DE69915384T2 - Verfahren zur vorhersage der mikrostruktur von erstarrendem gusseisen - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zum Voraussagen der Mikrostruktur, mit der eine bestimmte Gusseisenschmelze erstarren wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein Computerprogramm zur Verwendung mit der Vorrichtung.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die WO 86/01755 (durch Bezugnahme eingefügt) offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Gusseisen mit Kompaktgraphit mittels thermischer Analyse. Aus einem Gusseisenschmelzebad wird eine Probe genommen, und diese Probe lässt man 0,5 bis 10 Minuten lang erstarren. Die Temperatur wird gleichzeitig von zwei auf Temperatur ansprechenden Mitteln aufgezeichnet, von denen eines im Zentrum der Probe angeordnet ist und das andere in unmittelbarer Nachbarschaft der Behälterwandung. Für jedes der beiden auf Temperatur ansprechenden Mittel werden sogenannte Abkühlkurven aufgezeichnet, welche die Temperatur der Eisenprobe als Funktion der Zeit repräsentieren. Gemäß dieser Schrift ist es dann möglich, die notwendige Menge an strukturmodifizierenden Agenzien zu bestimmen, die der Schmelze zugesetzt werden muss, um die gewünschte Mikrostruktur zu erhalten.
  • Die WO 92/06809 (durch Bezugnahme eingefügt) beschreibt ein spezifisches Verfahren für die Auswertung der Abkühlkurven, welche mit dem Verfahren nach WO 86/01755 erhalten werden. In Einklang mit dieser Schrift wird die thermische Analyse in einem Probengefäß durchgeführt, welches mit einem Material belegt ist, das die aktive Form des strukturmodifizierenden Agens verzehrt. Dieses Material kann Oxide von Si, Mn, Fe, K und Na umfassen. Ein frühes Plateau in der Abkühlkurve, die durch ein bestimmtes auf Temperatur ansprechendes Mittel, welches in der Nähe der Gefäßwand angeordnet ist, aufgezeichnet wird, weist darauf hin, dass sich Flockengraphit gebildet hat infolge Wechselwirkung mit der Beschichtung. Es ist sodann möglich, durch die Verwendung von Kalibrationsdaten zu bestimmen, ob der Schmelze ein strukturmodifizierendes Agens zugesetzt werden muss, um Gusseisen mit Kompaktgraphit zu erhalten.
  • Beim Gießen von Gusseisen mit Kompaktgraphit in einer kommerziellen, großtechnischen Gießerei ist es von äußerster Wichtigkeit, dass genaue und zuverlässige Vorhersagen der Mikrostruktur der Gussstücke getroffen werden können. In manchen Fällen werden Abkühlkurven, die schwierig zu interpretieren sind, als CGI hingenommen, ungeachtet der Tatsache, dass sich etwas Flockengraphit gebildet hat. Um die Genauigkeit der Auswertung zu verbessern, besteht demnach Bedarf an alternativen Methoden zum Auswerten von Abkühlkurven, welche Verfahren Abweichungen vom normalen Erscheinungsbild der Abkühlkurven kompensieren können.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es wurde nun gefunden, dass es durch Studium der Wärmeübertragung in einem Probengefäß, welches eine Probe einer Gusseisenschmelze enthält, möglich ist, genaue Vorhersagen der Mikrostruktur, in der die geschmolzene Gusseisenprobe erstarren wird, zu treffen. Dieses Verfahren ist ferner sehr gut geeignet für die Automatisierung durch die Verwendung eines Computers. Das Verfahren, die Vorrichtung und das Computerprogramm-Erzeugnis in Einklang mit der Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen dargelegt.
  • Definitionen
  • Der Ausdruck "Abkühlkurve", wie hierin offenbart, bezieht sich auf Graphen, welche die Temperatur als Funktion der Zeit repräsentieren, wobei die Gra phen in der in WO 86/01755 und WO 92/06809 offenbarten Weise aufgezeichnet worden sind.
