Värmeledning i sandform

(1)

2012-007

Värmeledning i sandform

(2)

Swerea SWECAST AB Rapportnr 2012-007 Swerea SWECAST AB Box 2033, 550 02 Jönköping Telefon 036 - 30 12 00 Telefax 036 - 16 68 66 swecast@swerea.se http://www.swereaswecast.se © 2013, Swerea SWECAST AB

(3)

Projekt nr Projekt namn

IPK 214 Värmeledning i sandform

Författare Rapport nr Datum

Sten Farre 2012-007_ 2012-10-01

Adress/Address Telefon/Telephone Telefax/Fax E-post/E-mail

Swerea SWECAST AB Nat 036-30 12 00 Nat 036-16 68 66 swecast@swerea.se

Värmeledning i sandform

Denna rapport är en kompletering till det examensarbetet som genomfördes under 2011 vid Swerea Swecast med studenter från Jönköpings Tekniska Högskola, avdelningen för Maskinteknik, Christian Liliegård och Per Söderlind.

Arbetet är gjort inom ramen för projektet IPK 214 Värmeledning i sandform. I projektet har simulering och gjutförsök gjorts med en cylinder Ø100 x 350 mm gjuten i EN 43100 i en furanbunden sandform.

Resultaten påvisar svårigheten att simulera rätt första gången vid gjutning i ett kapilärt poröst system i form av en sandform. Det går dock att variera flera parametrar i databasen hos NovaFlow&Solid för flödes- och stelnings-simuleing och uppnå ett resultat som är tillfredsställande.

I denna rapport har det latenta värmet varierats för att uppnå en temperaturkurva så lik den verkliga som möjligt. Jämförelse har gjorts mellan standardinställningar och justerade inställningar. En Ökning av det latenta värmet från 339 kJ/kg till 500 kJ7Kg flyttade temperaturkurvorna åt höger i diagrammet till en nästan fullständig matchning.

Sugningsbilden med standardinställningar stämde inte överens med verkligt utfall varför ett stort antal stelningssimuleringar genomfördes för att visa hur olika parametrar påverkar var sugningsbilden hamnar.

(4)

Swerea SWECAST AB Rapportnr 2012-007_

Heat Transfer in Sand Mould

This report is a supplement to a thesis performed during 2011 at Jönköpings Technical University by two students; Christian Liliegård and Per Söderlind. The work is carried out within the framework IPK214 “Heat conductivity in sand mould”. Within the work simulations and pouring a test casting has been executed for a cylinder with diamter 100 mm and the height 350 mm. The aluminium alloy EN 43100 was cast into a Furane bonded Silica sand mould.

The results shows the difficulties to get the correct approach of setting data in the simulations software at first, when simulating a capillary-porous system as a sand mould. It is, however possible to modify numurous parameters in the database for the NovaFlow&Solid software and achieve a result which is satifactory.

In this report, mainly the latent heat has been altered to get the temperature field recorded from the casting trial. Comparison has been made with standard settings and adjusted settings. Increasing the latent heat from 339 kJ/kg to 500 kJ/kg moved the temperature curves in the North East direction to an almost perfect match

The simulated picture of shrinkage predicted is somewhat on applicable to real shrinkage, thus a large number of simulation was performed to set the possible parameters which would influence the simulated shrinkage prediction.

(5)

(6)

Swerea SWECAST AB Rapport nr 2012-007_

1 Syfte och mål

Rapporten har tagits fram i projektet IPK214 ”Värmeledning i sandform”. och har finansierats av forskningsgruppen Metall som en fortsättning på examensarbetet ”Värmeledning i sandformar” vid Jönköpings Tekniska Högskola 2011.

