6/37 Solidification of Metals and Alloys, No. 37, 1998 Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 37, 1998 PAN Katowice PL ISSN 0208-9386 OPTYMALIZACJA PROCESU ZALEWANIA DUŻEGO WLEWKA Fe-Si-Mg W CELU UJEDNORODNIENIA JEGO SKŁADU CHEMICZNEGO FRAŚ Edward, GUZIK Edward, KAPTURKIEWICZ Wojciech, BURBELKO Andriy A., PORĘBSKI Michał Wydział Odlewnictwa, Akademia Górniczo-Hutnicza, 30-059 Kraków, ul. Reymonta 23 - POLAND STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki modelowania zalewania i krystalizacji wlewka żelazostopu FeSiMg (sferoidyzatora) odlewanego do dużej żeliwnej kokili. Udowodniona została konieczność jednostopniowego procesu wypełniania wnęki kokili żeliwnej (pod przykryciem) przez zalewany metal co zapewnia jednorodność składu chemicznego stopu FeSiMg. 1. WPROWADZENIE Udział produkcji żeliwa sferoidalnego, w ogólnej produkcji odlewów ze stopu żelaza jest traktowany jako wskaźnik nowoczesności przemysłu odlewniczego w danym kraju. W takich krajach wysoko uprzemysłowionych, jak. np. Francja, Japonia, USA czy RFN, stosunek produkcji odlewów z żeliwa sferoidalnego do ogólnej masy produkcji żeliwa wynosił w roku 1996 odpowiednio: 47, 39, 38, 33 % [1]. Z kolei w naszym kraju wskaźnik ten, np. w roku 1993 był zdecydowanie niekorzystny i wynosił 9,6%, natomiast w ostatnim okresie, produkcja żeliwa sferoidalnego systematycznie wzrastała, osiągając w roku 1997 (rys. 1) wielkość 113 tys. ton [2]. Zatem wskaźnik nowoczesności krajowych odlewni zwiększył się dość znacznie z wartości 9,6 do 15,2 %. Prawidłowo przeprowadzony zabieg sferoidyzowania ciekłego żeliwa gwarantuje otrzymanie prawidłowego grafitu kulkowego w strukturze, co przy odpowiedniej osnowie, zapewnia wymagane właściwości użytkowe tego tworzywa konstrukcyjnego. W warunkach krajowych do produkcji żeliwa sferoidalnego stosuje się głównie zaprawy magnezowe na bazie żelazokrzemu (tj. zaprawy lekkie ) o zawartości 5-11 % Mg. Produkowane w warunkach krajowych (Huta Łaziska S.A.) zaprawy FeSiMg nie spełniały wymogów jakościowych w procesie sferoidyzacji żeliwa, szczególnie z powodu
48 nieustabilizowanej zawartości magnezu w danej dostawie, co wynikało z niewłaściwej technologii przygotowania ciekłego stopu oraz jego odlewania do kokili. Zastosowana technika przygotowania ciekłego stopu FeSiMg gwarantuje wymagany skład chemiczny [3], a celem niniejszej pracy jest wskazanie optymalnego procesu odlewania metalu do żeliwnej kokili zapewniającego jednorodny wlewek zaprawy pod względem składu chemicznego. Błąd! Nieprawidłowe łącze. Rys.1. Wielkość produkcji odlewów z żeliwa sferoidalnego w kraju w okresie 1993-1998; prognoza wielkości produkcji w roku 1998, według przeprowadzonej ankiety Fig.1 The rate of ductile cast iron casting production (thou. of tons) in Poland. The forecast for 1998 according to a poll. 2. METODYKA BADAŃ Do symulacji procesu zalewania i krzepnięcia wlewka FeSiMg wykorzystano oprogramowanie ProCAST. W pracy [4] przedstawiono podstawowy układ równań ujmujących: przewodzenie ciepła, bilans masy (wyrażony równaniem ciągłości strugi), prawo Naviera- Stokesa, a także wyniki symulacji procesu wypełniania