Способ определения количества структурно-модифицирующего агента, вводимого в расплав чугуна, способ получения отливок из чугуна, установка для определения количества структурно-модифицирующего агента и компьютерный программный продукт для нее

 

Изобретение относится к способу определения количества структурно-модифицирующего агента, вводимого в расплав чугуна для получения микроструктуры при затвердевании расплава чугуна, имеющей состав с углеродным эквивалентом, близким к эвтектической точке фазовой диаграммы железо - углерод. Способ включает стадии: калибровки количества модифицирующего агента, которое следует добавить к гипоэвтектическому расплаву для получения чугуна с компактным графитом или чугуна с сфероидальным графитом, как функции максимального значения α первой производной по времени на кривой охлаждения, зарегистрированной в центре емкости для пробы, отбора пробы расплавленного чугуна с использованием пробоотборника, предоставления указанной пробе возможности затвердеть и регистрации во время затвердевания кривых охлаждения в центре емкости для пробы и у стенки емкости для пробы, определения кривой выделения тепла, описывающей количество тепла, выделившееся в центре пробы, как функцию времени, с использованием уравнения теплового баланса и кривых охлаждения, зарегистрированных в период затвердевания расплава пробы. Изобретение также относится к способу получения отливок из чугуна с компактным графитом или отливок из чугуна с сфероидальным графитом из расплавленного чугуна, имеющего эвтектический или близкий к эвтектическому состав, установке для определения модифицирующего агента, добавляемого в режиме реального времени к расплаву гипоэвтектического или почти эвтектического чугуна в процессе получения чугунных отливок с компактным графитом, которая содержит: первый и второй температурный сенсор для регистрации кривой охлаждения в центре и зоне стенки емкости для пробы, соответственно компьютерное устройство для определения величины количества модифицирующего агента, и компьютерному программному продукту для использования в упомянутой установке. Изобретение позволяет оценивать кривые охлаждения, зарегистрированные для почти эвтектических расплавов чугуна. Кривые оценивают, определяя общее количество тепла, выделенного в центре пробы расплава, как функции времени. Полученную информацию используют для определения количества структурно-модифицирующего агента, необходимого для получения чугуна с компактным графитом и/или чугуна с сфероидальным графитом. 4 с. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к способу определения количества структурно-модифицирующего агента, вводимого в расплав чугуна для получения микроструктуры при затвердевании расплава чугуна, имеющей состав с углеродным эквивалентом, близким к эвтектической точке фазовой диаграммы железо - углерод. Изобретение также относится к установке для осуществления способа.

Заявка WO 86/01755 описывает способ получения чугуна с компактным графитом при использовании термического анализа. Пробу отбирают из плавки расплавленного чугуна, и этой пробе дают затвердеть в течение от 0,5 до 10 минут. Температуру одновременно регистрируют двумя датчиками температуры, один из которых расположен в центре, а другой в непосредственной близости от стенки емкости. Для каждого из двух датчиков температуры регистрируют так называемые кривые охлаждения пробы чугуна как функцию времени. Согласно данной заявке затем определяют необходимое количество структурно-модифицирующих агентов, которое должно быть добавлено к раствору для получения желаемой микроструктуры. Однако описанные в этом документе кривые охлаждения являются скорее монотонными, и вариации не обнаруживаются.

Для точного определения микроструктуры графита в образцах чугуна для обычных способов термического анализа, таких как способ, описанный в WO 86/01755, требуются кривые охлаждения, где первая температурная остановка, вызванная образованием аустенита, существенно отличается от выделения тепла, вызванного началом затвердевания эвтектики. Однако иногда получают кривые охлаждения без такой четко различимой температурной остановки. Это имеет место в случае, когда расплавленный чугун затвердевает как эвтектический или гиперэвтектический чугун. Дo сих пор было невозможно использовать кривые охлаждения, соответствующие близкому к эвтектике чугуну, для слежения за ростом графита.

В заявке WO 93/20965 указывается, что гиперэвтектические расплавы, в которых графит образует ядра кристаллизации раньше железа, не дают различимого плато, когда температура пересекает линию ликвидуса. Это вызвано тем, что кристаллизация графита имеет более низкое высвобождение скрытой теплоты, чем кристаллизация железа.

