ANALIZA MOŻLIWOŚCI OPTYMALIZOWANIA WSADU ŻE- LIWNEGO Z UDZIAŁEM OCYNKOWANYCH BLACH. Uniwersytet Zielonogórski, ul. Szafrana 2, Zielona Góra

Transkrypt

1 83/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (1/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (1/2) PAN Katowice PL ISSN ANALIZA MOŻLIWOŚCI OPTYMALIZOWANIA WSADU ŻE LIWNEGO Z UDZIAŁEM OCYNKOWANYCH BLACH M. GRZYBOWSKA 1, A. CEGIELSKI 2, A.W. BYDAŁEK 3 1 DOZAMETOdlewnia, ul. Przemysłowa 1, Nowa Sól 2, 3 Uniwersytet Zielonogórski, ul. Szafrana 2, Zielona Góra STRESZCZENIE W pracy wskazano na możliwość zastosowania metody programowania liniowego do ustalania składu wsadu żeliwnego z udziałem ocynkowanych blach. Ponadto poddano analizie oddziaływanie cynku na właściwości żeliwa. Przedstawiono wyniki obliczeń i wstępnych badań optymalizujących wytopy żeliwa z wsadem zanieczyszczonym cynkiem. Key words: castiron, optimum chemical composition, zinc influence on iron 1. WPROWADZENIE We współczesnym odlewnictwie konieczne jest rozwiązywanie złożonych problemów technicznych, technologicznych i ekonomicznych. Niezbędne są przy tym narzędzia wpierające podejmowanie optymalnych decyzji. Na ogół, przy danych warunkach technologicznych, istnieje wiele decyzji dopuszczalnych. Wyboru decyzji optymalnej można dokonać posługując się metodami matematycznymi [16]. W pracy podjęto próbę rozwiązania zadania umożliwiającego optymalizowanie procesu przetapiania żeliwa z uwzględnieniem obecności w wsadzie ocynkowanych blach stalowych. Do grupy zanieczyszczeń metalicznych zaliczyć można niepożądane domieszki które znalazły się w stopie odlewniczym miedzy innymi wskutek: przypadkowego zmieszania 1 mgr inż. m_grzybowska@o2.pl, 2 dr hab. A.Cegielski@wmie.uz.zgora.pl 3 dr hab. inż. a.bydalek@ibem.uz.zgora.pl 523

2 różnych gatunków stopów, oddziaływania chemicznego między składnikami stopu i ceramicznego materiału wykładziny piecowej i konieczności przetwarzania wtórnych surowców różnego pochodzenia. Analiza zależność zmian termodynamicznego potencjału reakcji tworzenia się tlenków od temperatury wskazuje w warunkach technologicznego przetapiania stopów żelaza na nietrwałość związków cynku (podobną do tlenków żelaza). Na podstawie częściowej analogii parametrów termodynamicznych miedzi do żelaza [7] można natomiast stwierdzić, że obecność cynku w żeliwie nie powinna wpływać bezpośrednio na stężenie wodoru. Jednak analiza parametrów oddziaływania wybranych zanieczyszczeń stopów żelaza i potencjalnego zanieczyszczenia cynkiem [8] wskazuje na możliwość oddziaływania cynku zarówno na rozpuszczalność wodoru jak i siarki. Potwierdzeniem mogą być wyniki analiz wykonanych dla stopów miedzi [11]. Wynika z nich większa wrażliwość na zmianę kinetyki krzepnięcia stopów miedzi z cynkiem niż bez cynku. Zależność zmian termodynamicznego potencjału reakcji tworzenia się chlorków od temperatury w warunkach standardowych wskazuje na dużą stabilność związków cynku z chlorem. Podobne wnioski można wyciągnąć z analizy prężności dysocjacji siarczków metali w zależności od temperatury (rys. 1). Przedstawiona na nim charakterystyka wskazuje na możliwość utrudnienia odsiarczania żeliwa topionego ze wsadu zawierającego cynk. 2 FeS 7 Prężność dysocjacji siarczków Ps 2, hpa CuS Ni S =SiS H S 2 Cu S 2 CdS SnS 2 ZnS Na S 2 MnS CeS CaS MgS LaS Al S Temperatura, K Rys. 1. Prężności dysocjacji siarczków metali w zależności od temperatury [11] Fig. 1. The sulphur relativeness of porosity and temperature [11] Duże odległości między atomami rozpuszczonych składników a osnową, jak to ma miejsce w odniesieniu do żelaza i cynku, ograniczają możliwości bezpośrednich 524

