SVEUČILIŠTE U ZAGREBU
METALURŠKI FAKULTET
Faruk Unkić
Zoran Glavaš
OSNOVE LIJEVANJA METALA
ZBIRKA RIJEŠENIH ZADATAKA
Sisak, 2009.
SADRŽAJ
1.
UVOD
1
2.
ULJEVNI SUSTAVI
2
2.1
Osnovne komponente uljevnog sustava
2.1.1 Uljevna čaša
2.1.2 Spust
2.1.3 Razvodnik
2.1.4 Ušće
4
5
6
7
7
2.2
Vrste uljevnih sustava
8
2.3
Dimenzioniranje uljevnog sustava
2.3.1 Primjena Bernoullijevog zakona
2.3.2 Primjena zakona o kontinuitetu strujanja
2.3.3 Učinci momenta
2.3.4 Vrijeme lijevanja
2.3.5 Dimenzioniranje kritičnog presjeka
12
12
15
17
21
24
2.4
Primjena keramičkih filtara u uljevnim sustavima
28
3.
NAPAJANJE ODLJEVAKA
32
3.1
Volumne promjene tijekom hlađenja i skrućivanja odljevaka
32
3.2
Utjecaj načina skrućivanja na mogućnost napajanja
3.2.1 Progresivno i usmjereno skrućivanje
3.2.2 Način skrućivanja
35
36
37
3.3
Dimenzioniranje pojila
3.3.1 Dimenzioniranje pojila na osnovi modula odljevka
3.3.1.1 Izračunavanje modula
3.3.2 Heuversova metoda kružnica
43
43
48
52
3.4
Krajnja zona odljevka (KZ) i zona napajanja pojila (ZN)
53
3.5
Pojila i vrat pojila
62
3.6
Povećanje efikasnosti pojila egzotermnim i izolirajućim sredstvima
73
3.7
Hladila
76
3.8
Napajanje sivog i nodularnog lijeva
79
4.
RAZRADA TEHNOLOŠKOG POSTUPKA IZRADE
JEDNOKRATNOG KALUPA
87
4.1
Analiza konstrukcije odljevka s gledišta tehnologije lijevanja
87
4.2
Tehnološka razrada nacrta odljevka
4.2.1 Određivanje položaja odljevka u kalupu pri izradi kalupa i lijevanju
4.2.2 Ucrtavanje dodataka za strojnu obradu
4.2.3 Određivanje diobene ravnine kalupa i modela
4.2.4 Određivanje ljevačkih skošenja
4.2.5 Određivanje broja jezgara i veličine jezgrenih oslonaca
4.2.6 Definiranje sustava ulijevanja i napajanja i njihovog položaja
u kalupu
88
88
89
90
91
91
Projektiranje ljevačkog kalupa
4.3.1 Određivanje broja odljevaka u kalupu
4.3.2 Određivanje debljine slojeva pijeska u kalupu i veličine kalupnika
4.3.3 Određivanje sustava odzračivanja kalupa
4.3.4 Određivanje razmaka između jezgre i modela
4.3.5 Određivanje linearnog stezanja odljevka
92
92
92
93
93
93
4.3
92
5.
PRORAČUN ULOŠKA ZA TALIONIČKE AGREGATE
94
6.
ZADACI
96
Zadatak 1 (proračun uljevnog sustava)
96
Zadatak 2 (proračun uljevnog sustava)
99
Zadatak 3 (proračun uljevnog sustava)
102
Zadatak 4 (proračun uljevnog sustava)
104
Zadatak 5 (određivanje modula odljevka)
106
Zadatak 6 (određivanje modula odljevka)
106
Zadatak 7 (proračun sustava napajanja)
107
Zadatak 8 (proračun sustava napajanja)
108
Zadatak 9 (proračun sustava napajanja i vanjskog hladila)
109
Zadatak 10 (proračun unutarnjeg hladila)
110
Zadatak 11 (proračun sustava napajanja)
111
Zadatak 12 (proračun sustava napajanja i vanjskih hladila)
118
7.
Zadatak 13 (proračun sustava napajanja)
125
Zadatak 14 (proračun sustava napajanja)
129
Zadatak 15 (proračun sustava napajanja i unutarnjih hladila)
132
Zadatak 16 (razrada tehnološkog postupka izrade jednokratnog kalupa)
137
Zadatak 17 (određivanje likvidus temperature čeličnog lijeva)
152
Zadatak 18 (određivanje stezanja sivog lijeva i potrebe za napajanjem)
152
Zadatak 19 (određivanje stezanja sivog lijeva i potrebe za napajanjem)
153
Zadatak 20 (proračun sustava napajanja – sivi lijev)
154
Zadatak 21 (proračun sustava napajanja – sivi lijev)
157
Zadatak 22 (proračun metalnog uloška za kupolnu peć)
158
Zadatak 23 (proračun metalnog uloška za kupolnu peć)
161
Zadatak 24 (proračun metalnog uloška za kupolnu peć)
163
Zadatak 25 (proračun metalnog uloška za kupolnu peć)
165
Zadatak 26 (proračun uloška za indukcijsku peć)
168
Zadatak 27 (proračun uloška za indukcijsku peć)
171
Zadatak 28 (proračun uloška za indukcijsku peć)
175
LITERATURA
179
1. UVOD
Proizvodnja metalnih predmeta lijevanjem, odnosno proizvodnja metalnih odljevaka je
vrlo star postupak. Najstariji pronađeni lijevani metalni predmeti datiraju iz perioda oko 4500
godina prije nove ere. Proizvodnja odljevaka dugo vremena se zasnivala na empirijskim
pravilima, odnosno metodi pokusa i pogreške zbog nedovoljnih spoznaja o procesima koji se
dešavaju tijekom taljenja te lijevanja i skrućivanja odljevaka u kalupu. Premda se osnovi
principi lijevanja metala nisu značajnije promijenili od svojih početaka, znanstvene spoznaje
o procesima u ljevarstvu koje se permanentno nadograđuju rezultirale su širokim spektrom
pouzdanih postupaka i materijala koji se danas uspješno oblikuju lijevanjem. Lijevanje je
danas u velikoj mjeri poznat, vrlo konkurentan i efikasan proizvodni proces za izradu
metalnih predmeta različitih oblika, veličina i kompleksnosti čija kvaliteta udovoljava
zahtjevima suvremenog tržišta.
Glavni cilj ljevača je postizanje konzistentne visoke kvalitete i zahtijevanih svojstava
odljevaka uz što je moguće niže proizvodne troškove. Međutim, lijevanje metala je vrlo
kompleksan proces i često može rezultirati neočekivanim rezultatima jer obuhvaća vrlo velik
broj varijabli koje se moraju strogo kontrolirati. Kvaliteta uložnih materijala, proces taljenja i
obrade taljevine, metalurško stanje taljevine, čistoća taljevine, temperatura i brzina lijevanja,
kvaliteta kalupa, uljevni sustav i sustav napajanja odljevka itd. samo su jedan dio iz velikog
skupa varijabli koje utječu na konačnu kvalitetu i svojstva odljevaka.
Iz prakse je poznato da većina grešaka na odljevcima potječe od nepravilno
konstruiranog i postavljenog uljevnog sustava i sustava napajanja. Turbulentno strujanje
taljevine, erozija kalupa i uključci u odljevku, deformacija odljevka, nepovoljni temperaturni
gradijenti u kalupu itd. samo su neki od problema koji nastaju uslijed neadekvatnog uljevnog
sustava. Nedovoljan broj i nepravilno dimenzioniranje i postavljenje pojila rezultira
nastankom usahlina (šupljina) i poroznosti u odljevku. U većini slučajeva navedene greške
rezultiraju odbacivanjem odljevka. Pored uljevnog sustava i sustava napajanja, kvaliteta i
svojstva odljevka u znatnoj mjeri ovise o kvaliteti i strukturi uložnog materijala za agregat u
kojem se proizvodi taljevina željenog kemijskog sastava. To je posebno izraženo u
ljevaonicama sivog, vermikularnog i nodularnog lijeva.
Iz prethodno navedenog može se zaključiti da su pravilno konstruiranje i
dimenzioniranje uljevnog sustava i sustava napajanja te proračun sastava uloška važni faktori
za postizanje visoke kvalitete odljevaka i smanjenja udjela neispravnih odljevaka. Stoga, u
okviru ovog nastavnog teksta čitatelj se može upoznati s postupkom dimenzioniranja uljevnog
sustava i sustava napajanja te proračunom uloška za kupolnu i indukcijsku peć. Najprije se u
okviru teorijskog dijela razmatraju komponente i vrste uljevnih sustava te zakonitosti koje se
primjenjuju pri njihovom konstruiranju i dimenzioniranju, a potom osnovne karakteristike
skrućivanja legura, volumne promjene tijekom skrućivanja te zakonitosti koje se primjenjuju
pri konstruiranju i dimenzioniranju sustava napajanja. Nakon prikaza potrebnih stavki koje
mora imati svaka razrada tehnološkog postupka izrade jednokratnog kalupa, sažeto su
navedene zakonitosti na kojima se zasniva proračun uloška za talioničke agregate. U drugom
dijelu nastavnog teksta, na konkretnim primjerima, kroz 28 riješenih zadataka prikazano je
konstruiranje i dimenzioniranje uljevnog sustava i sustava napajanja te razrada tehnološkog
postupka izrade jednokratnog kalupa i proračun uloška za kupolnu i indukcijsku peć. Podaci u
ovom nastavnom tekstu mogu se primijeniti na veliki broj različitih legura i oblika odljevaka.
Ovaj tekst je namijenjen kao nastavni materijal za izvođenje vježbi iz predmeta
„Osnove lijevanja metala“ na sveučilišnom studiju metalurgije na Metalurškom fakultetu, ali
sadrži i niz korisnih informacija koje mogu poslužiti svim stručnjacima koji se na bilo koji
način bave ljevarstvom.
1
2. ULJEVNI SUSTAVI
Uljevni sustav je mreža kanala preko kojih taljevina ulazi u kalup i ispunjava kalupnu
šupljinu. Pravilno konstruiran uljevni sustav mora zadovoljiti niz kriterija:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
brzo popunjavanje kalupne šupljine,
minimalizacija turbulencije,
izbjegavanje erozije kalupa i jezgara,
uklanjanje troske, metalnih oksida i uključaka prije ulaza u kalupnu šupljinu,
spriječiti zahvaćanje zraka i ukloniti plinove iz kalupne šupljine,
izbjegavanje distorzije (deformacije) odljevaka,
stvaranje pogodnih toplinskih gradijenata,
omogućiti proizvodnju odljevaka uz korištenje minimalne količine metala
(maksimalni izvadak),
ekonomičnost uklanjanja uljevnog sustava,
kompatibilnost s postojećim načinom kalupovanja i lijevanja.
Brzo popunjavanje kalupa važno je iz nekoliko razloga. Gubitak topline tekućeg
metala tijekom punjenja kalupa (posebno kod tankostjenih odljevka) može rezultirati
prijevremenim skrućivanjem, nastajanjem površinskih grešaka (npr. hladni zavari) ili
nepotpunim popunjavanjem presjeka (stjenki odljevka). Pregrijavanjem taljevine povećava se
tečljivost (sposobnost tečenja, livljivost) i sprječava prijevremeno skrućivanje. Međutim,
prekomjerno pregrijavanje povećava opasnost od naplinjenja taljevine i povećava toplinsko
opterećenje kalupa. Vrijeme punjenje kalupa potrebno je održavati kraćim od vremena izrade
kalupa na automatskim linijama za izradu kalupa da bi se povećala produktivnost.
Minimalizacija turbulencije. Turbulentno punjenje i tečenje u uljevnom sustavu i
kalupnoj šupljini može povećati mehaničko i toplinsko opterećenje kalupa. Još veću opasnost
predstavlja nastajanje grešaka na odljevcima. Turbulentnim strujanjem taljevine povećava se
opasnost od zahvaćanja plinova. Plinovi zahvaćeni tekućim metalom u konačnici mogu
rezultirati greškama na odljevcima (plinska poroznost ili mjehuravost). Osim toga, plinovi
mogu reagirati s tekućim metalom (taljevinom) što može dovesti do stvaranja troske i
uključaka u odljevcima.
Turbulentno tečenje povećava površinu tekućeg metala koji je izložen zraku unutar
uljevnog sustava. Osjetljivost različitih ljevačkih legura na oksidaciju značajno varira.
Najvišu osjetljivost na oksidaciju pokazuju legure aluminija te legure magnezija. Kod ovih
legura turbulencije mogu dovesti do stvaranja značajnog oksidnog filma koji može biti
zahvaćen tekućim metalom, što često uzrokuje neprihvatljive greške i rezultira odbacivanjem
(škartiranjem) odljevka.
Tijekom punjenja kalupa, stacionarno tečenje taljevine u uljevnom sustavu mora se
uspostaviti što je moguće prije.
Izbjegavanje erozije kalupa i jezgara. Visoka brzina tečenja ili nepravilno
usmjereno tečenje naspram površine kalupa (ili jezgre) može rezultirati greškama na
odljevcima (uključcima) zbog erozije površine kalupa i zahvaćanja izdvojenih čestica tekućim
metalom.
Uljevni sustav mora omogućiti uklanjanje troske, metalnih oksida i uključaka prije
no što uđu u kalupnu šupljinu i završe u odljevku. Osim uključaka koji mogu nastati unutar
2
kalupne šupljine, potrebno je ukloniti i uključke koji potječu od vanjskih faktora (npr. pećna
troska, čestice vatrostalne obloge livnog lonca itd.). Zbog toga uljevni sustav mora biti tako
konstruiran i dimenzioniran da omogući dovoljno vremena za isplivavanje (izdvajanje)
uključaka iz mlaza taljevine prije no što uđu u kalupnu šupljinu. Uklanjanje uključaka može
se efikasno provesti ugradnjom adekvatnih filtara u uljevni sustav.
Izbjegavanje distorzije (deformacije) odljevaka posebno je važno kod proizvodnje
tankostjenih odljevaka, kod kojih nejednolična raspodjela topline nakon popunjavanja
kalupne šupljine može rezultirati nepovoljnim slijedom skrućivanja i deformacijom odljevka.
Osim toga, stezanje metala u uljevnom sustavu tijekom njegovog skrućivanja može rezultirati
istezanjem (povlačenjem) stjenki odljevka tijekom skrućivanja, što može dovesti do nastanka
toplih pukotina i deformacije.
Stvaranje pogodnih toplinskih gradijenata. Budući da je posljednja taljevina koja
ulazi u kalupnu šupljinu najtoplija, obično je pogodno uvesti tu taljevinu u onaj dio odljevka
za koji se očekuje da će posljednji skrutnuti. Jedan od načina da se to ostvari je da se taljevina
iz uljevnog sustava usmjeri u pojilo, iz kojeg potom taljevina ulazi u kalupnu šupljinu.
Općenito gledano, pojilo je tako dimenzionirano da posljednje skrućuje u kalupu. Zbog toga
prethodno navedeni tok taljevine (uljevni sustav – pojilo – odljevak) promovira usmjereno
skrućivanje od odljevka prema pojilu.
Ako se uljevni sustav ne može konstruirati tako da osigura pogodne toplinske
gradijente, mora se obrati pažnja da se konstruira tako da ne uzrokuje nepovoljne toplinske
gradijente. To često uključuje uvođenje taljevine u kalupnu šupljinu kroz više ušća tako da ni
jedno mjesto ne predstavlja toplinski čvor.
Nakon hlađenja do sobne temperature, uljevni sustav i pojila uklanjanju se sa odljevka
i vraćaju ponovo u proces kao povratni materijal (za ponovno pretaljivanje). Proizvodni
troškovi mogu se značajno smanjiti ako se minimalizira količina metala u uljevnom sustavu i
pojilima. Na taj način postiže se maksimalni izvadak i povećava produktivnost ljevaonice.
Može se zaključiti da se uljevni sustav mora tako konstruirati i dimenzionirati da omogući
proizvodnju ispravnih odljevka, uz što je moguće manju količinu metala u uljevnom sustavu.
Ekonomičnost uklanjanja uljevnog sustava. Troškovi čišćenja i završne obrade
odljevaka mogu se smanjiti ako se minimalizira broj i veličina ušća te vratova pojila
povezanih sa odljevkom. Zbog toga, pogodno je uvesti taljevinu u kalupnu šupljinu kroz
pojilo, jer vrat pojila može preuzeti ulogu ušća.
Kompatibilnost s postojećim načinom kalupovanja i lijevanja. Moderni
visokoučinski strojevi za izradu kalupa i automatizirani sustavi za lijevanje često značajno
ograničavaju fleksibilnost u pogledu mjesta postavljanja i oblika uljevne čaše te spusta preko
kojih se taljevina uvodi u kalup. Često ovakvi sustavi postavljanju određena ograničenja na
brzinu lijevanja.
3
2.1
Osnovne komponente uljevnog sustava
Osnovne komponente uljevnog sustava su (slika 2.1):
•
•
•
•
•
•
uljevna čaša,
spust,
podnožje spusta,
razvodnik,
ušće (ušća),
odzračnik (odzračnici).
Slika 2.1. Osnovne komponente uljevnog sustava (kalup s horizontalnom diobenom
ravninom). G – gornja polovica kalupa, D – donja polovica kalupa
Sve navedene komponente uljevnog sustava međusobno su povezane primjenom
specifičnih pravila i proračunatih omjera.
Uljevni sustav može sadržavati i elemente koji osiguravaju napajanje odljevka (pojila),
tj. pritjecanje taljevine i nakon završetka punjenja kalupne šupljine (za vrijeme skrućivanja
odljevka) da bi se izbjegle greške uslijed stezanja metala. Radi poboljšanja čistoće taljevine
prije ulaska u kalupnu šupljinu, odnosno uklanjanja nečistoća, u uljevni sustav mogu se
inkorporirati filtri.
4
2.1.1 Uljevna čaša
Uljevna čaša je prvi dio uljevnog sustava preko kojeg se uvodi taljevina u ostale
dijelove sustava. Ona predstavlja rezervoar taljevine tijekom lijevanja, održavajući uljevni
sustav tijekom cijelog lijevanja punim, sprječava rasprskavanje taljevine pri izlijevanju iz
lonca te sprječava nasisavanje zraka i plinova, kao i ulaz troske u spust i ostale dijelove
uljevnog sustava.
Dubina uljevne čaše mora biti 3 - 4 puta veća od promjera spusta kako se iznad spusta
ne bi pojavio vrtlog koji uvlači zrak i trosku s površine taljevine.
Prema obliku, uljevna čaša može biti koritasta i ljevkasta (slika 2.2).
a)
b)
Slika 2.2. Koritasta uljevna čaša (a), uljevni sustav s ljevkastom uljevnom čašom (b)
Koritasta uljevna čaša omogućuje izdvajanje metalnih oksida i troske iz taljevine prije
ulaza u ostale dijelove uljevnog sustava zbog njihove manje specifične težine u odnosu na
taljevinu. Prilikom lijevanja taljevina se ulijeva u dio uljevne čaše koji ima veću dubinu (slika
2.1 i 2.2a), odnosno na suprotnoj strani od otvora spusta, a greben (prijelaz s dubljeg na plići
dio uljevne čaše) koji se nalazi na dnu čaše olakšava izdvajanje nemetalnih uključaka iz
taljevine. Koritastu čašu potrebno je uvijek držati punom. Obzirom da je površina uljevne
čaše veća od površine poprečnog presjeka spusta, brzina kretanja taljevine u čaši je relativno
niska, što pomaže izdvajanje uključaka i troske. Kada se lijevaju legure koje se sklone
stvaranju oksida, primjenjuje se pregrada u koritastoj uljevnoj čaši, što doprinosi zadržavanju
troske (slika 2.2a, dolje).
Ljevkasta čaša ne ispunjava funkcije koje ima koritasta čaša i služi jedino da operateru
olakša direktno lijevanje taljevine.
Volumen čaše može se odrediti pomoću slijedećeg izraza:
Vč = k
m
tρ
(2.1)
gdje je: Vč – volumen čaše (dm3), k - koeficijent koji ovisi o masi taljevine u kalupu (k = 1,5 –
2,0 za ljevkastu uljevnu čašu, odnosno k = 3 – 8 za koritastu uljevnu čašu (tablica 2.1), m –
masa taljevine u kalupu (kg), t – vrijeme lijevanja (s), ρ – gustoća taljevine (kg/dm3).
5
Tablica 2.1. Vrijednost koeficijenta k ovisno o masi taljevine u
kalupu (za koritastu uljevnu čašu)
Masa taljevine,
kg
k
do 100
100 - 500
500 - 1000
1000 - 5000
3
4
6
7,5
5000 10000
8
2.1.2 Spust
Spust je vertikalni kanal kružnog poprečnog presjeka putem kojeg se taljevina iz
uljevne čaše transportira prema razvodniku i potom prema ušćima. Pravilno konstruiran spust
sužava se prema dolje, slično obliku mlaza fluida pri slobodnom padu (slika 2.3a). Takvim
oblikom spusta smanjuju se turbulencije i mogućnost usisavanja zraka.
Ako se presjek spusta ne sužava prema dolje, taljevina nasisava plinove zbog stvaranja
područja niskog tlaka (slika 2.3b). Osim toga, tok taljevine je neujednačen i turbulentan,
pogotovo kada mlaz taljevine dostigne osnovu spusta (podnožje spusta).
a)
b)
Slika 2.3. Shematski prikaz toka taljevine u spustu koji se sužava prema dolje (a) i
ravnom spustu (b)
Na dnu spusta obično se nalazi podnožje spusta (slika 2.4) čija je uloga smanjenje
turbulencije i tendencije ka usisavanju zraka.
Slika 2.4. Podnožje spusta i karakteristične dimenzije
6
Podnožje spusta najčešće je kružnog poprečnog presjeka. Površina poprečnog presjeka
podnožja spusta (Aps, slika 2.4) treba biti ~ 5 puta veća od površine poprečnog presjeka spusta
na njegovom dnu (Asd). Visina podnožja spusta (hps, slika 2.4) treba biti ~ 2 puta veća od
visine razvodnika (hr).
2.1.3 Razvodnik
Razvodnik prihvaća i umiruje taljevinu iz spusta, omogućuje izdvajanje uključaka i
metalnih oksida (isplivavaju na površinu taljevine i zadržavaju se u gornjem dijelu
razvodnika) te usmjerava taljevinu u ušća. Razvodnik i uljevna čaša jedine su komponente u
uljevnom sustavu, osim filtra, koje mogu spriječiti ulazak uključaka i metalnih oksida u
kalupnu šupljinu. Na slici 2.5 prikazani su različiti oblici poprečnog presjeka razvodnika.
Najviše se upotrebljavaju razvodnici trapeznog i pravokutnog poprečnog presjeka kod kojih je
visina veća od širine, jer se time omogućuje izdvajanje troske i nečistoća iz taljevine.
Slika 2.5. Shematski prikaz mogućih poprečnih presjeka razvodnika
Kod lijevanja u kalupe s horizontalnom diobenom ravninom, razvodnik se postavlja
vodoravno u donju ili gornju polovicu kalupa, što ovisi o vrsti uljevnog sustava.
Uljevni sustav može imati jedan ili više razvodnika, što ovisi o veličini, obliku i broju
odljevaka u kalupu. Razvodnici moraju biti tako konstruirani da se izbjegnu nagle promjene
smjera tečenja taljevine jer uzrokuju stvaranje zona niskog tlaka i usisavanje zraka.
2.1.4 Ušće
Ušće (ušća) predstavljaju završni element uljevog sustava i povezuju razvodnik s
kalupnom šupljinom. Dimenzije i oblik ušća treba prilagoditi debljini stjenke odljevka.
Ukoliko se uljevni sustav odstranjuje odlamanjem, debljina ušća ne smije preći 60 – 70 %
debljine stjenke odljevka, kako se odljevak ne bi zalomio pri odstranjivanju uljevnog sustava.
Ako se uljevni sustav odstranjuje rezanjem, debljina ušća može biti ista ili čak veća od
debljine stjenke odljevka. Na slici 2.6 prikazani su različiti poprečni presjeci ušća.
7
Slika 2.6. Shematski prikaz mogućih poprečnih presjeka ušća
Najčešće se upotrebljavaju ušća pravokutnog poprečnog presjeka. Erozija kalupa je
najmanja u slučaju primjene ušća polukružnog poprečnog presjeka. Međutim, negativna
strana ovih ušća je pojava turbulencija. Ušća se postavljaju tako da se osigura pravilno i
ravnomjerno punjenje kalupne šupljine taljevinom.
2.2
Vrste uljevnih sustava
Obzirom na tehniku izrade kalupa, odnosno diobenu ravninu, uljevni sustavi
mogu se podijeliti na horizontalne i vertikalne. Horizontalni uljevni sustavi češći su u praksi.
Vertikalni uljevni sustavi primjenjuju se kod automatskih linija za izradu kalupa s
vertikalnom diobenom ravninom (npr. Disamatic®linije).
Prema položaju ušća, uljevni sustavi mogu se klasificirati u tri osnovne grupe:
•
•
•
direktni uljevni sustavi sa ušćem odozgo,
indirektni uljevni sustavi sa ušćem na diobenoj ravnini (ulijevanje sa
strane),
uljevni sustavi sa ušćem odozdo.
Direktni uljevni sustav (slika 2.7) omogućuje brzo lijevanje, pravilno skrućivanje
odljevka, kao i postepeno hlađenje (pozitivan temperaturni gradijent). Ovaj način lijevanja
teško se primjenjuje kod velikih odljevaka. Zbog velike brzine, dolazi do udara taljevine i
snažnog erozivnog djelovanja u kalupu, raspršivanja mlaza i stvaranja grešaka u obliku
hladnih kapi. Direktni uljevni sustav s klinastim ušćem primjenjuje se za lijevanje odljevaka s
vrlo tankim stjenkama, gdje se zahtijeva velika brzina lijevanja (slika 2.7, desno).
Indirektni uljevni sustav često se primjenjuje jer to najčešće uvjetuje konfiguracija
odljevka i jednostavnost kalupovanja (slika 2.8). U pogledu slijeda skrućivanja uvjeti su nešto
složeniji i ovise o obliku odljevka i razmještaju pojila. Često se primjenjuje više ušća da bi se
8
postigla povoljnija raspodjela temperature. Ušća se postavljaju pod kutom od 90° u odnosu na
razvodnik.
Slika 2.7. Direktni uljevni sustav sa ušćem odozgo
a)
b)
Slika 2.8. Indirektni uljevni sustavi: a) ulijevanje kroz razvodnik i ušća,
b) ulijevanje kroz pojilo
Uljevni sustav sa ušćem odozdo rjeđe se primjenjuje jer to zahtijeva kompleksniji
način kalupovanja (slika 2.9). Ovaj sustav odlikuje se mirnijim načinom punjenja kalupne
šupljine ali i neprirodnim slijedom skrućivanja, što zahtijeva veća pojila. Zbog mirnog ulaza
taljevine u kalupnu šupljinu, ovaj uljevni sustav je pogodan za lijevanje metala koji su
osjetljivi na oksidaciju.
Slika 2.9. Uljevni sustav sa ušćem odozdo
9
Prema položaju kritičnog presjeka (najmanji poprečni presjek u uljevnom sustavu),
uljevni sustavi se klasificiraju u dvije osnovne skupine:
•
•
tlačni uljevni sustavi ili sustavi s prigušenjem. Po obliku su konvergentni jer se
presjeci kanala sužavaju od spusta prema kalupnoj šupljini. Vrijedi odnos As > Ar > Au,
gdje je: As - površina poprečnog presjeka spusta, Ar - površina poprečnog presjeka
razvodnika, Au - površina poprečnog presjeka ušća (slika 2.10a),
semitlačni uljevni sustavi ili uljevni sustavi bez prigušenja. Po obliku su divergentni
jer se u smjeru toka taljevine šire, pa za njih vrijedi odnos: As < Ar < Au (slika 2.10b).
a)
b)
Slika 2.10. Vrste uljevnih sustava: a) tlačni uljevni sustav, b) semitlačni uljevni sustav. Kalupi
s horizontalnom diobenom ravninom. (G – gornja polovica kalupa, D – donja polovica
kalupa, As – površina poprečnog presjeka spusta, Ar - površina poprečnog presjeka
razvodnika, Au -površina poprečnog presjeka ušća)
Dio uljevnog sustava koji ima najmanji poprečni presjek određuje brzinu strujanja
taljevine u sustavu, odnosno vrijeme punjenja kalupa i naziva se kritični presjek ili
prigušenje. Kod tlačnih uljevnih sustava kritični presjek je presjek ušća (slika 2.10a), dok kod
semitlačnih uljevnih sustava to može biti presjek na izlazu iz spusta (slika 2.10b) ili presjek
razvodnika u blizini spusta (spoj sa podnožjem spusta).
Kod tlačnih uljevnih sustava razvodnik se smješta u gornju polovicu kalupa, a ušća u
donju ili gornju polovicu kalupa (ispod ili iznad diobene ravnine kalupa), s tim da donja
stranica (dno) ušća i razvodnika moraju biti u istom nivou (u istoj horizontalnoj ravnini) (slika
2.11). Kod semitlačnih uljevnih sustava razvodnik je smješten u donjoj polovici kalupa ispod
diobene ravnine, a ušća u gornjoj polovici kalupa na diobenoj ravnini (slika 2.12). Time se
smanjuje mogućnost ulaska troske i nečistoća u ušća.
Slika 2.11. Nepravilan i pravilni načini povezivanja razvodnika i ušća u tlačnom
uljevnom sustavu (R – razvodnik, U – ušće)
10
Slika 2.12. Pravilan i nepravilan spoj razvodnika i ušća u semitlačnom
uljevnom sustavu
Najvažnije karakteristike uljevnog sustava s prigušenjem su:
•
•
•
•
•
•
svi dijelovi uljevnog sustava su puni tijekom lijevanja,
uljevni sustav tijekom cijelog lijevanja je pod tlakom većim od atmosferskog,
ako ima više ušća na jednom razvodniku, kroz svako ušće prolazi približno jednaka
količina taljevine (pod uvjetom da imaju jednake površine poprečnog presjeka),
masa taljevine u uljevnom sustavu je manja u usporedbi sa uljevnim sustavom bez
prigušenja, tj. postiže se veće iskorištenje taljevine,
zbog velike brzine strujanja taljevine u ušću može se dogoditi rasprskavanje i
oksidacija taljevine te stvaranje vrtloga oko ušća (u sredini vrtloga obično se izdvajaju
nečistoće i stvaraju uključci),
uklanjanje uljevnog sustava sa odljevka zahtijeva manje rada i kraće brušenje na
mjestu dodira ušća i odljevka u odnosu na uljevni sustav bez prigušenja.
Najvažnije karakteristike uljevnog sustava bez prigušenja su:
•
•
•
•
zbog velike površine poprečnog presjeka ušća, taljevina ulazi u kalupnu šupljinu s
malom brzinom, pa je manja vjerojatnost rasprskavanja, oksidacije taljevine i
stvaranja vrtloga oko ušća, odnosno u kalupnoj šupljini,
kinetička energija duž razvodnika brzo opada, zbog čega ne protječe jednaka količina
taljevine kroz svako ušće. Ovaj nedostatak može se eliminirati prikladnom
konstrukcijom razvodnika: presjek razvodnika sužava se u smjeru tečenja taljevine
poslije svakog ušća za površinu poprečnog presjeka ušća (slika 2.10b),
uljevni sustav nije uvijek pun. Da bi svi dijelovi sustava bili uvijek puni razvodnik
treba postaviti u donji dio kalupa, a ušća u gornji dio kalupa (slika 2.10b),
masa taljevine u ovom uljevnom sustavu je veća nego u uljevnom sustavu s
prigušenjem, zbog čega je iskorištenje taljevine manje.
Kod sivog i tempernog lijeva obično se primjenjuje uljevni sustav s prigušenjem, a
kod legura lakih metala uljevni sustav bez prigušenja jer su te legure osjetljive na veliku
brzinu strujanja taljevine u ušću, stvaranje oksida i vrloga (turbulencije). Kod čeličnog i
nodularnog lijeva, te kod legura teških obojenih metala upotrebljava se i jedan i drugi sustav,
prema konkretnim uvjetima.
Semitlačni uljevni sustav primjenjuje se u slučaju lijevanja većeg broja malih
odljevaka u jednom kalupu, kada je nepraktična primjena prigušenja (kritičnog presjeka) na
svakom pojedinačnom odljevku, kada su dimenzije kritičnog presjeka vrlo male, odnosno vrlo
zahtjevne obzirom na tehniku izrade kalupa i temperaturu lijevanja.
11
U uljevnim sustavima s prigušenjem obično se primjenjuju slijedeći omjeri površine
poprečnog presjeka spusta As, razvodnika Ar i ušća Au:
As : Ar : Au = 2 : 1,5 : 1
As : Ar : Au = 1,4 : 1,2 : 1
(2.2)
As : Ar : Au = 1,2 : 1,1 : 1
Kritični presjek je presjek ušća koji se mora prvo odrediti, a onda se u skladu s danim
razmjerima određuju presjeci spusta i razvodnika.
U sustavima bez prigušenja obično se primjenjuju slijedeći omjeri:
As : Ar : Au = 1 : 2 : 2
As : Ar : Au = 1 : 3 : 3
(2.3)
As : Ar : Au = 1 : 4 : 4
As : Ar : Au = 1 : 6 : 6
Kritični presjek je izlaz iz koničnog dijela spusta (dno spusta) koji se mora prvo
odrediti, a onda se u skladu s danim razmjerima određuju površine poprečnog presjeka
razvodnika i ušća. Uljevni sustav sa omjerom As : Ar : Au = 1 : 2 : 2 često se susreće u
ljevaonicama čelika.
2.3
Dimenzioniranje uljevnog sustava
Prije no što se izračunaju dimenzije pojedinih komponenti uljevnog sustava, potrebno
je odabrati tip uljevnog sustava (tlačni ili semitlačni). Uljevni sustav se dimenzionira počevši
od dijela koji ima najmanji poprečni presjek, tzv. kritični presjek, koji određuje brzinu
strujanja u uljevnom sustavu. Vrijeme punjenja kalupne šupljine također ovisi o kritičnom
presjeku. Za pravilno dimenzioniranje uljevnog sustava potrebno je poznavati nekoliko
temeljnih principa dinamike fluida.
2.3.1 Primjena Bernoullijevog zakona
Uljevni sustav možemo promatrati kao posudu iz koje istječe taljevina. Brzina
istjecanja tekućine može se odrediti primjenom Bernoullijevog zakona koji je u biti poseban
oblik zakona o održanju energije. Prema Bernoullijevom zakonu, u svakoj točci punog
sustava ukupna energija je konstantna, odnosno zbroj potencijalne energije, kinetičke energije
i energije tlaka u svim presjecima je konstantan:
h+
v2 p
+ = konst.
2g ρ
gdje je: h – visina, v – brzina, g – gravitacijsko ubrzanje, p – tlak i ρ – gustoća.
12
(2.4)
Primjenom Bernoullijevog teorema na presjek 1 (nivo taljevine u čaši, slika 2.13) i na
presjek 2 (nivo ušća) u tlačnom uljevnom sustavu može se napisati slijedeća jednadžba:
Slika 2.13. Primjena Bernoullijevog zakona na uljevni sustav
v12 p1
v 22 p 2
h1 +
+
= h2 +
+
2g ρ
2g ρ
(2.5)
gdje je: h1 – visina taljevine u uljevnoj čaši u odnosu na referentni nivo, v1 – brzina taljevine u
uljevnoj čaši, g – gravitacijsko ubrzanje, p1 – tlak na površini taljevine u uljevnoj čaši, ρ –
gustoća taljevine, h2 – visina ušća u odnosu na referentni nivo, v2 – brzina taljevine u ušću, p2
– tlak taljevine u ušću.
Na površini taljevine u čaši i u ušću djeluje atmosferski tlak, zbog čega je p1 = p2.
Površina presjeka čaše je daleko veća od površine presjeka ušća, zbog čega je brzina strujanja
u čaši, v1, vrlo mala u odnosu na brzinu strujanja u ušću, tako da se može zanemariti (v1 = 0).
Uzevši to u obzir, jednadžba (2.5) može se napisati u slijedećem obliku:
v 22
h1 = h2 +
2g
(2.6)
Daljnjim sređivanjem jednadžbe (2.6) i uvrštavanjem H = h1 – h2 dobiva se poznata
Torricellijeva formula za brzinu istjecanja idealnih fluida:
v 2 = 2 gH
(2.7)
gdje je: v2 – brzina istjecanja, odnosno brzina taljevine u ušću (cm/s), a H – vertikalna
udaljenost između nivoa taljevine u uljevnoj čaši i nivoa ušća.
Stvarna brzina istjecanja taljevine u ušću uvijek je manja od vrijednosti određene
jednadžbom (2.7) zbog energetskih gubitaka koji nastaju uslijed unutarnjeg trenja u uljevnom
sustavu. Iz tog razloga uvodi se koeficijent brzine istjecanja μ:
v 2 = μ 2 gH
(2.8)
Vrijednost koeficijenta μ ovisi o vrsti lijeva, odnosno koeficijentu viskoznosti
taljevine, temperaturi taljevine, te obliku i konstrukciji uljevnog sustava (broj promjena
13
pravca kretanja taljevine). Vrijednost ovog koeficijenta određuje se iz dijagrama konstruiranih
za dani fluid u zavisnosti od gore navedenih faktora. Vrijednosti koeficijenta brzine istjecanja
μ za sivi lijev za razne načine ulijevanja i temperature taljevine mogu se odrediti sa slike 2.14.
Slika 2.14. Ovisnost koeficijenta brzine istjecanja taljevine (μ) sivog lijeva o temperaturi
taljevine i načinu lijevanja (prema A. Holzmülleru)
Za brzo određivanje brzine protjecanja taljevine pri različitim načinima lijevanja i
vrijednostima koeficijenta brzine istjecanja te visine H mogu se konstruirati dijagrami.
Primjeri takvih dijagrama za sivi lijev prikazani su na slikama 2.15 i 2.16.
Slika 2.15. Brzina istjecanja taljevine sivog lijeva u ovisnosti o temperaturi taljevine i načinu
lijevanja (1 – lijevanje sa strane (jedna promjena smjera); 2 – lijevanje odozdo) za različite
vrijednosti koeficijenta brzine istjecanja μ
14
Slika 2.16. Brzina istjecanja taljevine sivog lijeva u ovisnosti o temperaturi taljevine i načinu
lijevanja (1 – lijevanje odozgo; 2 – lijevanje sa strane (više promjena smjera)) za različite
vrijednosti koeficijenta brzine istjecanja μ
2.3.2 Primjena zakona o kontinuitetu strujanja
Prema zakonu o kontinuitetu strujanja, u sustavu s nepropusnim stjenkama koji je
ispunjen nestlačivom tekućinom, intenzitet strujanja (Q) je konstantan u svim točkama
sustava:
Q = A1v1 = A2v2 = konst.
(2.9)
U jednadžbi (2.9) Q predstavlja protok, odnosno intenzitet strujanja (m3/s), A1 i A2 su
površine poprečnog presjeka kanala u točki 1, odnosno točki 2 (m2) (slika 2.17), a v1 i v2 su
brzine strujanja fluida u točki 1, odnosno točki 2 (m/s2).
Slika 2.17. Brzina toka taljevine kroz kanal s različitim površinama poprečnog presjeka
(zakon o kontinuitetu strujanja)
Volumen tekućine koji protječe u jedinici vremena kroz bilo koji presjek u sustavu je
konstantan. To znači da brzina tekućine raste sa smanjenjem površine poprečnog presjeka i
obrnuto.
Zakon o kontinuitetu strujanja primjenjuje se pri dimenzioniranju spusta koji se
sužava prema dolje (u smjeru tečenja taljevine, slika 2.3a). Pri određivanju površine
15
poprečnog presjeka spusta na gornjem kraju (Asg) (na dnu čaše) polazi se od toga da za isto
vrijeme treba ista količina taljevine proteći na gornjem i na donjem kraju spusta. Primjenom
jednadžbe kontinuiteta za presjeke na vrhu (Asg) i dnu spusta (Asd) dobiva se:
Qsg = Asgvsg ; Qsd = Asdvsd
(2.10)
Qsg = Qsd
gdje je: Qsg - protok taljevine kroz presjek Asg, vsg - brzina protjecanja taljevine kroz presjek
Asg, Asg - površina poprečnog presjeka spusta na dnu čaše, Qsd - protok taljevine kroz presjek
Asd, vsd - brzina protjecanja taljevine kroz presjek Asd, Asd - površina poprečnog presjeka
spusta na donjem kraju.
Ako se brzine taljevine u jednadžbi (2.10) izraze pomoću jednadžbe (2.8), visina
taljevine u uljevnoj čaši označi sa h, a vertikalna udaljenost između nivoa taljevine u čaši i
razine kritičnog presjeka sa H (slika 2.18), može se doći do izraza za određivanje površine
poprečnog presjeka spusta na gornjem kraju (Asg):
Slika 2.18. Shematski prikaz pojednostavljenog tlačnog uljevnog sustava
Asg 2 gh = Asd 2 gH
Asg = Asd
H
h
(2.11)
Spust koji se sužava prema dolje (u pravcu toka taljevine) sprječava nasisavanje zraka
i pojavu turbulencije. Međutim, ovakav tip spusta nije prihvatljiv kod mnogih tipova
visokoučinskih strojeva za izradu kalupa jer onemogućuje izvlačenje modela iz kalupa (spust
bi se trebao proširivati u smjeru diobene ravnine kalupa). Zbog toga se često primjenjuje ravni
spust, s tim da se na dnu spusta ili u razvodniku u blizini spusta načini odgovarajuće
prigušenje (suženje) (slika 2.19) kojim se osigurava da padajući mlaz taljevine ispuni spust po
čitavom presjeku.
16
a)
b)
Slika 2.19. Formiranje prigušenja (suženja) u ravnom spustu radi aproksimacije tečenja
taljevine u spustu koji se sužava prema dolje (u pravcu toka taljevine, tj. prema diobenoj
ravnini): a) prigušenje na dnu spusta, b) prigušenje u razvodniku
2.3.3 Učinci momenta
Prema prvom Newtonovom zakonu suma sila koje djeluju na neko tijelo koje se nalazi
u stanju mirovanja ili gibanja konstantnom brzinom je nula. Drugim riječima, tijelo koje se
nalazi u stanju mirovanja ili se giba konstantnom brzinom ostati će u tom stanju sve dok
vanjska sila ne djeluje na njega. To znači da će npr. taljevina u razvodniku koja se giba (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.
Prema drugom Newtonovom zakonu masa je svojstvo materijala. Sila ili težina nisu
svojstva materijala. Ovaj zakon ne nalazi direktnu primjenu u proračunu (dimenzioniranju)
uljevnog sustava, već u samom funkcioniranju uljevnog sustava. Npr. na početku lijevanja u
tlačnom uljevnom sustavu, taljevina u razvodniku gibati će se konstantnom brzinom sve dok
ne dosegne završetak razvodnika. U toj točci dolazi do nagle deceleracije, što rezultira
smanjenjem brzine na nulu. Prema tome, nastala sila uzrokuje tok u suprotnom smjeru (slika
2.20), što u konačnici rezultira visokom turbulencijom i mogućim unošenjem troske i
nečistoća u ušća jer je prva taljevina značajnije oksidirana te sadrži čestice troske i razne
nečistoće.
Slika 2.20. Povratni tok taljevine i stvaranje turbulencija na početku lijevanja u tlačnom
uljevnom sustavu zbog nepravilne konstrukcije razvodnika
17
Prethodno opisani problem može se riješiti pravilnom konstrukcijom razvodnika. Ako
razvodnik ima dovoljnu dužinu nakon zadnjeg ušća (produžetak razvodnika, slike 2.1 i 2.2b),
zbog djelovanja momenta prva taljevina prolazi mimo ušća i završava u produžetku
razvodnika. Isti princip primjenjuje se i kod semitlačnih uljevnih sustava. U tom slučaju ušća
će se puniti čišćom taljevinom koja slijedi iza početnog mlaza.
Kod tlačnih uljevnih sustava završetak razvodnika, odnosno produžetak od zadnjeg
ušća do kraja razvodnika, mora se stanjivati prema kraju tako da poprimi oblik klina (slika
2.21a). Time se minimalizira turbulencija i mogućnost unošenja troske i nečistoća u ušća. U
slučaju ograničenog prostora u kalupu (nedostatan produžetak razvodnika nakon zadnjeg
ušća) može se dodati tzv. „gnijezdo“, odnosno podnožje ispod razvodnika na njegovom kraju
(slika 2.21b).
a)
b)
Slika 2.21. Pravilno konstruiran završetak razvodnika u tlačnom uljevnom sustavu: a) klinasti
oblik razvodnika od zadnjeg ušća do završetka razvodnika, b) dodatak tzv.“gnijezda“ na kraju
klinastog dijela razvodnika
Da bi brzina strujanja ostala konstantna duž čitave dužine razvodnika u semitlačnom
uljevnom sustavu, potrebno je održavati jednake tlakove na ušćima (slika 2.22).
a)
b)
Slika 2.22. Nepravilna (a) i pravilna (b) konstrukcija razvodnika u
semitlačnom uljevnom sustavu
Zbog djelovanja momenta brzina taljevine kod prvog ušća je veća u odnosu na drugo
ušće. Kod drugog ušća, brzina u razvodniku smanjuje se kad se dostigne njegov kraj, što
18
rezultira višim tlakom i višim protokom taljevine kroz drugo ušće. Ovaj nedostatak može se
ukloniti prikladnom konstrukcijom razvodnika: presjek razvodnika sužava se u smjeru tečenja
taljevine poslije svakog ušća za površinu poprečnog presjeka ušća. U analiziranom primjeru
na slici 2.22, postavljanjem stepenice na razvodniku nakon prvog ušća (slika 2.22b)
izjednačavaju se brzine taljevine i tlakovi kod oba ušća. Isti efekt može se postići i
postepenim suženjem poprečnog presjeka razvodnika u smjeru tečenja taljevine.
