IDENTYFIKACJA ODDZIAŁYWANIA OCHŁADZALNIKÓW NA KRZEPNIĘCIE ODLEWÓW STALIWNYCH. Z. IGNASZAK 1 Politechnika Poznańska

Transkrypt

1 17/44 Solidification of Metals and Alloys, Year 2000, Volume 2, Book No. 44 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 2000, Rocznik 2, Nr 44 PAN Katowice PL ISSN IDENTYFIKACJA ODDZIAŁYWANIA OCHŁADZALNIKÓW NA KRZEPNIĘCIE ODLEWÓW STALIWNYCH Z. IGNASZAK 1 Politechnika Poznańska STRESZCZENIE Stosowanie ochładzalników zewnętrznych, także w regionach poza węzłami cieplnymi, pozwala na lokalne sterowanie uzyskiwaniem wysokich charakterystyk mechanicznych w wielkogabarytowych odlewach staliwnych. Modelowanie zjawisk zachodzących w takim układzie wymaga identyfikacji cieplnych warunków krzepnięcia oraz przemieszczania strefy końcowego krzepnięcia i osi cieplnej układu, w powiązaniu z krytycznym ułamkiem fazy stałej, limitującym zasilanie masowe. Artykuł dotyczy badań eksperymentalnych i symulacyjnych wybranych aspektów tych zagadnień. 1. WSTĘP Ochładzalniki zewnętrzne są szczególnie przydatne do zaawansowanego sterowania przebiegiem procesów zasilania i krzepnięcia wielkogabarytowych odlewów z żeliwa i staliwa. Metoda ta polega na ich rozmieszczeniu w formie w funkcji zdefiniowanych wymagań, jakie powinien spełniać odlew czyli stanu jakości, a głównie wad wewnętrznych i struktury. Technolog projektujący proces winien zatem posiadać odpowiednie podstawy i narzędzia pozwalające mu w pierwszej kolejności opracować wyjściową koncepcję technologii z użyciem ochładzalników, a następnie dokonać jej optymalizacji, z wykorzystaniem komputerowego systemu symulacyjnego. Niepewność co do stosowania właściwych danych do projektu, pochodzących z ekstrapolacji formuł i metod dla małych odlewów, ale także duży koszt badań, powoduje, że nadal oczekuje się opracowań, usprawniających nowoczesne projektowanie technologii odlewów wielkogabarytowych. Niniejszy artykuł dotyczy badań eksperymentalnych i symulacyjnych przeprowadzonych przez autora dla odlewów o grubości 100 i 200mm, ze staliwa niskostopowego 35NiCrMo6 [5 8]. 1 Dr hab. inż., prof. nadzw. Politechniki Poznańskiej Zenon.IGNASZAK@put.poznan.pl

2 ANALIZA ZAGADNIENIA Główny problem jaki staje przed stosującymi ochładzalniki zewnętrzne, związany ze sterowaniem zasilaniem, zorientowanym ku nadlewom lub z podziałem obszaru zasilania na strefy, to dobór wielkości ochładzalników i ich sumarycznej powierzchni kontaktu z odlewem jak i proporcji tej powierzchni w stosunku do powierzchni odtwarzanej bezpośrednio przez masę piaskową. Podstawą tego doboru są właściwe obliczenia modułu krzepnięcia. Wychodząc z modułu geometrycznego i tylko na podstawie literatury trudno jest zadowalająco precyzyjnie i jednoznacznie przeprowadzić te obliczenia. Podawane w różnych źródłach [1 4] metody, formuły i współczynniki dają wyniki różniące się istotnie [5]. Moduł można wyznaczyć dokładniej na podstawie obliczeń optymalizacyjnych (symulacja komputerowa) korzystając z lokalnych czasów krzepnięcia lub jak w przypadku kodu Magmasoft odczytując wprost wartości lokalnych modułów. Warunkiem bezwzględnie tutaj wymaganym, ze względu na różnorodność materiałów użytych do budowy formy, jest energetyczna walidacja modelu czyli uzyskanie m.in. zgodności rzeczywistych i obliczonych z symulacji czasów krzepnięcia ścian odlewu, co wykazano w [10]. Dopiero taka zgodność upoważnia do wiarygodnego wnioskowania o przebiegu poszczególnych etapów krzepnięcia i zasilania [9]. Schemat klasyfikacji źródeł informacji, które kojarzone z warunkami obliczeń, prowadzą do uwiarygodnienia modelu symulacji, podano na rys.1. Rzecz w tym, że niepewność termofizycznych danych materiałowych (w pre processingu) połączona z brakiem wystarczających eksperymentalnych danych (I grupa informacji rys.1), utrudnia walidację energetyczną. W tym przypadku jedynym rozwiązaniem, często wskazywanym jako wystarczające, do oceny jakości wyników symulacji, jest II grupa informacji, w wśród nich wynik kontroli umiejscowienia wad skurczowych. Margines akceptacji porównania wyników jest w drugim przypadku zdecydowanie szerszy, a optymalizacja koncepcji technologii nie zawsze jest osiągnięta. W [11] pokazano, że przy relatywnie niskich kosztach, możliwe jest uzyskiwanie informacji I grupy, cennych dla walidacji, przez zastosowanie odpowiednich elementów pomiarowych, właściwie rozmieszczonych w odlewie i formie. 3. PRZEBIEG BADAŃ Seria odlewów płyt o szerokości 420mm, wysokości 750mm i grubościach 100 i 200mm, ze staliwa 35NiCrMo6, została odlana równocześnie do wielownękowej formy piaskowej z masy furanowej. Każda z pary płyt posiadała odrębny i zróżnicowany system ochładzalników zewnętrznych. Płyty były ustawione tak, aby ograniczyć do maksimum boczny efekt brzegowy. Poszczególne płyty zasilane były z indywidualnych nadlewów, izolowanych cieplnie. Stan i położenie wad skurczowych w odlewach kontrolowano ultradźwiękami oraz po rozcięciu metodą penetracyjną. Zarejestrowane krzywe temperaturowe z zainstalowanych odlewach i w formie termoelementów umożliwiły walidację energetyczną modelu użytego w symulacji