wnęki małej kokili - w układzie statycznym i dynamicznym. Ciekły stop Fe-Si-Mg odlewano kolejno do kilku żeliwnych kokil (wlewnic), przy zmniejszającej się zawartości Mg, wskutek jego parowania. Tak więc wlewki tego stopu nie były jednorodne pod względem składu chemicznego. Zaprojektowane i zbudowane stanowisko do wytwarzania zapraw sferoidyzujących Fe- SiMg w warunkach Huty Łaziska [3], zapewnia duży i stały uzysk magnezu w żelazokrzemie. W oparciu o wyniki badań [4], zaproponowano odlewanie ciekłego stopu FeSiMg w układzie jednostopniowym, tj. z wykorzystaniem dużej wlewnicy (żeliwna kokila) o wymiarach 2,7 x 2,7 m oraz grubości wlewka 40 mm, a ogólny jej schemat pokazano na rys. 2. Ciekły stop odlewano z kadzi do wlewnicy wypełnionej azotem. Po zapełnieniu i zakrzepnięciu wlewka, usuwano nadstawkę (7), a następnie powierzchnię wlewka przedmuchiwano azotem, likwidując warstwę tlenków. Zdejmowano krzywe stygnięcia stopu FeSiMg odlanego do wlewnicy i równocześnie do formy piaskowej z wnęką w kształcie walca. Dzięki tym pomiarom wyznaczono temperaturę likwidus stopu oraz temperaturę solidus, a także określono wartość współczynnika wyrównywania temperatury, a = 0,95 cm 2 /K. Wartości tych parametrów były niezbędne do przeprowadzania symulacji komputerowej krzepnięcia wlewka FeSiMg. 3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA Modelowanie stygnięcia dużego wlewka stopu FeSiMg (o zaw. 10% Mg) przeprowadzono przy użyciu profesjonalnego oprogramowania ProCAST, opartego na metodzie elementów skończonych (MES).
49 Rys. 2. Ogólny schemat przekroju dużej wlewnicy do odlewania stopu FeSiMg; 1 - płyta żeliwna, 2 - ścianki metalowe, 3 - uszczelnienie wykonane z podziarna FeSiMg, 4 - wlew, 5 - ogniotrwała izolacja, 6 - grafitowa wkładka rozprowadzająca, 7 - metalowa pokrywa Fig. 2. The scheme of big mould for Fe-Si-Mg casting. 1 - cast iron plat, 2 - metal wall, 3 - stuffing, 4 - runner, 5 - insulation, 6 - protective graphite plate, metal cover Program ten pozwala obliczyć między innymi temperaturę, prędkość przepływu fazy ciekłej i ciśnienie w cieczy oraz udział fazy stałej w wybranych punktach przestrzeni (węzłach siatki). Obszary wygenerowanej siatki MES dla badanego układu odlewniczego pokazano na rys. 3. Opis geometrii układu brył wlewnicy i wlewka użyty do wygenerowania siatki MES wykonano przy pomocy oprogramowania SolidWorks. Obszary siatki odpowiadające przestrzeni wlewka (rys. 3a) i wlewnicy (rys. 3b) są pokazane na tym rysunku oddzielnie, natomiast w obliczeniach tworzą one system zespolony. Program generacji siatki różnicowej pozwolił automatycznie dobrać taki maksymalny wymiar elementów, który zapewni wymaganą dokładność obliczeń, oraz zminimalizuje czas ich wykonania. W celu wykonania symulacji założono następujące warunki początkowe i brzegowe: temperatura żelazostopu na wejściu do wnęki formy - 1380 o C, temperatura początkowa wlewnicy i otoczenia T o = 20 o C; T lik = 1215 o C; T sol = 900 o C, szybkość liniowa strugi na wejściu do wnęki formy 0,60 m/s. Przyjęto, iż zalewanie zostaje przerwane po wypełnieniu wnęki formy - 100 % jej objętości. Przy założonych warunkach brzegowych, obliczony czas zalewania wyniósł 65 s. a)