При вводе небольшого количества низкоуглеродистого железа в расплав низкоуглеродистое железо частично растворяется локально, тогда как проба еще является расплавленной. По мере того как проба охлаждается, относительно чистое железо, окружающее оставшуюся твердую часть гвоздя, начинает затвердевать благодаря его более низкому углеродному эквиваленту (УЭ). В итоге, по мере того как объем пробы охлаждается ниже линии ликвидуса, оставшийся твердым объем гвоздя, окружение с низким УЭ и расплавленная часть гвоздя начинают затвердевать и инициируют затвердевание в остальном гиперэвтектическом растворе. Конечным результатом является то, что на кривой охлаждения появляется аустенитное плато.

В WО 93/20965 также указывается, что разность температур (ΔT) между Тδ и Т_{c mах} может быть использована для установления корреляции с углеродным эквивалентом. Однако WO 93/20965 относится к гиперэвтектическим расплавам, т.е. к расплавам, в которых углеродный эквивалент настолько высок, что выделение тепла при первичном затвердевании не совпадает с минимумом на кривой охлаждения (в заштрихованной области фиг.2а WO 93/20965). Соответственно первичное затвердевание и эвтектическое затвердевание являются раздельными.

Ни в одном из указанных выше источников не раскрывается проведение термического анализа расплавов чугуна для определения углеродного эквивалента расплавов, которые являются почти эвтектическими. Кроме того, WО 93/20965 предполагает измерения для расплава, имеющего углеродный эквивалент до 4,7%. Достижение таких высоких значений неблагоприятно из-за флотации графита и разрушения формы графита. Подобным образом недостатком способа по WО 93/20965 является то, что он требует добавки в емкость для пробы избытка малоуглеродистой стали или железа, что соответственно приводит к более высоким затратам и большей трудоемкости способа.

Настоящее изобретение дает возможность оценки кривых охлаждения, зарегистрированных для почти эвтектических расплавов чугуна. Кривые оценивают, определяя общее количество тепла, выделенного в центре пробы расплава как функцию времени. Затем эту информацию используют для выявления того участка зарегистрированной в центре кривой охлаждения, который может быть использован как база для определения количества структурно-модифицирующего агента, которое должно быть добавлено для получения чугуна с компактным графитом и/или чугуна со сфероидальным графитом, и для выявления того участка указанной кривой, который связан с образованием первичного аустенита.

Термин "кривая охлаждения", использованный в описании, относится к графикам, представляющим температуру как функцию времени, эти графики составлены в соответствии с заявками WO 86/01755, WO 92/06809.

Термин "кривая выделения тепла", использованный в описании, относится к графику, показывающему тепло, выделенное в определенной зоне расплавленного чугуна. Для целей изобретения все кривые выделения тепла здесь определены для зоны, расположенной в центре пробы расплавленного чугуна. Эта зона обычно обозначается здесь как "А-зона".

Термин "емкость для пробы", использованный в описании, обозначает небольшой контейнер для пробы, который, когда его используют для термического анализа, заполняют пробой расплавленного металла. Затем температуру подходящим образом регистрируют во время затвердевания; предпочтительно емкость для пробы изготовлен так, как это описано в WО 86/01755, WO 92/06809, WO 91/13176 и WO 96/23206.

Термин "пробирное устройство", использованный в описании, относится к устройству, включающему емкость для пробы, снабженному по меньшей мере двумя датчиками температуры для термического анализа, причем указанные датчики предназначены для погружения в пробу отверждающегося металла во время анализа, и устройству для заполнения пробой расплавленного металла. Емкость для пробы предпочтительно оснащают указанными датчиками таким образом, который описан в WO 96/23206.

Термин "структурно-модифицирующий агент", использованный в описании, относится к соединениям, меняющим морфологию графита, присутствующего в расплавленном чугуне. Подходящие соединения могут быть выбраны из группы магния и редкоземельных металлов, таких как церий, или смесей этих соединений. Взаимосвязь между концентрацией структурно-модифицирующих агентов в расплавленных чугунах и морфологией графита затвердевших чугунов уже обсуждалась в ранее названных заявках WО 92/06809 и WO 86/01755.