3 139 OBROBIONY ODLEW Kontrola nie Niszcz, Niszcz inne wady odkryte podczas skrawania struktura twardość naprężenia właściwości mechaniczne (w czasie poza procesem) EKSPERYMENT WALIDACYJNY (laboratoryjny, przemysłowy) Źródła i przepływ informacji o procesie odlewania źródła II grupy źródła I grupy PRE - ODLEWANIE KRZEPNIĘCIE SUROWY PROCESSING (wypełnianie formy) I STYGNIĘCIE ODLEW Model Analiza (1) termo- Analiza (2) termo- Kontrola nie Niszcz, procesu mechaniczna ukł. O-F mechaniczna ukł. O-F Niszcz bazy danych materiałowych geometria podział (mesh) czasy zalewania (całkowity, cząstkowe) dynamika wypełniania wybrane temperatury anomalie procesu ciśnienia metalu i gazów zmiany dylatacyjne krzywe stygnięcia odlewu i nagrzewania formy pola temperatury układu emisja akustyczna naprężenia zmiany dylatacyjne układu wady zewnętrzne wady wewnętrzne: - zidentyfikowane, - niezidentyfikowane struktura twardość naprężenia (w czasie rzeczywistym) (w czasie rzeczywistym) (w czasie poza procesem) Rys.1 Schemat walidacji pre-processingu modelu procesu odlewania Fig. 1 Pattern of casting pre-processing model validation

4 WYNIKI BADAŃ OPIS I ANALIZA Czasy krzepnięcia τ sol wyznaczone z zarejestrowanych krzywych stygnięcia, zostały również obliczone, z założoną dokładnością, z symulacji (na drodze walidacyjnej) i wyniosły odpowiednio (oznaczenia dla odlewów o grubości 100 i 200mm: w masie piaskowej, bez ochładzalników sab, jednostronnie z ochładzalnikami 1xR, obustronnie z ochładzalnikami 2xR) : Płyta 100sab 100 1xR 100 2xR 200sab 200 1xR 200 2xR Czas krzep 48min 22min 11,5min 120min 52min 34min b rel 1 1,48 2,05 1 1,52 1,88 b rel * 3,54 3,88 b rel a /b rel b 1/1 1,34/1,15 1/1 1,37/1,15 W powyższym zestawieniu podano także wartości względnych współczynników akumulacji ciepła (b rel ) obliczonych wg reguły Chvorinova Wiejnika: brel = τ τ (1) b ixr b sab = sol sab sol ixr i wartości b rel *, obliczonych na podstawie interpretacji powyższej zależności, przez uwzględnienie położenia strefy osiowych wad skurczowych (dla przypadków 100 1xR i 200 1xR "jednostronnych"), gdzie ξ ixr i ξ sab oznaczają odpowiednio odległości tej osi od strony kontaktu z ochładzalnikami i od strony kontaktu z "piaskiem". brel * ξ (2) = bixr b sab = ξ ixr sab Podano także współczynniki b rel a i b rel b stosowane według [2,3] przez dwóch technologów do obliczeń zasilania i wielkości nadlewów [5]. Jest oczywiste, że nie można oczekiwać precyzyjnego wskazania strefy porowatości, gdyż ani b rel, ani b a czy też b b nie osiąga wartości b*. Problem ten wynika z uproszczeń modelu bilansowego. Przykład badań symulacyjnych przypadku 200 1xR (dane termofizyczne i konstrukcji siatki podziału tabl.1), pokazany na rys.2, pokazuje zgodną z intuicją migrację osi cieplnej odlewu w kierunku kontaktu odlew "piasek". Dla przyjętego makromodelu i funkcji źródła ciepła krzepnięcia wg f s =(T L -T)/(T L -T S ), minimum profilu f s, około 0,75 0,80, odpowiada położeniu osiowych porowatości skurczowych (ξ sab 41mm). Należy sądzić, że wyznaczono w ten sposób wartość określaną jako f s cr krytyczny ułamek fazy stałej dla zasilania masowego. Gdyby przyjęto krytyczną wartość f s =1, to prognoza ξ sab wskazałaby wartość 30mm. Gdyby zaś oprzeć się tylko na obliczeniach klasycznych i wartościach współczynnika akumulacji ciepła, otrzymano by ξ sab =79mm (dla b rel = 1,52), ξ sab = 85mm (b rel a =1,37) i ξ sab =93mm (b rel b =1,15). 5. PODSUMOWANIE Nowoczesność w projektowaniu technologii odlewania winna prowadzić do zmniejszania marginesu błędu w prognozach wad odlewniczych, przez inwestowanie w hardware i software systemów komputerowych oraz równoległe doskonalenie warsztatu eksperymentalnego i symulacyjnego w służbie jakości odlewów.