3 oddziaływań. W warunkach znacznego rozcieńczenia (np. przy udziale innych domieszek lub zanieczyszczeń) oddziaływania te znacznie maleją. W warunkach występowania bardzo małych stężeń cynku w roztworze z żelazem można zakładać, zgodnie z prawem Henry ego, proporcjonalność aktywności substancji rozpuszczonej (Zn) do jej ułamka molowego. Cynk odznacza się niską wartością współczynnika aktywności (0,146) wskazując na podobieństwo do węgla, niklu lub wanadu. Oddziaływanie każdego pierwiastka na przebieg krystalizacji pierwotnej i eutektycznej jest uzależniony od wielu czynników. Na podstawie przeglądu dostępnej literatury dla ważniejszych składników stopowych i cynku jako zanieczyszczenia wskazać można na odpowiednie oddziaływania grafityzujące (tablica 1). Tablica 1. Wpływ głównych składników stopowych żeliwa i cynku, jako zanieczyszczenia, na grafityzację Table 1. The influence of basic alloy component of cast iron and zinc on graphitization (as dirt) Oddziaływanie / Pierwiastki C Si Mn S P Zn Grafityzacja podczas krystalizacji przy krzepnięciu Grafityzacja podczas przemiany eutektoidalnej? Skłonności do powstawania grafitu międzydendrytycznego 0? Zwiększenie wymiarów wydzieleń grafitu Zwiększenie liczby ziarn eutektycznych 0(?) 0 0? Prawdopodobieństwo wpływu na grafityzację przez zmianę: zakresu T e,eut liczby zarodków prędkości wzrostu ziarn eutektycznych aktywności węgla w roztworze Znak () sprzyja grafityzacji żeliwa, () przeciwdziała grafityzacji, (0) brak wpływu, (?) brak wyjaśnienia.??? Przedstawiona analiza wskazuje na możliwość istotnego oddziaływania cynku zarówno na porowatość, jak i zawartość oraz strukturę zanieczyszczeń żeliwa siarką. Analiza kosztów wskazuje jednak na możliwość uzyskiwania korzystnych efektów ekonomicznych przy wykorzystaniu do wsadu blach ocynkowanych. Problem jest o tyle istotny, że na rynku surowcowym daje się zauważyć utrudniony dostęp do materiałów spełniających określone wymagania. Jednymi z nich są problemy z wykorzystaniem ocynkowanych blach. Sytuacja taka zmusza przemysł odlewniczy do poszukiwania nowych rozwiązań otrzymywania żeliwa. Sformułowanie problemu odpowiedniego doboru materiałów wsadowych jako zadanie programowania linowego pozwoli na efektywniejsze wykorzystanie mocy produkcyjnych odlewni przy zminimalizowaniu strat powstających w wyniku niewłaściwego doboru składu surowcowego. Stąd też próba optymalizacji procesu topienia z uwzględnieniem obecności we wsadzie cynku. 525

4 2. POSTĘPOWANIE OPTYMALIZACYJNE Wykorzystano pakiet obliczeniowy MATLAB firmy MathWorks, którego trzon stanowi interpreter języka umożliwiającego implementację algorytmów numerycznych [12]. Podstawowym typem danych jest macierz, a zarządzanie pamięcią odbywa się poza wiedzą użytkownika. W pakiecie MATLAB zaimplementowano standardowe operacje na macierzach. Wykorzystano podstawowe założenia programowania liniowego, uwzględniając maksymalizację i minimalizację funkcji liniowej przy ograniczeniach równości lub nierówności. Problem optymalizowania wsadu żeliwnego zdefiniowano w następujący sposób: minimalizować c T x przy ograniczeniach A X b, x 0, gdzie: x = ( x 1... x n ) xi jest ilością itego surowca użytego do produkcji określonego gatunku żeliwa, c = ( c 1... c n ) c j jest ceną zakupu jednostki jtego surowca A jest macierzą typu m x n określającą zawartości ustalonych pierwiastków che [ aij ] micznych w surowcach użytych do produkcji a ij (jest ilością itego pierwiastka w jednostce jtego surowca) T b = ( b 1... gdzie b i jest dopuszczalną zawartością itego pierwiastka w wytopie. b m ) Formułując przedmiotowe zagadnienie uwzględniono ponadto straty surowcowe powstające w procesie topienia. Na podstawie uzyskanych z literatury danych w formularzu programu optymalizującego ustalono minimalne i maksymalne zawartości głównych składników i zanieczyszczeń w żeliwie, uwzględniając dodatkowo cynk maks. 0,001% mas. Ustalono również skład chemiczny materiałów wsadowych (surówki, złomu żeliwnego i blach ocynkowanych). Wynikiem ostatecznym ma być zalecana ilość surowców w poszczególnych grupach wsadu. Zestawienie wynikowe (wydruk okna) pokazuje rysunek PODSUMOWANIE I WNIOSKI Zastosowanie metod matematycznych przy rozwiązywaniu problemu optymalizacji wytopu żeliwa pozwala na porównanie i ocenę dużej liczby wariantów, czego nie można zrobić metodami opartymi na intuicji, przede wszystkim na skutek wpływu decyzji o doborze surowców na rodzaj i jakość otrzymanego żeliwa. Ponadto należy podkreślić złożoność zagadnienia: nie tylko złożoność zachodzących zjawisk fizykochemicznych, ale również konieczność uwzględnienia szybkości działań (zależnej również 526

