MONITOROWANIE PRODUKCJI I KONTROLA JAKOŚCI STALIWA ZA POMOCĄ PROGRAMU KOMPUTEROWEGO

50/17 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2005, Rocznik 5, Nr 17 Archives of Foundry Year 2005, Volume 5, Book 17 PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 MONITOROWANIE PRODUKCJI I KONTROLA JAKOŚCI STALIWA ZA POMOCĄ PROGRAMU KOMPUTEROWEGO STRESZCZENIE S. PIETROWSKI 1, G. GUMIENNY 2, B. PISAREK 3 Katedra Systemów Produkcji, Politechnika Łódzka, ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 Łódź W pracy przedstawiono proces kontroli produkcji staliwa niestopowego i stop o- wego w warunkach odlewni przy użyciu programu komputerowego wykorzystującego metodę analizy termicznej i derywacyjnej. Key words: crystallization, non-alloyed and alloyed cast steel, thermal derivative analysis 1. WSTĘP W pracach [1 3] wykazano możliwość kontroli staliwa gatunku GC20 (L20), GC40 (L600), GX20Cr56 (LH14) oraz GXCrNi72-36 (LH18N9) metodą analizy termicznej i derywacyjnej (ATD). Podano w nich, że na krzywej krystalizacji występują efekty cieplne od przemiany perytektycznej i przemian fazowych w stanie stałym oraz wydzielania węglików z austenitu w staliwie stopowym. Charakterystyczne wielkości tych efektów mogą stanowić podstawę do opracowania zależności statystycznych p o- między nimi, a składem chemicznym staliwa i jego własnościami mechanicznymi. W y- korzystując zależności statystyczne można opracować program komputerowy, który będzie monitorował produkcję i kontrolował jakość staliwa. Celem niniejszej pracy jest przedstawienie monitorowania produkcji i kontroli jakości staliwa niestopowego i stopowego za pomocą autorskiego programu komputerowego. Został on wdrożony w Spółdzielni Pracy ARMATURA w Łodzi, ul. Duńska 1 prof. zw. dr hab. inż., spietrow@mail.p.lodz.pl 2 dr inż., grzegum@p.lodz.pl 3 dr inż., bpisarek@p.lodz.pl 417

23 do kontroli staliwa gatunku GC20 (L20), GC40 (L600), GX20Cr56 (LH14) oraz GXCrNi72-36 (LH18N9). 2. METODYKA BADAŃ Zakres składu chemicznego badanych gatunków staliwa przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Zakres składu chemicznego staliwa Table 1. The range of chemical composition of cast iron Gatunek staliwa Skład chemiczny, % C Si Mn Cr Ni P S GC20 (L20) 0,21 29 68 0,26 0,45 0,88 015 030 GC40 (L600) 0,40 40 60 0,50 0,45 0,80 013 020 GX20Cr56 0,152 521 597 11,72 (LH14) 0,306 0,586 0,642 13,58 024 018 GXCrNi72-36 (LH18N9) 0,107 0,173 0,622 0,850 0,399 0,565 17,97 19,23 5,98 9,58 026 017 Obszerną metodykę badań wraz z opisem procesu krystalizacji staliwa niestop o- wego oraz stopowego przedstawiono w pracach [1 3]. Dokonano w nich także interpretacji efektów cieplnych pochodzących od krystalizacji poszczególnych faz występ u- jących na krzywych derywacyjnych oraz opisano przebieg krystalizacji każdego gatu n- ku staliwa. Z przedstawionych w pracach [1 3] danych wynika, że proces krystalizacji staliwa a więc i jego mikrostrukturę można opisać wielkościami opisującymi punkty charakterystyczne występujące na krzywej derywacyjnej. Ze względu na to, że mikrostruktura ma bezpośredni wpływa na własności mechaniczne staliwa, istnieje możliwość opisania ich parametrami krzywych ATD. 3. WYNIKI BADAŃ Na rysunkach 1 4 przedstawiono reprezentatywne krzywe ATD (a) oraz mikrostrukturę (b) następujących gatunków staliwa: niestopowego gatunku GC20 (L20), rys. 1 (a, b), niestopowego gatunku GC40 (L600), rys. 2 (a, b), chromowego gatunku GX20Cr56 (LH14), rys. 3 (a, b), chromowo-niklowego gatunku GXCrNi72-36 (LH18N9), rys. 4 (a, b). 418