Использованный в описании термин "ЧКГ" относится к чугуну с компактным графитом, а термин "ЧСГ" относится к чугуну со сфероидальным графитом.

Ниже изобретение поясняется более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, при этом:

на фиг.1А-4А представлены кривые охлаждения. Сплошная линия относится к температуре в центре расплава, а пунктирная линия относится к температуре вблизи стенки емкости для пробы. На фиг.1В-4В показаны кривые выделения тепла, соответствующие кривым охлаждения на фиг.1А-4А. Фиг.1 относится к нормальному гипоэвтектическому чугуну, а фиг.2-3 представляют кривые для почти эвтектических чугунов, включающих повышенные значения углеродного эквивалента. Фиг.4 представляет кривые, относящиеся к "гиперэвтектическому чугуну".

На фиг.5 схематично показан прибор для управления образованием чугуна с компактным графитом или со сфероидальным графитом согласно изобретению.

На фиг.6 схематично показана емкость для пробы, в которой тепло приблизительно равномерно передается во всех направлениях. Во время измерений емкость заполняют расплавленным чугуном. Этот расплавленный чугун можно рассматривать как остывающую сферу. Зона А относится к сфере в центре расплавленной пробы, и зона В относится к расплавленному чугуну, окружающему зону А. Радиусы r₁ и r₂ относятся соответственно к средним радиусам зон А и В.

Как уже упоминалось выше, изобретение относится к усовершенствованному способу интерпретации кривых охлаждения в расплавах почти эвтектического чугуна. Одним из важных аспектов кривой охлаждения является максимальный наклон пика рекалесценции на зарегистрированной для центра кривой охлаждения. Эта точка обозначена как α на фиг.1А, 2А и 3А. На кривых охлаждения, соответствующих расплавам почти эвтектического чугуна, точка перегиба (обозначенная на фигурах как t_p) расположена намного ближе к α, и может быть очень трудно точно определить наклон. Примеры таких кривых можно найти на фиг.2А и 3А. Однако было найдено, что определение максимального наклона в точке α может быть существенно упрощено, если рассчитана кривая выделения тепла, соответствующая центральной зоне (зоне А) расплавленного чугуна. Такая кривая выделения тепла дает возможность определить положение t_p на зарегистрированной для центра кривой охлаждения и проверить влияет ли она на наклон пика рекалесценции или нет.

Тепловой баланс любого однородного элемента может быть описан выражением:

где Q_stored представляет количество тепла, воспринятого теплоемкостью материала, Q_generated представляет количество тепла, выделенное объемом материала, Q_in представляет количество тепла, переданное материалу от его окружения, и Q_out представляет количество тепла, переданного от материала в его окружение.

При осуществлении изобретения целесообразно использовать емкость для пробы, описанную в SE 9704411-9. В такой емкости для пробы передача тепла в пробу, содержащуюся в емкости, приблизительно одинакова во всех направлениях. Исходя из этого описывается передача тепла между центральной (фиг.6, зона А) и более удаленной к периферии (фиг.6, зона В) частью содержащегося в емкости для пробы расплавленного чугуна. Поскольку зона А расположена в центре расплавленной пробы чугуна и поскольку эту зону можно рассматривать как остывающую сферу, передача тепла в зону отсутствует, и поэтому Q_in равно нулю. Соответствующие подстановки в выражение (1) выше дают следующее уравнение:

где С_р - теплоемкость на единицу массы, m_A - масса зоны А, dT_A/dt - изменение температуры зоны А в единицу времени, Q_genA - тепло, образовавшееся в зоне A, ke - эффективный коэффициент передачи тепла материала, и (1/r₁-1/r₂)^-1 - среднее расстояние передачи тепла. Оба радиуса r₁ и r₂ определены на фиг.6, т_A и Т_B представляют температуры в зоне А и в зоне В соответственно.

