PL242831B1 - Sposób i urządzenie do kierunkowej krystalizacji odlewów o ukierunkowanej lub monokrystalicznej strukturze - Google Patents

Abstract

Sposób polega na tym, że w trakcie przemieszczania się formy (1) ze stopem ze strefy ogrzewania (5) do strefy chłodzenia (7), w czasie rzeczywistym mierzy się temperaturę powierzchni formy (1) powyżej CLT1 i poniżej CLT2 frontu krystalizacji w co najmniej dwóch punktach, przy użyciu bezkontaktowych mierników temperatury (9a, 9b), przy czym przynajmniej jeden z punktów, leżący najniżej, znajduje się w strefie chłodzenia. Urządzenie ma w komorze (2) zainstalowane są co najmniej dwa bezkontaktowe mierniki temperatury (9a, 9b), przy czym co najmniej jeden (9b), położony najniżej, znajduje się w strefie chłodzenia (7).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do kierunkowej krystalizacji odlewów o ukierunkowanej lub monokrystalicznej strukturze.

Wynalazek dotyczy dziedziny technologii produkcji odlewniczej, w szczególności obróbki stopionej masy w formie odlewniczej poprzez jej chłodzenie oraz urządzeń do takiej obróbki i może znaleźć zastosowanie w wytwarzaniu odlewów ze stopów żaroodpornych i żarowytrzymałych zwłaszcza w wielkoseryjnym odlewnictwie precyzyjnym do zastosowań w przemyśle lotniczym lub energetycznym.

Znane są metody wytwarzania odlewów o ukierunkowanej lub monokrystalicznej strukturze z wykorzystaniem dwukomorowego pieca próżniowego, w którym jedna z komór (górna) stanowi strefę ogrzewania, natomiast druga (dolna) strefę chłodzenia. Metody te polegają na przemieszczaniu (wyciąganiu) formy ceramicznej wypełnionej ciekłym metalem ze strefy ogrzewania do strefy chłodzenia, które odbywa się ze stałą lub zmienną prędkością wg z góry zadanego profilu, zwaną prędkością wyciągania formy.

Najpowszechniej stosowaną metodą odlewania łopatek turbiny ukierunkowanej lub monokrystalicznej strukturze jest metoda Bridgmana polegająca na wprowadzeniu ustawionej na chłodzonej miedzianej podstawie formy ceramicznej do strefy ogrzewania wykonanej najczęściej jako ogrzewana oporowo lub indukcyjnie tuleja grafitowa umieszczona w komorze próżniowej, a następnie wlaniu z tygla stopionej masy nadstopu (stopu żaroodpornego i żarowytrzymałego) do formy nagrzanej uprzednio do temperatury wyższej od temperatury likwidusu stopu, oraz przemieszczaniu wypełnionej ciekłym nadstopem formy od strefy ogrzewania do strefy chłodzenia poprzez otwór przegrody ter moizolacyjnej stanowiącej korzystnie barierę cieplną pomiędzy obiema strefami, z następującym podczas tego procesu odbiorem ciepła z powierzchni formy poprzez promieniowanie, które odbywa się w strefie chłodzenia poniżej przegrody termoizolacyjnej, w wyniku czego zachodzi powolny proces krystalizacji kierunkowej w tzw. obszarze ciekło-stałym stopu. Cechą charakterystyczną tej metody jest wykorzystanie zjawiska promieniowania cieplnego do chłodzenia zalanej stopem formy odlewniczej. Wspomniana forma odlewnicza przemieszczana jest ze strefy ogrzewania do strefy chłodzenia z zadaną, na ogół stałą prędkością bez względu na uzyskiwany w procesie, rzeczywisty gradient temperatury w obszarze frontu krystalizacji.

Znane są również metody zwiększania gradientu temperatury w obszarze frontu krystalizacji poprzez zastosowanie zjawiska konwekcyjnej wymiany ciepła, stosując strumień gazu obojętnego, który za pomocą dysz umieszczonych w górnej części strefy chłodzenia skierowywany jest na formę. Metoda taka znana jest np. z patentu nr PL222793, którego istota polega na tym, że chłodzenie odlewu łopatki prowadzi się przy wykorzystaniu co najmniej jednego ponaddźwiękowego strumienia gazu obojętnego, z zużyciem na dyszę 0,5-2 g/s, który kieruje się na formę, w obszar krystalizacji odlewu łopatki.

