KOMPUTEROWY SYSTEM WSPOMAGANIA STEROWANIA TEMPERATURĄ METALU W TECHNOLOGII DUPLEKS

Transkrypt

1 19/19 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 19 Archives of Foundry Year 2006, Volume 6, Book 19 PAN - Katowice PL ISSN KOMPUTEROWY SYSTEM WSPOMAGANIA STEROWANIA TEMPERATURĄ METALU W TECHNOLOGII DUPLEKS W. LEŚNIEWSKI 1, A. KARWIŃSKI 2, P. WIELICZKO 3, Instytut Odlewnictwa w Krakowie Kraków, ul. Zakopiańska 73 B. SIMIŃSKI 4 Odlewnia Żeliwa Simiński-Ordon sp.j Poczesna, ul. Jałowcowa 12, Zawodzie. STRESZCZENIE System zainstalowano w odlewni wyposażonej w żeliwiak i piec kanałowy wykorzystywany jako automat zalewowy. Seria kolejnych wyników pomiaru temperatury z opracowanego w I.O. pirometru PDS-1800 przetworzona przez program komputerowy umożliwia sterowanie mocą zasilającą pieca kanałowego. Duża rezerwa mocy pieca pozwala praktycznie na bieżącą regulację temperatury metalu wlewanego do formy. Key words: pyrometers, temperature control, iron castings 1. WPROWADZENIE Proces dupleks, w którym żeliwiak wykorzystuje się do wytapiania metalu zaś indukcyjny piec kanałowy służy do jego czasowego magazynowania jest powszechnie stosowanym procesem technologicznym wytwarzania ciekłego żeliwa. Temperatura metalu jest ważna na wszystkich etapach przygotowania, transportu oraz podczas wlewania do form. Dla wybranego gatunku żeliwa, wielkości i kształtu odlewu istnieje optymalna temperatura zalewania i jej zmiana wpływa ujemnie na właściwości wyprodukowanego wyrobu. Proces technologiczny prowadzony jest zwykle w taki sposób, aby w ustalonych warunkach zapewnić optymalną wartość temperatury metalu wlewa- 1 mgr inż., wles@iod.krakow.pl. 2 dr inż., akarw@iod.krakow.pl 3 mgr inż., wieliczp@iod.kraków.pl 4 mgr inż., odlewy@odlewy.com.pl 165

2 nego do form. Pomiary dokonywane dorywczo jednorazowymi końcówkami termoelementowymi w wybranych punktach technologicznych, nie zapewniają osiągnięcia stanu optymalnego. W przypadku wykorzystania pieca kanałowego do magazynowania met a- lu, pobieranego następnie kadziami rozlewczymi, podczas transportu metalu do form następuje dodatkowy spadek temperatury. Jej regulacja jest wówczas bardzo trudna. W przypadku wlewania metalu do form z pieca kanałowego możliwy jest pomiar te m- peratury metalu metodami pirometrycznymi lecz z reguły moc zasilania pieca jest zbyt mała, aby w sensowym czasie zmienić temperaturę metalu. Odmienna sytuacja wystąpiła w Odlewni Żeliwa Simiński-Ordon gdzie do konstrukcji zalewarki wykorzystano indukcyjny piec kanałowy DUOPUR 6.5/5 o p o- jemności 6.5 tony i maksymalnej mocy zasilającej 350kW. W tej sytuacji stała się mo ż- liwa zarówno kontrola jak i praktycznie bieżąca regulacja temperatury metalu. Budowę sytemu regulacji temperatury metalu postanowiono oprzeć na sprawdzonym systemie pomiaru i rejestracji temperatury odlewów (RTO) nagrodzonym medalem na Międzyn a- rodowych Targach Odlewniczych w Kielcach. System RTO zainstalowany w kilku zakładach przemysłowych służy w nich do bieżącej kontroli temperatury ciekłego żeliwa. Dane pomiarowe gromadzone w systemie umożliwiają pośrednią poprawę jakości odlewów poprzez: zmianę danych technologicznych odlewów, zaplanowanie właściwej kolejności zalewania różnych typów odlewów oraz uzupełnienie metalu w piecu met a- lem o odpowiednio skorygowanej temperaturze. Proces poprawy jakości następuje stopniowo, po zebraniu informacji o brakach i skorelowaniu ich występowania z zarejestrowanymi wartościami temperatury. Wyniki pomiaru temperatury metalu uzyskane przy wykorzystaniu pirometrów dwubarwowych serii PDS-1800 opracowanych w Instytucie Odlewnictwa, pozwalają stwierdzić, że system RTO umożliwia ciągłą, poprawną i praktycznie niezawodną kontrolę temperatury metalu wlewanego do formy. 2. POMIAR TEMPERATURY METALU Pirometryczny pomiar temperatury metalu wlewanego do form na liniach automatycznych stosowany jest bardzo rzadko. Przyczyn jest kilka, w pierwszej kolejn o- ści odgrywa rolę czynnik psychologiczny. Pomiar jest uznawany za nieprzydatny, p o- nieważ wynik uzyskany jest dopiero po zalaniu formy. Drugi czynnik znacznie ogran i- czający stosowanie pirometrii to konieczność zapewnienia poprawnego pomiaru temp e- ratury strugi metalu podlegającej zaburzeniom dynamicznym. W przypadku pirometrów szerokopasmowych lub monochromatycznych obszar pomiarowy musi w całości zna j- dować się na obiekcie pomiarowym. Odległość od obiektu nie ma znaczenia ponieważ spadek natężenia promieniowania docierającego do pirometru jest dokładnie kompensowany wzrostem powierzchni obiektu obejmowanym przez pole pomiarowe. Dla p i- rometru dwubarwowego temperatura wskazywana przez pirometr jest funkcją barwy obiektu i dlatego pole obiektu pomiarowego nie musi w pełni wypełniać pola detektora. Pirometry serii PDS-1800 projektowano, a następnie testowano w rzeczywistych warunkach odlewni. Kolejne modernizacje konstrukcji pozwoliły w sposób istotny ogran i- czyć wpływ jakości wypływu strugi na dokładność pomiaru temperatury. Układ p omia- 166

