monitorowanie produkcji żeliwa - Archives of Foundry Engineering
Transkrypt
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) 50m 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