Hutnické listy č.5/2009, roč. LXII ISSN 0018-8069
Slévárenství Foundry Industry
Použití simulace tuhnutí při výrobě těžkých odlitků Use of Solidification Simulation at Manufacture of Heavy Castings Doc. Ing. Jaroslav Šenberger, CSc., Ing. Antonín Záděra, Ph.D., Vysoké učení technické v Brně, Ing. Zdeněk Carbol, Ing. Jiří Pluháček., Ing. Jiří Breyer, VÍTKOVICE HEAVY MACHINERY, a.s., Ostrava, Ing. Vladimír Krutiš, Ph.D., Ing. Marek Kováč, MECAS ESI s.r.o., Brno U dynamicky namáhaných odlitků mohou způsobit drobné slévárenské vady a anomální struktury porušení souvislosti nízkocyklovou únavou. Porušení odlitků nízkocyklovou únavou se vyskytlo u odlitků beranů o čisté hmotnosti 25 až 40t (surová hmotnost 50 až 80t). Trhlina byla iniciována drobnými slévárenskými vadami typu dutin a vad struktury. K odstranění vad a zvýšení vnitřní jakosti odlitků beranů bylo použito modelování tuhnutí odlitků pomocí simulačních programů. V prvním kroku byla analyzována původní slévárenská technologie pomocí simulačních programů poslední generace. Na základě této analýzy byla navržena nová technologie spočívající v použití hmotných vnějších chladítek. Použití hmotných kontaktních chladítek umožnilo významně zkrátit dobu tuhnutí odlitku a zmenšit délku dvoufázového pásma v kritické oblasti výskytu vad u povrchu odlitku. Navržená technologie byla dále prověřena výpočtem pnutí v odlitku s ohledem na nebezpečí vzniku trhlin. Na základě výpočtu stavu napjatosti v odlitku musela být některá ve výpočtu použitá kontaktní chladítka změněna pro formování odlitku na nekontaktní. Navržená technologie byla ověřena na 3 odlitcích beranu. Při odlévání beranů byla ve vybraných místech odlitků měřena teplota formovací směsi, teplota na rozhraní chladítko-formovací směs a teplota na povrchu odlitku. Výsledky měření jsou použity k upřesnění fyzikálních dat používaných v simulačních programech. Měření teplotního pole odhalilo také nedostatečnou tepelnou izolaci nálitku. Rychlejší tuhnutí odlitku umožnilo snížit hmotnost nálitku o 25% a surovou hmotnost odlitku o cca 12%. Nová slévárenská technologie spočívající v použití kontaktních a nekontaktních chladítek o velké hmotnosti má být po ověření rozšířena na další výrobu masivních odlitků. In dynamically stressed castings the small foundry defects and anomalous structures can cause the coherence failure by low cycle fatigue. Failures of castings by low cycle fatigue occurred at casting of rams weighing from 25 up to 40 t (gross weight from 50 up to 80 t). The crack was initiated by small casting defects of the type of cavities and structure defects. For removing the defects and improving the internal quality of ram castings the simulation of casting solidification with the aid of simulation programmes was used. In the first step the original foundry technology was analyzed with the aid of simulation programmes of the latest generation. Based on this analysis a new technology consisting in the use of heavy external chills has been proposed. Use of heavy contact chills has enabled to shorten considerably the time of casting solidification and to decrease the length of the biphasic zone in the critical area of the defect occurrence on the casting surface. The proposed technology has been further checked by calculating the stress in the casting with regard to a danger of the crack formation. Based on the calculation of stress state in the casting some contact chills used in the calculation had to be changed for casting moulding to noncontact ones. The proposed technology has been checked on 3 ram castings. When casting the rams the temperature of moulding mixture, temperature on the chill-moulding mixture interface, and temperature on the casting surface were measured at the chosen casting points. Measurement results are used for specification of physical data used in simulation programmes. Measurement of temperature field has also revealed an insufficient thermal insulation of the riser. Faster casting solidification has enabled to reduce the riser weight by 25 % and the casting gross weight by approx. 12 %. After checking it the new foundry technology consisting in the use of contact and non-contact chills of heavy weight should be extended for further manufacture of heavy castings.