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA rowy pirometru dokonuje pomiaru temperatury metalu wlewanego do każdej formy, dla której czas zalewania przekracza założony minimalny czas pomiaru. Rejestrowana jest wartość średnia pomiaru wraz ze średnią odchyłką kwadratową. Ponad 90% pomiarów łącznie z pomiarami wykonywanymi podczas zaburzeń dynamicznych strugi żeliwa, jest wykonywanych z średnimi odchyłkami kwadratowymi mniejszymi od 5K. Analiza kolejnych wyników pozwalają na dokładne wyznaczenie temperatury metalu wlewan e- go do form zaś automatycznie gromadzona dokumentacja jest istotna zarówno dla służb technicznych odlewni jak i odbiorców. Poniższa tabela zawiera podstawowe parametry techniczne zmodernizowanego pirometru stacjonarnego serii PDS-1800 przeznaczonego dla Odlewni Simiński-Ordon. Tabela 1. Podstawowe parametry techniczne pirometru Table 1. Basic technical parameters of pyrometer Zakres pomiarowy o C Dokładność +/- 10 K Powtarzalność +/- 3 K Dopuszczalna zmiana współczynnika emisyjności 0,05 1,0 Zmiana stosunku emisyjności E1/E2 ręczna Maksymalny kąt pomiaru 2/80rad Pojemność pamięci wyników ok.6000 Odległość pomiarowa 0.8 5m Dopuszczalna temperatura pracy 5 50 o C Poniższy rysunek przedstawia pirometr na stanowisku pomiarowym przemieszczającym się wraz z zalewarką. Po prawej stronie u góry nowo wymurowane gniazdo zatyczki. Rys.1. Pirometr stacjonarny na stanowisku pomiarowym Fig.1. Stationary pyrometer on the measurement stand 167

4 3. WYZNACZENIE CHARAKTERYSTYK TERMICZNYCH PIECA W przypadku kanałowego pieca indukcyjnego stanowiącego równocześnie zalewarkę mamy do czynienia ze stałym odbiorem metalu przez zalewane formy oraz stałym dopływem metalu z żeliwiaka. Temperatura dostarczanego metalu mimo stosu n- kowo dużych strat na rynnie żeliwiaka jest wyższa niż temperatura metalu wlewanego do form. Objętość metalu znajdującego się w syfonie wylewowym wystarczy na zalanie od kilku do kilkunastu form. W tym czasie metal stopniowo traci początkową temperaturę uzyskaną w kanale grzewczym pieca i osiąga temperaturę rejestrowaną przez p irometr dwubarwowy. Mamy więc do czynienia z sytuacją dość skomplikowaną, gdzie na wielkość regulowaną może wpływać duża liczba czynników. Cały układ stanowi jednak zwartą konstrukcję i w przypadku gdy poszczególne zjawiska wpływają na temperaturę z długimi stałymi czasowymi, zmiana mocy pieca powinna umożliwić regulację wy j- ściowej temperatury metalu. Układ zasilający piec kanałowy umożliwia ośmiostopniową regulację mocy zgodnie z poniższą tabelą. Tabela 2. Charakterystyka układu zasilania pieca kanałowego Table 2. Characteristics of feeding system for channel furnace Zaczep Moc [kw] Przyrost mocy [%] W normalnej sytuacji produkcyjnej nie planuje się wykorzystania dwóch najwyższych poziomów mocy. Najmniejszy przyrost mocy dla wykorzystywanych stopni wynosi 12% zaś największy 31.1%. Stosunek mocy maksymalnej do minimalnej wyn o- si 2.3x, zaś stosunek mocy maksymalnie przewidywanej (6 stopień) do najczęściej wykorzystywanej (3 stopień) wynosi 1.6x. W celu oceny wielkości stałej czasowej zmian temperatury założono, że piec kanałowy pracuje bez dopływu metalu z żeliwiaka. Użyteczna pojemność pieca kan a- łowego szacowana jest na 5.500kg. Przeciętnie są zalewane 4 formy na minutę. Przy założeniu, że ciężar odlewu wynosi ok. 8kg pojemność pieca wystarczy na prowadzenie procesu przez ok. 170min. W tym czasie będzie następował stały wzrost temperatury metalu wlewanego do form. Jest to spowodowane podgrzewaniem coraz mniejszej ilości metalu przez układ zasilania dostarczający praktycznie stałą moc. Opisana syt uacja może wystąpić po wygaszeniu żeliwiaka i pozwala ocenić stałą czasową możliwych zmian temperatury na poziomie 30min, stanowiących 1/5 czasu potrzebnego na opró ż- nienia pieca. 168