  • Der Ausdruck "Wärmeerzeugungskurve", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf einen Graphen, welcher die in einer bestimmten Zone eines geschmolzenen Gusseisens erzeugte Wärme als Funktion der Zeit zeigt. Zum Zwecke der vorliegenden Erfindung werden die Wärmeerzeugungskurven hierin bestimmt für eine Zone, welche sich im Zentrum einer geschmolzenen Gusseisenprobe befindet (die Zone A) bzw. an der Peripherie einer geschmolzenen Gusseisenprobe (die Zone B). Im Folgenden werden Verfahren zum Bestimmen von Wärmeerzeugungskurven noch näher beschrieben.
  • Der Ausdruck "Probengefäß", wie hierin offenbart, bezieht sich auf einen kleinen Probenbehälter, der zur Verwendung für eine thermische Analyse mit einer Probe geschmolzenen Metalls gefüllt wird. Die Temperatur des geschmolzenen Metalls wird dann während der Erstarrung auf geeignetem Wege aufgezeichnet. Bevorzugt ist das Probengefäß in der Weise ausgestaltet, wie in WO 86/01755, WO 92/06809, WO 91/13176 (durch Bezugnahme eingefügt), WO 96/2306 (durch Bezugnahme eingefügt) oder PCT/SE98/02122 offenbart.
  • Der Ausdruck "Probenahmevorrichtung", wie hierin offenbart, bezieht sich auf eine Vorrichtung, umfassend ein Probengefäß, welches mit mindestens zwei auf Temperatur ansprechenden Mitteln für die thermische Analyse ausgestattet ist, wobei die Mittel dazu gedacht sind, während der Analyse in der erstarrenden Metallprobe eingetaucht zu sein, und ein Mittel zum Füllen des Probengefäßes mit geschmolzenem Metall. Das Probengefäß ist bevorzugt mit dem Sensor in der Weise ausgestattet, wie in 2 in WO 96/23206 oder PCT/SE98/02122 offenbart.
  • Der Ausdruck "strukturmodifizierendes Agens", wie hierin offenbart, betrifft Verbindungen, welche die Morphologie des in dem geschmolzenen Gusseisen vorhandenen Graphits beeinflussen. Geeignete Verbindungen können ausgewählt sein aus der Gruppe von Magnesium und Seltenerd-Metallen, z. B. Cerium, oder Mischungen von diesen Verbindungen. Die Beziehung zwischen der Konzentration an strukturmodifizierenden Agenzien in geschmolzenem Gusseisen ist bereits in den oben angeführten Schriften WO 92/06809 und WO 86/01755 diskutiert worden.
  • Der Ausdruck "CGI", wie hierin offenbart, bezieht sich auf Gusseisen mit Kompaktgraphit.
  • Der Ausdruck "SGI", wie hierin offenbart, bezieht sich auf Gusseisen mit Kugelgraphit.
  • Figuren
  • Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügte zeichnerische Darstellung beschrieben, wobei
  • 1 eine schematische Darstellung eines Probengefäßes ist, welches in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung Verwendung finden kann. In einem solchen Probengefäß wird die Wärme gleichmäßig in allen Richtungen transportiert. Eine Probe von geschmolzenem Gusseisen, welche in einem solchen Probengefäß enthalten ist, kann deshalb als eine Erstarrungssphäre betrachtet werden. In dieser Figur ist die Erstarrungssphäre unterteilt in zwei Zonen, nämlich A und B. Die Radien r1 und r2 beziehen sich auf den mittleren Radius der Zone A bzw. der Zone B.