Syftet med rapporten var att fortsätta arbetet som påbörjades i examensarbetet där temperaturerna i formsanden inte kom tillräckligt högt upp för att ge utslag på stelningsförloppen En kraftigare värmekälla än motståndsvärmning för att uppnå tillräckligt bra temperaturtransporter genom en furanbunden formsand skulle användas. Som värmekälla användes en aluminiumlegering EN 43100

Målet var att undersöka hur ett simuleringsprogram överensstämmer med verkliga mätningar samt att med inversmetoden beräkna egenskaperna hos legeringen och formmaterialet.

Detta har av tidsmässiga och kostnadsmässiga skäl inte genomförts.

1.1 Värmekonduktivitet hos porösa material

Att det finns defekter i gjutgods som orsakar problem med hållfasthet, ytfinhet, sprickor m.m. är väl känt sedan tidigare. Dessa problem kan ofta härledas till för höga porhalter, stelningskrympning, kallflytningar m.m.

Specifikt sugningar är ett problem som ofta ställer till besvär och kräver nya gjutningar för att säkerställa rätt levererade antal komponenter till kund. Med dagens simuleringsprogram har problemen med sugningar blivit allt mindre i jämförelse med hur det var innan slutet av 1990-talet.

Swerea Swecast utför många simuleringar och förfogar över tre program i dagsläget; Magma, NovaFlow&Solid och Procast.

När förändring av gjutgodset sker med nya krav på ökad hållfasthet, minskande godstjocklekar och bättre täthet så ställer det nya krav på fungerande program för simulering av formfyllnaden, stelningsförloppet och hållfastheten hos den gjutna komponenten. Det som blir avgörande för att prediktera en korrektare bild av det verkliga stelningsförloppet, är hur bra simuleringsprogrammen har definierat respektive material i sina databaser.

Materialegenskaperna i programmens databaser är ofta hämtade från ett fåtal kända källor, ofta publicerade redan innan kommersiella simuleringsprogram fanns på markanden, och används i alla simuleringsprogram. För flera material finns det skillnader beroende av vilka projekt programleverantörerna har deltagit i och därmed fått en uppdatering och direkt jämförelse mellan verklig gjutning och simulerat resultat.

Värmetransport i porösa material är ett mera komplext fenomen än hos homogena kroppar. I ett poröst material är värmeflödet fördelat på konduktivitet i det fasta materialet och troligen konvektion genom porerna, speciellt om temperaturen är lägre än ungefär 500 C. Ökar temperaturen i formmaterialet ökar den elektromagnetiska strålningen [1].

(7)

Figur 1 Schematisk beskrivning av termisk konduktivitet [1]

Porer innehåller ofta lite fukt som förgasas och man får en mix av olika gaser som har olika konduktivitet och därmed försvåras predikteringen av egenskaper genom simulering då detta inslag i värmetransporten inte är representerat i något simuleringsprogram.

Det som kan göras är att justera värdena för värmetransport genom att anta en effektiv termisk konduktivitet för ett givet system som om det var homogent. Det finns ett par metoder för att göra detta, varmtrådsmetoden och TPS, Transient Plane Source-metoden [2]

Denna skenbara termiska konduktivitet kan mätas för de flesta förekommande porösa material och kan sedan införas i simuleringsprogrammets databas.

Genomförandet varierar för de olika simuleringsprogrammen, men det går att uppnå mycket bra överensstämmelse mellan verkliga resultat och simulerade värden genom ett tålmodigt arbete och på andra parametrar än sandens egenskaper.

1.1.1 Termiska egenskaper hos formsandsmaterial

Redan tidigt hade man påbörjat mätningar av värmetransporter i formsand. Under ledning av kommitten för AFS Heat Transfer Commitee genomfördes mängder med mätningar och det påvisades att sandens porositet och fukthalt hade en avgörande betydelse för värmekonduktiviteten [3].

Ett arbete som har legat till grund för flera av simuleringsprogramens databaser av formmaterialens egenskaper är ett arbete genomfört vid University of Michigan under ledning av R. Pehlke [4].

(8)

Figur 2. Termisk konduktivitet hos kvartssand med olika densitet efter [4].