1. Úvod U masivních těžkých odlitků se během jejich dynamického namáhání může vyskytnout porušení nízko-cyklovou únavou. I když vada není příliš častá, jsou její následky pro výrobce velmi nepříjemné. V několika případech se uvedené porušení vyskytlo u odlitků beranů ještě v záruční době. Trhlina byla iniciována na drobných slévárenských vadách blízko pod povrchem [1]. Pod slévárenskými vadami se zde myslí malé dutiny, mikroporezita nebo oblasti
s nevhodnými mechanickými vlastnostmi způsobenými zejména makrosegregací. Pro pochody vedoucí ke slévárenským vadám u těžkých masivních odlitků nejsou k dispozici obecné, v praxi použitelné fyzikální modely. Všeobecně se však předpokládá, že vznik slévárenských vad souvisí s rychlostí ochlazování. Pro výrobu odlitků bez vad je nutné dosáhnout určité kritické rychlosti tuhnutí. Pro podmínky slévárny ve Vítkovicích stanovili empiricky Kaňák a Saip [2] nejmenší rychlost tuhnuti při, které ještě nevznikají stvolové vycezeniny. Nejmenší rychlost
81
Slévárenství Foundry Industry tuhnutí potřebná pro potlačení vzniku stvolových vad u odlitků (ingotů) z oceli s C = 0,20 až 0,35% je podle uvedených autorů 0,020 až 0,040 mm/sec [2]. Poznatky o tuhnutí těžkých odlitků shrnul v práci [3] Havlíček. Při popisu růstu tuhé fáze vycházel z Chvorinovových prací a zdůraznil, že přírůstek tuhé fáze závisí nejen na čase (parabolickém zákoně), ale i na geometrii odlitků. Vznik slévárenských vad dále může Obr. 1 Odlitek beranu ovlivňovat šířka Fig. 1 Casting of a press ram dvoufázového pásma ohraničeného v tuhnoucím odlitku teplotou likvidu a solidu. Známý je také vliv usměrněného tuhnutí. Jako kritérium usměrněnosti tuhnutí může být použit úhel mezi izosolidami v tepelné ose odlitku. Rychlost tuhnutí v jednotlivých částech odlitku lze stanovit pomocí simulačních programů. Rychlost tuhnutí u masivních odlitků ovlivňuje zejména licí teplota, jakost formovacího materiálu, umístění vtokové soustavy. Ze známých způsobů ovlivňování rychlosti chladnutí je technicky dostupné použití vnějších chladítek.
Hutnické listy č.5/2009, roč. LXII ISSN 0018-8069 třetiny výšky nálitku. Nálitek je tepelně izolován a po odlití kovu do jedné třetiny je hladina kovu tepelně izolována zásypem. Po třech hodinách se nálitek dolévá. Simulace byla provedena v několika krocích. Prvním krokem byla simulace plnění formy a výpočet teplotního pole po nalití kovu do 1/3 nálitku a následné tuhnutí. Další částí výpočtu bylo vlastní dolití nálitku a poslední pak výpočet od dolití až do ztuhnutí celého odlitku. Při tom byl sledován vznik staženin a mikroporezity. Posledním krokem bylo provedení termomechanických výpočtů tuhnutí a chladnutí za účelem určení napěťových stavů a predikce vzniku trhlin a prasklin v odlitku při teplotách pod solidem. Z dat po modelování tuhnutí byly stanoveny ve zvoleném místě odlitku postupy izolikvid (křivka začátku tuhnutí) a izosolid (křivka konce tuhnutí) v závislosti na čase. Místo pro výpočet bylo zvoleno v kritické oblasti hranaté části odlitku mezi drážkami. V těchto místech se vyskytují drobné slévárenské vady, které iniciují vznik trhlin při dynamickém namáhání. Schéma místa výpočtu je uvedeno na obr. 2. Odlitek je symetrický, proto je uveden pouze výpočet od povrchu odlitku do tepelné osy. Závislosti pro postup teploty likvidu a solidu přes stěnu odlitku v čase bývají popsány mocninnou funkcí. Mocninná funkce je vhodná pro popis závislosti ztuhlé vrstvy na čase pro odlitky deskovitého tvaru. U odlitků, které tuhnou podobně jako krychle nebo koule, vykazuje křivka závislosti postupu izolikvidy a izosolidy na čase inflexní bod.
