29/4 Archives of Foundry, Year 2002, Volume 2, 4 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 4 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 SYSTEM KOMPUTEROWY KONTROLI I STEROWANIA JAKOŚCIĄ ŻELIWA Z WYKORZYSTANIEM METODY ATD S. PIETROWSKI 1, B. PISAREK 2, R. WŁADYSIAK 3 Katedra Systemów Produkcji, Politechnika Łódzka ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 ŁÓDŹ STRESZCZENIE W pracy przedstawiono System Komputerowy Kontroli i Sterowania Jakością Żeliwa na przykładzie żeliwa typu Ni-resist. W programie sterującym systemu wykorzystano metodę ATD. W pracy podano charakterystyczne wielkości wyznaczane tą metodą, stanowiące parametry kontrolne w algorytmie kontroli procesów krystalizacji oraz przedstawiono istotę komunikacji systemu z operatorem w zależności od technologii przygotowania ciekłego żeliwa. System wdrożono w Federal-Mogul Gorzyce S. A. Key words: Ni-resist, crystallization, system of control, TDA method 1. WSTĘP System Komputerowy Kontroli i Sterowania Jakością Żeliwa Ni-resist oparty jest na metodzie analizy termicznej i derywacyjnej (ATD), do której teoretyczne podstawy opracował S. Jura [1-3]. Program sterujący powstał we współpracy: Z-TECH Gliwice, Katedry Systemów Produkcji Politechniki Łódzkiej i Katedry Odlewnictwa Politechniki Śląskiej. Część zagadnień, związanych z procesem krystalizacji tego żeliwa, przedstawiono w pracach [4-6]. W niniejszej pracy przedstawiono algorytm kontroli procesów krystalizacji żeliwa Ni-resist opracowany przez Katedrę Systemów Produkcji PŁ. 1 prof. dr hab. inż. akgolnik@ck-sg.p.lodz.pl 2 dr inż. bpisarek@ck-sg.p.lodz.pl 3 dr inż. rwladysi@ck-sg.p.lodz.pl
223 2. METODYKA BADAŃ 2.1. Przygotowanie ciekłego stopu Wsad do pieca indukcyjnego do wytapiania żeliwa typu Ni-resist złożony był z surówki hematytowej LH, wiórów i złomu obiegowego żeliwa Ni-resist, złomu stalowego, żelazo chromu FeCr, niklu i miedzi technicznie czystych oraz nawęglacza. Po roztopieniu wsadu oraz przegrzaniu do 1480 1500 C, usuwano żużel i pobierano próbkę do analizy składu chemicznego na Quantowagu. Po ewentualnym uzupełnieniu pierwiastków, następował spust żeliwa do kadzi, następnie usuwano żużel i żeliwo modyfikowano modyfikatorem SB-5 w ilości 0,25 0,35% od masy ciekłego żeliwa w kadzi. Żeliwo odlewano do form (kokil) z temperatury 1440 1460 C. Temperatura wstępnego podgrzania kokil wynosiła 300 C. 2.2. Analiza termiczna i derywacyjna żeliwa Ni-resist Skład chemiczny żeliwa austenitycznego z grafitem płatkowym typu Ni-resist zawierał się w następującym zakresie: 2,20-3,00% C, 1,50-2,50% Si, 0,80-1,50% Mn, 13,50-17,00% Ni, 0,80-2,00% Cr, 5,00-7,50% Cu, P 0,10%, S 0,10%. Jest ono żeliwem podeutektycznym. W zależności od relacji pierwiastków sprzyjających i przeciwdziałających grafityzacji, na krzywych derywacyjnych, pokazanych na rysunku 1, pojawia się efekt cieplny "E' " od krystalizacji węglików ledeburytycznych (krzywa nr 1 rys. 1.) lub "E" " od krystalizacji węglików pierwotnych (krzywa nr 2 rys. 1.). Brak efektu cieplnego "E' " lub "E" " oznacza, że węgliki pierwotne w ogóle nie krystalizują lub ich udział w mikrostrukturze nie przekracza 2% (krzywa nr 3 rys. 1.). Ze względu na niewystępowanie przemiany austenitu, na krzywej krystalizacji brak jest efektu cieplnego. Wartości wybranych parametrów wyznaczanych metodą ATD z reprezentatywnych dla żeliwa Ni-resist charakterystyk przedstawiono w tabeli 1. 3. ALGORYTMY KONTROLI PROCESÓW KRYSTALIZACJI ŻELIWA NI-RESIST Podstawowymi wymogami stawianymi przed Systemem Komputerowym Kontroli i Sterowania Jakością Żeliwa Ni-resist była możliwość kontroli poprawności składu chemicznego i modyfikacji żeliwa (gwarantujących uzyskanie odpowiedniej mikrostruktury w odlewie) oraz temperatury zalewania form. W przypadku niezgodności przebiegu procesu przygotowania żeliwa z wymaganiami, system komputerowy powinien identyfikować rodzaj niezgodności i edytować zalecenia umożliwiające uzyskanie żeliwa zgodnego z technologią. W celu zrealizowania ww. wymagań przeprowadzono następujące badania określające wpływ: zmiany składu chemicznego żeliwa,