Ispitujući strujanje različitih tekućina u cijevima, Reynolds je došao do zaključka da
priroda strujanja viskoznih tekućina ovisi o brzini strujanja, viskozitetu, gustoći i promjeru
cijevi. Strujanje tekućine može se karakterizirati izračunavanjem tzv. Reynoldsovog broja:
Re =
vdρ
η
(2.12)
gdje je: Re – Reynoldsov broj, v – brzina tekućine, d – promjer kanala kroz koji se giba
tekućina, ρ – gustoća tekućine, η – dinamički viskozitet tekućine.
Ako je Re < 2000 (slika 2.23a) strujanje je laminarno. Molekule tekućine nastoje se
ravno gibati u smjeru toka.
Slika 2.23. Reynoldsov broj i njegova povezanost s karakterizacijom strujanja: a) Re < 2000
(laminarno strujanje), b) 2000 ≤ Re < 20000 (turbulentno strujanje),
c) Re ≥ 20000 (izrazito turbulentno strujanje)
19
U sustavima u kojima je Reynoldsov broj između 2000 i 20000, u određenom opsegu
pojaviti će se miješanje i turbulencije (slika 2.23b), s tim da će se na površini mlaza održavati
relativno neometan (miran) granični sloj. Ova vrsta turbulentnog tečenja, uobičajena za
mnoge uljevne sustave u ljevaonicama, može se smatrati relativno bezopasnom sve dok ne
dođe do kidanja površinskog sloja mlaza taljevine, što bi rezultiralo zahvaćanjem zraka.
Ako je Re < 20000, strujanje će biti izrazito turbulentno (slika 2.23c). U tom slučaju
doći će do kidanja površinskog sloja mlaza taljevine s velikom vjerojatnošću uvlačenja
(zahvaćanja) zraka i stvaranja metalnih oksida (troske).
U uljevnim sustavima u praksi ne ostvaruje se idealno laminarno strujanje, jer bi u tom
slučaju brzina taljevine bila vrlo niska i ne bi se mogao ispuniti kalup prije nego što dođe do
skrućivanja taljevine. U većini slučajeva strujanje je miješano, s tim da ne smije doći do
kidanja površinskog sloja mlaza taljevine. Treba težiti da laminarna komponenta bude što je
moguće više izražena.
Pri konstruiranju uljevnog sustava potrebno je izbjeći nagle (oštre) promjene
poprečnog presjeka kanala kroz koje protječe taljevina, jer može doći do stvaranja zona
niskog tlaka, nasisavanja zraka i pojave turbulencija (slika 2.24).
a)
b)
Slika 2.24. Shematski prikaz stvaranja zona niskog tlaka zbog nagle promjene poprečnog
presjeka kanala kroz koje protječe taljevina: a) naglo povećanje poprečnog presjeka kanala, b)
naglo smanjenje poprečnog presjeka kanala
Problem prikazan na slici 2.24 može se minimalizirati postepenim promjenama
poprečnih presjeka kanala.
U uljevnim sustavim potrebno je izbjeći nagle (iznenadne) promjene smjera tečenja
taljevine, jer mogu rezultirati stvaranjem zona niskog tlaka, nasisavanjem zraka i pojavom
turbulencija (slika 2.25a). Navedeni problemi mogu se minimalizirati postepenom promjenom
smjera tečenja taljevine.
Nagle promjene smjera tečenja taljevine rezultiraju i povećanjem gubitaka uslijed
trenja. Sustav s visokim gubicima uslijed trenja zahtijeva viši tlak da bi se održala potrebita
brzina strujanja.
20
a)
b)
Slika 2.25. Shematski prikaz toka taljevine u slučaju nagle promjene smjera tečenja (a) i
postepene promjene smjera tečenja (b)
2.3.4 Vrijeme lijevanja
Vrijeme lijevanja ovisi o debljini stjenke odljevka, masi odljevka, vrsti legure, vrsti
kalupa itd. Dva odljevka jednakih masa, ali različitih oblika, hlade se posve različito. Poznato
je da se tankostjeni odljevci brže hlade od debelostjenih, zbog čega se moraju brže lijevati. Za
određivanje optimalnog vremena lijevanja postoji više empirijskih izraza. Navedeni su izrazi
koji se najčešće primjenjuju u praksi.
Prema H. W. Dietertu, vrijeme lijevanja može se odrediti pomoću slijedeće formule:
t=s m
(2.13)
gdje je: t – vrijeme lijevanja (s), s – koeficijent ovisan o debljini stjenke i masi odljevka, m –
ukupna masa taljevine u kalupu zajedno s uljevnim sustavom (kg). Vrijednost koeficijenta s
može se odrediti iz dijagrama na slici 2.26.
U praksi se često primjenjuje i korigirana Dietertova formula koja u većoj mjeri uzima
u obzir utjecaj debljine stjenke odljevka:
t = 1,4m0,5 + 0,7δm0,5
(2.14)
gdje je: t – vrijeme lijevanja (s), m – ukupna masa taljevine u kalupu (kg), a δ – debljina
stjenke odljevka (cm).
Prema M. G. Hènonu vrijeme lijevanja može se odrediti na osnovi slijedeće formule:
t=
C
vp
(2.15)
gdje je: t – vrijeme lijevanja (s), C – ukupna visina kalupne šupljine (mm), a vp –
najpovoljnija brzina podizanja nivoa taljevine u kalupu (mm/s) (tablica 2.2).
21
Slika 2.26. Vrijednost koeficijenta s ovisno o debljini stjenke odljevka i ukupnoj masi
taljevine u kalupu (m)
Tablica 2.2. Najpovoljnija brzina podizanja nivoa taljevine u kalupu za sivi, čelični i
aluminijski lijev
Debljina stjenke, mm
<4
4 - 10
10 - 30
> 40
Najpovoljnija brzina podizanja nivoa taljevine, mm/s
Sivi lijev
Čelični lijev
Aluminijski lijev
30 – 100
20 – 30
20 – 30
5 – 20
10 – 20
10 – 20
1–5
8 - 10
8 - 10
-
Za odljevke od čeličnog lijeva mase do 15 t preporučuje se slijedeća formula:
t = s1 3 δm
(2.16)
gdje je: s1 – koeficijent čija se vrijednost kreće od 0,9 – 1,45 ovisno o masi odljevka i debljini
stjenke, δ – debljina stjenke koja dominira (mm), a m – ukupna masa taljevine u kalupu (kg).
Za odljevke od čeličnog lijeva mase preko 15 t, vrijeme lijevanja se određuje prema
izrazu Dieterta s tim da se vrijednost koeficijenta s kreće od 0,9 – 2,0.
Prema F. Nielsenu vrijeme lijevanja određuje se prema slijedećem izrazu:
za sivi lijev: t = 0,32δm0,4
(2.17)
za Al-legure: t = 1,6δm0,4
(2.18)
gdje je: t – vrijeme lijevanja (s), m – ukupna masa taljevine u kalupu (kg), a δ – debljina
stjenke odljevka (mm).
22
U cilju bržeg određivanja vremena lijevanja mogu se na osnovi prethodno navedenih
formula konstruirati dijagrami. Na slici 2.27 prikazan je dijagram za određivanje vremena
lijevanja odljevaka od sivog i tempernog lijeva, a na slici 2.28 dijagrama za određivanje
vremena lijevanja odljevaka od Al-legura.
Slika 2.27. Vrijeme lijevanja odljevaka od sivog i tempernog lijeva ovisno o ukupnoj masi
taljevine u kalupu (m) i debljini stjenke odljevka (δ)
Slika 2.28. Vrijeme lijevanja odljevaka od Al-legura ovisno o ukupnoj masi taljevine u kalupu
(m) i debljini stjenke odljevka (δ)
23
2.3.5 Dimenzioniranje kritičnog presjeka
Uljevni sustav se dimenzionira počevši od dijela koji ima najmanji poprečni presjek
(kritični presjek), koji određuje brzinu strujanja u uljevnom sustavu. Za dimenzioniranje
kritičnog presjeka upotrebljava se jednadžba kontinuiteta (jednadžba 2.9) primijenjena na
najuži, odnosno kritični presjek (Ak):
Qk = Akvk
(2.19)
gdje je: Qk – intenzitet strujanja kroz kritični presjek (cm3/s), Ak – površina kritičnog presjeka
(cm2), a vk – brzina taljevine kroz kritični presjek (cm/s).
Intenzitet strujanja kroz kritični presjek (Qk) može se definirati kao omjer volumena
taljevine i vremena potrebnog za istjecanje kroz dani presjek (t), a volumen taljevine kao
omjer mase (m) i gustoće taljevine (ρ). Na osnovi toga dobiva se slijedeći izraz za određivanje
površine kritičnog presjeka:
AK =
m
tρv
(2.20)
U prethodnom izrazu brzina strujanja taljevine može se odrediti prema Torricellijevoj
formuli (jednadžba 2.8) koja uzima u obzir energetske gubitke i računsku visinu (HR) koja
proizlazi iz činjenice da se tijekom punjenja kalupne šupljine mijenja visina taljevine u njoj.
Ako se kalupna šupljina nalazi djelomično u gornjem dijelu, a djelomično u donjem
dijelu kalupa (slika 2.29), onda ne djeluje jednaka visina taljevine tijekom cijelog vremena
lijevanja.
a)
b)
c)
Slika 2.29. Određivanje računske visine taljevine (HR) ovisno o načinu lijevanja: a) lijevanje
sa strane, b) lijevanje odozgo, c) lijevanje odozdo
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
lijevanja djeluje visina H – hog (slika 2.29). Zbog toga se u formulu unosi prosječna, tzv.
računska vrijednost visine HR. Računska vrijednost visine može se izračunati prema formuli
B. Osanna:
HR = H −
hog2
2ho
(2.21)
gdje je: HR – računska visina, H – vertikalna udaljenost od vrha uljevne čaše do razine ušća,
hog – visina odljevka u gornjoj polovici kalupa, a ho – ukupna visina odljevka.
24
Navedeni izraz može se dodatno pojednostaviti ovisno o načinu lijevanja. Pri lijevanju
odozgo (slika 2.29b) tijekom cijelog vremena lijevanja djeluje visina H. Budući da je hog = 0
dobiva se:
HR = H
(2.22)
Pri lijevanju odozdo (slika 2.29c) na početku lijevanja djeluje visina H, a na kraju
lijevanja H – hog. Za ukupno vrijeme lijevanja može se računati s nekom srednjom visinom, tj.
za hog = ho dobiva se:
HR = H −
ho
2
(2.23)
Pri lijevanju sa strane (slika 2.29a), ako je model podijeljen po sredini, jedna se
polovica kalupne šupljine nalazi u gornjem dijelu kalupa, a druga u donjem. U tom će slučaju
biti hog = ho/2, pa se dobiva:
HR = H −
ho
8
(2.24)
Za određivanje računske visine u literaturi se navodi i slijedeća formula:
HR =
h1 + h2
2
(2.25)
gdje je: h1 – visina taljevine na početku ulijevanja (cm), a h2 – visina taljevine na kraju
lijevanja (cm).
Uzevši u obzir sve navedeno, na osnovi izraza (2.20) može se izvesti formula za
izračunavanje površine kritičnog presjeka:
AK =
m
qtμ 2 gH R
(2.26)
gdje je: Ak – površina kritičnog presjeka (cm2), m – ukupna masa taljevine u kalupu (kg), ρ –
gustoća taljevine na temperaturi lijevanja (kg/cm3), t –vrijeme lijevanja (s), µ - koeficijent
brzine istjecanja, g – gravitacijsko ubrzanje (cm/s2), HR – računska visina (cm).
U izrazu (2.26) za određenu ljevačku leguru gustoća (ρ) je konstanta, pa se može
izračunati vrijednost ρ ⋅ 2 g . Za sivi, nodularni i temperni lijev, uzimajući da je gustoća ρ =
6,7 x 10-3 kg/cm3, vrijednost izraza ρ ⋅ 2 g iznosi 0,30. Kod čeličnog lijeva, uzimajući da je
gustoća ρ = 7,0 x 10-3 kg/cm3, vrijednost izraza ρ ⋅ 2 g iznosi 0,31. Za aluminijske legure,
uzimajući da je gustoća ρ = 2,38 x 10-3 kg/cm3, vrijednost izraza ρ ⋅ 2 g iznosi 0,105. Kod
bakrenih legura, uzimajući da je gustoća ρ = 8,0 x 10-3 kg/cm3, vrijednost izraza ρ ⋅ 2 g
iznosi 0,35.
25
Ako se u izraz (2.26) uvrsti odgovarajuća vrijednost ρ ⋅ 2 g za svaku ljevačku leguru
dobivaju se jednostavnije formule za određivanje površine kritičnog presjeka:
- za sivi, nodularni i temperni lijev:
AK =
m
tμ 0 ,30 H R
(2.27)
- za čelični lijev:
AK =
m
tμ 0 ,31 H R
(2.28)
- za aluminijske legure:
AK =
m
tμ 0 ,105 H R
(2.29)
- za bakrene legure:
AK =
m
tμ 0 ,35 H R
(2.30)
Ako se kritični presjek (Ak) odnosi na poprečni presjek ušća (tlačni uljevni sustav),
dobivenu površinu kritičnog presjeka ušća potrebno je podijeliti s brojem ušća povezanih s
odljevkom:
Au =
Ak
n
(2.31)
gdje je Au – površina poprečnog presjeka jednog ušća, a n broj ušća.
Odabrani broj ušća kontrolira se pomoću Wlodawer - ove preporuke:
nAu = (2 – 3)f
(2.32)
gdje je f poprečni presjek izljevnika lonca:
d 2π
f =
4
(2.33)
Dijagram za brzo određivanje površine kritičnog presjeka na osnovi ukupne mase
taljevine u kalupu prikazan je na slici 2.30. Linija 1 u dijagramu odnosi se na brzo lijevanje
kalupa, linija 2 na srednje, a linija 3 na sporo lijevanje kalupa. Sporo lijevanje obično se
primjenjuje kod odljevaka s većom debljinom stjenke.
26
Slika 2.30. Dijagram za određivanje Ak ovisno o masi taljevine u kalupu (m)
Za brzo određivanje površine kritičnog presjeka mogu se sastaviti dijagrami polazeći
od formule za vrijeme ulijevanja i izraza za Ak. Primjer takvog dijagrama za sivi lijev koji je
konstruiran polazeći od Nielsenove formule za vrijeme lijevanja i izraza za Ak prikazan je na
slici 2.31. Dijagram je konstruiran za debljinu stjenke od 10,0 mm i μ = 0,5.
Slika 2.31. Dijagram za određivanje Ak ovisno o masi taljevine u kalupu (m) i računskoj visini
(HR) za sivi lijev
27
Ako debljina stjenke nije 10,0 mm ili koeficijent brzine istjecanja (μ) nije 0,5,
potrebno je očitane vrijednosti korigirati pomoću dijagrama za korekciju Ak (slika 2.32).
Slika 2.32. Dijagram za korekciju Ak (izračunata za δ = 10 mm i μ = 0,5) za različite debljine
stjenke odljevka (δ = 3 - 100 mm) i različite vrijednosti koeficijenta
brzine istjecanja taljevine (μ = 0,3 - 0,9)
Nakon dimenzioniranja kritičnog presjeka prilazi se dimenzioniranju poprečnih
presjeka ostalih elemenata uljevnog sustava prema odabranom omjeru (jednadžbe 2.2 i 2.3).
2.4
Primjena keramičkih filtara u uljevnim sustavima
Keramički filtri intenzivno se primjenjuju u ljevarstvu u cilju poboljšanja čistoće
odljevka i smanjenja troškova njegove izrade. Inkorporirani unutar uljevnog sustava,
keramički filtri uklanjaju trosku i nemetalne čestice iz taljevine prije nego što taljevina uđe u
kalupnu šupljinu. Većina ljevačkih legura izložena je prisustvu čestica koje štetno djeluju na
svojstva odljevaka. Te čestice uključuju:
•
•
•
•
okside nastale tijekom taljenja, prijenosa taljevine i lijevanja,
čestice vatrostalnog materijala koje potječu od obloge peći i lonca,
čestice vatrostalnog materijala prisutne u uljevnom sustavu ili izdvojene iz kalupnog
ili jezgrenog materijala tijekom lijevanja,
neotopljene metalne ili nemetalne čestice koje potječu od dodataka sredstava za
metaluršku modifikaciju taljevine.
Navedene čestice, ili uključci, djeluju kao diskontinuiteti u metalnoj osnovi odljevka i
mogu imati različite štetne utjecaje:
•
veliki uključci mogu smanjiti mehanička svojstva (npr. vlačnu čvrstoću i izduženje),
28
•
•
•
•
smanjenje izdržljivosti pod (dinamičkim) opterećenjem,
otežana strojna obradivost i jače izraženo trošenje alata za obradu,
lošiji izgled površine odljevka,
nedostatak nepropusnosti pod tlakom, itd.
Uljevni sustav potrebno je tako konstruirati da se pospješi izdvajanje uključaka iz
taljevine zbog razlike u gustoćama između metala i uključaka (tablice 2.3 i 2.4). Međutim,
ovakav pristup ne osigurava uvijek odljevke zadovoljavajuće kvalitete. Osim toga,
iskorištenje taljevine često je smanjeno posebno kod primjene semitlačnih uljevnih sustava.
Tablica 2.3. Gustoće metala i metalnih oksida
Gustoća, g/cm3
Ljevačka legura
Legure aluminija
Al
Al2O3
3Al2O3 · SiO2
2,41
3,96
3,15
Legure magnezija
Mg
MgO
1,57
3,58
Legure bakra
Cu
CuO
ZnO
SnO
BeO
8,0
6,0
5,61
6,45
3,01
Tablica 2.4. Gustoće metala i metalnih oksida
Gustoća, g/cm3
Ljevačka legura
Legure željeza
Sivi željezni ljevovi
Niskougljični čelik
Čelik s 2,0%C
FeO
Fe2O3
Fe3O4
FeSiO4
MnO
Cr2O3
SiO2
6,97
7,81
6,93
5,70
5,24
5,18
4,34
5,45
5,21
2,65
Keramički filtri, ispravno primijenjeni, mogu spriječiti ulazak uključaka u kalupnu
šupljinu. Upotrebom keramičkog filtra u uljevnom sustavu konvencionalne konstrukcije može
se smanjiti udio grešaka povezanih sa uključcima. Specijalnom konstrukcijom uljevnog
sustava za inkorporaciju keramičkog filtra postiže se veća efikasnost. Na slici 2.33 prikazani
su tipični uljevni sustavi za kalupe s horizontalnom diobenom ravninom konstruirani za
inkorporaciju keramičkog filtra.
29
Slika 2.33. Specijalno konstruirani uljevni sustavi u kalupu s horizontalnom diobenom
ravninom u cilju optimizacije djelovanja keramičkog filtra:
a) As : Af : Ar : Au = 1 : 3 - 6 : 1,1 : 1,2, b) As : Af : Ar : Au = 1,2 : 3 - 6 : 1,0 : 1,1
(Af – površina poprečnog presjeka filtra)
Najčešće upotrebljavani materijali za izradu keramičkih filtara su: mulit, korund,
kvarc, cirkonijev dioksid i silicijev karbid. Djelovanje filtra zasniva se na dva mehanizma:
fizičkom (prosijavanje) i kemijskom (privlačenje). Kada su pravilno inkorporirani u uljevni
sustav, filtri ne predstavljaju značajno ograničenje toka taljevine. Omjer površine raspoložive
za prolaz taljevine i ukupne površine poprečnog presjeka filtra kreće se od 60 – 85 %.
Pri konstrukciji uljevnog sustava u kojem se nalazi filtar potrebno je obratiti pažnju na
slijedeće:
•
•
•
•
•
smještanje filtra ne smije biti otežano,
filtar ne smije utjecati na vrijeme punjenje kalupa,
vrsta filtra mora biti odgovarajuća primjeni,
uljevni sustav potrebno je tako konstruirati da se minimaliziraju turbulencije iza filtra i
u kalupnoj šupljini,
veličina uljevnog sustava mora se održavati na minimumu.
Položaj filtra ovisi o metodi izrade kalupa, rasporedu modela i metalurškim
operacijama koje se provode unutar kalupa (nodularizacija, cijepljenje). Na slici 2.34
prikazani su uobičajeni načini smještanja filtra u uljevne sustave kod kalupa s horizontalnom
diobenom ravninom. Filtri se ne smiju smjestiti na dno spusta, jer u tom slučaju postoji
povećana opasnost od loma filtra i smanjenja njegove efikasnosti.
30
Slika 2.34. Uobičajeni položaji filtra u uljevnom sustavu kod kalupa s horizontalnom
diobenom ravninom: a) paralelno diobenoj ravnini kalupa, b) pod određenim kutom u odnosu
na diobenu ravninu kalupa, c) pod kutom od 90° u odnosu na diobenu ravninu kalupa
Ako se u kalupu nalazi reakcijska komora (npr. obrada taljevine predlegurom na bazi
magnezija u cilju proizvodnje nodularnog lijeva), filtar se mora smjestiti iza nje (slika 2.35).
Slika 2.35. Položaj filtra u slučaju kada se metalurške operacije (obrada taljevine predlegurom
na bazi magnezija ili cijepljenje) provode u kalupu
31
3. NAPAJANJE ODLJEVAKA
Jedan od vrlo važnih čimbenika u proizvodnji kvalitetnih odljevaka je razumijevanje i
kontrola volumnih promjena koje se događaju tijekom hlađenja i skrućivanja odljevaka.
Poznavanje ovih promjena omogućuje pravilnu konstrukciju sustava napajanja.
3.1
Volumne promjene tijekom hlađenja i skrućivanja odljevaka
Pri punjenju kalupne šupljine rastaljeni metal (taljevina) dolazi u kontakt s kalupnim
materijalom. Temperatura taljevine u kalupu postepeno opada zbog odvođenja topline kroz
stjenke kalupa (kalupni materijal) prema okolini. Kada se dostigne likvidus temperatura (TL)
započinje skrućivanje, odnosno fazna pretvorba iz tekućeg u kruto stanje. Tijekom
skrućivanja, zbog povećanja gustoće pakovanja uslijed ugradnje atoma u kristalnu rešetku,
dolazi do diskontinuirane promjene volumena, odnosno smanjenja volumena (stezanja). Zbog
smanjenja volumena, na mjestu koje zadnje skrućuje u odljevku nastaje usahlina ili lunker
(šupljina). Da bi se izbjegla prisutnost ove greške u odljevku, očito je da se tijekom
skrućivanja odljevka mora kompenzirati manjak taljevine dotok taljevine iz vanjskog
priljevnog dijela koji se naziva pojilo ili hranitelj.
Kod većine ljevačkih legura razlikuju se tri područja volumnih promjena u odljevku
koje se dešavaju tijekom hlađenja od temperature koju taljevina ima nakon završetka
ulijevanja u kalupnu šupljinu do sobne temperature (slika 3.1):
•
•
•
stezanje u tekućem stanju, odnosno smanjenje volumena taljevine tijekom hlađenja
od temperature koju taljevina ima u kalupu nakon završetka ulijevanja do likvidus
temperature tj. početka skrućivanja,
stezanje tijekom skrućivanja, odnosno smanjenje volumena tijekom hlađenja od
likvidus do solidus temperature (TS),
stezanje u krutom stanju, odnosno smanjenje volumena tijekom hlađenja odljevka
od solidus temperature do sobne temperature.
Slika 3.1. Shematski prikaz tipične krivulje volumnih promjena kod većine ljevačkih legura
(osim sivih željeznih ljevova). Tt – temperatura taljevine u kalupu nakon završetka ulijevanja,
TL – likvidus temperatura, TS – solidus temperatura
32
Stezanje u tekućem stanju (u literaturi se često naziva primarno stezanje) ovisi o vrsti
legure i visini pregrijanja taljevine. Kod čeličnog lijeva stezanje u tekućem stanju obično
iznosi 1,6 – 1-8 vol.% za svakih 100 °C pregrijanja taljevine, a kod sivih željeznih ljevova
(sivi, vermikularni i nodularni lijev) 0,68 – 1,8 vol.% za svakih 100 °C pregrijanja taljevine.
Tijekom skrućivanja dolazi do fazne pretvorbe tekuće → kruto, odnosno prijelaza iz
stanje manje gustoće u stanje veće gustoće, što u konačnici rezultira smanjenjem volumena
(stezanjem). Stezanje tijekom skrućivanja u literaturi se često naziva sekundarno stezanje.
Kod čistih metala ovo smanjenje volumena pojavljuje se kod određene temperature, dok se
kod legura odvija u temperaturnom intervalu ili intervalu skrućivanja (od likvidus do solidus
temperature).
U tablici 3.1 prikazane su vrijednosti volumnog stezanja tijekom skrućivanja za
različite ljevačke legure.
Tablica 3.1. Volumno stezanje (kontrakcija) tijekom skrućivanja za različite ljevačke legure
Materijal
Ugljični čelik
Ugljični čelik sa 1% C
Bijeli željezni lijev
Sivi lijev
Nodularni lijev
Cu
Cu-30Zn
Cu-10Al
Al
Al-4,5Cu
Al-12Si
Mg
Zn
Stezanje tijekom skrućivanja, vol.%
2,5 – 3,0
4,0
4,0 – 5,5
Od 1,6 kontrakcije do 2,5 ekspanzije
Od 2,7 kontrakcije do 4,5 ekspanzije
4,9
4,5
4,0
6,6
6,3
3,8
4,2
6,5
Iz tablice 3.1 može se vidjeti da stezanje tijekom skrućivanja značajno varira ovisno o
metalu ili leguri koja se lijeva. Osim toga, može se vidjeti da tijekom skrućivanja sivih
željeznih ljevova (sivi i nodularni lijev) može doći do ekspanzije, odnosno porasta volumena.
Sivi željezni ljevovi ili željezni ljevovi s grafitom pokazuju znatno kompleksnije
ponašanje glede volumnih promjena tijekom skrućivanja i hlađenja. Željezni ljevovi s
grafitom skrućuju eutektičkom reakcijom. Tijekom eutektičkog skrućivanja (reakcije) dolazi
do pretvorbe taljevine (L) u dvije krute faze: austenit (γ) i grafit (L → γ + grafit).
Kod podeutektičkih željeznih ljevova s grafitom (ekvivalent ugljika (CE) < 4,3; CE =
%C + %Si/3 + %P/3) prva faza koja se izlučuje tijekom skrućivanja je austenit, zbog čega na
početku skrućivanja dolazi do stezanja (slika 3.2). Kada se tijekom daljnjeg hlađenja dostigne
temperatura početka eutektičkog skrućivanja (reakcije) (TES) dolazi do izlučivanja grafita.
Grafit ima značajno manju gustoću (2,2 g/cm3) u odnosu na taljevinu (~ 7,0 g/cm3). Zbog
razlike u gustoćama, tijekom izlučivanja grafita dolazi do porasta volumena, odnosno
ekspanzije (slika 3.2).
Ako je sivi, vermikularni ili nodularni lijev (željezni ljevovi s grafitom) eutektičkog
(CE = 4,3) sastava (TL = TES) odmah na početku skrućivanja započinje eutektička reakcija i
izlučivanje grafita te dolazi do porasta volumena.
Kod nadeutektičkih željeznih ljevova s grafitom (CE > 4,3) prva faza koja se izlučuje
na početku skrućivanja je grafit, zbog čega odmah dolazi do porasta volumena. Iz navedenih
razloga kod eutektičkih i nadeutektičkih željeznih ljevova s grafitom izostaje smanjenje
33
volumena (stezanje) na početku skrućivanja karakteristično za podeutektičke željezne ljevove
s grafitom.
Slika 3.2. Shematski prikaz volumnih promjena u podeutektičkim (CE < 4,3) sivim željeznim
ljevovima od temperature koju taljevina ima u kalupnoj šupljini nakon završetka ulijevanja
(Tt) do sobne temperature. TL – likvidus temperatura TES – temperatura početka eutektičkog
skrućivanja, TS – solidus temperatura
Praktični rezultati pokazuju da se pravilnom kontrolom metalurških i kaluparskih
uvjeta, ekspanzija može upotrijebiti za smanjenje veličine pojila, pa čak i za eliminaciju pojila
(stezanje u tekućem stanju (primarno stezanje) kompenzira se dotokom taljevine iz uljevnog
sustava). Stezanje na kraju skrućivanja javlja se zbog nedovoljne količine izlučenog grafita na
kraju skrućivanja, odnosno nedovoljne ekspanzije da bi se kompenziralo stezanje austenita
(primarnog i eutektičkog).
Volumne promjene, odnosno stezanje u tekućem stanju i stezanje tijekom skrućivanja
potrebno je kompenzirati napajanjem odljevka. Pored poznavanja volumnih promjena koje se
događaju od temperature taljevine u kalupnoj šupljini nakon završetka ulijevanja (Tt) do
solidus temperature (TS), važno je i poznavanje volumnih promjena (stezanja) koje se
dešavaju nakon završetka skrućivanja, tj. tijekom hlađenja od solidus temperature do sobne
temperature (stezanje u krutom stanju, slike 3.1 i 3.2). Ove volumne promjene utječu na
konačne dimenzije odljevaka i ne mogu se kompenzirati taljevinom iz pojila obzirom da se
radi o krutom stanju. Stezanje u krutom stanju često se naziva modelarsko stezanje i mora se
uzeti u obzir pri izradi modela, tako da se doda dodatak na stezanje, zbog kojeg je kalupna
šupljina nešto uvećana u odnosu na konačne dimenzije odljevka. Kod čeličnih ljevova
dodatak na dimenzije zbog stezanja u krutom stanju iznosi ~ 2,0 %, a kod sivih željeznih
ljevova ~ 1,0 %.
34
3.2
Utjecaj načina skrućivanja na mogućnost napajanja
Općenito promatrano, skrućivanje odljevka započinje od stjenki kalupa i odvija se
prema unutrašnjosti odljevka. Prema tome, fronta skrućivanja pomiče se od stjenki kalupa
prema unutrašnjosti odljevka, što znači u smjeru koji je suprotan smjeru odvođenja topline.
Na mjestima koja zadnja skrućuju u odljevku nastaju usahline zbog čega takva mjesta ne
smiju biti u odljevku, nego u njegovom priljevnom dijelu koje se zove pojilo ili hranitelj. U
odsutnosti pojila, odljevak bi skrutnuo kao što to prikazuje slika 3.3.
a)
b)
c)
d)
Slika 3.3. Shematski prikaz slijeda stezanja pri skrućivanju kocke od željeza: a) polazna
taljevina, b) kruta kora i stvaranje usahline, c) unutarnje stezanje, d) unutarnja usahlina i
uvlake na vanjskim površinama
Odvođenje topline, a samim tim i skrućivanje, na kutovima i bridovima odljevka brže
je od onoga na ravnim plohama. Odvođenje topline od taljevine u vanjskom kutu odljevka
prema kalupu odvija se u dva smjera (slika 3.4a, točka A). Međutim, kod unutarnjih kutova
odljevka kalup prima toplinu od dviju stranica odljevka (slika 3.4a, točka B). Zbog toga je
temperatura kalupa viša u točki B nego u točki A, iako je temperatura taljevine jednaka u obje
točke. Prema tome, temperaturni gradijent (°C/mm) je strmiji u točki A (vanjski kut) nego u
točki B (unutarnji kut), što znači da se skrućivanje odvija brže u točki A. Na slici 3.4b
shematski je prikazan način skrućivanja u vanjskom kutu, a na slici 3.4c način skrućivanja u
unutarnjem kutu odljevka.
a)
b)
c)
Slika 3.4. a) odvođenje topline od vanjskih i unutarnjih kutova odljevka prema kalupu, b)
način skrućivanja u vanjskom kutu odljevka, c) način skrućivanja u unutarnjem kutu odljevka
Poseban problem pri napajanju odljevaka predstavljaju toplinski čvorovi (vruća
čvorišta), tj. dijelovi odljevka koji ostaju najduže u tekućem stanju, zbog čega zadnji skrućuju.
Svi toplinski čvorovi u odljevku moraju biti adekvatno napojeni. Neadekvatno napajanje
rezultira nastankom grešaka uslijed stezanja u tim područjima odljevka. U većini slučajeva
35
odgovarajućom analizom konfiguracije odljevka mogu se odrediti položaji toplinskih čvorova
u odljevku. Npr. sa slike 3.5 može se vidjeti da se u odljevku u obliku slova T toplinski čvor
nalazi u točki B.
Slika 3.5. Odljevak u obliku slova T. Toplinski čvor nalazi se u točki B
Toplinski čvor nalazi se u točki B (slika 3.5) jer se u tom području nalazi velika
količina (masa) taljevine, a unutarnji kutovi ograničavaju odvođenje topline iz tog područja.
Za pravilno određivanje položaja pojila potrebno je primijeniti koncept usmjerenog
skrućivanja. Usahline u odljevku mogu se izbjeći ako se skrućivanje odvija usmjereno od
točki koje su najudaljenije od pojila ka pojilu. Usmjerenim skrućivanjem postiže se
skrućivanje od tanjih prema debljim presjecima odljevka i na kraju prema pojilu koje mora
posljednje skrutnuti. Navedeni uvjet predstavlja garanciju da je kanal napajanja uvijek
otvoren i da postoji pravilni temperaturni gradijent u smjeru pojila. U tom se slučaju stezanje
u tekućem stanju i stezanje tijekom skrućivanja odljevka kompenzira dotokom taljevine iz
pojila.
Mogućnost da se postigne usmjereno skrućivanje ovisi o:
•
•
•
leguri i njenom načinu skrućivanja,
kalupnom materijalu,
konstrukciji odljevka.
3.2.1 Progresivno i usmjereno skrućivanje
Na slici 3.6 shematski je prikazano međusobno djelovanje progresivnog (postupnog) i
usmjerenog skrućivanja.
Slika 3.6. Shematski prikaz usmjerenog i progresivnog skrućivanja u odljevku s pojilom
36
Nakon popunjavanja kalupne šupljine, općenito promatrano, skrućivanje započinje od
stjenki kalupa, gdje se formira kora skrutnutog metala. Toplina se odvodi kroz stjenke kalupa
i nastala kora progresivno raste prema unutrašnjosti kalupne šupljine. Brzina skrućivanja
najveća je na rubovima odljevka (ploče, slika 3.6), jer je zbog veće površine moguć znatno
brži prijenos topline na kalup (veći intenzitet odvođenja topline). Prema tome, skrućivanje
započinje na rubovima ploče. Ubrzo nakon toga skrutnu se krajevi ploče i fronta skrućivanja
pomiče se ka pojilu, tako da se još neskrutnuti, srednji dio ploče sužava i poprima oblik klina.
Brzina stvaranja krute kore kod pojila je smanjena, jer masa pojila osigurava veću količinu
topline, a prijenos topline na kalup je smanjen na unutarnjem kutu spoja odljevak/pojilo. Ova
kombinacija djelovanja ruba ili kraja odljevka i djelovanja pojila osigurava usmjereno
skrućivanje. Tijekom daljnjeg skrućivanja smanjuje se širina tekućeg klina koji se postepeno
kreće prema pojilu. Sve dok se front skrućivanja u obliku klina pomiče ka pojilu postoji
usmjereno skrućivanje i moguć je dotok taljevine iz pojila. Međutim, ako paralelno
napredujuće stjenke progresivno skrućuju i u središnjem dijelu odljevka počinju se susretati,
kretanje tekućeg metala biti će spriječeno, što rezultira centralnom usahlinom.
3.2.2
Način skrućivanja
Mogućnost postizanja i održavanja usmjerenog skrućivanja ovisi u velikoj mjeri o
načinu skrućivanja legure. Obzirom na interval skrućivanja, legure se mogu klasificirati u tri
skupine:
•
•
•
legure sa uskim intervalom skrućivanja: temperaturni interval od likvidus temperature
do solidus temperature < 50 °C,
legure sa srednjim intervalom skrućivanja: temperaturni interval od likvidus
temperature do solidus temperature kreće se od 50 – 110 °C,
legure sa širokim intervalom skrućivanja: temperaturni interval od likvidus
temperature do solidus temperature > 110 °C.
Kod čistih metala interval skrućivanja približava se nuli (slika 3.7a). Skrućujuće
stjenke odljevka napreduju ka unutrašnjosti odljevka kao ravna, glatka fronta.
Legure sa uskim intervalom skrućivanja (slika 3.7b) pokazuju snažnu tendenciju ka
stvaranju kore. Kristalni frontovi (fronte) skrućuju ka unutrašnjosti i ne napreduju znatno brže
od svojih osnova. Pri tome front skrućivanja neće biti gladak kao kod čistih metala, već
hrapav i nepravilan. Takav relativno kratak kristalinični rast potpomaže održavanje kontakta
između taljevine i svih površina koje skrućuju. Ovakvo snažno progresivno skrućivanje u
legurama sa uskim intervalom skrućivanja promovira nastanak usmjerenog skrućivanja kod
odgovarajućeg temperaturnog gradijenta u skrućujućem odljevku. Npr. u ugljičnom čeliku,
temperaturni gradijenti od samo 0,022 – 0,045 °C/mm u pločama i 0,135 – 0,269 °C/mm u
šipkama dovoljni su da se dobiju odljevci bez usahlina uslijed stezanja tijekom usmjerenog
skrućivanja.
37
a)
b)
Slika 3.7. a) shematski prikaz načina skrućivanja čistih metala. Kristalizacija započinje na
stjenkama kalupa i napreduje u unutrašnjost odljevka s ravnim ili glatkim frontom
skrućivanja, b) shematski prikaz načina skrućivanja legura sa uskim intervalom skrućivanja
Kod legura sa širokim intervalom skrućivanja (slika 3.8a) otežan je razvoj usmjerenog
skrućivanja. Iako na početku skrućivanja može nastati tanka kora na stjenkama kalupa,
skrućivanje se ne odvija progresivno ka unutrašnjosti odljevka, već nasumično preko cijelog
volumena odljevka. Ovakav kašasti način skrućivanja rezultira nastankom velikog broja malih
kanala tekućeg metala u kasnijim fazama skrućivanja. Napajanje putem tih kanala je
ograničeno, zbog čega se uslijed stezanja, preko cijelog odljevka, javlja raspršena poroznost.
Ovakav način skrućivanja tipičan je za mnoge komercijalne legure na bazi bakra, s tim da je
napajanje dodatno otežano zbog visoke toplinske vodljivosti ovih legura, što potpomaže
održavanju gotovo jednolične temperature kroz cijeli skrućujući odljevak. Da bi se
promoviralo usmjereno skrućivanje, kod tih legura potrebno je ostvariti temperaturni gradijent
od 1,46 °C/mm. Ovakav temperaturni gradijent obično se postiže oštrim hlađenjem jednog
dijela skrućujućeg odljevka. Općenito, kod napajanja takvih legura cilj nije potpuno
eliminirati greške uslijed stezanja, već ostvariti njihovu finu raspršenost, odnosno
disperziranost (mikroporoznost).
Kod legura sa srednjim intervalom skrućivanja (slika 3.8b) prisutna je kombinacija
načina skrućivanja legura sa uskim i širokim intervalom skrućivanja (stvaranje kore uz stjenke
kalupa i kašasto skrućivanje u središnjem dijelu odljevka). Ovakav način skrućivanja zapažen
je kod čeličnih odljevaka.
38
a)
b)
Slika 3.8. a) shematski prikaz načina skrućivanja legura sa širokim intervalom skrućivanja, b)
shematski prikaz načina skrućivanja legura sa srednjim intervalom skrućivanja
Skrućivanje legura sa uskim intervalom skrućivanja može poprimiti u većoj mjeri
elemente skrućivanja legura sa srednjim intervalom skrućivanja u debelim stjenkama odljevka
kad je odvođenje topline s površine odljevka usporeno zagrijavanjem kalupnog materijala.
Budući da se temperaturni gradijenti od centra skrućujućeg presjeka ka rubu odljevka
smanjuju, dolazi do promjene načina rasta kristala od stubičastog (štapićastog), koji se odvija
uz stjenke kalupa, ka ravnoosnom, koji se odvija nasumično preko cijelog volumena još
tekućeg centra odljevka.
Različiti načini skrućivanja rezultiraju znatno različitim konfiguracijama nastalih
grešaka uslijed stezanja u odljevku i pojilu (slika 3.9) i predstavljaju različite probleme koje
tehnolog treba prevladati dizajniranjem i napajanjem odljevka. Odabir pogodnih metoda ovisi
u velikoj mjeri o mogućnosti ostvarivanja usmjerenog skrućivanja.
Kod odljevaka odlivenih od legura sa širokim intervalom skrućivanja (slika 3.9a) javiti
će se gruba raspršena poroznost u pojilu i toplinskom centru odljevka (spoj dvaju presjeka) te
fina raspršena poroznost koja se u odljevku pojavljuje u odgovarajućim slojevima.
Kod odljevaka odlivenih od legura sa uskim intervalom skrućivanja (slika 3.9b)
pojaviti će se velika usahlina u pojilu te usahlina u toplinskom centru odljevka. Budući da nije
ostvareno usmjereno skrućivanje, javiti će se centralna poroznost karakteristična za
progresivno skrućivanje.
39
a)
b)
Slika 3.9. a) nastanak poroznosti uslijed stezanja u odljevcima lijevanim od legura koje
skrućuju na kašast način (legure sa širokim intervalom skrućivanja) u kalupe od svježe
kalupne mješavine, b) šupljine (usahline) u odljevcima lijevanim od legura koje su sklone
stvaranju kore (legure sa uskim intervalom skrućivanja)
Na slici 3.10 prikazan je utjecaj nekoliko varijabli (svojstava) kalupa i metala na
razvoj progresivnog (i prema tome usmjerenog) skrućivanja.
40
Slika 3.10. Shematski prikaz utjecaja varijabli (svojstava) kalupa i metala na progresivno
skrućivanje: a) utjecaj toplinske vodljivosti kalupa, b) utjecaj intervala skrućivanja
skrućujućeg metala, c) utjecaj toplinske vodljivosti skrućujućeg metala,
d) utjecaj temperature skrućivanja
41
Da li će pri usmjerenom skrućivanju napajanje odljevka biti neometano, otežano ili
onemogućeno ovisi prije svega o morfologiji skrućivanja legure, odnosno mogućnosti
transporta taljevine iz pojila u odljevak te mogućnosti transporta taljevine u samom odljevku
(slika 3.11). Napajanje će biti otežano ako iz bilo kojeg razloga morfologija skrućivanja
legure sprječava transport taljevine.
Slika 3.11. Utjecaj morfologije skrućivanja na mogućnost napajanja: a) glatka fronta
skrućivanja – napajanje nije ometano, b) hrapava fronta skrućivanja – otežano napajanje, c)
kašasto ili tjestasto skrućivanje – vrlo otežano napajanje
Sa slike 3.11a može se vidjeti da je kod skrućivanja s glatkom ili neznatno hrapavom
frontom skrućivanja put napajanja gotovo neometan. Pri skrućivanju s hrapavom frontom
(slika 3.11b) u početnoj fazi napajanja taljevina relativno dobro teče. Napajanje postaje sve
teže i teže kako se približava završetak skrućivanja, jer dolazi do međusobnog kontakta
kristala u centru odljevka. Pojedini segmenti taljevine postaju odvojeni od ostatka taljevine i u
unutrašnjosti odljevka nastaju mikrousahline. Posebno je otežano napajanje kod tzv.
spužvastog skrućivanja, kada stubičasti kristali (dendriti) u taljevini u obliku mrežastog
kostura, posebno pri kraju skrućivanja, gotovo onemogućuju napajanje, što rezultira
nastankom mikrousahlina u odljevku.
Kašasto skrućivanje (slika 3.11c) u odljevku poseban je primjer kada se odljevak ne
napaja samo taljevinom, već smjesom taljevine i krutine, tj. kašastom fazom. Napajanje
odljevaka značajno se otežava kada kristali toliko narastu da se međusobno počnu dodirivati.
Kada više nije moguće gibanje kašaste, odnosno tjestaste faze, zaustavlja se u potpunosti
napajanje odljevka. Ovakav način napajanja smjesom taljevine i kristala tipičan je za odljevke
od bronce.
Za optimalno napajanje odljevka potrebno je osigurati neometan tok taljevine ili
kašaste faze u unutrašnjost odljevka te usmjereno skrućivanje. Da bi se ostvarilo usmjereno
skrućivanje i dobili kompaktni odljevci potrebno je primijeniti sve tehnološke mogućnosti.