2. Cíl práce Cílem práce bylo prověřit původní slévárenskou technologii pro odlitky beranů o čisté hmotnosti 25 až 40 t (surová hmotnost až 80t). Na základě analýzy původní technologie pak navrhnout účinný způsob pro zvýšení rychlosti tuhnutí. Ke zvýšení rychlosti tuhnutí budou použita vnější chladítka. Navrženou technologii dále kontrolovat pomocí simulačních programů na možnost vzniku slévárenských vad. Proměřením teploty ve vybraných místech odlitku pak upřesnit fyzikální data používané v simulačních programech. Práce dále sleduje zvýšení využití tekutého kovu, tj. snížení surové hmotnosti odlitku.
Obr. 2 Místo výpočtu křivek chladnutí Fig. 2 Point of calculation of cooling curves
3. Postup řešení a získané poznatky Obrázek horního beranu lisu s původní technologií ve slévárně Vítkovice Heavy Machinery je uveden na obr.1. Forma je zhotovena z modelové a výplňové furanové směsi, kde pro modelovou směs je použito chromitové a pro výplňovou směs křemenné ostřivo. Umístění a velikost chladítek při použití původní technologie je patrná z obr. 1. Odlitek beranu se sestává z válcové části (nohy) a hranaté části (hlavy). V hlavě jsou drážky (vodící rádiusy) pro vedení beranu ve stojanu lisu. V těchto drážkách se nejčastěji vyskytují vady, které působí porušení odlitku během jeho provozu v kovárně. Forma se plní tekutým kovem do jedné
82
Výpočet křivek postupu front tuhnutí v uvedeném místě byl proveden pro tři varianty slévárenské technologie. První variantou byla původní technologie. Druhá varianta představovala způsob extrémního chladnutí odlitku s použitím masivních kontaktních chladítek. Kontaktními chladítky se myslí ocelová chladítka, která jsou nejméně jednou plochou ve styku s tekutým kovem. U nekontaktních chladítek je mezi tekutým kovem a povrchem chladítka vrstva formovacího materiálu. Třetí varianta vycházela z poznatků získaných při analýze první a druhé varianty. Tato varianta byla také následně ověřena i odlitím tří kusů beranů. K výpočtu křivek postupu front tuhnutí (začátku
Hutnické listy č.5/2009, roč. LXII ISSN 0018-8069
Slévárenství Foundry Industry
3.1 Analýza původní technologie pomocí simulačních programů Pro variantu původně používané technologie jsou data stanovená simulačním programem uvedena na obr. 3. Body na obr. 3 udávají pro určitou vzdálenost od povrchu odlitku na úsečce uvedené na obr. 2, dobu, za kterou poklesne v určitém místě teplota oceli na teplotu likvidu a solidu (do začátku a konce tuhnutí). Použité fyzikální jednotky jsou v souladu s jednotkami použitými v simulačním programu. Vzdálenost je udávána v centimetrech a čas je udáván v hodinách. Obě křivky obr. 3 vykazují výrazný inflexní bod. Křivky jsou popsány polynomem 3. stupně. V tepelné ose odlitku (75cm) klesne teplota na teplotu likvidu za cca 12 hodin. Tuhnutí odlitku začíná až po 20 hodinách a končí v tepelné ose po cca 35 hodinách od začátku lití. Líc formy je 20 hod ve styku s tekutým kovem. Od okamžiku poklesu teploty v tepelné ose na teplotu likvidu se nachází v celém sledovaném průřezu odlitku dvoufázové pásmo (od povrchu po teplenou osu). V této době chladnutí kovu v odlitku jsou příznivé podmínky pro vznik velkých rovnoosých dendritů od povrchu odlitku až po tepelnou osu. Tato situace trvá déle než 8 hodin. vz dálenos t od povrc hu odlitku [c m ]
80
y = 0,0645x 3 - 0,9658x 2 + 8,1813x - 1,5983 R 2 = 0,9929
70
čas likvid
výzkumů byla ve Vítkovicích stanovena minimální rychlost chladnutí u těžkých ingotů, která ještě zabraňovala vzniku stvolových vycezenin, jak je uvedeno výše, 8 cm za hodinu (0,02 až 0,04 mm/sec). ryc hlos t c hladnutí [c m /hod]
a konce) byla u všech tří variant použita data stanovená simulačními programy.