  • 2 offenbart Abkühlkurven und korrespondierende Wärmeerzeugungskurven für CGI. In den 2 bis 7 werden die folgenden Abkürzungen verwendet: TA = zentral aufgezeichnete Abkühlkurve, TB = peripher aufgezeichnete Abkühlkurve, PA = Wärmeerzeugung im Zentrum und PB = Wärmeerzeugung an der Peripherie;
  • 3 offenbart Abkühlkurven und korrespondierende Wärmeerzeugungskurven für CGI mit niedriger Kugeligkeit. Während der Messung bildet sich Flockengraphit im Probengefäß infolge der Reaktion mit der Wandbeschichtung;
  • 4 offenbart Abkühlkurven und korrespondierende Wärmeerzeugungskurven für Gusseisen mit einem hohen Kohlenstoffäquivalentgehalt;
  • 5 offenbart Abkühlkurven und korrespondierende Wärmeerzeugungskurven für naheutektisches Eisen;
  • 6 offenbart Abkühlkurven und korrespondierende Wärmeerzeugungskurven für eutektisches oder übereutektisches Eisen; und
  • 7 offenbart Abkühlkurven und korrespondierende Wärmeerzeugungskurven für graues Eisen mit Flockengraphit; und
  • 8 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Kontrollieren der Herstellung von Gusseisen mit Kompaktgraphit in Einklang mit der vorliegenden Erfindung.
  • Detailbeschreibung der Erfindung
  • Wie bereits im Vorstehenden offenbart, betrifft die vorliegende Erfindung das Vorhersagen der Mikrostruktur, mit der eine bestimmte geschmolzene Gusseisenprobe erstarren wird, durch Messen der Wärmeentwicklung in der Probe. Im Besonderen betrifft die Erfindung die Bestimmung des Wärmeübergangs zwischen zwei Probenzonen (eine Zone im Zentrum der Probe und eine periphere Zone, welche die zentrale Zone umschließt) und der Umgebung. Durch Studium von Graphen, welche die Ableitung der Wärme als Funktion der Zeit präsentieren, ist es möglich, genaue Vorhersagen zu treffen.
  • Die Wärmebilanz eines beliebigen gleichförmigen Elementes kann beschrieben werden durch die Beziehung: Qgespeichert = Qerzeugt + Qein – Qaus (1)worin Qgespeichert die durch die Wärmekapazität des Materials gespeicherte Wärmemenge ist, worin Qerzeugt die durch das Materialvolumen erzeugte Wärmemenge ist, worin Qein die in das Material von seiner Umgebung übertragene Wärme ist und worin Qaus die aus dem Probenvolumen an seine Umgebung übertragene Wärme ist.
  • Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, ein Probengefäß zu verwenden wie in SE 9704411-9 offenbart. In einem derartigen Probengefäß ist der Wärmetransport in einer in dem Gefäß enthaltenen Probe in allen Richtungen annähernd gleich. Im Folgenden wird nun der Wärmetransport zwischen dem Zentrum (1, Zone A) und dem mehr peripheren Teil (1, Zone B) des in einem Probengefäß enthaltenen geschmolzenen Gusseisens beschrieben. Da die Zone A im Zentrum der Erstarrungssphäre liegt, wird keine Wärme in die Zone transportiert und Qein ist deshalb gleich Null. Durch geeignetes Einsetzen in die obige Beziehung (1) erhält man die folgende Gleichung: CpmAdTA/dt = QgenA + 0 – 4πke[(TA – TB)/(I/r1 – I/r2) (2)worin Cp die Wärmekapazität je Masseeinheit bedeutet, worin mA die Masse der Zone A ist, worin dTA/dt für die Temperaturänderung der Zone A je Zeiteinheit steht, worin ke der effektive Wärmeübergangskoeffizient des Materials ist und worin (I/r1 – I/r2)–1 die mittlere Weglänge für den Wärmetransport bedeutet. Die Radien r1 und r2 sind beide in 1 definiert. TA und TB sind die Temperaturen in der Zone A bzw. der Zone B.
