ULIVNI SISTEM 2/2

Mašinski fakultet SarajevoKatedra za mašinski proizvodni

inženjering

Prezentacija seminarskog rada

DIMENZIONISANJE ULIVNOG SISTEMA

1. PRIMJENA ZAKONA O KONTINUITETU STRUJANJA

• Prema zakonu o kontinuitetu strujanja, u sistemu s nepropusnim stjenkama koji je ispunjen nestišljivom tekućinom, intenzitet strujanja (Q) je konstantan u svim tačkama sistema:

Q, intenzitet strujanja (m3/s), A1 i A2 , površine poprečnog presjeka kanala u tački 1, odnosno tački 2 (m2), v1 i v2 su brzine strujanja fluida u tački 1, odnosno tački 2.

Slika 1. Brzina toka rastopa kroz kanal s različitim površinama poprečnog presjeka

• Zapremina tekućine koji protiče u jedinici vremena kroz bilo koji presjek u sistemu je konstantan.

• To znači da brzina tekućine raste sa smanjenjem površine poprečnog presjeka i obrnuto.

• Zakon o kontinuitetu strujanja primjenjuje se pri dimenzionisanju spusta koji se sužava prema dole.

• Za isto vrijeme treba ista količina rastopa proteći na gornjem i na donjem kraju spusta.

Slika 2. Shematski prikaz pojednostavljenog pritisnog ulivnog sistema

•.

• Spust koji se sužava prema dole (u pravcu toka rastopa) sprječava nasisavanje zraka i pojavu turbulencije.

• Ovakav tip spusta nije prihvatljiv kod mnogih tipova visokoefikasnih mašina za izradu kalupa jer onemogućuje izvlačenje modela iz kalupa (spust bi se trebao proširivati u smjeru diobene ravnine kalupa).

Slika 2. Shematski prikaz pojednostavljenog pritisnog ulivnog sistema

• Često primjenjuje ravni spust, s tim da se na dnu spusta ili u razvodniku u blizini spusta načini odgovarajuće prigušenje (suženje) kojim se osigurava da padajući mlaz rastopa ispuni spust po čitavom presjeku.

Slika 3. Formiranje prigušenja u ravnom spustu

2. UČINCI MOMENTA

• Prema prvom Newtonovom zakonu suma sila koje djeluju na neko tijelo koje se nalazi u stanju mirovanja ili kretanja konstantnom brzinom je nula• To znači da će npr. rastop u razvodniku koja se kreće (teče) konstantnom brzinom nastaviti s tim tokom u danom smjeru sve dok vanjska sila ne djeluje na nju i promjeni joj smjer ili brzinu ili oboje.• Tada dolazi do nagle deceleracije, što rezultira smanjenjem brzine na nulu. Prema tome, nastala sila uzrokuje tok u suprotnom smjeru (slika 4), što u konačnici rezultira visokom turbulencijom i mogućim unošenjem šljake i nečistoća u ušća

Slika 4: Povratni tok rastopa

• Prethodno opisani problem može se riješiti pravilnom konstrukcijom razvodnika.• Ako razvodnik ima dovoljnu dužinu nakon zadnjeg ušća, zbog djelovanja momenta prvi rastop

prolazi mimo ušća i završava u produžetku razvodnika.• Kod pritisnih ulivnih sistema završetak razvodnika mora se stanjivati prema kraju tako da poprimi

oblik klina (slika 5a).• U slučaju ograničenog prostora u kalupu (nedostatan produžetak razvodnika nakon zadnjeg ušća)

može se dodati tzv. „gnijezdo“.• Ovime se minimalizira turbulencija i mogućnost unošenja šljake i nečistoća u ušća.

Slika 5. Pravilno konstruisan završetak razvodnika u pritisnom ulivnom sistemu

• Da bi brzina strujanja ostala konstantna duž čitave duzine razvodnika u semipritisnom ulivnom sistemu, potrebno je održavati jednake pritiske na ušćima.

Slika 6. Nepravilna (a) i pravilna (b) konstrukcija razvodnika u semipritisnom ulivnom sistemu

• Zbog djelovanja momenta brzina rastopa kod prvog ušća je veća u odnosu na drugo ušće.

• Postavljanjem stepenice na razvodniku nakon prvog ušća (slika 6b) izjednačavaju se brzine rastopa i pritisci kod oba ušća.