Figur 3. Termisk konduktivit för olika sandmaterial bundet med vatten och bentonit efter [4]

(9)

Figur 4. Specifikt värme för olika sandmaterial bundet med vatten och bentonit efter [4]

I Figur 3 och Figur 4, som är omarbetade diagram från Pehlke [4], användes olika bindemedelshalter för de olika sandmaterialen enligt Tabell 1. Tyvärr så finns det lite data om värden för furanbunden formsand. Dessa temperaturberoende data finns i våra simuleringsprogram.

Tabell 1Bindemedelshalter för materialen i figur 2 och 3 [4]

Formmateerial Bentonit % Vatten % Torrdensitet Kg/dm3 Kvartssand 7 4 1,52 Olivinsand 5,9 3,3 1,83 Zirkonsand 3,8 2,1 2,78 Kromitsand 3,9 2,2 2,75

I ett arbete som genomfördes i början av 1980-talet så försökte man att fastställa termiska data för att implementera i simuleringsprogram och presenterades av John Berry vid International Foundry Congress i Cario 1983 [5]. Han samladde data och jämförde med egna som visas i figur 4.

(10)

Figur 5. Termisk konduktivitet hos kvartssand med 6-7% Bentonit, efter [5].

Ett annat arbete presenterad vid samma gjuterikongress fastslår att den termiska konduktiviteten är lägre över 1000 °C för en furanbunden kvartssand jämfört med en torr kvartsand [6]. Förklaringen till detta skulle vara att det inte förekommer lika stor strålning i en furanbunden sand som en torr sand till följd av att porerna är utfyllda med bindemedel.

1.1.1.1 Olika ledningsförmåga hos olika bindemedelstyper

K. Zeppelzauer [7] presenterade, vid den 35 Gjuterikongressen ”Beitrag zur Kenntnis Termischer Grundgrössen von Formstoffen”, ett arbete (Tabell 2) där han presenterade att olika kvartssand med olika bindemedel leder värmen olika.

Tabell 2. Olika bindemedels inverkan på isoleringsförmågan hos kvartssand [7]

Kvartssand med olika bindemedel och halter Isoleringsförmåga

6,0% bentonit, 5% vatten Leder värme bäst

6,0% vattenglas

6,0% bentonit, 3% vatten 12% cement, 10% vatten 2,4% olja

4,5% furanharts

(11)

2 Genomförande

Gjutförsöket genomfördes med en cylinder med dimensionerna diameter 100 mm och höjden 350 mm. Geometrin var vald för att få ett så endimensionellt flöde av värme som möjligt.

Vid försöket användes en aluminiumlegering av typ EN 43100 med en avgjutningstemperatur av uppskattad 670°C (700 – 30) med korrigering för temperaturförlust från ugnen till handskopan som användes vid gjutningen.

Formen gjordes av en kvartssand från Baskarpsand bunden med furanharts. Gjutiden var ca 10 sekunder och gjuten vikt var 8,2 kg.

Termoelementen var av typ N med mätområde upp till 1100°C. De var placerade från vänster till höger som nr 1 till nr 6. Placeringen var i ytan mellan form och metall, centrum av cylindern, därefter 80 mm, 125 mm, 165 mm och 200 mm från centrum av cylindern.

Temperaturen uppmättas under mer än 8 timmar efter avgjutningen och vid genomgång av temperaturkurvorna så eliminerades alla data efter 3 timmar eller 10800 sekunder som maxgräns för att redovisa temperaturdata.

Figur 6 visar försöksuppställningen i form av CAD-modell framtagen i IronCAD och Figur 7 den faktiska formhalvan av samma bild.