  • Aus Gleichung (2) können wir den Wärmeerzeugungsterm isolieren und die mittlere Wärmeerzeugung im Volumen in der Zone A berechnen: QgenA = CpmAdTA/dt + 4πke[(TA – TB)/(I/r1 – I/r2)] (3)
  • In Gleichung (3) sind alle Variablen Konstanten, ausgenommen dTA/dt und (TA – TB). Dementsprechend kann die Gleichung (3) vereinfacht werden auf: QgenA = k1dTA/dt + k2(TA – TB) (4)worin k1 und k2 Konstanten sind. Somit kann eine zu der Zone A korrespondierende Wärmeerzeugungskurve berechnet werden aus einem Satz von Abkühlkurven, welche im Zentrum und an der Peripherie einer Probe von geschmolzenem Gusseisen aufgezeichnet werden.
  • Die Wärmebilanz für die Zone B ähnelt der Bilanz für Zone A, wobei jedoch Wärme sowohl in die Zone hinein transportiert wird (von der Zone A) als auch aus der Zone heraus transportiert wird (in die Umgebung). Demnach ist der Term Qein in der Beziehung (1) nicht gleich Null. Durch geeignetes Einsetzen in die obige Beziehung (1) erhält man die folgende Gleichung: CpmBdTB/dt = QgenB + 4πke[(TA – TB)/(I/r1 – I/r2)) – [h(TB – Ts) + εABσ(TB 4 – Ts 4)] (5)worin, neben den in Verbindung mit den obigen Gleichungen (5) und (3) definierten Variablen, h für den Konvektionswärmeverlust an die Umgebung steht, worin Ts die Temperatur der Umgebung bedeutet und worin εABσ die geeignete Konstante im Stefan-Boltzmann-Strahlungsgesetz ist.
  • Bezüglich des letzten Terms können wir davon ausgehen, dass das Verhältnis zwischen gesamtem Strahlungswärmeverlust und Konvektionswärmeverlust konstant ist: C = εABσ/h (6)
  • Dementsprechend können wir den Wärmeerzeugungsterm der Zone B, QgenB, isolieren: QgenB = CpmBdTB/dt – 4πke[(TA – TB)/(I/r1 – I/r2)] + h[(TB – Ts) + Cσ(TB 4 – Ts 4)] (7)
  • In Gleichung (7) sind alle Variablen konstant, ausgenommen dTB/dt, (TA – TB) und TB. Dementsprechend kann die Gleichung (7) vereinfacht werden auf: QgenB = k3dTB/dt – k4(TA – TB) + k5TB + k6TB 4 – k7 (8)
  • Durch Anwendung der Gleichungen (4) und (8) auf Abkühlkurven, welche in der Weise aufgezeichnet werden, wie in WO 86/01755 und WO 92/06809 offenbart, können wir die korrespondierenden Wärmeerzeugungskurven bestimmen. Die 2A bis 6A offenbaren verschiedene Arten von Abkühlkurven und die 2B bis 6B korrespondierende Wärmeerzeugungskurven.
  • Wie bereits erwähnt, basieren diese Berechnungen auf einer Situation, in der Wärme gleichmäßig in allen Richtungen transportiert wird. Für den Fachmann ist es selbstverständlich möglich, andere Gleichungen, welche zu anderen Wärmetransportbedingungen korrespondieren, zu bestimmen.
  • Es gibt größere Differenzen zwischen verschiedenen Arten von Wärmeerzeugungskurven verglichen mit korrespondierenden Abkühlkurven. Für CGI (2) umfasst die Kurve, welche die Wärmefreisetzung in der Zone B repräsentiert, zwei deutliche Peaks, einen größeren und einen kleineren, während die Wärmefreisetzung für CGI mit niedriger Kugeligkeit (3) so viel größer ist, dass diese beiden Peaks kaum getrennt werden können. Dies gilt auch für Kurven, welche Gusseisen mit einem hohen Kohlenstoffäquivalent betreffen (4). Ein Primäraustenit-Peak ist in der Zone-A-Kurve sichtbar. In Wärmeerzeugungskurven, welche naheutektisches Eisen repräsentieren (5), ist ein kleiner Austenit-Peak immer noch sichtbar, während in den Kurven, die sich auf eutektisches oder übereutektisches Eisen beziehen (6) dieser Peak verschwunden ist. Was graues Gusseisen mit Flockengraphit anbelangt (7), dominiert der erste Peak der Wärmeerzeugungskurve, welche die Zone B repräsentiert.