W patencie nr US7017646 opisany jest wynalazek, który dotyczy metody produkcji odlewów o ukierunkowanej lub monokrystalicznej strukturze charakteryzujących się znacznymi różnicami geometrii i wielkości przekroju poprzecznego. Chłodzenie odbywa się z wykorzystaniem gazu szlachetnego, z dyszami rozmieszczonymi cylindrycznie poniżej przegrody między komorą grzewczą i chłodzącą, w jednej płaszczyźnie. W sytuacji, w której do strefy chłodzenia trafia fragment odlewu o grubości znacznie różniącej się od wcześniejszej („nieregularny”), do jego krystalizacji z zachowaniem tych samych właściwości kierunkowych lub monokrystalicznych potrzeba innych parametrów chłodzenia. W rzeczonym patencie dokonuje się tego poprzez redukcję lub całkowite wstrzymanie przepływu gazu na czas chłodzenia tego nieregularnego fragmentu. Brak jest tu pomiaru gradientu temperatury i w związku z tym brak regulacji dynamicznej. Przepływ gazu jest tylko zmniejszany lub zatrzymywany i jest to z góry zaprogramowane co prowadzi do braku możliwości skrócenia procesu.

Najbardziej rozbudowany i zawierający najwięcej możliwości wpływu na formowanie makro- i mikrostruktury odlewu jest sposób objęty patentem US10082032, który uwzględnia różne sposoby regulacji procesu takie jak: regulacja prędkości przemieszczania formy, regulacja prędkości wypływu gazu chłodzącego, regulacja temperatury roztopionej masy, które są realizowane na podstawie pomiaru temperatury przy użyciu termoelementów. Rzeczony patent odnosi się jednak wyłącznie do produkcji odlewów równoosiowych, a zastosowana metoda pomiarowa, tj. umieszczenie termoelementów w strefie ogrzewania i w strefie chłodzenia, jest w przypadku strefy chłodzenia pomiarem pośrednim, nie związanym wprost z temperaturą chłodzonej formy i gradientem temperatury w obszarze frontu krystalizacji, lecz zależnym od wielu innych czynników, takich jak: masa formy wraz z krystalizującym nadstopem, wymiary i geometria formy, odległość termoelementu od powierzchni odlewanego elementu, ciśnienie w piecu, itp. Wynik takiego pomiaru trudno jest wprost powiązać z temperaturą na powierzchni formy, bądź w jej wnętrzu.

W patencie nr US5197531 opisano metodę pomiaru gradientu temperatury w obszarze frontu krystalizacji za pomocą termoelementów umieszczanych bezpośrednio na formie. Zastosowana metoda wymaga jednak czasochłonnego, ręcznego montażu specjalnych termoelementów na formie ceramicznej. Konieczność ręcznego montażu termoelementów, na ogół z użyciem klejów ceramicznych, oraz ich podłączania do układu pomiarowego pieca powoduje, że w piecu należy umieszczać formę zimną, tj. o temperaturze zbliżonej do temperatury otoczenia, a następnie po zainstalowaniu układu pomiarowego i uzyskaniu w piecu odpowiedniego poziomu próżni powoli nagrzewać formę do temperatury roboczej. Takie rozwiązanie pomiaru temperatury uniemożliwia umieszczanie w piecu formy wstępnie nagrzanej, co jest powszechną praktyką przemysłową w produkcji seryjnej. Konieczność umieszczania w piecu formy zimnej znacznie wydłuża proces, przedłuża odpompowywanie pieca do próżni roboczej, oraz wymaga nagrzania formy w strefie ogrzewania, gdyż zalanie zimnej formy może skutkować pęknięciem formy oraz powodować wystąpienie wad odlewniczych różnych postaci. Dlatego formy takie i pomiary wykonuje się tylko w odlewach testowych.

Wspólną wadą przytoczonych rozwiązań jest brak ciągłej i w pełni automatycznej kontroli rzeczywistego gradientu temperatury w obszarze frontu krystalizacji umożliwiającej przeprowadzanie wysokowydajnej, wielkoseryjnej i w pełni automatycznej produkcji w warunkach przemysłowych, niezależnie od geometrii i wielkości przekroju poprzecznego odlewanych detali. Z uwagi na brak takiej kontroli gradientu temperatury w obszarze frontu krystalizacji w opisanych rozwiązaniach mogą wystąpić trudności w zapewnieniu wysokiej wydajności procesu przy zachowaniu stabilnych i optymalnych warunków chłodzenia wypełnionej nadstopem formy, zwłaszcza podczas odlewania łopatek o zmiennej wielkości przekroju poprzecznego i długości cięciwy.

Znane są urządzenia do wytwarzania odlewów, w postaci umieszczonej w obudowie próżniowej cylindrycznej komory pionowej, rozdzielonej ekranem termoizolacyjnym z centralnym otworem pomiędzy strefą ogrzewania i chłodzenia. W komorze próżniowej, powyżej strefy ogrzewania znajduje się urządzenie do topienia stopu i wlewania jego stopionej masy do formy odlewniczej, a w strefie chłodzenia mogą być montowane dysze doprowadzające środek chłodzący, przeważnie schłodzone gazy obojętne, do powierzchni formy odlewniczej, która przemieszczana jest ze strefy ogrzewania do strefy chłodzenia obok dysz.

