• No results found

Jämförelse av simulerade och verkligakylkurvor vid gjutning av gråjärn EXAMENSARBETE

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Jämförelse av simulerade och verkligakylkurvor vid gjutning av gråjärn EXAMENSARBETE"

Copied!
33
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

EXAMENSARBETE

Jämförelse av simulerade och verkliga kylkurvor vid gjutning av gråjärn

Filip Smedberg 2015

Högskoleexamen

Bergsskoletekniker – metall- och verkstadsindustri

Luleå tekniska universitet

Institutionen för teknikvetenskap och matematik

(2)

Jämförelse av simulerade och verkliga kylku rvor vid gjutning av gråjärn.

Filip Smedberg

EXAMENSARBETE 7,5 hp, 2015

Bergsskoletekniker: Metall- och verkstadsindustri

Postadress: Besöksadress: Telefon: Fax:

Bergsskolan, Box 173 Bergsskolegatan 1 0590 – 162 60 0590 – 162 99

682 24 Filipstad 682 33 Filipstad

(3)

EXAMENSARBETE Grundnivå 2

Metall- och Verkstadsindustri

Program Reg nr Omfattning

Metall- och Verkstadsindustri 120 hp B0009T 7.5 hp

Namn Datum

Filip Smedsberg 2015-03-29

Handledare Examinator

Jörgen Andersson Jörgen Andersson

Företag/Institution Kontaktperson vid företaget/institutionen

VALMET Christoffer Fransson

Titel

Jämförelse mellan simulerade och verkliga kylkurvor vid gjutning av gråjärn

Nyckelord

Värmeledning, specifik värmekapasitet, värmeöverföring, kylhastighet, gråjärn Sammanfattning

För att undersöka likheten mellan verkliga, uppmätta och simulerade kylkurvor, samt kylkokillers påverkan på denna överrensstämmelse så genomfördes ett experiment på Valmet i Karlstad. Det göts en trappa av gråjärn bestående av fem trappsteg med en kylkropp utplacerad på vardera trappsteg.

Termoelement placerades på olika ställen i sanden, smältan och kylkropparna för att mäta temperaturen vid olika tillfällen. Det utfördes simuleringar på gjutgodset i AutoCAD och Magmasoft för att få fram approximativa svalnings- kurvor och materialparametrar.

Det uppnåddes i vissa fall en god överrensstämmelse mellan de simulerade och de uppmätta svalningskurvorna. Dessa mätningar kan användas för att kalibrera modellen och därmed få bättre precision vid framtida beräkningar.

(4)

DEGREE PROJECT

Metal and material technology

Program Reg number Scope

Metal and material technology 120 hp B0009T 7.5 ECTS

Name of student Year-Month-Day

Frieda Ekman 2015-03-29

Supervisor Examiner

Jörgen Andersson Jörgen Andersson

Company/Department Supervisor at the Company/Department

VALMET Christoffer Fransson

Title

Comparison between modeled and real cooling curves when casting grey iron

Keywords

Heat conductivity, Specific heat, Heat transfer, Cooling rate, Grey iron Summary

In order to estimate the thermal properties for metal, sand and cooling bodies involved in casting processes at Valmet in Karlstad an experimental procedure was carried out. In the trial, a grey iron casting in the shape of a staircase with five steps was cast.

Thermocouples were placed at different locations in the sand, the casting and the cooling bodies to assess the temperatures at different times. To adjust the material parameters for the materials involved in the process, a couple of simulations were run in Magmasoft©.

The modeled results agreed with the measured cooling curves, but not as well as a previous thesis work. This means that this work could be used to calibrate the models for even better predictions in the future.

(5)

Valmet

Företaget är den ledande globala utvecklaren och leverantören av teknik, automatisering samt tjänster för massa-, pappers- och energiindustrin. Det finns i skrivande stund hela 12 000 anställda på Valmet runt om i världen. På företaget erbjuder man en stor mängd tjänster. Företagets utbud av teknik rymmer alltifrån kvarnar och pappersmaskiner till anläggningar på bioenergi.

Det erbjuds även en stor mängd automationslösningar på Valmet som sträcker sig ifrån enstaka mätningar till avancerade automationsprojekt.

Valmet har mer än 200 år av industriell historia och blev pånyttfött i december månad år 2013 genom delningen av Metso-koncernen. Huvud- kontoret finns idag i Esbo i Finland och företagets aktie finns noterad på NASDAQ OMX Helsinki Ltd. Valmet hade år 2014 en nettoomsättning på hela 2,5 miljarder euro. Företagets centrum för mjukpapper, kokning och kausticering finns i staden Karlstad i Sverige. Där levereras kompletta mjuk- pappersmaskiner med tillhörande utrustning till kunder världen över.

Det erbjuds där även service och eftermarknadsprodukter inom områdena papper, kartong och fiber. Här finns även ett gjuteri med kapaciteten att producera stora och tunga komponenter till papper- och vindkraftsindustrin.