224 modyfikacji, zmiany temperatury odlewania, na charakterystyki ATD. Na podstawie przeprowadzonych badań zidentyfikowano parametry kontrolne (charakterystyczne wielkości wyznaczane w metodzie ATD) umożliwiające identyfikację rodzaju niezgodności przygotowania żeliwa do zalania form. Parametry kontrolne dla tego rodzaju żeliwa przedstawiono na rysunku 2. 1400 E' E" 1300 0 dt/d τ =f '( τ) 1200-1 t, C 1100 1000 2-2 dt/d, C/s τ 900 3 1-3 800 t=f( τ) -4 700 eliwo austenityczne Niresist 600-5 0 100 200 300 400 500 600 τ, s Rys. 1. Krzywe ATD żeliwa austenitycznego typu Niresist z grafitem płatkowym o składzie: 1) 2,35% C, 1,65% Si, 1,43% Mn, 14,65% Ni, 1,92% Cr, 5,60% Cu, 0,08% P, 0,05% S; 2) 2,68% C, 1,95% Si, 1,20% Mn, 14,50% Ni, 1,35% Cr, 5,80% Cu, 0,07% P, 0,06% S; 3) 2,89% C, 2,40% Si, 0,90% Mn, 14,40% Ni, 0,85% Cr, 5,65% Cu, 0,06% P, 0,05% S Fig. 1. TDA curves of austenitic cast iron Niresist with flake graphite about composition: 1) 2,35% C, 1,65% Si, 1,43% Mn, 14,65% Ni, 1,92% Cr, 5,60% Cu, 0,08% P, 0,05% S; 2) 2,68% C, 1,95% Si, 1,20% Mn, 14,50% Ni, 1,35% Cr, 5,80% Cu, 0,07% P, 0,06% S; 3) 2,89% C, 2,40% Si, 0,90% Mn, 14,40% Ni, 0,85% Cr, 5,65% Cu, 0,06% P, 0,05% S
225 Tabela 1. Wartości i różnice wybranych parametrów wyznaczanych metodą ATD z reprezentatywnych dla żeliwa Ni-resist charakterystyk Table 1. Values and differences of chosen parameters appointed of method TDA from representative for Ni-resist cast iron characteristics Parametr Jednostka Żeliwo austenityczne Ni-resist 1 2 3 1 =(4)-(3) 2 =(5)-(3) 3 =(5)-(4) 1 2 3 4 5 6 7 8 t A 1218 1209 1199-9 -19-10 t D 1177 1176 1174-1 -3-2 t F 1177 1177 1174 0-3 -3 t F -t D C <1 1 <1 - - - t H 1130 1140 1139 10 9-1 t E' lub t E'' - 1095 1128 - - 33 t H' - 1068 1110 - - 42 t H -t H' - 72 29 - - -43 τ KP =τ H -τ Pk 161 159 152-2 -9-7 s τ KP =τ H' -τ Pk - 204 175 - - -29 Rys. 2. Charakterystyczne okna wyboru algorytmu identyfikacji charakterystycznych wielkości kontrolnych procesu przygotowania żeliwa Fig. 2. Characteristic windows of choices of algorithms of identification of characteristic control largeness of preparation cast iron processes
226 Parametr TP-TA odpowiada za utrzymanie odpowiedniego zakresu temperatury zalewania próbnika pomiarowego (formy), gdzie odpowiednio: TP t P maksymalna temperatura pomiaru, TA t A temperatura likwidus. Parametry TA, TR i TJ odpowiadają za utrzymanie odpowiedniego składu chemicznego żeliwa, gdzie odpowiednio: TA t A, TR t E' lub t E'' maksymalna temperatura krystalizacji węglików ledeburytycznych lub pierwotnych, TJ t H lub t H' temperatura końca krzepnięcia żeliwa. Natomiast parametr ZE (intensywność krystalizacji eutektyki γ+grafit) odpowiada za identyfikację i poprawność modyfikacji żeliwa. Ze względu na wyższą temperaturę pomiaru ATD żeliwa modyfikowanego od niemodyfikowanego zaproponowano dwa algorytmy kontroli, nazwane odpowiednio: Zl n. mod. (żeliwo niemodyfikowane), Zl mod. (żeliwo modyfikowane). W celu umożliwienia realizacji pomiarów eksperymentalnych (bez wymogu identyfikacji parametrów kontrolnych pomiaru) wprowadzono dodatkowo algorytm kontroli pod nazwą Rejestracja.Okna wyboru algorytmu identyfikacji charakterystycznych wielkości kontrolnych procesu przygotowania żeliwa przedstawiono na rysunku 2. Zarówno w algorytmie Zl n. mod. jak i Zl mod. występuje ten sam rodzaj parametrów kontrolnych (rys. 2), z tym że różnią się one zakresem dopuszczalnych wartości. Dla umożliwienia modyfikacji wartości granicznych, przez osoby odpowiedzialne za system kontroli w zakładzie, zapisano je w pliku edytowalnym nazwanym Niminmax.txt. Przykładową postać takiego pliku przedstawiono na rysunku 3. Na podstawie wyników przeprowadzonych badań opracowano metodą analizy regresji, równania korelacyjne opisujące zależność właściwości mechanicznych żeliwa (Rm, A 5, HB) i technologicznych - skrawalności (Ms - moment skrawania, Ps - siła skrawania) w funkcji charakterystycznych parametrów krzywych ATD badanego żeliwa. Wartości wybranych właściwości mechanicznych i/lub technologicznych wyświetlane są w przypadku poprawnego przebiegu procesu przygotowania ciekłego żeliwa (rys. 4a). Natomiast w przypadku niewłaściwego jego przygotowania, wyświetlane są komunikaty informujące o zidentyfikowanej niezgodności z procesem technologicznym oraz polecenia wykonania określonych operacji, umożliwiających usunięcie niezgodności (rys. 4b). Po zrealizowaniu wskazanych operacji koniecznym jest każdorazowo przeprowadzenie ponownej kontroli ATD.
