monitorowanie produkcji żeliwa - Archives of Foundry Engineering

monitorowanie produkcji żeliwa - Archives of Foundry Engineering

ARCHIWUM ODLEWNICTWA
Rok 2006, Rocznik 6, Nr 19
Archives of Foundry
Year 2006, Volume 6, Book 19
PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308
31/19
MONITOROWANIE PRODUKCJI ŻELIWA
SFEROIDALNEGO W WARUNKACH ODLEWNI
S. PIETROWSKI1 , G. GUMIENNY2 , B. PISAREK3
Katedra Systemów Produkcji, Politechnika Łódzka,
ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 Łódź
STRESZCZENIE
W pracy przedstawiono możliwość i przebieg procesu monitorowania oraz
kontroli produkcji żeliwa sferoidalnego w warunkach odlewni przy użyciu autorskiego
programu komputerowego wykorzystującego metodę analizy termicznej i derywacyjnej
(ATD).
Key words: crystallization, ductile cast iron, thermal derivative analysis
1.
WSTĘP
W pracach [1  6] wykazano możliwość kontroli żeliwa sferoidalnego ferrytycznego gatunku EN-GJS-400-15 metodą analizy termicznej i derywacyjnej (ATD).
Podano w nich, że na krzywej krystalizacji występują efekty cieplne od : krystalizacji
fazy pierwotnej, przemiany eutektycznej oraz efekt cieplny wynikający z mniejszej
przewodności cieplnej żeliwa sferoidalnego w porównaniu z żeliwem szarym. Charakt erystyczne wielkości odczytane w punktach opisujących owe efekty st anowić mogą
podstawę do opracowania zależności statystycznych pomiędzy nimi, a składem ch emicznym żeliwa, parametrami stereologicznymi grafitu oraz jego własnościami mech anicznymi. Wykorzystując zależności statystyczne można opracować program komput erowy, który będzie monitorował produkcję i kontrolował jakość żeliwa.
Autorski program komputerowy opracowano do kontroli wszystkich gatunków
żeliwa sferoidalnego. W niniejszej pracy przykładowo przedstawiono go dla żeliwa
prof. zw. dr hab. inż., [email protected]
dr inż., [email protected]
3
dr inż., [email protected]
1
2
239
sferoidalnego perlityczno-ferrytycznego gatunku EN-GJS-500-7. Został on wdrożony
w Odlewni Żeliwa Bolimów, Kolonia Bolimowska Wieś 39A.
2.
METODYKA BADAŃ
Żeliwo wytapiano w piecu indukcyjnym tyglowym o pojemności 1t i częst otliwości sieciowej. Wsad składał się z polskiej surówki gatunku LS-2, złomu ze stali 45
oraz złomu obiegowego. Zawartość krzemu w ciekłym żeliwie uzupełniano żelazokrzemem Si75.
Po roztopieniu wsadu i przegrzaniu żeliwa do temperatury 1460  1480ºC
usuwano żużel, a następnie wylewano je do kadzi odlewniczej. Zabieg sferoidyzacji
żeliwa przeprowadzono metodą „Sandwich”. W metodzie tej zaprawę FeSiMg10
umieszczano na dnie kadzi smukłej w „kieszeni” i pokrywano wiórami żeliwnymi. Po
zakończonym procesie sferoidyzacji żeliwo modyfikowano grafityzująco modyfikat orem SB5 o ziarnistości 2  6mm w ilości 0,9% od masy ciekłego żeliwa w kadzi.