Wspólną wadą znanych urządzeń są trudności w zapewnieniu stabilnych optymalnych parametrów ogrzewania i chłodzenia formy odlewniczej ze stopioną masą do formowania ukierunkowanej i monokrystalicznej struktury odlewu na całej wysokości formy odlewniczej.

Celem wynalazku jest opracowanie metody i realizującego tę metodę urządzenia pozwalających na zoptymalizowanie produkcji odlewów o ukierunkowanej bądź monokrystalicznej strukturze poprzez maksymalne skrócenie ich czasu krystalizacji w próżniowych piecach odlewniczych oraz zmniejszenie odsetka wad poprzez dynamiczną, automatyczną kontrolę prędkości wyciągania formy na podstawie ciągłego i bezkontaktowego pomiaru gradientu temperatury w obszarze frontu krystalizacji.

Sposób kierunkowej krystalizacji odlewów o ukierunkowanej lub monokrystalicznej strukturze obejmujący przenoszenie do strefy ogrzewania, ceramicznej formy odlewniczej, ustawionej na krystalizatorze połączonym z pionowym mechanizmem napędowym góra-dół, napełnienie formy z tygla roztopionym stopem, przemieszczenie wypełnionej formy ze strefy ogrzewania do strefy chłodzenia, aż do całkowitego zakończenia procesu krystalizacji odlewu, który po procesie jest od tej formy oddzielany, według wynalazku charakteryzuje się tym, że w trakcie przemieszczania się formy ze stopem ze strefy ogrzewania do strefy chłodzenia, w czasie rzeczywistym mierzy się temperaturę powierzchni formy powyżej CLT1 i poniżej CLT2 frontu krystalizacji w co najmniej dwóch punktach, przy użyciu bezkontaktowych mierników temperatury. Przynajmniej jeden z punktów, leżący najniżej znajduje się w strefie chłodzenia, a wartość gradientu temperatur tych punktów (ACLT = CLT1-CLT2) jest analizowana przez sterownik PLC lub inny układ w pętli sprzężenia zwrotnego pomiędzy układem pomiarowym gradientu temperatury a mechanizmem opuszczania formy i/lub regulatorami przepływu masowego lub objętościowego, regulującymi natężenia przepływu gazu obojętnego, gdy jego nadmuch wspomaga proces chłodzenia formy. Wyznaczona w czasie rzeczywistym chwilowa wartość różnicy temperatur jest wykorzystywana do dynamicznej regulacji prędkości przemieszczania formy ze strefy ogrzewania do strefy chłodzenia i/lub do regulowania natężenia przepływu lub składu mieszanki gazu.

Korzystnie jest, gdy odległość punktu dolnego pomiaru temperatury w strefie chłodzenia od kolejnego położonego nad nim wynosi co najmniej 25 mm, a odległość punktu dolnego pomiaru temperatury od poziomej przegrody termoizolacyjnej wynosi co najmniej 20 mm.

Korzystnie jest, gdy punkty pomiarowe rozmieszczone są powyżej i poniżej obszaru, w którym dochodzi do uderzenia strugi gazu obojętnego.

Korzystnie jest, gdy bezkontaktowe mierniki temperatury działają w oparciu o dowolną technologię analizy promieniowania cieplnego emitowanego przez powierzchnię formy korzystnie pirometryczną lub termowizyjną.

Urządzenie do wytwarzania odlewów o ukierunkowanej lub monokrystalicznej strukturze, zawierające komorę próżniową, w której jest usytuowany tygiel do topienia stopu i wlewania stopionej masy do formy odlewniczej zamocowanej na chłodzonym krystalizatorze i przemieszczanej w pionie w kierunku góra-dół za pomocą mechanizmu napędowego, przy czym w komorze próżniowej znajdują się strefa grzania i strefa chłodzenia przedzielone poziomą przegrodą termoizolacyjną w postaci tarczy z centralnym otworem, według wynalazku charakteryzuje się tym, że w komorze próżniowej zainstalowane są co najmniej dwa bezkontaktowe mierniki temperatury, przy czym co najmniej jeden, położony najniżej, znajduje się w strefie chłodzenia.

Korzystnie jest, gdy w obudowie strefy chłodzenia zamontowany jest pierścieniowy kolektor gazowy z eżektorami gazowymi doprowadzającymi strumienie gazu obojętnego o natężeniu ustalanym za pomocą regulatorów przepływu.

