SE516136C2 - Process, anordning och datorprogram för bestämning av mängd tillsatsmedel för gjutjärnssmälta - Google Patents

Description

'N 25 30 516 136 2 WO93/20965 visar att hypereutektiska smältor i vilka grafitkärnor bildas före jäm- kämor, inte ger någon tydlig platå då temperaturen korsar likviduslinj en. Detta an- ses korrekt bero på det faktum att grafitkristallisering medför en lägre latent värme- fiisättning än jämkristallisering.

Genom att placera en liten mängd järn medlåg kolhalt i smältan löses partiellt jåmet med låg kolhalt lokalt då provet fortfarande är i smält form. Då provet svalnar börjar det relativt rena järnet som omger den kvarvarande fasta delen av stycket att stelna p g a sin lägre kolekvivalent (CE). Slutligen börjar den återstående fasta volymen av stycket, den omgivande mängden jäm med lågt CE och den smälta delen av jäm- stycket börjar stelna och ”utlösa” stelningen i en annars hypereutektisk smälta.

Nettoresultat är att en rekalescensplatå motsvarande austenit uppträder på sval- ningskurvan.

WO93/20965 anger även att temperaturskillnaden (AT) mellan Tf, och TC max kan an- vändas för att fastställa ett samband med kolekvivalenten. Emellertid hänför sig WO93/20965 till hypereutektiska smältor, d v s smältor där kolekvivalenten är så hög att frisättningen av värme från den primära stelningen inte sammanfaller med svalningskurvans minimipunkt (i det streckade området i Fig. 2(a) i WO93/20965).

Följaktligen är den primära stelningen och den eutektiska stelningen åtskilda.

Ingen av ovan angivna hänvisningar diskuterar någonting om att utföra termisk analys på gjutj ämssmältor for att bestämma kolekvivalenten hos smältor som har en sammansättning nära den eutektiska. Vidare antyder WO93/20965 mätningar på smältor med en kolekvivalent upp till 4,7%. Det är ofördelaktigt att uppnå så höga värden p g a grafitflotation och nedbrytning av grafitkristallernas form. Likaledes är förfarandet enligt WO93/20965 ofördelaktigt då det erfordrar en extra tillsats av stål eller jäm med låg kolhalt till provtagningskärlet, och följaktligen leder till högre kostnader och ett mer arbetssamt förfarande. 10 15 20 25 30 I I I O 0 I' ,,,.»øoooø: e ø o v 0 " 516 136 3 Sammandrag av uppfinningen Denna uppfinning tillhandahåller en möjlighet att utvärdera svalningskurvor som registrerats i gjutj ämssmältor med en sammansättning nära den eutektiska. Kurvor- na utvärderas genom att bestämma nettomängden genererad värme i centrum av smältprovet som en funktion av tiden. Denna information används därefter för att identifiera den del av den centralt uppmätta svalningskurvan som kan användas som bas för att bestämma mängden strukturmodifierande medel som måste tillsättas för att framställa kompaktgrafitjärn, och/eller lsegjärn, och för att identifiera den del av nämnda kurva som har samband med bildandet av primär austenit.

Definitioner Den här använda termen ”svalningskurva” hänför sig till grafer som representerar temperaturen som funktion av tiden, vilka grafer har registrerats på det vis som av- slöjats i WO86/O l 755 och WO92/06809.

Den här använda termen ”värmegenereringslcurva” hänför sig till en graf som visar den värrne som genereras i en viss zon av ett smält gjutjärn. I samband med denna uppfinning bestäms alla värmegenereringskurvor här för en zon som är belägen i centrum av ett prov av smält gjutjärn. Denna zon benämns allmänt som ”A-zonen”.

Den här använda termen ”provkärl” hänför sig till en liten provbehållare som, då den används vid termisk analys, är fylld med ett prov av smält metall. Temperaturen registreras därefter under stelning på lämpligt sätt. Företrädesvis är provkärlet ut- format på det vis som avslöjas i WO86/01755, WO92/06809, WO9l/ 13176 och WO96/23206.