  • Bevorzugt wird das Vorhersageverfahren durchgeführt unter Verwendung eines computergesteuerten Systems, besonders dann, wenn eine große Zahl von Messungen durchzuführen sind. Ein derartiges System ist in 8 umrissen. Es wird eine Probe von einer Gusseisenschmelze genommen und in ein Probengefäß 22 überführt. Während der Messung einer bestimmten Probe senden die zwei auf Temperatur ansprechenden Mittel 10, 12 Signale an Computer-Mittel 14, um Abkühlkurven und korrespondierende Wärmeerzeugungskurven zu erzeugen, z. B. durch Anwendung der Gleichungen (3) und (6). Der Computer hat Zugriff auf Kalibrationsdaten, z. B. vorher aufgezeichnete Modellkurven, welche zu einer bekannten Menge an strukturmodifizierendem Agens oder einer bekannten Mikrostruktur korrespondieren, in einer ROM-Einheit 16 und berechnet die Menge an strukturmodifizierendem Agens, welche der Schmelze hinzuzufügen ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird dies als Expertensystem implementiert. Die zuzugebende Menge an strukturmodifizierendem Agens wird einem Mittel 18 zur Abgabe eines strukturmodifizierenden Agens an die zu korrigierende Schmelze 20 signalisiert, wodurch die Schmelze mit einer geeigneten Menge derartiger Agenzien versorgt wird.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Bestimmen der Menge strukturmodifizierenden Agens, welche einer bestimmten Gusseisenschmelze zuzugeben ist, um CGI oder optional SGI zu erhalten, wobei das Verfahren eine Probenahmevorrichtung und wenigstens zwei Mittel zum Aufzeichnen von Abkühlkurven verlangt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: a) Bereitstellen einer Probe des geschmolzenen Gusseisens, aus dem das Gussstück hergestellt werden soll, und Einbringen der Probe in ein Probengefäß; b) gleichzeitiges Aufzeichnen von wenigstens zwei Abkühlkurven in Abständen r1 und r2 etc. vom Zentrum des Probengefäßes; c) Bestimmen von wenigstens zwei Wärmeerzeugungskurven unter Verwendung der in b) erhaltenen Informationen; d) Vergleichen der in c) erhaltenen Wärmeerzeugungskurven mit zuvor bestimmten Wärmeerzeugungskurven, welche bekannte Konzentrationen von strukturmodifizierenden Agenzien repräsentieren, wobei die zuvor bestimmten Wärmeerzeugungskurven unter denselben Bedingungen erhalten worden sind wie in Schritt a), b) und c); e) Bestimmen der Menge an strukturmodifizierendem Agens, welche der Schmelze auf Basis des Vergleichs in Schritt d) zuzugeben ist;
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner darauf gerichtet ist, ein CGI-Gussstück oder optional ein SGI-Gussstück herzustellen, und dass es ferner Mittel zum Abgeben eines oder mehrerer strukturmodifizierender Agenzien an das geschmolzene Gusseisen, aus dem das Gussstück hergestellt werden soll, verlangt, wobei das Verfahren als weitere Schritte umfasst: f) Bewirken, dass die Mittel zum Abgeben eines strukturmodifizierenden Agens eine korrekte Menge an die Schmelze abgeben; und g) Durchführen der Gießoperation in einer an sich bekannten Weise.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Probengefäß von der Art ist, bei der die Wärme im Wesentlichen gleichmäßig in allen Richtungen transportiert wird, wenn es mit dem geschmolzenen Gusseisen gefüllt ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Gusseisen mit Kompaktgraphit hergestellt wird.
