Способ получения отливок, способ определения количества модификатора структуры, устройство для определения количества модификатора структуры и программный продукт компьютера для использования в этом устройстве
Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу предсказания микроструктуры, получаемой при затвердевании расплавленных чугунов с компактным и сфероидальным графитом. Для получения отливок из чугуна с компактным и сфероидальным графитом одновременно регистрируют, по меньшей мере две, кривые охлаждения в центральной и периферийной зонах на расстояниях r1, r2 соответственно от центра кристаллизатора для пробы. На основе полученной информации получают, по меньшей мере, две кривые выделения тепла. Сравнивают кривые выделения тепла с предварительно определенными кривыми выделения тепла, соответствующими известным концентрациям модификаторов структуры. Причем предварительно определенные кривые выделения тепла получены при таких же условиях, что и на предыдущих этапах. На основе этого сравнения определяют количество модификатора структуры, подлежащего добавлению в расплав, и на основе этого управляют подачей точного количества в расплав, после чего выполняют операцию литья. Способ предсказания микроструктуры выполнят при использовании системы компьютерного регулирования. Компьютер имеет доступ к данным тарировки, например, для предварительно зарегистрированных кривых моделирования, соответствующих известному количеству модификатора структуры, в запоминающем устройстве и рассчитывает количество модификатора структуры, которое следует добавить в расплав. Изобретение позволяет разливать чугун с компактным и сфероидальным графитом на крупномасштабном промышленном предприятии за счет точного и надежного предсказания микроструктуры отливок компьютером. 5 н. и 1 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к способу предсказания микроструктуры, получаемой при затвердевании определенных расплавленных чугунов. Изобретение относится также к устройству для осуществления данного способа.
В заявке WO 86/01755 описывается способ получения чугуна с компактным графитом при использовании термического анализа. Из расплавленного чугуна берут пробу, и данная проба затвердевает в течение 0,5-10 мин. Одновременно регистрируют температуру с помощью двух датчиков температуры, один из которых расположен в центре пробы, а другой в непосредственной близости к стенке кристаллизатора. Для каждого из двух датчиков температуры пишутся так называемые кривые охлаждения, относящиеся к температуре в пробе чугуна как функции времени. В соответствии с данным документом, на основании полученных данных можно определить необходимое количество модификаторов структуры, которые следует добавить в расплав для того, чтобы получить нужную микроструктуру.
Из документа DE 2849598 известно устройство для определения количества модификатора структуры, содержащее кристаллизатор для проб с расплавом чугуна, по меньшей мере два датчика температур для регистрации кривых охлаждения, компьютер для определения количества модификатора структуры и средство запоминания с предварительно записанными данными тарировки.
В заявке WO 92/06809 предложен способ оценки кривых охлаждения, полученных по способу WO 86/01755. В соответствии с этим документом термический анализ выполняют в кристаллизаторе для пробы, покрытом материалом, поглощающим активную форму модификатора структуры. Этот материал может включать оксиды Si, Mn, Fe, К и Na. Начальная пологая часть кривой охлаждения, зарегистрированная конкретным датчиком температуры, расположенным вблизи стенки кристаллизатора, показывает, что вследствие взаимодействия с покрытием образовался пластинчатый графит. Затем путем использования данных тарировки можно определить, следует ли добавлять в расплав какой-то модификатор структуры, чтобы получить чугун с компактным графитом.
Когда разливают чугун с компактным графитом на крупномасштабном промышленном предприятии, крайне важно иметь точное и надежное предсказание микроструктуры отливок. Иногда кривые охлаждения, которые трудно интерпретировать, принимают как ЧКГ, несмотря на тот факт, что образовалось некоторое количество пластинчатого графита. Таким образом, для того, чтобы улучшить точность оценки, возникает потребность в альтернативных способах анализа кривых охлаждения, которые могут компенсировать отклонения от нормального вида кривых охлаждения.
К настоящему времени оказалось, что путем изучения передачи тепла в кристаллизаторе для пробы, содержащем пробу расплавленного чугуна, можно точно предсказать микроструктуру, которая образуется при затвердевании пробы расплавленного чугуна. Этот способ также очень подходит для автоматизации с использованием компьютера.