Den här använda termen ”provtagningsanordning” hänför sig till en anordning om- fattande ett provkärl som utrustats med åtminstone två temperaturkänsliga organ för termisk analys, där nämnda organ är avsedda att nedsänkas i den stelnande metall- 10 15 20 25 30 516 136 4 smältan under analysen, och ett organ för att fylla provkärlet med smält metall.

Provkärlet är företrädesvis utrustat med nämnda sensorer på det vis som avslöjas i WO96/23206.

Den här använda termen ”strukturmodifierande medel” hänför sig till ämnen som påverkar morfologin hos den grafit som förekommer i det smälta gjutjärnet. Lämp- liga ämnen kan välj as ur gruppen av magnesium och sällsynta jordartsmetaller så- som cerium, eller blandningar av dessa ämnen. Sambandet mellan koncentrationen av strukturmodifierande medel i smälta gjutjäm och grafitmorfologin hos stelnade gjutjärn har redan diskuterats i de ovan anförda dokumenten WO92/06809 och WO86/01 75 5.

Den här använda tennen ”CGI” hänför sig till grafitkompaktj äm.

Den här använda termen ”SGI” hänför sig till segj äm.

Figurer Uppfinningen beskrivs med hänvisning till de medföljande figurema, i vilka: Fig. IA-4A visar svalningskurvor. En sammanhängande linje hänför sig till tempe- raturen i centrum av smältan och en streckad linje hänför sig till temperaturen nära provkärlets vägg. Fig. lB-4B visar värmegenereringskurvor för A-zonen motsva- rande de svalningskurvor som visas i F ig. 1A-4A. Fig. 1 hänför sig till normalt hy- poeutektiskt gjutj ärn och Fig. 2-3 visar kurvor för gjutj äm med en sammansättning nära den eutektiska vilka innehåller ökande värden på kolekvivalenten. Fig. 4 av- slöjar kurvor som hänför sig till hypereutektiska gjutj ärn.

Fig. 5 är en schematisk presentation av en anordning för att kontrollera produktion av kompaktgrafitj äm eller segj äm enligt denna uppfinning. u nano o 10 15 20 25 30 516 136 5 Fig. 6 är en schematisk presentation av ett provkärl i vilket vännen transporteras i princip likforrnigt i alla riktningar. Vid mätningar fylls kärlet med smält gjutj äm.

Detta smälta gjutj äm kan betraktas som en stelnande sfär. A-zonen hänför sig till en sfär i centrum av det smälta provet och B-zonen hänför sig det smälta järnet som omger A-zonen. Radiema rl och r2 hänför sig till den genomsnittliga radien för A- zonen resp. B-zonen.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Som redan nämnts ovan hänför sig denna uppfinning till ett förbättrat förfarande för att tolka svalningskurvor i gjutjämssmältor med sammansättningar nära den eutek- tiska. En av de viktiga parametrarna hos en svalningskurva är den maximala lut- ningen hos rekalescenstoppen i den centralt uppmätta svalningskurvan. Denna punkt benämns som ot i Fig. 1A, 2A och 3A. I svalningskurvor motsvarande gjutjärns- smältor med en sammansättning nära den eutektiska är inflexionspunkten (i figurer- na betecknad med ”tp”) lokaliserad mycket närmare ot och det kan vara mycket svårt att korrekt bestämma lutningen. Exempel på sådana kurvor kan påträffas i Fig. 2A och 3A. Emellertid har det nu visat sig att bestämningen av den maximala lutningen vid ot väsentligt kan förenklas om en värmegenereringskurva motsvarande den cen- trala zonen (A-zonen) i det smälta giutj ämet räknas ut. En sådan värmegenererings- kurva gör det möjligt att bestämma läget för tp i den centralt uppmätta svalningskur- van och att kontrollera huruvida den påverkar lutningen hos rekalescenstoppen eller ej.

Energibalansen för varje likformigt element kan beskrivas med sambandet: Qlagrad = Qgenererad + Qin ' Qut där Qmgmd är mängden värme som lagrats av materialets värmekapacitet, Qgenemrad är mängden värme som genererats av volymen material, Qin är den värme som över- s annu n 10 15 20 25 30 516 136 6 förts till materialet från dess omgivningar, och Qm är den mängd värme som över- förs från materialet till dess omgivningar.