Zakres składu chemicznego badanego gatunku żeliwa przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Zakres składu chemicznego badanego żeliwa
Table 1. The range of chemical composition of tested cast iron
Gatunek
żeliwa
EN-GJS500-7
C
3,45 
3,71
Si
2,42 
2,75
Mn
0,38 
0,63
Skład chemiczny, %
P
S
Cr
Cu
Mg
0,028  0,005  0,008  0,008  0,040 
0,045
0,013
0,020
0,015
0,045
Szczegółową metodykę badań wraz z opisem procesu krystalizacji żeliwa sferoidalnego przedstawiono w pracach [1  6]. Dokonano w nich także interpretacji efektów cieplnych od krystalizacji poszczególnych faz występujących na krzywych derywacyjnych oraz opisano przebieg tworzenia mikrostruktury. Z przedstawionych w pracach
[1  6] danych wynika, że proces krystalizacji żeliwa, a więc i jego mikrostrukturę
można opisać wielkościami charakteryzującymi punkty występujące na krzywej derywacyjnej. Ze względu na to, że z mikrostruktury bezpośrednio wynikają własności mechaniczne żeliwa, to istnieje możliwość opisania ich parametrami określonymi z krzywych ATD.
3.
WYNIKI BADAŃ
Na rysunku 1 przedstawiono przykładowo reprezentatywne krzywe ATD (a) oraz
mikrostrukturę (b) badanego żeliwa sferoidalnego gatunku EN-GJS-500-7.
240
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
a)
1400
1
AB
DE F
H I
K M
0
-1
o
o
t, C
dt/d = f'()
dt/d , C/s
1200
1000
-2
t = f()
800
-3
600
-4
0
100
Punkt
A
B
D
E
F
H
I
K
M
200
, s
24
40
109
119
150
259
284
319
349
, s
300
t,  C
1262
1239
1148
1148
1149
1105
1050
992
946
400
500
dt/d ,  C/s
-0,46
-2,56
0,00
0,08
0,00
-2,55
-1,82
-1,52
-1,45
241
b)
50m
mikrostruktura:, grafit sferoidalny, perlit, ferryt
Rys. 1. Krzywe ATD wraz z opisem punktów charakterystycznych (a) i mikrostruktura (b) żeliwa sferoidalnego gatunku EN-GJS-500-7
Fig. 1. TDA curves with description of characteristic points (a) and the microstructure (b)
of EN-GJS-500-7 cast iron
Poniżej przedstawiono zależności statystyczne pomiędzy wielkościami opis ującymi punkty charakterystyczne na krzywych derywacyjnych (temperaturą t, C oraz
szybkością stygnięcia K, C/s), a składem chemicznym, własnościami stereologicznymi
grafitu oraz własnościami mechanicznymi Rm , Rp0,2 , A5 i HB żeliwa.
Równania dla żeliwa gatunku EN-GJS-500-7:
C  9,773  0,0015847  tH  0,0029393  tK  0,0074653  tM 
 0,429  KE  0,836  KI  1,208  KK  0,552  KM
(1)
parametry statystyczne:
dC = 0,69%; Cs = 3,569%; R = 0,95; F = 12,26; W = 5,64
Si  0,022  0,001903  tA  0,159  KA  0,139  KB  0,272  KE 
 0,233  KH  1,522  KI  1,329  KM
(2)
parametry statystyczne:
dSi = 1,67%; Sis = 2,553%; R = 0,93; F = 8,85; W = 4,23
Mn  9,627  0,010195  tF  0,005598  tK  0,009609  tM 
 0,084  KA  0,031  KB  0,370  KK  0,306  KM
parametry statystyczne:
dMn = 4,63%; Mns = 0,514%; R = 0,96; F = 15,07; W = 6,79
242
(3)
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
Mg  0,112  0,000251  tF  0,000111  tK  0,00050  KB 
 0,00804  KE  0,00162  KH  0,02103  KM
(4)
parametry statystyczne:
dCE = 1,62%; Mgs = 0,042%; R = 0,92; F = 11,40; W = 4,28