Термин “кривая охлаждения”, используемый в описании, относится к графикам, представляющим температуру как функцию времени, причем такие графики получают методом, описываемым в WO 86/0155 и WO 92/06809.
Используемый в описании термин “кривая выделения тепла” относится к графику, представляющему тепло, которое образуется в определенной зоне расплавленного чугуна, как функцию времени. В соответствии с целями настоящего изобретения кривые выделения тепла здесь определяют для зон, расположенных в центре пробы расплавленного чугуна (зона А) и на периферии пробы расплавленного чугуна (зона В) соответственно. Кроме того, ниже будут описаны способы получения кривых выделения тепла.
Термин “кристаллизатор для пробы”, используемый в описании, относится к небольшому контейнеру для пробы, который, когда его используют для термического анализа, наполняют пробой расплавленного металла.
Затем в процессе затвердевания подходящим образом регистрируют температуру расплавленного металла. Кристаллизатор для пробы предпочтительно имеет конструкцию, описываемую в WO 86/0155, WO 92/06809, WO 91/13176, WO 96/23206 или PCT/SE98/02122.
Используемый термин “устройство для пробы” относится к устройству, включающему кристаллизатор для пробы, снабженный, по меньшей мере, двумя датчиками температуры для термического анализа, погружаемыми в пробу затвердевающего металла в процессе анализа, и средство для заполнения кристаллизатора для пробы расплавленным металлом. Кристаллизатор для пробы предпочтительно имеет датчик типа, показанного на фиг.2 в WO 96/23206 или PCT/SE/02122.
Термин “модификатор структуры” относится к соединениям, влияющим на морфологию графита, присутствующего в расплавленном чугуне. Подходящие соединения могут быть выбраны из группы, включающей магний и такие редкоземельные металлы, как церий, или смесь этих соединений. Взаимосвязь между концентрацией модификаторов структуры в расплавленном чугуне уже описана в упомянутых выше документах WO 92/06809 и WO 86/01755.
Термин “ЧКГ”, использованный в описании, относится к чугуну с компактным графитом, а термин “ЧСГ” - к чугуну со сфероидальным графитом.
Ниже изобретение описывается более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 схематично изображен кристаллизатор для пробы, который может быть использован согласно изобретению. В таком кристаллизаторе тепло равномерно распространяется во всех направлениях. Поэтому пробу расплавленного чугуна, помещенную в такой кристаллизатор, можно принять как застывающую сферу. На фиг.1 застывающая сфера разделена на две зоны: А и В. Радиусы r1 и r2 относятся к средним радиусам зон А и В соответственно.
На фиг.2 приведены кривые охлаждения и соответствующие кривые выделения тепла для ЧКГ. На фиг.2-7 использованы следующие обозначения: ТA=кривая охлаждения, записанная в центре, ТB=кривая охлаждения, записанная на периферии, Р A=кривая выделения тепла в центре и РB=кривая выделения тепла на периферии.
На фиг.3 приведены кривые охлаждения и соответствующие кривые выделения тепла для ЧКГ с низким содержанием пластинчатого графита. В процессе измерения в кристаллизаторе для пробы образовался пластинчатый графит за счет реакции с покрытием на стенке.
На фиг.4 приведены кривые охлаждения и соответствующие кривые выделения тепла для чугуна, имеющего высокую величину углеродного эквивалента.
На фиг.5 приведены кривые охлаждения и соответствующие кривые выделения тепла для чугуна, близкого к эвтектическому.
На фиг.6 приведены кривые охлаждения и соответствующие кривые выделения тепла для эвтектического или заэвтектического чугуна.
На фиг.7 приведены кривые охлаждения и соответствующие кривые выделения тепла для серого чугуна с пластинчатым графитом.
На фиг.8 схематично представлено устройство для регулирования получения чугуна с компактным графитом согласно изобретению.
Как уже упомянуто выше, изобретение относится к способу определения микроструктуры, которая будет образована при затвердевании определенной пробы расплавленного чугуна, путем измерения выделения тепла в пробе. В частности, изобретение относится к определению передачи тепла между двумя зонами пробы (одной зоны в центре пробы и другой периферийной зоны, окружающей центральную зону) и окружающей средой. При изучении графиков, представляющих производную тепла как функцию времени, можно получить точные предсказания.