Из уравнения (2) можно определить величину выделения тепла и рассчитать среднее массовое тепловыделение в зоне А:

В уравнении (3) все переменные являются константами кроме dt_A/dt и (T_A-Т_B). Соответственно уравнение (3) может быть упрощено до:

где k₁ и k₂ являются константами. Следовательно, кривая выделения тепла может быть рассчитана из набора кривых охлаждения, зарегистрированных в центре и на периферии пробы расплавленного чугуна.

Как уже упоминалось, эти расчеты относятся к ситуации, когда тепло равномерно передается во всех направлениях. Конечно, квалифицированный специалист может рассчитать также другие уравнения, соответствующие другим условиям теплопереноса.

Как упоминалось ранее, углеродный эквивалент некоторого расплава чугуна влияет на вид соответствующих ему кривых охлаждения и кривых выделения тепла. Такие кривые охлаждения и кривые выделения тепла могут в зависимости от углеродного эквивалента быть отнесены к одному из четырех модельных типов.

Тип 1, который представлен на фиг.1, относится к случаю гипоэвтектического чугуна. Кривая охлаждения, зарегистрированная в центре пробы, характеризуется первой точкой перегиба, связанной с образованием аустенита, за которой следует локальный минимум. Интерпретация таких кривых не представляет сколько-нибудь значительных трудностей и может быть осуществлена в соответствии с принципами, изложенными в WO 86/01755 и WO 92/06809. Следует отметить, что на кривой выделения тепла зоны А имеется пик (t_p), который соответствует точке перегиба (и соответственно началу образования аустенита) на зарегистрированной в центре кривой охлаждения.

Тип 2, который представлен на фиг.2, относится к случаю почти эвтектического чугуна и характеризуется очень плоским локальным минимумом на кривой охлаждения, зарегистрированной в центре пробы. Точку перегиба невозможно увидеть. Однако намного легче найти пик, соответствующий точке образования аустенита t_p на кривой выделения тепла.

В этом случае оказывается, что точка образования аустенита t_p расположена связно с локальным минимумом, приводя к очень плоскому минимуму. Из фиг.2А и 2В можно видеть, что t_p не изменяет наклон в точке α.

Тип 3, который представлен на фиг.3, также относится к случаю почти эвтектического чугуна и характеризуется различимой точкой перегиба после локального минимума на кривой охлаждения, зарегистрированной в центре пробы. После определения кривой выделения тепла легко установить положение точки образования аустенита t_p в положении непосредственно после локального минимума. Однако в такой ситуации на рекалесценцию и соответственно на точку α влияет образование аустенита. Для того чтобы было возможно не придавать значения эффектам "сдвига" точки образования аустенита и найти точное значение α, наложенной на t_p (где tα>t_p), участок зарегистрированной в центре кривой охлаждения, непосредственно примыкающий к t_p и имеющий такие значения времени t, что t-t_p больше, чем заранее заданная пороговая величина tv, исследуют на максимальное значение первой производной по времени α₁. Затем данную величину α₁ используют в способе как точное значение α. Подходящая пороговая величина tv может быть легко определена квалифицированным специалистом, но обычно примерами таких величин являются 1-5 секунд.

Тип 4, который представлен на фиг.4А, относится к гиперэвтектическому чугуну. Данный тип характеризуется тем, что невозможно увидеть явные точки перегиба или широкие минимумы. Кривая выделения тепла зоны А не содержит каких-либо обнаруживаемых пиков. Настоящее изобретение неприменимо в данной ситуации.

Предпочтительно осуществлять заявленный способ, используя управляемую компьютером систему, в особенности, когда должно проводиться большое число измерений. В таком случае используют тот же тип пробирного устройства 22, какой был описан выше. Схема управляемой компьютером системы представлена на фиг.6. В процессе анализа конкретного образца два датчика температуры устройства 10, 12 посылают сигнал в компьютер 14, включающий модуль ROM 16 и модуль RAM 15, для того чтобы генерировать кривые охлаждения. Компьютерное устройство 14 сопряжено с устройством памяти 19, в которое загружена стандартная программа. Когда далее говорится, что компьютер работает, следует понимать, что компьютером управляет программа в памяти 19. Памятью 19 может быть ячейка ROM или твердый диск. Программа может быть загружена в память 19 из энергонезависимой памяти, такой как CD-ROM или дискета, например, через дисковод (не показан). Компьютер имеет доступ к калибровочным данным в блоке ROM 16 и рассчитывает количество структурно-модифицирующего агента, которое должно быть добавлено к расплаву. Сигнал о таком количестве передается к устройству 18 для ввода структурно-модифицирующего агента в исправляемый расплав 20, в результате чего расплав обеспечивается необходимым количеством таких агентов.