5 141 Tabela 1. Parametry termofizyczne układu odlew forma i schemat siatki w kierunku X Table 1. Thermophysical parameters of casting mould system and mesh pattern in X direction Współczynnik przewodności cieplnej Ciepło właściwe Gęstość kg/m 3 W/mK J/kgK Odlew-faza ciekła Odlew-faza stała Masa piaskowa Ochładzalnik Materiał izolacyjny 0, Temperatura początkowa odlewu 1521 o C, temperatura likwidus 1511 o C, temperatura solidus 1469 o C, ciepło krzepnięcia 270 kj/kg Średni współczynnik wymiany ciepła odlew ochładzalnik 400 W/m 2 K Współczynnik wymiany ciepła z otoczeniem 10 W/m 2 K masa kwarcowa 500mm / 13węzłów odlew 200mm / 10w. ochładz. masa kwarcowa 65mm/3w 400mm / 3w. ξ sab 41mm Rys.2 Zmiany ułamka fazy stałej f s podczas krzepnięcia płyty staliwnej (200 1xR) Fig.2 Changes of solid fraction f s during solidification of steel plate (200 1xR)

6 142 LITERATURA [1] R.Wlodawer: Die gelenkte Erstarrung von Stahlguss. Dûsseldorf Giesserei- Verlag. [2] Praca zbiorowa: Techniques de l'ingénieur (red. Gilles Pomey), vol.6: Fonderie et moulage, Ed. TI [3] H.Devaux: Traité pratique de masselottage des pièces moulées en sable. Editions techniques des Industries de la Fonderie, Paris [4] Praca zbiorowa: Poradnik Inżyniera Odlewnictwo (pod red. W. Sakwy), WNT Warszawa [5] Z. Ignaszak: Etude sur les formules pour calculer l influence thermique des refroidisseurs sur les pièces en acier. Raport dla Ferry Capitain, listopad [6] Z.Ignaszak i inni: Niekonwencjonalna metoda doskonalenia ścisłości odlewów z identyfikacją i weryfikacją procesów zasilania i krzepnięcia na drodze symulacyjno eksperymentalnej. Nr projektu KBN 7 T08B , Poznań [7] Z.Ignaszak, M.Hajkowski: Ścisłość i struktura krzepnięcia odlewów ze staliwa niskostopowego. Krzepnięcie metali i stopów, nr 33, wyd. PAN Katowice [8] Z. Ignaszak, J-B. Guillot, A. Zymla Application de résultats de simulation de la solidification pour définir les paramètres d homogénéisation de pièces en acier. Artykuł gotowy do publikacji w technicznym czasopiśmie francuskim, [9] Z. Ignaszak: Aplikacyjne uwarunkowania rozwoju modelowania i symulacji procesów odlewania. Proceedings Konferencji sprawozdawczej Komitetu Hutnictwa PAN, Krynica, [10] Z.Ignaszak : Termofizyczne parametry materiałów izolacyjnych w zastosowaniach do projektowania zasilania odlewów i symulacji ich krzepnięcia. Solidification of Metals and Alloys, 1999, vol.1, Book no 40. [11] Z. Ignaszak, B. Beszterda Proposition of identification method of final solidification time for castings.. Referat wygłoszony podczas IV Int. Symposium Modeling of casting and foundry processes, , Poznań Ostrowieczno. SUMMARY IDENTIFICATION OF CHILL EFFECT ON THE STEEL CASTING SOLIDIFICATION The application of external chill system, also in the regions out of hot spots, permits to receive the local control of mechanical increasing characteristics in the massive steel castings. Modeling of existing real phenomena needs the identification of solidification thermal conditions as well as the identification of finish solidification zone dislocation and XX thermal axis, everything connected with critical solid fraction that limits the mass feeding of castings. This paper concerns the experimental and simulation research of chosen aspects of these problems. Reviewed by prof. Józef Gawroński