227 Zl n. mod. TA Zl mod.; TR TJ ZE TP-TA TA TR TJ ZE TP-TA TAnm min TAnm max TRnm min TRnm max TJnm min TJnm max ZEnm min ZEnm max TP-TAnm min TP-TAnm max TAm min TAm max TRm min TRm max TJm min TJm max ZEm min ZEm max TP-TAm min TP-TAm max Rys. 3. Postać pliku Niminmax.txt - pod symbole minimalnych i maksymalnych wartości parametrów kontrolnych, odpowiednio dla żeliwa niemodyfikowanego i modyfikowanego, wpisane są ich wartości liczbowe (np. TAnm min TAnm max 1190 1230) Fig. 3. Form of file Niminmax.txt - for alloy unmodified properly and modified, symbols of check parameters are inscribed them numerical values (TAnm min TAnm max 1190 1230)
228 a) b) Rys. 4. Charakterystyczne okna obliczeń zrealizowanych wg zadanego algorytmu i odpowiadające im polecenia: a) żeliwo przygotowane zgodnie z technologią, b) żeliwo przygotowane niezgodnie z technologią Fig. 4. Characteristic windows of accounts according to assigned algorithm realized and orders answer they: a) cast iron prepared according to technology, b) cast iron prepared incompatibly with technology
229 4. WNIOSKI Z przedstawionych badań wynikają następujące wnioski: - metoda ATD umożliwia kontrolę żeliwa Ni-resist w poszczególnych fazach jego przygotowania metalurgicznego, - metoda ATD umożliwia ocenę właściwości mechanicznych i skrawalności żeliwa, - system umożliwia operatorowi optymalizację kontroli jakości żeliwa przez dosterowanie wartości granicznych parametrów kontrolnych, zawartych w edytowalnym pliku, zgodnie z ewentualnymi zmianami procesu technologicznego, - system komputerowy sterowanie jakością żeliwa w fazie jego przygotowania, wykorzystujący metodę ATD, umożliwia zmniejszenie kosztów produkcji poprzez wyeliminowanie z procesu produkcyjnego nietrafionych wytopów. Przedstawiony w niniejszej pracy System Komputerowy Kontroli i Sterowania Jakością Żeliwa Ni-resist, bazujący na metodzie ATD, został wdrożony w odlewni Federal-Mogul Gorzyce S. A. LITERATURA [1] S. Jura: Funkcje opisujące proces krystalizacji metali i stopów. Krzepnięcie Metali i Stopów, z 8, s 51 70, (1984). [2] S. Jura i inni: Nowoczesne metody oceny jakości stopów. Ins. Odl. Polit. Śl., (Gliwice 1985) [3] S. Jura: Krzywa kalorymetryczna w analizie termicznej i derywacyjnej procesu krystalizacji metali i stopów. Krzepnięcie Metali i Stopów, z 14, s 5 15, (1990). [4] S. Pietrowski: Kontrola skrawalności metodą ATD. Archiwum Odlewnictwa, z 1 (2/2), s 289 304, (2001). [5] B. Pisarek: Krystalizacja węglików w żeliwie austenitycznym. Archiwum Odlewnictwa, z 1 (2/2), s 305 316, (2001). [6] R. Władysiak: Kontrola jakości żeliwa austenitycznego metodą ATD. Archiwum Odlewnictwa, z 1 (2/2), s 400 407, (2001). [7] S. Pietrowski: Kontrola żeliwa metodą analizy termicznej i derywacyjnej. Polska metalurgia w latach 1998-2002. Wyd. AKAPIT, t 2, s 64 71, (Kraków 2002).
230 SUMMARY COMPUTER SYSTEM OF CONTROL AND QUALITY STEERING OF CAST IRON WITH USE OF TDA METHOD It presents Computer System of Control and Quality Steering of Ni-resist Cast Iron with use of TDA method. It serves characteristic largeness, appoint TDA method, in algorithm of process control of crystallization presenting parameter check and it presents idea of communication of system with operator depending on manner of preparation of liquid cast iron. Recenzował Prof. Stanisław Jura