Формула изобретения

1. Cпоcоб определения количества структурно-модифицирующего агента, вводимого в расплав чугуна для получения чугуна с компактным графитом или чугуна со сфероидальным графитом из расплавленного чугуна, имеющего гипоэвтектический или близкий к эвтектическому состав, с помощью пробирного устройства, включающего емкость для пробы, устройства для слежения за температурой как функцией времени в центре и близко к стенке указанной емкости для пробы и устройства для введения структурно-модифицирующего агента в расплавленный чугун, включающий стадии калибровки для выбранного способа плавки количества структурно-модифицирующего агента, которое следует добавить к гипоэвтектическому расплаву для получения чугуна с компактным графитом или чугуна со сфероидальным графитом, как функции максимального значения α первой производной по времени на кривой охлаждения, зарегистрированной в центре емкости для пробы; отбора пробы расплавленного чугуна с использованием пробоотборника; предоставления указанной пробе возможности затвердеть и регистрации во время затвердевания кривых охлаждения в центре емкости для пробы и у стенки емкости для пробы соответственно; определения кривой выделения тепла, описывающей количество тепла, выделившееся в центре пробы, как функцию времени, с использованием уравнения теплового баланса

где Q_stored - количество тепла, воспринятого теплоемкостью материала;

Q_generated - количество тепла, выделенное объемом материала;

Q_in - количество тепла, переданное материалу от его окружения;

Q_out - количество тепла, переданного от материала в его окружение,

и кривых охлаждения, зарегистрированных в период затвердевания расплава пробы; идентификации положения возможного локального максимума t_p на кривой выделения тепла, выделившегося в центре пробы, который соответствует точке образования аустенита на кривой охлаждения, зарегистрированной для центра во время затвердевания, и проверки, нет ли опасности того, что данная точка образования аустенита изменила значение максимального наклона зарегистрированной для центра кривой охлаждения, причем если точка t_p локализована и если нет опасности того, что максимальная величина α первой производной по времени искажена образованием аустенита, осуществляют расчет количества структурно-модифицирующего агента (Va), которое следует добавить к расплаву, с использованием значения α и данных калибровки, полученных на стадии калибровки, и, если точка t_p локализована и если t_p-tα меньше, чем пороговая величина t_tv, идентификации времени tα₁,(tα₁>tα), для которого вторая производная по времени на кривой охлаждения, зарегистрированной для центра, приблизительно равна 0, определяют значение первой производной по времени α1 и рассчитывают количество структурно-модифицирующего агента (Va), которое следует добавить к расплаву, с использованием значения α1 и данных полученных на стадии калибровки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют количество структурно-модифицирующего агента, которое следует добавить к расплаву чугуна для получения чугуна с компактным графитом или чугуна со сфероидальным графитом.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что перенос тепла в емкости для пробы, содержащей расплавленный чугун, приблизительно одинаков во всех направлениях.

4. Способ получения отливок из чугуна с компактным графитом или отливок из чугуна со сфероидальным графитом из расплавленного чугуна, имеющего эвтектический или близкий к эвтектическому состав, включающий стадии получения расплавленного чугуна, имеющего эвтектический или близкий к эвтектическому состав; определения количества структурно-модифицирующего агента, которое следует добавить к расплаву чугуна для получения чугуна с компактным графитом или чугуна со сфероидальным графитом, согласно способу по п.1 или 2; добавления к расплавленному чугуну количества структурно-модифицирующего агента, определенного обора пробы и проведения операций отливки известным самим по себе способом.