50 b) Rys. 3. Siatka obliczeniowa według metody MES do symulacji procesu odlewania FeSiMg. Ilość elementów - 154 766; a) fragment siatki - wnęka formy, b) fragment siatki - obszar wlewnicy Fig. 3 Finite Element Mesh. Number of elements: 156 766; a - mould, b - casting. Rozkład temperatury na powierzchni żelazostopu podczas wypełniania wlewnicy i po zakończeniu odlewania pokazano na rys. 4, natomiast rozkład temperatury na przekroju wlewka, pokazano na rys. 5. W momencie zakończenia zalewania, ok. 60% powierzchni swobodnej wlewka posiada temperaturę w granicach 1140-1200 o C, czyli poniżej temperatury likwidus stopu. Oznacza to, iż krystalizacja stopu zaczyna się już podczas zalewania. Poprawność wyników symulacji komputerowej krystalizacji i stygnięcia wlewka FeSiMg, została potwierdzona doświadczalnie w warunkach produkcyjnych Huty Łaziska S.A. Analiza składu chemicznego otrzymanego wlewka FeSiMg potwierdziła jego jednorodność, bowiem w obszarze od centrum i peryferiach obszarów, stężenie Mg zmienia się w zakresie 9,4-9,8%. Dotychczas stosowana technika odlewania do kilku mniejszych wlewnic, nie zapewniała jednorodności składu chemicznego, bowiem następowało parowanie Mg w czasie zalewania ciekłego stopu Fe-Si-Mg.
51 Rys. 4. Rozkład temperatury na powierzchni żelazostopu podczas wypełniania wnęki wlewnicy: a) po czasie 10 s od początku zalewania; b) po zakończeniu zalewania (65s) Fig. 4 The temperature field on casting surface during mould filling a) after 10 s.; b) at the end of filling (65 s). Reasumując wyniki przeprowadzonych badań można stwierdzić, iż doprowadziły one do zoptymalizowania technologii wytwarzania stopów Fe-Si-Mg. Zaproponowana technika sposobu jednostopniowego odlewania ciekłego stopu Fe-Si-Mg do dużej wlewnicy (żeliwnej kokili) została wdrożona w warunkach krajowych w Hucie Łaziska S.A. i pozwala uzyskiwać jednorodne pod względem składu chemicznego zaprawy Fe-Si-Mg
52 Rys. 5. Rozkład temperatury na przekroju wlewka podczas wypełniania wlewnicy; czas od początku zalewania: a) 20 s, b) 30 s, c) 45s, d) 55s, e) 65s Fig. 5. The temperature field on the cross section of casting during mould filling after a) 10s., b) 30 s., c) 45 s., d) 55 s., e) 65 s. LITERATURA [1] 31 Census of World Casting Production - 1996, Modern Casting, Dec., 1997, s. 40-41. [2] Ankietyzacja krajowych odlewni. Katedra Odlewnictwa Żeliwa - Wydział Odlewnictwa AGH, Kraków XII, 1997 (nie publ.). [3] Praca naukowo-badawcza nr 16.170.203. AGH - Kraków 1996-98 (nie publ.). [4] Burbiełko A., Fraś E., Guzik E., Kapturkiewicz W., Porębski M.: Modelowanie krzepnięcia wlewka Fe-Si-Mg. Krzepnięcie metali i stopów. Oddz. PAN Katowice, 1997, nr 30, s. 43-50. OPTIMIZATION OF THE BIG Fe-Si-Mg CASTING MOULD FILLING IN ORDER TO HOMOGENIZING ITS CHEMICAL COMPOSITION The paper brings the results of simulation of mould filling of the big Fe-Si-Mg casting using the professional software ProCAST. It is showed that the changing if mould filling technology brings the homogenizing of chemical composition. The results of modelling were confirmed by experiment.