31/19 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 19 Archives of Foundry Year 2006, Volume 6, Book 19 PAN - Katowice PL ISSN 1642-5308 MONITOROWANIE PRODUKCJI ŻELIWA SFEROIDALNEGO W WARUNKACH ODLEWNI 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 możliwość i przebieg procesu monitorowania oraz kontroli produkcji żeliwa sferoidalnego w warunkach odlewni przy użyciu autorskiego programu komputerowego wykorzystującego metodę analizy termicznej i derywacyjnej (ATD). Key words: crystallization, ductile cast iron, thermal derivative analysis 1. WSTĘP W pracach [1 6] wykazano możliwość kontroli żeliwa sferoidalnego ferrytycznego gatunku EN-GJS-400-15 metodą analizy termicznej i derywacyjnej (ATD). Podano w nich, że na krzywej krystalizacji występują efekty cieplne od: krystalizacji fazy pierwotnej, przemiany eutektycznej oraz efekt cieplny wynikający z mniejszej przewodności cieplnej żeliwa sferoidalnego w porównaniu z żeliwem szarym. Charakt e- rystyczne wielkości odczytane w punktach opisujących owe efekty stanowić mogą podstawę do opracowania zależności statystycznych pomiędzy nimi, a składem ch e- micznym żeliwa, parametrami stereologicznymi grafitu oraz jego własnościami mech a- nicznymi. Wykorzystując zależności statystyczne można opracować program komput e- rowy, który będzie monitorował produkcję i kontrolował jakość żeliwa. Autorski program komputerowy opracowano do kontroli wszystkich gatunków żeliwa sferoidalnego. W niniejszej pracy przykładowo przedstawiono go dla żeliwa 1 prof. zw. dr hab. inż., stanislaw.pietrowski@p.lodz.pl 2 dr inż., grzegorz.gumienny@p.lodz.pl 3 dr inż., boguslaw.pisarek@p.lodz.pl 239
sferoidalnego perlityczno-ferrytycznego gatunku EN-GJS-500-7. Został on wdrożony w Odlewni Żeliwa Bolimów, Kolonia Bolimowska Wieś 39A. 2. METODYKA BADAŃ Żeliwo wytapiano w piecu indukcyjnym tyglowym o pojemności 1t i częst o- tliwości sieciowej. Wsad składał się z polskiej surówki gatunku LS-2, złomu ze stali 45 oraz złomu obiegowego. Zawartość krzemu w ciekłym żeliwie uzupełniano żelazokrzemem Si75. Po roztopieniu wsadu i przegrzaniu żeliwa do temperatury 1460 1480ºC usuwano żużel, a następnie wylewano je do kadzi odlewniczej. Zabieg sferoidyzacji żeliwa przeprowadzono metodą Sandwich. W metodzie tej zaprawę FeSiMg10 umieszczano na dnie kadzi smukłej w kieszeni i pokrywano wiórami żeliwnymi. Po zakończonym procesie sferoidyzacji żeliwo modyfikowano grafityzująco modyfikat o- rem SB5 o ziarnistości 2 6mm w ilości 0,9% od masy ciekłego żeliwa w kadzi. Zakres składu chemicznego badanego gatunku żeliwa przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Zakres składu chemicznego badanego żeliwa Table 1. The range of chemical composition of tested cast iron Gatunek Skład chemiczny, % żeliwa C Si Mn P S Cr Cu Mg EN-GJS- 500-7 3,45 3,71 2,42 2,75 0,38 0,63 0,028 0,045 0,005 0,013 0,008 0,020 0,008 0,015 0,040 0,045 Szczegółową metodykę badań wraz z opisem procesu krystalizacji żeliwa sferoidalnego przedstawiono w pracach [1 6]. Dokonano w nich także interpretacji efektów cieplnych od krystalizacji poszczególnych faz występujących na krzywych derywacyjnych oraz opisano przebieg tworzenia mikrostruktury. Z przedstawionych w pracach [1 6] danych wynika, że proces krystalizacji żeliwa, a więc i jego mikrostrukturę można opisać wielkościami charakteryzującymi punkty występujące na krzywej derywacyjnej. Ze względu na to, że z mikrostruktury bezpośrednio wynikają własności mechaniczne żeliwa, to istnieje możliwość opisania ich parametrami określonymi z krzywych ATD. 3. WYNIKI BADAŃ Na rysunku 1 przedstawiono przykładowo reprezentatywne krzywe ATD (a) oraz mikrostrukturę (b) badanego żeliwa sferoidalnego gatunku EN-GJS-500-7. 240