Korzystnie jest, gdy bezkontaktowy miernik temperatury położony najniżej, znajduje się w strefie chłodzenia w odległości co najmniej 25 mm od kolejnego miernika umieszczonego nad nim.

Korzystnie jest, gdy co najmniej jeden bezkontaktowy miernik temperatury znajduje się w strefie grzania.

Korzystnie jest, gdy w urządzeniu z zamontowanym kolektorem gazowym bezkontaktowe mierniki temperatury rozmieszczone są w taki sposób, że dolny znajduje się pod płaszczyzną dysz doprowadzających gaz chłodzący, a drugi powyżej płaszczyzny, tak że obszar w którym dochodzi do uderzenia strugi gazu obojętnego wypływającego z dysz pierścieniowego kolektora gazowego znajduje się pomiędzy miernikami.

Korzystnie jest, gdy bezkontaktowe mierniki temperatury dokonujące pomiaru, działają w oparciu o analizę promieniowania cieplnego emitowanego przez powierzchnie formy i stanowią je pirometry lub kamery termowizyjne.

Niewątpliwą zaletą wynalazku jest możliwość zastosowania go w warunkach przemysłowych przy wysokowydajnej i wielkoseryjnej produkcji łopatek turbin dla osiągnięcia maksymalnie możliwej przepustowości pieca, efektywności energetycznej procesu przy zachowaniu wymaganej makro i mikrostruktury odlewu.

Dzięki zastosowaniu ciągłej i automatycznej kontroli gradientu temperatury w obszarze frontu krystalizacji możliwie jest przeprowadzenie procesu w maksymalnie krótkim czasie i przy zachowaniu wymaganej makro- i mikrostruktury odlewu, niezależnie od geometrii i wielkości przekroju poprzecznego odlewanych detali pomiarowych na formie.

Wynalazek w przykładach wykonania jest przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia piec w przekroju podłużnym z formą znajdującą się w górnym położeniu całkowicie w przestrzeni strefy grzania, fig. 2 przedstawia szczegół A z fig. 1 pokazujący położenie mierników w wariancie w którym górny miernik znajduje się w strefie grzania, fig. 3 przedstawia piec w przekroju podłużnym z formą znajdującą się w środkowym położeniu czyli częściowo w strefie grzania częściowo w strefie chłodzenia, fig. 4 przedstawia szczegół B z fig. 3 pokazujący położenie mierników, w wariancie, w którym górny miernik znajduje się w strefie grzania, fig. 5 przedstawia szczegół pieca z formą w pozycji środkowej w wariancie, w którym górny miernik znajduje się w strefie chłodzenia, fig. 6 przedstawia piec w przekroju podłużnym z formą znajdującą się w dolnym położeniu całkowicie w przestrzeni strefy chłodzenia, fig. 7 przedstawia szczegół C z fig. 6 pokazujący położenie mierników w wariancie, w którym górny miernik znajduje się w strefie grzania, fig. 8 przedstawia wyodrębnioną komorę chłodzenia z pierścieniowym kolektorem gazowym z eżektorami gazowymi w widoku perspektywicznym, fig. 9 przedstawia przekrój podłużny strefy grzania i strefy chłodzenia z formą zawierającą odlew w kształcie pręta o zmiennej średnicy, fig. 10 przedstawia odlew w postaci pręta o zmiennej średnicy, fig. 11 przedstawia przekrój podłużny strefy grzania i strefy chłodzenia z formą zawierającą odlew w kształcie łopatki turbiny o zmiennym kształcie, fig. 12 przedstawia odlew w postaci łopatki turbiny o zmiennej geometrii.