Тепловой баланс для любого однородного элемента можно описать следующим соотношением:
где Qнакопл. представляет собой количество тепла, накопленного за счет теплоемкости материала, Qвыдел. представляет собой количество тепла, выделенного объемом материала, Qполуч. представляет собой количество тепла, полученного материалом из окружающей среды, и Qотдан. представляет собой количество тепла, переданное объемом пробы в окружающую среду.
При выполнении настоящего изобретения предпочтительно использовать кристаллизатор для пробы, описываемый в SE 9704411-9. В таком кристаллизаторе для пробы передача тепла в пробе, находящейся в кристаллизаторе, приблизительно одинакова во всех направлениях. Таким образом, от и до описана передача тепла между центром (фиг.1, зона А) и более периферийной частью (фиг.1, зона В) расплавленного чугуна, находящегося в кристаллизаторе для пробы. Поскольку зона А расположена в центре застывающей сферы, никакого тепла не должно поступать в зону, и Qполуч. поэтому равно нулю. Соответствующие подстановки в приведенное выше соотношение (1) дают следующее уравнение:
где Ср представляет теплоемкость на единицу массы, mA представляет собой массу зоны A, dT A/dt представляет собой изменение температуры в зоне А за единицу времени, ke представляет эффективный коэффициент теплопередачи материала, и (1/r1-1/r2)-1 представляет собой расстояние до средства передачи тепла. Оба радиуса r 1 и r2 показаны на фиг.1. ТA, T B представляют собой температуры в зоне А и зоне В соответственно.
Из уравнения (2) можно отделить выражение для выделения тепла и определить среднее суммарное выделение тепла в зоне А:
В уравнении (3) все переменные являются постоянными, за исключением dTA/dt и (ТA-TB). Следовательно, уравнение (3) можно упростить до
где k1 и k2 являются константами. Таким образом, может быть рассчитана кривая выделения тепла в зоне А на основании комплекта кривых охлаждения, зарегистрированных в центре и на периферии пробы расплавленного металла.
Тепловой баланс для зоны В подобен балансу для зоны А, но тепло передается как в зону (из зоны А), так и из нее (в окружающую среду). Следовательно, выражение Qвыдел. в соотношении (1) не равно нулю. Соответствующие подстановки в приведенное выше соотношение (1) дают следующее уравнение:
где в дополнение к тем переменным, которые определены в связи с приведенными выше уравнениями (2) и (3), h представляет собой потери тепла конвекцией в окружающую среду, TS представляет температуру окружающей среды, a 
AB
представляет собой константу из закона излучения Стефана-Больцмана.
Что касается последнего термина, то можно принять, что отношение полной потери тепла излучением к потере тепла конвекцией является постоянным:
Следовательно, можно отделить выражение для выделения тепла в зоне В, Qвыдел.B:
В уравнении (7) все переменные являются константами, за исключением dTB/dt, (ТA-TB) и TB. Таким образом, уравнение (7) можно упростить до
При использовании уравнений (4) и (8) для кривых охлаждения по методу, описываемому в WO 86/01755 и WO 92/06809, можно получить соответствующие кривые выделения тепла. На фиг.2(А)-6(А) приведены различные виды кривых охлаждения и на фиг.2(В)-6(В) - соответствующие кривые выделения тепла.
Как уже было упомянуто, такие расчеты основаны на ситуации, когда тепло равномерно передается во всех направлениях. Специалист в данной области техники, конечно, может получить другие уравнения, соответствующие другим условиям передачи тепла.