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
y = 0,021x 2 - 0,477x + 8,134 R2 = 1 rychlos t s olid rychlos t likvid
y = 0,0057x 2 - 0,477x + 13,24 R2 = 1
0
20 40 60 vz dá lenost od povrc hu odlitku [c m ]
80
Obr. 4 Rychlost začátku a konce tuhnutí v různé vzdálenosti od povrchu odlitku – stávající technologie Fig. 4 Rate of the solidification start and finish in different distance from the casting surface – present technology
Vliv chladítek u používané technologie ve sledovaném místě odlitku na rychlost chladnutí a tuhnutí je malá. Chladítka se ohřívají na 1200°C a po prohřátí akumulované teplo zpomaluje rychlost chladnutí odlitku. Účinná mohou být chladítka, která mají dimenzovanou hmotnost tak, aby mohla odvádět teplo z odlitku po celou dobu jeho tuhnutí. Následovně byly vypočteny podmínky pro chladnutí odlitku v uvažovaném místě pro postup s použitím hmotných chladítek. 3.2 Analýza navržené technologie s použitím hmotných chladítek pomocí simulačních programů
60 čas s olid
50 40 30 y = 0,0186x 3 - 0,9074x 2 + 11,371x R 2 = 0,9721
20 10 0 0
10
20
30
40
50
čas [hod]
Obr. 3 Postup začátku a konce tuhnutí ve vybraném řezu odlitku původní technologie Fig. 3 Process of the solidification start and finish in the chosen casting section – original technology
Rychlost začátku a konce tuhnutí byla vypočtena derivací křivek uvedených na obr. 3 podle času. Závislost rychlosti chladnutí na vzdálenosti od povrchu odlitku je uvedena na obr. 4. Rychlost chladnutí na obr. 4 udává rychlost postupu izosolidy a izolikvidy v různé vzdálenosti od povrchu odlitku. Na povrchu odlitku je po odlití malá rychlost chladnutí tekutého kovu. Do vzdálenosti cca 20 cm od povrchu odlitku klesá rychlost začátku tuhnutí (posunu teploty likvidu) z 6 až na 4 cm za hodinu. Dále pak rychlost posunu likvidu roste. Největší rychlost postupu teploty likvidu je v tepelné ose. Tuhnutí souvislé vrstvy kovu nastává na povrchu až po prohřátí formy a chladítek. Nejmenší rychlost tuhnutí je od povrchu odlitku až do vzdálenosti 20 cm od povrchu. Rychlost tuhnutí se v této oblasti je menší než 3 cm za hodinu. Největší rychlost tuhnutí je v tepelné ose odlitku a to až 16 cm za hodinu. Podle dřívějších
Vypočet byl proveden za stejných podmínek jako u předchozí technologie (ve stejném místě odlitku, stejná rychlost plnění odlitku, stejné podmínky dolévání nálitku, stejný materiál formy a stejná licí teplota). Chladítka byla vyrobena z nízkouhlíkové oceli. Tvar chladítek byl přizpůsoben tvaru odlitku. Při použití hmotných kontaktních chladítek (3,3t oproti 0,5t v původní variantě), umístěných v rádiusech odlitku podle obr. 2 je dosaženo teploty likvidu v tepelné ose do 5 hodin viz obr. 5. Tuhnutí v tepelné ose odlitku je ukončeno za cca 16 hodin. Na povrchu chladítek je dosaženo teploty likvidu a solidu ihned po kontaktu tekutého kovu s chladítkem. Z tohoto důvodu není třeba se obávat svaření chladítka s odlitkem. Za 2 hodiny je tloušťka ztuhlé vrstvy větší než 10 cm. Právě v této podpovrchové vrstvě je požadována nejvyšší jakost odlitku bez slévárenských vad, na kterých se iniciují trhliny. Šířka dvoufázového pásma v prvních dvou hodinách po odlití je oproti původní technologii podstatně užší. S přibývajícím časem po dolití se šířka dvoufázového pásma rozšiřuje a za dvě hodiny po odlití má hodnotu cca 10 cm. Obě křivky na obr. 5 mají rovněž výrazný inflexní bod. Po jeho dosažení rychlost chladnutí oceli roste. Rychlosti