Često se u cilju postizanja usmjerenog skrućivanja kombinira napajanje sa istovremenim
hlađenjem pojedinih dijelova odljevka, način i mjesto ulijevanja taljevine te konstrukcijski
zahvati na odljevku. Izrazito efikasan način za ostvarivanje usmjerenog skrućivanja je
42
primjena rashladnih tijela (hladila) u kalupu. Osim što omogućuju usmjereno skrućivanje,
hladila mijenjaju morfologiju skrućivanja odljevka i na taj način potpomažu njegovo
napajanje.
Uljevni sustav mora biti tako konstruiran da taljevina dotječe u kalup na mjestu koje
posljednje skrućuje. Zbog toga se odljevci često lijevaju kroz pojila, odnosno taljevina prije
no što uđe u kalupnu šupljinu prolazi kroz pojilo.
3.3
Dimenzioniranje pojila
Zadatak pojila je da što duže zadrži taljevinu u rastaljenom stanju koja je potrebna za
napajanje odljevka ili njegovih pojedinačnih dijelova. Premalo pojilo skrutne prije odljevka,
što znači da ne može ispuniti svoju funkciju. Pojilo koje skrutne puno kasnije od odljevka ili
dijela odljevka kojeg napaja nije ekonomično zbog nepotrebno većeg volumena. Iz ovoga se
može zaključiti da je pojila potrebno racionalno dimenzionirati.
Pri dimenzioniranju pojila polazi se od zahtjeva da vrijeme skrućivanja pojila mora
biti malo duže od vremena skrućivanja odljevka ili djela odljevka što ga pojilo napaja. Danas
najčešća metoda za dimenzioniranje pojila zasniva se na izračunavanju modula. Pored ove
metode, u praksi se još primjenjuje metoda faktora oblika i različite grafičke metode (metoda
Heuversovih kružnica), ali u znatno manjem opsegu.
3.3.1 Dimenzioniranje pojila na osnovi modula odljevka
Metoda modula zasniva se na konceptu da se vrijeme skrućivanja odljevka ili dijela
odljevka može odrediti pomoću Chvorinovog pravila:
t = k ⋅ M o2
(3.1)
gdje je: t – vrijeme skrućivanja odljevka (s), k – koeficijent proporcionalnosti koji ovisi o
toplinskoj vodljivosti kalupne mješavine, temperature taljevine i vrste lijeva (s/cm2), a Mo –
modul odljevka (cm).
Modul odljevka, kako ga je definirao N. J. Chvorinov, predstavlja omjer volumena
odljevka (Vo) i njegove površine (Ao):
Mo =
Vo
Ao
(3.2)
gdje je: Mo – modul odljevka (cm), Vo – volumen odljevka (cm3), Ao – površina odljevka
(cm2).
Jednadžba (3.2) vrijedi i za pojilo i za njemu pripadajući odljevak, odnosno za dio
odljevka kojeg pojilo napaja. Zbog toga je za usporedbu vremena skrućivanja pojila i
odljevka, odnosno dijela odljevaka kojeg pojilo napaja, dovoljno usporediti vrijednosti
njihovih modula (M). Prema tome, pojilo treba dimenzionirati tako da je njegov modul nešto
veći od modula odljevka ili dijela odljevka što ga pojilo napaja. U tom slučaju (sukladno
jednadžbi 3.1) pojilo će skrutnuti kasnije od odljevka ili dijela odljevka što ga pojilo napaja,
jer je vrijednost koeficijenta k u jednadžbi (3.1) jednaka i za odljevak i njemu pripadajuća
pojila.
43
Osim dimenzioniranja pojila potrebno je odrediti i njihov broj i mjesta postavljanja na
odljevku. Veće odljevke treba podijeliti u zone napajanja (zone djelovanja pojila) i za svaku
zonu napajanja izračunati dimenzije pojila. Pojila se postavljaju na one dijelove odljevka koji
predstavljaju masivna čvorišta u kojima taljevina najkasnije skrućuje.
Pri idealnom skrućivanju odljevka i pojila usahlina u pojilu imala bi paraboličan oblik,
a vrh usahline dopirao bi do odljevka. Međutim, iz sigurnosnih razloga, pojilo se
dimenzionira toliko veće da dubina usahline u pojilu ne bude veća od 4/5 visine pojila.
U pojilu cilindričnog oblika kod kojeg je omjer visina pojila : promjer pojila = 1,5 : 1
usahlina paraboličnog oblika zauzima volumen koji iznosi ~ 14,0 % početnog volumena
pojila. Tijekom skrućivanja odljevka dio taljevine prelazi iz pojila u odljevak, zbog čega se
uslijed stvaranja usahline u pojilu povećava površina pojila, odnosno površina preko koje se
odvodi toplina. Zbog toga je nakon završetka skrućivanja modul pojila ~ 17,0 % manji od
početnog modula pojila. Upravo je to razlog zašto modul pojila (Mp) mora biti 1,2 puta veći
od modula odljevka (Mo) ili dijela odljevka što ga pojilo napaja:
M p = 1,2 ⋅ M o
(3.3)
gdje je: Mp – modul pojila (cm), a Mo – modul odljevka (cm). Uvjet definiran jednadžbom
(3.3) mora se ispuniti jer u tom slučaju pojilo neće skrutnuti prije odljevka. To znači da pojilo
može uspješno napajati odljevak.
Potrebno je napomenuti da izraz 3.3 vrijedi za veliki broj ljevačkih legura (npr. čelike,
legure na bazi aluminija, legure na bazi bakra itd.). Međutim, kod napajanja sivih željeznih
ljevova, tj. sivog i nodularnog lijeva, zbog karakterističnog mehanizma skrućivanja
primjenjuje se slijedeći izraz za određivanje modula pojila:
M p = ( 0 ,8 − 1,2 ) ⋅ M o
(3.4)
Tijekom skrućivanja sivog i nodularnog lijeva postoji period kada dolazi do povećanja
volumena, zbog čega se od pojila ne zahtijeva da napaja odljevak tijekom cijelog perioda
skrućivanja odljevka. Zbog toga je moguće primijeniti pojilo s nešto manjim modulom. O
ovome će se detaljnije govoriti nešto kasnije.
Iz poznatog volumnog deficita cilindričnog pojila i poznatog volumnog stezanja lijeva
u tekućem i tjestastom stanju lako se može izračunati volumen pojila dovoljan za napajanje
odljevka (ili dijela odljevka).
Ako se volumno stezanje lijeva u tekućem i tjestastom stanju označi sa s i ako se
usvoji da volumen usahline u pojilu iznosi 14,0 % od početnog volumena pojila, može se
napisati slijedeća jednadžba:
0 ,14 ⋅ V p = s ⋅ ( Vo + V p )
(3.5)
gdje je: Vp – volumen pojila (cm3), s – volumno stezanje lijeva u tekućem i tjestastom stanju
(vol. %), a Vo – volumen odljevka (cm3). Iz jednadžbe (3.5) može se izračunati potreban
volumen pojila:
s
Vp =
⋅ Vo
(3.6)
0 ,14 − s
odnosno:
44
V p = k 1 ⋅ Vo
(3.7)
Vrijednost koeficijenta proporcionalnosti k1 u jednadžbi (3.7) ovisi o volumnom
stezanju lijeva u tekućem i tjestastom stanju. U tablici 3.2 prikazane su vrijednosti
koeficijenta k1 za nekoliko vrsta ljevova.
Tablica 3.2. Vrijednosti koeficijenta proporcionalnosti k1
Vrsta lijeva
Čelični lijev, nelegiran
Čelični lijev, legiran
Temperni lijev
Uobičajeni sivi lijev
Sivi lijev više kvalitete
Mjed
Bronca
k1
0,30
0,40
0,30
0,12
0,20
0,25
0,30
Potrebno je napomenuti da volumno stezanje lijeva „s“ koje je uključeno u jednadžbu
(3.6) predstavlja volumno stezanje lijeva u tekućem i tjestastom stanju. Tako npr. ukupno
volumno stezanje čeličnog lijeva tijekom skrućivanja iznosi ~ 7,0 %, ali od toga na tekuće i
tjestasto stanje otpada 4 – 4,5 %, tj. s = 0,04 – 0,045.
Svaki odljevak ili svaki njegov dio, obzirom na napajanje, određen je s dva parametra,
a to su volumen i modul. Ako je modul pojila 1,2 puta veći od modula odljevka, time je
ostvaren prvi potreban uvjet za pravilno dimenzioniranje pojila. Kada je odljevak sastavljen
od pojedinačnih dijelova koji imaju različite module, pojilo se dimenzionira za dio s najvećim
modulom. Rijetko se u praksi susreću odljevci kod kojih se moduli pojedinačnih dijelova
odljevka ravnomjerno (postepeno) povećavaju. Većina komercijalnih odljevaka sastoji se od
segmenata koji imaju različitu debljinu i konfiguraciju. Deblji segmenti (presjeci) koji sporije
skrućuju često su odvojeni tanjim segmentima koji brže skrućuju. U tom slučaju deblji
presjeci odljevka djeluju kao pojila za tanje presjeke. Iz navedenih razloga za jedan odljevak
obično nije dovoljno samo jedno pojilo. U takvim se slučajevima odljevak fiktivno podijeli u
više samostalnih dijelova s njihovim pretpostavljenim smjerovima usmjerenog skrućivanja, te
se za svaki pojedinačni dio odljevka upotrijebi odgovarajuće pojilo. Pravilnom upotrebom
hladila ili izolirajućih materijala može se utjecati na putove napajanja, odnosno usmjerenost
skrućivanja i na taj način smanjiti potreba za napajanjem (slika 3.12).
Sa slike 3.12a može se vidjeti da u debljim presjecima (toplinskim centrima) odljevka
nastaju greške uslijed stezanja (usahline) ako se ne primjenjuju pojila. Ako se odgovarajuće
pojilo postavi samo na jedan deblji segment odljevka (slika 3.12b), usahlina je i dalje prisutna
u drugom debljem segmentu (toplinskom centru), jer tanji segment odljevka prije skrućuje što
onemogućuje napajanje drugog debljeg segmenta. Prema tome, može se zaključiti da nije
ostvareno usmjereno skrućivanje. Odljevak prikazan na slici 3.12a najlakše se može napajati
tako da se na oba deblja segmenta postave pojila (slika 3.12c). Međutim, ovakav slučaj nije
povoljan obzirom na iskorištenje taljevine. Potrebno je razmotriti druge alternativne metode
napajanja koje omogućuju proizvodnju ispravnog odljevka uz veće iskorištenje taljevine.
Postavljanjem pojila na jedan deblji segment odljevka i odgovarajućeg hladila u kalup na
drugi deblji segment (slika 3.12d) skraćuje se vrijeme skrućivanja debljeg segmenta na kojeg
je postavljeno hladilo u odnosu na tanji segment odljevka, što omogućuje usmjereno
skrućivanje i adekvatno napajanje (odljevak bez greški uslijed stezanja). Postavljanjem
45
odgovarajućeg izolirajućeg ili egzotermnog materijala na tanji segment odljevka (slika 3.12e)
produlje se njegovo vrijeme skrućivanja, što omogućuje da pojilo postavljeno na jedan deblji
segment odljevka adekvatno napoji drugi deblji segment odljevka.
Slika 3.12. Napajanje odljevka kod kojeg su dva deblja segmenta (poprečna presjeka)
odvojena jednim tanjim segmentom: a) situacija bez pojila, b) pojilo postavljeno samo na
jedan deblji segment, c) pojila postavljena na oba deblja kraja, d) pojilo postavljeno na jedan
deblji segment a hladilo na drugi, e) pojilo smješteno na jedan deblji segment, a izolirajući ili
egzotermni materijal na tanji segment
Pojilo dimenzionirano na osnovi modula u većini slučajeva ima dovoljno taljevine da
napoji pripadajući dio odljevka. Međutim, masivni odljevci trebaju znatno manju količinu
taljevine za napajanje od pločastih odljevaka jednakog modula. Npr. velika ploča čija debljina
46
iznosi 10 cm ima jednak modul (M = 5 cm) kao kugla promjera 30 cm. Međutim, volumen
takve ploče može biti i nekoliko puta veći od volumena kugle. Zbog toga je i potreba za
napajanjem te ploče razmjerno veća. Svako pojilo se zbog toga mora kontrolirati i prema
jednadžbi (3.7) da bi se ustanovilo je li pojilo sa stanovišta volumnog stezanja pravilno
dimenzionirano. Pri tome su gotovo uvijek prisutna dva slučaja:
•
•
ako pojilo, dimenzionirano pomoću modula, ima veći volumen od stvarno potrebnog,
tj. od onog što se dobije pomoću volumnog stezanja prema izrazu (3.7), može se za tu
razliku smanjiti volumen pojila izračunat pomoću modula, ali na taj način da se pri
tom ne smanji vrijednost ekvivalentna ranije izračunatom modulu. To se u praksi
obično postiže upotrebom egzotermnih ili izolacijskih obloga oko pojila. Na taj način
može se smanjiti volumen pojila bez da se smanji njegov modul,
ako je volumen pojila, koji je dimenzioniran pomoću modula, premalen obzirom na
uvjet definiran jednadžbom (3.7), potrebno je upotrijebiti pojilo većeg volumena, što
ujedno znači i pojilo većeg modula od onog koji je prvotno izračunat.
Sustav napajanja mora još ispuniti i tzv. uvjet zasićenja, što znači da se svaka točka u
odljevku mora nalaziti u zoni jednog pojila. Odljevci kod kojih nije prisutno smanjenje
modula (npr. ploče i palice) započinju sa skrućivanjem na mjestima koja su sa svih strana
okružena pijeskom. Uslijed brzog odvođenja topline na tim mjestima (rubovi ploča i krajevi
palica), taljevina se brzo skrutne i nastane tzv. krajnja zona odljevka (KZ) koja se napaja iz
priključnog dijela odljevka, zbog čega u tom dijelu odljevka nije prisutna usahlina. Ostali
dijelovi takvih odljevaka moraju se napajati pojilima koja imaju ograničeno djelovanje po
horizontalnom i vertikalnom pravcu.
Na slici 3.13 shematski je prikazan odljevak sa pravilno postavljenim težinskim
(otvorenim) i atmosferskim (zatvorenim) pojilima, uz istodobnu upotrebu hladila.
Slika 3.13. Shematski prikaz uravnoteženog skrućivanja odljevka: a1 i a2 – težinska (otvorena)
pojila, b1 i b2 – atmosferska (zatvorena) pojila, c1 i c2 – mjesta za hladila
Uravnoteženo skrućivanje u primjeru sa slike 3.13 može se objasniti na slijedeći način:
Nakon što je završeno ulijevanje kalupa, najprije se skrutnu tanka rebra odljevka koja
povezuju njegove masivnije dijelove. Učinak napajanja je povećan ugradnjom hladila c1 i c2 u
kalup (šrafirana mjesta na odljevku, slika 3.13), čime se intenzivira hlađenje rebara i time
ubrza njihovo skrućivanje. Na taj način je odljevak podijeljen u dva odvojena sustava
47
napajanja. Jedan dio odljevka napaja se otvorenim pojilima a1 i a2, a drugi dio zatvorenim
pojilima b1 i b2. U slučaju da se gornja površina na pojilima a1 i a2 prerano skrutne,
atmosferski tlak koji djeluje u zatvorenim pojilima b1 i b2 neće utjecati na napajanje pojila a1 i
a2, jer su rebra već skrutnuta i sustav napajanja ostaje uravnotežen.
U slučaju da tanka rebra odljevka nisu učinkovito hlađena, sustav napajanja bio bi
neuravnotežen i pojedina pojila lako bi napajala susjedna područja napajanja, za što nisu
dimenzionirana. U konačnici bi to rezultiralo nastankom usahline u odljevku.
Iz ove kratke analize može se zaključiti da nije dovoljno samo nadomjestiti volumno
stezanje odljevka tijekom skrućivanja, već je potrebno ostvariti i uravnotežen sustav napajanja
odljevka. Uravnotežen sustav napajanja znači da svako pojilo napaja svoj dio odljevka.
Drugim riječima, svako pojilo mora biti izolirano (u smislu napajanja) u svojem djelovanju, tj.
ne smije biti povezano taljevinom s nekim drugim pojilom na odljevku.
Danas se često kao pomoć pri konstruiranju i dimenzioniranju sustava ulijevanja i
napajanja primjenjuju specijalizirani programski paketi pomoću kojih se simulira tijek
skrućivanja te procjenjuju mjesta nastanka grašaka. Na taj način moguće je procijeniti
efikasnost sustava ulijevanja i napajanja te provesti korekcije (ali i optimizaciju) u cilju
dobivanja ispravnih odljevaka. Ovakvom virtualnom proizvodnjom odljevaka moguće je
smanjiti udio škartnih odljevaka i povećati iskorištenje taljevine.
3.3.1.1
Izračunavanje modula
Budući da je modul po definiciji omjer volumena i površine tijela, pojila moraju biti
tako konstruirana da jedinica volumena ima što manju površinu u svrhu povećanja modula pri
čemu se tijelo sporije skrućuje.
Geometrijsko tijelo s najvećim modulom, tj. s najvećim omjerom između volumena i
površine je kugla.
Modul kugle promjera d može se odrediti pomoću slijedećeg izraza:
π ⋅d3
V
d
= 6 2 =
A π ⋅d
6
(3.8)
V
a3
a
M = =
=
2
A 6 ⋅a
6
(3.9)
M =
Modul kocke sa stranicom a je:
Modul valjka promjera d i visine h = d je:
d 2 ⋅π
⋅d
V
d
4
M = =
=
2
A
2d ⋅ π 6
d 2 ⋅π +
4
(3.10)
Iz prethodnih jednadžbi može se vidjeti da kugla promjera d i valjak kod kojeg je
promjer jednak visini (h = d) imaju jednake module. Upravo zbog toga pojila obično imaju
48
valjkast oblik ili čak oblik kugle, jer takva pojila imaju najveći modul, odnosno najveću
ekonomičnost. Ova činjenica važna je za praksu, jer se modul uglatih tijela može izračunati
ako se u njih ucrta kugla, što bitno pojednostavljuje računanje modula. Tako je npr. modul
kugle promjera d upisane u kocku s duljinom stranice d jednak modulu kocke i iznose d/6.
Prema tome, u praksi se u mnogim slučajevima mogu pojedini segmenti odljevka prikazati
jednostavnim geometrijskim oblicima čiji se modul može lako izračunati bez potrebe za
izračunavanjem stvarnih površina i volumena.
Modul kvadra sa osnovicama a i b te visinom c je:
M =
V
a ⋅b⋅c
a ⋅b⋅c
=
=
A 2( a ⋅ b ) + 2( a ⋅ c ) + 2( b ⋅ c ) 2 ⋅ a ⋅ b + 2( a + b )c
(3.11)
Ako se čeone površine kvadra (presjek a x b) mogu zanemariti, tj. ako su vrlo male
prema bočnim plohama kvadra ili su pak u kontaktu sa susjednim stjenkama odljevka zbog
čega se kroz njih ne odvodi toplina, modul kvadra može se izračunati prema slijedećoj
formuli:
M =
a ⋅b⋅c
a ⋅b⋅c
a ⋅b
=
=
2( a ⋅ c ) + 2( b ⋅ c ) 2 ⋅ c( a + b ) 2( a + b )
(3.12)
Ako se kvadar duljine c savije u luk s radijusom r, dobiju se tijela prikazana na slici
3.14.
Slika 3.14. Shematski prikaz savijanja kvadra u tijelo u obliku obruča i valjka
Pri savijanju kvadra kako je prikazano na slici 3.14 ne mijenja se ukupna površina
kvadra, zbog čega se modul savijenog kvadra može jednostavno izračunati pomoću slijedeće
jednadžbe:
M =
površina
opseg
popreč .
popreč .
49
presjeka
presjeka
kvadra
kvadra
(3.13)
Pri tome se dobiva već poznati izraz (3.12) koji vrijedi za puni valjak i za obruč.
Modul kocke jednak je modulu u kocku ucrtane kugle ili valjka (jednadžbe 3.8 –
3.10). Kocka i u kocku ucrtana kugla ili valjak imaju ista vremena skrućivanja. Može se
pretpostaviti da se kutovi kocke skrutnu vrlo brzo, zbog čega preostaje samo tekuća jezgra
kuglastog oblika. Ova postavka može se upotrijebiti za izračunavanje modula ploče s
kvadratnom osnovicom (a x a) i debljinom d (slika 3.15).
Slika 3.15. Ploča kvadratnog oblika sa ucrtanim valjkom
Modul ploče prikazane na slici 3.15 može se izračunati pomoću slijedeće jednadžbe:
V
r 2 ⋅π ⋅ d
M = =
A 2 ⋅ r 2 ⋅π + 2 ⋅ r ⋅π ⋅ d
(3.14)
gdje je: r – radijus osnovice valjka ucrtanog u ploču, a d – debljina ploče.
Ako je a ≥ 5d mogu se zanemariti bočne plohe ploče. Premda se na taj način čini mala
pogreška, ovo pojednostavljenje primjenjuje se u praksi, pa se modul ploče prikazane na slici
3.15 računa prema slijedećem izrazu:
M =
r 2 ⋅π ⋅ d d
=
2 ⋅ r 2 ⋅π 2
(3.15)
U nastavku ćemo razmotriti određivanje modula odljevka u obliku obruča prikazanog
na slici 3.16.
Slika 3.16. Tijelo u obliku obruča s proširenjem u donjem dijelu, odnosno
dodatnim vanjskim prstenom debljine c
50
Sa slike 3.16 može se vidjeti da postoji kontakt između plašta obruča i vanjskog
prstena debljine c, što znači da se toplina ne odvodi preko cjelokupne površine plašta obruča,
što je potrebno uzeti u obzir pri izračunavanju modula odljevka.
Srednji promjer obruča ds može se izraziti pomoću debljine obruča a:
ds = a ⋅ n
(3.16)
gdje je n – proizvoljni realni broj.
Volumen odljevka prikazanog na slici 3.16 može se odrediti pomoću slijedećeg izraza:
V = ds ⋅ a ⋅ b ⋅π = a2 ⋅ b ⋅ n ⋅π
(3.17)
Površina odljevka prikazanog na slici 3.16 može se odrediti pomoću slijedećeg izraza:
P = 2 ⋅ π ⋅ d s ⋅ a + π ( d s − a )b + π ( d s + a ) ⋅ ( b − c )
(3.18)
Izraz za određivanje modula odljevka prikazanog na slici 3.16 nakon sređivanja glasi:
M =
oblik:
a ⋅b
(3.19)
⎛ n + 1⎞
2( a + b ) − c⎜
⎟
⎝ n ⎠
U graničnom slučaju kada ds → ∞ i n → ∞ (slika 3.17a) izraz (3.19) poprima slijedeći
M =
a ⋅b
2( a + b ) − c
a)
(3.20)
b)
Slika 3.17. Oblik tijela sa slike 3.16 u graničnom slučaju kada: a) ds → ∞, b) ds → a
51
U drugom graničnom slučaju (slika 3.17b) kada ds → a i n → 1 izraz (3.19) poprima
slijedeći oblik:
M =
a ⋅b
2( a + b − c )
(3.21)
Na prethodno opisani način mogu se izračunati moduli odljevka u obliku obruča,
vijenaca ili pak ravnih stjenki koje graniče s prirubnicama ili sa stjenkama kućišta. U praksi se
mora uzeti u obzir djelovanje jezgara kao izolatora, tj. u svim slučajevima u kojima su
unutarnji otvori odljevka u obliku obruča suviše mali (kod čeličnog lijeva, npr. manji od ¼
vanjskog promjera), takve šupljine (obruče) potrebno je pri izračunavanju modula smatrati
punim valjcima.
Poseban problem pri izračunavanju modula predstavljaju čvorišta, tj. mjesta na
odljevku gdje se spajaju dvije ili više stjenki različitih debljina, obično pod različitim
kutovima. Prema A. Heuversu problem se rješava tako da se u čvorište ucrta krug i potom
odredi modul čvorišta pomoću ucrtanog kruga. Promjer ucrtanog kruga jednak je debljini tzv.
„pomoćne ploče“, pa je modul čvorišta u skladu s jednadžbom (3.15) jednak polumjeru
ucrtanog kruga. Kod čvorišta s malim zaokruženjima na spoju stjenki iskustveno se poveća
radijus ucrtanog kruga da se na taj način uzme u obzir i izolacijski efekt pijeska u čvorištima.
3.3.2 Heuversova metoda kružnica
Heuversova metoda kružnica zasniva se na principu modula odljevka. Metoda je
relativno jednostavna i često se primjenjuje za dimenzioniranje pojila za napajanje odljevaka
od čeličnog lijeva. Prema ovoj metodi moduli poprečnih presjeka odljevka moraju se
kontinuirano povećavati u smjeru prema pojilu da bi se osiguralo usmjereno skrućivanje. A.
Heuvers prvi je razvio praktičnu metodu prema kojoj se na poprečnom presjeku odljevka
upisuje serija kružnica čiji se promjer kontinuirano povećava u smjeru prema pojilu (slika
3.18). Pretpostavlja se da je za potpuno skrućivanje dijela odljevka potrebno duže vrijeme što
je veći radijus upisane kružnice.
Slika 3.18. Heuversova metoda kružnica
Sa slike 3.18 može se vidjeti da ova metoda zahtjeva primjenu tehnoloških dodataka,
odnosno povećanje debljine stjenke (ojačanje) u smjeru prema pojilu da bi se ostvarilo
52
usmjereno skrućivanje. Često ovaj tehnološki dodatak može biti značajan, što zahtjeva
dodatne troškove za njihovo uklanjanje i obradu odljevka. Osim toga, tehnološki dodaci
negativno utječu na izvadak, odnosno iskorištenje taljevine.
U smjeru prema pojilu, promjer svake slijedeće kružnice je ~ 1,2 puta veći od
promjera prethodne kružnice. Na taj način se i moduli pojedinih dijelova odljevka u koje su
upisane kružnice povećavaju za isti faktor u smjeru prema pojilu. U literaturi se navodi da se
promjer valjkastog pojila može odrediti tako da se promjer najveće upisane kružnice u
poprečni presjek odljevka, tj. one upisane u toplinsko čvorište segmenta odljevka kojeg pojilo
napaja, pomnoži sa 1,5 – 3,0, tj. promjer pojila je 1,5 – 3,0 puta veći od promjera kružnice
upisane u toplo čvorište. Visina pojila odredi se tako da se promjer pojila pomnoži sa 1,5.
3.4
Krajnja zona odljevka (KZ) i zona napajanja pojila (ZN)
U pješčanom kalupu odljevak se gotovo nikada ne skrućuje bez ikakve poroznosti.
Kompaktnim zasićenim područjima odljevka obično se smatraju područja kod kojih veličina
rendgenom otkrivenih grešaka (mikrošupljina) ne prelazi 1,5 % debljine stjenke odljevka.
Karakteristike skrućivanja pojedine legure i konfiguracija odljevka mogu ograničiti zonu
napajanja, odnosno djelovanja pojila.
Ploče i palice predstavljaju geometrijski najjednostavniju konfiguraciju odljevka, zbog
čega su na pločama i palicama najviše ispitivana i najbolje poznata kompaktna, tj. zasićena
područja. Odljevak se smatra palicom ako omjer stranica poprečnog presjeka iznosi ~ 1:1
(kvadrat, krug). Ako navedeni omjer iznosi 5:1 ili više, takav se odljevak smatra pločom.
Rubovi, odnosno bridovi odljevka u obliku ploče ili palice te dijelovi odljevka koji su
na krajevima sa svih strana okruženi pijeskom brzo se skrućuju zbog intenzivnijeg odvođenja
topline u tim područjima. Pri tome se ti krajnji dijelovi odljevka napajaju iz preostalih
dijelova odljevka i skrućuju kao kompaktna krajnja zona odljevka (KZ). Zbog toga ta
područja odljevka nije potrebno napajati. Ploča od nelegiranog čeličnog lijeva koja se napaja
jednim pojilom prema slici 3.19 skrućuje kompaktno ako njezina duljina ne prelazi 4,5d, pri
čemu je d - debljina ploče. Može se vidjeti da se kompaktno skrutnuto područje odljevka
sastoji od krajnje kompaktne zone (KZ), što je rezultat utjecaja rubova odljevka i zone
napajanja (ZN), odnosno zone koju napaja pojilo (zona djelotvornosti pojila). Pri tome je
utjecaj ruba odljevka veći od utjecaja pojila (KZ > ZN).
Slika 3.19. Duljina kompaktnog područja (ZN + KZ) kod čelične ploče duljine 4,5d s vršnim
napajanjem (pojilo odozgo). ZN – zona napajanja, odnosno zona djelovanja pojila, KZ –
krajnja kompaktna zona, odnosno zona djelovanja rubova odljevka, d – debljina ploče
Kod ploče čija je duljina od pojila do ruba (kraja) veća od 4,5d (slika 3.20), duljina
krajnje kompaktne zone odljevka (KZ) i duljina zone napajanja odnosno djelovanja pojila
(ZN) iste su kao u prethodnom slučaju (2,5d, odnosno 2d – vidi sliku 3.19). To znači da će se
u području između navedenih zona pojaviti greške uslijed stezanja (poroznost), jer to područje
nije u domeni djelovanja niti pojila niti ruba odljevka.
53
Slika 3.20. Greške uslijed stezanja u čeličnoj ploči čija je duljina od pojila do ruba (kraja)
veća od 4,5d. ZN – zona napajanja, odnosno zona djelovanja pojila, KZ – krajnja kompaktna
zona, odnosno zona djelovanja rubova odljevka, d – debljina ploče
Odljevak u obliku ploče je kompaktan u području između dva pojila ako razmak
između pojila nije veći od 4d (slika 3.21). Područje od kraja ploče do pojila biti će kompaktno
ako nije duže od 4,5d.
Slika 3.21. Kompaktno područje (bez grešaka uslijed stezanja) čelične ploče između dva
pojila koja se nalaze na udaljenosti 4d. d – debljina ploče
Ako je udaljenost između dva pojila na čeličnoj ploči veća od 4d (slika 3.22), u
području koje je izvan zona napajanja pojila, odnosno zona djelovanja pojila, pojaviti će se
greške uslijed stezanja (poroznost). Područje od kraja ploče do pojila biti će kompaktno ako
nije duže od 4,5d.
Slika 3.22. Greške uslijed stezanja u čeličnoj ploči u području između dva pojila koje se
nalazi izvan zone napajanja, odnosno djelovanja pojila. d – debljina ploče
Upotrijebi li se osim pojila i hladilo na kraju odljevka, može se povećati duljina
kompaktne zone od pojila do kraja ploče za ~ 50 mm i u tom slučaju iznosi 4,5d + 50 mm
(slika 3.23). Hladilo brzo odvodi toplinu čime pospješuje razvoj umjerenog skrućivanja od
kraja ploče prema pojilu.
54
Slika 3.23. Utjecaj hladila postavljenog na kraj ploče na duljinu kompaktne
zone od kraja ploče do pojila
Hladila su posebno djelotvorna ako se postave na odljevak (ploču) između dva pojila
(slika 3.24). Na taj način se na mjestu gdje je postavljeno hladilo formira umjetni efekt
(učinak) kraja odljevka (simulira se djelovanje kraja odljevka), što omogućuje značajno
povećanje udaljenosti između pojila, odnosno smanjenje broja pojila potrebnih da se dobije
ispravan odljevak, povećanje izvatka te smanjenje troškova uklanjanja pojila. U tom slučaju
kompaktna zona između pojila može doseći dužinu od čak 9d + 100 mm, što je značajno više
nego u slučaju kada se ne primjenjuje hladilo između pojila (4d, vidi sliku 3.21). Hladila na
kraju ploče trebaju imati debljinu približno jednaku debljini ploče, a hladila između pojila
moraju biti dva puta deblja.
Slika 3.24. Utjecaj hladila postavljenog na ploču između pojila na duljinu
kompaktne zone između pojila
Prednosti koje se postižu primjenom hladila jasno se mogu vidjeti iz slijedećeg
primjera koji opisuje napajanje čelične prirubnice bez primjene i s primjenom hladila (slika
3.25). Sa slike 3.25a može se vidjeti da se čak i sa 8 pojila ne može osigurati potpuno
napajanje odljevka, odnosno postoje područja koja su izvan djelovanja pojila, što zahtijeva
dodavanje barem još jednog pojila. Primjenom hladila (slika 3.25b) ostvaruju se umjetni
efekti (učinci) kraja odljevka, što omogućuje da se s manjim brojem pojila (5) dobije potpuno
ispravan odljevak.
55
a)
b)
Slika 3.25. Utjecaj hladila na broj potrebnih pojila za napajanje čelične prirubnice: a) slučaj
bez primjene hladila – 8 pojila, b) slučaj nakon postavljanja hladila – 5 pojila
Kod čeličnih palica s kvadratnim poprečnim presjekom ostvaruju se drugačije duljine
kompaktnih područja nego kod čeličnih ploča. Područje od kraja palice do pojila bit će
kompaktno ako nije duže od 6 d (d – debljina, odnosno širina palice), što je kraće nego kod
ploča (slika 3.26).
56
Slika 3.26. Duljina kompaktnog područja (ZN + KZ) kod čelične palice duljine 6 d s
vršnim napajanjem (pojilo odozgo). ZN – zona napajanja, odnosno zona djelovanja pojila, KZ
– krajnja kompaktna zona, odnosno zona djelovanja rubova odljevka, d – debljina palice
Kod palice čija je duljina od pojila do ruba (kraja) veća od 6 d (slika 3.27), duljina
krajnje kompaktne zone odljevka (KZ) i duljina zone napajanja odnosno djelovanja pojila
(ZN) iste su kao u prethodnom slučaju (1,5d - 2d, odnosno 0,5d – 2d – vidi sliku 3.26). To
znači da će se u području između navedenih zona pojaviti greške uslijed stezanja (poroznost),
jer to područje nije u domeni djelovanja niti pojila niti ruba odljevka.
Slika 3.27. Greške uslijed stezanja u čeličnoj palici čija je duljina od pojila do ruba (kraja)
veća od 6 d . ZN – zona napajanja, odnosno zona djelovanja pojila, KZ – krajnja kompaktna
zona, odnosno zona djelovanja rubova odljevka, d – debljina palice
Odljevak u obliku palice je kompaktan u području između dva pojila ako razmak
između pojila iznosi 1d – 4d (slika 3.28).
Slika 3.28. Kompaktno područje (bez grešaka uslijed stezanja) čelične palice između dva
pojila koja se nalaze na udaljenosti 1d – 4d. d – debljina palice
Ako je udaljenost između dva pojila na čeličnoj palici veća od 1d, odnosno 4d (slika
3.29), u području koje je izvan zona napajanja pojila, odnosno zona djelovanja pojila, pojaviti
će se greške uslijed stezanja (poroznost).
57
Slika 3.29. Greške uslijed stezanja u čeličnoj palici u području između dva pojila koje se
nalazi izvan zone napajanja, odnosno djelovanja pojila. d – debljina palice
Ako se pored pojila upotrijebe i hladila, kompaktna se duljina na krajevima palice
povećava na 6 d + d (slika 3.30), a kompaktna duljina između pojila na 12 d + 2d (slika
3.31). Debljina krajnjeg hladila tada je jednaka polovici debljine palice, a debljina hladila
između pojila jednaka je debljini palice. Kod iste debljine d odljevak u obliku palice teže je
napajati nego ploču.
Slika 3.30. Utjecaj hladila postavljenog na kraj palice na duljinu kompaktne
zone od kraja palice do pojila
Slika 3.31. Utjecaj hladila postavljenog na palicu između pojila na duljinu
kompaktne zone između pojila
Velika količina podataka o zoni napajanja dostupna je za nelegirane čelične ljevove.
Različiti dijagrami i tablice u širokom opsegu primjenjuju se već desetljećima. Dijagrami na
slikama 3.32 i 3.33 prikazuju duljinu kompaktnih područja ovisno o debljini stjenke odljevka
od nelegiranog čeličnog lijeva.
58
a)
b)
Slika 3.32. Duljina krajnje kompaktne zone (KZ) (a) i zone napajanja (ZN) (b) ovisno o
debljini stjenke odljevka i omjeru stranica na poprečnom presjeku odljevka
od nelegiranog čeličnog lijeva
Slika 3.33. Duljina krajnje kompaktne zone (KZ) i zone napajanja (ZN) ovisno o debljini
stjenke odljevka i omjeru stranica na poprečnom presjeku odljevka
od nelegiranog čeličnog lijeva
Za većinu ostalih legura ne postaje tako precizni podaci o duljini krajnje kompaktne
zone i zone napajanja kao za nelegirane čelične ljevove. U tablici 3.3 dane su vrijednosti
ukupne duljine kompaktnog područja (KZ + ZN) za nekoliko različitih ljevačkih legura.
59
Tablica 3.3. Duljina kompaktnog područja (KZ + ZN) za nekoliko ljevačkih legura
Vrsta lijeva
Duljina kompaktne, tj. zasićene zone
(ZN + KZ) za odljevke debljine d s
pravokutnim poprečnim presjekom
6 – 6,5d
min. 7,5d
min. 3,5d
Nodularni lijev
Mjed (mesing) (70/30)
Silumin
Kod sivog i nodularnog lijeva duljine kompaktnih, tj. zasićenih područja odljevka
ovise u velikoj mjeri o čvrstoći kalupa. Ako kalup nema dovoljnu čvrstoću, porast volumena
odljevka tijekom izlučivanja grafita u obliku listića ili nodula za vrijeme skrućivanja ima za
posljedicu „napuhivanje“ odljevka i nastanak poroznosti. Do ekspanzije, odnosno porasta
volumena odljevka tijekom izlučivanja grafita dolazi zbog značajno manje gustoće grafita
(2,2 g/cm3) u odnosu na taljevinu (~ 7,0 g/cm3). Međutim, ako se lijevanje provodi u dovoljno
čvrste kalupe neće doći do porasta volumena odljevka već do porasta tlaka u kalupnoj
šupljini. Ova činjenica može se iskoristiti za napajanje odljevka tijekom skrućivanja i na taj
način smanjiti potrebit broj i volumen pojila. S velikom se sigurnošću može pretpostaviti da
se odljevci od sivog i nodularnog lijeva, koji su lijevani u dovoljno čvrste jednokratne
(pješčane) kalupe, mogu uz pravilno metalurško vođenje taljevine napajati do proizvoljno
dugih zona zasićenja.
Pri lijevanju ploča i palica u vertikalnom položaju mora se uzeti u obzir da je
napajanje po vertikali također ograničeno. Obično se problem rješava tehnološkim dodatkom,
odnosno ojačanjem (povećanjem debljine) stjenke odljevka u smjeru prema pojilu (slike 3.34 i
3.35). Na taj način postiže se odgovarajući temperaturni gradijent, odnosno usmjereno
skrućivanje prema pojilu.
Slika 3.34. Ojačanje (povećanje debljine) stjenke odljevka od čeličnog lijeva u smjeru prema
pojilu u cilju postizanja usmjerenog skrućivanja
60
Slika 3.35. Postizanje odgovarajućeg temperaturnog gradijenta, odnosno usmjerenog
skrućivanja povećanjem debljine stjenke odljevka u smjeru prema pojilu
Preporučena ojačanja stjenke odljevka prema H. Steinu prikazana su u obliku
dijagrama na slici 3.36.
Slika 3.36. Ojačanje (povećanje debljine) stjenke odljevka ovisno o njezinoj visini i debljini
Sa slike 3.36 može se vidjeti da je duljina krajnje kompaktne zone (KZ) i zone
napajanja (ZN) kod vertikalno lijevanih ploča jednaka kao i kod horizontalno lijevanih ploča
(slika 3.19). Za uspješno napajanje vertikalne stjenke visine h (visina od kraja stjenke do
pojila) potrebno je segment, odnosno dio stjenke koji se nalazi iznad krajnje zone (KZ) i zone
napajanja (ZN) podebljati za iznos prema dijagramu na slici 3.36.
61
3.5
Pojila i vrat pojila
Prema konstrukciji, pojila se dijele na:
•
•
otvorena pojila i
zatvorena pojila.
Otvorena pojila smještena su tako da je završetak, odnosno gornja površina pojila
vidljiva na gornjoj površini kalupa. Prema djelovanju otvorena pojila mogu biti: klasična
gravitacijska, izolacijska i egzotermna. Klasična otvorena pojila zovu se još i težinska pojila,
jer kod njih napajanje odljevka (ako se pojilo na površini skrutne) ovisi o statičkom tlaku
taljevine ispod skrutnute kore u pojilu. Otvorena pojila kod kojih je primijenjena egzotermna
ili izolacijska obloga, tijekom skrućivanja odljevka u pravilu ne skrutnu na površini, zbog
čega funkcioniraju kao atmosferska pojila.
Zatvorena pojila gotovo uvijek imaju oblik valjka s vrhom i dnom u obliku polukugle
(kupole), zbog čega imaju optimalni modul (slika 3.37).
a)
b)
c)
Slika 3.37. Pravilno (a) i nepravilno (b i c) oblikovano zatvoreno pojilo
Zatvoreno pojilo prikazano na slici 3.37a ostati će duže u tekućem stanju od
zatvorenih pojila prikazanih slikom 3.37b i 3.37c. Očito je da polukugla na vrhu i dnu pojila
ima isti promjer kao pojilo, zbog čega njihov radijus iznosi 1/2 promjera pojila. Sjecište
vertikalne simetrale kroz pojilo i horizontalne simetrale kroz vrat pojila predstavlja ishodište
iz kojeg se povlači radijus donje polukugle (slika 3.38).
Slika 3.38. Dimenzioniranje polukugle na dnu pojila
Zatvorena pojila postavljaju se na niže dijelove odljevka (masivna čvorišta), gdje i nije
moguće upotrijebiti otvorena pojila i potpuno su okružena pijeskom. Na vrh zatvorenog pojila
često se stavlja porozna pješčana jezgra (Williamsova jezgra) koja omogućuje da vanjska
62
atmosfera (oko pojila) tijekom skrućivanja ima stalan kontakt s taljevinom u unutrašnjosti
pojila, tlačeći je iz pojila u odljevak, zbog čega se i naziva atmosfersko pojilo (slika 3.39).
Slika 3.39. Zatvoreno atmosfersko pojilo s jezgrom na vrhu. dp – promjer pojila
Ako se na vrh pojila ne postavi porozna pješčana jezgra, nastala kruta kora na vrhu
pojila onemogućuje djelovanje atmosferskog tlaka na taljevinu u pojilu, zbog čega nastaje
potlak u pojilu (tlak u pojilu niži od atmosferskog tlaka). U tom slučaju može doći čak do toga
da odljevak napaja pojilo, a ne obrnuto (slika 3.40).
Slika 3.40. Primjer slučaja u kojem odljevak napaja pojilo zbog potlaka u pojilu
Primjenom zatvorenih atmosferskih pojila izostaje potreba za neophodnim ojačanjem
vertikalnih stjenki odljevka, jer ta pojila napajaju niže segmente odljevka na koje su
postavljena, pa nije potrebno ostvariti usmjereno skrućivanje prema otvorenim pojilima
postavljenim na vrhu odljevka (slika 3.41).
Posebno je važno da je područje koje napaja zatvoreno atmosfersko pojilo samostalno
(vidi sliku 3.13), tj. područje tipa krajnje zone (KZ) koja je prirodna (kraj odljevka) ili
umjetna, što se postiže primjenom hladila. U suprotnom slučaju zatvoreno atmosfersko pojilo
napajati će i susjedna područja napajanja, za što nije dimenzionirano. To naravno nije
povoljno i rezultira nastankom grešaka uslijed stezanja u odljevku.
63
Slika 3.41. Primjer upotrebe zatvorenih atmosferskih pojila (varijanta napajanja 1) u cilju
izbjegavanja ojačanja stjenke odljevka (varijanta napajanja 2)
Obzirom na uljevni sustav razlikujemo hladno i toplo pojilo. Kod toplog pojila
taljevina na putu prema kalupnoj šupljini najprije prolazi kroz pojilo tako da toplo pojilo
ostaje popunjeno najtoplijom taljevinom (slika 3.42a), što povoljno utječe na napajanje. U
hladno pojilo taljevina dolazi tek kada je popunila kalupnu šupljinu, zbog čega se pojilo
ispuni hladnijom taljevinom nego odljevak (slika 3.42b).
a)
b)
Slika 3.42. Toplo (a) i hladno (b) pojilo
Podaci o dimenzijama i modulima nekih najčešće upotrebljavanih tipova pojila
prikazani su u tablicama 3.4 – 3.9. Kada se izračuna potrebni modul pojila, tip pojila odabere
se na osnovi iskustva obzirom na geometriju odljevka i geometriju mjesta na koje se pojilo
postavlja. Na prirubnicama će se, npr. upotrijebiti ovalna pojila umjesto cilindričnih. Visina
pojila, odnosno omjer visine i promjera pojila, bira se u pravilu obzirom na očekivani nivo
taljevine u kalupu. Potrebno je spomenuti i korisne formule pomoću kojih se lako može
izračunati modul pojila ako su poznate njegove dimenzije. Npr. modul cilindričnog pojila
visine hp i promjera 2r može se odrediti pomoću slijedeće formule:
M =
r ⋅ hp
2( r + h p )
(3.22)
Osim što omogućuje izračunavanje modula pojila na osnovi njegovih poznatih
dimenzija, jednadžba (3.22) omogućuje da se na osnovi poznatog modula pojila i poznate
visine pojila H, koja je npr. određena nivoom taljevine u kalupu, odredi promjer pojila.