(12)

Legering EN43100

Gjuten vikt 8,2 kg

Avgjutningstemperatur ~670°C (700 – 30)

Gjuttid ~7 sek

Formmaterial Baskarpssand, kvarts

Bindemedel Furanharts 4 % (1,5 %)

Termoelement Typ N, mätområde max 1100°C Mättid för temperaturdata 8,3 timmar

Sammanställningen ovan visar förutsättningar för gjutförsöket. Osäkerhet finns för mängden tillsatt furanharts då det förekommer två data efter omräkning av matarskruvens hastighet. Det andra värdet skulle vara 1,5 % vilket låter för lågt för att ge tillräckligt hård form. Därför har 4 % angetts som bindemedelshalt.

Figur 7. Faktisk formhalva med termoelementen fastklistrade för att visa placeringen

Figur 8 visar en typisk siktkurva för sanden som använts till formmaterial vid detta försök. Siktkurvan är framtagen vid tidigare försök inom examensarbetet.

(13)

Figur 8 Siktkurva för Baskarpssand som använts vid försök

3 Resultat och diskussion

3.1 Resultat av temperaturmätningar

Temperaturkurvorna uppmättas med en logger av modell E3611A från Agilent Technologies.

(14)

Givare 2 var fastsatt med Klebepasta för att hänga kvar i sitt böjda tillständ. Termoelementet var böjt för att ha så liten riktning parallellt med värmeflödet. Kurvan borde komma högre upp i temperatur tidigare men troligen så har spetsen på termoelement kletas ner med pastan som isolerat spetsen.

Givare 4 (nummer 4 från toppen) uppvisar ett förlopp som är flackare än vad som kunde förväntas utan en tydlig temperaturtopp. Termoelementet satt i en del av formen där det var mindre bra kontakt mellan formhalvorna. Det kan därför vara möjligt att termoelementet satt i en luftficka som när fukten i sanden börjar förgasas isolerar och därmed ger en flackare kurva. När gasmängden blir tillräckligt stor i luftfickan kondenseras den och leder värmen bättre.

För att se det bättre visas i nästa figur endast temperaturförloppet for formen. Det är kurva nummer två från toppen som är lite för flack enligt vad den borde vara.

Figur 10 Temperaturförloppet för givare 3 till 6 i formen.

Ett antal simuleringar genomfördes för att utvärdera om termoelementets material skulle simuleras eller inte. Termoelementen är framställda av rör i Inconel 600. Det beslutades att simulera med materialet i termoelementen som var 3 mm i diameter Cellstorleken var som minst 1,5 mm vilket gav ca 7,2 mill. celler totalt och 850 000 metallceller. Vid simulering med verklig formstorlek gav det ca 25 mill. celler totalt.

(15)

Figur 11 visar ett simulerat temperaturförlopp med de standardinställningar som finns i databasen för EN43100 hos NovaFlow&Solid 4.5r4

Figur 11 Simulerade temperaturkurvor med standardinställningar i databasen

Jämförs kurvorna i figur 9 och figur 11 syns det tydligt att de inte ligger på samma ställe i figuren. Här syns även skillnaden mellan kurva 2 som i den simulerade versionen följer en idealiskt kurva ca 10°C till 30 °C lägre än kurvan mitt i cylindern.

Vi vet att det latenta värmet påverkar hur mycket energi det skickas ut genom formväggen. En höjning av det latenta värmet vid likvidus och eutektikum leder till att temperaturkurvorna flyttas åt höger i figur 11. Det var därför intressant att simulera med flera olika inställningar av främst denna parameter.

I databasen för NovaFlow&Solid har EN43100 ett latent värme av 339 kJ/kg. genom att höja med steg om 50 kJ/kg genomfördes en rad simuleringar med fokus på temperaturfördelningen.

Slutligen träffade kurvan med ett latent värme av 500 kJ/kg ganska nära uppmätta temperaturkurvor, inte bara för metallen men även för formen. Detta kan ses i av jämförelsen i Figur 13.

NovaFlow&Solid Är enkelt att justera parametrar för att utvärdera hur det fungerar mot verkligt uppmätta resultat. Figur 14 visar fönstret för inställningar av det latenta värmet i NovaFlow&Soid 4.5r4.