83
vz dálenos t od povrc hu odlitku [c m]
Slévárenství Foundry Industry
Hutnické listy č.5/2009, roč. LXII ISSN 0018-8069
80 3
2
y = 6,7119x - 24,363x + 32,701x + 2,3995 2 R = 0,9864
70 60 50
čas likvik
40
čas solid
30 20
3
2
y = 0,0282x - 0,5474x + 5,4119x + 2,7721 2 R = 0,9951
10 0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
čas [hod]
Obr. 5 Postup začátku a konce tuhnutí ve vybraném řezu odlitku technologie používající kontaktní hmotná chladítka Fig. 5 Process of the solidification start and finish in the chosen casting section – technology using contact heavy chills
chladnutí v různých místech odlitku jsou uvedeny na obr. 6. ryc hlos t c hladnutí [c m/hod]
35 30 25 y = 0,0103x 2 - 0,9916x + 35,911 R 2 = 0,9486
20 15
rychlos t s olid rychlos t likvid
10
y = 0,0009x 2 - 0,0924x + 5,666 R 2 = 0,9845
5 0 0
20 40 60 vz dálenos t od povrchu odlitku [cm]
80
tuhé vrstvy na povrchu odlitku je v těchto místech již menší podíl tekuté fáze, proto stačí odvedení menšího množství tepla, aby tuhá vrstva rostla. Tento efekt se zvýrazňuje jak se blíží fronta tuhnutí k tepelné ose. V blízkosti tepelné osy je proto u původní technologie rychlost tuhnutí velká. U technologie s hmotnými kontaktními chladítky v prvních dvou hodinách po odlití je dvoufázová pásmo užší než 10 cm a objem ztuhlé fáze je za jednotku času větší než v předešlém případě. Proto je i při větším odvodu tepla rychlost tuhnutí ve vzdálenosti cca 20 až 30 cm od povrchu již menší než u původní technologie. Ve struktuře lze předpokládat do vzdálenosti 10 až 20 cm od povrchu odlitku dendrity s primární osou dlouhou cca 10 cm a menší sklon k tvorbě dutin.
4. Interpretace získaných poznatků a jejich praktické využití Použití kontaktních chladítek o velké hmotnosti vede ke změně způsobu krystalizace odlitku. Se zvyšující se hmotností chladítek se posunují inflexní body pro začátek a konec tuhnutí na obr. 5 do větších tloušťek odlitku. Zvyšování hmotnosti chladítek má svoje technické omezení. S rostoucí hmotností kontaktních chladítek roste rychlost chladnutí. Od určité hmotnosti však přínos dalšího zvyšování hmotnosti chladítek je malý. Pro každý případ použití chladítek existuje jejich technicky zdůvodnitelná velikost.
Obr. 6 Rychlost začátku a konce tuhnutí v různé vzdálenosti od povrchu odlitku – technologie používající kontaktní hmotná chladítka Fig. 6 Rate of the solidification start and finish in different distance from the casting surface – technology using contact heavy chills
Rychlost pohybu teploty likvidu je v povrchové vrstvě odlitku vysoká. Do vzdálenosti 10cm od povrchu je vyšší než 20 cm za hodinu. S přibývající vzdáleností od povrchu odlitku rychlost začátku tuhnutí klesá až po inflexní bod a až k tepelné ose opět roste. Rychlost tuhnutí s rostoucí vzdáleností od povrchu klesá z hodnoty 6,5 cm za hodinu (0,018 mm/sec). Nejnižší rychlost tuhnutí je ve vzdálenosti 20 až 30 cm od povrchu odlitku. Dále pak rostoucí vzdáleností od povrchu rychlost tuhnutí postupně roste až na hodnotu 10 cm za hodinu v tepelné ose. U původní technologie je rychlost tuhnutí v povrchových partiích odlitku menší než u technologie s kontaktními chladítky o velké hmotnosti. Tuhnutí v původní technologii začíná ale až za 20 hodin po odlití. V tepelné ose se však vylučuje tuhá fáze již po 12 hodinách. Lze přepokládat, že primární osy dendritů v tomto čase dosáhnou tepelné osy a v celém objemu kovu se vyskytují dendrity, které nikde netvoří souvislou tuhou vrstvu. Zbytek objemu odlitku tvoří mezidendritická tavenina. Do začátku vzniku souvislé fronty tuhnutí roste podíl tuhé fáze a klesá podíl mezidendritické taveniny. Na počátku vzniku souvislé