64
Tablica 3.4. Modul (M) i dimenzije pojila u obliku valjka kojem je promjer (dp) jednak
visini (hp)
M,
cm
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
4,25
4,50
4,75
5,0
5,25
5,50
5,75
6,0
6,25
6,50
6,75
7,0
7,25
7,50
7,75
8,0
8,25
8,50
dp = hp,
mm
30
36
42
48
54
60
66
72
78
84
90
96
102
108
114
120
132
144
156
168
180
192
204
216
228
240
256
270
285
300
315
330
345
360
375
390
405
420
435
450
465
480
495
510
65
V,
dm3
0,022
0,037
0,057
0,086
0,123
0,169
0,225
0,290
0,370
0,460
0,570
0,690
0,820
0,980
1,2
1,4
1,9
2,3
3,1
3,7
4,5
5,5
6,6
7,8
9,3
11,0
13,0
15,0
18,0
21,0
25,0
28,0
32,0
37,0
41,0
46,0
52,0
58,0
64,0
71,0
78,0
87,0
95,0
104,0
Tablica 3.5. Modul (M) i dimenzije pojila u obliku valjka kojem je visina (hp) 1,5 puta veća
od promjera (dp)
M,
cm
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
4,25
4,50
4,75
5,0
5,25
5,50
5,75
6,0
6,25
6,50
6,75
7,0
7,25
7,50
7,75
8,0
…
9,25
dp,
mm
27
32
38
43
48
54
59
64
70
75
80
86
91
96
102
107
118
128
140
150
160
172
182
192
204
214
228
240
255
266
280
294
308
320
335
347
361
375
388
400
415
428
…
495
hp,
mm
40
48
57
65
72
81
89
96
105
113
120
130
137
144
153
160
177
192
210
225
240
258
274
288
306
320
344
360
384
400
420
440
460
480
500
520
542
562
582
600
625
642
…
742
66
V,
dm3
0,024
0,040
0,062
0,093
0,131
0,180
0,239
0,315
0,400
0,500
0,610
0,740
0,890
1,0
1,2
1,5
1,9
2,5
3,4
4,0
4,9
5,8
7,2
8,5
10,0
12,0
14,0
16,0
19,0
22,0
26,0
30,0
35,0
39,0
44,0
50,0
56,0
62,0
69,0
77,0
84,0
93,0
…
143,0
Tablica 3.6. Modul (M) i dimenzije pojila s horizontalnim presjekom u obliku elipse
M,
cm
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
4,25
4,50
4,75
5,0
5,25
5,50
5,75
6,0
6,25
6,50
6,75
7,0
7,25
7,50
7,75
8,0
8,25
8,50
b,
mm
36
44
51
59
66
74
81
88
95
102
110
117
125
132
138
145
160
174
189
203
220
233
248
263
277
293
310
326
345
362
380
400
415
420
455
472
490
510
530
545
565
582
600
620
a,
mm
24
29
34
39
44
49
54
59
63
68
73
78
83
88
92
97
107
116
126
135
147
155
165
175
185
195
206
218
230
242
253
266
276
280
303
315
326
340
351
363
376
388
400
414
67
hp,
mm
30
37
43
49
55
61
67
73
79
85
91
97
103
109
115
121
133
145
157
169
181
193
205
218
230
242
256
272
286
302
316
332
347
362
376
394
408
424
438
452
468
484
500
513
V,
dm3
0,024
0,040
0,062
0,093
0,132
0,182
0,240
0,315
0,400
0,500
0,610
0,740
0,890
1,0
1,2
1,5
1,9
2,5
3,4
4,0
4,9
5,9
7,2
8,5
10,0
12,0
14,0
16,0
19,0
22,0
26,0
30,0
35,0
39,0
44,0
50,0
56,0
62,0
69,0
77,0
84,0
93,0
103,0
112,0
Tablica 3.7. Modul (M) i dimenzije pojila s horizontalnim presjekom u obliku elipse
M,
cm
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
4,25
4,50
4,75
5,0
5,25
5,50
5,75
6,0
6,25
6,50
6,75
7,0
7,25
7,50
7,75
8,0
8,25
8,50
b,
mm
33
39
45
53
59
65
71
78
84
90
98
104
109
117
123
129
143
154
168
180
194
205
219
234
244
256
272
290
305
320
337
353
370
385
400
418
435
450
465
482
500
515
530
548
a,
mm
22
26
30
35
39
43
47
52
56
60
65
69
73
78
82
86
95
103
112
120
129
137
146
155
163
171
182
193
204
214
225
236
246
256
266
279
290
300
310
321
333
343
354
365
68
hp,
mm
40
48
46
64
73
81
89
97
105
113
121
129
137
145
153
161
177
193
210
226
242
258
274
290
306
324
344
364
384
404
424
444
464
484
504
524
544
564
584
604
624
644
664
684
V,
dm3
0,025
0,042
0,064
0,096
0,134
0,189
0,250
0,326
0,415
0,516
0,640
0,775
0,930
1,1
1,3
1,5
2,0
2,6
3,5
4,2
5,1
6,2
7,4
8,8
10,0
12,0
15,0
17,0
20,0
24,0
27,0
32,0
36,0
41,0
46,0
52,0
58,0
65,0
72,0
80,0
88,0
97,0
107,0
116,0
Tablica 3.8. Modul (M) i dimenzije pojila s horizontalnim presjekom u obliku elipse
M,
cm
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
4,25
4,50
4,75
5,0
5,25
5,50
5,75
6,0
6,25
6,50
6,75
7,0
7,25
7,50
7,75
8,0
8,25
8,50
a,
mm
21
26
30
34
38
43
47
51
53
59
64
68
72
76
80
85
93
102
110
118
127
135
143
152
160
169
180
190
200
212
222
232
242
253
264
274
284
295
306
316
326
337
348
358
b,
mm
42
52
60
68
76
86
94
102
106
118
128
136
144
152
160
170
186
204
220
236
254
270
286
304
320
338
360
380
400
424
444
464
484
506
528
548
568
590
612
632
652
674
696
716
69
hp,
mm
32
38
45
51
57
63
70
76
82
88
95
102
107
114
120
127
139
152
165
177
190
204
215
226
240
252
268
285
300
316
331
348
364
380
395
411
426
442
456
474
490
505
522
536
V,
dm3
0,025
0,049
0,072
0,105
0,147
0,212
0,276
0,354
0,396
0,550
0,705
0,840
1,0
1,2
1,4
1,7
2,1
2,8
3,5
4,4
5,3
6,5
7,6
9,3
11,0
13,0
16,0
18,0
21,0
25,0
29,0
33,0
38,0
43,0
49,0
55,0
61,0
68,0
76,0
84,0
92,0
102,0
112,0
123,0
Tablica 3.9. Modul (M) i dimenzije pojila s horizontalnim presjekom u obliku elipse
M,
cm
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
4,25
4,50
4,75
5,0
5,25
5,50
5,75
6,0
6,25
6,50
6,75
7,0
7,25
7,50
7,75
8,0
8,25
8,50
b,
mm
38
46
52
60
68
76
84
90
98
106
114
120
128
134
142
150
186
190
194
210
226
240
254
270
286
300
320
338
356
374
394
412
432
450
468
486
508
522
542
560
580
600
618
636
a,
mm
19
23
26
30
34
38
42
45
49
53
57
60
64
67
71
75
83
90
97
105
113
120
127
135
143
150
160
169
178
187
197
206
216
225
234
243
254
261
271
280
290
300
309
318
70
hp,
mm
42
51
59
68
76
85
93
100
110
118
127
135
143
152
160
169
185
203
220
236
252
270
286
304
320
337
356
380
400
422
444
464
484
508
528
548
570
590
610
632
652
675
695
718
V,
dm3
0,028
0,049
0,071
0,108
0,157
0,220
0,300
0,370
0,472
0,600
0,750
0,870
1,1
1,2
1,4
1,7
2,3
3,0
3,7
4,7
5,8
7,0
8,2
10,0
12,0
14,0
16,0
19,0
23,0
27,0
31,0
35,0
41,0
46,0
52,0
58,0
62,0
71,0
80,0
88,0
98,0
110,0
119,0
129,0
Pojilo je spojeno sa odljevkom pomoću vrata pojila (slika 3.43) koji je obično kružnog
ili pravokutnog poprečnog presjeka. Za vrat pojila također vrijede uvjeti usmjerenog
skrućivanja, što znači da modul vrata pojila mora biti nešto veći od modula odljevka ili dijela
odljevka što ga pojilo napaja, a nešto manji od modula pojila. U praksi obično se primjenjuje
slijedeći omjer između modula odljevka (ili dijela odljevka što ga pojilo napaja), vrata pojila i
pojila:
M o : M vp : M p = 1 : 1,1 : 1,2
(3.23)
gdje je: Mo – modul odljevka, Mvp – modula vrata pojila, a Mp – modul pojila.
Slika 3.43. Odljevak s pojilima i uljevnim sustavom
Izraz (3.23) za određivanje modula vrata pojila vrijedi za veliki broj ljevačkih legura
(npr. čelike, legure na bazi aluminija, legure na bazi bakra itd.). Međutim, potrebno je
napomenuti da sivi željezni ljevovi, tj. sivi i nodularni lijev, i u ovom slučaju (kao i kod
određivanja modula pojila) predstavljaju izuzetak. Zbog izlučivanja grafita dolazi do porasta
volumena tijekom jednog perioda skrućivanja, pa vrat pojila ne mora biti propustan za
transport taljevine iz pojila u odljevak tijekom cijelog perioda skrućivanja. Modul vrata pojila
u tom slučaju može iznositi:
M vp = ( 0 ,67 − 1,1 ) ⋅ M o
(3.24)
što i u ovom slučaju (kao i kod određivanja modula pojila) ovisi o nizu faktora.
Dimenzije vrata pravokutnog poprečnog presjeka mogu se odrediti iz dijagrama na
slici 3.44 na osnovi njegovog modula. Smatra se da dužina vrata pojila kružnog poprečnog
presjeka ne bi smjela biti veća od 1/2 promjera pojila, dok dužina vrata pojila pravokutnog
poprečnog presjeka ne smije biti veća od 1/3 promjera pojila.
71
Slika 3.44. Dijagram za određivanje dimenzija pravokutnog poprečnog presjeka vrata pojila
U praksi se ponekad između pojila i odljevka, odnosno na samom vratu pojila,
postavljaju jezgreni pješčani ovratnici, odnosno tzv. odlomne ili Washburnove jezgre (slika
3.45) koje mehanički slabe vrat pojila, što olakšava uklanjanje pojila sa odljevka. Pojilo se u
tom slučaju može jednostavno mehanički (odbijanjem) ukloniti sa odljevka. Takvi su
ovratnici posebno djelotvorni kod pojila relativno malih promjera i kod odljevaka od relativno
krhkih ljevova, gdje odstranjivanje pojila autogenim rezanjem stvara određene poteškoće.
Slika 3.45. Pješčana jezgrena pločica (ovratnik) na vratu pojila
Prema istraživanjima različitih autora, za odljevke od krtih čeličnih legiranih ljevova
najpogodnije dimenzije takvih jezgrenih ovratnika, tj. odlomnih jezgri su:
debljina jezgrenog ovratnika: ~ 0,093D ~ 0,56Mo
72
promjer otvora ovratnika: ~ 0,39D ~ 2,34M0
gdje je: D – promjer pojila, a Mo – modul odljevka.
Ako je masa odlomne jezgre mala, ona brzo dostiže temperaturu taljevine zbog čega
nema značajniji utjecaj na skrućivanje pojila.
3.6
Povećanje efikasnosti pojila egzotermnim i izolirajućim sredstvima
Odljevak će biti kompaktan (ispravan) ako su svi njegovi masivni dijelovi napojeni, tj.
ako je ostvareno usmjereno skrućivanje (pojila moraju skrutnuti posljednja). To se može
postići na slijedeći način:
a) modul otvorenog pojila mora biti 1,2 puta veći od modula odljevka ili dijela odljevka
što ga pojilo napaja. Ako se primjenjuju zatvorena pojila, često se radi povećanja
sigurnosti, dodatno povećava modul pojila, odnosno modul zatvorenog pojila je 1,3
puta veći od modula odljevka ili dijela odljevka što ga pojilo napaja,
b) volumen pojila izračunat pomoću modula mora se prilagoditi uvjetu volumnog
stezanja dotičnog lijeva prema izrazu (3.7) tako da volumen pojila bude veći, ili što je
najbolje, jednak onome iz izraza (3.7), ali ni u kom slučaju manji,
c) moduli pojedinih dijelova odljevka moraju se povećavati u smjeru skrućivanja, tj.
prema pojilu da bi se ostvarilo usmjereno skrućivanje,
d) ako moduli pojedinih dijelova odljevka u određenom smjeru ne ispunjavaju uvjet
usmjerenog skrućivanja (točka c), ti se dijelovi odljevka moraju intenzivnije hladiti
hladilima tijekom skrućivanja ako su prevelikog modula ili se sustav napajanja na
svakom takvom mjestu mora podijeliti u dva zasebna sustava napajanja ako dotično
mjesto ima mali modul. U suprotnom potrebno je rekonstruirati odljevak.
Osim hlađenja pojedinih dijelova odljevka hladilima, u praksi se primjenjuje i dodatno
grijanje i izoliranje pojila da bi taljevina u njima ostala što duže tekuća. Hlađenje pojedinih
dijelova odljevka i grijanje pojila temelji se na istom principu, tj. na principu bilance topline
između dijela odljevka i hladila koje iz odljevka apsorbira toplinu, odnosno bilance topline
između egzotermne obloge pojila i taljevine u pojilu koja prima toplinu.
Primjenom egzotermnih i izolacijskih košuljica oko bočnih stranica i vrha zatvorenog
pojila (slika 3.46a) ili dodatkom pokrovnih egzotermnih i izolirajućih sredstava odmah nakon
završetka lijevanja na vrh otvorenih pojila (slika 3.46b) smanjuje se brzina prijenosa topline
od pojila ka kalupnom materijalu i atmosferi.
Očito je da se primjenom navedenih sredstava odgađa (produlje) skrućivanje i
stvaranje krute kore u pojilima. Ako se na vrhu pojila ne stvori kruta kora, atmosferski tlak
djeluje na taljevinu i potiskuje taljevinu iz pojila u odljevak, odnosno poboljšava se
djelotvornost pojila. Primjena egzotermnih i izolirajućih sredstava pri napajanju posebno je
korisna kod legura sa širokim intervalom skrućivanja.
73
a)
b)
Slika 3.46. a) shematski prikaz primjene egzotermnih (i izolirajućih) košuljica oko bočnih
stranica i vrha zatvorenog pojila, b) primjena egzotermnih i izolirajućih košuljica oko bočnih
stranica otvorenog pojila te egzotermnih (i izolacijskih) pokrova (posipa) na vrhu pojila
Iz tablice 3.10 jasno se može vidjeti utjecaj izolirajućih sredstava na vrijeme
skrućivanja pojila. Za tri različita materijala prikazana su vremena skrućivanja valjkastog
pojila (promjer pojila 102 mm, visina pojila 102 mm) s različitim kombinacijama izolacije
stranica i vrha pojila.
Tablica 3.10. Utjecaj izolirajućih sredstava na vrijeme skrućivanja pojila
Materijal
Čelik
Bakar
Aluminij
Gubici uslijed
zračenja
kroz vrh
pojila, %
42,0
26,0
8,0
Vrijeme skrućivanja pojila, min.
Bez
izolacije
Izolirajuća
košuljica po
opsegu pojila,
otvoren vrh
pojila
Izolirajuće
sredstvo na
vrhu pojila, bez
izolirajuće
košuljice po
opsegu pojila
Izolirajuća
košuljica po
opsegu pojila,
izolirajuće
sredstvo na vrhu
pojila
5
8,2
12,3
7,5
15,1
31,1
13,4
14,0
14,3
43,0
45,0
45,6
Egzotermna i izolirajuća sredstva povećavaju temperaturni gradijent između pojila i
odljevka, čime se promovira usmjereno skrućivanja od odljevka prema pojilu, odnosno
povećava zona napajanja.
Obzirom da smanjuju brzinu odvođenja topline od pojila ka kalupnom materijalu,
egzotermna i izolirajuća sredstva povećavaju efektivni modul pojila u odnosu na geometrijski
modul tog pojila.
74
Egzotermna sredstva su mješavine različitih metalnih oksida sa aluminijem koji pri
oksidaciji oslobađa toplinu prema slijedećoj (egzotermnoj) reakciji:
2Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2Fe + ΔH
Oslobođena toplina uslijed prethodno prikazane egzotermne reakcije rezultira
povišenjem temperature taljevine u pojilu. Kod pravilno dimenzioniranih pojila sa
egzotermnom oblogom taljevina u pojilu ravnomjerno se spušta, zbog čega je gornja površina
takvih pojila nakon završetka skrućivanja obično ravna, za razliku od klasičnog negrijanog
pojila u kojem je nakon skrućivanja prisutna šupljina (lunker) stožastog oblika. Zbog toga je
volumno iskorištenje pojila sa egzotermnom oblogom znatno veće od volumnog iskorištenja
pojila bez egzotermne obloge. Pri upotrebi egzotermnih pojila obično sa računa sa 30 %-tnim
iskorištenjem volumena pojila, dok je to iskorištenje samo 14,0 % kod klasičnih negrijanih
pojila. Debljina egzotermne obloge pojila iznosi najviše 1/5 promjera pojila, jer su veće
debljine neekonomične.
Vrijeme skrućivanja egzotermnih pojila (tegz. poj.) obično je 2 puta duže od vremena
skrućivanja klasičnih negrijanih pojila (tklas. poj.):
tegz. poj. = 2 · tklas. poj.
(3.25)
Prema jednadžbi (3.1) vrijeme skrućivanja egzotermnih grijanih pojila proporcionalno
je kvadratu njegova modula, pa se jednadžba (3.25) može napisati u slijedećem obliku:
2
2
k ⋅ M egz
. poj . = 2 ⋅ k ⋅ M klas . poj .
(3.26)
odnosno:
M egz . poj . = 2 ⋅ M klas . poj .
(3.27)
Iz jednadžbe 3.27 može se vidjeti da egzotermno pojilo ima ~ 1,4 puta veći modul od
klasičnog negrijanog pojila jednakih dimenzija, što omogućuje primjenu razmjerno manjeg
pojila ako se primjenjuje egzotermno pojilo. Potrebno je imati na umu da egzotermni
materijali mogu negativno utjecati na čistoću taljevine.
Egzotermna sredstva primjenjuju se kod pojila male i srednje veličine, ali ne i kod
velikih pojila koja imaju dugo vrijeme skrućivanja. Budući da je vrijeme izgaranja
egzotermnih obloga ograničeno, tj, vrijeme zagrijavanja taljevine u velikom pojilu kraće je od
vremena potrebnog za napajanje odljevka, tako zagrijavana pojila prerano gube svoju
funkciju. U takvim se slučajevima preporučuje upotreba izolacijskih obloga (košuljica)
pomoću kojih se kod pojila s promjerom većim od ~ 300 mm (modul veći od 6 cm) postižu
zadovoljavajući rezultati. Ako se primjenjuje izolacijska obloga, prema jednadžbi 3.27, može
računati s faktorom smanjenja modula negrijanog pojila za ~ 1,4 puta (jednako kao i kod
egzotermnih obloga).
Adekvatnom primjenom izolirajućih, odnosno egzotermnih sredstava i hladila mogu se
proizvesti odljevci bez grešaka uslijed stezanja uz primjenu značajno manjih pojila (slika
3.47).
75
Slika 3.47. Metode za smanjenje veličine pojila: a) otvoreno pojilo, b) otvoreno pojilo i
primjena hladila, c) otvoreno pojilo manjih dimenzija i primjena hladila, d) primjena
izolirajuće košuljice oko pojila i izolirajućeg pokrova na vrhu pojila, e) primjena izolirajuće
košuljice oko pojila, izolirajućeg pokrova na vrhu pojila i hladila
3.7
Hladila
Često je radi usmjerenog skrućivanja potrebno reducirati, tj. smanjiti modul jednog
dijela odljevka s vrijednosti M0 na manju vrijednost Mr, pa se na takvim mjestima u kalup
ugrađuju hladila koja oduzimaju dio topline od taljevine u kalupu. Hladila time lokalno
mijenjaju morfologiju skrućivanja odljevka, zbog čega se na tom mjestu formira “umjetna“
krajnja zona odljevka. Tako se s velikom sigurnošću može postići usmjereno skrućivanje
odljevka u smjeru prema pojilima. Prema tome, osnovni zadatak hladila je da omogući
povoljan temperaturni gradijent i na taj način omogući napajanje kritičnog mjesta. Prema
načinu djelovanja hladila se dijele na unutarnja i vanjska, a prema položaju u kalupu na
gornja, bočna i donja.
Vanjska hladila ugrađuju se u kalup i sa odljevkom samo izmjenjuju toplinu (slika
3.48). Postavljaju se na površinu odljevka na mjestima gdje se zbog gomilanja mase može
očekivati pojava usahline. Potrebno je obratiti pažnju da se hladilo postavi na ispravno mjesto
i u tu svrhu treba na modelu predvidjeti posebne oznake. Budući da se dio odljevka na kojem
se nalazi hladilo naglo skrutne, posebnu pažnju potrebno je obratiti na opasnost od stvaranja
vrućih pukotina. Osim što se zahtjeva prikladan oblik hladila, pažnju je potrebno obratiti i na
stanje površine hladila. Površina hladila mora biti potpuno čista. Najbolje je hladilo
ispjeskariti i njegovu površinu zaštititi premazom koji ne smije razvijati plinove tijekom
zagrijavanja pri ulijevanju taljevine.
76
Slika 3.48. Primjer upotrebe vanjskih hladila
Jednadžba toplinske bilance u slučaju primjene vanjskog hladila ima slijedeći oblik:
mvh ⋅ c p ⋅ ΔT = V0 ⋅
M0 − Mr
⋅ρ⋅L
M0
(3.28)
gdje je: mvh – masa vanjskog hladila, cp – specifični toplinski kapacitet hladila, ΔT –
temperaturna razlika između hladnog (0 °C) i zagrijanog hladila (400 °C), V0 – volumen dijela
odljevka koji se hladi hladilom, M0 – stvarni (geometrijski) modul odljevka, Mr – reducirani
modul odljevka, L – toplina taljenja legure, ρ – gustoća legure.
Sređivanjem jednadžbe (3.28) dobiva se slijedeći izraz za određivanje mase vanjskog
hladila:
mvh =
M − Mr
ρ⋅L
⋅ V0 ⋅ 0
c p ⋅ ΔT
M0
(3.29)
Učinak hladila ovisi o njegovoj debljini, veličini površine nalijeganja i položaju u
kalupu. Ako hladilo hladi donje površine odljevka (donja hladila) smatra se da ne postoji
tanki sloj zraka između hladila i odljevka (nastao uslijed stezanja) kao kod bočnih ili gornjih
hladila. Površina nalijeganja donjeg hladila na odljevak (Anh) računa se po slijedećoj formuli:
Anh = V0 ⋅
M0 − Mr
2⋅ M0 ⋅ Mr
(3.30)
Površina nalijeganja bočnih i gornjih hladila (hladila s zračnim slojem) uzima se dva
puta veća od površine izračunate jednadžbom (3.30).
U praksi je utvrđeno da debljina hladila kod lijevanja odljevaka od čeličnog lijeva
zadovoljava ako je njegova debljina jednaka 2/3 debljine stjenke, odnosno čvorišta odljevka
što ga hladi:
d hl =
2
⋅d
3
(3.31)
gdje je: dhl debljina hladila, a d – debljina stjenke odljevka na koju je postavljeno hladilo.
77
U tablici 3.11 prikazano je koliko se primjenom vanjskih hladila može reducirati
modul stjenke, odnosno čvorišta odljevka različitih oblika.
Tablica 3.11. Utjecaj vanjskih hladila na modul odljevka
(M0 – stvarni modul odljevka, Mr – reducirani modul odljevka)
Skica
Modul
Skica
Modul
Bez hladila
M r max . =
Odljevci u obliku palica
Odljevci pločastog oblika
d
M0 =
2
M0
2
d
=
4
M r max . =
M r max .
M r max . =
M r max .
M r max . =
M r max .
2
M0
3
d
=
3
1
M0
3
d
=
6
Toplinska čvorišta
Odljevci u obliku palica
M r max . =
A⋅ B
4( A + B )
D( a + d )
2( D + 2 a )
D( a + d )
4( D + a )
0 ,45 ⋅ D ⋅ d
a≤
1,05 ⋅ D − 2 ⋅ d
D( a + d )
M r max . =
3⋅D + 4⋅a
0 ,45 ⋅ D ⋅ d
a≤
1,05 ⋅ D − 2 ⋅ d
M r max . =
A⋅ B
2( A + 2 B )
M r max . =
A⋅ B
3A + 4B
M0 =
A⋅ B
2( A + B )
M r max . =
M r max . =
Bez hladila
Bez hladila
Mo =
A⋅ B
2( 2 A + B )
D( a + d )
4( D + a )
0 ,95 ⋅ D ⋅ d
a≤
1,05 ⋅ D − 2 ⋅ d
M r max . =
A⋅ B
3 A + 2B
Unutarnja hladila stavljaju se u kalupnu šupljinu i ostaju utaljena u odljevku (slika
3.49). Budući da unutarnje hladilo predstavlja sastavni dio odljevka, vezanje hladila sa
odljevkom mora biti potpuno. Zbog toga se unutarnja hladila izrađuju od istog materijala kao
i odljevak te u svezi s tim imaju i pogodan oblik. Na unutarnje hladilo lako se može vezati
78
troska, plinovi ili dijelovi pijeska, pa zbog toga posebnu pažnju treba posvetiti čistoći
površine hladila. Prisutni korozijski produkti, različiti oksidi i vlaga na unutarnjim hladilima
mogu uzrokovati poroznost u odljevku.
Slika 3.49. Primjer upotrebe unutarnjih hladila
Dimenzije unutarnjeg hladila moraju biti takve da toplina u čvorištu izazove potpuno
zavarivanje hladila sa osnovnim materijalom. Ukoliko se sa unutarnjim hladilom ne postupa
posve korektno ili ako je nepravilno dimenzionirano, može biti uzrokom značajnih pogrešaka
u odljevku. Iz navedenih razloga ne preporučuje se upotreba unutarnjih hladila, osim u
iznimnim slučajevima.
Pri unutarnjem hlađenju odljevka uvjeti su nešto drugačiji nego pri vanjskom hlađenju,
jer volumen kalupa u tom slučaju ostaje nepromijenjen. Da bi se jednadžba toplinske bilance
mogla riješiti, pretpostaviti će se da je volumen hladila zanemarivo malen u usporedbi s
volumenom odljevka. Za proračun mase, odnosno volumena unutarnjih hladila polazi se od
jednadžbe toplinske bilance za unutarnje hlađenje:
muh ( c p ⋅ Ts +
M − M r ⎡1
1
ρ ⎢ L + c p ( TL − Ts
L ) = V0 0
2
M0
⎣3
⎤
)⎥
⎦
(3.32)
gdje je: muh - masa unutarnjih hladila, cp –specifični toplinski kapacitet legure, TL –
temperatura lijevanja, Ts – temperatura taljenja, V0 - volumen dijela odljevka koji se hladi
hladilom, M0 - stvarni (geometrijski) modul odljevka, Mr - reducirani modul odljevka, L
toplina taljenja legure, ρ - gustoća legure.
3.8
Napajanje sivog i nodularnog lijeva
Sivi i nodularni lijev tijekom skrućivanja pokazuju određene specifičnosti. Vrijeme u
kojem dolazi do stezanja i stvaranja usahlina je kod sivog i nodularnog lijeva kraće od
ukupnog vremena skrućivanja. Skrućivanje sivog lijeva shematski je prikazano na slici 3.50.
Tijekom eutektičkog skrućivanja dolazi do izlučivanja ugljika u obliku grafita, koji u odljevku
zauzima veći volumen nego što ga je imao u taljevini. Zbog toga se tijekom eutektičkog
skrućivanja specifični volumen dotičnog odljevka poveća, i to tim više što je veća količina
eutektički izlučenog grafita. Povećanje volumena može biti tako veliko da se dijelom ili
potpuno izjednači s volumenom usahlina koje bi inače nastale u odljevku. Sa stajališta
napajanja to je gotovo idealan slučaj kojemu treba uvijek težiti, jer se tako postiže tzv.
samonapajanje odljevka (bez upotrebe pojila).
79
Slika 3.50. Shematski prikaz skrućivanja sivog lijeva. TL – likvidus temperatura,
TS – solidus temperatura
Tlak u taljevini obično je veći ili barem jednak atmosferskom tlaku. Zbog eutektički
izlučenog grafita dolazi do porasta tlaka u taljevini. Međutim, s povišenjem temperature
taljevine povećava se stezanje u tekućem stanju, zbog čega će porast tlaka biti manji. Na
visinu tlaka u taljevini utječe i čvrstoća kalupa. U dovoljno čvrstom kalupu tlak u taljevini
toliko poraste da je pozitivan tijekom cijelog skrućivanja. U nedovoljno čvrstom kalupu, zbog
pomicanja stjenki kalupa, tlak u taljevini na kraju skrućivanja često padne i ispod
atmosferskog tlaka što rezultira nastankom poroznosti u odljevku.
Sadržaj ugljika, silicija (i fosfora) može se promatrati zajedno kao vrijednost CE –
ekvivalent ugljika ili Sc – stupanj zasićenja. Ovi faktori koristan su pokazatelj ljevačkih
svojstava. Ekvivalent ugljika (ili stupanj zasićenja) određuje se zbog utjecaja legirajućih
elemenata na sadržaj ugljika u eutektiku. Svi legirajući elementi utječu na sadržaj ugljika u
eutektiku i shodno tome bi trebali biti uključeni u formulu za izračunavanje ekvivalenta
ugljika. Međutim, utjecaj silicija (i fosfora) je znatno izraženiji od ostalih elemenata, zbog
čega su sadržaji samo ovih elemenata uključeni u formulu za izračunavanje ekviv. ugljika.
Postoji nekoliko formula za određivanje ekvivalenta ugljika koje se upotrebljavaju kao
pokazatelj svojstava i primarne strukture odljevaka od željeznih ljevova. Najčešće
primjenjivana formula za izračunavanje ekvivalenta ugljika dana je slijedećom jednadžbom:
CE = %C +
%Si % P
+
3
3
(3.33)
Kad je ekvivalent ugljika, CE, jednak 4,3, govorimo o eutektičkom sastavu, a
odstupanje od te veličine mjera je relativne količine eutektika. Ako je vrijednost ekvivalenta
ugljika < 4,3 radi se o podeutektičkom sastavu. U tom slučaju prva faza koja nastaje pri
skrućivanju je austenit. Ukoliko je vrijednost ekvivalenta ugljika > 4,3 govorimo o
nadeutektičkom sastavu. Prva faza koja se izlučuje tijekom skrućivanja nadeutektičkih sastava
je primarni grafit. Ekvivalent ugljika ne može se mjeriti, već samo izračunati iz poznatog
kemijskog sastava.
80
Stupanj zasićenja određuje se prema slijedećoj formuli:
Sc =
%C
4,26 − 1 / 3(% Si + % P)
(3.34)
Kada je Sc = 1, govorimo o eutektičkom sastavu. Ukoliko je Sc < 1 govorimo o
podeutektičkom sastavu, a u slučaju Sc > 1 o nadeutektičkom sastavu.
Količina eutektički izlučenog grafita u podeutektičkom sivom lijevu [EIG]pe može se
odrediti pomoću slijedećih izraza:
[EIG ] pe
= C − 1,3 + 0 ,1(% Si + % P )
(3.35)
Osim kemijskog sastava i vrijednosti ekvivalenta ugljika, odnosno stupnja zasićenja,
količina eutektički izlučenog grafita ovisi i o brzini hlađenja (a samim tim i o modulu
odljevka). U tankim stjenkama odljevka (visoka brzina skrućivanja), skrućivanje sivog i
nodularnog lijeva može se odvijati metastabilno (bijelo), što znači da u tom slučaju ne dolazi
do izlučivanja eutektičkog grafita. Nastala bijela struktura ima veću sklonost ka stvaranju
usahlina od sive strukture, koja nastaje kada se skrućivanje odvija stabilno (izlučivanje ugljika
u obliku grafita). Kod debelostjenih odljevaka skrućivanje se odvija sporije, što potpomaže
odvijanje stabilnog skrućivanja.
Pomoću dijagrama na slici 3.51 moguće je odrediti volumno stezanje lijeva (S) i
vrijeme stezanja (u %) u odnosu na ukupno vrijeme skrućivanja.
Slika 3.51. Dijagram za određivanje volumnog stezanja lijeva i vremena stezanja u odnosu na
ukupno vrijeme skrućivanja na osnovi kemijskog sastava,
modula odljevka i temp. taljevine u kalupu
81
Dodatno napajanje (D) određuje se pomoću dijagrama na slici 3.52 ovisno o vremenu
lijevanja i modulu odljevka.
Slika 3.52. Dijagram za određivanje dodatnog napajanja
Prikazana zavisnost (slika 3.52) vrijedi samo ako vrijeme lijevanja odgovara vremenu
u kojem temperatura lijeva ni u jednoj točki kalupa ne padne ispod likvidus temperature (TL),
odnosno vrijeme lijevanja je približno jednako vremenu postojanja taljevine u kalupu. Ako je
to vrijeme duže od vremena ulijevanja, taj način dodatnog napajanja ne dolazi u obzir.
Ukupno stezanje može se prikazati slijedećom relacijom:
ΣS = S + D
(3.36)
gdje je: S – volumno stezanje lijeva koje se može odrediti iz dijagrama na slici 3.51, a D –
dopajanje (dodatno napajanje), odnosno smanjenje cjelokupnog stezanja zbog povećanja
volumena uslijed izlučivanja ugljika u obliku grafita tijekom eutektičkog skrućivanja. Ako je
suma ove dvije komponente jednaka nuli, odljevak se može lijevati bez primjene pojila. Pojila
se moraju postaviti ako je volumno stezanje (S) veće od dopajanja (D).
Opisana metoda dodatnog napajanja vrijedi samo za odljevke s modulom do 2 cm,
budući da je u praksi dokazano da je do te vrijednosti modula vrijeme ulijevanja jednako
likvidus-vremenu (vrijeme dodatnog napajanja). Drugi uvjet je da kalupi moraju biti dovoljno
čvrsti, jer se samo u dovoljno čvrstim kalupima može iskoristiti porast volumena uslijed
izlučivanja grafita za kompenzaciju volumnog stezanja odljevka. Zbog sigurnosti, kod kalupa
manje čvrstoće računa se s potpunim stezanjem, odnosno ne uzima se u obzir mogućnost
dopajanja.
82
Kod sivog lijeva, za razliku od čelika, deblji presjeci odljevka mogu se napajati preko
tanjih, ako je vrijeme stezanja debljih presjeka kraće od ukupnog vremena skrućivanja tanjih
presjeka. Tanje stjenke moraju biti tako dugo tekuće dok se stezanje debljih dijelova ne
završi. Ako se ukupno vrijeme skrućivanja tanjih presjeka označi sa Z a vrijeme stezanja
debljih presjeka sa T, tada vrijedi:
Ztanji presj. = Tdeblji presj.
(3.37)
Vrijeme stezanja T prema vremenu skrućivanja Z za isti presjek odljevka ovisi o
temperaturi taljevine i količini eutektički izlučenog grafita. Količina eutektički izlučenog
grafita ovisi o kemijskom sastavu i metalurškom stanju taljevine te modulu odljevka. Zbog
toga se izraz (3.37) može povezati s modulom odljevka. Ako se označi modul koji pripada
vremenu skrućivanja Z kao modul skrućivanja Mz, može se napisati slijedeći izraz:
Z = k ⋅ M z2
(3.38)
Analogno prethodnom izrazu, vremenu stezanja T pripada modul MT:
T = k ⋅ M T2
(3.39)
Ako je poznat omjer Z/T (može se odrediti iz dijagrama na slici 3.51 – polje 3), može
se izračunati T i zatim iz njega MT . Pomoću slijedećeg izraza može se odrediti minimalni
modul tanjeg dijela odljevka koji osigurava skrućivanje odljevka bez usahline:
MT = M z
p
100
(3.40)
gdje je p postotak vremena stezanja prema vremenu skrućivanja.
Ako se poveća vrijeme stezanja prema vremenu skrućivanja, povećava se također
minimalno potrebni modul tanjeg dijela. Ako je stvarni modul tankog dijela premalen
(pretanka stjenka), on će se skrutnuti prijevremeno i u debljem dijelu odljevka nastati će
usahlina.
Dimenzioniranje pojila za odljevke od sivog i nodularnog lijeva, zbog specifičnog
skrućivanja, nešto se razlikuje od dimenzioniranja pojila za odljevke od ostalih vrsta ljevova.
Pri tome mora se poznavati postotak stezanja (S) i vrijeme tijekom kojeg je taljevina u
tekućem stanju unutar kalupa. Pored toga, i za pojila vrijedi uvjet definiran jednadžbom
(3.40). Na temelju tih postavki konstruirani su dijagrami (slike 3.53 i 3.54) pomoću kojih se
mogu odrediti karakteristične dimenzije pojila u obliku valjka za odljevke od sivog i
nodularnog lijeva kod kojih ukupno stezanje iznosi 0,5 % (slike 3.53a i 3.54a), odnosno 1,0 %
(slike 3.53b i 3.54b).
Na desnom dijelu dijagrama (slike 3.53 i 3.54) na krajevima krivulja s kojih se očitava
promjer pojila, dane su mase dotičnog pojila. Npr., ako modul odljevka iznosi 1,0 cm, ukupno
stezanje 1,0 %, a vrijeme stezanja iznosi 80,0 % od ukupnog vremena skrućivanja, s desnog
dijela dijagrama na slici 3.54b može se vidjeti da promjer pojila iznosi 60 mm, a masa pojila
1,9 – 2,4 kg. Budući da se radi o pojilu čija je visina 2 puta veća od promjera pojila, visina
pojila u analiziranom primjeru iznosi 120 mm. Prema tome, pojilo promjera 60 mm i visine
120 mm može imati masu od 1,9 – 2,4 kg, što ovisi o stezanju pojila koje kod sivog i
83
nodularnog lijeva varira od slučaja do slučaja ovisno o količini izlučenog eutektičkog grafita
te drugim faktorima vezanim za napajanje odljevaka od sivog i nodularnog lijeva.
a)
b)
Slika 3.53. Dijagram za dimenzioniranje valjkastog pojila za napajanje odljevaka od sivog i
nodularnog lijeva kod kojih ukupno stezanje iznosi: a) 0,5 % (S = 0,5 %), b) 1,0 % (S = 1,0
%),. Promjer pojila (D) jednak je visini pojila (H)
84
a)
b)
Slika 3.54. Dijagram za dimenzioniranje valjkastog pojila za napajanje odljevaka od sivog i
nodularnog lijeva kod kojih ukupno stezanje iznosi: a) 0,5 % (S = 0,5 %), b) 1,0 % (S = 1,0
%),. Visina pojila (H) 2 puta je veća od promjera pojila (D)
85
Kod odljevaka s različitim debljinama stjenki radi se tako da se najprije pomoću
dijagrama na slici 3.51 odredi stezanje za najtanju stjenku (najveće stezanje). Pomoću
jednadžbe:
t=
Mo
ε
(3.41)
odredi se maksimalno vrijeme ulijevanja (t) za srednju debljinu stjenke (vrijeme u kojem
temperatura lijeva ni u jednoj točki kalupa ne padne ispod likvidus temperature). Vrijednosti
faktora ε kreću se od 0,015 – 0,050 cm/s ovisno o debljini stjenke odljevka. Najčešće se
uzima ε = 0,035 cm/s. Nakon toga, pomoću dijagrama na slici 3.52 odredi se dodatno
napajanje, tj. dopajanje (D) koje vrijedi za najdeblju stjenku odljevka (najmanje dopajanje).
86
4. RAZRADA TEHNOLOŠKOG POSTUPKA IZRADE
JEDNOKRATNOG KALUPA
Razrada tehnološkog postupka izrade jednokratnog kalupa obuhvaća tehnološku
razradu nacrta odljevka i projektiranje ljevačkog kalupa. Prije tehnološke razrade nacrta
odljevka potrebno je razmotriti zahtjeve kupca koji se moraju ostvariti kod odljevka
(mehanička svojstva, točnost dimenzija, kvaliteta površina itd.). Osim toga, potrebno je
sistematski analizirati konstrukciju odljevka i utvrditi da li je pogodna s gledišta tehnologije
lijevanja.
4.1
Analiza konstrukcije odljevka s gledišta tehnologije lijevanja
Pažljivom analizom konstrukcije odljevka potrebno je utvrditi da li je ona pogodna
obzirom na tehnologiju izrade komponenti lijevanjem. Konstrukcija odljevka tehnološki
pogodnog za lijevanje mora ispuniti slijedeće zahtjeve:
•
•
•
•
•
•
mogućnost pristupa mjestima na odljevku koja se moraju napajati,
pravilan smjer skrućivanja odljevka (usmjereno skrućivanje),
izbjegavanje oštrih prijelaza na odljevku (prijelaz od debelih na tanke stjenke treba
biti postepen, rubovi na odljevku moraju biti zaobljeni),
mogućnost skrućivanja bez nastanka pukotina koje potječu od napetosti u odljevku
i oštrih rubova na odljevka,
minimalni broj masivnih (toplinskih) čvorišta,
izbjeći toplinska čvorišta tipa X, Y i Z zbog značajnog povećanja (gomilanja)
mase na tim mjestima (sa stanovišta tehnologije lijevanja pogodnija su toplinska
čvorišta tipa T i L).
Ukoliko se analizom utvrdi da konstrukcija odljevka nije pogodna sa aspekta
tehnologije lijevanja (ne omogućuje proizvodnju ispravnih odljevaka), potrebno je kupcu
predložiti konstruktivne izmjene, s tim da predložene izmjene i dalje omogućuju ispunjenje
zahtjeva kupca i ne mijenjaju funkciju odljevka. Na slikama 4.1 – 4.3 prikazani su primjeri
prilagodbe konstrukcije odljevka s gledišta tehnologije lijevanja.
Slika 4.1. Promjene konstrukcije odljevka u cilju postizanja adekvatnog napajanja: a)
nepravilna konstrukcija, b) pravilna konstrukcija
87
Slika 4.2. Promjena konstrukcije završetka udubljenja na odljevku: a) nepravilna konstrukcija,
b) pravilna konstrukcija
Slika 4.3. Rekonstrukcija odljevka od čeličnog lijeva da bi se izbjegla
nepovoljna toplinska čvorišta tipa X i Y
4.2
Tehnološka razrada nacrta odljevka
Tehnološka razrada nacrta odljevka predstavlja izradu nacrta odljevka na kojem su
ucrtani elementi neophodni za tehnološki proces izrade modela i jezgri. Potrebno je definirati
slijedeće elemente:
•
•
•
•
•
•
položaj odljevka (odljevaka) u kalupu pri izradi kalupa i lijevanju,
dodatke za strojnu obradu,
diobenu ravninu kalupa i modela,
ljevačka skošenja,
broj jezgara i veličine jezgrenih oslonaca,
sustav ulijevanja i napajanja i njihov položaj u kalupu.
4.2.1 Određivanje položaja odljevka u kalupu pri izradi kalupa i lijevanju
Kod određivanja položaja odljevka (odljevaka) u kalupu potrebno je uzeti u obzir
slijedeće:
- zahtjeve kupca na odljevak,
- stupanj kompliciranosti odljevka,
- što bolje iskorištenje prostora u kalupnicima i kapaciteta kalupilica,
- uvjet da se najveća dimenzija odljevka stavlja po mogućnosti u ravninu dijeljenja
kalupa,
88
- uvjet da se odljevci od sivog lijeva u većini slučajeva lijevaju kroz najtanju
stjenku odljevka, a odljevci od nodularnog i čeličnog lijeva kroz najdeblju stjenku
ili kroz pojilo.
U većini je slučajeva položaj odljevka pri sklapanju kalupa isti kao i pri njihovom
lijevanju.
4.2.2
Ucrtavanje dodataka za strojnu obradu
Na nacrt gotove (strojno obrađene) komponente ucrtavaju se dodaci za strojnu obradu
uzimajući pri tome u obzir:
- tehničke zahtjeve kupca,
- način izrade odljevka,
- klasu dimenzijske točnosti odljevka,
- kvalitetu lijeva (sivi lijev, nodularni lijev, čelični lijev itd.),
- položaj odljevka u kalupu (samo u gornjoj polovici kalupa, samo u donjoj
polovici kalupa, u gornjoj i donjoj polovici kalupa),
- veličinu odljevka.
Dodaci za strojnu obradu na odljevcima obično su definirani međunarodnim normama
(EN, ASTM itd.). U većim ljevaonica dodaci za strojnu obradu mogu se definirati i internim
normama. Osim toga, kupac može imati posebne zahtjeve na dodatke za strojnu obradu. Na
slici 4.4 prikazan je primjer nacrta odljevka sa ucrtanim dodacima za strojnu obradu.