• Isti efekt može se postići i postepenim suženjem poprečnog presjeka razvodnika u smjeru tečenja rastopa.

•REYNOLDSOV BROJStrujanje tekućine može se karakterizirati izračunavanjem tzv. Reynoldsovog broja:

Re - Reynoldsov broj, v - brzina tekućine, d - prodnos kanala kroz koji se kreće tekućina, ρ — gustoća tekućine, η — dinamički viskozitet tekućine.

• Ako je Re < 2000 strujanje je laminamo. Molekule tekućine nastoje se ravno kretati u smjeru toka.• Ako je 2000 <Re< 20000, pojaviti će se miješanje i turbulencije, s tim da će se na površini mlaza održavati

relativno neometan (miran) granični sloj• Ako je Re > 20000, strujanje će biti izrazito turbulentno

Slika 7 a, b – Vrste strujanja fluida

• U ulivnim sistemima u praksi ne ostvaruje se idealno laminamo strujanje, jer bi u tom slučaju brzina rastopa bila vrlo niska i ne bi se mogao ispuniti kalup prije nego što dođe do očvršćavanja rastopa.

• U većini slučajeva strujanje je miješano, s tim da ne smije doći do kidanja površinskog sloja mlaza rastopa. Treba težiti da laminama komponenta bude što je moguće više izražena.

• Pri konstruisanju ulivnog sistema potrebno je izbjeći nagle (oštre) promjene poprečnog presjeka kanala kroz koje protiče rastop, jer može doći do stvaranja zona niskog pritiska, nasisavanja zraka i pojave turbulencija

Slika 8. Stvaranje zone niskog pritiska (nagla promjena poprečnog presjeka)

• U ulivnim sistemim potrebno je izbjeći nagle promjene smjera tečenja rastopa, jer mogu rezultirati stvaranjem zona niskog pritiska, nasisavanjem zraka i pojavom turbulencija (slika 9a).

Slika 9. Tok rastopa u slučaju nagle promjene

smjera tečenja

• Navedeni problemi mogu se minimalizirati postepenom promjenom smjera tečenja rastopa (slika 9b).

3. VRIJEME LIVENJA

• Vrijeme livenja ovisi o debljini stjenke odlivka, masi odlivka, vrsti legure, vrsti kalupa.• Tankostjeni odljevci se brže hlade od debelostjenih, zbog čega se moraju brže liti

Prema H. W. Dietertu, vrijeme livenja može se odrediti pomoću slijedeće formule:

Slika 10. Shematski prikaz toka tečnog metala u spustu koji se

sužava prema dolje (a) i ravnom spustu (b)

Tabela 1. Najpovoljnija brzina podizanja nivoa rastopa u kalupu za sivi, čelični i aluminijski liv

Debljina stjenke, mm Najpovoljnija brzina podizanja nivoa rastopa, mm/s

Sivi liv Čelični liv Aluminijski liv

<4 30-100 - -

4-10 20-30 20-30 5-20

10-30 10-20 10-20 1-5

>40 8-10 8-10 -

Slika 11 Slika 12

• U cilju bržeg određivanja vremena livenja mogu se na osnovi prethodno navedenih formula konstruirati dijagrami.

• Na slici 11 prikazan je dijagram za određivanje vremena livenja odlivaka od sivog i tempernog liva,

• Na slici 12 dijagrama za određivanje vremena livenja odlivaka od Al-legura.

4. DIMENZIONISANJE KRITIČNOG PRESJEKA

• Ulivni sistem se dimenzioniše počevši od dijela koji ima najmanji (kritični presjek), koji određuje brzinu strujanja u ulivnom sistemu. Za dimenzionisanje kritičnog presjeka upotrebljava se jednačina kontinuiteta (jednačina 11) primijenjena na najuži, odnosno kritični presjek (Ak):

Qk — intenzitet strujanja kroz kritični presjek (cm3/s), Ak — površina kritičnog presjeka (cm2), a vk - brzina rastopa kroz kritični presjek (cm/s).

• Za vrijeme punjenja kalupne šupljine u donjem dijelu kalupa djeluje visina H, a za vrijeme punjenja kalupne šupljine u gornjem dijelu kalupa visina se smanjuje i na kraju livenja djeluje visina H - hog (slika 13). Zbog toga se u formulu unosi prosječna, tzv. računska vrijednost visine Hr.