o t, C o dt/d, C/s ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) 1500 A B C D 1 1400 0 t = f( ) -1 1300-2 1200-3 dt/d = f'( ) 1100-4 0 40 80 120 160 200, s Punkt, s t, C dt/d, C/s 2 A B C D 47 73 83 111 ta = 1462 tb = 1448 tc = 1434 td = 1379 KA = 0,01 KB = -1,46 KC = -1,24 = -3,81 b) 50m mikrostruktura: ferryt, perlit, wtrącenia niemetaliczne Rys. 1. Krzywe ATD (a) i mikrostruktura (b) staliwa GC20 (L20) Fig. 1. TDA curves (a) and the microstructure (b) of GC20 (L20) cast steel 419

o t, C o dt/d, C/s a) 1500 A B C D 1 1400 0 t = f( ) -1 1300-2 1200 dt/d = f'( ) -3 1100 0 40 80 120 160 200, s Punkt, s t, C dt/d, C/s 2 A B C D 20 49 64 97 ta = 1472 tb = 1449 tc = 1429 td = 1370 KA = -0,18 KB = -1,39 KC = -1,07 = -3,27 b) -4 50m mikrostruktura: ferryt, perlit, wtrącenia niemetaliczne Rys. 2. Krzywe ATD (a) i mikrostruktura (b) staliwa GC40 (L600) Fig. 2. TDA curves (a) and the microstructure (b) of GC40 (L600) cast steel 420

o t, C o dt/d, C/s ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) 1500 A B C D 1 1400 0-1 1300 t = f( ) -2 1200 dt/d = f'( ) -3 1100 0 40 80 120 160 200, s Punkt, s t, C dt/d, C/s 2 A B C D 35 69 82 124 ta = 1469 tb = 1438 tc = 1423 td = 1341 KA = 0,01 KB = -1,29 KC = -1,18 = -3,31 b) -4 50m mikrostruktura: martenzyt, węgliki, austenit szczątkowy, wtrącenia niemetaliczne Rys. 3. Krzywe ATD (a) i mikrostruktura (b) staliwa GX20Cr56 (LH14) Fig. 3. TDA curves (a) and the microstructure (b) of GX20Cr56 (LH14) cast steel 421

o t, C o dt/d, C/s a) 1500 A B C D 1 1450 0 dt/d = f'( ) -1 1400-2 1350 t = f( ) -3 1300-4 0 40 80 120 160 200, s Punkt, s t, C dt/d, C/s 2 A B C D 34 70 78 109 ta = 1421 tb = 1399 tc = 1389 td = 1333 KA = 0,13 KB = -1,38 KC = -1,18 = -2,80 b) 50m mikrostruktura: austenit, węgliki, wtrącenia niemetaliczne Rys. 4. Krzywe ATD (a) i mikrostruktura (b) staliwa GXCrNi72-36 (LH18N9) Fig. 4. TDA curves (a) and the microstructure (b) of GXCrNi72-36 (LH18N9) cast steel 422