5 Temp [ o C]. Temp [ o C]. ARCHIWUM ODLEWNICTWA Pomiary charakterystycznych przebiegów temperatury mierzono podczas no r- malnego procesu technologicznego. Poniżej przedstawiono wyniki dopasowania przebiegu zmian temperatury funkcją trzeciego stopnia. Kolejno prezentujemy nagrzewanie metalu wywołane wyłączeniem żeliwiaka podczas pracy pieca na 3 stopniu mocy oraz studzenie metalu spowodowane przełączeniem pieca z 3 na 1 stopień mocy y = 3E+07x 3-3E+12x 2 + 1E+17x - 1E+21 R 2 = 0, :13 08:15 08:18 08:21 08:24 08:27 08:30 08:33 08:36 08:38 Czas [min]. y = -4E+07x 3 + 4E+12x 2-2E+17x + 2E+21 R 2 = 0, :20 11:23 11:26 11:28 11:31 11:34 11:37 11:40 Czas [min]. Rys.2. Pomiar charakterystyk termicznych pieca kanałowego Fig.2. Measurement of thermal characteristics of channel furnace 169

6 Wszystkie przeprowadzone pomiary wskazują, że funkcje zmian temperatury pieca można przybliżyć z dokładnością wystarczającą na potrzeby sterowania wielomianem trzeciego stopnia. Uzyskane rezultaty pozwoliły na opracowanie i wdrożenie komputerowego systemu wspomagania sterowania temperaturą metalu w technologii duplex. 4. PODSUMOWANIE W skład opracowanego systemu komputerowego wchodzą następujące podzespoły 1. Nowego typu pirometr dwubarwny dostosowany do pomiaru temperatury ciekłego żeliwa w zalewarkach sterowanych ręcznie lub automatycznie. 2. Waga tensometryczna przeznaczona do określania ciężaru metalu dostępnego akt u- alnie w procesie technologicznym. 3. Detektor zaczepów umożliwiający wygodny podgląd ustawień mocy pieca. 4. Komputer PC do zbierania i archiwizacji danych pomiarowych wraz z dedykowanym programem realizującym następujące funkcje: rejestracja ciężaru metalu w piecu kanałowym, dopasowanie wielomianu n-tego stopnia do danych pomiarowych, liczenie z wyprzedzeniem linii trendu, wskazujące użytkownikowi na konieczność podjęcia decyzji o zmianie mocy zasilającej piec kanałowy, umożliwienie samodzielnego konfigurowania programu w zakresie zmiennych parametrów technologicznych, archiwizacja danych pomiarowych. Uruchomienie systemu i przeprowadzenie prac kontrolno-badawczych wykazały pełną przydatność systemu do bezpośredniego wspomagania sterowania temperaturą metalu. Uzyskane dane zebrane w plikach archiwalnych dają możliwość wykonywania różnorodnych analiz technologicznych procesu produkcyjnego. COMPUTER AIDED METAL TEMPERATURE CONTROL SYSTEM IN DUPLEX TECHNOLOGY SUMMARY The system was installed in a foundry on cupola and channel furnaces used for automatic pouring. A computer processed series of the following results of the temperature measurement, from the PDS-1800 pyrometer designed and manufactured in the Foundry Research Institute, enables a power adjustment of the channel furnace. A high reserve of the furnace power allows almost an on-line temperature regulation of the metal poured to the mould. Recenzował: prof. dr hab. inż. Franciszek Binczyk 170