Vid utövandet av denna uppfinning är det fördelaktigt att använda ett provkärl av den typ som avslöjas i SE 9704411-9. I ett sådant provkärl är värmetransporten i ett prov i kärlet ungefär lika stor i alla riktningar. Från och med nu beskrivs värme- transporten mellan centrum (Fig. 6, zon A) och den mer perifera (Fig. 6, zon B) de- len av en gjutjärnsmälta i ett provkärl. Då A-zonen är belägen i centrum av det smälta gjutj ärnsprovet, och då denna zon kan anses vara en stelnande sfär, trans- porteras inte någon värme in i zonen och Qin är därför lika med noll. Lämpliga sub- stitutioner i samband (1) ovan ger följande ekvation: CpmA dTA/dt = Qgm + 0 - 41rke [(TA - TB)/(1/r, - 1/r2)] (2) där CP är värmekapaciteten per massenhet, m A är A-zonens massa, dT A/dt är A- zonens temperaturändring per tidsenhet, QgcnA är den värme som genererats i zon A, ke är den effektiva värmeöverföringskoefficienten hos materialet, och (I/r, - 1/r2)" är genomsnittsavståndet för vännetransport. Radiema rl och rz definieras båda i Fig. 6. T A och TB är temperaturerna i A-zonen resp. B-zonen.

Ur ekvation (2) kan vi isolera värmegenereringstermen och räkna ut den genom- snittliga totala vännegenereringen i A-zonen: QgenA = CpmAdTA/dt + 41tke [(TA - TB)/(1/r1 - 1/r2)] (3) I ekvation (3) är alla variabler konstanta förutom dTA/dt och (TA - TB). Följaktligen kan ekvation (3) förenklas till: QgenA = kl + k2(TA _ TB) 10 15 20 25 30 516 136 7 där k] och k2 är konstanter. Således kan en värmefrisättningskurva räknas ut ur en uppsättning svalningskurvor som registrerats i centrum och periferin hos ett prov av smält gjutjärn.

Som redan nämnts baseras dessa uträkningar på en situation där värme likfonnigt transporteras i alla riktningar. Fackmannen kan naturligtvis även räkna ut andra ek- vationer som motsvarar andra värmetransportsförhällanden.

Som tidigare nämnts påverkar kolekvivalenten hos en viss gjutj ämssmälta utseendet hos dess motsvarande svalningskurvor och värmegenereringskurvor. Sådana sval- ningskurvor och vännegenereringskurvor kan, beroende på kolekvivalenten, klassi- ficeras i en av fyra modelltyper: Typ 1, vilken avslöjas i Fig. 1, hänför sig till hypoeutektiskt gjutjärn. Svalningskur- van som registrerats i centrum av provet kännetecknas av en första inflexionspunkt som har samband med bildandet av austenit, följt av ett lokalt minimum. Tolkningen av sådana kurvor ger inte upphov till några särskilda svårigheter och kan utföras en- ligt de principer som skisseras i WO86/01755 och WO92/06809. Det bör noteras att det finns en topp (tp) på A-zonens värrnegenereringskurva som motsvarar inflexi- onspunkten (och följaktligen inledningen av austenitbildning) på den centralt upp- mätta svalningskurvan.