CE  5,111  0,0012774  tB  0,109  KA 
 0,087  KH  1,227  KK  0,686  KM
(5)
parametry statystyczne:
dCE = 0,65%; CE s = 4,37%; R = 0,94; F = 21,02; W = 6,27
Rm  631,1  0,60423  tB  1,55442  tH  1,8264  tK 
 10,08  KA  6,83  KB  168,58  KE  241,34  KI  163,03  KM
(6)
parametry statystyczne:
dRm = 0,66%; Rm s = 577,4MPa; R = 0,98; F = 28,19; W = 13,08
R p 0 ,2  1423,9  1,16926  tA  1,87344  tB  5,47779  tE 
 3,58151  tF  0,90794  tH  1,95123  tM  102,19  KE  201,04  KI
(7)
parametry statystyczne:
dRp0,2 = 0,99%; Rp0,2 s = 355,0MPa; R = 0,98; F = 22,27; W = 11,01
A5  79,32  0,045488  tA  0,061389  tB  0,016171  tE 
 0,07131  tF  0,00499  tH  2,53  KE  2,49  KI
(8)
parametry statystyczne:
dA5 = 1,98%; A5 s = 7,26%; R = 0,93; F = 10,10; W = 4,54
HB  1018,3  0,47409  tA  0,74158  tB  0,74284  tF 
 0,83568  tM  68,14  KE  39,50  KM
(9)
parametry statystyczne:
dHB = 1,30%; HBs = 244,5; R = 0,89; F = 7,44; W = 3,15
N a 09  500,5  2,56779  tD  2,14254  tK  140,05  KE  201,00  KK
(10)
parametry statystyczne:
dNa 09 = 12,42%; Na 09s = 76,9%; R = 0,89; F = 16,98; W = 3,91
243
Test W określony jest zależnością:
W 
gdzie:
 z2
 2f
(11)
 z2 – wariancja zbioru danych,  2f – wariancja funkcji.
Minimalna wartość dopuszczalna testu wiarygodności wynosi 2.
Opracowane zależności statys tyczne charakteryzują się wysokim współczynnikiem korelacji wielowymiarowej R zawartym w zakresie R = 0,89  0,98. Stanowiły
one podstawę do opracowania autorskiego programu komputerowego kontroli produkcji
i sterowania jakością żeliwa sferoidalnego.
Schemat procesu kontroli stopów pokazano na rysunku 2.
TOPIALNIA
Można zalewać
formy
{1}
Skorygować właściwości
ciekłego stopu {2}
STANOWISKO
ZALEWANIA
FORM
{1} Stop przygotowany
zgodnie z technologią
Ciekły
stop
OPERATOR
SYSTEMU
{3}
Powtórzyć pomiar
w nowym próbniku
{2} Stop przygotowany
niezgodnie z technologią
{3} Błędy w metodyce
pomiaru
{4}
Wybrać odpowiedną
funkcję korekty
analizy
Stanowisko
zalewania
próbnika
ATD
t=f(U)
Stanowisko
rejestracji
pomiarów
i wizualizacji
analiz
Rys. 2. Schemat procesu kontroli stopów
Fig. 2. The diagram of alloy control process
244
{4}
Błędy w analizie
pomiaru
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
Ciekły stop z pieca topialnego lub wytrzymującego wlewa się do próbnika
ATD umieszczonego na statywie. Z próbnika poprzez termoelement i przewód kompensacyjny sygnał napięciowy przekazany jest do Cristalldigraphu, a z niego do komputera.
Komputer przekazuje sygnał wizyjny do monitora. Na jego ekranie widoczne jest kreślenie krzywych ATD tj. stygnięcia: t = f() oraz krystalizacji (derywacyjnej): dt/d =
f’(). Po zakończeniu pomiaru, program komputerowy określa charakterystyczne wie lkości krzywych ATD i na podstawie zależności statystycznych oblicza własności mechaniczne stopu, które następnie pokazują się na monitorze.
Na rysunku 3 i 4 przedstawiono przykładowe wydruki z ekranu komputera
programu kontroli produkcji i sterowania jakością żeliwa gatunku EN-GJS-500-7 odpowiednio niezgodnego oraz zgodnego z technologią.
