J.Alva Consulente di Fonderia Cameri

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I sistemi per le linee Disamatic erano e lo sono tuttora progettati con criteri basati sulla propria esperienza con l unico accorgimento di eseguire gli ingressi in sorgente allo scopo di limitare la velocità di ingresso soprattutto nei livelli più in basso. Ciò allo scopo di ridurre la turbolenza ed i fenomeni a questa associati: erosioni e quindi trascinamenti e sinterizzazioni e l ossidazione del metallo (piccole soffiature, bollicine, ecc.). Tuttavia tali sistemi non sono come vedremo, a prova di terre con problemi di friabilità e quindi inclini a favorire i trascinamenti per cui non di rado si ricorre all utilizzo di filtri per assicurare una riuscita migliore.

(a) (b) Esempi di una colata tipica in sorgente (a) modello (b) con inserzioni di filtri

(a) (b) (a) Disposizioni delle inclusioni nel modello precedente (b) simulazione del riempimento (SOLIDCast)

Un sistema così concepito viene esteso anche ai getti in ghisa sferoidale con l accorgimento di aggiungere un ingresso in materozza per un funzionamento più corretto della medesima. Tuttavia non si è certi in che momento avviene l ingresso di metallo da questo secondo ingresso e in che modo l ingresso in sorgente faciliti o contrasti il lavoro della materozza agli effetti dell alimentazione specie se il sistema non è simmetrico.

Le colate in sorgente nelle gs (a) (b) (a)grappolo assimmetrico con ingresso anche in materozza (b) Vista dall alto: le due materozze hanno lavorato in modo differenziato

L ingresso di metallo nel secondo livello non è sempre prevedibile

La modifica dell attacco a sinistra consente di bilanciare la tempistica degli ingressi di metallo

Negli anni 90 l autore aveva introdotto il concetto ed i criteri di calcolo dei sistemi di colata detti misti (press./non press.) onde fornire un approccio razionale nella loro progettazione 1. Tali sistemi prendevano spunto da esperienze nella realtà della formatura a divisione orizzontale. Qui si sfruttava la parte pressurizzata più efficiente per controllare le scorie e la non pressurizzata più efficiente per distribuire il metallo. Vedremo come con l impiego della simulazione sia possibile verificare le modalità di calcolo proposte oltre agli accorgimenti di progettazione veri e propri. Ci si servirà del software «FLOWCast» della Finite Solutions Inc. di Cincinnati (USA) per illustrare i diversi concetti. Esso fa parte di un pacchetto di simulazione della solidificazione denominato «SOLIDCast» proposto in Italia dalla Tesi SpA di Monza.

Tratto pressurizzato (scorie) Tratto non pressurizzato Un esempio di sistema misto in un grappolo in ghisa grigia prodotto in linea orizzontale. I getti si presentano molto puliti

La figura illustra l analisi delle velocità e delle portate a parità di sezione di ingresso. Essendo le velocità (v) nei 3 livelli proporzionate* ai battenti relativi H, le velocità e le portate aumenteranno progressivamente dall alto in basso. Onde mantenere costanti le portate nei singoli livelli sarà necessario proporzionarle in modo decrescente attraverso un bilanciamento delle portate come illustrato.

Una volta bilanciate le portate rimane il problema di gestire le velocità onde evitare i rischi già indicati: erosioni e bollicine. Resta anche da risolvere il problema delle scorie. Il loro controllo richiede la presenza di canali orizzontali. In alternativa si può in teoria ricorrere ai filtri posizionati in orizzontale oppure in verticale a cavallo della divisione, operazione non sempre semplice ne agevole. Queste limitazioni possono essere superate adoperando i sistemi misti pressurizzati/non pressurizzati.

Tali sistemi misti prevedono: Uno o due canali orizzontali superiori tenuti in pressione (riempimento forzato) dalle strozzature primarie allo scopo di ridurre la turbolenza e separare le scorie (vedi animazione); L applicazione delle strozzature sui canali verticali onde regolare la distribuzione delle portate fra i singoli livelli. Gli attacchi di colata possono a questo punto essere fatte di sezione maggiore a quelle delle strozzature onde ridurre le velocità di ingresso.

Schema di un sistema misto pressurizzato/non pressurizzato

I canali occupano non di rado uno spazio non sfruttato. Gli attacchi cosiddetti primari (o strozzature) vanno calcolati considerando il battente relativo al piano di uscita (mediamente 60-70 mm). E possibile per la loro definizione supporre che ogni cm 2 porti ca. 0,5 kg/sec in modo di stare dentro il tempo di linea opp. di portata previsti. Gli attacchi devono essere relativamente sottili (5-6 mm max. altezza) ed essere posizionati possibilmente a non meno di 100 mm dal bicchiere. Gli attacchi in questa posizione consentono di mantenere la portata costante lungo tutto l arco della colata. Invece nei sistemi tradizionali la portata è variabile dall inizio (massima) alla fine (minima).