Slika 4.4. Primjer tehnološke razrade nacrta odljevka bez jezgre
89
Kada se u nacrt ucrtavaju dodaci za strojnu obradu odljevka, rubovi odljevka moraju
se zaobliti, što je također propisano normama. Radijus zaobljenja obično iznosi 2/3 dodatka
za strojnu obradu. Zaobljenja se ne izvode na rubovima odljevka koji se nalaze u diobenoj
ravnini kalupa.
4.2.3
Određivanje diobene ravnine kalupa i modela
Pri određivanju diobene ravnine kalupa i modela treba ispuniti slijedeće uvjete:
- izraditi što jednostavniji model, ali tako da u potpunosti budu ostvarene sve
dimenzije odljevka. Ovaj uvjet biti će ispunjen ako se izbjegne više ravnina
dijeljenja i ako su u istoj polovici kalupa (gornjoj ili donjoj) smješteni dijelovi
odljevka koji međusobno moraju biti na točnim udaljenostima,
- položaj odljevka u kalupu treba biti takav da se osigura najbolja kvaliteta
određenih (definiranih) površina odljevka,
- ostvariti najnižu cijenu i najkraći rok izrade modela.
Diobenu ravninu je najlakše odrediti kod simetričnih odljevaka (npr. remenice,
zupčanici itd.) jer se mogu podijeliti na dva jednaka dijela. Diobena ravnina prolazi najvećom
dimenzijom odljevka. Pri izradi kalupa gornja polovica modela zakalupuje se u gornju
polovicu kalupa, a donja polovica modela u donju polovicu kalupa (slika 4.5).
Slika 4.5. Određivanje diobene ravnine i položaja modela u kalupu za
slučaj simetričnog odljevka (remenica)
Potrebno je napomenuti da su često prisutni i slučajevi kada se odljevak zbog svoje
konfiguracije ili posebnih zahtjeva na kvalitetu površine mora zakalupovati samo u gornju ili
donju polovicu kalupa (vidi sliku 4.4).
90
4.2.4
Određivanje ljevačkih skošenja
Ljevačka skošenja (konusi) omogućuju lakše izvlačenje modela iz kalupa. Pri
određivanju ljevačkih skošenja potrebno je uzeti u obzir slijedeće:
- način izrade kalupa (ručno, strojno),
- vrstu materijala od kojeg se izrađuje model,
- vrstu kalupa (jednokratni, višekratni),
- veličinu odljevka,
- zahtjeve kupca.
Ako ljevačka skošenja nisu definirana nacrtom ili tehničkim uvjetima kupca
primjenjuju se normama definirana skošenja za modele, jezgre i jezgrene oslonce. Primjer
ucrtanih ljevačkih skošenja može se vidjeti na slici 4.4.
4.2.5
Određivanje broja jezgara i veličine jezgrenih oslonaca
Jezgra se primjenjuje za oblikovanje šupljina u odljevku i pojednostavljenje modela
radi lakše i sigurnije izrade kalupa. Modele treba nastojati tako izraditi da se broj jezgri svede
na minimum ili da se, ako je moguće, izbjegne njihova primjena.
Odljevak se lijeva bez jezgre, odnosno model se može sigurno zakalupovati, ako je
promjer otvora u njemu veći od njegove visine. Ovakav slučaj je prikazan na slici 4.4.
Veličine i skošenja oslonaca za vodoravno i okomito postavljene jezgre definirane su
normama ili ih treba propisati internim propisima za konkretne uvjete ljevaonice. Na slici 4.6
prikazan je primjer primjene okomito postavljene jezgre te oblik, dimenzije i skošenja
jezgrenih oslonaca.
Slika 4.6. Primjer tehnološke razrade nacrta odljevka sa okomito postavljenom jezgrom
91
4.2.6
Definiranje sustava ulijevanja i napajanja i njihovog položaja u kalupu
Uljevni sustav i pojila moraju biti tako dimenzionirani i postavljeni da se osigura
ravnomjerno punjenje kalupne šupljine i usmjereno skrućivanje. Odljevci od sivog lijeva
lijevaju se kroz tanke stjenke, dok se odljevci od nodularnog i čeličnog lijeva te većeg broja
legura lakih i teških obojenih metala (ljevovi s većim volumnim stezanjem) lijevaju kroz
najdeblje stjenke, odnosno kroz pojila.
Određivanje tipa i dimenzioniranje komponenti uljevnog sustava i pojila obrađeno je u
prethodnim poglavljima.
4.3
Projektiranje ljevačkog kalupa
Definiranje tehnologije izrade kalupa obuhvaća određivanje:
- broja odljevaka u kalupu,
- debljine slojeva pijeska u kalupu i veličine kalupnika,
- sustava odzračivanja kalupa,
- razmaka između jezgre i modela,
- linearnog stezanja odljevka.
4.3.1 Određivanje broja odljevaka u kalupu
Raspoloživi prostor u kalupu treba maksimalno iskoristiti. Kalup je racionalno
iskorišten ako omjer mase metala i mase pijeska u kalupu kod sitnih i srednje krupnih
odljevaka iznosi min. 0,25. Uljevni sustav i pojila zauzimaju određeni prostor u kalupu i na taj
način negativno utječu na broj modela (odljevaka) koji se mogu smjestiti u kalup.
Lijevanjem većeg broja odljevaka u jednom kalupu poboljšava se izvadak, odnosno
iskorištenje taljevine i produktivnost ljevaonice.
4.3.2 Određivanje debljine slojeva pijeska u kalupu i veličine kalupnika
Debljina slojeva pijeska u kalupu utječe na količinu odvedene topline od odljevka ka
okolini, čvrstoću kalupa i ekonomičnost iskorištenja kalupa. Masa pijeska u kalupu, odnosno
debljina slojeva pijeska u kalupu mora biti dovoljno velika da se osigura protuteža
metalostatičkom tlaku ulivene taljevine. Osim toga, utjecajni faktori su i stupanj sabijenosti
kalupne mješavine te sniženje čvrstoće kalupa tijekom ulijevanja zbog toplinskih naprezanja.
Veličina kalupnika ovisi o dimenzijama pojedinih komponenti u kalupu (modela,
uljevnog sustava i pojila), potrebnim minimalnim razmacima između pojedinih komponenti u
kalupu, razmacima između pojedinih komponenti u kalupu i stjenki kalupnika te
udaljenostima između vrha gornje, odnosno donje polovice modela i kalupnika.
Minimalne debljine slojeva pijeska i razmaci u kalupu tabelirani su ovisno o masi
odljevka.
92
4.3.3
Određivanje sustava odzračivanja kalupa
Kanali za odzračivanje jezgri definiraju se i ucrtavaju u tehnološki razrađeni nacrt
sklopljenog kalupa. Pri tome se u većini slučajeva svi kanali za odzračivanje jedne jezgre
povezuju u jedan glavni kanal kojim je jezgra spojena s vanjskom atmosferom. Kanali za
odzračivanje kalupa (odzračnici) ucrtavaju se u tehnološki razrađeni nacrt sklopljenog kalupa
te nacrt rasporeda modela u kalupu. Plinove iz kalupa treba odvoditi najkraćim putem do
vanjske atmosfere (slika 4.7).
Slika 4.7. Primjer sustava odzračivanja kalupa
Veličina, broj i raspored kanala za odzračivanje sklopljenog kalupa ovise o složenosti
odljevka, postupku izrade i vrsti jezgara, kvaliteti kalupne mješavine, brzini skrućivanja
odljevka i dimenzijama jezgri. Odzračivanje ljevačkog kalupa još se uvijek u velikoj mjeri
određuje na temelju praktičnog iskustva.
4.3.4
Određivanje razmaka između jezgre i modela
U okviru projektiranja ljevačkog kalupa potrebno je odrediti i razmak (zračnost ili
zazor) između jezgre i modela. Razmak između modela i jezgre određuje se prema
odgovarajućim normama.
4.3.5
Određivanje linearnog stezanja odljevka
Volumna promjena (stezanje) koje se dešava nakon završetka skrućivanja, tj. tijekom
hlađenja od solidus temperature do sobne temperature (stezanje u krutom stanju) utječe na
konačne dimenzije odljevka. Ovo stezanje često se naziva linearnim odnosno modelarskim
stezanjem. Linearno stezanje odljevka mora se definirati i taj podatak upisati na nacrt
tehnološke razrade odljevka radi adekvatnog povećanja dimenzija ljevačkog modela.
Linearno stezanje odljevaka od čeličnog lijeva obično iznosi ~ 2,0 %, a linearno stezanje
odljevaka od sivih željeznih ljevova ~ 1,0 %. Kod odljevaka od aluminijskih i magnezijevih
legura linearno stezanje obično iznosi ~ 1,2 %.
93
5. PRORAČUN ULOŠKA ZA TALIONIČKE
AGREGATE
U talioničkim agregatima proizvodi se taljevina zahtijevanog kemijskog sastava
pretapanjem metalnih (i nemetalnih) komponenti (sirovina) koje su uložene u peć. Očito je da
sastavi i udjeli pojedinih komponenti u ulošku imaju značajnu ulogu u postizanju željenog
kemijskog sastava taljevine. Zbog toga je važno pravilno odabrati komponente i odrediti
njihove udjele u ulošku ovisno o potrebnom kemijskom sastavu lijeva. Osim toga, pažljivim
odabirom uložnih materijala prema kvaliteti lijeva koji se proizvodi može se smanjiti potreba
za dodatkom skupih ferolegura i na taj način smanjiti troškovi proizvodnje (npr. ako se
proizvodi sivi lijev legiran niklom i kromom poželjno je u uložak dodati sirovine koje sadrže
ove elemente).
Pravilan proračun uloška zasniva se na točnom poznavanju kemijskog sastava
komponenti uloška. Osim toga, potrebno je poznavati i promjene sastava uloška koje se
događaju tijekom taljenja (prirast ili odgor pojedinih elemenata). Npr. zbog primjene koksa u
kupolnoj peći tijekom taljenja u većini slučajeva dolazi do porasta sadržaja sumpora u odnosu
na količinu koja je unesena putem metalnih komponenti uložnog materijala. S druge strane,
silicij i mangan odgaraju tijekom taljenja, zbog čega će njihov sadržaj u taljevini biti niži nego
što je to uneseno putem uloška. Sve ove činjenice potrebno je uzeti u obzir pri proračunu
uloška (suvišak elemenata koji odgaraju tijekom taljenja (npr. silicij, mangan) i manjak
elemenata čiji se sadržaj povećava tijekom taljenja (npr. sumpor tijekom taljenja u kupolnoj
peći).
Pri proračunu uloška potrebno je riješiti dva osnovna zadatka:
•
•
prema zadanom kemijskom sastavu taljevine, odnosno lijeva koji se proizvodi u
peći, odrediti kemijski sastav uloška,
na osnovi određenog kemijskog sastava uloška odrediti udjele pojedinih
komponenti u ulošku.
Proračun uloška može se provesti pomoću slijedećih metoda:
•
•
•
grafička metoda,
analitička metoda,
metoda izbora.
U okviru ovog poglavlja ukratko ćemo opisati osnovne karakteristike analitičke
metode i metode izbora.
Analitička metoda omogućuje proračun uloška iz n komponenti (sirovina) po n – 1
elemenata (n – proizvoljan realan broj). Ako su poznati sadržaji promatranih elemenata u
taljevini i kemijski sastavi raspoloživih sirovina, udjeli pojedinih komponenti u ulošku
dobivaju se rješavanjem sustava jednadžbi postavljenih na osnovi materijalnih bilanci
promatranih elemenata. Materijalna bilanca pojedinog elementa može se prikazati slijedećom
jednadžbom:
xk 1
E zahtijevan
E
E
E
Ek1
+ x k 2 k 2 + x k 3 k 3 + x kn kn =
100
100
100
100
100
94
(5.1)
gdje je:
-
xk1 – sadržaj komponente 1 u ulošku, %
xk2 – sadržaj komponente 2 u ulošku, %
xk3 – sadržaj komponente 3 u ulošku, %
xkn – sadržaj komponente n u ulošku, %
Ek1 – sadržaj promatranog elementa u komponenti 1, %
Ek2 - sadržaj promatranog elementa u komponenti 2, %
Ek3 - sadržaj promatranog elementa u komponenti 3, %
Ekn - sadržaj promatranog elementa u komponenti n, %
Ezahtijevan – zahtijevan sadržaj promatranog elemenata, %
Odgor ili prirast promatranog elementa tijekom taljenja potrebno je uzeti u obzir i
ukalkulirati u materijalnu bilancu. Ako je poznat iznos odgora ili prirasta promatranog
elementa tijekom taljenja i zahtijevan sadržaj promatranog elementa (Ezahtijevan), količina
promatranog elementa koja se mora unijeti u peć (Epotreban) da bi se u taljevini nakon promjena
u sastavu uloška tijekom taljenja ostvario zahtijevan sadržaj promatranog elementa može se
odrediti pomoću slijedeće jednadžbe:
E potreban = E zahtijevan
mmu
100 − odgor E
(5.2)
E potreban = E zahtijevan
mmu
100 + prirast E
(5.3)
odnosno:
gdje je:
-
Epotreban – potreban sadržaj promatranog elemenata u ulošku, %
Ezahtijevan – zahtijevan sadržaj promatranog elemenata u taljevini, %
mmu – masa metalnog uloška, kg
odgor E – odgor promatranog elementa tijekom taljenja, %
prirast E – povećanje (prirast) sadržaja promatranog elementa tijekom taljenja, %.
Nedostatak analitičke metode je što nije uočljivo da li postavljeni sustav jednadžbi
daje nerealno rješenje, što znači da se ne može ostvariti zahtijevani sastav iz raspoloživih
sirovina.
Kod proračuna uloška metodom izbora polazi se od procijenjenog učešća pojedinih
komponenti u ulošku na osnovi zahtijevanog sadržaja promatranih elemenata u njemu te
kemijskog sastava raspoloživih sirovina. Nakon toga odredi se potreban i stvaran unos svakog
promatranog elementa.
Nedostatak ove metode je nedovoljno egzaktan način proračuna, zbog čega je često
potrebna korekcija uloška, odnosno nadoknada potrebnog sadržaja promatranih elemenata u
ulošku različitim postupcima (npr. dodatak ferolegura). Ukoliko se dobiju značajnija
odstupanja u pogledu sadržaja promatranih elemenata, potrebno je procijeniti novi sastav
uloška i proračun ponoviti.
95
6. ZADACI
Zadatak 1
Potrebno je dimenzionirati uljevni sustav za kalup prema slici 6.1, u koji se lijevaju
odljevci od sivog lijeva (ρ = 6,7 kg/dm3), uz pretpostavku da napajanje nije potrebno.
Temperatura lijevanja iznosi 1315 °C, a iskorištenje taljevine ~ 70 % (ostalih 30 % taljevine
popunjava uljevni sustav).
Slika 6.1. Shematski prikaz kalupa
- volumen jednog odljevka na osnovi dimenzija sa slike 6.1 iznosi:
Vo = 65⋅50⋅16 + 65⋅60⋅10 = 91000 mm3 = 0,091 dm3
- masa jednog odljevka:
mo = ρ⋅Vo = 6,7⋅0,091 = 0,61 kg
- ukupna masa odljevaka u kalupu (6 odljevaka u kalupu):
∑m = 6⋅ mo = 6⋅0,61 = 3,66 kg
- ukupna masa taljevine:
mt =
∑ m = 3,66 = 5 ,23 kg
η
0 ,70
- računska visina (odljevci su u potpunosti smješteni u donji dio kalupa - lijevanje odozgo):
HR = 150,0 mm = 15,0 cm
96
- vrijeme lijevanja prema Nielsenu:
t = 0,32⋅δ⋅m0,4 = 0,32⋅10,0⋅5,230,4 = 6,2 s
- koeficijent brzine istjecanja određuje se iz dijagrama na slici 2.14 (više promjena smjera
kretanja taljevine u uljevnom sustavu) i iznosi μ = 0,5 (stranica 14).
- dimenzioniranje kritičnog presjeka:
Ak =
m
μ ⋅t ⋅ ρ ⋅ 2⋅ g ⋅ HR
=
5 ,23
0 ,5 ⋅ 6 ,2 ⋅ 6700 ⋅ 2 ⋅ 9 ,81 ⋅ 0 ,15
= 1,45 cm 2
- odabir razmjera (tlačni uljevni sustav): As : Ar : Au = 1,4 : 1,2 : 1.
- dimenzioniranje ušća (ukupnu površinu kritičnog presjeka potrebno je podijeliti s brojem
ušća):
Au =
Ak
η
=
1,45
= 0 ,2416 cm 2 = 24 ,16 mm 2
6
odabire se ušće pravokutnog poprečnog presjek prema slici, za koje vrijedi:
a = 3b
Au = a ⋅ b = ( 3b ) ⋅ b = 3b 2 ⇒ b =
Au
=
3
24 ,16
= 2 ,84 mm
3
a = 3⋅b = 3⋅2,84 = 8,52 mm
-dimenzioniranje razvodnika:
Ar = 1,2⋅Au = 1,2⋅145,0 = 174,0 mm2
odabire se trapezni razvodnik prema slici 6.1, za koji vrijedi:
h = 1,1· a
b = 0,7 · a
(a – veća paralelna stranica, b – manja paralelna stranica, h – visina)
2 Ar
a+b
a + 0 ,7 a
1,7 a
1,87 a 2
Ar =
⋅h =
⋅ 1,1a =
⋅ 1,1a =
⇒a=
=
2
2
2
2
1,87
h = 1,1⋅a = 1,1 · 13,64 = 15,00 mm
b = 0,7⋅a = 0,7 · 13,64 = 9,55 mm
97
2 ⋅ 174 ,0
= 13,64 mm
1,87
- dimenzioniranje spusta:
As = 1,4⋅Au =1,4⋅145,0 = 203,0 mm2
- promjer spusta kod razvodnika (dsd):
Asd =
d sd2 ⋅ π
⇒ d sd =
4
4 Asd
π
=
4 ⋅ 203,0
= 16 ,08 mm
3,14
- promjer spusta kod čaše (dsg):
Asg ⋅ v1 = Asd ⋅ v 2
d sg2 ⋅ π
4
d sd2 ⋅ π
H
150 ,0
⋅ 2 gH 1 =
⋅ 2 gH 2 ⇒ d sg = d sd ⋅ 4 2 = 16 ,08 ⋅ 4
= 19 ,46 mm
4
H1
70 ,0
(H1 = 70,0 mm, H2 = 150,0 mm)
- volumen ljevkaste čaše:
Vč = 1,5⋅
5,23
m
= 1,5
= 0,188 dm3
t⋅ρ
6,2 ⋅ 6,7
- iz tablice 6.1 odabire se ljevkasta uljevna čaša (slika 6.2) pod rednim brojem 2 (prvi veći
volumen od izračunatog).
Tablica 6.1. Dimenzije lijevka (čaše)
Redni
broj
Masa
taljevine,
kg
Volumen
čaše,
dm3
D,
mm
D1,
mm
H1,
mm
1
2
3
0,8
1,3
2,0
0,12
0,20
0,30
60,0
70,0
80,0
40,0
50,0
60,0
60,0
70,0
80,0
- dimenzioniranje ljevkaste čaše (prema tablici 6.1):
D = 70,0 mm, D1 = 50,0 mm, H1 = 70,0 mm, za Vl = 0,20 dm3
Slika 6.2. Karakteristične dimenzije ljevkaste uljevne čaše
98
Najveći
promjer
spusta,
mm
16,0
20,0
25,0
Zadatak 2
Potrebno je konstruirati i dimenzionirati uljevni sustav za lijevanje stupa bušilice od
sivog lijeva (ρ = 6,7 kg/dm3) kao što je prikazano na slici 6.3. Temperatura lijevanja iznosi
1330 °C. Pretpostavlja se da napajanje nije potrebno. Iskorištenje taljevine iznosi 93,0 %.
Slika 6.3. Shematski prikaz kalupa
- volumen stupa bušilice:
( 1,29 2 − 0 ,69 2 ) ⋅ π
( 0 ,99 2 − 0 ,39 2 ) ⋅ π
V0 = V1 + V2 =
( 10 ,24 − 1,50 ) +
⋅ 1,21 = 8 ,94 dm 3
4
4
- masa stupa bušilice:
mo = ρ⋅V0 = 6,7⋅8,94 = 59,9 kg
99
- masa taljevine u kalupu:
mt =
mo
η
=
59 ,9
= 64 ,4 kg
0 ,93
- računska visina:
HR = H −
hog2
2 ho
= 102 ,4 −
( 102 ,4 − 15 ,0 ) 2
= 64 ,0 cm
2(( 102 ,4 − 15 ,0 ) + 12 ,1 )
- vrijeme lijevanja po Nielsenu:
t = 0,32⋅δ⋅m0,4 = 0,32 ⋅ 30,0 ⋅ 64,40,4 = 50,0 s
- koeficijent brzine istjecanja određuje se iz dijagrama na slici 2.14 (jedna promjena smjera
kretanja taljevine u uljevnom sustavu) i iznosi μ = 0,64 (stranica 14).
- dimenzioniranje kritičnog presjeka:
Ak* = 3,1 cm2, iz dijagrama na slici 2.31 (stranica 27), za m = 64,4 kg, HR = 64,0 cm
μ = 0,5 i δ = 10,0 mm
- korekcija površine kritičnog presjeka obzirom na μ i δ:
Ak = 0,8 cm2 = 80,0 mm2
(na dijagramu na slici 2.32 (stranica 28) polazi se s desne strane dijagrama od vrijednosti Ak*
te se ide prema gore do stvarane vrijednosti δ, a zatim lijevo do stvarne vrijednosti μ te prema
dolje do Ak).
- odabir razmjera (tlačni uljevni sustav):
As : Ar : Au = 1,2 : 1,1 : 1
- dimenzioniranje ušća:
Au = Ak = 80,0 mm2
prema slici 6.3 ušće ima trokutasti poprečni presjek:
Au =
a2
⇒ a = 2 ⋅ Au = 2 ⋅ 80 ,0 = 12 ,65 mm
2
- dimenzioniranje spusta:
As = 1,2 Au = 1,2 ·80,0 = 96,0 mm2
100
- promjer spusta kod razvodnika (dsd):
Asd =
d sd2 ⋅ π
⇒ d sd =
4
4 Asd
π
=
4 ⋅ 96 ,0
= 11,00 mm
3,14
- promjer spusta kod čaše (dsg):
Asg ⋅ v1 = Asd ⋅ v 2
d sg2 ⋅ π
4
⋅ 2 gH 1 =
d sd2 ⋅ π
H
1024 ,0
⋅ 2 gH 2 ⇒ d sg = d sd ⋅ 4 2 = 11,00 ⋅ 4
= 21,5 mm
4
H1
70 ,0
- volumen koritaste uljevne čaše:
Vč = k ⋅
m
64 ,4
= 2⋅
= 0 ,38 dm 3
t⋅ρ
50 ,0 ⋅ 6 ,7
- iz tablice 6.2 odabire se koritasta uljevna čaša (slika 6.4) pod rednim brojem 2 (prvi veći
volumen od izračunatog).
Tablica 6.2. Dimenzije koritaste uljevne čaše
Masa
Volumen
taljevine,
čaše,
kg
dm3
1,0
0,16
3,0
0,45
10,1
1,60
33,0
4,90
L
M
H1
R1
R2
R3
R4
r
r1
80
120
180
240
20
40
70
95
50
70
110
170
20
25
40
60
15
20
35
55
25
35
50
75
20
30
45
70
10
10
15
20
5
5
5
10
- dimenzioniranje koritaste uljevne čaše (prema tablici 6.2):
Vč = 0,45 dm3, H1 = 70,0 mm, L = 120,0 mm, M = 40,0 mm
Slika 6.4. Karakteristične dimenzije koritaste uljevne čaše
101
Promjer
spusta,
mm
do 17
17…25
25…32
32…40
Zadatak 3
Potrebno je dimenzionirati uljevni sustav za lijevanje zamašnjaka od čeličnog lijeva (ρ
= 7,0 kg/dm3) prema slici 6.5. Masa odljevka iznosi 180,0 kg, a koeficijent iskorištenja
taljevine 0,70. Vertikalna udaljenost od vrha uljevne čaše do razine ušća (H) iznosi 30,0 cm, a
koeficijent brzine istjecanja μ = 0,80. Odljevak se lijeva sa strane, a model je podijeljen po
sredini, tako da se jedna polovica kalupne šupljine nalazi u gornjem dijelu kalupa, a druga u
donjem.
Slika 6.5. Skica zamašnjaka i shematski prikaz uljevnog sustava
- masa taljevine u kalupu:
mt =
mo
η
=
180 ,0
= 258 ,0 kg
0 ,70
- vrijeme lijevanja određuje se prema jednadžbi (2.16) (stranica 22):
t = s1 3 δm = 0 ,90 ⋅ 3 30 ,0 ⋅ 258 ,0 = 17 ,80 ≈ 18 ,0 s
(koeficijent s1 određuje se na osnovi mase i debljine stjenke odljevaka)
- računska visina:
HR = H −
ho
16 ,0
= 30 ,0 −
= 28 ,0 cm
8
8
- dimenzioniranje kritičnog presjeka:
Ak =
m
μ ⋅t ⋅ ρ ⋅ 2⋅ g ⋅ HR
=
258 ,0
0 ,8 ⋅ 18 ,0 ⋅ 7000 ⋅ 2 ⋅ 9 ,81 ⋅ 0 ,28
- odabir razmjera (semitlačni uljevni sustav):
As : Ar : Au = 1,0 : 2,0 : 2,0
Ak = AS
102
= 10 ,92 cm 2
- dimenzioniranje razvodnika:
Ar = 2,0 · As = 2,0 · 10,92 = 21,84 cm2
budući da uljevni sustav ima 2 razvodnika, potrebno je izračunati površinu jednog razvodnika:
Ar 1 =
21,84
= 10 ,92 cm 2
2
( Ar 1 = Ar 2 )
odabire se trapezni razvodnik, za koji vrijedi:
Ar ; a = 1,2 ⋅ h ; b = 0 ,8 ⋅ h
h=
h=
Ar = 10 ,92 = 3 ,30 cm
a = 1,2 ⋅ h = 1,2 ⋅ 3,30 = 3,96 cm
b = 0 ,8 ⋅ h = 0 ,8 ⋅ 3,30 = 2 ,64 cm
(a – veća paralelna stranica, b – manja paralelna stranica, h – visina)
- dimenzioniranje ušća:
Au = 2,0 · As = 2,0 · 10,92 = 21,84 cm2
budući da uljevni sustav ima 4 ušća, potrebno je izračunati površinu jednog ušća:
Au 1 =
21,84
= 5 ,46 cm 2
4
- odabire se ušće pravokutnog poprečnog presjeka za koje vrijedi:
a = 3b
gdje je a širina ušća, a b visina ušća.
Au
=
3
Au = a ⋅ b = ( 3b ) ⋅ b = 3b 2 ⇒ b =
5 ,46
= 1,35 cm
3
a = 3⋅b = 3 ·1,35 = 4,05 cm
- promjer spusta kod razvodnika (dsd):
Asd =
d sd2 ⋅ π
⇒ d sd =
4
4 Asd
π
103
=
4 ⋅ 10 ,92
= 3,73 cm
3,14
Zadatak 4
Dimenzionirati uljevni sustav za lijevanje poklopca cilindra prikazanog na slici 6.6.
Slika 6.6. Shematski prikaz kalupa za lijevanje poklopca cilindra
Odljevak se lijeva od sivog lijeva (ρ = 6,7 kg/dm3). Masa odljevka iznosi 114,0 kg, a
prosječna debljina stjenke 20,0 mm. Vertikalna udaljenost od vrha uljevne čaše do razine ušća
(H) iznosi 350,0 mm, a visina odljevka 280,0 mm. Taljevina se uvodi bočno na visini 125,0
mm ispod gornje ivice odljevka, preko dva ušća. Promjer odljevka (poklopca cilindra) iznosi
630,0 mm, a koeficijent brzine istjecanja μ = 0,50. Odabrati slijedeći razmjer: As : Ar : Au =
2,0 : 1,5 : 1. Koeficijent iskorištenja taljevine (η) iznosi 0,67.
Potrebno je odrediti:
-
ukupnu površinu poprečnog presjeka ušća,
dimenzije ušća, uzimajući u obzir da imaju pravokutni poprečni presjek s
odnosnom stranica a : b = 2 : 1,
površinu poprečnog presjeka razvodnika,
površinu poprečnog presjeka spusta na donjem kraju.
- masa taljevine u kalupu:
mt =
mo
η
=
114 ,0
= 170 ,0 kg
0 ,67
- vrijeme lijevanja prema H. W. Dietertu:
t = s m = 1,1 ⋅ 170 ,0 = 14 ,0 s
(koeficijent s određuje se iz dijagrama na slici 2.26, stranica 22)
104
- računska visina:
HR = H −
hog2
2 ho
= 35 ,0 −
12 ,5 2
= 32 ,0 cm
2 ⋅ 28 ,0
- dimenzioniranje kritičnog presjeka (ušća jer se radi o tlačnom uljevnom sustavu):
Ak =
m
μ ⋅t ⋅ ρ ⋅ 2⋅ g ⋅ HR
=
170 ,0
0 ,50 ⋅ 14 ,0 ⋅ 6700 ⋅ 2 ⋅ 9 ,81 ⋅ 0 ,32
= 14 ,5 cm 2
- dimenzioniranje ušća (ukupnu površinu kritičnog presjeka potrebno je podijeliti s brojem
ušća):
Au =
Ak
η
=
14 ,5
= 7 ,25 cm 2
2
a : b = 2 : 1 ⇒ a = 2b
Au = a ⋅ b = 2b ⋅ b = 2b 2 ⇒ b =
Au
7 ,25
=
= 1,9 cm
2
2
a = 2b = 2 ⋅ 1,9 = 3 ,8 cm
- dimenzioniranje razvodnika:
Ar = 1,5 · Au = 1,5 ⋅ 14,5 = 21,8 cm2
- dimenzioniranje spusta:
As = 2,0 · Au = 2,0 ⋅ 14,5 = 29,0 cm2
- promjer spusta kod razvodnika (dsd):
d sd2 ⋅ π
Asd =
⇒ d sd =
4
4 Asd
π
105
=
4 ⋅ 29 ,0
= 6 ,1 cm
3,14
Zadatak 5
Izračunati modul prirubnice prikazane na slici 6.7.
Slika 6.7. Izgled i dimenzije prirubnice
- u toplinsko čvorište prirubnice ucrta se kružnica pomoću koje se odredi modul čvorišta.
Promjer ucrtane kružnice u toplinsko čvorište u ovom slučaju iznosi 72 mm. Obzirom na
dimenzije prikazane na slici, očito je da toplinsko čvorište ima približno isti modul kao ploča
dimenzija 72,0 x 115,0 mm, s nehlađenom površinom širine 50,0 mm.
- modul prirubnice određuje se pomoću jednadžbe (3.20) (stranica 51):
M =
a ⋅b
7 ,2 ⋅ 11,5
=
= 2 ,55 cm
2( a + b ) − c 2( 7 ,2 + 11,5 ) − 5 ,0
gdje je: a – promjer upisane kružnice u toplinsko čvorište, a c – širina nehlađene površine
(površina preko koje se ne odvodi toplina).
Zadatak 6
Potrebno je odrediti modul toplinskog čvorišta u stjenci poklopca prikazanog na slici
6.8
Slika 6.8. Izgled i dimenzije poklopca
106
- u toplinsko čvorište, tj. u sjecište dviju stjenki, ucrta se kružnica s nešto većim radijusom da
bi se uzeo u obzir izolacijski efekt pijeska. Modul toplinskog čvorišta u tom slučaju je jednak
modulu ploče s debljinom koja je jednaka promjeru ucrtane kružnice.
- modul toplinskog čvorišta određuje se pomoću jednadžbe (3.15) (stranica 50):
M =
d 8 ,5
=
= 4 ,25 cm
2
2
gdje je: d – promjer kružnice ucrtane u toplinsko čvorište.
Zadatak 7
Od čeličnog lijeva treba odliti ploču debljine a = 65,0 mm, širine b = 260,0 mm i
duljine c = 1000,0 mm. Potrebno je odrediti broj pojila i mjesto postavljanja pojila u slučaju
kada se ne primjenjuju hladila.
-
određivanje omjera između stranica poprečnog presjeka ploče:
260 ,0 4
=
65 ,0
1
- pomoću dijagrama na slici 3.32b (stranica 59), polazeći od debljine ploče (65,0 mm) i
omjera stranica na poprečnom presjeku (4:1) odredi se duljina zone napajanja (ZN), odnosno
duljina zone djelovanja pojila:
ZN = 120,0 mm.
- pomoću dijagrama na slici 3.33 (stranica 59), polazeći od debljine ploče (65,0 mm) i omjera
stranica na poprečnom presjeku (4:1) odredi se duljina krajnje zone (KZ) i zone napajanja:
KZ + ZN = 280,0 mm
- modul odljevka (ploče) određuje se pomoću jednadžbe (3.12) (stranica 49):
Mo =
a⋅b
6 ,5 ⋅ 26 ,0
=
= 2 ,6 cm
2( a + b ) 2( 6 ,5 + 26 ,0 )
- modul pojila:
M p = 1,2 ⋅ M o = 1,2 ⋅ 2 ,6 = 3 ,12 cm
- dimenzije cilindričnog pojila čija je visina 1,5 puta veća od promjera pojila određuju se iz
tablice 3.5 (stranica 66). Odabire se pojilo s modulom 3,2 cm. Promjer pojila iznosi 172,0
mm, visina 258,0 mm, a volumen pojila 5,8 dm3.
- treba upotrijebiti dva pojila, njihov međusobni razmak je ~ 120,0 mm, a udaljena su od
svakog kraja ploče za ~ 270,0 mm.
107
Zadatak 8
Potrebno je dimenzionirati egzotermno pojilo za odljevak od legiranog čeličnog lijeva.
Volumen odljevka iznosi 25,0 dm3, a površina 7,0 dm2.
- modul odljevka:
Mo =
V 25000 ,0
=
= 3 ,6 cm
A 7000 ,0
- modul negrijanog pojila:
M p = 1,2 ⋅ M o = 1,2 ⋅ 3,6 = 4 ,3 cm
- dimenzije cilindričnog pojila čija je visina 1,5 puta veća od promjera pojila određuju se iz
tablice 3.5 (stranica 66). Odabire se pojilo s modulom 4,5 cm (prvo veće pojilo jer u tablici
nema podataka za pojilo s modulom 4,3 cm). Promjer pojila iznosi 240,0 mm, visina 360,0
mm, a volumen pojila 16,0 dm3.
- volumen pojila računat iz uvjeta stezanja (jednadžba (3.7), stranica 45) uz k1 = 0,4 za
legirani čelični lijev (tablica 3.2, stranica 45):
V p = k 1 ⋅ Vo = 0 ,4 ⋅ 25 ,0 = 10 ,0 dm 3
- očito je da pojilo izračunato pomoću modula ima znatno veći volumen (16,0 dm3) od
potrebnog (10,0 dm3), zbog čega se može upotrijebiti egzotermno pojilo.
- iz jednadžbe 3.27 (stranica 75) može se vidjeti da egzotermno pojilo ima ~ 1,4 puta veći
modul od klasičnog negrijanog pojila, što omogućuje primjenu razmjerno manjeg pojila ako
se primjenjuje egzotermno pojilo:
M egz . poj . =
4 ,3
2
= 3,05 cm
- dimenzije cilindričnog pojila čija je visina 1,5 puta veća od promjera pojila određuju se iz
tablice 3.5 (stranica 66). Odabire se pojilo s modulom 3,2 cm (uzimaju se podaci za pojilo s
modulom 3,2 jer se u tablici ne nalaze podaci za pojilo s modulom 3,05 dm3). Promjer pojila
iznosi 172,0 mm, visina 258,0 mm, a volumen pojila 5,8 dm3.
- prethodno definirano pojilo (V = 5,8 dm3) potrebno je obložiti egzotermnom oblogom da bi
se zadržao ekvivalent prije izračunatog modula pojila (Mp = 4,3 cm). Debljina egzotermne
obloge obično iznosi 1/5 promjera pojila:
debljina egzotermne obloge: 172 ,0 ⋅
1
= 34 ,4 mm ≈ 35 ,0 mm
5
- dimenzionirano egzotermno pojilo potrebno je provjeriti obzirom na uvjet volumnog
stezanja. Budući da volumno iskorištenje egzotermnog pojila iznosi 30,0 – 35,0 %, a ne
108
14,0 % na osnovi čega je izračunata jednadžba (3.7) (stranica 45), potrebno je krenuti od
modificirane jednadžbe (3.5) (stranica 44):
0 ,30 ⋅ V p = s ⋅ ( Vo + V p )
gdje je: 0,30 – volumno iskorištenje egzotermnog pojila (30 %/100), Vp – volumen pojila
(cm3), s – volumno stezanje lijeva u tekućem i tjestastom stanju (vol. %), a Vo – volumen
odljevka (cm3).
0 ,30 ⋅ V p = 0 ,045 ⋅ ( 25 ,0 + V p )
0 ,30 ⋅ V p = 1,125 + 0 ,045V p
0 ,30 ⋅ V p − 0 ,045V p = 1,125
V p = 4 ,4 dm 3
- volumen egzotermnog pojila iznosi Vegz.p = 5,8 dm3 i veći je od minimalno potrebnog
volumena pojila (Vp = 4,4 dm3) izračunatog iz uvjeta volumnog stezanja, što znači da je pojilo
pravilno dimenzionirano.
- tako dimenzionirano pojilo moramo obložiti egzotermnom oblogom tako da pojilo zadrži
modul određen prema odljevku.
Zadatak 9
Potrebno je odliti bakrenu ploču debljine 8,0 cm volumena ~ 100,0 dm3. Da li je
svrsishodno takav odljevak hladiti hladilom od npr. sivog lijeva?
- modula bakrene ploče:
M0 =
8 ,0
= 4 ,0 cm
2
- modula pojila:
M p = 1,2 ⋅ M o = 1,2 ⋅ 4 ,0 = 4 ,8 cm
- dimenzije cilindričnog pojila čija je visina 1,5 puta veća od promjera pojila određuju se iz
tablice 3.5 (stranica 66). Odabire se pojilo s modulom 5,0 cm (prvo veće pojilo jer u tablici
nema podataka za pojilo s modulom 4,8 cm). Promjer pojila iznosi 266,0 mm, visina 400,0
mm, a volumen pojila 22,0 dm3.
109
- izabrano pojilo potrebno je kontrolirati obzirom na uvjet volumnog stezanja (jednadžba 3.7)
(stranica 45). Koeficijent k1 za bakar iznosi 0,15.
V p = k 1 ⋅ Vo = 0 ,15 ⋅ 100 ,0 = 15 ,0 dm 3
- prema tablici 3.5 pojilo volumena 15,0 dm3 ima slijedeće dimenzije (uzimaju se podaci za
pojilo volumena 16,0 dm3 jer se u tablici ne nalaze podaci za pojilo volumena 15,0 dm3):
dp = 240,0 mm, hp = 360,0 mm, Vp = 16,0 dm3, Mp = 4,50 cm
- modul odljevka, kojeg prethodno dimenzionirano pojilo može napojiti je:
Mr =
4 ,5
= 3,75 cm
1,2
- budući de je modul odljevka M0 = 4,0 cm reduciran na Mr = 3,75 cm, odljevak treba hladiti
hladilom.
- masa vanjskog hladila od sivog lijeva određuje se pomoću jednadžbe 3.29 (stranica 77) (LCu
= 180,0 kJ/kg, ρCu = 8,8 g/cm3 i cFe = 590,0 J/kgK):
mvh =
M − M r 8 ,8 ⋅ 180000 ,0
ρ Cu ⋅ LCu
4 ,0 − 3 ,75
= 41,94 ≈ 42 ,0 kg
⋅ Vo o
=
⋅ 100 ,0 ⋅
590 ,0 ⋅ 400
c Fe ⋅ ΔT
4 ,0
Mo
Zadatak 10
Neka je kocka s bridom 10,0 cm dio većeg odljevka od Cu-Zn-Sn legure i neka
proračun modula tog odljevka pokazuje da se zbog uvjeta usmjerenog skrućivanja mora
modul kocke smanjiti pomoću unutarnjih hladila na vrijednost Mr = 1,4 cm. Potrebno je
odrediti volumen unutarnjeg hladila kojim se to može postići. Potrebni podaci o leguri: L =
210,0 kJ/kg, cp = 500,0 J/ (kgK), TL = 1100 °C, TS = 1030 °C.
- modul kocke može se odrediti pomoću jednadžbe 3.9 (stranica 48):
M =
a 10 ,0
=
= 1,67 cm
6
6
- volumen kocke:
V = a 3 = 10 ,0 3 = 1000 ,0 cm 3
- masa unutarnjeg hladila određuje se pomoću jednadžbe 3.32 (stranica 79):
muh ( c p ⋅ TS +
M − Mr
1
⎡1
L ) = V0 0
ρ uh ⎢ L + c p ( TL − TS
2
M0
⎣3
110
⎤
)⎥
⎦
- ako se masa hladila izrazi pomoću njegovog volumena i gustoće ( muh = ρ uh ⋅ Vuh ), dobiva se
slijedeća jednadžba:
ρ uh ⋅ Vuh ( c p ⋅ TS +
M − Mr
1
⎡1
L ) = V0 0
ρ uh ⎢ L + c p ( TL − TS
2
M0
⎣3
⎤
)⎥
⎦
- sređivanjem prethodne jednadžbe dobiva se izraz za određivanje volumena unutarnjeg
hladila:
V0
Vuh =
M0 − Mr
M − M r ⎡1
⎡1
⎤
⎤
ρ uh ⎢ L + c p ( TL − TS ⎥ V0 0
L + c p ( TL − TS ⎥
⎢
M0
M0
⎣3
⎦
⎣3
⎦
=
1
1
ρ uh ( c p ⋅ TS + L )
( c p ⋅ TS + L )
2
2
1000 ,0
Vuh =
1,67 − 1,4 ⎡ 1
⎤
⋅ 210000 ,0 + 500 ,0( 1100 − 1030 )⎥
⎢
1,67 ⎣ 3
⎦ = 27 ,38 ≈ 27 ,0 cm 3
1
( 500 ,0 ⋅ 1030 + 210000 ,0 )
2
Zadatak 11
Potrebno je dimenzionirati pojila za kotač od legiranog čeličnog lijeva koji je prikazan
na slici 6.9. Predvidjeti dodatak na strojnu obradu od 10,0 mm na čeone površine glavčine
kotača (označeno brojem 1) i ukupno 10,0 mm na unutarnji promjer (označeno brojem 2).
Slika 6.9. Izgled i dimenzije kotača
111
- kotač podijelimo u tri zasebne cjeline: vijenac, ručice (krakovi) i glavčina.
A) Vijenac
- modul vijenca:
Mv =
a ⋅b
13 ,7 ⋅ 9 ,0
=
= 2 ,7 cm
2( a + b ) 2( 13 ,7 + 9 ,0 )
- vijenac promatramo kao gredicu s dimenzijama a x b na poprečnom presjeku:
a = 137,0 mm = 13,7 cm
b = (1120,0 – 940,0)/2 = 90,0 mm = 9,0 cm
- modul pojila:
M p = 1,2 ⋅ M v = 1,2 ⋅ 2 ,7 = 3 ,24 cm
- dimenzije pojila s horizontalnim presjekom u obliku elipse određuje se iz tablice 3.7
(stranica 68). Odabire se pojilo s modulom 3,4 cm (prvo veće pojilo jer u tablici nema
podataka za pojilo s modulom 3,24 cm). Dimenzije pojila su:
širina: ap = 14,6 cm
dužina: bp = 21,9 cm
visina: hp = 27,4 cm
volumen: Vp = 7400,0 cm3
- određivanje duljine zone napajanja uz aprokimaciju vijenca gredicom s kvadratnim
poprečnim presjekom b x b:
ZN = 1,5 ⋅ b = 1,5 ⋅
112 ,0 − 94 ,0
= 13 ,5 cm
2
- područje napajanja jednog pojila:
L = 2 ⋅ ZN + b p = 2 ⋅ 13 ,5 + 21,9 = 48 ,9 ≈ 49 ,0 cm
- srednji promjer vijenca:
dv =
112 ,0 + 94 ,0
= 103 ,0 cm
2
- srednji opseg vijenca:
Ov = d v ⋅ π = 103,0 ⋅ 3,14 = 323 ,42 cm
112
- broj pojila na vijencu:
n=
Ov 323,42
=
= 6 ,6
L
49 ,0
zbog simetrije uzima se n = 6
- volumen vijenca:
Vv =
d 2 ⋅π
d 12 ⋅ π
112 ,0 2 ⋅ 3 ,14
94 ,0 2 ⋅ 3 ,14
⋅a − 2
⋅a =
⋅ 13 ,7 −
⋅ 13 ,7 = 39877 ,69 cm 3
4
4
4
4
gdje je: d1 – vanjski promjer vijenca, a d2 – unutarnji promjer vijenca.
- volumen vijenca kojeg napaja jedno pojilo:
Vv 1 / 6 =
Vv 39877 ,69
=
= 6646 ,28 cm 3
6
6
- provjera pojila obzirom na uvjet volumnog stezanja (jednadžba (3.7), stranica 45) – potrebni
volumen pojila:
V p = k 1 ⋅ Vv1 / 6 = 0 ,40 ⋅ 6646 ,28 = 2658 ,51 cm 3
gdje je: 0,40 vrijednost koeficijenta proporcionalnosti k1 za legirani čelični lijev (tablica 3.2).