Przykład 1

Urządzenie zawierające komorę próżniową 2, w której jest usytuowany tygiel 6 do topienia stopu i wlewania stopionej masy do formy odlewniczej 1 zamocowanej na chłodzonym krystalizatorze 3 i przemieszczanej w pionie w kierunku góra-dół za pomocą mechanizmu napędowego 4. W komorze próżniowej znajdują się strefa grzania 5 i strefa chłodzenia 7 przedzielone poziomą przegrodą termoizolacyjną 8 w postaci tarczy z centralnym otworem, przy czym strefę grzania 5 tworzy mufla grafitowa 19 z induktorem 17 przedzielone warstwą termoizolacyjną 18. Strefa chłodzenia 7 ma chłodzoną obudowę w postaci rurowego płaszcza wodnego 13. W komorze próżniowej zainstalowane są dwa bezkontaktowe mierniki temperatury 9a i położony najniżej 9b. W powyższym urządzeniu produkowane są pręty o przekroju okrągłym i średnicy od 8 do 14 mm, przy czym średnica zmienia się skokowo z 8 do 14 mm w 1/3 długości pręta. Pręt przedstawiony jest na fig. 9 i 10. Do produkcji używane były formy odlewnicze ceramiczne, skorupowe, przygotowane metodą wosku traconego o grubości ścianki 10 mm +/-1 mm. Formę odlewniczą 1 uprzednio podgrzaną, umieszcza się w komorze próżniowej 2 pieca, na krystalizatorze 3 chłodzonym wodą, za pomocą napędu 4 przesuwa się do strefy ogrzewania 5 pod tygiel 6. Strefa ogrzewania 5, strefa chłodzenia 7, oraz tygiel 6 znajdują się w komorze próżniowej 2. Formę ceramiczną 1 znajdującą się w strefie ogrzewania 5 nagrzewa się do temperatury wynoszącej 1510°C, wyższej od temperatury likwidusu stopu. W tyglu 6 roztapia się nadstop niklu CMSX-4, i po jego ogrzaniu do temperatury powyżej likwidusu tj. 1510°C wylewa się go do formy ceramicznej 1, a następnie rozpoczyna się wyciąganie formy 1, tj. przemieszcza się ją ze strefy ogrzewania 5 przez otwór w poziomej przegrodzie termoizolacyjnej 8 do strefy chłodzenia 7. Przemieszczanie realizowane jest przez układ napędowy sprzężony ze sterownikiem logicznym urządzenia w zakresie prędkości 2-6 mm/min. Temperatury powierzchni formy 1 w strefie ogrzewania 5 i strefie chłodzenia 7 mierzone są w sposób ciągły za pomocą dwóch bezkontaktowych mierników temperatury 9a i 9b. W tym przykładzie są to pirometry sprzężone ze sterownikiem logicznym pieca. Górny pirometr 9a umieszczony jest w odległości 3 cm powyżej górnej powierzchni przegrody termoizolacyjnej 8, natomiast dolny pirometr 9b znajduje się w odległości 8 cm poniżej górnego pirometru 9a. Wartość chwilowa różnicy temperatur pomiędzy pirometrami 9a i 9b jest porównywana z wartością zadaną wynoszącą 240°C, co odpowiada wartości gradientu temperatury na froncie krystalizacji 30°C/cm. Sterownik logiczny pieca na bieżąco zmienia wartość prędkości przemieszczania formy 1, tak aby utrzymać jak największą prędkość przemieszczania formy 1 w zakresie 2 do 6 mm/min, jednocześnie nie dopuszczając do spadku gradientu temperatury poniżej wartości zadanej. Dla zastosowanych warunków (proces odlewania w przykładzie bez użycia gazu) prędkość ta wynosi 4 mm/min. Kiedy do strefy chłodzenia 7 przemieści się fragment 101 formy 1 o przekroju zwiększonym z 8 do 14 mm, dochodzi do zmniejszenia się wzdłużnego gradientu temperatury na formie 1, co jest wykrywane przez bezkontaktowe mierniki temperatury 9a i 9b i sterownik logiczny PLC płynnie zmniejsza prędkość wyciągania formy 1 do wartości wynoszącej 2,8 mm/min. Po przemieszczeniu się fragmentu 101 o zwiększonym przekroju przez obszar, w którym następuje krystalizacja stopu, wartość gradientu temperatury mierzona przez pirometry 9a i 9b zaczyna ponownie narastać i sterownik logiczny płynnie zwiększa prędkość wyciągania formy 1 do wartości wynoszącej 4,2 mm/min. W zastosowanej metodzie uzyskano odlewy 10 prętów o przekroju okrągłym, o strukturze monokrystalicznej spełniającej wymagania przemysłu lotniczego, przy czym w miejscu gwałtownego zwiększenia przekroju nie wystąpiły wady struktury, jak również zachowane zostało pożądane rozdrobnienie mikrostruktury. W ciągu całego procesu prędkość wyciągania formy 1 mieściła się w zadanym limicie 2-6 mm/min i była płynnie dostosowywana do zmieniających się przekrojów odlewanej próbki. Proces prowadzono w próżni, przy ciśnieniu w komorze wynoszącym ok. 1x10'3 [mbar].

Przykład 2

Urządzenie jak w przykładzie 1, przy czym bezpośrednio poniżej przegrody termoizolacyjnej 8, na obwodzie obudowy 13 strefy chłodzenia 7, znajduje się pierścieniowy kolektor gazowy 11 z rozmieszczonymi promieniowo eżektorami gazowymi 12. Dysze eżektorów gazowych 12 skierowane są do środka strefy chłodzenia 7. Każdy eżektor połączony jest z regulatorem przepływu masowego 16 regulującym natężenia przepływu gazu obojętnego. Całość podłączona jest do sterownika PLC.