o t, C o dt/d, C/s a) 1400 A B DE F H I K M ARCHIWUM ODLEWNICTWA 1 1200 0 dt/d = f'( ) -1 1000-2 t = f( ) 800-3 600-4 0 100 200 300 400 500, s Punkt, s t, C dt/d, C/s A 24 1262-0,46 B 40 1239-2,56 D 109 1148 0,00 E 119 1148 0,08 F 150 1149 0,00 H 259 1105-2,55 I 284 1050-1,82 K 319 992-1,52 M 349 946-1,45 241
b) mikrostruktura:, grafit sferoidalny, perlit, ferryt Rys. 1. Krzywe ATD wraz z opisem punktów charakterystycznych (a) i mikrostruktura (b) żeliwa sferoidalnego gatunku EN-GJS-500-7 Fig. 1. TDA curves with description of characteristic points (a) and the microstructure (b) of EN-GJS-500-7 cast iron Poniżej przedstawiono zależności statystyczne pomiędzy wielkościami opis u- jącymi punkty charakterystyczne na krzywych derywacyjnych (temperaturą t, C oraz szybkością stygnięcia K, C/s), a składem chemicznym, własnościami stereologicznymi grafitu oraz własnościami mechanicznymi R m, R p0,2, A 5 i HB żeliwa. Równania dla żeliwa gatunku EN-GJS-500-7: 50 m C 9, 773 0, 0015847 th 0029393 tk 0074653 tm 429 KE 836 KI 1, 208 KK 552 KM (1) dc = 0,69%; Cs = 3,569%; R = 0,95; F = 12,26; W = 5,64 Si 022 001903 ta 0159, KA 0139, KB 272 KE 233 KH 1522, KI 1329, KM (2) dsi = 1,67%; Sis = 2,553%; R = 0,93; F = 8,85; W = 4,23 Mn 9, 627 010195 tf 005598 tk 009609 tm 084 KA 031 KB 370 KK 306 KM dmn = 4,63%; Mns = 0,514%; R = 0,96; F = 15,07; W = 6,79 (3) 242
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Mg 0, 112 000251 tf 000111 tk 00050 KB 00804 KE 00162 KH 02103 KM (4) dc E = 1,62%; Mgs = 0,042%; R = 0,92; F = 11,40; W = 4,28 C E 5111, 0012774 tb 0109, KA 087 KH 1, 227 KK 686 KM (5) dc E = 0,65%; C E s = 4,37%; R = 0,94; F = 21,02; W = 6,27 R m 6311, 60423 tb 155442, th 18264, tk 10, 08 KA 6, 83 KB 168, 58 KE 24134, KI 163, 03 KM (6) dr m = 0,66%; R m s = 577,4MPa; R = 0,98; F = 28,19; W = 13,08 R p 0, 2 1423, 9 116926, ta 187344, tb 5, 47779 te 3, 58151 tf 90794 th 195123, tm 10219, KE 20104, KI (7) dr p0,2 = 0,99%; R p0,2 s = 355,0MPa; R = 0,98; F = 22,27; W = 11,01 A 5 79, 32 045488 ta 061389 tb 016171 te 07131 tf 00499 th 2, 53 KE 2, 49 KI (8) da 5 = 1,98%; A 5 s = 7,26%; R = 0,93; F = 10,10; W = 4,54 HB 1018, 3 47409 ta 74158 tb 74284 tf 83568 tm 6814, KE 39, 50 KM (9) dhb = 1,30%; HBs = 244,5; R = 0,89; F = 7,44; W = 3,15 N a 09 500, 5 2, 56779 td 214254, tk 140, 05 KE 201, 00 KK (10) dn a 09 = 12,42%; N a 09s = 76,9%; R = 0,89; F = 16,98; W = 3,91 243
Test W określony jest zależnością: 2 W z (11) 2 f gdzie: wariancja zbioru danych, 2 z 2 wariancja funkcji. f Minimalna wartość dopuszczalna testu wiarygodności wynosi 2. Opracowane zależności statys tyczne charakteryzują się wysokim współczynnikiem korelacji wielowymiarowej R zawartym w zakresie R = 0,89 98. Stanowiły one podstawę do opracowania autorskiego programu komputerowego kontroli produkcji i sterowania jakością żeliwa sferoidalnego. Schemat procesu kontroli stopów pokazano na rysunku 2. TOPIALNIA Można zalewać Skorygować właściwości formy ciekłego stopu {2} {1} STANOWISKO ZALEWANIA FORM {1} Stop przygotowany zgodnie z technologią Ciekły stop {3} Powtórzyć pomiar w nowym próbniku OPERATOR SYSTEMU {2} Stop przygotowany niezgodnie z technologią {3} Błędy w metodyce pomiaru Stanowisko zalewania próbnika ATD {4} Wybrać odpowiedną funkcję korekty analizy {4} Błędy w analizie pomiaru t=f(u) Stanowisko rejestracji pomiarów i wizualizacji analiz Rys. 2. Schemat procesu kontroli stopów Fig. 2. The diagram of alloy control process 244