- može se vidjeti da je stvarno potrebni volumen pojila (Vp = 2658,51 cm3) značajno manji od
volumena pojila određenog na osnovi modula pojila (Vp = 7400,0 cm3). Zbog toga se mogu
primijeniti egzotermna pojila.
- modul egzotermnog pojila:
M egz . poj . =
3 ,24
2
= 2 ,3 cm
- dimenzije pojila s horizontalnim presjekom u obliku elipse određuju se iz tablice 3.7
(stranica 68). Odabire se pojilo s modulom 2,4 cm (prvo veće pojilo jer u tablici nema
podataka za pojilo s modulom 2,3 cm). Dimenzije pojila su:
širina: ap = 10,3 cm
dužina: bp = 15,4 cm
visina: hp = 19,3 cm
volumen: Vp = 2600,0 cm3
- prethodno definirano pojilo (Vp = 2600 cm3) potrebno je obložiti egzotermnom oblogom da
bi se zadržao ekvivalent prije izračunatog modula pojila (Mp = 3,24 cm). Debljina egzotermne
obloge obično iznosi 1/5 promjera pojila. U ovom slučaju, budući da se radi o ovalnom pojilu,
debljina egzotermne obloge može se odrediti na sljedeći način:
113
debljina egzotermne obloge:
1 a + b 1 103 ,0 + 154 ,0
⋅
= ⋅
= 25 ,7 mm → uzima se 30,0 mm
5 2
5
2
- dimenzionirano egzotermno pojilo potrebno je provjeriti obzirom na uvjet volumnog
stezanja. Budući da volumno iskorištenje egzotermnog pojila iznosi 30,0 – 35,0 %, a ne 14,0
% na osnovi čega je izračunata jednadžba (3.7) (stranica 45), potrebno je krenuti od
modificirane jednadžbe (3.5) (stranica 44):
0 ,30 ⋅ V p = s ⋅ ( Vv1 / 6 + V p )
gdje je: 0,30 – volumno iskorištenje egzotermnog pojila (30 %/100), Vp – volumen pojila
(cm3), s – volumno stezanje lijeva u tekućem i tjestastom stanju (vol. %), a Vv1/6 – volumen
vijenca koji napaja jedno pojilo (cm3).
0 ,30 ⋅ V p = 0 ,045 ⋅ ( 6646 ,28 + V p )
0 ,30 ⋅ V p = 299 ,08 + 0 ,045V p
0 ,30 ⋅ V p − 0 ,045V p = 299 ,08
V p = 1172 ,86 cm 3
- volumen egzotermnog pojila iznosi Vegz.p. = 2600,0 cm3 i veći je od minimalno potrebnog
volumena pojila (Vp = 1172,86 cm3) izračunatog iz uvjeta volumnog stezanja, što znači da je
pojilo pravilno dimenzionirano.
- duljina zone napajanja egzotermnog pojila (ZN)eg može se odrediti iz dijagrama prikazanog
na slici 6.10.
Slika 6.10. Duljina zone napajanja (ZN) ovisno o debljini stjenke odljevka i omjeru stranica
na poprečnom presjeku odljevka kod primjene egzotermnog pojila
114
- dimenzije vijenca na poprečnom presjeku: a = 13,7 cm, b = 9,0 cm.
- omjer stranica na poprečnom presjeku vijenca: 13,7/9,0 = 1,52
- na osnovi prethodno navedenih podataka iz dijagrama prikazanog na slici 6.10 može se
odrediti duljina zone napajanja egzotermnog pojila:
(ZN)egz = 17,0 cm
- područje napajanja jednog egzotermnog pojila:
Legz = 2 ⋅ ( ZN )egz + b p = 2 ⋅ 17 ,0 + 15 ,4 = 49 ,4 cm
- broj egzotermnih pojila na vijencu:
negz =
Ov
323 ,42
=
= 6 ,5
Legz
49 ,4
zbog simetrije uzima se negz p.= 6
B) Ručice (krakovi)
Ručice, odnosno krakovi koji povezuju glavčinu i vijenac kotača razmjerno su tanki,
zbog čega se može pretpostaviti da brzo skrutnu i na taj način prekinu vezu između glavčine i
vijenca. Osim toga, potreba za napajanjem je kompenzirana pojilima na glavčini i vijencu.
Zbog toga su pojila na vijencu smještena na spoju ručice i vijenca (vidi sliku 6.9).
C) Glavčina
Glavčinu promatramo kao obruč (cilindar) sa sljedećim dimenzijama:
vanjski promjer: dv = 350 mm
visina: h = 175,0 mm + 10,0 mm + 10,0 mm = 195,0 mm
(na obje čeone površine glavčine kotača dodaje se po 10,0 mm za strojnu obradu)
unutarnji promjer: du = 90,0 mm – 10,0 mm = 80,0 mm
(ukupni dodatak na strojnu obradu iznosi 10,0 mm)
- debljina stjenke glavčine:
a=
d v − d u 35 ,0 − 8 ,0
=
= 13 ,5 cm
2
2
115
- modul glavčine:
M gl =
hgl ⋅ a
2( hgl + a )
=
19 ,5 ⋅ 13,5
= 3,99 cm
2( 19 ,5 + 13,5 )
- modul pojila:
M p = 1,2 ⋅ M gl = 1,2 ⋅ 3,99 = 4 ,79 cm
- dimenzije cilindričnog (valjkastog) pojila čiji je promjer jednak visini određuju se iz tablice
3.4 (stranica 65). Odabire se pojilo s modulom 5,0 cm (prvo veće pojilo jer u tablici nema
podataka za pojilo s modulom 4,79 cm). Promjer pojila iznosi 300,0 mm, visina 300,0 mm, a
volumen pojila 21,0 dm3.
- određivanje duljine zone napajanja uz aprokimaciju glavčine gredicom s kvadratnim
poprečnim presjekom a x a:
ZN = 1,5 ⋅ a = 1,5 ⋅ 13,5 = 20 ,25 cm
- područje napajanja jednog pojila:
L = 2 ⋅ ZN + d p = 2 ⋅ 20 ,25 + 30 ,0 = 70 ,5 ≈ 71,0 cm
- srednji promjer glavčine:
dv =
35 ,0 + 8 ,0
= 21,5 cm
2
- srednji opseg glavčine:
Ov = d v ⋅ π = 21,5 ⋅ 3,14 = 67 ,51 cm
- broj pojila na glavčini:
n=
Ov 67 ,51
=
= 0 ,95 → 1
L
71,0
potrebno je 1 pojilo za napajanje glavčine
- volumen glavčine:
d v2 ⋅ π
d u2 ⋅ π
35 ,0 2 ⋅ 3 ,14
8 ,0 2 ⋅ 3,14
V gl =
⋅h −
⋅h =
⋅ 19 ,5 −
⋅ 19 ,5 = 17772 ,0 cm 3
4
4
4
4
gdje je: dv – vanjski promjer glavčine, a du – unutarnji promjer glavčine.
116
- provjera pojila obzirom na uvjet volumnog stezanja (jednadžba (3.7), stranica 45) – potrebni
volumen pojila:
V p = k 1 ⋅ V gl = 0 ,40 ⋅ 17772 ,0 = 7108 ,8 cm 3
gdje je: 0,40 vrijednost koeficijenta proporcionalnosti k1 za legirani čelični lijev (tablica 3.2).
- može se vidjeti da je stvarno potrebni volumen pojila (Vp = 7108,8 cm3) značajno manji od
volumena pojila određenog na osnovi modula pojila (Vp = 21000,0 cm3). Zbog toga se može
primijeniti egzotermno pojilo znatno manjih dimenzija i pri tome njegova visina prilagoditi
visini pojila na vijencu.
- određivanje modula valjkastog egzotermnog pojila na osnovi njegove visine (jednadžba
(3.22), stranica 64):
M egz . p . =
r ⋅ hp
2( r + h p )
gdje je: hp – visina pojila (u ovom slučaju 19,3 cm da bi odgovarala visini egzotermnih pojila
postavljenih na vijenac kotača), a r – radijus pojila (budući da se odabire valjkasto pojilo kod
kojeg je visina jednaka promjeru, r = 19,3 cm/2 = 9,65 cm).
M egz . p . =
r ⋅ hp
2( r + h p )
=
9 ,65 ⋅ 19 ,3
= 3,22 cm
2( 9 ,65 + 19 ,3 )
- volumen egzotermnog pojila:
Vegz . p . =
d p2 ⋅ π
4
⋅ hp =
19 ,3 2 ⋅ 3,14
⋅ 19 ,3 = 5643 ,41 cm 3
4
- debljina egzotermne obloge obično iznosi 1/5 promjera pojila:
debljina egzotermne obloge: 19 ,3 ⋅
1
= 3,86 ≈ 3,9 cm
5
- dimenzionirano egzotermno pojilo potrebno je provjeriti obzirom na uvjet volumnog
stezanja. Budući da volumno iskorištenje egzotermnog pojila iznosi 30,0 – 35,0 %, a ne 14,0
% na osnovi čega je izračunata jednadžba (3.7) (stranica 45), potrebno je krenuti od
modificirane jednadžbe (3.5) (stranica 44):
0 ,30 ⋅ V p = s ⋅ ( V gl + V p )
gdje je: 0,30 – volumno iskorištenje egzotermnog pojila (30 %/100), Vp – volumen pojila
(cm3), s – volumno stezanje lijeva u tekućem i tjestastom stanju (vol. %), a Vgl – volumen
glavčine koju napaja pojilo (cm3).
117
0 ,30 ⋅ V p = 0 ,045 ⋅ ( 17772 ,0 + V p )
0 ,30 ⋅ V p = 799 ,74 + 0 ,045V p
0 ,30 ⋅ V p − 0 ,045V p = 799 ,74
V p = 3136 ,24 cm 3
- volumen egzotermnog pojila iznosi Vegz.p. = 5643,41 cm3 i veći je od minimalno potrebnog
volumena pojila (Vp = 3136,24 cm3) izračunatog iz uvjeta volumnog stezanja, što znači da je
pojilo pravilno dimenzionirano.
Zadatak 12
Potrebno je dimenzionirati pojila za napajanje simetričnog kućišta ventila prikazanog
na slici 6.11. Kućište ventila lijeva se od legiranog čeličnog lijeva.
Slika 6.11. Izgled i dimenzije kućišta ventila:1 – ovalna pojila, 2 – hladilo, 3 – cilindrično
(valjkasto) pojilo, 4 – hladilo
118
A) Dimenzioniranje pojila na prirubnicama
- u toplinskom čvorištu, na dodiru prirubnice s ravnim djelom cijevnog kraka ucrta se
kružnica. Promjer ucrtane kružnice iznosi 90,0 mm. Toplinsko čvorište ima približno isti
modul kao i palica čije dimenzije na poprečnom presjeku iznose a = 9,0 cm, b = 17,0 cm s
nehlađenom površinom širine c = 8,0 cm (analogno zadatku 5).
b=
520 ,0 − 180 ,0
= 170 ,0 mm = 17 ,0 cm
2
⎛ 280 ,0 − 180 ,0 ⎞ ⎛ 340 ,0 − 280 ,0 ⎞
c=⎜
⎟ = 80 ,0 mm = 8 ,0 cm
⎟+⎜
2
2
⎠
⎠ ⎝
⎝
- modul prirubnice:
M prirub =
a ⋅b
9 ,0 ⋅ 17 ,0
=
= 3 ,48 ≈ 3,5 cm
2( a + b ) − c 2( 9 ,0 + 17 ,0 ) − 8 ,0
- modul pojila:
M p = 1,2 ⋅ M prirub = 1,2 ⋅ 3,5 = 4 ,2 cm
- obzirom na geometriju odljevka odabiru se ovalna pojila.
- dimenzije pojila s horizontalnim presjekom u obliku elipse određuje se iz tablice 3.8
(stranica 69). Odabire se pojilo s modulom 4,25 cm (prvo veće pojilo jer u tablici nema
podataka za pojilo s modulom 4,2 cm). Dimenzije pojila su:
širina: ap = 180,0 mm
dužina: bp = 360,0 mm
visina: hp = 268,0 mm
volumen: Vp = 16,0 dm3
- na svaku od četiri prirubnice postavlja se po jedno prethodno dimenzionirano ovalno pojilo
(pojila označena brojem jedan na slici 6.11).
- volumen prirubnice s cijevnim krakom:
V = V prirub + Vcjev .krak + Vkosi⋅dio
V prirub =
18 ,0 2 ⋅ 3 ,14
52 ,0 2 ⋅ 3,14
⋅ 7 ,5 −
⋅ 7 ,5 = 15919 ,80 − 1907 ,55 = 14012 ,25 cm 3
4
4
Vcjev .krak
18 ,0 2 ⋅ 3,14 94 ,0 28 ,0
28 ,0 2 ⋅ 3 ,14 94 ,0 28 ,0
=
⋅(
−
− 7 ,5 ) −
⋅(
−
− 7 ,5 )
2
2
4
2
2
4
Vcjev .krak = 15693 ,72 − 6485 ,67 = 9208 ,05 cm 3
119
Vkosi⋅dio
34 ,0 2 ⋅ 3 ,14
28 ,0 2 ⋅ 3 ,14
⋅ 7 ,5 −
⋅ 7 ,5
6805 ,95 − 4615 ,80
4
4
=
= 1095 ,08 cm 3
=
2
2
V = V prirub + Vcjev .krak + Vkosi⋅dio = 14012 ,25 + 9208 ,05 + 1095 ,08 = 24315 ,38 cm 3
- provjera pojila obzirom na uvjet volumnog stezanja (jednadžba (3.7), stranica 45) – potrebni
volumen pojila:
V p = k 1 ⋅ V prirub = 0 ,40 ⋅ 24315 ,38 = 9726 ,15 cm 3
gdje je: 0,40 vrijednost koeficijenta proporcionalnosti k1 za legirani čelični lijev (tablica 3.2).
- može se vidjeti da je stvarno potrebni volumen pojila (Vp = 9726,15 cm3) manji od
volumena pojila određenog na osnovi modula pojila (Vp = 16000,0 cm3). Zbog toga se mogu
primijeniti egzotermna pojila.
- modul egzotermnog pojila:
M egz . poj . =
4 ,2
2
= 3,0 cm
- dimenzije pojila s horizontalnim presjekom u obliku elipse određuju se iz tablice 3.8
(stranica 69). Odabire se pojilo s modulom 3,0 cm. Dimenzije pojila su:
širina: ap = 127,0 mm
dužina: bp = 254,0 mm
visina: hp = 190,0 mm
volumen: Vp = 5,3 dm3
- prethodno definirano pojilo (Vp = 5300 cm3) potrebno je obložiti egzotermnom oblogom da
bi se zadržao ekvivalent prije izračunatog modula pojila (Mp = 4,2 cm). Debljina egzotermne
obloge obično iznosi 1/5 promjera pojila. U ovom slučaju, budući da se radi o ovalnom pojilu,
debljina egzotermne obloge može se odrediti na slijedeći način:
debljina egzotermne obloge:
1 a + b 1 127 ,0 + 254 ,0
⋅
= ⋅
= 38 ,1 mm → uzima se 40,0 mm
5 2
5
2
- dimenzionirano egzotermno pojilo potrebno je provjeriti obzirom na uvjet volumnog
stezanja. Budući da volumno iskorištenje egzotermnog pojila iznosi 30,0 – 35,0 %, a ne 14,0
% na osnovi čega je izračunata jednadžba (3.7) (stranica 45), potrebno je krenuti od
modificirane jednadžbe (3.5) (stranica 44):
0 ,30 ⋅ V p = s ⋅ ( V + V p )
gdje je: 0,30 – volumno iskorištenje egzotermnog pojila (30 %/100), Vp – volumen pojila
(cm3), s – volumno stezanje lijeva u tekućem i tjestastom stanju (vol. %), a V – volumen
prirubnice s cijevnim krakom (cm3).
120
0 ,30 ⋅ V p = 0 ,045 ⋅ ( 24315 ,38 + V p )
0 ,30 ⋅ V p = 1094 ,19 + 0 ,045V p
0 ,30 ⋅ V p − 0 ,045V p = 1094 ,19
V p = 4290 ,94 cm 3
- volumen egzotermnog pojila iznosi Vegz.p. = 5300,0 cm3 i veći je od minimalno potrebnog
volumena pojila (Vp = 4290,94 cm3) izračunatog iz uvjeta volumnog stezanja, što znači da je
pojilo pravilno dimenzionirano.
- određivanje duljine (po opsegu) prirubnice koju svako klasično (negrijano) pojilo može
napojiti:
- srednji promjer prirubnice:
dp =
520 ,0 + 180 ,0
= 350 ,0 mm = 35 ,0 cm
2
- srednji opseg prirubnice:
Ov = d v ⋅ π = 35 ,0 ⋅ 3,14 = 109 ,9 cm ≈ 110 ,0 cm
- prirubnica se može promatrati kao odljevak u obliku kvadra kod kojeg duljina stranica na
poprečnom presjeku iznosi: a = 170,0 mm, b = 75,0 mm. Omjer stranica na poprečnom
presjeku iznosi: 170,0/75,0 = 2,26 ~ 2,3. To znači da se odljevak (prema presjeku) može
svrstati između palice i ploče.
- duljina zone napajanja (ZN) može se odrediti iz dijagrama na slici 3.32 b (debljina stjenke
odljevka iznosi 75,0 mm) (stranica 59):
ZN = 120,0 mm
- područje koje napaja jedno klasično (negrijano) pojilo:
L = 2 ⋅ ( ZN ) + b p = 2 ⋅ 12 ,0 + 36 ,0 = 60 ,0 cm
- budući da srednji opseg prirubnice iznosi 110,0 cm, očito je da bi veći dio prirubnice ostao
nenapojen, što znači da bi se u donjem dijelu prirubnice pojavile greške, odnosno usahline.
Zbog toga treba na donjem dijelu svake prirubnice postaviti odgovarajuće hladilo.
121
B) Dimenzioniranje hladila na prirubnicama
- duljina kompaktne zone na prirubnicama, za slučaj kada se primjenjuju hladila, može se
odrediti na dva načina:
- prema slici 3.23 (stranica 55):
KZ + ZN = 4 ,5 ⋅ d + 50 ,0 mm = 4 ,5 ⋅ 75 ,0 + 50 ,0 = 387 ,5 mm ≈ 390 ,0 mm
- prema dijagramu na slici 3.33 (stranica 59):
KZ + ZN = 300 ,0 mm
- debljina hladila određuje se prema jednadžbi (3.31) (stranica 77):
d hl =
2
2
⋅ d odljevka = ⋅ 75 ,0 mm = 50 ,0 mm
3
3
- duljina hladila:
l hl = ( 2 − 4 ) ⋅ d hl = 150 ,0 mm
- budući da hladilo pokriva 150,0 mm srednjeg opsega prirubnice, područje koje napaja jedno
klasično pojilo uz primjenu hladila iznosi:
L = 2 ⋅ ( ZN ) + b p + l hl = 2 ⋅ 30 ,0 + 36 ,0 + 15 ,0 = 111,0 cm
što znači da će svaka prirubnica biti adekvatno napojena ako se na nju postavi jedno pojilo i
jedno hladilo.
C) Dimenzioniranje pojila (pojilo broj 3) na gornjem nastavku kućišta ventila
- gornji nastavak ima oblik valjka dimenzija φ 140,0 x 70,0 mm i ujedno je dio kraka (cijevi)
prirubnice. Debljina cijevnog kraka prirubnice na kojoj se nalazi gornji nastavak iznosi 50,0
mm.
- modul gornjeg nastavka određuje se prema jednadžbi (3.21) (stranica 52) i slici 3.17b
(stranica 51):
M gn
14 ,0
⋅ 7 ,0
2
=
= 2 ,7 cm
14 ,0
+ 7 ,0 − 5 ,0 )
2(
2
- modul pojila:
M p = 1,2 ⋅ M gn = 1,2 ⋅ 2 ,7 = 3,24 cm
122
- odabire se valjkasto pojilo, s tim da visina pojila mora odgovarati nivou taljevine u
prethodno dimenzioniranim ovalnim pojilima na prirubnicama.
- udaljenost od horizontalne simetrale odljevka do nivoa taljevine u ovalnim pojilima na
prirubnicama (prema slici 6.11):
520 ,0
+ 268 ,0 = 528 ,0 mm ≈ 530 ,0 mm
2
gdje je: 268,0 mm – visina klasičnih (negrijanih) ovalnih pojila na prirubnicama.
- visina pojila na gornjem nastavku:
530 ,0 − (
180 ,0
+ 70 ,0 ) = 370 ,0 mm
2
- polumjer (r) valjkastog pojila na gornjem nastavku određuje se pomoću slijedeće jednadžbe:
Mp =
rp ⋅ h p
2( rp + h p )
gdje je: hp – visina pojila (u ovom slučaju 37,0 cm da bi odgovarala visini ovalnih pojila
postavljenih na prirubnice), Mp - modul pojila, a rp – radijus pojila.
3,24 =
rp ⋅ 37 ,0
2( rp + 37 ,0 )
=
rp ⋅ 37 ,0
2rp + 74 ,0
3,24( 2rp + 74 ,0 ) = rp ⋅ 37 ,0
6 ,48 rp + 239 ,76 = rp ⋅ 37 ,0
30 ,52rp = 239 ,76
rp = 7 ,86 cm ≈ 8 ,0 cm
- dimenzije pojila na gornjem nastavku:
dp = 160,0 mm, hp = 370,0 mm
Vp =
d p2 ⋅ π
4
⋅ hp =
16 ,0 2 ⋅ 3 ,14
⋅ 37 ,0 = 7435 ,52 cm 3
4
- modul pojila:
Mp =
rp ⋅ h p
2( rp + h p )
=
8 ,0 ⋅ 37 ,0
= 3,28 cm
2( 8 ,0 + 37 ,0 )
123
- volumen gornjeg nastavka:
V gn =
14 ,0 2 ⋅ 3 ,14
⋅ 7 ,0 = 1077 ,02 cm 3
4
- zbog uzimanja u obzir mase u okolini gornjeg nastavka, izračunati volumen gornjeg
nastavka treba uzeti znatno veći: usvaja se volumen gornjeg nastavka od 3000,0 cm3.
- provjera pojila obzirom na uvjet volumnog stezanja (jednadžba (3.7), stranica 45) – potrebni
volumen pojila:
V p = k 1 ⋅ V gn = 0 ,40 ⋅ 3000 ,0 = 1200 ,0 cm 3
gdje je: 0,40 vrijednost koeficijenta proporcionalnosti k1 za legirani čelični lijev (tablica 3.2).
- može se vidjeti da je pojilo, obzirom na volumno stezanje gornjeg nastavka i njemu
susjednog dijela kućišta (volumen ~ 3000,0 cm3), predimenzionirano. Primjena egzotermne
obloge kod ionako vitkog pojila (hp : dp = 370 : 160) nije moguća, jer bi se njegov promjer
morao dodatno smanjiti. Zbog toga, ovaj primjer u praksi bi se najvjerojatnije riješio
smanjenjem modula nastavka primjenom hladila U nastavku biti će prikazano
dimenzioniranje hladila za donji nastavak.
D) Dimenzioniranje vanjskog hladila (hladilo broj 4) na donjem nastavku kućišta ventila
- modul donjeg nastavka kućišta ventila jednak je modulu gornjeg nastavka kućišta ventila i
iznosi: Mdn = 2,7 cm. Ovaj modul potrebno je smanjiti primjenom vanjskog hladila do modula
stjenke kućišta (debljina stjenke kućišta ventila iznosi ds = (280,0 – 180,0)/2 = 50,0 mm), tj
do:
Mr =
d s 50 ,0
=
= 25 ,0 mm = 2 ,5 cm
2
2
(stjenku kućišta ventila promatramo kao ploču debljine 50,0 mm)
- podaci potrebni za proračun mase vanjskog hladila:
LFe = 210,0 kJ/kg, cFe = 590,0 J/kgK, ρFe = 7,8 kg/dm3, ΔT = 500 °C, Vdn = Vgn = 3000,0 cm3
- masa vanjskog hladila određuje se pomoću jednadžbe (3.29) (stranica 77):
mvh =
M − M r 7 ,8 ⋅ 210000 ,0
ρ Fe ⋅ LFe
2 ,7 − 2 ,5
= 1,23 kg
⋅ Vdn dn
=
⋅ 3 ,0 ⋅
590 ,0 ⋅ 500
c Fe ⋅ ΔT
2 ,7
M dn
- površina nalijeganja vanjskog hladila određuje se pomoću jednadžbe (3.30) (stranica 77):
Anh = Vdn ⋅
M dn − M r
2 ,7 − 2 ,5
= 3000 ,0
= 44 ,44 cm 2
2 ⋅ M dn ⋅ M r
2 ⋅ 2 ,7 ⋅ 2 ,5
124
- budući da donji nastavak kućišta ventila ima valjkasti oblik, prikladno je odabrati i hladilo
valjkastog oblika.
- promjer vanjskog hladila:
Anh =
d 2 ⋅π
⇒ d vh =
4
4 ⋅ Aoh
=
3,14
4 ⋅ 44 ,44
= 7 ,5 cm
3,14
gdje je: Anh – površina osnovice vanjskog hladila, odnosno površina nalijeganja hladila.
- volumen vanjskog hladila:
Vvh =
mvh
ρ Fe
=
1,23
= 0 ,158 dm 3 = 158 ,0 cm 3
7 ,8
- debljina, odnosno visina vanjskog hladila:
Vvh =
4 ⋅V
V
d vh2 ⋅ π
4 ⋅ 158 ,0
= 3,58 cm
hvh ⇒ hvh = 2 vh = 2 vh =
4
d vh ⋅ π d vh ⋅ π 7 ,5 2 ⋅ 3,14
4
Zadatak 13
Potrebno je dimenzionirati pojilo za napajanje odljevka od nelegiranog čeličnog lijeva
prikazanog na slici 6.12.
Slika 6.12. Izgled i dimenzije odljevka
125
- modul odljevka:
Mo =
a ⋅b
15 ,0 ⋅ 43 ,0
=
= 5 ,5 cm
2( a + b ) 2( 15 ,0 + 43,0 )
a = (630,0 – 330,0)/2 = 150,0 mm = 15,0 cm
b = 43,0 cm
- modul pojila:
M p = 1,2 ⋅ M o = 1,2 ⋅ 5 ,5 = 6 ,6 cm
- dimenzije pojila u obliku valjka čija je visina 1,5 puta veća od njegovog promjera određuju
se iz tablice 3.5 (stranica 66). Odabire se pojilo s modulom 6,75 cm (prvo veće pojilo jer u
tablici nema podataka za pojilo s modulom 6,6 cm): Dimenzije pojila su:
promjer: dp = 361,0 mm
visina: hp = 542,0 mm
volumen: Vp = 56,0 dm3
- određivanje omjera između stranica na poprečnom presjeku odljevka:
430 ,0
= 2 ,87 ≈ 3 ,0
150 ,0
- pomoću dijagrama na slici 3.33 (stranica 59), polazeći od debljine odljevka (150,0 mm) i
omjera stranica na poprečnom presjeku (3:1) odredi se duljina zone napajanja (ZN) i krajnje
zone (KZ):
ZN + KZ = 590 ,0 mm
- duljina kompaktnog područja:
L = 2 ⋅ ( ZN + KZ ) + d p = 2 ⋅ 590 ,0 + 361,0 = 1541,0 mm ≈ 154 ,1 cm
- srednji promjer odljevka:
dv =
630 ,0 + 330 ,0
= 480 ,0 mm = 48 ,0 cm
2
- srednji opseg odljevka:
Ov = d v ⋅ π = 48 ,0 ⋅ 3,14 = 150 ,7 cm
- broj pojila:
n=
Ov 150 ,7
=
= 0 ,98 ≈ 1
L 154 ,1
126
- dovoljno je jedno pojilo (n = 1) koje se postavlja na sredini luka odljevka (slika 6.12).
- volumen odljevka:
d 2 ⋅π
d 12 ⋅ π
33,0 2 ⋅ 3,14
63 ,0 2 ⋅ 3 ,14
⋅b − 2
⋅b
⋅ 43,0 −
⋅ 43,0
4
4
4
4
Vo =
=
= 48607 ,2 cm 3
2
2
gdje je: d1 – vanjski promjer odljevka, a d2 – unutarnji promjer odljevka.
- provjera pojila obzirom na uvjet volumnog stezanja (jednadžba (3.7), stranica 45) – potrebni
volumen pojila:
V p = k 1 ⋅ V0 = 0 ,30 ⋅ 48607 ,2 = 14582 ,16 cm 3
gdje je: 0,30 vrijednost koeficijenta proporcionalnosti k1 za nelegirani čelični lijev (tablica
3.2).
- može se vidjeti da je stvarno potrebni volumen pojila (Vp = 14582,16 cm3) značajno manji
od volumena pojila određenog na osnovi modula pojila (Vp = 56000,0 cm3). Zbog toga se
može primijeniti egzotermno pojilo.
- modul egzotermnog pojila:
M egz . poj . =
6 ,6
2
= 4 ,7 cm
- dimenzije pojila u obliku valjka čija je visina 1,5 puta veća od njegovog promjera određuju
se iz tablice 3.5 (stranica 66). Odabire se pojilo s modulom 4,75 cm (prvo veće pojilo jer u
tablici nema podataka za pojilo s modulom 4,7 cm). Dimenzije pojila su:
promjer: dp = 255,0 mm
visina: hp = 384,0 mm
volumen: Vp = 19000,0 cm3
- prethodno definirano pojilo (Vp = 19000,0 cm3) potrebno je obložiti egzotermnom oblogom
da bi se zadržao ekvivalent prije izračunatog modula pojila (Mp = 6,6 cm). Debljina
egzotermne obloge obično iznosi 1/5 promjera pojila.
debljina egzotermne obloge:
1
1
⋅ d p = ⋅ 255 ,0 = 51,0 mm → uzima se 50,0 mm
5
5
- dimenzionirano egzotermno pojilo potrebno je provjeriti obzirom na uvjet volumnog
stezanja. Budući da volumno iskorištenje egzotermnog pojila iznosi 30,0 – 35,0 %, a ne 14,0
% na osnovi čega je izračunata jednadžba (3.7) (stranica 45), potrebno je krenuti od
modificirane jednadžbe (3.5) (stranica 44):
127
0 ,30 ⋅ V p = s ⋅ ( V0 + V p )
gdje je: 0,30 – volumno iskorištenje egzotermnog pojila (30 %/100), Vp – volumen pojila
(cm3), s – volumno stezanje lijeva u tekućem i tjestastom stanju (vol. %), a Vo – volumen
odljevka (cm3).
0 ,30 ⋅ V p = 0 ,045 ⋅ ( 48607 ,2 + V p )
0 ,30 ⋅ V p = 2187 ,3 + 0 ,045V p
0 ,30 ⋅ V p − 0 ,045V p = 2187 ,3
V p = 8577 ,6 cm 3
- volumen egzotermnog pojila iznosi Vegz.p. = 19000,0 cm3 i veći je od minimalno potrebnog
volumena pojila (Vp = 8577,6 cm3) izračunatog iz uvjeta volumnog stezanja, što znači da je
pojilo pravilno dimenzionirano.
- masa odljevka:
mo = Vo ⋅ ρ o = 48607 ,2 ⋅ 0 ,0078 = 379 ,1 kg
gdje je: ρ o - gustoća čelika (7800,0 kg/m3 → 0,0078 kg/cm3).
- masa pojila:
m p = V p ⋅ ρ p = 19000 ,0 ⋅ 0 ,0078 = 148 ,2 kg
gdje je: ρ p - gustoća čelika (7800,0 kg/m3 → 0,0078 kg/cm3).
- ako pretpostavimo da je masa uljevnog sustava 30,0 kg, izvadak (iskorištenje taljevine)
iznosi:
I=
mo
379 ,1
=
= 0 ,6802 = 68 ,02 %
mo + m p + mus 379 ,1 + 148 ,2 + 30 ,0
gdje je: mus – masa uljevnog sustava.
128
Zadatak 14
Potrebno je dimenzionirati pojila za napajanje odljevka (kućišta mlina) od legiranog
čeličnog lijeva prikazanog na slici 6.13.
Slika 6.13. Izgled i dimenzije kućišta mlina
- obzirom na konfiguraciju, odljevak nije potrebno dijeliti na zasebne cjeline (jedinice
napajanja).
- modul odljevka:
Mo =
a ⋅b
26 ,0 ⋅ 19 ,0
=
= 7 ,6 cm
2( a + b ) − c 2( 26 ,0 + 19 ,0 ) − 25 ,0
a = promjer upisane kružnice u toplinsko čvorište odljevka = 26,0 cm
b = 180,0 + 10,0 = 190,0 mm = 19,0 cm
c = širina nehlađene površine = (1390,0 – 890,0)/2 = 250,0 mm = 25,0 cm
- modul pojila:
M p = 1,2 ⋅ M o = 1,2 ⋅ 7 ,6 = 9 ,12 cm
- dimenzije pojila u obliku valjka čija je visina 1,5 puta veća od njegovog promjera određuju
se iz tablice 3.5 (stranica 66). Odabire se pojilo s modulom 9,25 cm (prvo veće pojilo jer u
tablici nema podataka za pojilo s modulom 9,12 cm).
- dimenzije pojila:
promjer: dp = 495,0 mm
visina: hp = 742,0 mm
volumen: Vp = 143,0 dm3
129
- prosječna debljina stjenke odljevka:
1340 ,0 − 890 ,0 1390 ,0 − 890 ,0 1650 ,0 − 890 ,0 1250 ,0 − 890 ,0
+
+
+
2
2
2
2
d=
= 258 ,75 mm ≈ 25 ,9 cm
4
- određivanje duljine zone napajanja (ZN) uz aproksimaciju odljevka (vijenca) gredicom s
kvadratnim poprečnim presjekom s x s:
ZN = 1,5 ⋅ d = 1,5 ⋅ 25 ,9 = 38 ,85 cm
- područje napajanja jednog pojila:
L = 2 ⋅ ZN + d p = 2 ⋅ 38 ,85 + 49 ,5 = 127 ,2 cm
- srednji promjer odljevka:
do =
165 ,0 + 134 ,0 + 139 ,0 + 125 ,0 + 89 ,0
= 130 ,4 cm
5
- srednji opseg odljevka:
Oo = d o ⋅ π = 130 ,4 ⋅ 3,14 = 409 ,46 cm
- broj pojila na odljevku:
n=
Oo 409 ,46
=
= 3 ,2
L
127 ,2
uzima se n = 3
- volumen odljevka:
odljevak po visini podijelimo u 4 djela: prvi dio ima visinu 180,0 mm, drugi 10,0 mm, treći
320,0 mm i četvrti 315,0 mm.
Vo = V1 + V2 + V3 + V4
89 ,0 2 ⋅ π
165 ,0 2 ⋅ π
89 ,0 2 ⋅ π
134 ,0 2 ⋅ π
⋅ 18 ,0 −
⋅ 18 ,0 ) + (
⋅ 10 ,0 −
⋅ 10 ,0 ) +
4
4
4
4
89 ,0 2 ⋅ π
125 ,0 2 ⋅ π
89 ,0 2 ⋅ π
139 ,0 2 ⋅ π
+(
⋅ 32 ,0 −
⋅ 32 ,0 ) + (
⋅ 31,5 −
⋅ 31,5 )
4
4
4
4
V0 = (
Vo = 141794 ,55 + 151536 ,40 + 286368 ,00 + 190500 ,66 = 770199 ,61 cm 3 ≈ 770 ,2 dm 3
130
- volumen odljevka kojeg napaja jedno pojilo:
Vv 1 / 3 =
V0 770 ,2
=
= 256 ,73 dm 3
3
3
- provjera pojila obzirom na uvjet volumnog stezanja (jednadžba (3.7), stranica 45) – potrebni
volumen pojila:
V p = k 1 ⋅ Vv1 / 3 = 0 ,40 ⋅ 256 ,73 = 102 ,69 dm 3
gdje je: 0,40 vrijednost koeficijenta proporcionalnosti k1 za legirani čelični lijev (tablica 3.2).
- može se vidjeti da je stvarno potrebni volumen pojila (Vp = 102,69 dm3) manji od volumena
pojila određenog na osnovi modula pojila (Vp = 143,0 dm3). Zbog toga se mogu primijeniti
egzotermna pojila.
- modul egzotermnog pojila:
M egz . poj . =
9 ,12
2
= 6 ,5cm
- dimenzije pojila u obliku valjka čija je visina 1,5 puta veća od njegovog promjera određuju
se iz tablice 3.5 (stranica 66). Odabire se pojilo s modulom 6,5 cm.
- dimenzije pojila:
promjer: dp = 347,0 mm
visina: hp = 520,0 mm
volumen: Vp = 50,0 dm3
- prethodno definirano pojilo (Vp = 50,0 dm3) potrebno je obložiti egzotermnom oblogom da
bi se zadržao ekvivalent prije izračunatog modula pojila (Mp = 9,12 cm). Debljina egzotermne
obloge obično iznosi 1/5 promjera pojila.
debljina egzotermne obloge:
1
1
⋅ d p = ⋅ 347 ,0 = 69 ,4 mm → uzima se 70,00 mm
5
5
- dimenzionirano egzotermno pojilo potrebno je provjeriti obzirom na uvjet volumnog
stezanja. Budući da volumno iskorištenje egzotermnog pojila iznosi 30,0 – 35,0 %, a ne 14,0
% na osnovi čega je izračunata jednadžba (3.7) (stranica 45), potrebno je krenuti od
modificirane jednadžbe (3.5) (stranica 44):
0 ,30 ⋅ V p = s ⋅ ( Vv 1 / 3 + V p )
gdje je: 0,30 – volumno iskorištenje egzotermnog pojila (30 %/100), Vp – volumen pojila
(dm3), s – volumno stezanje lijeva u tekućem i tjestastom stanju (vol. %), a Vv1/3 – volumen
odljevka koji napaja jedno pojilo (dm3).
131
0 ,30 ⋅ V p = 0 ,045 ⋅ ( 256 ,73 + V p )
0 ,30 ⋅ V p = 11,55 + 0 ,045V p
0 ,30 ⋅ V p − 0 ,045V p = 11,55
V p = 45 ,29 dm 3
- volumen egzotermnog pojila iznosi Vegz.p. = 50,0 dm3 i veći je od minimalno potrebnog
volumena pojila (Vp = 45,29 dm3) izračunatog iz uvjeta volumnog stezanja, što znači da je
pojilo pravilno dimenzionirano.
Zadatak 15
Potrebno je dimenzionirati pojila za napajanje kućišta ventila prikazanog na slici 6.14.
Odljevak se lijeva od legiranog čeličnog lijeva. Temperatura lijevanja (TL) iznosi 1605 °C.
Slika 6.14. Izgled i dimenzije kućišta ventila
- na kućištu ventila prikazanom na slici 6.14 postoje 4 toplinska čvorišta koja treba napajati.
Toplinska čvorišta detaljnije su prikazana na slici 6.15.
Slika 6.15. Toplinska čvorišta na kućištu ventila
132
A) Određivanje modula toplinskih čvorišta i dimenzioniranje pojila
- obzirom na položaj toplinskih čvorišta i njihove udaljenosti jednih od drugih, može se
zaključiti da se toplinsko čvorište I mora obavezno napajati. Toplinska čvorišta I i II mogu se
napajati iz jednog pojila zbog njihove male međusobne udaljenosti i debele stjenke koja spaja
toplinska čvorišta I i II, s tim da je potrebno dodatno pothlađivanje (smanjenje modula)
toplinskog čvorišta II kromitnim pijeskom pomoću jezgre (kromitni pijesak brže odvodi
toplinu). Toplinsko čvorište III neće se napajati zbog malog prostora za postavljanje pojila i
poteškoća u čistionici pri elektrolučnom rezanju i profiliranju zaobljenog spojnog rebra gdje
bi trebao doći vrat pojila. Zbog toga će se modul toplinskog čvorišta III smanjiti
postavljanjem unutarnjeg hladila. Toplinsko čvorište IV napajati će se iz zasebnog pojila.
- moduli toplinskih čvorišta (jednadžba (3.20), stranica 51):
MI =
6 ,8 ⋅ 8 ,0
= 2 ,07 cm
2( 6 ,8 + 8 ,0 ) − 3,3
gdje je: 6,8 cm– promjer kružnice upisane u toplinsko čvorište I, 3,3 cm – širina nehlađene
površine (debljina stjenke odljevka između toplinskih čvorišta I i II).
M II =
3,5 ⋅ 5 ,9
= 1,33 cm
2( 3,5 + 5 ,9 ) − 3 ,3
gdje je: 3,5 cm– promjer kružnice upisane u toplinsko čvorište II, 3,3 cm – širina nehlađene
površine (debljina stjenke odljevka između toplinskih čvorišta II i III), 5,9 cm – polovica
duljine segmenta odljevka od toplinskog čvorišta II do toplinskog čvorišta III (11,8 cm/2 =
5,9 cm, vidi sliku 6.15).
M III =
3,5 ⋅ 5 ,9
= 1,25 cm
2( 3,5 + 5 ,9 ) − 2 ,25
gdje je: 3,5 cm – promjer kružnice upisane u toplinsko čvorište III, 2,25 cm – širina nehlađene
površine (debljina stjenke odljevka između toplinskih čvorišta III i IV), 5,9 cm – polovica
duljine segmenta odljevka od toplinskog čvorišta II do toplinskog čvorišta III (11,8 cm/2 =
5,9 cm, vidi sliku 6.15).
M IV =
2 ,6 ⋅ 6 ,5
= 1,06 cm
2( 2 ,6 + 6 ,5 ) − 2 ,25
gdje je: 2,6 cm – promjer kružnice upisane u toplinsko čvorište IV, 2,25 cm – širina nehlađene
površine (debljina stjenke odljevka između toplinskih čvorišta III i IV), 6,5 cm – duljina
segmenta odljevka od toplinskog čvorišta IV do ruba odljevka (slika 6.14).
- modul pojila (P1) za napajanje toplinskih čvorišta I i II:
M P 1 = 1,2 ⋅ M I = 1,2 ⋅ 2 ,07 = 2 ,48 cm
133
- dimenzije pojila u obliku valjka čija je visina 1,5 puta veća od njegovog promjera određuju
se iz tablice 3.5 (stranica 66). Odabire se pojilo s modulom 2,6 cm (prvo veće pojilo jer u
tablici nema podataka za pojilo s modulom 2,48 cm).
- dimenzije pojila (P1) za napajanje toplinskih čvorišta I i II:
dP1 = 140,0 mm
hP1 = 210,0 mm
VP1 = 3,4 dm3
- volumen dijela odljevka koji se napaja iz pojila P1:
V1 = V prirub . + Vkup .
gdje je V1 – volumen prirubnice bez segmenta u obliku kupole, a V2 – volumen segmenta
odljevka u obliku kupole (radi pojednostavljena, ovaj segment promatrat će se kao krnji
stožac).
V prirub . =
14 ,0 2 ⋅ 3,14
30 ,0 2 ⋅ 3,14
⋅ 6 ,3 −
⋅ 6 ,3 = 4450 ,95 − 969 ,32 = 3481,63 cm 3
4
4
Vkup . ≈
Vkup . ≈
π ⋅ h1
3
( r12 + r22 + r1 ⋅ r2 ) −
π ⋅ h2
3
( r32 + r42 + r3 ⋅ r4 )
3,14 ⋅ 3,0
3,14 ⋅ 6 ,3
( 7 ,0 2 + 2 ,3 2 + 7 ,0 ⋅ 2 ,3 )
( 10 ,3 2 + 4 ,55 2 + 10 ,3 ⋅ 4 ,55 ) −
3
3
Vkup . ≈ 1145 ,08 − 221,02 ≈ 924 ,06 cm 3
h1 = 30 ,0 + 33 ,0 = 63 ,0 mm
r1 =
140 ,0 + 33,0 + 33,0
= 103,0 mm
2
r2 =
46 ,0 + 22 ,5 + 22 ,5
= 45 ,5 mm
2
h2 = 30,0 mm
r3 =
140 ,0
= 70 ,0 mm
2
r4 =
46 ,0
= 23,0 mm
2
V1 = V prirub . + Vkup . = 3481,63 + 924 ,06 = 4405 ,69 cm 3
134
- provjera pojila obzirom na uvjet volumnog stezanja (jednadžba (3.7), stranica 45) – potrebni
volumen pojila:
V p = k 1 ⋅ V1 = 0 ,40 ⋅ 4405 ,69 = 1762 ,28 cm 3
gdje je: 0,40 vrijednost koeficijenta proporcionalnosti k1 za legirani čelični lijev (tablica 3.2).
- može se vidjeti da je stvarno potrebni volumen pojila (Vp = 1762,28 cm3) manji od
volumena pojila određenog na osnovi modula pojila (VP1 = 3400,00 cm3), što znači da je
pojilo pravilno dimenzionirano.
- modul pojila (P2) za napajanje toplinskog čvorišta IV:
M P 2 = 1,2 ⋅ M IV = 1,2 ⋅ 1,06 = 1,27 cm
- dimenzije pojila u obliku valjka čija je visina 1,5 puta veća od njegovog promjera određuju
se iz tablice 3.5 (stranica 66). Odabire se pojilo s modulom 1,3 cm (prvo veće pojilo jer u
tablici nema podataka za pojilo s modulom 1,27 cm).