W urządzeniu w tym przykładzie produkowane są próbki jak w przykładzie 1. Formę ceramiczną 1 znajdującą się w strefie ogrzewania 5 nagrzewa się do temperatury 1510°C, wyższej od temperatury likwidusu stopu. W tyglu 6 roztapia się nadstop niklu CMSX-4, i po jego ogrzaniu do temperatury 1510°C tj. powyżej likwidusu wylewa się go do formy ceramicznej 1, a następnie rozpoczyna się wyciąganie formy 1, tj. przemieszcza się ją ze strefy ogrzewania 5 przez otwór w poziomej przegrodzie termoizola cyjnej 8 do strefy chłodzenia 7, przy czym w strefie chłodzenia 7, umieszczone jest urządzenie doprowadzające strumienie gazu chłodzącego wykonane w postaci pierścieniowego kolektora gazowego 11 wyposażonego w eżektory gazowe 12, w ilości dwóch eżektorów 12 na jedną pojedynczą próbkę 10. Z eżektorów tych, rozmieszczonych promieniowo na obwodzie strefy chłodzenia 7 i nachylonych pod kątem 10° względem płaszczyzny poziomej, na formę 1 kierowana jest z prędkością ponaddźwiękową struga argonu, a jednocześnie układ pomp próżniowych pracuje w taki sposób, że w piecu utrzymywane jest ciśnienie wynoszące 0,16 bar abs. Ilość dopływającego do pierścieniowego kolektora gazowego 11 argonu kontrolowana jest przez zawór masowy sprzężony ze sterownikiem logicznym PLC pieca, w zakresie 40-400 Ndm³/min. Przemieszczanie formy 1 realizowane jest przez układ napędowy z napędem przesuwu 4, sprzężony ze sterownikiem logicznym PLC urządzenia ze stałą prędkością wynoszącą 6 mm/min. Temperatury powierzchni formy 1 w strefie ogrzewania 5 i strefie chłodzenia 7 mierzone są w sposób ciągły za pomocą dwóch bezkontaktowych mierników temperatury (pirometrów) 9a i 9b sprzężonych ze sterownikiem logicznym PLC pieca. Górny pirometr 9a umieszczony jest w odległości 3 cm powyżej górnej powierzchni przegrody termoizolacyjnej 8, natomiast dolny pirometr 9b znajduje się w odległości 8 cm poniżej górnego pirometru 9a. Wartość chwilowa różnicy temperatur pomiędzy pirometrami 9a i 9b jest porównywana z wartością zadaną wynoszącą 400°C, co odpowiada wartości gradientu temperatury na froncie krystalizacji 50°C/cm. Sterownik logiczny PLC pieca na bieżąco reguluje wielkość przepływu gazu chłodzącego (argonu) tak, aby nie dopuścić do spadku gradientu temperatury poniżej wartości zadanej przy zachowaniu stałej prędkości wyciągania wynoszącej 6 mm/min. Kiedy do strefy chłodzenia 7 przemieści się fragment formy 101 o przekroju zwiększonym z 8 do 14 mm, dochodzi do zmniejszenia się wzdłużnego gradientu temperatury na formie 1, co jest wykrywane przez bezkontaktowe mierniki temperatury 9 i sterownik logiczny PLC zwiększa przepływ gazu chłodzącego, w opisywanym przykładzie o 80% w stosunku do początkowego przepływu. Po przemieszczeniu się fragmentu próbki o zwiększonym przekroju przez obszar, w którym następuje krystalizacja stopu, tj. przez obszar gdzie w formę 1 uderza struga gazu chłodzącego, wartość gradientu temperatury mierzona przez pirometry 9a i 9b zaczyna ponownie narastać i sterownik logiczny PLC obniża przepływ gazu chłodzącego do minimalnej wartości zapewniającej utrzymanie zadanego gradientu temperatury. W zastosowanej metodzie uzyskano odlewy 10 prętów o przekroju okrągłym, o strukturze monokrystalicznej spełniającej wymagania przemysłu lotniczego, przy czym w miejscu gwałtownego zwiększenia przekroju 101 nie wystąpiły wady struktury, jak również zachowane zostało pożądane rozdrobnienie mikrostruktury oraz kąt odchylenia osi odlewu od kierunku [0 0 1]. W opisywanym przykładzie prędkość wyciągania formy 1 wynosiła przez cały czas trwania procesu 6 mm/min.

Przedmiotem obróbki mogą być inne detale niż detal wskazany przykładach 1 i 2 na figurach 9 i 10. Na rysunku 11 przedstawiono proces dla formy ukształtowanej w innym wariancie tzn. dla detalu z fig. 12 symulującego kształt łopatki turbiny o zmiennej geometrii.