Il canale o canali orizzontali devono avere una sezione pari a due volte la sezione delle strozzature primarie. Devono essere più alti che larghi (rapporto 2:1) per tenere le scorie il più distante dal piano degli attacchi primari. La sezione o sezioni di ingresso devono essere almeno un 30% superiore a quella degli attacchi in modo di assicurare una corretta pressurizzazione dei canali. Il collegamento con il bicchiere va fatto possibilmente di fianco anziché lateralmente per ridurre la turbolenza nel cambio di direzione. La rastremazione consente di evitare il reflusso de metallo negli istanti iniziale della colata ciò che consente di stabilizzare più velocemente il flusso. E indispensabile assicurare una perfetta esecuzione della placca modello specie per quanto riguarda i raccordi.

Sezione di ingresso attacco Rastremazione Gli accorgimenti nella progettazione dei canali e attacchi

I canali partono con una sagoma a bretella in alto per un corretto raccordo con gli attacchi primari. Profili piatti generano delle locali turbolenze. La sezione dei suddetti canali vanno fatte un 50% in più delle relative sezioni di strozzatura a cominciare da quelle primarie, quindi sono progressivamente più piccole. Tuttavia se lo scopo è quello di usare il sistema di colata come sistema di alimentazione, la loro sezione può essere mantenuta costante. I canali non sono necessariamente verticali ma si possono inclinare servendo di appoggio al metallo che scende.

Canali non rastremati e raccordi piatti nella bretella non assicurano un riempimento stabile del metallo (SOLIDCast)

Le strozzature sui canali verticali hanno il compito di ridistribuire le portate in modo equo oppure voluto nel caso di getti più complessi. In più quello di troncare la colonna di metallo riducendo così il battente di metallo sui singoli livelli. Esse vengono definite mediante calcolo seguendo le modalità illustrate nell articolo inserito in bibliografia. Esse vanno ricavate sia per riduzione marcata della sezione dei canali verticali oppure per interruzione dei canali con relativo cambio di divisione (da preferire). A seconda dei livelli e delle condizioni della terra di formatura sarà necessario praticare una o più strozzature secondarie.

L assenza di strozzature secondarie favorisce un riempimento sequenziale e consente l accelerazione del metallo (SOLIDCast)

La presenza di strozzature secondarie favorisce un riempimento pressoché simultaneo ed evita l accelerazione del metallo (SOLIDCast)

Risulta evidente la differenza di qualità superficiale fra: canale non interrotto (SX) e canale interrotto (DX)

Strozzature secondarie ottenute nel cambio di partizione

E possibile anche fare a meno dei canali verticali e usare a questo scopo le materozze come canali. Poiché l ingresso del metallo avviene dai colli delle materozze, la velocità di ingresso è molto ridotta e la qualità superficiale del getto risulta migliorata. Ciò consente anche di guadagnare spazio in placca e costituisce sicuramente un vantaggio di questo sistema su qualunque altro.

Esempio di un grappolo esente di canali verticali. Il canale orizzontale serve direttamente le materozze. Notare la pulizia di materozze e getti e invece la sporcizia sui canali

Un altro esempio di un grappolo senza canali verticali a due livelli

Esempio animato di un sistema esente di canali. La direzionalità è più certa (SOLIDCast)

L animazione mostra come non si deve progettare un sistema misto. Le tempistiche di ingresso del metallo nei pezzi sono imprevedibili (SOLIDCast)

E stato illustrato il concetto di un sistema misto pressurizzato/non pressurizzato per linee a partizione verticale. Sono state presentate le linee guida di progettazione e disegno, la loro verifica mediante simulazione nonché la sua realizzazione pratica in casi semplici ma i criteri sono estendibili a pezzi più complessi. Il sistema se progettato correttamente consente un controllo delle scorie e delle turbolenze che sono all origine di erosioni e ossidazione. Il sistema consente un buon sfruttamento dello spazio placca, rende in molto casi i canali verticali superflui e quindi porta ad un miglioramento della resa. La simulazione consente di confermare le premesse del progetto. FLOWCast si rivela uno strumento efficace a questo effetto.

1. Sistemi di colata misti pressurizzati/non pressurizzati per linee a divisione verticale (Disamatic) J.Alva, La metallurgia italiana vol.86 n.10/1994.