84
Obr. 7 Umístění termočlánků v kovu a ve formě Fig. 7 Location of thermocouples in metal and in mould
Simulace vzniku napětí v odlitku v průběhu chladnutí a tuhnutí ukázala, že v některých případech daných konstrukcí odlitku je použití kontaktních chladítek z hlediska nebezpečí vzniku trhlin riskantní. Přesto u uvedených odlitků byla v některých místech formy použita s úspěchem kontaktní chladítka o velké
Hutnické listy č.5/2009, roč. LXII ISSN 0018-8069
Slévárenství Foundry Industry
hmotnosti (cca 10t). V místech s velkým nebezpečím vzniku trhlin byla použita nekontaktní chladítka o hmotnosti několika tun. Tím se zvýšil podíl ztuhlého kovu před doléváním nálitku a bylo možné nálitek zmenšit o 25% jeho hmotnosti. Dosažená úspora zcela kryje náklady na výrobu tvarových chladítek o velké hmotnosti. Podle navržené technologie byly odlity 3 ks odlitků beranů o hrubé hmotnosti 25t (surová hmotnost cca 44t). Při výrobě dvou forem sledovaných odlitků beranů byly ve zvolených místech zaformovány termočlánky pro měření teploty ve formovacím materiálu a v kovu. Teplota kovu ve formě byla v prvním odlitku měřena dvěma termočlánky umístěnými v přilitém zkušebním kuse (21-B a 22-B) a dvěma v nálitku (23-B a 24-B) viz obr. 7. U druhého odlitku byl v přilitém kuse použit pouze jeden termočlánek (21-B) a druhý (22-B) byl umístěn v krčku nálitku. Umístění termočlánků v nálitku bylo u druhého měřeného odlitku identické jako u prvního odlitku. Měření probíhalo v obou odlitcích po dobu cca 120h. Reprezentativní průběhy teplot v kovu z obou měřených odlitků jsou zobrazeny v grafu na obr. 8.
Z důvodu prohřátí formy a termočlánků použitých při měření teploty kovu a to zejména v nálitku, byl použit záznam teplot v kovu pouze do doby max. cca 25 hod. Z obr.8 je zřejmé, že v měřeném přilitém vzorku (21B a 22B) docházelo během krátké doby ke ztuhnutí. To souviselo s nízkou licí teplotou (1540 °C) a umístěním termočlánků pouze těsně pod povrchem (30 mm). Teplota naměřená na rozhraní formovací směs chladítko (ve vodícím rádiusu - K2, obr. 9) ukazuje, že po čase cca 30 hodin dochází k prohřátí formy mezi odlitkem a vlastním chladítkem. Pak již teplota plynule roste až do cca 700°C. Porovnáním těchto hodnot s dříve používanou technologií vyplývá, že se tato teplota snížila o více než 500°C oproti původní variantě, což podstatně zvyšuje schopnost odvádět z ochlazovaného místa teplo. Křivka označená jako teplota K1 zobrazuje průběh teplot na rozhraní spodní chladítko-formovací směs. Hodnoty teplot získané z termočlánků K1 a K3 byly použity k prvotní validaci fyzikálních dat použitých v numerické simulaci v programu Procast. Průběh naměřené teploty K1 v závislosti na čase je též separátně uveden na obr. 10. 600 500
21-B odlitek 1 22-B odlitek1 21-B odlitek 2 24-B odlitek1 23-B odlitek2 24-B odlitek2 22-B odlitek2
1400
teplota [°C]
1200 1000
teplota [°C ]
1600
400 300 P roC A S T 200 Měření
800
100 600
0
400
0
200
20
40
60
80
č a s [hod] 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100 110 120
čas [hod]
Obr. 8 Průběh teplot v měřených místech odlitku 1,2 Fig. 8 Course of temperatures in measured points of the casting 1, 2
Průběhy teplot ve formě obou měřených odlitků jsou pak uvedeny na obr. 9.
