливающем устройстве в литейной форме, выполненном в виде полости-бобышки, предусматривающей образование в ней центробежных усилий, воздействующих на вводимый по касательной к боковой поверхности полости-бобышки расплав, содержащем, кроме того, питатель в виде канала для вывода расплава из металлоприемника, сообщающегося с полостью в нижней ее части, между металлоприемником и бобышкой коаксиально установлена вставка, выполненная с выступом для образования зазора между стенками полости бобышки и выступом, причем во вставке выполнено отверстие, соединяющее полость бобышки с металлоприемником.

При этом для дополнительного улавливания неметаллических включений на вставке может быть установлен фильтрующий элемент.

Шлакоулавливающее устройство в литейной форме выполнено (чертеж) в виде полости-бобышки 1, форма которой выполнена с возможностью создания в введенном в полость расплаве центробежных усилий, например, полость-бобышка может быть выполнена цилиндрической. С бобышкой в ее нижней части соединен литниковый ход 2, выполненный с возможностью введения через него расплава в бобышку по касательной к боковой поверхности полости-бобышки. На дне бобышки между полостью-бобышкой и металлоприемником 6, расположенным в нижней части бобышки, коаксиально установлена вставка 3, выполненная с выступом 7 для направления первых порций металла. Зазор 8 между стенками бобышки и выступом 7 образует полость. В центральной части вставки выполнены фильтрующие отверстия 9, соединяющие полость-бобышку с металлоприемником 6. Вставка может дополнительно содержать встроенный фильтрующий элемент 5. Металлоприемник 6 соединен с питателем 4. Как и во всех известных системах, заполнение полости бобышки обеспечивается замкнутой литниковой системой, имеющей меньшее пропускное сечение выводящего канала 4 по отношению к вводящему литниковому ходу 2 (см. чертеж — вид спереди и сверху).

Расплав вводят из литникового хода 2 в полость-бобышку 1 по касательной, благодаря чему расплав приобретает центробежное движение. При этом вначале расплав оказывается замкнутым в зазоре 8 между стенками полости-бобышки и выступом 7 вставки 3, образующем полость, благодаря чему на весь объем расплава действуют центробежные усилия, выталкивающие неметаллические включения из расплава. Причем в зазоре 8 расплав подвергается наибольшему воздействию центробежных усилий, которые способствуют перемещению и всплытию неметаллических включений, их концентрации вначале в верхней части полости, образуемой в зазоре 8, а затем, по мере заполнения бобышки, в центральной верхней части полости бобышки. Как и во всех известных системах, заполнение полости бобышки обеспечивается замкнутой литниковой системой, имеющей меньшее пропускное сечение выводящего канала 4 по отношению к вводящему литниковому ходу 2 (см. вид спереди и сверху). Литниковый ход 2, выполненный с возможностью введения расплава по касательной к боковой поверхности бобышки, обеспечивает непрерывное вращение металла в полости 1, что способствует эффективному всплыванию частиц. Так как первые порции расплава попадают в полость, образуемую в зазоре 8, то из нее же первые порции очищенного металла из слоя, находящегося у выступа 7 вставки, образующего зазор между стенкой полости бобышки и вставкой, попадают через отверстия 9 вставки 3 в металлоприемник 6. По мере дальнейшего поступления металла полость бобышки заполняется расплавом. Нижние слои предварительно очищенного таким образом расплава постоянно поступают из полости, образуемой в зазоре через отверстия 8 вставки 3 в металлоприемник 6. Незначительное количество неметаллических включений, находящихся в нижних слоях расплава, дополнительно механически удерживаются, путем фильтрации с помощью фильтрующего элемента 5. Затем предварительно очищенный расплав самотеком поступает через отверстия цилиндрической вставким в металлоприемник 6.

Такая конструкция позволяет уловить неметаллические включения из первых порций заливаемого расплава, что важно, т.к. эта часть расплава наиболее обогащена включениями.

Применение двойной очистки в шлакоулавливающем устройстве позволяет обеспечить требуемую чистоту расплава. Предварительная очистка исключает преждевременное закупоривание отверстий фильтра.

Фильтрующий элемент вставки 3 может быть выполнен в виде жесткой фильтровальной сетки, имеющей форму цилиндра с отверстиями. Она может быть изготовлена из стержневой смеси, огнеупорного состава, керамики или пенокерамики.

Использование устройства позволит увеличить эффективность рафинирования расплава.

Источники информации 1. Рыжиков А.А. Технологические основы литейного производства. М.: Машгиз, 1962 г.

2. J. J. Valekx (Нидерланды). Влияние переменных параметров на работоспособность пенокерамических фильтров. Доклад. Международный конгресс литейщиков. Гаага — 1993.

3. Рабинович Б. В. Введение в литейную гидравлику. М.: Машиностроение. 1966 г.

4. Галдин Н. М. , Чистяков В.В., Шатульский А.А. «Литниковые системы и прибыли для фасонных отливок». М.: «Машиностроение», 1992 г.

1. Шлакоулавливающее устройство в литейной форме, выполненное в виде полости-бобышки, предусматривающей образование в ней центробежных усилий, воздействующих на вводимый по касательной к боковой поверхности полости-бобышки расплав, содержащее, кроме того, питатель в виде канала для вывода расплава из металлоприемника, сообщающегося с полостью в нижней ее части, отличающееся тем, что между металлоприемником и полостью-бобышкой коаксиально установлена вставка, выполненная с выступом для образования зазора между стенками полости-бобышки и выступом, причем во вставке выполнено отверстие, соединяющее полость-бобышку с металлоприемником.

2. Шлакоулавливающее устройство по п.1, отличающееся тем, что во вставке установлен фильтрующий элемент.