Typ 2, vilken avslöjas i Fig. 2, hänför sig till gjutjärn med en sammansättning nära den eutektiska och kännetecknas av ett mycket platt lokalt minimum på den sval- ningskurva som uppmätts i centrum av provet. En inflexionspunkt kan inte påträf- fas. Emellertid är det mycket enklare att hitta en topp motsvarande austenitbild- ningspunkten tp på värmegenereringskurvan. I detta fall visade det sig att austenit- bildningspunkten tp är belägen i anslutning till den lokala minimipunkten vilket re- sulterar i ett mycket platt minimum. På Fig. 2A och 2B kan det konstateras att tp inte påverkar lutningen vid oc. 10 15 20 25 30 516 136 s Typ 3, vilken avslöjas i Fig. 3, hänför sig också till gjutjärn med en sammansättning nära den eutektiska, och kännetecknas av en detekterbar inflexionspunkt efter den lokala minimipunkten i svalningskurvan som uppmätts i provets centrum. Efter be- stämning av värrnegenereringskurvan är det enkelt att fastställa positionen hos aus- tentibildningspunkten tp till en punkt omedelbart efter den lokala minimipunkten. I denna situation påverkas emellertid rekalescensen, och följaktligen ot, av austenit- bildningen. För att kunna bortse från inverkningarna av den ”flyttade austenitbild- ningspunkten” och för att hitta ett korrekt ot vid ta (där t., > tp), den del av den cent- ralt uppmätta svalningskurvan som ligger omedelbart intill tp, och med tidsvärden t sådana attt- t, är större än ett förutbestämt tröskelvärde tv, genomsöks med avseen- de på ett maximalt värde ot] hos den första tidsderivatan. Detta värde otl används därefter som ett korrekt ot i förfarandet. Ett lämpligt tröskelvärde tv kan enkelt be- stämmas av fackmannen, men typiska exempel på sådana värden är 1-5 sekunder.

Typ 4, vilken avslöjas i Fig. 4A, hänför sig hypereutektiska gjutj äm. Denna typ kännetecknas av att inga tydliga inflexionspunkter eller breda minimipunkter kan iakttagas. Värrnegenereringskurvan i A-zonen innehåller inte några detekterbara toppar. Denna uppfinning kan inte tillämpas på denna situation.

Det är föredraget att utföra förutsägelseförfarandet genom att använda ett datakon- trollerat system, i synnerhet då ett stort antal mätningar måste utföras. I detta fall används samma typ av provtagningsanordning 22 som beskrivits ovan. Ett sådant datakontrollerat system skisseras i Fig. 5. Vid mätning av ett särskilt prov sänder de två temperaturkänsliga organen 10, 12 signaler till en dator 14 omfattande en ROM- enhet 16 och en RAM-enhet 15 för att generera svalningskurvoma. Dataanordning- en 14 är ansluten till ett minnesorgan 19 i vilken en programrutin är lagrad. När det i det följande beskrivs att datorn styr, bör det inses att datorn styrs av programmet i minne 19. Minnet 19 kan vara en ROM-krets eller en hårddisk. Programmet kan tillhandahållas till minnet 19 från ett konstant minne såsom en CD-ROM eller en diskett, exempelvis via en databus (visas inte). Datorn har tillgång till kalibrerings- data i en ROM-enhet 16 och räknar ut mängden strukturmodifierande medel som c von: o 516 136 9 måste sättas till smältan. Denna mängd signaleras till ett organ 18 fór att administre- ra strukturrnodifierande medel till smältan 20 som skall korrigeras, varvid smältan förses med en lämplig mängd av sådana medel.

Claims (6)

