Hutnické listy č.5/29, roč. LXII ISSN 18-869 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 4t (surová hmotnost 5 až 8t). 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 4 t (gross weight from 5 up to 8 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 Hutnické listy č.5/29, roč. LXII Foundry Industry ISSN 18-869 tuhnutí potřebná pro potlačení vzniku stvolových vad u odlitků (ingotů) z oceli s C =,2 až,35% je podle uvedených autorů,2 až,4 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. Obr. 1 Odlitek beranu Fig. 1 Casting of a press ram Vznik slévárenských vad dále může ovlivňovat šířka 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. 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 4 t (surová hmotnost až 8t). 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. 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 Obr. 2 Místo výpočtu křivek chladnutí Fig. 2 Point of calculation of cooling curves 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.5/29, roč. LXII ISSN 18-869 a konce) byla u všech tří variant použita data stanovená simulačními programy. 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 2 hodinách a končí v tepelné ose po cca 35 hodinách od začátku lití. Líc formy je 2 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. vzdálenost od povrchu odlitku [cm] 8 7 6 5 4 3 2 1 y =,645x 3 -,9658x 2 + 8,1813x - 1,5983 R 2 =,9929 čas likvid čas solid y =,186x 3 -,974x 2 + 11,371x R 2 =,9721 1 2 3 4 5 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 2 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 2 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 Slévárenství Foundry Industry 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 (,2 až,4 mm/sec). rychlost chladnutí [cm/hod] 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 rychlost solid rychlost likvid y =,21x 2 -,477x + 8,134 R 2 = 1 y =,57x 2 -,477x + 13,24 R 2 = 1 2 4 6 8 vzdálenost od povrchu odlitku [cm] 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 12 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 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,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 1 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 1 cm. Obě křivky na obr. 5 mají rovněž výrazný inflexní bod. Po jeho dosažení rychlost chladnutí oceli roste. Rychlosti 83
Slévárenství Hutnické listy č.5/29, roč. LXII Foundry Industry ISSN 18-869 vzdálenost od povrchu odlitku [cm] 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. rychlost chladnutí [cm/hod] 8 7 6 5 4 3 35 3 25 2 15 1 5 y = 6,7119x 3-24,363x 2 + 32,71x + 2,3995 R 2 =,9864 rychlost solid čas likvik čas solid 2 1 y =,282x 3 -,5474x 2 + 5,4119x + 2,7721 R 2 =,9951 2 4 6 8 1 12 14 16 18 rychlost likvid y =,13x 2 -,9916x + 35,911 R 2 =,9486 y =,9x 2 -,924x + 5,666 R 2 =,9845 2 4 6 8 vzdálenost od povrchu odlitku [cm] 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 1 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 2 až 3 cm od povrchu již menší než u původní technologie. Ve struktuře lze předpokládat do vzdálenosti 1 až 2 cm od povrchu odlitku dendrity s primární osou dlouhou cca 1 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 1cm od povrchu je vyšší než 2 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 (,18 mm/sec). Nejnižší rychlost tuhnutí je ve vzdálenosti 2 až 3 cm od povrchu odlitku. Dále pak rostoucí vzdáleností od povrchu rychlost tuhnutí postupně roste až na hodnotu 1 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 2 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 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 84
Hutnické listy č.5/29, roč. LXII ISSN 18-869 hmotnosti (cca 1t). 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 12h. Reprezentativní průběhy teplot v kovu z obou měřených odlitků jsou zobrazeny v grafu na obr. 8. Slévárenství Foundry Industry 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 (154 C) a umístěním termočlánků pouze těsně pod povrchem (3 mm). Teplota naměřená na rozhraní formovací směs - chladítko (ve vodícím rádiusu - K2, obr. 9) ukazuje, že po čase cca 3 hodin dochází k prohřátí formy mezi odlitkem a vlastním chladítkem. Pak již teplota plynule roste až do cca 7 C. Porovnáním těchto hodnot s dříve používanou technologií vyplývá, že se tato teplota snížila o více než 5 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. 1. 6 16 14 12 1 8 6 4 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 21-B odlitek 1 22-B odlitek1 21-B odlitek 2 24-B odlitek1 23-B odlitek2 24-B odlitek2 22-B odlitek2 5 4 3 2 1 2 4 6 8 ProCAST Měření Obr. 1 Průběh teploty K1 naměřený a simulovaný Fig. 1 Measured and simulated course of temperature K1 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. 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 K1 odlitek1 K1 odlitek 2 K2 odlitek 1 K2 odlitek 2 K3 odlitek 1 K4 odlitek 1 K4 odlitek 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 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 Na obr. 1 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. 12 1 8 6 4 2 ProCAST měření. 2. 4. 6. 8. 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 Hutnické listy č.5/29, roč. LXII Foundry Industry ISSN 18-869 relativně krátkém čase (cca 1 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. 1 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. 5. Závěr Rychlost tuhnutí určuje výslednou strukturu v odlitku. V případě malé rychlosti tuhnutí vzniká v odlitku hrubá rovnoosá struktura a odlitek pak může obsahovat velké množství ředin. S rostoucí intenzitou ochlazování dochází k rozšíření pásma kolumnárních krystalů, které obsahuje zpravidla i nejmenší množství ředin. 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 TA5/48 Predikce a odstranění vnitřních a povrchových vad produktů slévárenské výroby Literatura [1] VODÁREK, V.: Horní beran DGH4 z materiálu GS 22MnNi5, Výzkumná zpráva, ev.č. 945-em67-28, 16.12.28 [2] KAŇÁK, J., SAIP, J.: Způsoby snižování vlivu stvolových vycezenin na jakost odlitků. Slévárenství XXXII (1984). Č. 1, s. 42 až 424. [3] HAVLÍČEK, F.: Souvislost geometrického modulu odlitku s procesem tuhnutí a vnitřního pnutí. Sborník vědeckých prací VŠB-TU, ISSN 474-8484, ročník LII (29), 87 až 12. Recenze: Prof. Ing. Tomáš Elbel, CSc. Doc. Ing. Alena Přibylová, CSc. 21. mezinárodní veletrh technologií pro zpracování kovových plechů EuroBLECH 21 Hannover Hannover, Spolková republika Německo Veletržní areál, hala 11 17, 27 www.euroblech.com 86