Obr. 10 Průběh teploty K1 naměřený a simulovaný Fig. 10 Measured and simulated course of temperature K1
Na obr. 10 je současně uveden i průběh teploty K1 vypočítaný pomocí numerické simulace v identickém místě. Na obr. 11 je podobně uveden průběh teploty K3 naměřený a vypočtený z numerické simulace. 1200
1000 900 800
teplota [°C]
700
odlitek1 odlitek 2 odlitek 1 odlitek 2 odlitek 1 odlitek 1 odlitek 2
600 500
1000 teplota [°C]
K1 K1 K2 K2 K3 K4 K4
800 600
P roC A S T
400
měření
400
200 300
0 0.00
200 100 0 0
10
20
30
40
50 60 70 čas [hod]
80
90 100 110 120
Obr. 9 Průběh teplot v měřených místech formy u odlitku 1,2 Fig. 9 Course of temperatures in measured points of the mould for the casting 1, 2
20.00
40.00 č a s [hod]
60.00
80.00
Obr. 11 Průběh teploty K3 naměřený a simulovaný Fig. 11 Measured and simulated course of temperature K3
Při měření teploty ve formovacím materiálu za odlitkem (K3) a za tepelnou izolací nálitku (K4) bylo zjištěno, že izolační schopnost obkladu nálitku je nedostatečná. V měřeném místě za tepelnou izolací dochází po
85
Slévárenství Foundry Industry
Hutnické listy č.5/2009, roč. LXII ISSN 0018-8069
relativně krátkém čase (cca 10 h u odlitku 1 a cca 8 h u odlitku 2) k rychlému zvýšení teploty. To nasvědčuje tomu, že tepelná izolace může ztrácet velice rychle izolační vlastnosti. Naměřený průběh muže být ovlivněn také způsobem provedení izolace nálitku (spáry mezi izolačními tvárnicemi). Jak ukázala vizuální kontrola tryskaného odlitku, dochází v některých případech k prasknutí izolační tvárnice a zaplnění vzduchové mezery kovem, což značně může zvýšit v daném místě odvod tepla do formy. Jak vyplývá z průběhů teplot uvedených na obr. 10 a obr. 11, byly zjištěny odchylky mezi teplotami vypočtenými v simulačním programu Procast a skutečně naměřenými. V případě teploty na rozhraní spodní chladítko – formovací směs byly odchylky pouze malé a výsledky jsou zcela vyhovující. Naproti tomu v případě teplot naměřených ve formovací směsi jsou zjištěné rozdíly mezi simulovanými a naměřenými teplotami již významné. Z tohoto důvodu je v současné době využíváno inverzních simulací ke snížení rozdílu mezi naměřenými a vypočtenými teplotami změnou termofyzikálních parametrů používaných v simulaci v programu Procast.
Optimalizací velikosti použitých vnějších chladítek je možné toto pásmo rozšířit a zatlačit tak slévárenské vady typu dutin hlouběji do odlitku, kde již zpravidla nejsou tak nebezpečné. Předložený referát se zabývá optimalizací velikosti a tvaru chladítek pomocí numerické simulace v programu Procast a způsobem řízení rychlosti tuhnutí na základě výsledků. Pro stanovení rychlosti tuhnutí je nutné nejprve stanovit časový průběh tuhnutí v závislosti na vzdálenosti od povrchu odlitku. Derivací této vzdálenosti – dráhy podle času je možné určit i danou rychlost tuhnutí. To umožňuje v praxi i následně volbou optimální velikosti, tvaru případně i množství chladítek v určitém rozmezí měnit i rychlost tuhnutí v kritických místech a to i u masivních ocelových odlitků. Příspěvek byl zpracován za podpory MPO v rámci projektu TANDEM, ev. č. FT—TA5/048 „Predikce a odstranění vnitřních a povrchových vad produktů slévárenské výroby“ Literatura [1] [2]
5. Závěr
[3]
VODÁREK, V.: Horní beran DGH40 z materiálu GS 22MnNi5, Výzkumná zpráva, ev.č. 945-em67-2008, 16.12.2008 KAŇÁK, J., SAIP, J.: Způsoby snižování vlivu stvolových vycezenin na jakost odlitků. Slévárenství XXXII (1984). Č. 10, s. 420 až 424. HAVLÍČEK, F.: Souvislost geometrického modulu odlitku s procesem tuhnutí a vnitřního pnutí. Sborník vědeckých prací VŠB-TU, ISSN 0474-8484, ročník LII (2009), 87 až 102.
Rychlost tuhnutí určuje výslednou strukturu v odlitku. V případě malé rychlosti tuhnutí vzniká v odlitku hrubá rovnoosá struktura a odlitek pak může obsahovat velké Recenze: Prof. Ing. Tomáš Elbel, CSc. množství ředin. S rostoucí intenzitou ochlazování Doc. Ing. Alena Přibylová, CSc. dochází k rozšíření pásma kolumnárních krystalů, které obsahuje zpravidla i nejmenší množství ředin. _____________________________________________________________________________________________
21. mezinárodní veletrh technologií pro zpracování kovových plechů
EuroBLECH 2010 Hannover
Hannover, Spolková republika Německo Veletržní areál, hala 11 – 17, 27 www.euroblech.com
86