245
a)
b)
246
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
c)
d)
Rys. 3. Przykładowe wydruki z ekranu monitora krzywych ATD (a, c) oraz wyników obliczeń (b,
d) dla żeliwa gatunku EN-GJS-500-7 niezgodnego z technologią
Fig. 3. Sample computer screen displays of TDA curves (a, c) and test results (b, d) for incorrect
EN-GJS-500-7 cast iron
247
a)
b)
Rys.4. Przykładowe wydruki z ekranu monitora krzywych ATD (a) oraz wyników obliczeń (b)
dla żeliwa gatunku EN-GJS-500-7 zgodnego z technologią
Fig. 4. Sample computer screen displays of TDA curves (a) and test results (b) for correct ENGJS-500-7 cast iron
248
ARCHIWUM ODLEWNICTWA
Z przedstawionych krzywych wynika, że czas kontroli żeliwa nie przekracza
7 min. Wyniki obliczeń statystycznych pojawiają się na ekranie po zapisaniu zarejestrowanej krzywej oraz zadaniu przez obsługującego program rodzaju algoryt mu obliczeniowego. W przypadku spełnienia przez żeliwo wymogów jakości na ekranie pojawia się napis: „Można zalewać formy. Żeliwo zgodne z technologią” (rys. 4 b). Jeśli
którakolwiek z obliczonych wielkości nie spełnia wymagań stawianych przez zamawiającego pojawia się napis: „Nie zalewać form. Żeliwo niezgodne z technologią” (rys. 3 b,
d). Należy wówczas skorygować skład chemiczny ciekłego żeliwa i ponownie przeprowadzić pomiar. Możliwość zmiany składu chemicznego żeliwa w piecu topialnym pra ktycznie wyklucza wykonanie odlewów brakowych.
4.
WNIOSKI
Z przedstawionych w pracy wyników badań wnioski są następujące:
– na krzywej derywacyjnej żeliwa perlityczno-ferrytycznego występują punkty
charakterystyczne opisujące efekty cieplne od krystalizacji poszczególnych
faz,
– istnieje korelacja pomiędzy położeniem charakterystycznych punktów na
krzywej derywacyjnej, a składem chemicznym, parametrami stereologicznymi grafitu oraz własnościami mechanicznymi: Rm , Rp0,2 , A5 i HB żeliwa,
– opracowany na podstawie równań eksperymentalnych program komputerowy
umożliwia monitorowanie i kontrolę jakości produkowanego żeliwa jeszcze
przed zalaniem form.
LITERATURA
[1] Pietrowski S., Gumienny G.: Metodyka przygotowania oceny jakości żeliwa sferoidalnego z zastosowaniem metody ATD, Archiwum Odlewnictwa, PAN Oddz. Katowice, vol. 2, nr 6, 2002, s. 249.
[2] Pietrowski S., Gumienny G.: Ocena jakości żeliwa sferoidalnego EN-GJS-400-15
metodą ATD, Archiwum Odlewnictwa, PAN Oddz. Katowice, vol. 2, nr 6, 2002,
s. 257.
[3] Gumienny G.: Praca doktorska pt. Ocena jakości żeliwa sferoidalnego metodą
analizy termicznej i derywacyjnej (ATD), Łódź, 2003.
[4] Pietrowski S., Gumienny G.: Ocena jakości żeliwa sferoidalnego ferrytycznego,
Archiwum Odlewnictwa, PAN Oddz. Katowice, vol. 3, nr 8, 2003, s. 253.
[5] Pietrowski S., Gumienny G.: Ocena jakości żeliwa sferoidalnego metodą ATD,
Materiały Konferencyjne VIII Międzynarodowej Konferencji „WSPÓŁPRACA
2003”, Kraków – Szyce, 28 – 30. 04. 2003r.
[6] Pietrowski S., Gumienny G.: The control of ductile cast iron, Inżynieria Materiałowa, Nr 3 (140), 2004, s. 105.
249
PRODUCTION MONITORING OF DUCTILE CAST IRON
UNDER FOUNDRY CONDITIONS
SUMMARY
In this paper process of production control of ductile cast iron under foundry co nditions with the self-written computer programme using TDA method have been presented.
Pracę wykonano w ramach realizacji projektu celowego nr ROW-484-2004
Recenzował: prof. zw. dr hab. inż. Edward Guzik
250