  5. Vorrichtung zum Etablieren in Echtzeit einer Menge eines strukturmodifizierenden Agens, welche zuzugeben ist, um ein CGI-Gussstück oder optional ein SGI-Gussstück herzustellen, wobei die Vorrichtung umfasst: einen ersten Temperatursensor (10), angeordnet in einem Abstand r1 vom Zentrum eines Probengefäßes, aber innerhalb des Probengefäßes, zum Aufzeichnen einer ersten Abkühlkurve; einen zweiten Temperatursensor (12), in einem Abstand r2 (wobei r2 größer ist als r1) vom Zentrum des Probengefäßes, aber innerhalb des Probengefäßes, zum Aufzeichnen einer zweiten Abkühlkurve; eine Computereinrichtung (14) zum Bestimmen eines Mengenwertes (Va) eines der Schmelze zuzugebenden strukturmodifizierenden Agens; Speichermittel (16), welche mit vorab aufgezeichneten Kalibrationsdaten ausgestattet sind; wobei der Computer eingestellt ist zum Bestimmen von Wärmeerzeugungskurven für eine zentrale Zone und eine periphere Zone in dem Probengefäß durch Anwenden i) der Wärmebilanz-Formel: Qgespeichert = Qerzeugt + Qein – Qaus wobei Qgespeichert die durch die Wärmekapazität des Materials gespeicherte Wärmemenge ist, wobei Qerzeugt die durch das Materialvolumen erzeugte Wärmemenge ist, wobei Qein die in das Material aus seiner Umgebung übertragene Wärme ist und wobei Qaus die an die Umgebung übertragene Wärme ist; und ii) der von dem ersten und dem zweiten Temperatursensor (10, 12) aufgezeichneten ersten und zweiten Abkühlkurve; wobei der Computer eingestellt ist zum Bestimmen eines Mengenwertes (Va) eines der Schmelze zuzugebenden strukturmodifizierenden Agens durch Vergleichen der Wärmeerzeugungskurven mit vorab aufgezeichneten Kalibrationsdaten.
  6. Computerprogramm-Erzeugnis zur Verwendung in einer Vorrichtung nach Anspruch 5 zum Etablieren in Echtzeit einer Menge eines strukturmodifizierenden Agens, welche einer Gusseisenschmelze (20) während des Verfahrens zum Herstellen eines Gussstücks aus Gusseisen mit Kompaktgraphit, wie in Anspruch 1 definiert, zuzugeben ist, wobei das Computerprogramm-Erzeugnis umfasst: ein Aufzeichnungsmedium und computerlesbare Code-Mittel zum Steuern der Computereinrichtung zum Bestimmen der Wärmeerzeugungskurven für eine zentrale Zone und eine periphere Zone in dem Probengefäß durch Anwenden i) der Wärmebilanz-Formel: Qgespeichert = Qerzeugt + Qein – Qaus wobei Qgespeichert die durch die Wärmekapazität des Materials gespeicherte Wärmemenge ist, wobei Qerzeugt die durch das Materialvolumen erzeugte Wärmemenge ist, wobei Qein die in das Material aus seiner Umgebung übertragene Wärme ist und wobei Qaus die an die Umgebung übertragene Wärme ist; und ii) der von dem ersten und dem zweiten Temperatursensor (10, 12) aufgezeichneten ersten und zweiten Abkühlkurve; und ein Aufzeichnungsmedium und computerlesbare Code-Mittel zum Bestimmen eines Mengenwertes (Va) eines der Schmelze zuzugebenden strukturmodifizierenden Agens durch Vergleichen der Wärmeerzeugungskurven mit vorab aufgezeichneten Kalibrationsdaten.
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