Przykład 3

Układ dynamicznej regulacji prędkości przemieszczania formy 1 ze strefy ogrzewania 5 do strefy chłodzenia 7 pracuje w sposób ciągły w trakcie procesu w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego pomiędzy układem pomiarowym gradientu temperatury w obszarze frontu krystalizacji 14 opartym na ciągłym pomiarze temperatury powierzchni formy 1 przy użyciu bezkontaktowych mierników temperatury 9a i 9b w przynajmniej dwóch punktach pomiarowych znajdujących się w strefie chłodzenia 7, a mechanizmem opuszczania formy tj. napędem przesuwu 4 krystalizatora 3, na którym umieszczona jest wypełniona nadstopem forma 1. Sterownik logiczny PLC analizując chwilową wartość różnicy temperatur (ACLT = CLT1-CLT2) steruje w sposób dynamiczny prędkością przemieszczania formy 1 umieszczonej na krystalizatorze 3 ze strefy ogrzewania 5 do strefy chłodzenia 7 w celu utrzymania zaprogramowanej różnicy temperatur ΔCLT odlewanych detali 10 lub ich określonej sekcji 101, gwarantującej przeprowadzenie procesu w możliwie najkrótszym czasie i przy zachowaniu wymaganej makro- i mikrostruktury odlewu, niezależnie od geometrii i wielkości przekroju poprzecznego odlewanych detali 10.

Przykład 4

Układ dynamicznej regulacji natężeń przepływu składników gazu obojętnego pracuje w sposób ciągły w trakcie procesu w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego pomiędzy układem pomiarowym gradientu temperatury w obszarze frontu krystalizacji 14 opartym na ciągłym pomiarze temperatury powierzchni formy 1 przy użyciu bezkontaktowych mierników temperatury 9a i 9b w przynajmniej dwóch punktach pomiarowych znajdujących się strefie chłodzenia 7, a regulatorami przepływu masowego 16 regulującymi natężenia przepływu składników gazu obojętnego. Sterownik logiczny PLC analizując chwilową wartość różnicy temperatur (ACLT = CLT1-CLT2) steruje w sposób dynamiczny natężeniami przepływu składników gazu obojętnego przy zachowaniu stałej prędkości przemieszczania formy ze strefy ogrzewania 5 do strefy chłodzenia 7 w celu utrzymania zaprogramowanej różnicy temperatur ACLT dla odlewanych detali 10 lub ich określonej sekcji 101, gwarantującej przeprowadzenie procesu w możliwie najkrótszym czasie i przy zachowaniu wymaganej makro- i mikrostruktury odlewu, niezależnie od geometrii i wielkości przekroju poprzecznego odlewanych detali 10. Poprzez zmianę wartości natężenia przepływu składników gazu obojętnego można wpływać na wartość gęstości strumienia ciepła odbieranego z powierzchni formy w obszarze frontu krystalizacji 14, co można przedstawić za pomocą poniższych zależności:

ή = α (Tm—Ta) a = ar + ac ac = K u^a p^b d^-c n^-d Cp λf, gdzie: q - gęstość strumienia ciepła, α - całkowity współczynnik przejmowania ciepła, ar - radiacyjny współczynnik przejmowania ciepła, ac - konwekcyjny współczynnik przejmowania ciepła, Tm - temperatura powierzchni formy, Ta - temperatura strefy chłodzenia, υ - liniowa prędkość gazu przy powierzchni chłodzonego detalu, p - ciśnienie, d - wymiar charakterystyczny chłodzonego detalu, η - współczynnik lepkości dynamicznej gazu, cp - pojemność cieplna właściwa gazu, K, a, b, c, d, e, f - stałe, których wartość jest większa od 0.

Przykłady 3 i 4 opisują sytuacje dla wariantu rozwiązania w którym występują dwa mierniki i oba są zamontowane poniżej przegrody izolacyjnej 8. Nie wyklucza to innych wariantów, także tego w którym np. jeden z mierników znajduje się nad przegrodą termoizolacyjną w strefie grzania.

Wykaz oznaczeń:

- forma

- komora próżniowa

- krystalizator

- napęd przesuwu

- strefa ogrzewania

- urządzenie do wytopu stopu

- strefa chłodzenia

- przegroda termoizolacyjna a, 9b - bezkontaktowe mierniki temperatury

- odlew

- pierścieniowy kolektor gazowy

- eżektor gazowy

- obudowa strefy chłodzenia

- front krystalizacji

- serwonapęd

- regulator przepływu

- induktor

- warstwa izolacyjna

- mufla grafitowa

101 - fragment formy

Claims (10)