Обнаружены большие различия между разными типами кривых выделения тепла по сравнению с соответствующими кривыми охлаждения. Для ЧКГ (фиг.2) кривые, представляющие выделение тепла в зоне В, содержат два отчетливых пика, один меньше, другой больше, тогда как выделение тепла для ЧКГ с низким количеством сфероидального графита (фиг.3) является настолько больше, что эти два пика с трудом можно различить. Это применимо также к кривым, относящимся к чугуну с высоким углеродным эквивалентом (фиг.4). На кривой для зоны А заметен первичный пик, соответствующий аустениту. На кривых выделения тепла, соответствующих чугуну, близкому к эвтектическому (фиг.5), еще заметен небольшой пик для аустенита, тогда как на кривых, соответствующих эвтектическому или заэвтектическому чугуну (фиг.6), такой пик отсутствует. Что касается серого чугуна с пластинчатым графитом (фиг.7), то доминирует первый пик кривой выделения тепла, представляющей зону В.
Способ предсказания микроструктуры предпочтительно выполнять при использовании системы компьютерного регулирования, особенно когда должно быть получено большое количество измерений. Такая система изображена на фиг.8. Пробу расплавленного чугуна отбирают и переносят в кристаллизатор 22 для пробы. В процессе выполнения измерений конкретной пробы два температурных датчика 10, 12, расположенные соответственно в центральной и в периферийной зонах пробы на растояниях r1, r2 соответственно от центра кристаллизатора для пробы, причем r2 больше, чем r1, посылают сигналы в компьютер 14 для получения кривых охлаждения и соответствующих кривых выделения тепла, например, при использовании уравнений (3) и (6). Компьютер имеет доступ к данным тарировки, например, для предварительно зарегистрированных кривых моделирования, соответствующих известному количеству модификатора структуры или известной микроструктуре, в запоминающем устройстве 16 и рассчитывает количество модификатора структуры, которое следует добавить в расплав. В предпочтительном варианте это используют в качестве экспертной системы. Сигнал о количестве модификатора структуры, подлежащего добавлению, поступает в средство 18 для управления подачей модификатора структуры в расплав 20, подлежащий корректированию, благодаря чему в расплав подают соответствующее количество таких модификаторов.
Формула изобретения
1. Способ получения отливок из чугуна с компактным графитом, включающий получение расплавленного чугуна и заполнение им кристаллизатора для проб, использование средства для отбора проб, регистрацию кривых охлаждения, используя по меньшей мере два средства регистрации, и управление подачей модификатора структуры в расплавленный чугун, из которого получают отливку, используя средства для управления, отличающийся тем, что одновременно регистрируют по меньшей мере две кривые охлаждения в центральной и периферийной зонах на расстояниях r1, r2 соответственно от центра кристаллизатора для пробы и на основе полученной информации получают по меньшей мере две кривые выделения тепла; сравнивают кривые выделения тепла с предварительно определенными кривыми выделения тепла, соответствующими известным концентрациям модификаторов структуры, причем предварительно определенные кривые выделения тепла получены при таких же условиях, что и на предыдущих этапах; на основе этого сравнения определяют количество модификатора структуры, подлежащего добавлению в расплав, и на основе этого управляют подачей точного количества в расплав, после чего выполняют операцию литья.
2. Способ получения отливок из чугуна со сфероидальным графитом, включающий получение расплавленного чугуна и заполнение им кристаллизатора для проб, использование средства для отбора проб, регистрацию кривых охлаждения, используя по меньшей мере два средства регистрации, и управление подачей модификатора структуры в расплавленный чугун, из которого получают отливку, используя средства для управления, отличающийся тем, что одновременно регистрируют по меньшей мере две кривые охлаждения в центральной и периферийной зонах на расстояниях r1, r2 соответственно от центра кристаллизатора для пробы и на основе полученной информации получают по меньшей мере две кривые выделения тепла; сравнивают кривые выделения тепла с предварительно определенными кривыми выделения тепла, соответствующими известным концентрациям модификаторов структуры, причем предварительно определенные кривые выделения тепла получены при таких же условиях, что и на предыдущих этапах; на основе этого сравнения определяют количество модификатора структуры, подлежащего добавлению в расплав, и на основе этого управляют подачей точного количества в расплав, после чего выполняют операцию литья.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что процесс заполнения кристаллизатора для пробы расплавленным чугуном осуществляют с равномерной передачей тепла во всех направлениях.