- dimenzije pojila (P2) za napajanje toplinskog čvorišta IV:
dP2 = 70,0 mm
hP2 = 105,0 mm
VP2 = 400,0 cm3
- volumen dijela odljevka koji se napaja iz pojila P2:
vanjski promjer: dv = 100,0 mm
unutarnji promjeri : du1 = 74,0 mm
du2 = 55,0 mm
debljina stjenke: t = (100,0 – 74,0)/2 = 13,0 mm
V2 =
5 ,5 2 ⋅ 3 ,14
7 ,4 2 ⋅ 3 ,14
10 ,0 2 ⋅ 3,14
⋅ 6 ,5 −
⋅ ( 6 ,5 − 1,3 ) −
⋅ 1,3
4
4
4
V2 = 510 ,25 − 223,53 − 30 ,87 = 255 ,85 cm 3
- provjera pojila obzirom na uvjet volumnog stezanja (jednadžba (3.7), stranica 45) – potrebni
volumen pojila:
V p = k 1 ⋅ V2 = 0 ,40 ⋅ 255 ,85 = 102 ,34 cm 3
gdje je: 0,40 vrijednost koeficijenta proporcionalnosti k1 za legirani čelični lijev (tablica 3.2).
- može se vidjeti da je stvarno potrebni volumen pojila (Vp = 102,34 cm3) manji od volumena
pojila određenog na osnovi modula pojila (VP2 = 400,00 cm3), što znači da je pojilo pravilno
dimenzionirano.
135
B) Dimenzioniranje unutarnjeg hladila za toplinsko čvorište III (jednadžba (3.32), stranica 79)
- podatci potrebni za proračun: LFe = 210,0 kJ/kg, cFe = 590,0 J/kgK, ρFe = 7,8 kg/dm3, TL =
1605 °C, TS = 1515 °C.
- volumen dijela odljevka koji se hladi hladilom:
14 ,5 2 ⋅ 3 ,14
4 ,6 2 ⋅ 3 ,14
⋅ 5 ,9 −
⋅ 5 ,9
973 ,77 − 98 ,00
4
4
V0 ≈
=
= 437 ,89 cm 3 ≈ 0 ,438 dm 3
2
2
- modul toplinskog čvorišta III potrebno je smanjiti primjenom unutarnjeg hladila do modula
stjenke kućišta između toplinskih čvorišta II i III (ts = 22,5mm), tj do:
Mr =
t s 2 ,25
=
= 1,125 cm ≈ 1,13 cm
2
2
(stjenku kućišta ventila između toplinskih čvorišta II i III promatramo
kao ploču debljine 22,5 mm)
- masa unutarnjeg hladila:
muh ( c p ⋅ Ts +
muh ( 590 ,0 ⋅ 1515 +
M − M r ⎡1
1
L ) = V0 0
ρ ⎢ L + c p ( TL − Ts
2
M0
⎣3
⎤
)⎥
⎦
1,25 − 1,13
1
⎤
⎡1
⋅ 210000 ,0 ) = 0 ,438 ⋅
⋅ 7 ,8 ⋅ ⎢ ⋅ 210000 ,0 + 590 ,0 ⋅ ( 1605 − 1515 )⎥
1,25
2
⎦
⎣3
998850 ⋅ muh = 40376 ,8
muh = 0 ,0404 kg = 40 ,4 g
- potrebna su 2 komada prethodno dimenzioniranih rashladnih tijela za toplinsko čvorište III.
- na slici 6.16 prikazan je položaj uljevnog sustava i pojila.
Slika 6.16. Sustav ulijevanja i napajanja kućišta ventila
136
Zadatak 16
Potrebno je izraditi tehnološku kartu za odljevak (remenica) prikazan na slici 6.17.
Odljevak se lijeva od legiranog čeličnog lijeva.
Slika 6.17. Izgled i dimenzije remenice
Izrada tehnološke karte obuhvaća slijedeće stavke:
1) Tehnološka razrada konstrukcijskog nacrta odljevka:
1.1)
1.2)
1.3)
1.4)
Određivanje dodataka za strojnu obradu,
Određivanje diobene ravnine kalupa i odljevka (modela),
Određivanje ljevačkih skošenja,
Određivanje broja jezgara i veličine jezgrenih oslonaca.
2) Dimenzioniranje sustava napajanja i položaja pojila:
2.1)
2.2)
2.3)
2.4)
2.5)
2.6)
2.7)
Određivanje modula odljevka,
Dimenzioniranje pojila,
Određivanje volumena i mase odljevka,
Određivanje broja pojila,
Kontrola pojila obzirom na uvjet volumnog stezanja,
Dimenzioniranje egzotermnih pojila,
Proračun hladila.
3) Određivanje broja i položaja odljevka u kalupu i dimenzioniranje uljevnog sustava:
3.1)
3.2)
3.3)
3.4)
Broj i raspored odljevaka u kalupu,
Masa čelika u kalupu,
Dimenzioniranje komponenti uljevnog sustava,
Izvadak, odnosno iskorištenje taljevine.
4) Projektiranje kalupa:
4.1)
4.2)
Određivanje debljine slojeva pijeska u kalupu i veličine kalupnika,
Određivanje sustava odzračivanja kalupa.
5) Određivanje linearnog stezanja odljevka
137
1) Tehnološka razrada konstrukcijskog nacrta odljevka
1.1)
Određivanje dodataka za strojnu obradu
- dodatak za strojnu obradu odljevaka od čeličnog lijeva određuje se iz tablice 6.3.
Tablica 6.3. Dodatak za strojnu obradu odljevaka od čeličnog lijeva (standard DIN 1683)
Područje nazivnih mjera
obzirom na najveću vanjsku
mjeru odljevka, mm
Dodatak, mm
do
50
2
> 50
120
3
> 120
250
4
> 250
400
5
> 400
500
6
> 500
800
7
> 800
1000
8
> 1000
1600
9
> 1600
2500
10
- najveća vanjska mjera odljevka iznosi 600,0 mm. Dodatak na strojnu obradu ploha „a“, „b“,
„c“, „d“ i „e“ (slika 6.18) iznosi 7,0 mm (tablica 6.3).
Slika 6.18. Dodaci na stroju obradu (označeni crvenom bojom)
1.2)
Određivanje diobene ravnine kalupa i odljevka (modela)
- odabire se kalup s horizontalnom diobenom ravninom. Remenica se horizontalno dijeli na
dva dijela. Kalupljenje se izvodi tako da se gornja polovica modela zakalupuje u gornju
polovicu kalupa, a donja polovica modela u donju polovicu (slika 6.19). Izvlačenje modela iz
kalupa je moguće jer na remenici (modelu) nema kosih dijelova koji se suzuju u smjeru
izvlačenja modela.
Slika 6.19. Shematski prikaz kalupovanja (jedan odljevak u kalupu)
138
1.3)
Određivanje ljevačkih skošenja
- ljevačka skošenja, odnosno dodaci na pojedine površine modela u cilju njegovog lakšeg
izvlačenja iz kalupa mogu se odrediti iz tablice 6.4
Tablica 6.4. Ljevačka skošenja za unutarnje i vanjske površine (standard DIN 1511)
Visina h,
mm
do 10
> 10 - 20
> 20 - 35
> 35 - 65
> 65 - 150
> 150 - 250
> 250 - 400
Visina h,
mm
> 400 - 600
> 600 - 800
> 800 - 1000
> 1000 - 1250
> 1250 - 1600
> 1600 - 2000
> 2000 - 2500
Skošenje,
3°
2°
1°
0° 45´
0° 30´
1,5 mm
2,5 mm
Skošenje,
3,5 mm
4,5 mm
5,5 mm
7,0 mm
9,0 mm
11,0 mm
13,5 mm
- ljevačka skošenja na pojedinim plohama modela prema tablici 6.4:
-
ploha „a“ – dijeli se na dva jednaka dijela visine 57,0 mm ((100,0 + 7,0 + 7,0)/2) jer je
model podijeljen na dva dijela - skošenje 0° 45´.
ploha „c“ – visina 25,0 + 7,0 = 32,0 mm – skošenje 1°.
ploha „e“ – visina 25,0 + 7,0 + 7,0 = 39,0 mm – skošenje 0° 45´.
- prethodno određena skošenja prikazana su slici 6.20.
Slika 6.20. Ljevačka skošenja (označena plavom bojom)
1.4)
Određivanje broja jezgara i veličine jezgrenih oslonaca
- odljevak se lijeva bez primjene jezgre, odnosno model se može sigurno zakalupovati ako je
promjer šupljine (otvora) u njemu veći od njegove visine.
- promjer šupljine (otvora) u odljevku uzimajući u obzir dodatak na strojnu obradu:
d1 = 200,0 – 7,0 – 7,0 = 186,00 mm
139
- visina odljevka uzimajući u obzir dodatak na strojnu obradu:
h = 100,0 + 7,0 + 7,0 = 114,0 mm
- budući da je d1 > h, za formiranje unutarnje šupljine u odljevku ne primjenjuje se jezgra.
2) Dimenzioniranje sustava napajanja i položaja pojila
2.1)
Određivanje modula odljevka
- u toplinsko čvorište ucrta se kružnica. Promjer upisane kružnice iznosi 65,0 mm (slika 6.21).
Slika 6.21. Određivanje modula odljevka
- odljevak se može promatrati kao ploča dimenzija 114,00 x 65,0 mm s nehlađenom
površinom širine 64,0 mm (50,0 + 7,0 + 7,0 mm). Sukladno tome modul odljevka iznosi:
Mo =
2.2)
6 ,5 ⋅ 11,4
= 2 ,52 cm
2 ⋅ ( 6 ,5 + 11,4 ) − 6 ,4
Dimenzioniranje pojila
- modul pojila:
M p = 1,2 ⋅ M o = 1,2 ⋅ 2 ,52 = 3 ,02 cm
- dimenzije pojila u obliku valjka čija je visina 1,5 puta veća od njegovog promjera određuju
se iz tablice 3.5 (stranica 66). Odabire se pojilo s modulom 3,2 cm (prvo veće pojilo jer u
tablici nema podataka za pojilo s modulom 3,02 cm).
- dimenzije pojila:
dP = 172,0 mm
hP = 258,0 mm
VP = 5,8 dm3
140
2.3)
Određivanje volumena i mase odljevka
- odljevak se podijeli u pet dijelova radi lakšeg određivanja njegovog volumena (slika 6.22).
Slika 6.22. Dijeljenje odljevka na 5 dijelova radi lakšeg određivanja njegovog volumena
Vo = V1 + V2 + V3 + V4 + V5
V1 =
( 20 ,0 − 0 ,7 − 0 ,7 ) 2 ⋅ 3,14
( 30 ,0 + 0 ,7 + 0 ,7 ) 2 ⋅ 3,14
⋅ ( 2 ,5 + 0 ,7 ) −
⋅ ( 2 ,5 + 0 ,7 )
4
4
V1 = 2476 ,73 − 869 ,05 = 1607 ,68 cm 3
V2 =
( 20 ,0 − 0 ,7 − 0 ,7 ) 2 ⋅ 3,14
30 ,0 2 ⋅ 3,14
⋅ 5 ,0 −
⋅ 5 ,0
4
4
V2 = 3532 ,50 − 1357 ,89 = 2174 ,61 cm 3
V3 =
( 20 ,0 − 0 ,7 − 0 ,7 ) 2 ⋅ 3 ,14
( 30 ,0 + 0 ,7 + 0 ,7 ) 2 ⋅ 3,14
⋅ ( 2 ,5 + 0 ,7 ) −
⋅ ( 2 ,5 + 0 ,7 )
4
4
V3 = 2476 ,73 − 869 ,05 = 1607 ,68 cm 3
V4 =
30 ,0 2 ⋅ 3,14
( 60 ,0 + 0 ,7 + 0 ,7 ) 2 ⋅ 3 ,14
⋅ ( 2 ,5 + 0 ,7 ) −
⋅ ( 2 ,5 + 0 ,7 )
4
4
V4 = 9470 ,14 − 2260 ,8 = 7209 ,34 cm 3
141
30 ,0 2 ⋅ 3 ,14
( 60 ,0 + 0 ,7 + 0 ,7 ) 2 ⋅ 3 ,14
⋅ ( 2 ,5 + 0 ,7 ) −
⋅ ( 2 ,5 + 0 ,7 )
4
4
V5 =
2
V5 =
9470 ,14 − 2260 ,8
= 3604 ,67 cm 3
2
Vo = V1 + V2 + V3 + V4 + V5 = 1607 ,68 + 2174 ,61 + 1607 ,68 + 7209 ,34 + 3604 ,67 = 16203,98 cm 3
- masa odljevka:
mo = ρ ⋅ Vo = 7 ,8 ⋅ 16 ,204 = 126 ,40 kg
gdje je: 7,8 kg/dm3 – gustoća čelika.
2.4)
Određivanje broja pojila
- srednji promjer odljevka:
d=
( 60 ,0 + 0 ,7 + 0 ,7 ) + ( 20 ,0 − 0 ,7 − 0 ,7 )
= 40 ,0 cm
2
- srednji opseg odljevka:
O = d ⋅ π = 40 ,0 ⋅ 3,14 = 125 ,6 cm
- srednja debljina vanjskog oboda:
t=
( 2 ,5 + 2 ,5 + 0 ,7 + 0 ,7 ) + ( 2 ,5 + 0 ,7 + 0 ,7 )
= 5 ,15 cm
2
- širina oboda odljevka:
z=
( 60 ,0 + 0 ,7 + 0 ,7 ) − ( 20 ,0 − 0 ,7 − 0 ,7 )
= 21,4 cm
2
- omjer stranica na poprečnom presjeku:
z 21,4
=
= 4 ,15
t 5 ,15
- duljina zone napajanja (ZN) može se odrediti iz dijagrama na slici 3.32 b (stranica 59)
polazeći od srednje debljine vanjskog oboda ( t = 5 ,15 cm ) i omjera stranica na poprečnom
presjeku odljevka (~ 4:1):
ZN = 110,0 mm
142
- područje koje napaja jedno klasično (negrijano) pojilo:
L = 2 ⋅ ( ZN ) + d p = 2 ⋅ 11,0 + 17 ,2 = 39 ,2 cm
- broj pojila na odljevku:
n=
O 125 ,6
=
= 3 ,2
L
39 ,2
zbog simetrije uzima se n = 3
- raspored pojila na odljevku prikazan je na slici 6.23.
Slika 6.23. Shematski prikaz rasporeda pojila (P) na odljevku
2.5)
Kontrola pojila obzirom na uvjet volumnog stezanja
- volumen odljevka kojeg napaja jedno pojilo:
V1 / 3 =
Vo 16203 ,98
=
= 5401,33 cm 3
3
3
- provjera pojila obzirom na uvjet volumnog stezanja (jednadžba (3.7), stranica 45) – potrebni
volumen pojila:
V p = k 1 ⋅ V1 / 3 = 0 ,40 ⋅ 5401,33 = 2160 ,53 cm 3
gdje je: 0,40 vrijednost koeficijenta proporcionalnosti k1 za legirani čelični lijev (tablica 3.2).
- može se vidjeti da je stvarno potrebni volumen pojila (Vp = 2160,53 cm3) značajno manji od
volumena pojila određenog na osnovi modula pojila (Vp = 5800,00 cm3). Zbog toga se mogu
primijeniti egzotermna pojila.
143
2.6)
Dimenzioniranje egzotermnih pojila
- modul egzotermnih pojila:
M egz . poj . =
3,02
2
= 2 ,16 cm
- dimenzije pojila u obliku valjka čija je visina 1,5 puta veća od njegovog promjera određuju
se iz tablice 3.5 (stranica 66). Odabire se pojilo s modulom 2,2 cm (prvo veće pojilo jer u
tablici nema podataka za pojilo s modulom 2,16 cm).
- dimenzije pojila:
dp = 118,0 mm
hp = 177,0 mm
Vp = 1,9 dm3
- prethodno definirano pojilo (Vp = 1,9 dm3) potrebno je obložiti egzotermnom oblogom da bi
se zadržao ekvivalent prije izračunatog modula pojila (Mp = 3,02 cm). Debljina egzotermne
obloge obično iznosi 1/5 promjera pojila.
debljina egzotermne obloge:
1
1
⋅ d p = ⋅ 118 ,0 = 23,6 mm → uzima se 25,0 mm
5
5
- dimenzionirano egzotermno pojilo potrebno je provjeriti obzirom na uvjet volumnog
stezanja. Budući da volumno iskorištenje egzotermnog pojila iznosi 30,0 – 35,0 %, a ne 14,0
% na osnovi čega je izračunata jednadžba (3.7) (stranica 45), potrebno je krenuti od
modificirane jednadžbe (3.5) (stranica 44):
0 ,30 ⋅ V p = s ⋅ ( V1 / 3 + V p )
gdje je: 0,30 – volumno iskorištenje egzotermnog pojila (30 %/100), Vp – volumen pojila
(cm3), s – volumno stezanje lijeva u tekućem i tjestastom stanju (vol. %), a Vv1/3 – volumen
odljevka koji napaja jedno pojilo (cm3).
0 ,30 ⋅ V p = 0 ,045 ⋅ ( 5401,33 + V p )
0 ,30 ⋅ V p = 243,06 + 0 ,045V p
0 ,30 ⋅ V p − 0 ,045V p = 243,06
V p = 953 ,18 cm 3
- volumen egzotermnog pojila iznosi Vegz.p. = 1900,00 cm3 i veći je od minimalno potrebnog
volumena pojila (Vp = 953,18 cm3) izračunatog iz uvjeta volumnog stezanja, što znači da su
pojila pravilno dimenzionirana.
144
2.7)
Proračun hladila
- glavčinu (središnji prsten odljevka) potrebno je radi sigurnosti hladiti sa unutarnje strane
hladilom ili obložiti kromitnim pijeskom.
- modul glavčine Mo = 2,52 cm (najmasivniji dio) potrebno je smanjiti primjenom vanjskog
hladila do srednjeg modula oboda odljevka (Moo) (slika 6.24). Na taj način se dobiva
reducirani modul (Mr).
Slika 6.24. Određivanje reduciranog modula (Mr)
- obod odljevka možemo promatrati kao ploču širine a = 150,0 mm ((600,0 – 300,0)/2) i
debljine b = 48,0 mm. Sukladno tome, srednji modul oboda odljevka može se izračunati na
slijedeći način:
M oo = M r =
V
a ⋅b⋅c
=
A 2( a ⋅ b ) + 2( a ⋅ c ) + 2( b ⋅ c )
- uzimajući u obzir da se kroz obje čeone površine (a x b) i jednu bočnu površinu (b x c) ne
odvodi toplina, srednji modul oboda odljevka iznosi:
M oo =
a ⋅b⋅c
a ⋅b⋅c
a ⋅b
15 ,0 ⋅ 4 ,8
=
=
= 2 ,07 cm ≈ 2 ,0 cm
=
2( a ⋅ c ) + ( b ⋅ c ) c( 2a + b ) 2a + b 2 ⋅ 15 ,0 + 4 ,8
- podaci potrebni za proračun mase vanjskog hladila:
LFe = 210,0 kJ/kg, cFe = 590,0 J/kgK, ρFe = 7,8 kg/dm3, ΔT = 500 °C, Vgl = 5389,97 cm3
Vgl =V1 + V2 + V3 = 1607,68 + 2174,61 + 1607,68 =5389,97 cm3 ≈ 5,39 dm3
145
- masa vanjskog hladila određuje se pomoću jednadžbe (3.29) (stranica 77):
mvh =
M − M r 7 ,8 ⋅ 210000 ,0
ρ Fe ⋅ LFe
2 ,52 − 2 ,0
⋅ V gl 0
=
⋅ 5 ,39 ⋅
= 6 ,17 kg
c Fe ⋅ ΔT
Mo
590 ,0 ⋅ 500
2 ,52
- površina nalijeganja vanjskog hladila određuje se pomoću jednadžbe (3.30) (stranica 77):
Anh = V gl ⋅
Mo − Mr
2 ,52 − 2 ,0
= 5389 ,97
= 278 ,05 cm 2
2⋅ M0 ⋅ Mr
2 ⋅ 2 ,52 ⋅ 2 ,0
- odabire se hladilo u obliku prstena.
- visina vanjskog hladila:
Anh = Ohv ⋅ v h = d hv ⋅ π ⋅ v h ⇒ v h =
Anh
278 ,05
=
= 4 ,76 cm
d hv ⋅ π ( 20 ,0 − 0 ,7 − 0 ,7 ) ⋅ 3 ,14
gdje je: Anh - površina nalijeganja vanjskog hladila, Ohv – vanjski opseg hladila, vh – visina
hladila, dhv – vanjski promjer hladila.
- volumen vanjskog hladila:
Vvh =
mvh
ρ
=
6 ,17
= 0 ,79 dm 3 = 790 ,0 cm 3
7 ,8
- unutarnji promjer vanjskog hladila (dhu):
Vvh =
790 ,0 =
d 2 ⋅π
d hv2 ⋅ π
⋅ v h − hu
⋅ vh
4
4
d 2 ⋅ 3,14
( 20 ,0 − 0 ,7 − 0 ,7 ) 2 ⋅ 3,14
⋅ 4 ,76 − hu
⋅ 4 ,76
4
4
790 ,0 = 1292 ,71 − 3 ,74 ⋅ d hu2
3,74 ⋅ d hu2 = 1292 ,71 − 790 ,0
d hu =
1292 ,71 − 790 ,0
= 11,59 cm
3 ,74
- širina vanjskog hladila (prstena):
t vh =
d hv − d hu ( 20 ,0 − 0 ,7 − 0 ,7 ) − 11,59
=
= 3,51 cm
2
2
146
3) Određivanje broja i položaja odljevka u kalupu i dimenzioniranje uljevnog sustava
3.1)
Broj i raspored odljevaka u kalupu
- u jednom kalupu lijevat će se dva odljevka.
- najveća dimenzija odljevka postavlja su u ravninu dijeljenja kalupa (vidi sliku 6.19).
- na slici 6.25 shematski je prikazan raspored odljevaka u kalupu zajedno sa uljevnim
sustavom i pojilima.
Slika 6.25. Shematski prikaz rasporeda odljevaka u kalupu te položaja
uljevnog sustava, pojila i hladila
3.2)
Masa čelika u kalupu
- u kalupu se nalaze dva odljevka. Masa jednog odljevka iznosi: mo =126,40 kg.
- svaki odljevak napaja se pomoću 3 pojila. Masa jednog pojila iznosi:
mp = 7,8 ·1,9 = 14,82 kg
147
- pretpostavlja se da masa uljevnog sustava iznosi 7,0 % od ukupne mase čelika u kalupu.
- ukupna masa čelika u kalupu:
muk = 2 · mo + 6 · mp + 0,07 · muk
muk - 0,07 · muk = 2 · 126,40 + 6 · 14,82
muk = 367,4 kg
3.3)
Dimenzioniranje komponenti uljevnog sustava
- vrijeme lijevanja određuje se prema jednadžbi (2.16) (stranica 22):
t = s1 3 δm = 0 ,90 ⋅ 3 51,4 ⋅ 367 ,4 = 23,97 ≈ 24 ,0 s
(koeficijent s1 određuje se na osnovi mase i debljine stjenke odljevaka,
δ – debljina stjenke odljevka koja prevladava)
- računska visina:
HR = H −
ho
8
gdje je: HR – računska visina, H – vertikalna udaljenost od vrha uljevne čaše do razine ušća, a
ho – ukupna visina odljevka (vidi sliku 2.29, stranica 24).
- visina pojila iznosi: hp = 177,0 mm. Na osnovi toga odabiru se kalupnici visine 200,0 mm.
Sukladno tome, H = 200,0 mm.
ho = 100,0 + 7,0 + 7,0 = 114,0 mm
H R = 200 ,0 −
114 ,0
= 185 ,75 mm ≈ 18 ,6 cm
8
- dimenzioniranje kritičnog presjeka:
Ak =
m
tμ 0 ,31 H R
=
367 ,4
24 ,0 ⋅ 0 ,7 ⋅ 0 ,31 18 ,6
= 16 ,36 cm 2 ≈ 16 ,4 cm 2
- odabir razmjera (semitlačni uljevni sustav):
As : Ar : Au = 1,0 : 2,0 : 2,0
Ak = AS
148
-dimenzioniranje razvodnika:
Ar = 2,0 · As = 2,0 · 16,4 = 32,8 cm2
odabire se trapezni razvodnik, za koji vrijedi:
Ar ; a = 1,2 ⋅ h ; b = 0 ,8 ⋅ h
h=
h=
Ar = 32 ,8 = 5 ,73 cm
a = 1,2 ⋅ h = 1,2 ⋅ 5 ,73 = 6 ,88 cm
b = 0 ,8 ⋅ h = 0 ,8 ⋅ 5 ,73 = 4 ,58 cm
(a – veća paralelna stranica, b – manja paralelna stranica, h – visina)
- dimenzioniranje ušća:
Au = 2,0 · As = 2,0 · 16,4 = 32,8 cm2
budući da uljevni sustav ima 2 ušća, potrebno je izračunati površinu jednog ušća:
Au 1 =
32 ,8
= 16 ,4 cm 2
2
- odabire se ušće pravokutnog poprečnog presjeka za koje vrijedi:
a = 3b
gdje je a širina ušća, a b visina ušća.
Au = a ⋅ b = ( 3b ) ⋅ b = 3b 2 ⇒ b =
Au
16 ,4
=
= 2 ,3 cm
3
3
a = 3⋅b = 3 ·2,3 = 6,9 cm
- promjer spusta kod razvodnika (dsd):
Asd =
d sd2 ⋅ π
⇒ d sd =
4
4 Asd
π
=
4 ⋅ 16 ,4
= 4 ,57 cm
3 ,14
- na slici 6.26 shematski je prikazan izgled uljevnog sustava.
149
Slika 6.26. Shematski prikaz uljevnog sustava
3.4)
Izvadak, odnosno iskorištenje taljevine
I=
2 ⋅ mo 2 ⋅ 126 ,40
=
= 0 ,6881 ⋅ 100 = 68 ,81 %
muk
367 ,40
4) Projektiranje kalupa
4.1)
Određivanje debljine slojeva pijeska u kalupu i veličine kalupnika
- debljine slojeva pijeska i razmaci u kalupu određuje se iz tablice 6.5.
Tablica 6.5. Minimalne debljine slojeva pijeska i minimalni razmaci u kalupu
Masa odljevka,
kg
do 5
> 5 - 10
> 10 - 25
> 25- 50
> 50 - 100
> 100 - 250
> 250 - 500
> 500 - 1000
> 1000 - 2000
Od vrha
Od vrha
donje
gornje
Između
polovice
Između
polovice
spusta i
modela do modela do modela i
kalupnika, kalupnika,
vrha
vrha
mm
mm
donjeg
gornjeg
kalupnika, kalupnika,
mm
mm
40,0
40,0
30,0
30,0
50,0
50,0
40,0
40,0
60,0
60,0
40,0
50,0
70,0
70,0
50,0
50,0
90,0
90,0
50,0
60,0
100,0
100,0
60,0
70,0
120,0
120,0
70,0
80,0
150,0
150,0
90,0
90,0
200,0
200,0
100,0
100,0
150
Između
modela i
modela,
mm
Između
modela i
razvodnika,
mm
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
100,0
-
30,0
30,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
120,0
150,0
- masa jednog odljevka zajedno s pripadajućim pojilima:
mo+p= mo + 3 · mp = 126,40 + 3· 14,82 = 170,86 kg
- na osnovi izračunate mase jednog odljevka zajedno s pripadajućim pojilima iz tablice 6.5
proizlazi:
- minimalna debljina sloja pijeska od vrha gornje polovice modela do vrha gornjeg
kalupnika treba iznositi 100,00 mm,
- minimalna debljina sloja pijeska od vrha donje polovice modela do vrha donjeg
kalupnika treba iznositi 100,00 mm,
- minimalna debljina sloja pijeska između modela i kalupnika treba iznositi 60,0 mm,
- minimalna debljina sloja pijeska između spusta i kalupnika treba iznositi 70,0 mm,
- minimalna udaljenost između modela treba iznositi 100,0 mm,
- minimalna udaljenost između modela i razvodnika treba iznositi 60,0 mm.
- usvojena visina gornjeg i donjeg kalupnika od 200,0 mm udovoljava (200,0 – 57,0 = 143,0
mm > 100,0).
- potrebna dužina kalupnika: 60,0 + 614,0 + 100,0 + 614,0 + 60,0 = 1448,0 mm
- potrebna širina kalupnika : 70,0 + 614,0 + 60,0 = 744,0 mm
(širina kalupnika mora biti nešto veća od proračunate jer nije uzeta u obzir udaljenost od
spusta do modela).
- usvojene dimenzije kalupnika:
Visina = 200,0 mm
Širina = 1000,00 mm
Dužina = 1800,00 mm
4.2)
Određivanje sustava odzračivanja kalupa
- kanali za odzračivanje ucrtavaju se na tehnološki razrađenom nacrtu sklopljenog kalupa.
Odzračivanje ljevačkog kalupa još uvijek se rješava na temelju praktičnog iskustva.
5) Određivanje linearnog stezanja odljevka
- linearno stezanje odljevaka od čelika iznosi ~ 2,0 %. Ovaj podatak potrebno je također
navesti u tehnološkoj razradi nacrta odljevka zbog povećanja dimenzija modela za taj iznos.
151
Zadatak 17
Potrebno je odrediti likvidus temperaturu čeličnog lijeva kvalitete WCB (oznaka
prema normi ASTM A 216) za lijevanje kućišta ventila. Kemijski sastav čeličnog lijeva je
prikazan u tablici 6.6.
Tablica 6.6. Kemijski sastav čeličnog lijeva kvalitete WCB (oznaka prema ASTM A 216)
Element
mas. %
C
0,280
Si
0,500
Mn
0,800
S
0,025
P
0,030
Cu
0,250
Ni
0,300
Cr
0,300
Mo
0,100
V
0,020
Al
0,020
- likvidus temperatura (TL) određuje se pomoću slijedeće jednadžbe:
TL = 1536 - 78·%C - 7,6·%Si – 4,9·%Mn – 34,4·%P - 38·%S – 4,7·%Cu – 3,1·%Ni -1,3·%Cr –
- 5,0·%Mo – 4,0·%V – 3,6·%Al
TL = 1536 – 78 · 0,28 – 7,6 · 0,50 – 4,9 · 0,80 – 34,4 · 0,030 – 38 · 0,025 – 4,7 · 0,25 –
- 3,1 · 0,30 – 1,3 · 0,30 – 5,0 · 0,10 – 4,0 · 0,02 – 3,6 · 0,020
TL = 1536 – 21,84 – 3,8 – 3,92 – 1,03 – 0,95 – 1,18 – 0,93 – 0,39 – 0,5 – 0,08 – 0,07
TL = 1501,3 °C
Zadatak 18
Od sivog lijeva koji sadrži 3,3 %C, 2,5 %(Si+P) lijeva se ploča debljine 10,0 mm.
Likvidus temperatura (sukladno kemijskom sastavu) iznosi TL = 1150,0 °C, a temperatura
taljevine u kalupu Tt = 1300 °C. Vrijeme lijevanja odgovara vremenu u kojem temperatura
lijeva ni u jednoj točki kalupa ne padne ispod TL. Da li su za napajanje potrebna pojila?
- modul odljevka (jednadžba (3.15), stranica 50):
Mo =
10 ,0
= 5 ,0 mm = 0 ,5 cm
2
- iz dijagrama na slici 3.51 (polje 4) (stranica 81) određuje se volumno stezanje lijeva na
osnovi kemijskog sastava, modula odljevka i temperature taljevine u kalupu:
S = -3,6 %
- vrijeme lijevanja, tj. vrijeme u kojem temperatura lijeva ni u jednoj točki kalupa ne padne
ispod TL može se odrediti pomoću jednadžbe (3.41), stranica 86:
t=
Mo
ε
=
0 ,5
= 14 ,29 s ≈ 14 ,0 s
0 ,035
152
- iz dijagrama na slici 3.52 (stranica 82) određuje se dopajanje, tj. dodatno napajanje
(smanjenje ukupnog stezanja) ovisno o vremenu ulijevanja i modulu odljevka:
D = 3,6 %
- ukupno stezanje:
∑ S = S + D = −3,6 + 3,6 = 0 ,0 %
što znači da pojila nisu potrebna.
Zadatak 19
Od sivog lijeva koji sadrži 3,3 %C, 2,5 %(Si+P) lijeva se ploča debljine 40,0 mm
(debelostjeni odljevak). Likvidus temperatura (sukladno kemijskom sastavu) iznosi TL = 1150
°C, a temperatura taljevine u kalupu Tt = 1300 °C. Vrijeme ulijevanja iznosi 20,0 s. Da li su
potrebna pojila u ovom slučaju?
- modul odljevka:
Mo =
40 ,0
= 20 ,0 mm = 2 ,0 cm
2
- iz dijagrama na slici 3.51 (stranica 81) određuje se volumno stezanje lijeva na osnovi
kemijskog sastava, modula odljevka i temperature taljevine u kalupu:
S = -1,6 %
- iz dijagrama na slici 3.52 (stranica 82) određuje se dopajanje, tj. dodatno napajanje
(smanjenje ukupnog stezanja) ovisno o vremenu ulijevanja i modulu odljevka:
D = 1,0 %
- ukupno stezanje:
∑ S = S + D = −1,6 + 1,0 = −0 ,6 %
što znači da su potrebna pojila.
153
Zadatak 20
Potrebno je odliti postolje prikazano na slici 6.27 od sivog lijeva (ρ = 6,7 kg/dm3) koji
sadrži 3,4 %C i 2,5 %(Si+P). Ukupna masa odljevka iznosi 200,0 kg. Tanke stjenke odljevka
imaju debljinu 10,0 mm, srednje debele stjenke 15,0 mm, a noge postolja su pravokutnog
presjeka 40,0 x 60,0 mm. Masa svake noge iznosi 25,0 kg. Temperatura taljevine u kalupu
iznosi 1270 °C. Potrebno je dimenzionirati pojila.
Slika 6.27. Postolje od sivog lijeva
- modul tanjih stjenki:
M ts =
10 ,0
= 5 ,0 mm = 0 ,5 cm
2
- iz dijagrama na slici 3.51 (stranica 81) određuje se volumno stezanje lijeva na osnovi
kemijskog sastava, modula odljevka i temperature taljevine u kalupu:
S = -3,0 %
- modul stjenki srednje debljine:
M ss =
15 ,0
= 7 ,5 mm = 0 ,75 cm
2
- maksimalno vrijeme lijevanja određuje se za srednju debljinu stjenke (15,0 mm) i modul
M = 0,75 cm pomoću jednadžbe (3.41) (stranica 86):
t max =
0 ,75
= 21,43 s ≈ 21,0 s
0 ,035
154
- modul noge postolja određuje se pomoću jednadžbe (3.12) (stranica 49) (slučaj kada se
čeone površine kvadra mogu zanemariti jer su kontaktu sa susjednim stjenkama odljevka pa
se zbog toga kroz njih ne odvodi toplina):
Mn =
ab
40 ,0 ⋅ 60 ,0
=
= 12 ,0 mm = 1,2 cm
2( a + b ) 2( 40 ,0 + 60 ,0 )
- iz dijagrama na slici 3.52 (stranica 82) određuje se dopajanje, tj. dodatno napajanje
(smanjenje ukupnog stezanja) ovisno o vremenu ulijevanja (21,0 s) i modulu odljevka (1,2
cm):
D = 1,9 %
- ukupno stezanje:
∑ S = S + D = −3,0 + 1,9 = −1,1 % ≈ −1,0 %
što znači da su potrebna pojila.
- iz dijagrama na slici 3.51 (polje 3) (stranica 81) na osnovi kemijskog sastava sivog lijeva i
modula noge postolja (Mn = 1,2 cm) dobiva se da vrijeme stezanja iznosi 77,0 % ukupnog
vremena skrućivanja. Radi pojednostavljenja uzima se da vrijeme stezanja iznosi 80,0 %
ukupnog vremena skrućivanja.
- dimenzioniranje pojila:
- dimenzije i masa pojila čija je visina 2 puta veća od njegovog promjera (hp : dp = 2:1)
određuju se pomoću dijagrama na slici 3.56 (stranica 85) na osnovi modula (Mn = 1,2 cm) i
mase (mn = 25,0 kg) noge postolja te podatka da vrijeme stezanja iznosi 80,0 % ukupnog
vremena skrućivanja:
dp = 60,0 mm
h p = 2 ⋅ d p = 120,00 mm
mp = 1,9 – 2,4 kg
- na svaku nogu postolja potrebno je postaviti po jedno pojilo (vidi sliku 6.27).
- pomoću dijagrama na slici 3.56 (stranica 85) određuje se modul vrata pojila na osnovi
modula (Mn = 1,2 cm) noge postolja te podatka da vrijeme stezanja iznosi 80,0 % ukupnog
vremena skrućivanja:
Mvp. = 10,0 mm = 1,0 cm
- dimenzije vrata pojila određuju se pomoću dijagrama na slici 3.44 (stranica 72) na osnovi
njegovog modula (Mvp. = 1,0 cm). Ako se odabere vrat s kvadratnim poprečnim presjekom,
dimenzije vrata iznose:
a = 4,0 cm
b = 4,0 cm
155
- duljina vrata pojila obično iznosi 1/6 – 1/9 promjera pojila, s tim da dimenzije vrata mogu
biti i manje ako se odljevak lijeva kroz pojilo.
- kod sivog i nodularnog lijeva kompaktna zona napajanja može iznositi i do 10 d p (dp –
promjer pojila) ako je kalup dovoljno čvrst i ako se vrijednost stupnja zasićenja kreće oko 1
(Sc ~ 1,0).
- potrebno je napomenuti da se pored prikazanog specifičnog proračuna, pojila za sivi i
nodularni lijev mogu dimenzionirati i na uobičajeni način (na osnovi modula odljevka).
M p = 1,2 ⋅ M n = 1,2 ⋅ 1,2 = 1,44 cm ≈ 1,4 cm
- dimenzije pojila u obliku valjka čija je visina 1,5 puta veća od njegovog promjera određuju
se iz tablice 3.5 (stranica 66). Odabire se pojilo s modulom 1,4 cm:
promjer: dp = 75,0 mm
visina pojila: hp = 113,0 mm
volumen: Vp = 0,5 dm3
- može se vidjeti da ovako dimenzionirano pojilo ima gotovo jednake dimenzije kao pojilo
dimenzionirano pomoću dijagrama na slici 3.56 (stranica 85).
- provjera pojila obzirom na uvjet volumnog stezanja (jednadžba (3.6), stranica 44) – potrebni
volumen pojila:
Vp =
s
0 ,01
⋅ Vn =
⋅ 3.73 = 0 ,287 dm 3
0 ,14 − s
0 ,14 − 0 ,01
gdje je: s – ukupno stezanje (~ 1,0 %), a Vn – volumen noge postolja:
Vn =
mn
ρ
=
25 ,0
= 3,73 dm 3
6 ,7
- može se vidjeti da je stvarno potrebni volumen pojila (Vp = 0,287 dm3) manji od volumena
pojila određenog na osnovi modula pojila (Vp = 0,5 dm3), što znači da je pojilo pravilno
dimenzionirano.
156
Zadatak 21
Stepenasta ploča prikazana na slici 6.28 lijeva se od sivog lijeva. Uzmimo da vrijeme
stezanja debljeg segmenta stepenaste ploče obzirom na kemijski sastav lijeva i temperaturu
lijevanja iznosi p = 70,0 % od vremena skrućivanja tankih segmenta ploče. Koliki mora biti
minimalni modul tanjih segmenta da bi se deblji segmenti mogli napajati preko tanjih?
Slika 6.28. Stepenasta ploča
- kada bi se ploča prikazana na slici 6.28 lijevala od čelika, odljevak se ne bi mogao uspješno
napojiti pomoću pojila postavljenog na tanji segment odljevka. Međutim, kod sivog lijeva, za
razliku od čelika, deblji presjeci odljevka mogu se napajati preko tanjih, ako je vrijeme
stezanja debljih presjeka kraće od ukupnog vremena skrućivanja tanjih presjeka.
- modul debljih segmenata odljevka:
M ds =
8 ,4 ⋅ 8 ,4
70 ,56
=
= 3 ,04 cm ≈ 3,0 cm
2( 8 ,4 + 8 ,4 ) − 2 ⋅ 5 ,2 23,2
(deblji segment odljevka promatramo kao palicu s kvadratnim poprečnim presjekom 8,4 x 8,4
cm koja ima dvije nehlađene površine širine 5,2 cm)
- potrebni minimalni modul tanjih segmenta određuje se pomoću jednadžbe (3.40) (stranica
83):
M ts = M ds
p
70 ,0
= 3 ,0
= 2 ,50 cm
100
100
- sa slike 6.28 može se vidjeti da stvarni modul tanjeg segmenta iznosi 2,6 cm. Budući da je
stvarni modul tanjeg segmenta veći od minimalno potrebnog, neće se pojaviti usahlina u
odljevku, odnosno debljem segmentu.
157
Zadatak 22
Odrediti sastav metalnog uloška (u %) za kupolnu peć tako da sadržaj fosfora u
taljevini sivog lijeva bude 0,15 %, a sadržaj sumpora 0,10 %. Kemijski sastav raspoloživih
komponenti metalnog dijela uloška prikazan je u tablici 6.7.
Tablica 6.7. Sastav komponenti metalnog dijela uloška
Naziv
sirovine
SSŽ 1)
OSL 2)
PM 3)
C
3,50
3,20
3,10
Kemijski sastav, mas. %
Si
Mn
P
2,20
0,80
0,12
2,10
0,65
0,23
1,70
0,70
0,14
S
0,050
0,12
0,11
1)
SSŽ – sivo sirovo željezo,
OSL - otpadni sivi lijev,
3)
PM – povratni materijal unutar ljevaonice (uljevni sustavi, pojila, škartni odljevci).
2)
Tijekom taljenja odgara 25,0 % sumpora unesenog metalnim uloškom. Potrošnja
koksa tijekom taljenja iznosi 10,0 kg/100 kg taljevine. Koks sadrži 0,90 %S, od čega se 30,0
% otapa, odnosno unosi u taljevinu. Odgor materijala tijekom taljenja iznosi 2,0 %. Proračun
provesti na 100,0 kg metalnog dijela uloška.
- materijalna bilanca fosfora:
0 ,12 ⋅ x 0 ,23 ⋅ y 0 ,14 ⋅ z 0 ,15 ⋅ 98 ,0
+
+
=
100 ,0
100 ,0
100 ,0
100 ,0
gdje je:
-
0,12 - sadržaj fosfora u SSŽ, %
0,23 - sadržaj fosfora u OSL, %
0,14 - sadržaj fosfora u PM, %
0,15 – sadržaj fosfora u taljevini sivog lijeva, %
x – udio SSŽ u metalnom ulošku, %
y – udio OSL u metalnom ulošku, %
z – udio PM u metalnom ulošku, %
98,0 – (100,0 - 2,0 (odgor)), %
- sređivanjem prethodno navedenog izraza dobiva se:
0 ,12 ⋅ x + 0 ,23 ⋅ y + 0 ,14 ⋅ z = 14 ,7
12 ,0 ⋅ x + 23,0 ⋅ y + 14 ,0 ⋅ z = 1470 ,0
158
- sadržaj sumpora u taljevini može se odrediti pomoću slijedeće jednadžbe:
S t = 0 ,75 ⋅ S m +
0 ,3 ⋅ mk ⋅ S k
100
gdje je:
St – sadržaj sumpora u taljevini, %
Sm – sadržaj sumpora u metalnom ulošku, %
0,75 – faktor koji uzima u obzir odgor sumpora od 25,0 % od ukupne količine sumpora koja
se unosi u kupolnu peć metalnim uloškom (1,0 - 0,25)
0,3 – faktor koji uzima u obzir da se 30,0 % sumpora unesenog koksom u kupolnu peć otapa u
taljevini,
mk – masa (potrošnja) koksa, kg
Sk – sadržaj sumpora u koksu, %
- materijalna bilanca sumpora:
0 ,75(
0 ,050 ⋅ x 0 ,12 ⋅ y 0 ,11 ⋅ z
0 ,3 ⋅ 10 ,0 ⋅ 0 ,90 0 ,10 ⋅ 98 ,0
)+
=
+
+
100 ,0
100 ,0
100 ,0
100 ,0
100 ,0
0 ,0375 ⋅ x 0 ,090 ⋅ y 0 ,0825 ⋅ z 2 ,70
9 ,80
+
=
+
+
100 ,0
100 ,0
100 ,0
100 ,0 100 ,0
0 ,0375 ⋅ x + 0 ,090 ⋅ y + 0 ,0825 ⋅ z = 9 ,80 − 2 ,70
3,75 ⋅ x + 9 ,0 ⋅ y + 8 ,25 ⋅ z = 710 ,0
- materijalna bilanca raspoloživih sirovina na 100,0 kg metalnog uloška:
x + y + z = 100 ,0
- potrebno je riješiti sustav od tri linearne jednadžbe s tri nepoznanice:
12 ,0 ⋅ x + 23,0 ⋅ y + 14 ,0 ⋅ z = 1470 ,0
3,75 ⋅ x + 9 ,0 ⋅ y + 8 ,25 ⋅ z = 710 ,0
x + y + z = 100 ,0
12 ,0 ⋅ x + 23,0 ⋅ y + 14 ,0 ⋅ z = 1470 ,0 /·3,75
3,75 ⋅ x + 9 ,0 ⋅ y + 8 ,25 ⋅ z = 710 ,0 /·(-12,0)
45 ,0 ⋅ x + 86 ,25 ⋅ y + 52 ,5 ⋅ z = 5512 ,5
− 45 ,0 ⋅ x − 108 ,0 ⋅ y − 99 ,0 ⋅ z = −8520 ,0
− 21,75 ⋅ y − 46 ,5 ⋅ z = −3007 ,5
159
12 ,0 ⋅ x + 23,0 ⋅ y + 14 ,0 ⋅ z = 1470 ,0 /·(-1)
x + y + z = 100 ,0 / 12,0
− 12 ,0 ⋅ x − 23 ,0 ⋅ y − 14 ,0 ⋅ z = −1470 ,0
12 ,0 ⋅ x + 12 ,0 ⋅ y + 12 ,0 ⋅ z = 1200 ,00
− 11,0 ⋅ y − 2 ,0 ⋅ z = −270 ,0
− 21,75 ⋅ y − 46 ,5 ⋅ z = −3007 ,5 / (-11,0)
− 11,0 ⋅ y − 2 ,0 ⋅ z = −270 ,0 / 21,75
239 ,25 ⋅ y + 511,50 ⋅ z = 33082 ,50
− 239 ,25 ⋅ y − 43,50 ⋅ z = −5872 ,50
468 ,0 ⋅ z = 27210 ,0
z = 58 ,15
− 11,0 ⋅ y − 2 ,0 ⋅ 58 ,15 = −270 ,0
− 11,0 ⋅ y = −153 ,7
y = 13,98
12 ,0 ⋅ x + 23,0 ⋅ y + 14 ,0 ⋅ z = 1470 ,0
12 ,0 ⋅ x + 23,0 ⋅ 13 ,98 + 14 ,0 ⋅ 58 ,15 = 1470 ,0
12 ⋅ x = 334 ,50
x = 27 ,87
- učešće pojedinih komponenti metalnog uloška u %:
SSŽ = 27,87 % ~ 28,0 %
OSL = 13,98 % ~ 14,0 %
PM = 58,15 % ~ 58,0 %
100,00 % 100,0 %
160
Zadatak 23
Sivi lijev iz kupolne peći treba sadržavati 1,90 %Si i 0,65 %Mn. Tijekom taljenja
odgara 10,0 % silicija i 20,0 % mangana. Kemijski sastav komponenti metalnog dijela uloška
prikazan je u tablici 6.8.