ARCHIWUM ODLEWNICTWA Poniżej przedstawiono zależności eksperymentalne pomiędzy wielkościami op i- sującymi punkty charakterystyczne na krzywych derywacyjnych (temperaturą t, C oraz szybkością stygnięcia K, C/s), a składem chemicznym oraz własnościami mechanicznymi R m, R p0,2, A 5, HB i KCU staliwa. Równania dla staliwa GC20 (L20): Wytrzymałość na rozciąganie: R m 863, 4 77035tA 82763tB 34349tD 17, 96 KB 57, 41 KC R m s = 495,9MPa; dr m = 1,16%; R = 0,98; F = 13,84; W = 9,02 Umowna granica plastyczności: R p 0, 2 794, 9 07156tA 59418tB 95894tD 17, 37 KA 15, 88 KC 2313, R p0,2 s = 289,3MPa; dr p0,2 = 0,08%; R = 0,99; F = 1356; W = 904 Wydłużenie: A 124, 56 074011 tb 0193682, td 5 6, 453 KA 2, 327 KB 7, 282 KC 4, 423 A 5 s = 24,2%; da 5 = 1,94%; R = 0,98; F = 15,89; W = 10,92 Twardość: HB 9, 7 45202 tb 36019 tc 017947, td 9, 73 KA 10, 01 KB 9, 42 KC 8, 43 HBs = 154,9; dhb = 0,24%; R = 0,99; F = 437; W = 340 Udarność: KCU 204, 2 013481, ta 04941 td 3, 21 KB 3, 68 KCUs = 54,00J/cm 2 ; dkcu = 1,39%; R = 0,96; F = 12,37; W = 6,68 (1) (2) (3) (4) (5) 423

Zawartość węgla: C 0, 836 0016553tA 0012399tB 0021698tC 0529 KA 01688, KB 01779, KC Cs = 0,251%; dc = 3,51%; R = 0,99; F = 21,08; W = 14,38 Zawartość krzemu: Si 5, 330 0038815tA 0021076tB 0030854tC 0057833tD 01812, KA 01956, KB Sis = 0,371%; dsi = 5,97%; R = 0,99; F = 12,73; W = 9,80 Zawartość manganu: Mn 3, 735 0053439tA 0027491tB 0054954tD 2547 KA 0509 KB Mns = 0,600%; dmn = 5,78%; R = 0,98; F = 13,39; W = 8,74 Równania dla staliwa GC40 (L600): Wytrzymałość na rozciąganie: R m 3088, 8 3, 638 ta 4, 024 tc 1391, td 266, 83 KB 160, 34 KC 1312, R m s = 622MPa; dr m = 1,84%; R = 0,97; F = 24,87; W = 11,23 Umowna granica plastyczności: R p 0, 2 946, 6 8727tA 9535tC 3377tD 8, 50 KA 62, 29 KB 4617, KC R p0,2 s = 365,3MPa; dr p0,2 = 1,17%; R = 0,96; F = 14,92; W = 6,97 Wydłużenie: A 2, 7 06187tB 07349tC 5 4, 22 KB 2, 07 KC 56 A 5 s = 17,96%; da 5 = 1,50%; R = 0,96; F = 17,05; W = 7,69 (6) (7) (8) (9) (10) (11) 424

ARCHIWUM ODLEWNICTWA Twardość: HB 190, 2 40676 ta 38477 tc 47, 87 KA 22, 75 KC 2, 45 HBs = 182,1; dhb = 1,08%; R = 0,98; F = 32,86; W = 13,26 Udarność: KCU 9, 8 02555 tb 03135 tc 03809 td 3, 01 KA 2, 42 KB KCUs = 42,54J/cm 2 ; dkcu = 1,11%; R = 0,95; F = 14,00; W = 6,42 Zawartość węgla: C 1123, 0026662tB 002179tC 216 KA 0113, KB 0175, KC Cs = 0,441%; dc = 3,48%; R = 0,94; F = 12,62; W = 5,47 Zawartość krzemu: Si 3, 040 0019067tB 0015715tC 0017487tD 216 KA 221 KB 097 KC 042 Sis = 0,390%; dsi = 4,18%; R = 0,98; F = 21,29; W = 12,84 Zawartość manganu: Mn 5, 437 0098659tA 0129205tB 458 KA 0162, KB 0110, KC 092 Mns = 0,672%; dmn = 6,77%; R = 0,94; F = 7,33; W = 4,16 Równania dla staliwa chromowego GX20Cr56 (LH14): Wytrzymałość na rozciąganie: R m 1636, 9 62485tA 77701tC 60335tD 18, 45 KA 35, 90 R m s = 746,7MPa; dr m = 1,07%; R = 0,93; F = 10,75; W = 4,48 (12) (13) (14) (15) (16) (17) 425