4. Способ определения количества модификатора структуры, которое следует добавить в конкретный расплав чугуна для получения чугуна с компактным графитом, включающий получение чугуна и заполнение им кристаллизатора для проб, использование средства для отбора проб и регистрацию кривых охлаждения, используя по меньшей мере два средства для регистрации, отличающийся тем, что одновременно регистрируют по меньшей мере две кривые охлаждения в центральной и периферийной зонах на расстояниях r1, r2 , соответственно от центра кристаллизатора для пробы; на основе полученной информации получают по меньшей мере две кривые выделения тепла; сравнивают полученные на предыдущих этапах кривые выделения тепла с предварительно определенными кривыми выделения тепла, соответствующими известным концентрациям модификаторов структуры, причем предварительно определенные кривые выделения тепла получены при таких же условиях, как на предыдущих этапах, на основе этого определяют количество модификатора структуры, подлежащего добавлению в расплав.
5. Устройство для определения количества модификатора структуры, подлежащего добавлению в режиме реального времени в расплав для получения чугуна с компактным графитом, содержащее кристаллизатор для проб с расплавом чугуна, первый датчик температуры для регистрации первой кривой охлаждения, второй датчик температуры для регистрации второй кривой охлаждения, компьютер для определения количества модификатора структуры, подлежащего добавлению в расплав, средство запоминания с предварительно записанными данными тарировки, отличающееся тем, что первый датчик температуры для регистрации первой кривой охлаждения расположен в центральной зоне пробы на расстоянии r1 от центра кристаллизатора для пробы внутри упомянутого кристаллизатора, второй датчик температуры для регистрации второй кривой охлаждения расположен в периферийной зоне пробы на расстоянии r2 от центра упомянутого кристаллизатора внутри него, причем r2 > r 1, при этом компьютер определяет кривые выделения тепла для одной центральной зоны и одной периферийной зоны в упомянутом кристаллизаторе для пробы при использовании
i) формулы теплового баланса
Qнакопл=Qвыдел+Q получ-Qотдан,
где Qнакопл представляет собой количество тепла, накопленного благодаря теплоемкости материала;
Qвыдел представляет собой количество тепла, выделенного объемом материала;
Qполуч представляет собой количество тепла, полученного материалом из окружающей среды;
Qотдан представляет собой количество тепла, переданное в окружающую среду,
ii) первой и второй кривых охлаждения, зарегистрированных упомянутыми первым и вторым датчиками температуры, и количество модификатора структуры, подлежащего добавлению в расплав, путем сравнения упомянутых кривых выделения тепла с предварительно определенными данными тарировки.
6. Программный продукт компьютера для использования в устройстве для определения в режиме реального времени количества модификатора структуры, подлежащего добавлению в расплав чугуна в процессе получения отливки из чугуна с компактным графитом, содержащее первый датчик температуры для регистрации первой кривой охлаждения, расположенный в центральной зоне на расстоянии r1 от центра кристаллизатора для пробы внутри него, второй датчик температуры для регистрации второй кривой охлаждения, расположенный в периферийной зоне пробы на расстоянии r2 от центра упомянутого кристаллизатора для пробы внутри него, причем r2 > r1 , компьютер для определения количества модификатора структуры, подлежащего добавлению в расплав, средство запоминания с предварительно записанными данными тарировки, характеризующийся тем, что программный продукт компьютера включает средство регистрации и средство кодирования считываемых компьютером данных для направления в компьютер с целью получения кривых выделения тепла для одной центральной зоны и одной периферийной зоны в упомянутом кристаллизаторе для пробы при использовании
i) формулы теплового баланса
Qнакопл=Qвыдел+Qполуч-Q отдан,
где Qнакопл представляет собой количество тепла, накопленного благодаря теплоемкости материала;
Qвыдел представляет собой количество тепла, выделенного объемом материала;
Qполуч представляет собой количество тепла, полученного материалом из окружающей среды;
Qотдан представляет собой количество тепла, переданное в окружающую среду,
и ii) первой и второй кривых охлаждения, зарегистрированных упомянутыми первым и вторым датчиками (10, 12) температуры,
и средство регистрации и средство кодирования считываемых компьютером данных для определения количества (Va) модификатора структуры, подлежащего добавлению в расплав, путем сравнения кривых выделения тепла с предварительно зарегистрированными данными тарировки.
РИСУНКИ