10 15 20 25 30 516 136 '11 10 Patentkrav

1. Förfarande för bestämning av mängden strukturmodifierande medel som måste sättas till en viss gjutj ärnsmälta för att erhålla kompaktgrafitj ärn eller segj ärn från en gjutj ärnsmälta med en hypoeutektisk sammansättning eller en sammansättning nära den eutektiska, vilket förfarande erfordrar en provtagningsanordning omfattande ett provkärl, organ för att registrera temperatur som funktion av tid både i centrum och nära väggen i nämnda provkärl, och ett organ för att administrera strukturrnodifie- rande medel till det smälta gjutjärnet, kännetecknat av att förfarandet omfattar ste- gen att: a) för valt gjutförfarande kalibrera mängden strukturmodifierande medel som måste sättas till en hypoeutektisk smälta för att erhålla kompaktgrafitj äm eller segjärn som funktion av maximivärdet ot hos den första tidsderivatan av en svalningskurva som registrerats i centrum av ett provkärl; b) ta ett prov av det smälta gjutjämet genom att använda en provtagningsanordning; c) låta nämnda prova stelna i ett provkärl, och under stelningen registrera svalnings- kurvor i centrum av provkärlet resp. vid provkärlets vägg; d) bestämma en värrnegenereringskurva som avslöjar den värme som genererats i centrum av provet som funktion av tiden genom att tillämpa i) energibalansformen: Qlagrad = Qgenererad + Qin ' Qut där Qlagad är mängden värme som lagrats genom värmekapaciteten hos mate- rialet, Qgenmrad är mängden värme som genererats i materialets volym, Qin är den värme som överförts till materialet från omgivningarna och Qui är den mängd värme som överförts till omgivningama;och ii) svalningskurvoma som uppmätts i steg c); 10 15 20 25 516 136 11 e) identifiera läget hos ett möjligt lokalt maximivärde tp på den värrnegenererings- kurva som erhållits i steg d), vilket maximium motsvarar en austenitbildningspunkt på den centralt uppmätta svalningskurvan som erhållits i steg c), och kontrollera hu- ruvida det finns en risk att denna austenitbildningspunkt påverkar värdet hos den maximala lutningen på den centralt uppmätta svalningskurvan; och f) i det fall ett tp har lokaliserats och om det inte finns någon risk att den maximala forsta tidsderivatan ot påverkas av austenitbildning, räkna ut mängden strukturrnodi- fierande medel (Va) som måste sättas till smältan genom att använda värdet ot och kalibreringsdata som erhållits i steg a); eller g) i det fall ett tl, lokaliserats, och om tp - ta är mindre än ett tröskelvärde tv, identifi- era en tidpunkt, toll, (tell > ta) fór vilken den andra tidsderivatan fór den centralt uppmätta svalningskurvan är ungefär noll, bestämma den forsta tidsderivatan otl, och räkna ut mängden strukturmodifierande medel (Va) som måste sättas till smäl- tan genom att använda värdet otl och kalibreringsdata som erhållits i steg a).

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att mängden strukturmodifierande medel som måste sättas till en viss gjutjärnsmälta för att erhålla kompaktgrafitj ärn bestäms.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att värmetransporten i prov- kärlet innehållande smält gjutj äm är ungefär lika stor i alla riktingar.

4. Förfarande för framställning av gjutgods av kompaktgrafitjärn eller segj ärn från en gjutj ärnsmälta med en eutektisk sammansättning eller en sammansättning nära den eutektiska, kännetecknat av att det omfattar stegen att: o vara n 10 15 20 25 30 516 136 12 a) tillhandahålla en gjutj ämsmälta med en sammansättning som är eutektisk eller nära den eutektiska; b) bestämma mängden strukturmodifierande medel som måste sättas till en viss gjutj ärnsmälta för att erhålla kompaktgrafitjäm eller segj äm enligt förfarandet enligt antingen krav 1 eller 3; c) tillsätta mängden strukturmodifierande medel som bestämts i steg b) till det smälta gjutjämet; och d) utföra gjutningssteget på ett i sig känt vis.