5 od urządzeń, na których wykonywane są obliczenia), oraz szybkość w sensie liczby operacji arytmetycznych, które trzeba wykonać. Według wskazanej prze program kompozycji wsadu (rys.2) został wykonany wytop próbny żeliwa szarego. Uzyskano dla niego standardowe właściwości technologiczne. Podczas prób wystąpiły jednak nieprzewidziane problemy wypłukiwania wymurówki. Obecnie prowadzone są badania zarówno nad korozyjnością jak i dopasowaniem optymalnych warunków rafinacyjnych do wytapiania żeliwa sferoidalnego z nowoopracowanych wsadów.. Uzyskane wyniki wprowadzone zostaną do opracowanego programu optymalizującego. Rys. 2. Wynikowe okno opracowanego programu optymalizacyjnego na bazie MATLAB firmy MathWorks Fig 2. The outcome window of elaborated optimization programme basis of the MATLAB of firm MathWorks LITERATURA [1] A. Cegielski: Programowanie liniowe, Wyd. Uniwersytetu Zielonogórskiego, 2002 [2] R. Knosala: Zastosowanie metod sztucznej inteligencji w inżynierii produkcji, Wyd. PWN, Warszawa 2002 [3] Z. Lech, E. Czekaj: Biuletyn Instutut Odlewnictwa, nr spec., 2001, 3 527

6 [4] J. Wolf:Giesserei, Nr 1, T. 88, 2001, 28 [5] A. Tabor, J. Rączka; Arch. Odlewnictwa, nr 17, R. 5, 2005, 333 [6[ S. Pietrowski, g. Gumienny, B. Pisarek: Arch. Odlewnictwa, nr 17, R. 5, 2005, 417 [7] A.W. Bydałek:Arch. Odlewnictwa, nr 17, R.5, 2005, 27 [8] J. Piaskowski; Przegląd Odlewnictwa, nr 7, t. 49, 1999, 250 [9] J. Ciesiółka, W. Kuźnicki: Przegląd Odlewnictwa, nr 6, t. 45, 1995, 222 [] C. Cadaroso, M. Losada: Melting of zinc coated scrap in modern crucible, EuroEquip S.A Fuchosa S.A., 2003 [11] A.W. Bydałek: Rola atmosfery w procesach topienia miedzi i jej stopów, Wydawn. PAN, Poznań, 2003 [12 ] A. Zalewski, R. Cegieła: MATLAB obliczenia numeryczne i ich zastosowanie, Wydawn. NAKOM, Poznań, 2001 THE ANALYSIS OF POSSIBILITY OPTIMIZING THE PART ZINC SHEET METALS AS THE CASTIRON FURNACE CHARGE SUMMARY The introduced analysis shows on possibility essential zinc influences on porosity, as and the content as well as structure of sulphur dirts of cast iron. The costanalysis shows however on possibility of procurance of profitable economic effects near utilization to batch of sheet metals with zinc. Problem is essential because definite requirements access on of raw material market be made difficult to fulfilling materials. One of these materials are sheet metals with zinc. The situation forces the casting industry to search new methods of obtention cast iron. The expression the problem of suitable selection of added materials, as task the rope programming, it will permit on more effective utilization the productive power of foundry near minimalizing the nascent in result of inappropriate selection of the raw material composition losses. From here also the test of optimization of process fusion from regard in batch of zinc are presence. Recenzował: Prof. Jerzy Mutwil 528