Tablica 6.8. Sastav komponenti metalnog dijela uloška
Naziv
sirovine
SSŽ 1 1)
SSŽ 2 1)
SSŽ 3 1)
PM 2)
1)
2)
Kemijski sastav, mas. %
Si
Mn
P
3,25
0,80
0,14
2,75
0,60
0,20
1,00
1,50
0,19
1,90
0,65
0,10
C
3,40
3,30
3,10
3,20
S
0,15
0,14
0,10
0,10
SSŽ – sivo sirovo željezo,
PM – povratni materijal unutar ljevaonice (uljevni sustavi, pojila, škartni odljevci).
U 100,0 kg metalnog uloška, povratni materijal (PM) treba biti zastupljen u količini od
35,0 kg. Potrebno je odrediti masu pojedinih komponenti metalnog dijela uloška. Proračun
provesti na 100,0 kg metalnog dijela uloška.
- potreban sadržaj silicija u 100,0 kg metalnog uloška iznosi:
x Si = Sil
100 ,0 kg
100 ,0% − odgor Si(%)
gdje je:
xSi – potreban sadržaj Si koji se mora unijeti u kupolnu peć da bi se nakon taljenja dobio sivi
lijev kojim sadrži zahtijevanu količinu Si (1,90 %)
Sil - zahtijevani sadržaj Si u taljevini sivog lijeva, %
x Si = 1,90
100 ,0
= 2 ,11 kg
100 ,0 − 10 ,0
- potreban sadržaj mangana u 100,0 kg metalnog uloška iznosi:
x Mn = 0 ,65
100 ,0
= 0 ,81 kg
100 ,0 − 20 ,0
- materijalna bilanca silicija:
x
3 ,25
2 ,75
1,0
1,90
+y
+z
+ 35 ,0
= 2 ,11
100 ,0
100 ,0
100 ,0
100 ,0
161
gdje je:
-
3,25 - sadržaj silicija u SSŽ 1, %
2,75 - sadržaj silicija u SSŽ 2, %
1,0 - sadržaj silicija u SSŽ 3, %
1,90 – sadržaj silicija u PM, %
x – sadržaj SSŽ 1 u metalnom ulošku, kg
y – sadržaj SSŽ 2 u metalnom ulošku, kg
z – sadržaj SSŽ 3 u metalnom ulošku, kg
35,0 – sadržaj PM u metalnom ulošku (zadano), kg
2,11 - potreban sadržaj silicija u 100,0 kg metalnog uloška, kg
- sređivanjem prethodno navedenog izraza dobiva se:
3,25 ⋅ x + 2 ,75 ⋅ y + 1,0 ⋅ z = 144 ,5
- materijalna bilanca mangana:
x
0 ,80
0 ,60
1,50
0 ,65
+y
+z
+ 35 ,0
= 0 ,81
100 ,0
100 ,0
100 ,0
100 ,0
- sređivanjem prethodno navedenog izraza dobiva se:
0 ,80 ⋅ x + 0 ,60 ⋅ y + 1,50 ⋅ z = 58 ,25
- materijalna bilanca raspoloživih sirovina na 100,0 kg metalnog uloška:
x + y + z + 35 ,0 = 100 ,0
x + y + z = 65 ,0
- potrebno je riješiti sustav od tri linearne jednadžbe s tri nepoznanice:
3,25 ⋅ x + 2 ,75 ⋅ y + 1,0 ⋅ z = 144 ,5
0 ,80 ⋅ x + 0 ,60 ⋅ y + 1,50 ⋅ z = 58 ,25
x + y + z = 65 ,0
- u prethodnom primjeru prikazan je postupak rješavanja sustava od tri linearne jednadžbe s
tri nepoznanice.
- rješenjem sustava od tri linearne jednadžbe s tri nepoznanice dobiva se učešće pojedinih
komponenti metalnog uloška u 100,0 kg metalnog uloška:
SSŽ 1 = 3,57 kg ~ 3,5 kg
SSŽ 2 = 40,83 kg ~ 41,0 kg
SSŽ 3 = 20,60 kg ~ 20,5 kg
PM = 35,00 kg - 35,0 kg
100,00 kg 100,0 kg
162
Zadatak 24
Iz kupolne peći potrebno je dobiti sivi lijev koji sadrži 2,96 %C, 2,40 %Si, 0,80 %Mn,
0,16 %P i 0,10 %S. Odgor silicija tijekom taljenja iznosi 12,0 %, a odgor mangana 19,0 %.
Povećanje (prirast) sadržaja sumpora tijekom taljenja iznosi 50,0 %. Sadržaj ugljika i fosfora
ne mijenja se tijekom taljenja. Kemijski sastav komponenti metalnog dijela uloška prikazan je
u tablici 6.9.
Tablica 6.9. Sastav komponenti metalnog dijela uloška
Naziv
sirovine
SSŽ 1 1)
SSŽ 2 1)
SSŽ 3 1)
PM 2)
ČO 3)
C
3,20
3,80
3,80
3,20
0,35
Kemijski sastav, mas. %
Si
Mn
P
2,60
1,30
0,16
3,00
1,50
0,20
1,65
1,30
0,22
2,30
0,80
0,17
0,30
0,50
0,04
S
0,06
0,04
0,05
0,12
0,03
1)
SSŽ – sivo sirovo željezo,
PM – povratni materijal unutar ljevaonice (uljevni sustavi, pojila, škartni odljevci),
3)
ČO – čelični otpad.
2)
Pretpostaviti slijedeće učešće pojedinih komponenti metalnog uloška u 100,0 kg
metalnog uloška:
SSŽ 1 = 10,0 %, SSŽ 2 = 15,0 %, SSŽ 3 = 15,0 %, PM = 45,0 %, ČO = 15,0 %
Odrediti:
a) potrebne sadržaje elemenata u ulošku da bi se ostvario traženi sastav sivog lijeva,
b) sadržaje elemenata u ulošku, obzirom na predviđeno učešće pojedinih komponenti
metalnog uloška.
Proračun provesti na 100,0 kg metalnog uloška
- potrebni sadržaji elemenata u 100,0 kg metalnog uloška:
xC – potreban sadržaj ugljika iznosi 2,96 kg
jer se njegov sadržaj ne mijenja tijekom taljenja
x Si = 2 ,40
100 ,0
= 2 ,73 kg
100 ,0 − 12 ,0
x Mn = 0 ,80
100 ,0
= 0 ,99 kg
100 ,0 − 19 ,0
xP – potreban sadržaj fosfora iznosi 0,16 kg
jer se njegov sadržaj ne mijenja tijekom taljenja
163
x S = 0 ,10
100 ,0
= 0 ,067 kg
100 ,0 + 50 ,0
- određivanje mase pojedinih elemenata u svakoj komponenti metalnog uloška:
-
primjer određivanja mase ugljika u 10,0 kg SSŽ 1:
SSŽ 1 sadrži 3,20 %C, što znači da 100,0 kg SSŽ 1 sadrži 3,20 kg C.
3,20 kg C ima u 100,0 kg SSŽ 1
x kg C ima u 10,0 kg SSŽ 1
x=
-
3 ,20 ⋅ 10 ,0
= 0 ,32 kg C ima u 10 ,0 kg SSŽ 1
100 ,0
primjer određivanja mase ugljika u 15,0 kg SSŽ 2:
3,80 kg C ima u 100,0 kg SSŽ 2
x kg C ima u 15,0 kg SSŽ 2
x=
-
3 ,80 ⋅ 15 ,0
= 0 ,57 kg C ima u 15 ,0 kg SSŽ 2
100 ,0
primjer određivanja mase silicija u 45,0 kg PM:
2,30 kg Si ima u 100,0 kg PM
x kg Si ima u 45,0 kg PM
x=
2 ,30 ⋅ 45 ,0
= 1,04 kg Si ima u 45 ,0 kg PM
100 ,0
- prema prethodno prikazanom principu odredi se masa svakog elemenata u svakoj
komponenti metalnog uloška prema njenom udjelu. Rezultati su prikazani u tablici 6.10.
Tablica 6.10. Masa pojedinih elemenata u svakoj komponenti metalnog uloška prema njenom
udjelu u metalnom ulošku
Sirovina
Udio u 100
kg uloška
SSŽ 1
10,0
SSŽ 2
15,0
SSŽ 3
15,0
PM
45,0
ČO
15,0
100,0 kg uloška sadrži
100,0 kg uloška treba
sadržavati
Razlika
C
0,32
0,57
0,57
1,44
0,05
2,95
2,96
Si
0,26
0,45
0,25
1,04
0,04
2,04
2,73
-0,01
-0,69
164
Sadržaj elementa, kg
Mn
P
0,13
0,016
0,23
0,030
0,20
0,033
0,36
0,076
0,08
0,006
1,00
0,161
0,99
0,16
+0,01
+0,001
S
0,006
0,006
0,008
0,054
0,004
0,078
0,067
+0,011
- iz proračuna se može vidjeti da se od pretpostavljenog sastava metalnog uloška može
proizvesti sivi lijev željenog kemijskog sastava, s tim da bi se morala provesti korekcija
sadržaja silicija dodavanjem ferolegure FeSi (dodatak ovisi o sadržaju silicija u feroleguri).
- potrebit dodatak FeSi koji sadrži 75,0 % Si na 100,0 kg metalnog uloška da bi se ostvario
zahtijevani sadržaj silicija u sivom lijevu (2,40 %):
m FeSi( 75 ) = 0 ,69 ⋅
100 ,0
= 0 ,92 kg
75 ,0
- potrebno je napomenuti da se na ovaj način, tj. dodatkom ferolegure FeSi(75) razrjeđuje
taljevina u pogledu sadržaja ostalih elemenata. Međutim, u ovom primjeru može se uzeti da je
razrijeđenje zanemarivo, jer je dodana masa ferolegure zanemariva u odnosu na masu
metalnog dijela uloška.
- iz tablice 6.10 može se vidjeti da bi taljevina imala nešto viši sadržaj sumpora od
zahtijevanog. Ako se ovo odstupanje ne može tolerirati potrebno je provesti odsumporavanje
taljevine u loncu ili eventualno korigirati udjele pojedinih komponenti metalnog uloška.
Zadatak 25
Iz kupolne peći potrebno je dobiti sivi lijev koji sadrži 3,12 %C, 2,05 %Si, 0,75 %Mn,
maks. 0,22 %P i maks. 0,12 %S. Odgor silicija tijekom taljenja iznosi 15,0 %, a odgor
mangana 20,0 %. Povećanje (prirast) sadržaja sumpora tijekom taljenja iznosi 50,0 %. Sadržaj
ugljika i fosfora ne mijenja se tijekom taljenja. Kemijski sastav komponenti metalnog dijela
uloška prikazan je u tablici 6.11.
Tablica 6.11. Sastav komponenti metalnog dijela uloška
Naziv
sirovine
SSŽ 1 1)
SSŽ 2 1)
SSŽ 3 1)
PM 2)
ČO 3)
C
3,51
3,30
3,22
3,11
0,35
Kemijski sastav, mas. %
Si
Mn
P
3,30
0,62
0,30
3,05
0,52
0,15
2,05
0,65
0,18
1,52
0,80
0,20
0,30
0,80
0,05
S
0,02
0,03
0,08
0,10
0,05
1)
SSŽ – sivo sirovo željezo,
PM – povratni materijal unutar ljevaonice (uljevni sustavi, pojila, škartni odljevci),
3)
ČO – čelični otpad.
2)
Masa metalnog dijela uloška iznosi 280,0 kg. Pretpostaviti slijedeće učešće pojedinih
komponenti metalnog uloška u 280,0 kg metalnog uloška:
SSŽ 1 = 15,0 %, SSŽ 2 = 15,0 %, SSŽ 3 = 15,0 %, PM = 40,0 %, ČO = 15,0 %
Eventualni manjak Si i Mn nadoknaditi dodatkom ferolegura FeSi(75), odnosno
FeMn(50).
165
Odrediti:
a) potrebne sadržaje elemenata u ulošku da bi se ostvario traženi sastav sivog lijeva,
b) sadržaje elemenata u ulošku, obzirom na predviđeno učešće pojedinih komponenti
metalnog uloška.
- potrebni sadržaji elemenata u 280,0 kg metalnog uloška:
sadržaj C ne mijenja se tijekom taljenja i iznosi: xC = 3 ,12
x Si = 2 ,05
280 ,0
= 6 ,75 kg
100 ,0 − 15 ,0
x Mn = 0 ,75
280 ,0
= 2 ,62 kg
100 ,0 − 20 ,0
280
= 8 ,74 kg
100
sadržaj P ne mijenja se tijekom taljenja i iznosi. maks. x P = 0 ,22
maks. x S = 0 ,12
280
= 0 ,62 kg
100
280 ,0
= 0 ,22 kg
100 ,0 + 50 ,0
- sadržaj pojedinih komponenti metalnog uloška u 280,0 kg metalnog uloška:
SSŽ 1 = 15,0 % = 0,15 · 280,0 = 42,0 kg
SSŽ 2 = 15,0 % = 0,15 · 280,0 = 42,0 kg
SSŽ 3 = 15,0 % = 0,15 · 280,0 = 42,0 kg
PM = 40,0 % = 0,40 · 280,0 = 112,0 kg
ČO = 15,0% = 0,15 · 280,0 = 42,0 kg
- određivanje mase pojedinih elemenata u svakoj komponenti metalnog uloška:
-
primjer određivanja mase ugljika u 42,0 kg SSŽ 1:
SSŽ 1 sadrži 3,51 %C, što znači da 100,0 kg SSŽ 1 sadrži 3,51 kg C.
3,51 kg C ima u 100,0 kg SSŽ 1
x kg C ima u 42,0 kg SSŽ 1
x=
-
3 ,51 ⋅ 42 ,0
= 1,47 kg C ima u 42 ,0 kg SSŽ 1
100 ,0
primjer određivanja mase mangana u 42,0 kg SSŽ 2:
0,52 kg Mn ima u 100,0 kg SSŽ 2
x kg Mn ima u 42,0 kg SSŽ 2
166
x=
-
0 ,52 ⋅ 42 ,0
= 0 ,22 kg Mn ima u 42 ,0 kg SSŽ 2
100 ,0
primjer određivanja mase silicija u 112,0 kg PM:
1,52 kg Si ima u 100,0 kg PM
x kg Si ima u 112,0 kg PM
x=
1,52 ⋅ 112 ,0
= 1,70 kg Si ima u 112 ,0 kg PM
100 ,0
- prema prethodno prikazanom principu odredi se masa svakog elemenata u svakoj
komponenti metalnog uloška prema njenom udjelu. Rezultati su prikazani u tablici 6.12.
Tablica 6.12. Masa pojedinih elemenata u svakoj komponenti metalnog uloška prema njenom
udjelu u metalnom ulošku
Sirovina
Udio u 280
kg uloška
SSŽ 1
42,0
SSŽ 2
42,0
SSŽ 3
42,0
PM
112,0
ČO
42,0
280,0 kg uloška sadrži
280,0 kg uloška treba
sadržavati
Razlika
C
1,47
1,39
1,35
3,48
0,15
7,84
8,74
Si
1,37
1,28
0,86
1,70
0,13
5,34
6,75
-0,90
-1,41
Sadržaj elementa, kg
Mn
P
0,26
0,126
0,22
0,063
0,27
0,076
0,90
0,224
0,34
0,021
1,99
0,510
2,62
0,620
-0,63
-0,110
S
0,008
0,013
0,034
0,112
0,021
0,188
0,220
-0,032
- iz proračuna se može vidjeti da se od pretpostavljenog sastava metalnog uloška može
proizvesti sivi lijev traženog kemijskog sastava, s tim da bi se morala provesti korekcija
sadržaja silicija i mangana dodatkom odgovarajućih predlegura. Isto tako, manjak ugljika
potrebno je nadoknaditi dodatkom sredstva za naugljičavanje.
- da bi se ostvario zahtijevani sadržaj silicija u sivom lijevu (2,05 %) potrebit dodatak
FeSi(75) iznosi:
m FeSi( 75 ) = 1,41 ⋅
100 ,0
= 1,88 kg
75 ,0
- da bi se ostvario zahtijevani sadržaj mangana u sivom lijevu (0,75 %) potrebit dodatak
FeMn(50) iznosi:
m FeMn( 50 ) = 0 ,63 ⋅
100 ,0
= 1,26 kg
50 ,0
- da bi se ostvario zahtijevani sadržaj ugljika u sivom lijevu (3,12 %) potrebit dodatak
sredstva za naugljičavanje koje sadrži 90,0 % C iznosi:
167
m s .n . = 0 ,90 ⋅
100 ,0
= 1,00 kg
90 ,0
- iz tablice 6.12 može se vidjeti da bi taljevina imala niži sadržaj sumpora i fosfora od
maksimalno dozvoljenih, što znači da je sastav metalnog dijela uloška adekvatan.
- dodaci ferolegura mogli bi se smanjiti promjenom učešća raspoloživih komponenti u
metalnom dijelu uloška.
Zadatak 26
U indukcijskoj peći kapaciteta 5,0 t potrebno je proizvesti sivi lijev koji sadrži 3,40
%C, 1,90 %Si, 0,75 %Mn, maks. 0,060 %S i maks. 0,080 %P. Kemijski sastav raspoloživih
sirovina prikazan je u tablici 6.13.
Tablica 6.13. Kemijski sastav raspoloživih sirovina
Naziv
sirovine
SSŽ 1)
PM 2)
FeSi
FeMn
Karburit
1)
2)
Kemijski sastav, mas. %
Si
Mn
P
2,30
0,60
0,100
1,70
0,70
0,070
75,0
50,0
-
C
3,70
3,30
96,0
S
0,080
0,050
0,8
SSŽ – sivo sirovo željezo,
PM – povratni materijal unutar ljevaonice (uljevni sustavi, pojila, škartni odljevci),
Sadržaj ugljika i ostalih pratećih elemenata u ferolegurama može se zanemariti. Odgor
ugljika tijekom taljenja iznosi 8,0 %, a silicija 5,0 %. Odgor materijala tijekom taljenja je
manji od 1,0 % i može se zanemariti. Da li se može od metalnog uloška koji se sastoji od 30,0
% SSŽ i 70,0 % PM proizvesti sivi lijev traženog kemijskog sastava. Proračun provesti na
1000,0 kg uloška.
- potreban sadržaj elemenata u 1000,0 kg metalnog uloška:
xC = 3 ,40
1000 ,0
= 36 ,96 ≈ 37 ,0 kg
100 ,0 − 8
(odgor C tijekom taljenja iznosi 8,0 %)
x Si = 1,90
1000 ,0
= 20 ,0 kg
100 ,0 − 5
(odgor Si tijekom taljenja iznosi 5,0 %)
168
x Mn = 0 ,75
1000 ,0
= 7 ,5 kg
100 ,0
(sadržaj Mn ne mijenja se tijekom taljenja)
x P = 0 ,080
1000 ,0
= 0 ,8 kg
100 ,0
(sadržaj P ne mijenja se tijekom taljenja)
x S = 0 ,060
1000 ,0
= 0 ,6 kg
100 ,0
(sadržaj S ne mijenja se tijekom taljenja)
- materijalna bilanca ugljika:
3 ,70
= 11,1 kg C
100 ,0
- 300,0 kg SSŽ sadrži: 300 ,0
- 700,0 kg PM sadrži: 700 ,0
3 ,30
= 23 ,1 kg C
100 ,0
- iz metalnog uloška dobiva se ukupno: 11,1 + 23,1 = 34,2 kg C
- razlika (stvarni unos C – potrebni unos C): 34,2 – 37,0 = - 2,8 kg C
- materijalna bilanca silicija:
- 300,0 kg SSŽ sadrži: 300 ,0
- 700,0 kg PM sadrži: 700 ,0
2 ,30
= 6 ,9 kg Si
100 ,0
1,70
= 11,9 kg Si
100 ,0
- iz metalnog uloška dobiva se ukupno: 6,9 + 11,9 = 18,8 kg Si
- razlika (stvarni unos Si – potrebni unos Si): 18,8 – 20,0 = - 1,2 kg Si
- materijalna bilanca mangana:
- 300,0 kg SSŽ sadrži: 300 ,0
169
0 ,60
= 1,8 kg Mn
100 ,0
- 700,0 kg PM sadrži: 700 ,0
0 ,70
= 4 ,9 kg Mn
100 ,0
- iz metalnog uloška dobiva se ukupno: 1,8 + 4,9 = 6,7 kg Mn
- razlika (stvarni unos Mn – potrebni unos Mn): 6,7 – 7,5 = - 0,8 kg Mn
- materijalna bilanca fosfora:
- 300,0 kg SSŽ sadrži: 300 ,0
0 ,1
= 0 ,30 kg P
100 ,0
- 700,0 kg PM sadrži: 700 ,0
0 ,07
= 0 ,49 kg P
100 ,0
- iz metalnog uloška dobiva se ukupno: 0,30 + 0,49 = 0,79 kg P
- razlika (stvarni unos P – maksimalno dozvoljeni unos P): 0,79 – 0,80 = - 0,01 kg P
- materijalna bilanca sumpora:
- 300,0 kg SSŽ sadrži: 300 ,0
0 ,08
= 0 ,24 kg S
100 ,0
- 700,0 kg PM sadrži: 700 ,0
0 ,05
= 0 ,35 kg S
100 ,0
- iz metalnog uloška dobiva se ukupno: 0,24 + 0,35 = 0,59 kg S
- razlika (stvarni unos S – maksimalno dozvoljeni unos S): 0,59 – 0,60 = - 0,01 kg S
- iz proračuna se može vidjeti da se od pretpostavljenog sastava metalnog uloška može
proizvesti sivi lijev traženog kemijskog sastava, s tim da bi se morala provesti korekcija
sadržaja silicija i mangana dodatkom odgovarajućih predlegura. Isto tako, manjak ugljika
potrebno je nadoknaditi dodatkom sredstva za naugljičavanje (karburit).
- da bi se ostvario zahtijevani sadržaj ugljika u sivom lijevu (3,40 %) potrebit dodatak
sredstva za naugljičavanje (karburita) na 1000,0 kg metalnog uloška iznosi:
m s .n . = 2 ,8 ⋅
100 ,0
= 2 ,92 kg
96 ,0
170
- da bi se ostvario zahtijevani sadržaj silicija u sivom lijevu (1,90 %) potrebit dodatak
FeSi(75) na 1000,0 kg metalnog uloška iznosi:
m FeSi( 75 ) = 1,2 ⋅
100 ,0
= 1,60 kg
75 ,0
- da bi se ostvario zahtijevani sadržaj mangana u sivom lijevu (0,75 %) potrebit dodatak
FeMn(50) na 1000,0 kg metalnog uloška iznosi:
m FeMn( 50 ) = 0 ,8 ⋅
100 ,0
= 1,60 kg
50 ,0
- iz proračuna se može vidjeti da bi taljevina imala niži sadržaj sumpora i fosfora od
maksimalno dozvoljenih, što znači da je sastav uloška adekvatan.
- dodatkom sredstva za naugljičavanje (karburita) unosi se određena količina sumpora u
taljevinu. Međutim, ovaj prirast sumpora može se zanemariti zbog vrlo male količine dodanog
sredstva za naugljičavanje.
- potrebno je napomenuti da se na ovaj način, tj. dodatkom ferolegura i sredstva za
naugljičavanje razrjeđuje taljevina u pogledu sadržaja ostalih elemenata. Međutim, u ovom
primjeru može se uzeti da je razrijeđenje zanemarivo, jer je dodana količina ferolegura i
sredstva za naugljičavanje zanemariva u odnosu na masu uloška.
Zadatak 27
U indukcijskoj peći kapaciteta 3,0 t potrebno je proizvesti sivi lijev koji sadrži 3,25
%C, 2,4 %Si, 0,85 %Mn, maks. 0,060 %S i maks. 0,080 %P. Kemijski sastav raspoloživih
sirovina prikazan je u tablici 6.14.
Tablica 6.14. Kemijski sastav raspoloživih sirovina
Naziv
sirovine
SSŽ 1)
PM 2)
OSL 3)
ČO 4)
C
3,60
3,15
3,20
0,15
Kemijski sastav, mas. %
Si
Mn
P
3,35
1,20
0,100
2,40
0,85
0,070
2,20
0,80
0,075
0,35
0,45
0,030
S
0,070
0,050
0,050
0,025
1)
SSŽ – sivo sirovo željezo,
PM – povratni materijal unutar ljevaonice (uljevni sustavi, pojila, škartni odljevci),
3)
OSL – otpadni sivi lijev,
4)
ČO – čelični otpad.
2)
Odgor ugljika tijekom taljenja iznosi 7,0 %, a silicija 6,0 %. Odgor materijala tijekom
taljenja je manji od 1,0 % i može se zanemariti. Odrediti sastav uloška ako je udio čeličnog
otpada u ulošku 15,0 %. Proračun provesti na 100,0 kg uloška.
171
- potreban sadržaj elemenata u 100,0 kg metalnog uloška iznosi:
xC = 3 ,25
100 ,0
= 3 ,49 kg
100 ,0 − 7 ,0
(odgor C tijekom taljenja iznosi 7,0 %)
x Si = 2 ,40
100 ,0
= 2 ,55 kg
100 ,0 − 6 ,0
(odgor Si tijekom taljenja iznosi 6,0 %)
x Mn = 0 ,85 kg
(sadržaj Mn ne mijenja se tijekom taljenja)
x P = 0 ,080 kg
(sadržaj P ne mijenja se tijekom taljenja)
x S = 0 ,060 kg
(sadržaj S ne mijenja se tijekom taljenja)
- materijalna bilanca silicija:
x
3 ,35
2 ,40
2 ,20
0 ,35
+y
+z
+ 15 ,0
= 2 ,55
100 ,0
100 ,0
100 ,0
100 ,0
gdje je:
-
3,35 - sadržaj silicija u SSŽ, %
2,40 - sadržaj silicija u PM, %
2,20 - sadržaj silicija u OSL, %
0,35 – sadržaj silicija u ČO, %
x – sadržaj SSŽ u metalnom ulošku, kg
y – sadržaj PM u metalnom ulošku, kg
z – sadržaj OSL u metalnom ulošku, kg
15,0 – sadržaj ČO u metalnom ulošku (zadano), kg
2,55 - potreban sadržaj silicija u 100,0 kg metalnog uloška, kg
- sređivanjem prethodno navedenog izraza dobiva se:
3,35 ⋅ x + 2 ,40 ⋅ y + 2 ,20 ⋅ z = 249 ,75
172
- materijalna bilanca mangana:
x
1,20
0 ,85
0 ,80
0 ,45
+y
+z
+ 15 ,0
= 0 ,85
100 ,0
100 ,0
100 ,0
100 ,0
- sređivanjem prethodno navedenog izraza dobiva se:
1,20 ⋅ x + 0 ,85 ⋅ y + 0 ,80 ⋅ z = 78 ,25
- materijalna bilanca raspoloživih sirovina na 100,0 kg metalnog uloška:
x + y + z + 15 ,0 = 100 ,0
x + y + z = 85 ,0
- potrebno je riješiti sustav od tri linearne jednadžbe s tri nepoznanice:
3,35 ⋅ x + 2 ,40 ⋅ y + 2 ,20 ⋅ z = 249 ,75
1,20 ⋅ x + 0 ,85 ⋅ y + 0 ,80 ⋅ z = 78 ,25
x + y + z = 85 ,0
- u zadatku 22 prikazan je postupak rješavanja sustava od tri linearne jednadžbe s tri
nepoznanice.
- rješenjem sustava od tri linearne jednadžbe s tri nepoznanice dobiva se učešće pojedinih
komponenti u 100,0 kg metalnog uloška:
SSŽ = 49,61 kg ~
PM = 28,51 kg ~
OSL = 6,88 kg ~
ČO = 15,00 kg 100,00 kg
49,60 kg
28,50 kg
6,90 kg
15,0 kg
100,0 kg
- potrebno je još provjeriti da li ovakva struktura uloška omogućuje dobivanje potrebnog
sadržaja C, P i S u taljevini sivog lijeva.
- materijalna bilanca ugljika:
- 49,6 kg SSŽ sadrži: 49 ,6
3 ,60
= 1,79 kg C
100 ,0
- 28,50 kg PM sadrži: 28 ,5
3 ,15
= 0 ,90 kg C
100 ,0
- 6,90 kg OSL sadrži: 6 ,9
173
3 ,20
= 0 ,22 kg C
100 ,0
0 ,15
= 0 ,02 kg C
100 ,0
- 15,0 kg ČO sadrži: 15 ,0
- iz metalnog uloška dobiva se ukupno: 1,79 + 0,90 + 0,22 + 0,02 = 2,93 kg C
- razlika (stvarni unos C – potrebni unos C): 2,93 – 3,49 = - 0,56 kg C
- materijalna bilanca fosfora:
- 49,6 kg SSŽ sadrži: 49 ,6
0 ,100
= 0 ,050 kg P
100 ,0
- 28,50 kg PM sadrži: 28 ,5
0 ,070
= 0 ,020 kg P
100 ,0
- 6,90 kg OSL sadrži: 6 ,9
0 ,075
= 0 ,005 kg P
100 ,0
- 15,0 kg ČO sadrži: 15 ,0
0 ,030
= 0 ,004 kg P
100 ,0
- iz metalnog uloška dobiva se ukupno: 0,050 + 0,020 + 0,005 + 0,004 = 0,079 kg P
- razlika (stvarni unos P – maksimalno dozvoljeni unos P): 0,079 – 0,080 = - 0,001 kg P
- materijalna bilanca sumpora:
- 49,6 kg SSŽ sadrži: 49 ,6
0 ,070
= 0 ,035 kg S
100 ,0
- 28,50 kg PM sadrži: 28 ,5
0 ,050
= 0 ,014 kg S
100 ,0
- 6,90 kg OSL sadrži: 6 ,9
0 ,050
= 0 ,003 kg S
100 ,0
- 15,0 kg ČO sadrži: 15 ,0
0 ,025
= 0 ,004 kg S
100 ,0
- iz metalnog uloška dobiva se ukupno: 0,035 + 0,014 + 0,003 + 0,004 = 0,056 kg S
- razlika (stvarni unos S – maksimalno dozvoljeni unos S): 0,056 – 0,060 = - 0,004 kg S
174
- može se vidjeti da se iz proračunatog sastava metalnog uloška može proizvesti sivi lijev
traženog kemijskog sastava, s tim da bi se morala provesti korekcija sadržaja ugljika
dodatkom sredstva za naugljičavanje (karburit).
- da bi se ostvario zahtijevani sadržaj ugljika u sivom lijevu (3,25 %) potrebit dodatak
sredstva za naugljičavanje (karburita) koji sadrži 96,0 %C na 100,0 kg metalnog uloška
iznosi:
m s .n . = 0 ,56 ⋅
100 ,0
= 0 ,58 kg
96 ,0
- iz proračuna se može vidjeti da bi taljevina imala niži sadržaj sumpora i fosfora od
maksimalno dozvoljenih, što znači da je sastav uloška adekvatan.
- dodatkom sredstva za naugljičavanje (karburita) unosi se određena količina sumpora u
taljevinu. Međutim, ovaj prirast sumpora može se zanemariti zbog vrlo male količine dodanog
sredstva za naugljičavanje.
- potrebno je napomenuti da se na ovaj način, tj. dodatkom sredstva za naugljičavanje
razrjeđuje taljevina u pogledu sadržaja ostalih elemenata. Međutim, u ovom primjeru može se
uzeti da je razrijeđenje zanemarivo, jer je dodana količina sredstva za naugljičavanje
zanemariva u odnosu na masu uloška.
Zadatak 28
U indukcijskoj peći kapaciteta 1000,0 kg potrebno je proizvesti perlitni sivi lijev koji
sadrži 3,20 – 3,50 %C, 1,80 – 2,20 %Si, 0,70 – 1,00 %Mn, 0,4 – 0,7 %Cr, 0,4 – 0,7 %Ni, 0,4
– 0,7 %Mo, maks. 0,070 %S i maks. 0,050 %P. Kemijski sastav raspoloživih sirovina
prikazan je u tablici 6.15.
Tablica 6.15. Kemijski sastav raspoloživih sirovina
Naziv
sirovine
SSŽ 1)
PM 2)
ČO 3)
Karburit
FeSi
FeMn
FeCr
FeNi
FeMo
C
3,91
3,32
0,15
96,0
2,0
2,8
1,5
Si
1,96
2,05
0,23
75,0
-
Mn
0,20
0,82
1,02
82,0
-
Kemijski sastav, mas. %
P
S
Cr
0,060
0,080
0,032
0,070
0,58
0,020
0,020
0,80
0,8
75,0
-
1)
Ni
Mo
0,49
0,70
0,47
0,20
-
-
45,0
-
65,0
SSŽ – sivo sirovo željezo,
PM – povratni materijal unutar ljevaonice (uljevni sustavi, pojila, škartni odljevci),
3)
ČO – čelični otpad.
2)
175
Pretpostaviti slijedeće učešće pojedinih komponenti u 100,0 kg uloška:
SSŽ = 50,0 %, PM = 30,0 %, ČO = 20,0 %
Odgor ugljika tijekom taljenja iznosi 7,0 %, a silicija 6,0 %. Odgor materijala tijekom
taljenja je manji od 1,0 % i može se zanemariti. Eventualni manjak Si, Mn, Cr, Ni, Mo
nadoknaditi dodatkom ferolegura.
Odrediti:
a) potrebne sadržaje elemenata u ulošku da bi se ostvario traženi sastav sivog lijeva,
b) sadržaje elemenata u ulošku, obzirom na predviđeno učešće pojedinih komponenti
uloška.
Proračun provesti na 100,0 kg uloška.
- potrebni sadržaji elemenata u 100,0 kg uloška:
xC = 3 ,50
100 ,0
= 3 ,76 kg
100 ,0 − 7 ,0
x Si = 2 ,20
100 ,0
= 2 ,34 kg
100 ,0 − 6 ,0
- sadržaji ostalih elemenata ne mijenjaju se tijekom taljenja. Sukladno tome:
xMn = 1,00 kg; xCr = 0,70 kg; xNi = 0,70 kg; xMo = 0,70 kg; xS = 0,070 kg; xP = 0,050 kg;
- određivanje mase pojedinih elemenata u svakoj komponenti uloška:
-
primjer određivanja mase ugljika u 50,0 kg SSŽ:
SSŽ sadrži 3,91 %C, što znači da 100,0 kg SSŽ sadrži 3,81 kg C.
3,91 kg C ima u 100,0 kg SSŽ
x kg C ima u 50,0 kg SSŽ
x=
-
3 ,91 ⋅ 50 ,0
= 1,96 kg C ima u 50 ,0 kg SSŽ
100 ,0
primjer određivanja mase kroma u 30,0 kg PM:
0,58 kg Cr
x kg Cr
x=
ima u 100,0 kg PM
ima u 30,0 kg PM
0 ,58 ⋅ 30 ,0
= 0 ,17 kg Cr ima u 30 ,0 kg PM
100 ,0
176
-
primjer određivanja mase nikla u 30,0 kg ČO:
0,70 kg Ni
x kg Ni
x=
ima u 100,0 kg ČO
ima u 20,0 kg ČO
0 ,70 ⋅ 20 ,0
= 0 ,14 kg Ni ima u 20 ,0 kg ČO
100 ,0
- prema prethodno prikazanom principu određuje se masa svakog elemenata u svakoj
komponenti uloška prema njenom udjelu. Rezultati su prikazani u tablici 6.16.
Tablica 6.16. Masa pojedinih elemenata u svakoj komponenti uloška prema
njenom udjelu u ulošku
Udio u 100
kg uloška
SSŽ
50,0
PM
30,0
ČO
20,0
100,0 kg uloška sadrži
100,0 kg uloška treba
sadržavati
Razlika
C
1,96
1,00
0,03
2,99
3,76
Si
0,98
0,62
0,05
1,65
2,34
Sadržaj elementa, kg
Mn
P
S
Cr
0,10
0,030 0,040
0,25
0,010 0,021
0,17
0,20
0,004 0,004
0,16
0,55
0,044 0,065
0,33
1,00
0,050 0,070
0,70
-0,77
-0,69
-0,45
Sirovina
-0,006 -0,005
-0,37
Ni
0,15
0,14
0,29
0,70
Mo
0,14
0,04
0,18
0,70
-0,41
-0,52
- iz tablice 6.16 može se vidjeti da je potrebno provesti korekciju sadržaja Si, Mn, Cr, Ni, Mo
dodavanjem odgovarajućih ferolegura. Sadržaj ugljika potrebno je korigirati dodatkom
sredstva za naugljičavanje (karburita).
- potrebit dodatak FeSi koji sadrži 75,0 %Si na 100,0 kg metalnog uloška da bi se ostvario
zahtijevani sadržaj silicija u sivom lijevu (2,20 %):
m FeSi( 75 ) = 0 ,69 ⋅
100 ,0
= 0 ,92 kg
75 ,0
- potrebit dodatak FeMn koji sadrži 82,0 %Mn na 100,0 kg metalnog uloška da bi se ostvario
zahtijevani sadržaj mangana u sivom lijevu (1,00 %):
m FeMn( 82 ) = 0 ,45 ⋅
100 ,0
= 0 ,55 kg
82 ,0
- potrebit dodatak FeCr koji sadrži 75,0 %Cr na 100,0 kg metalnog uloška da bi se ostvario
zahtijevani sadržaj kroma u sivom lijevu (0,70 %):
m FeCr ( 75 ) = 0 ,37 ⋅
100 ,0
= 0 ,49 kg
75 ,0
177
- potrebit dodatak FeNi koji sadrži 45,0 %Ni na 100,0 kg metalnog uloška da bi se ostvario
zahtijevani sadržaj nikla u sivom lijevu (0,70 %):
m FeNi( 45 ) = 0 ,41 ⋅
100 ,0
= 0 ,91 kg
45 ,0
- potrebit dodatak FeMo koji sadrži 65,0 %Mo na 100,0 kg metalnog uloška da bi se ostvario
zahtijevani sadržaj molibdena u sivom lijevu (0,70 %):
m FeMo( 65 ) = 0 ,52 ⋅
100 ,0
= 0 ,80 kg
65 ,0
- potrebit dodatak sredstva za naugljičavanje (karburita) koji sadrži 96,0 %C na 100,0 kg
metalnog uloška da bi se ostvario zahtijevani sadržaj ugljika u sivom lijevu (3,50 %C):
- unos ugljika dodatkom FeMn(82):
mC =
0 ,55 ⋅ 2 ,0
= 0 ,011 kg ≈ 0 ,01 kg
100 ,0
- unos ugljika dodatkom FeCr(75):
mC =
0 ,49 ⋅ 2 ,8
= 0 ,014 kg ≈ 0 ,01 kg
100 ,0
- unos ugljika dodatkom FeMo(65):
mC =
0 ,80 ⋅ 1,5
= 0 ,012 kg ≈ 0 ,01 kg
100 ,0
- dodatak sredstva za naugljičavanje iznosi:
m s .n . = ( 0 ,77 − 0 ,01 − 0 ,01 − 0 ,01 ) ⋅
100 ,0
= 0 ,77 kg
96 ,0
- naknadnim unošenjem ferolegura i sredstva za naugljičavanje snižavaju se sadržaji ostalih
elemenata u taljevini. Međutim, može se uzeti da je razrijeđenje zanemarivo, jer je dodana
količina ferolegura i sredstva za naugljičavanje (ukupno 4,4 kg) zanemariva u odnosu na
masu uloška (100,00 kg). Osim toga, prilikom proračuna uloška računato je s maksimalnim
vrijednostima sadržaja pojedinih elemenata u sivom lijevu.
- iz tablice 6.16 može se vidjeti da je unos fosfora i sumpora niži od maksimalno dozvoljenih
količina.
- zbog visoke cijene ferolegura, pri proizvodnji legiranih kvaliteta korisno je u uložak dodati
povratni materijal, otpadni lijev ili čelični otpad koji sadrži potrebne legirajuće elemente.
178
7. LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
A. L. Suschil, L. A. Plutshack, Gating Design, Chapter in Metals Handbook, Ninth
Edition, Volume 15, Casting, ASM International, Metals Park Ohio, USA, ,1988., 589
- 597.
…, The Basic Principles of Fluid Dynamics Applied to Running Systems of Castings,
National Metalforming Centre, Institute of Cast Metals Engineers, England, 2007.
J. Campbell, Castings Practice – The 10 Rules of Castings, Elsevier ButterworthHeinemann, England, 2004.
…, Basic Principles of Gating, American Foundry Society, Cast Metals Institute,
USA, 2005.
S. I. Karsay, The Practical Foundryman's Guide to Feeding and Running Grey-, CG –
and SG Iron Castings, Ferrous Casting Centre Ltd., Republic of South Africa, 1985.
S. Marković, S. Matijašević, Ž. Josipović, S. Ocokoljić, Zbirka rešenih zadataka iz
livarstva, Tehnološko – metalurški fakultet , Beograd, 1994.
B. Ule, Ulivanje in napajanje, Livarski vestnik 31(1984) 3-4, 65 – 130.
..., Ljevački priručnik, Savez ljevača Hrvatske, Zagreb, 1985.
L. A. Plutshack, A. L. Suschil, Riser Design, chapter in Metals Handbook, Ninth
Edition, Volume 15, Casting, ASM International, Metals Park Ohio, USA, ,1988., 577
- 588.
…, Basic Principles of Risering, American Foundry Society, Cast Metals Institute,
USA, 2000.
C. Veerabhadraiah, R. Gopal, Risering of Steel Castings, The British Foundryman
68(1975) 6, 184 – 192.
R. S. Ransing, M. P. Sood, W. K. S. Pao, Computer Implementation of Heuvers´
Circle Method for Thermal Optimization in Castings, International Journal of Cast
Metals Research, 18(2005) 2, 119 – 126.
I. Šešerin, D. Župan, F. Unkić, Doprinos razvoju uljevno-dopojnih sustava kod
ugljičnog čeličnog lijeva primjenom unutarnjih hladila, Ljevarstvo 39(1997) 1, 3 – 8.
R. Elliott, Cast Iron Technology, Butterwort & Co, England, 1988.
179

INFO – TEHNIČKI LIST FOROL OPLATOL MGR

BIOFILTER ZA OKNO tip BFO

Rjesenje_o_otvaranju.. - HIDROELEKTRA NISKOGRADNJA dd

K 2013 - IRT 3000

Proizvodni program Georg Fischer

IZOELAST PF4 - FRAGMAT H doo

Cwg-komercijalni katalog

Brošura Dani Sigurnosti

TVORNICA KREDE

Pravilnik o obliku i načinu vođenja Obrtnog registra