Slika 13. Određivanje računske visine rastopa (Hr) ovisno o načinu livenja: a) livenje sa strane,b) livenje odozgo, c) livenje odozdo

HR - računska visina, H - vertikalna udaljenost od vrha uljevne čaše do razine ušća, hog — visina odlivka u gornjoj polovici kalupa, a ho — ukupna visina odlivka.

Uzevši u obzir sve navedeno, na osnovi izraza (12) može se izvesti formula za izračunavanje površine kritičnog presjeka:

Ak - površina kritičnog presjeka (cm2), m - ukupna masa rastopa u kalupu (kg), ρ -gustoća rastopa na temperaturi livenja (kg/cm3), t - vrijeme livenja (s), μ - koeficijent brzine isticanja, g - gravitaciono ubrzanje (cm/s2), HR - računska visina (cm).

Slika 14. Dijagram za određivanje Ak ovisno o masi rastopa u kalupu (m)

5. PRIMJENA KERAMIČKIH FILTERA U ULIVNIM SISTEMIMA

• Keramički filteri intenzivno se primjenjuju u livenju u cilju poboljšanja čistoće odlivka i smanjenja troškova njegove izrade.

• Inkorporirani unutar ulivnog sistema, keramički filteri uklanjaju trosku i nemetalne čestice iz rastopa prije nego što rastop uđe u kalupnu šupljinu.

• Većina livačkih legura izložena je prisustvu čestica koje štetno djeluju na osobine odlivaka. Te čestice uključuju:

okside nastale tokom topljenja, prijenosa rastopa i livenja, čestice vatrostalnog materijala koje potječu od obloge peći i lonca, čestice vatrostalnog materijala prisutne u ulivnom sistemu ili izdvojene iz kalupnog ili

jezgrenog materijala tokom livenja, neotopljene metalne ili nemetalne čestice koje potiču od dodataka sredstava za

metaluršku modifikaciju rastopa.

Navedene čestice, ili uključci, djeluju kao diskontinuiteti u metalnoj osnovi odlivka i mogu imati različite štetne uticaje:• veliki uključci mogu smanjiti mehanička osobine (npr. vlačnu čvrstoću i izduženje),• smanjenje izdržljivosti pod (dinamičkim) opterećenjem,• otežana strojna obradivost i jače izraženo trošenje alata za obradu,• lošiji izgled površine odlivka,• nedostatak nepropusnosti pod pritiskom, itd.

Slika 17. Specijalno konstruirani ulivni sistemi u kalupu s horizontalnom podinom ravninom

Najčešće upotrebljavani materijali za izradu keramičkih filtera su: mulit, korund, kvarc, cirkonijev dioksid i silicijev karbid. Djelovanje filtera zasniva se na dva mehanizma: fizičkom (prosijavanje) i hemijskom (privlačenje). Kada su pravilno inkorporirani u ulivni sistem, filteri ne predstavljaju značajno ograničenje toka rastopa. Odnos površine raspoložive za prolaz rastopa i ukupne površine poprečnog presjeka filtera kreće se od 60 - 85 %.

Pri konstrukciji ulivnog sistema u kojem se nalazi filter potrebno je obratiti pažnju na slijedeće:• smještanje filtera ne smije biti otežano,• filter ne smije utjecati na vrijeme punjenje kalupa,• vrsta filtera mora biti odgovarajuća primjeni,• ulivni sistem potrebno je tako konstruirati da se minimaliziraju turbulencije iza filtera i u kalupnoj

šupljini,• veličina ulivnog sistema mora se održavati na minimumu.

Položaj filtera ovisi o metodi izrade kalupa, rasporedu modela i metalurškim operacijama koje se provode unutar kalupa

Slika 18. Uobičajeni položaji filtera u ulivnom sistemu kod kalupa s horizontalnom diobenom ravninom: a) paralelno diobenoj ravnini kalupa, b) pod određenim uglom u odnosu na

diobenu ravninu kalupa, c) pod uglom od 90° u odnosu na

diobenu ravninu kalupa

Ako se u kalupu nalazi reakcijska komora (npr. obrada rastopa predlegurom na bazi magnezija u cilju proizvodnje nodularnog liva), filter se mora smjestiti iza nje (slika 19).

Slika 19. Položaj filtera u slučaju kada se metalurške operacije (obrada rastopa predlegurom na bazi magnezija ili cijepljenje) provode u kalupu

HVALA NA PAŽNJI!