5. Anordning för att i realtid fastställa en mängd av ett strukturmodifierande medel som skall sättas till en gjutjämsmälta med hypoeutektisk sammansättning eller en sammansättning nära den eutektiska i samband med ett forfarande för framställning av ett giutgods av kompaktgrafitjäm; där anordningen omfattar: en första temperatursensor (10) för att registrera en svalningskurva i centrum av ett provkärl; en andra temperatursensor (12) för att registrera en svalningskurva i närheten av provkärlets vägg; en datorenhet (14) för att bestämma en mängd (Va) av ett struktunnodifierande medel som skall sättas till smältan; ett minnesorgan (16) vilket tillhandahålles med i förväg registrerade kalibrerings- data; kännetecknad av att datom är inställd för att bestämma det vänne som genereras i centrum av provet som funktion av tiden (en värrnegenereringskurva) genom att tillämpa i) energibalansformen: Qiagfad = Qgent-.fefaa + Qin ' Qui där Qlagrad är mängden vänne som lagras genom materialets värrnekapacitet, Qgenflflad är mängden värme som genereras av volymen material, Qin är den o voro 10 15 20 25 516 136 13 värme som överförs till materialet från omgivningen och Qat är den mängd värme som överförs till omgivningen;och ii) svalningskurvoma som uppmätts av nämnda första och andra temperatur- sensorer (10, 12); där datorenheten ställs in så att den identifierar ett tidsvärde ta, motsvarande ett lokalt maximum för den värme som genereras i centrum av provet som funktion av tiden; där datorn ställs in så att den räknar ut det maximala värdet av den första tidsde- rivatan av svalningskurvan som registreras av den första temperatursensom (10) och tilldelar variabeln oc detta värde och som tilldelar variabeln ta motsvarande tidsvärde; där datorn är inställd så att den jämför tidsvärdena ta och ta, och i det fall ta - ta är mindre än ett tröskelvärde tv är datorn inställd så att den identifierar ett nytt första derivatavärde oc, lokaliserat vid ett tidsvärde tal, vilket är större än ta, och vilket mot- svarar en del av svalningskurvan som registrerats av den första tempe- ratursensom (10) där den andra tidsderivatan ungefär är noll och som tilldelar variabeln ot detta nya första derivatavärde; där datom är inställd så att den bestämmer en mängd (Va) av ett strukturmodifie- rande medel som skall sättas till smältan genom att använda det första derivatavär- det oc och i förväg registrerade kalibreringsdata.

6. Dataprogramprodukt för användning i en anordning för att i realtid fastställa en mängd av ett strukturmodifierande medel som skall sättas till en gjutj ämsmälta (20) under förfarandet för framställning av ett gjutgods i kompaktgrafitjäm; c :evo 10 15 20 25 30 516 136 14 där anordningen omfattar en första temperatursensor (10) för att registrera en svalningskurva i centrum av ett provkärl; en andra temperatursensor (12) för att registrera en svalningskurva i närheten av provkärlets vägg; en datoranordning (14) för att bestämma den mängd (Va) av ett strukturmodifie- rande medel som skall sättas till smältan; ett minnesorgan (16) vilket är försett med i förväg registrerade kalibreringsdata; kännetecknad av att dataprogramprodukten omfattar: ett inspelningsmedium och av datorn läsbar kod för att styra datoranordningen så att den bestämmer den värme som genereras i centrum av provet som funktion av tiden (en värmegenereringskurva) genom att tillämpa i) energibalansformen: Qlagfaa = Qgenefemd "l" Qin ' Qur där Qlagïad är mängden vänne som lagras av värmekapaciteten hos materialet, Qgg “emma är mängden värme som genereras av materialvolymen, Qin är den värme som överförs till materialet från omgivningen och Qut är den mängd värme som överförs till omgivningen; och ii) svalningskurvoma som registrerats av nämnda första och andra temperatursen- sorer (10, 12); ett inspelningsmedium och en av datorn läsbar kod för att styra datoranordningen så att den identifierar ett tidsvärde tp, motsvarande ett lokalt maximum av den värme som genererats i centrum av provet som funktion av tiden; ett inspelningsmedium och en dataläsbar kod för att styra datoranordningen så att den räknar ut maximivärdet hos den första tidsderivatan av svalningskurvan som re- gistrerats av den första temperatursensom (10) och tilldelar variabeln ot detta värde och tilldelar variabeln tu motsvarande tidsvärde; ett inspelningsmedium och en av datorn läsbar kod för att styra datoranordningen så att den jämför tidsvärdena tp och ta, och 516 136 15 i det fall då tu - tp är mindre än ett tröskelvärde tv identifierar den ett nytt värde ot for fórstaderivatan som är beläget vid ett tidsvärde tal som är större än ta och som motsvarar en del av sval- ningskurvan som registrerats av den forsta temperatursensom (10) där 5 den andra tidsderivatan ungefär är noll och variabeln ot tilldelas detta nya forsta derivatavärde; ett inspelningsmedium och dataläsbara instruktioner for att styra dataanordningen så att den bestämmer en mängd (Va) av ett strukturrnodifierande medel som skall sättas till smältan genom att använda fórstaderivatavärdet ot och i förväg registrera- 10 de kalibreringsdata.