5. Установка для определения количества структурно-модифицирующего агента, добавляемого в режиме реального времени к расплаву гипоэвтектического или почти эвтектического чугуна в процессе получения чугунных отливок с компактным графитом, включающая первый температурный сенсор (10) для регистрации кривой охлаждения в центре емкости для пробы; второй температурный сенсор (12) для регистрации кривой охлаждения в зоне стенки емкости для пробы; компьютерное устройство (14) для определения величины количества (Va) структурно-модифицирующего агента, которое следует добавить к расплаву; устройство памяти (16), в которое введены предварительно определенные данные калибровки; компьютер, установленный для определения количества тепла, выделенного в центре пробы, как функции времени с использованием уравнения теплового баланса

где Q_stored - количество тепла, воспринятого теплоемкостью материала;

Q_generated - количество тепла, выделенное объемом материала;

Q_in - количество тепла, переданное материалу от его окружения;

Q_out - количество тепла, переданного от материала в его окружение, и кривых охлаждения, зарегистрированные указанными первым и вторым температурными датчиками (10, 12); компьютер, установленный для идентификации значения времени t_p, соответствующего локальному максимуму тепла, выделившегося в центре пробы, как функции времени; компьютер, установленный для расчета максимального значения первой производной по времени на кривой охлаждения, зарегистрированной первым температурным датчиком (10), и для придания этого значения переменной α и придания соответствующего времени переменной tα; компьютер, установленный для сравнения значений времени t_p и tα, если tα-t_p меньше, чем пороговая величина t_v, то компьютер, установленный для идентификации нового значения первой производной α, расположенной при значении времени tα₁, которое больше, чем tα и которое соответствует участку кривой охлаждения, зарегистрированной первым температурным датчиком (10), где вторая производная по времени приблизительно равна 0, и придания переменной α значения новой первой производной; компьютер, установленный для определения величины количества (Va) структурно-модифицирующего агента, добавляемого к расплаву, с использованием значения первой производной α и предварительно полученных данных калибровки.

6. Компьютерный программный продукт для использования в установке для определения количества структурно-модифицирующего агента, добавляемого в режиме реального времени к расплаву чугуна (20) во время процесса получения чугунных отливок с компактным графитом, включающей первый температурный сенсор (10) для регистрации кривой охлаждения в центре емкости для пробы, второй температурный датчик (12) для регистрации кривой охлаждения в зоне стенки емкости для пробы, компьютерное устройство (14) для определения величины количества (Va) структурно-модифицирующего агента, добавляемого к расплаву, устройство памяти (16), в которое введены предварительно определенные данные калибровки, компьютерный программный продукт, включающий носитель записи и кодирующее устройство для чтения компьютером для направления компьютерного устройства на определение количества тепла, выделенного в центре пробы, как функции времени с использованием i) уравнения теплового баланса

где Q_stored - количество тепла, воспринятое теплоемкостью материала;

Q_generated - количество тепла, выделенное объемом материала;

Q_in - количество тепла, переданное материалу от его окружения;

Q_out - количество тепла, переданного от материала в его окружение,

и ii) кривых охлаждения, зарегистрированных указанными первым и вторым температурными датчиками (10, 12); носитель записи и кодирующее устройство для чтения компьютером для направления компьютерного устройства на идентификацию значения времени t_p, соответствующего локальному максимуму тепла, выделившегося в центре пробы, как функции времени; носитель записи и кодирующее устройство для чтения компьютером для направления компьютерного устройства на расчет максимального значения первой производной по времени на кривой охлаждения, зарегистрированной первым температурным сенсером (10) и для придания этого значения переменной α и придания соответствующего времени переменной tα; носитель записи и кодирующее устройство для чтения компьютером для направления компьютерного устройства на сравнение значений времени t_p и tα, и если tα-t_p меньше, чем пороговая величина t_v, то для идентификации нового значения первой производной α, определенной при значении времени tα₁, которое больше, чем tα и которое соответствует участку кривой охлаждения, зарегистрированной первым температурным сенсером (10), где вторая производная по времени приблизительно равна 0, и придания переменной α значения новой первой производной; носитель записи и кодирующее устройство для чтения компьютером для направления компьютерного устройства на определение величины количества (Va) структурно-модифицирующего агента, добавляемого к расплаву, с использованием значения первой производной α и предварительно полученных данных калибровки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10