(16)

Figur 12 Simulerad temperaturkurva för latent värme av 500 kJ/kg för EN43100

I följande figur har de två figurerna lagt ovanpå varandra och som synes så träffar de varandra ganska bra med undantag för kurva 1 som sitter i ytan på cylindern.

Figur 13. Jämförelse av verkliga temperaturkurvor, heldraget och simulerade kurvor med latent värme 500 kJ/kg.

(17)

Figur 14 Inställning av latent värme, 339 kJ/kg är normalvärdet. [8]

Det gjordes även en justering a HTC i databasen då den fördefinierade kurvan visade en värmetransport av legeringen gjuten i kokill.

(18)

3.2 Jämförande simuleringar av sugningsbilden.

En rad simuleringar genomfördes för att jämföra sugningsbilden med den verkliga i cylindern. De flesta parametrar hölls konstanta genom alla simuleringarana medan några varierades.

De fasta parametrarna i simuleringen var värden för Värmeledningskoefficienten, (HTC) i kW/C m2 Värmeledning W/m C Specifikt värme J/kg C Densiteten kg/m3 Avgjutningstemperaturen Formens starttemperatur

Formmaterial i min 25 mm utanför metallen. (Standard)

Smältans sammansättning

Gjutningen över läpp från skänk Avgjutningsflödet

Simulering utan segringar Simulering med konvektion

Inget inflytande av eventuell gasbildning i formen Dessa parametrar var oförändrade under alla simuleringar. Parametrar som ändrades i simuleringen var värden för

Latent värme från 339 kJ/kg till 500 kJ/kg, (350, 400, 450)

Variation av andel flytande och stelnat, CLFup och CLFdown, 90/70, 70/50, 70/30, 60/30, 60/40, 60/60, 50/30, 50/50

Antalet metallceller. Storlek 3,2 mm ger 90410 metallceller och 1,5 mm ger 849881 metallceller.

(19)

Simuleringarna gav att överenstämmelsen som bäst kunde beskriva området där porerna fanns i det verkliga gjutgodset kom med en inställning av CLFup och CLFdown i förhållandet 50/50.

CLF är ett gränsvärde som beskriver flödet av flytande metall genom en cell. Det övre värdet inträffar vid likvidus och det undre värdet vid solidus med en liten underkylning och beskriver ett tillstånd då det inte längre går att transportera flytande smälta genom cellen utan att lägga på ett yttre tryck.

Figur 17 visar en genomskärning av den gjutna cylindern med termoelementet i mitten. Att detaljen är sågad enligt bild beror på att den inte fick plats i sågen och därför först kapades i botten.

Figur 17. Gjuten cylinder kapad efter försöket.

Simulering med olika värden för det latenta värmet gav att stämningstiden förändardes vilket stämmer överens med att temperaturkurvorna flyttas åt höger på tidsaxeln. Skillnaden mellan 339 kJ/kg och 500 kJ/kg är ca fyra minuters stelningstid, från knappa 31 minuter till lite över 35 minuter.

I figur 18 visas en jämförelse mellan två simulerade resultat och verkligt utfall för gjutning. De två simuleringarna är även de som representerar temperaturkurvorna i figur 11 till 13. Bilden längst t.v. är för latent värme 339 kJ/kg och mittenbilden är för latent värme 500 kJ/kg.

(20)

Figur 18 Jämförelse av simulering mot verkliga porositeter.

Som framgår så ger inte simuleringen resultat i form av porer, vilket möjligen hade varit möjligt att efterlikna med mera tid att genomföra simuleringarna. Det visar dock en bild där det förekommer risk för sugningar och som sådant resultat är det fullt tillräckligt då utbredningen är mycket snarlik.

Porernas placering kan vara ett resultat av att smältan har stått i varmhållnings-ugnen orörd i dagar före avgjutningen. Det ger en smälta som är ren då oxider har haft tid att sjunka till botten.

