Удар струи о преграду и начало заполнения

При ударе струи о преграду поток деформируется, а характер движения металла после удара зависит от скорости струи и физических свойств сплава.

При малых скоростях впуска и достаточной вязкости металла струя после удара растекается по стенке формы или по поверхности стержня.

Сила давления струи на преграду определяется из уравнения импульсов, примененного к течению жидкого металла.

Обозначив скорости и массы в набегающей струе и в пристеночных потоках соответственно через υ, m, υ₁, m₁, υ₂, m₂ для случая удара о несимметричную преграду с углами поворота α₁ и α₂ (рис. 19), составим уравнение проекций количества движения и импульса силы давления на форму Р_фΔτ на ось xx:

mυ-m₁υ₁cosα₁-m₂υ₂cos α₂=Р_ф Δτ сos β

Откуда Рис. 19. Удар струи металла о преграду в форме

Заменив массу m выражением m = γ/gυƒΔτ и соответственно

где ƒ, ƒ₁, и ƒ₂ — площади поперечных сечений потоков, получим

Для симметричного растекания, т. е. если α₁ = α₂ = α, β = 0, a cos β = 1, сила давления определяется выражением

                      (7)

Ha плоскую симметричную стенку (α = 90°, a cos α = 0) действует сила

Анализ формулы (7) показывает, что сила давления на преграду зависит главным образом от скорости струи. Кроме того, на величину этой силы в большой степени влияет конфигурация стенки. Сила давления растет с увеличением угла α.

Следовательно, необходимо выбирать такое направление впускной струи, чтобы в момент удара угол был минимальным.

При ударе о стенку, перпендикулярную направлению струи, вблизи места удара скапливается масса металла, распространяющаяся дальше по полости формы.

Если удар происходит в месте плавного закругления стенки, то струя скользит вдоль нее, проникая сразу на длину всей отливки, значительно снижая раздробленность потока. Боковое расположение питателя в данном случае наиболее рационально, так как позволяет направить струю по касательной к стенке формы.

Возвращаясь к анализу формулы (7), можно отметить также, что сила давления прямо пропорциональна удельному весу заливаемого сплава.

Например, при заполнении полости формы цинковым сплавом ЦАМ4-3 γ = 70 000 н/м3 (7000 кГ/м3) через питатель сечением ƒ = 0,0002 м2 со скоростью впуска υ = 40 м/сек сила давления на симметричную стенку с углом α = 45° будет равна (трением потоков о стенку пренебрегаем)

В то же время сила давления на плоскую стенку (α = 90°) Р'_ф = 2300 н (230кГ).

После растекания струи при небольших значениях скоростей впуска в форме образуется сплошной поток расплавленного металла, аналогичный гидравлическому подпору Л. Фроммера.

В сплошном потоке движение может быть ламинарным или турбулентным.

Переход от ламинарного движения к турбулентному oпределяется критерием Рейнольдса

где v — кинематическая вязкость; d — характерный поперечный размер потока.

Ламинарное движение возможно только при очень малых значениях скорости потока.

При турбулентном режиме вихреобразное движение металла на поверхности гидравлического подпора приводит к непрерывному захвату воздуха из полости формы.

При значениях скоростей, превышающих критическую величину, в момент удара часть металла начинает отскакивать от стенки формы в виде отдельных струек или брызг. С дальнейшим повышением скорости струи наступает момент, когда весь поток разбивается на капли, которые, находясь в беспорядочном движении, удаляются от места удара с какой-то средней скоростью.

При ударе струи о плоскую, перпендикулярную потоку стенку вектрр этой скорости направлен противоположно вектору скорости струи.

Характер образования потока после удара зависит от жидко-текучести, вязкости, упругости и сил поверхностного натяжения жидкого металла.

Заполнение полости в первый период после удара относится к виду дисперсного двухфазного движения.

Применявшийся ранее в специальной литературе термин «эмульсионное заполнение» ие совсем правильно отражает соотношение жидкой и газовой фаз. Поэтому в данной работе принято более строгое определение — «дисперсное заполнение», предложенное П. П. Москвиным.

Кадры скоростной киносъемки при двустороннем освещении полости (рис. 21) показывают раздробление потока на отдельные капли, часть которых прилипает к стенкам формы.

До некоторого момента дисперсионной средой являются газы в литейной форме, а дисперсной фазой — капли расплавленного металла.

На правом крайнем кадре верхнего ряда зафиксирован момент, при котором капли заполняют все пространство от места удара до питателя. Этот момент назван «мнимым» заполнением и составляет для прямоугольной отливки т времени полного заполнения. При одностороннем освещении на теневых кадрах киносъемки момент «мнимого» заполнения совпадает с полным затемнением кадра, из чего В. Кестер и К. Геринг сделали неправильный вывод о том, что теоретические положения Л. Фроммера подтверждаются при любых отношениях ƒ/F_отл и любых скоростях впуска.

После «мнимого» заполнения струя продолжает проходить через смесь металла с воздухом. Отдельные капли металла соединяются между собой, образуя жидкую дисперсионную среду, в которой дисперсной фазой являются газовые пузырьки (кадры нижнего ряда на рис. 21). Рис. 21 Удар струи о стенку фрмы, находящуюся против питателя

Между сплошным турбулентным и дисперсным заполнением находится зона совмещенного или смешанного заполнения при высокоразвитой турбулентности потока.

На рис. 22, а показан момент удара струи жидкости, двигающейся со скоростью 10—25 м/сек. В этих киносъемках, выполненных Ф. Беннетом, в качестве моделирующей жидкости брали воду.

На рис. 22, б и в видно возникновение очень сильного турбулентного потока с частичным раздроблением его и активным захватом воздуха.

Совмещенное заполнение сопровождается образованием высокотурбулентного гидравлического подпора с одновременным присутствием дисперсной металлической фазы.