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Ciekły stop z pieca topialnego lub wytrzymującego wlewa się do próbnika ATD umieszczonego na statywie. Z próbnika poprzez termoelement i przewód kompensacyjny sygnał napięciowy przekazany jest do Cristalldigraphu, a z niego do komputera. Komputer przekazuje sygnał wizyjny do monitora. Na jego ekranie widoczne jest kreślenie krzywych ATD tj. stygnięcia: t = f( ) oraz krystalizacji (derywacyjnej): dt/d = f ( ). Po zakończeniu pomiaru, program komputerowy określa charakterystyczne wielkości krzywych ATD i na podstawie zależności statystycznych oblicza własności mechaniczne stopu, które następnie pokazują się na monitorze. Na rysunku 3 i 4 przedstawiono przykładowe wydruki z ekranu komputera programu kontroli produkcji i sterowania jakością żeliwa gatunku EN-GJS-500-7 odpowiednio niezgodnego oraz zgodnego z technologią. 245
a) b) 246
ARCHIWUM ODLEWNICTWA c) d) Rys. 3. Przykładowe wydruki z ekranu monitora krzywych ATD (a, c) oraz wyników obliczeń (b, d) dla żeliwa gatunku EN-GJS-500-7 niezgodnego z technologią Fig. 3. Sample computer screen displays of TDA curves (a, c) and test results (b, d) for incorrect EN-GJS-500-7 cast iron 247
a) b) Rys.4. Przykładowe wydruki z ekranu monitora krzywych ATD (a) oraz wyników obliczeń (b) dla żeliwa gatunku EN-GJS-500-7 zgodnego z technologią Fig. 4. Sample computer screen displays of TDA curves (a) and test results (b) for correct EN- GJS-500-7 cast iron 248
ARCHIWUM ODLEWNICTWA Z przedstawionych krzywych wynika, że czas kontroli żeliwa nie przekracza 7 min. Wyniki obliczeń statystycznych pojawiają się na ekranie po zapisaniu zarejestrowanej krzywej oraz zadaniu przez obsługującego program rodzaju algoryt mu obliczeniowego. W przypadku spełnienia przez żeliwo wymogów jakości na ekranie pojawia się napis: Można zalewać formy. Żeliwo zgodne z technologią (rys. 4 b). Jeśli którakolwiek z obliczonych wielkości nie spełnia wymagań stawianych przez zamawiającego pojawia się napis: Nie zalewać form. Żeliwo niezgodne z technologią (rys. 3 b, d). Należy wówczas skorygować skład chemiczny ciekłego żeliwa i ponownie przeprowadzić pomiar. Możliwość zmiany składu chemicznego żeliwa w piecu topialnym pra k- tycznie wyklucza wykonanie odlewów brakowych. 4. WNIOSKI Z przedstawionych w pracy wyników badań wnioski są następujące: na krzywej derywacyjnej żeliwa perlityczno-ferrytycznego występują punkty charakterystyczne opisujące efekty cieplne od krystalizacji poszczególnych faz, istnieje korelacja pomiędzy położeniem charakterystycznych punktów na krzywej derywacyjnej, a składem chemicznym, parametrami stereologicznymi grafitu oraz własnościami mechanicznymi: R m, R p0,2, A 5 i HB żeliwa, opracowany na podstawie równań eksperymentalnych program komputerowy umożliwia monitorowanie i kontrolę jakości produkowanego żeliwa jeszcze przed zalaniem form. LITERATURA [1] Pietrowski S., Gumienny G.: Metodyka przygotowania oceny jakości żeliwa sferoidalnego z zastosowaniem metody ATD, Archiwum Odlewnictwa, PAN Oddz. Katowice, vol. 2, nr 6, 2002, s. 249. [2] Pietrowski S., Gumienny G.: Ocena jakości żeliwa sferoidalnego EN-GJS-400-15 metodą ATD, Archiwum Odlewnictwa, PAN Oddz. Katowice, vol. 2, nr 6, 2002, s. 257. [3] Gumienny G.: Praca doktorska pt. Ocena jakości żeliwa sferoidalnego metodą analizy termicznej i derywacyjnej (ATD), Łódź, 2003. [4] Pietrowski S., Gumienny G.: Ocena jakości żeliwa sferoidalnego ferrytycznego, Archiwum Odlewnictwa, PAN Oddz. Katowice, vol. 3, nr 8, 2003, s. 253. [5] Pietrowski S., Gumienny G.: Ocena jakości żeliwa sferoidalnego metodą ATD, Materiały Konferencyjne VIII Międzynarodowej Konferencji WSPÓŁPRACA 2003, Kraków Szyce, 28 30. 04. 2003r. [6] Pietrowski S., Gumienny G.: The control of ductile cast iron, Inżynieria Materiałowa, Nr 3 (140), 2004, s. 105. 249
SUMMARY PRODUCTION MONITORING OF DUCTILE CAST IRON UNDER FOUNDRY CONDITIONS In this paper process of production control of ductile cast iron under foundry co n- ditions with the self-written computer programme using TDA method have been presented. Pracę wykonano w ramach realizacji projektu celowego nr ROW-484-2004 Recenzował: prof. zw. dr hab. inż. Edward Guzik 250