4 Slutsats

Det är möjligt att med temperaturmätningar i sandformen uppnå data för att enkelt justera materialegenskaperna i databasen och få en liknade kurva som den verkliga. Det bästa resultatet hade uppnåtts om det hade funnits tid för att beräkna det inversa värmeflödet och fått ett värde på HTC som ett medelvärde av värmetransporten över metall, luftgap och form som i refererande litteratur anges som skenbar värmekonduktivitet

Att det latenta värmet ändrades och inte inställningar för HTC, specifikt värme och värmeledningsförmåga beror på projektets omfattning som inte medgav att utnyttja denna möjlighet på tiden var begränsad. Ett sådan förfarande hade skapat en DoE som hade krävt mycket mera tid för genomförande av simuleringarna.

(21)

5 Fortsatt arbete

Det är uppenbart att alla gjuterier som använder sig av simuleringsprogram borde låta mäta sin process i fråga om värmetransporter för att uppdatera sina databaser. För grovt gjutgods större än 10 mm är vinsten kanske obetydlig i fråga om att att förutse stelningstider och möjligheten att gjuta större utbtredda ytor, men för tunnare gjutgods är detta en avgörande fråga.

Standardmätningar med Hot-disk-metoden borde genomföras.

Flera formmaterial och gjutna material måste testas för att få variationen i egenskaper som är olika för olika gjutemperaturer och legeringar.

Swereas försöksgjuteri är ett utmärkt ställa att gjuta olika legeringar och även testa formmaterial från olika gjuterier.

Tänkta parametrar för att simulera fram en överensstämmelse med verkliga värden kan vara enligt följande modell:

Tabell 3sammanställning av möjliga variabler för simulering

Egenskaper Värde1 Värde 2 Värde3

HTC H1 H2 H3

Värmeledning form VF1 VF2 VF3

Värmeledning i smältan VS1 VS2 VS3

Specifikt värme i fom SF1 SF2 SF3

Specifik värme i smältan SS1 SS2 SS3

Formens densitet F1 F2 F3

Segringar On/off On/off On/off

Gasbildning i formen On/off On/off On/off

Som framgår så finns det en rad olika variabler att trimma efter så det gäller att välja rätt parametrar.

En sådan försöksserie med gjutningar och simuleringar skulle göra det extra intressant att genomföra en invers beräkning av värmeledningskoefficienten. Det skulle kräva att värdena för värmeledningsförmåga och specifikt värme är fast-ställda genom mätningar för formmaterialet och att de är tillgängliga för smältan.

(22)

6 Referenser

[1] Värmeledning i sandformar, C. Lilliegård, P. Söderlind, examensarbete vid Jönköpings Tekniska Högskola 2011.

[2] Bestämning av effektiv värmeledningsförmåga för sandformsmaterial till sandformsgjutning, P. Andersson et al. Swerea Kimab 521003, 2009.

[3] J. T. Berry, Technological Communications and Foundry Science, AFS Transactions 1972 p 427 – 432.

[4] R. D. Pehlke et al. Thermal Properties for Casting Alloys and Mold Materials. National Science Foundation, Applied Research Division Grant no. DAR78-26171, Dec 1982.

[5] J. T. Berry, R. D. Pehlke, Computer-Aided Design for Castings, 50th International Foundry Congress, Cairo 1983, paper no 5.

[6] K. Kubo et al. Measurement of Thermal Properties of Sand Moulds by Pouring Method, 50th International Foundry Congress, Cairo 1983, paper 6. [7] S. Farre, Utbytesförhöjande åtgärer i gjuterier, Gjuteriföreningsskrift

821015, sid 56.

[8] NovaFlow&Solid 4.5r4

[9] Lazar Kovačević, Pal Terek, Damir Kakaš, Alexander Miletić. A correlation to describe interfacial heat transfer coefficient during solidification of Al-Si alloy casting. Journal of Materials processing technology 2012, sidorna 1856 – 1861.

(23)