Umowna granica plastyczności: R p 0, 2 1354, 7 2, 43857 ta 3, 06702 tb 1, 48994 tc 37, 88 KA 34, 69 KC 150, 87 R p0,2 s = 511,1MPa; dr p0,2 = 2,86%; R = 0,94; F = 9,96; W = 4,84 Wydłużenie: A 13, 45 019094 ta 063388 tb 029968 tc 5 0183088 td 103, KC 110, A 5 s = 14,0%; da 5 = 1,54%; R = 0,95; F = 12,05; W = 5,73 Twardość: HB 214, 6 33543tA 61898tB 010488, tc 22453tD 12, 58 KA 16, 65 KC HBs = 246,5; dhb = 1,01%; R = 0,94; F = 9,32; W = 4,57 Zawartość węgla: C 548 0026935tB 0013901tC 0016671tD 0773 KA 0811 KB 0643 KC 0324 Cs = 0,254%; dc = 5,30%; R = 0,95; F = 9,10; W = 5,05 Zawartość chromu: Cr 1019, 003798tA 759 KA 1580, KB 591 KC Crs = 12,74%; dcr = 2,43%; R = 0,86; F = 6,84; W = 2,67 Zawartość krzemu: Si 2, 966 0058280tA 0096973tB 0018264tC 01783, KA 01094, KB 01150, Sis = 0,587%; dsi = 5,75%; R = 0,95; F = 13,67; W = 6,07 (18) (19) (20) (21) (22) (23) 426

Zawartość manganu: Mn 2, 550 0189511tA 0080853tB 0063275tC 0066445tD 3886 KA 3474 KB 0913 KC 01212, Mns = 0,565%; dmn = 9,94%; R = 0,94; F = 5,31; W = 3,46 Równania dla staliwa austenitycznego GXCrNi72-36 (LH18N9): Wytrzymałość na rozciąganie: R m 6326, 8 7, 99473tA 4, 26475tB 8, 32005tC 11315, KC 30, 51 R m s = 600,4MPa; dr m = 3,56%; R = 0,93; F = 7,91; W = 4,14 Umowna granica plastyczności: R p 0, 2 1232, 0 2, 24367tA 2, 03218tB 3, 24031tC 33950tD 6617, KB R p0,2 s = 241,6MPa; dr p0,2 = 1,38%; R = 0,98; F = 28,8; W = 13,65 Wydłużenie: ARCHIWUM ODLEWNICTWA A5 74, 20, 05436tC 013437, td 3, 98 KB (27) A 5 s = 34,6%; da 5 = 1,94%; R = 0,91; F = 12,87; W = 4,24 Twardość: HB 557, 8 0, 94702tA 42111tB 7, 02 KA 7, 97 KC 9, 20 HBs = 163,9; dhb = 1,80%; R = 0,92; F = 5,44; W = 3,22 Udarność: KCU 36, 26 011068, ta 014715, td 180, KA 3, 54 KB 163, KCUs = 84,75J/cm 2 ; dkcu = 1,33%; R = 0,91; F = 6,04; W = 3,29 (24) (25) (26) (28) (29) 427

Zawartość węgla: C 1, 125 00116089tA 04333 KA 12557 (30) Cs = 0,151%; dc = 9,03%; R = 0,93; F = 16,17; W = 5,55 Zawartość chromu: Cr 34, 34 090066tB 099150tC 2, 49 KB 29 (31) Crs = 18,64%; dcr = 1,13%; R = 0,94; F = 15,76; W = 5,92 Zawartość niklu: Ni 19172, 0164674, ta 045859tB 12, 98 KB 10, 57 KC 2, 97 Nis = 8,4%; dni = 7,16%; R = 0,93; F = 8,37; W = 4,07 Zawartość krzemu: Si 6137, 0099751tA 0037758tC 0029201tD 0129, Sis = 0,730%; dsi = 4,02%; R = 0,94; F = 18,40; W = 6,36 Zawartość manganu: Mn 12, 697 0171286tB 0170959tC 0089286tD 0121, KA 01302, KB Mns = 0,609%; dmn = 9,14%; R = 0,96; F = 15,04; W = 7,38 428 Test W określony jest zależnością: 2 W z (35) 2 f gdzie: wariancja zbioru danych, 2 z 2 f wariancja funkcji. Opracowane zależności statystyczne charakteryzują się wysokim współczynn i- kiem korelacji R zawartym w zakresie R = 0,86 99. Stanowiły one podstawę do opracowania programu komputerowego kontroli produkcji i sterowania jakością staliwa. Na rysunku 5 i 6 przedstawiono przykładowe wydruki z ekranu komputera programu kontroli produkcji i sterowania jakością staliwa gatunku GXCrNi72-36 (LH18N9) odpowiednio niezgodnego oraz zgodnego z technologią. (32) (33) (34)

ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) b) Rys. 5. Przykładowe wydruki z ekranu monitora krzywych ATD (a) oraz wyników obliczeń (b) dla staliwa gatunku GXCrNi72-36 (LH18N9) niezgodnego z technologią Fig. 5. Sample computer screen displays of TDA curves (a) and test results (b) for incorrect GXCrNi72-36 (LH18N9) cast steel 429

a) b) Rys. 6. Przykładowe wydruki z ekranu monitora krzywych ATD (a) oraz wyników obliczeń (b) dla staliwa gatunku GXCrNi72-36 (LH18N9) zgodnego z technologią Fig. 6. Sample computer screen displays of TDA curves (a) and test results (b) for correct GXCrNi72-36 (LH18N9) cast steel Z rys. 5, 6 wynika, że czas kontroli staliwa nie przekracza 3 min. Wyniki obliczeń statystycznych pojawiają się na ekranie po wciśnięciu prostej sekwencji klawiszy przez obsługującego program. W przypadku spełnienia przez staliwo wymogów jakości na 430

ARCHIWUM ODLEWNICTWA ekranie pojawia się napis: Można zalewać formy. Staliwo zgodne z technologią (rys. 6 b). Jeśli którakolwiek z obliczonych wielkości nie spełnia wymagań stawianych przez zamawiającego pojawia się napis: Nie zalewać form. Staliwo niezgodne z technologią (rys. 5 b). Należy wówczas skorygować skład chemiczny ciekłego staliwa i ponownie przeprowadzić pomiar. Korekcja składu chemicznego staliwa w piecu topialnym wyklucza możliwość wykonania odlewów brakowych. 4. WNIOSKI Z przedstawionych w pracy wyników badań wnioski są następujące: na krzywych derywacyjnych staliwa występują punkty charakterystyczne opisujące proces jego krystalizacji, pomiędzy punktami charakterystycznymi występującymi na krzywych derywacyjnych, a składem chemicznym oraz własnościami mechanicznymi R m, R p0,2, A 5, HB i KCU staliwa występują zależności statystyczne, wysoka korelacja wynikająca z równań eksperymentalnych pozwala na opracowanie na ich podstawie programu komputerowego kontroli produkcji i sterowania jakością staliwa. LITERATURA [1] Pietrowski S., Gumienny G., Meksa W., Woźnicki G., Ocena staliwa niestopowego metodą ATD. Archiwum Odlewnictwa, PAN, 2004, vol. 12, s. 323. [2] Pietrowski S., Gumienny G., Ocena staliwa GX20Cr56 metodą ATD. Archiwum Odlewnictwa, PAN, 2004, vol. 12, s. 315. [3] Pietrowski S., Gumienny G., Kontrola staliwa GXCrNi72-36 metodą ATD, Archiwum Odlewnictwa, Nr 14, 2004, s. 405. [4] Pietrowski S., Gumienny G., Pisarek B., Władysiak R., Wdrożenie systemu kontroli i sterowania jakością staliwa gatunku: L20; 270-480W; LH14; LH18N9. Projekt Celowy nr ROW-192-2003, 2003-2004. 431

PRODUCTION MOMITORING AND QUALITY CONTROL OF CAST STEEL WITH COMPUTER PROGRAMME SUMMARY In this paper the process of production control of non-alloyed and alloyed cast steel under foundry conditions with the computer programme using TDA method have been presented. Recenzował: prof. dr inż. Józef Gawroński Pracę wykonano w ramach realizacji projektu celowego nr ROW-192-2003 432