1. Sposób kierunkowej krystalizacji odlewów o ukierunkowanej lub monokrystalicznej strukturze obejmujący przenoszenie do strefy ogrzewania, ceramicznej formy odlewniczej, ustawionej na krystalizatorze połączonym z pionowym mechanizmem napędowym góra-dół, napełnienie formy z tygla roztopionym stopem, przemieszczenie wypełnionej formy ze strefy ogrzewania do strefy chłodzenia, aż do całkowitego zakończenia procesu krystalizacji odlewu, który po procesie jest od tej formy oddzielany, znamienny tym, że w trakcie przemieszczania się formy (1) ze stopem ze strefy ogrzewania (5) do strefy chłodzenia (7), w czasie rzeczywistym mierzy się temperaturę powierzchni formy (1) powyżej CLT1 i poniżej CLT2 frontu krystalizacji (14) w co najmniej dwóch punktach, przy użyciu bezkontaktowych mierników temperatury (9a, 9b), przy czym przynajmniej jeden z punktów, leżący najniżej, znajduje się w strefie chłodzenia, a wartość gradientu temperatur tych punktów (ACLT = CLT1-CLT2) jest analizowana przez sterownik PLC lub inny układ w pętli sprzężenia zwrotnego pomiędzy układem pomiarowym gradientu temperatury a mechanizmem opuszczania formy i/lub regulatorami przepływu (16) masowego lub objętościowego, regulującymi natężenia przepływu gazu obojętnego, gdy jego nadmuch wspomaga proces chłodzenia formy (1), a wyznaczona w czasie rzeczywistym chwilowa wartość różnicy temperatur jest wykorzystywana do dynamicznej regulacji prędkości przemieszczania formy (1) ze strefy ogrzewania (5) do strefy chłodzenia (5) i/lub do regulowania natężenia przepływu lub składu mieszanki gazu.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że odległość punktu dolnego pomiaru temperatury (9b) w strefie chłodzenia (7) od kolejnego położonego nad nim wynosi co najmniej 25 mm, a odległość punktu dolnego pomiaru temperatury (9b) od poziomej przegrody termoizolacyjnej (8) wynosi co najmniej 20 mm.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że punkty pomiarowe (9a, 9b) rozmieszczone są powyżej i poniżej obszaru, w którym dochodzi do uderzenia strugi gazu obojętnego.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że bezkontaktowe mierniki temperatury (9a, 9b) działają w oparciu o dowolną technologię analizy promieniowania cieplnego emitowanego przez powierzchnię formy (1) korzystnie pirometryczną lub termowizyjną.

5. Urządzenie do wytwarzania odlewów o ukierunkowanej lub monokrystalicznej strukturze, zawierające komorę próżniową, w której jest usytuowany tygiel do topienia stopu i wlewania stopionej masy do formy odlewniczej zamocowanej na chłodzonym krystalizatorze i przemieszczanej w pionie w kierunku góra-dół za pomocą mechanizmu napędowego, przy czym w komorze próżniowej znajdują się strefa grzania i strefa chłodzenia przedzielone poziomą przegrodą termoizolacyjną w postaci tarczy z centralnym otworem, znamienne tym, że w komorze próżniowej (2) zainstalowane są co najmniej dwa bezkontaktowe mierniki temperatury (9a, 9b), przy czym co najmniej jeden (9b), położony najniżej, znajduje się w strefie chłodzenia (7).

6. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że w obudowie strefy chłodzenia zamontowany jest pierścieniowy kolektor gazowy (11) z eżektorami gazowymi (12) doprowadzającymi strumienie gazu obojętnego o natężeniu ustalanym za pomocą regulatorów przepływu (16).

7. Urządzenie według zastrz. 5 albo 6, znamienne tym, że bezkontaktowy miernik temperatury (9b) położony najniżej, znajduje się w strefie chłodzenia (7) w odległości co najmniej 25 mm od kolejnego miernika umieszczonego nad nim.

8. Urządzenie według zastrz. 5 albo 6, znamienne tym, że co najmniej jeden bezkontaktowy miernik temperatury (9a) znajduje się w strefie grzania.

9. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że bezkontaktowe mierniki temperatury (9a, 9b) rozmieszczone są w taki sposób, że dolny znajduje się pod płaszczyzną eżektorów gazowych (12) pierścieniowego kolektora gazowego (11), a drugi powyżej płaszczyzny, tak że obszar w którym dochodzi do uderzenia strugi gazu obojętnego wypływającego z eżektorów gazowych (12), znajduje się pomiędzy miernikami (9a, 9b).

10. Urządzenie według zastrz. 5 albo 6, znamienne tym, że bezkontaktowe mierniki temperatury (9a, 9b) dokonujące pomiaru, działają w oparciu o analizę promieniowania cieplnego emitowanego przez powierzchnie formy (1) i stanowią je pirometry lub kamery termowizyjne.