(6)

Abstract

In order to estimate the thermal properties for metal, sand and cooling bodies involved in casting processes at Valmet in Karlstad an experimental procedure was carried out. In the trial, a grey iron casting in the shape of a staircase with five steps was cast. A total of fourteen thermocouples was placed at different locations in the sand, the casting and the cooling bodies to assess the temperatures at different times. To adjust the material parameters for the materials involved in the process, a couple of simulations was run in Magmasoft©. During the simulations, material data were redefined in Magmasoft© database in order to attain a proper correspondence between experimental and simulated results. In some cases the simulated and the measured curves showed a great similarity.

Keywords

Heat conductivity, Specific heat, Heat transfer, Cooling rate, Grey iron

(7)

Sammanfattning

För att undersöka likheten mellan verkliga, uppmätta och simulerade kylkurvor, samt kylkokillers påverkan på denna överrensstämmelse så genomfördes ett experiment på Valmet i Karlstad. Det göts en trappa av gråjärn bestående av fem trappsteg med en kylkropp utplacerad på vardera trappsteg.

Det placerades även ut sammanlagt 14 st termoelement på olika platser i gjutformen.

Det utfördes simuleringar på gjutgodset i AutoCAD och Magmasoft för att få fram approximativa svalningskurvor och materialparametrar. Dessa jämfördes sedan med de verkliga värdena för att observera eventuella avvikelser. Det uppnåddes i vissa fall en god överrensstämmelse mellan de simulerade och de uppmätta svalningskurvorna.

Kylkokillernas och sandformens approximativa värmeledningsförmåga beräknades även för att sedan jämföras med verkliga värden.

(8)

Innehållsförteckning

Detta är ett examensarbete som motsvarar 7.5 hp, vilket är en del av utbildningen till bergsskoletekniker med inriktning på metall- och verkstads- industri på Bergsskolan i Filipstad. Arbetet beskriver en experimentell procedur som utfördes på Valmet i Karlstad. Dess syfte var att undersöka skillnaden mellan verkliga och simulerade svalningskurvor samt kylkokillers påverkan på gjutgodset under stelning.

Jag vill framföra ett stort tack till främst min handledare Christoffer Fransson, Kjell Gustafsson, Joakim Jacobsson och alla andra på Valmet i Karlstad som varit delaktiga i arbetet. Jag vill även tacka Ralf Lisell och Roger Svenningsson på Swerea i Jönköping för att vi fick låna en logger till experimentet. Sist men inte minst så vill jag även tacka min examinator Jörgen Andersson.

(9)

Innehållsförteckning

1 Beskrivning 7

2 Litteraturöversikt 8

2.1 Gjutjärn 8

2.1.1 Gråjärn 9

2.1.2 Segjärn 10

2.2 Värmetransport 11

2.2.1 Värmeledning 12

2.2.2 Värmestrålning 13

2.2.3 Konvektion 14

2.3 Matematiska modeller 15

3 Metod 16

4 Resultat 21

5 Diskussion 24

6 Slutsatser 24

7 Referenser 25

8 Appendix 26

8.1 Appendix 1: Verkliga svalningskurvor 27

8.2 Appendix 2: Data från simulering i Magmasoft 29

8.3 Appendix 3: Uträkning av värmeöverföring 30

(10)

1 Beskrivning

Magmasoft är ett komplett simuleringsverktyg som används av företag världen över som är verksamma inom gjuteriindustrin. Programmet erbjuder möjlighet för utvärdering av saker som formfyllnad, stelning, termiska spänningar, mekaniska egenskaper och mikrostrukturer. Detta genom att ta allmän metallurgi och metallbearbetningspraxis i beaktande. Programmet har även en modulär struktur som kan konfigureras för att passa vissa specifika behov och applikationer hos varje enskilt företag. De mer användbara funktionerna i programmet är:

 Möjligheten till att förut- säga stelningsförloppet med hjälp av kinetiska tillväxtmodeller.

 Att förutsäga typen samt mängden av den utfällda grafiten, ferriten och perliten i materialet.

 Att undersöka risken för porbildning genom summering av eventuell krympning och/eller expansion av de rådande faserna.

 Fördelning av mikrostrukturer och lokala mekaniska egenskaper kan också kvantitativt förutspås.

Detta examensarbete utvärderar bland annat likheten mellan en verklig och en simulerad gjutningsprocess via ett experimentellt försök vid Valmet. Utöver detta så undersöks även kylkroppars inverkan på godsmodulen. Försöket bestod av att gjuta en trappa som bestod av fem trappsteg med strategiskt utplacerade kylkroppar ovanpå vardera trappsteg.

Det placerades även ut termoelement på olika platser i formen för att undersöka temperaturförändringarna i formen och gjutgodsets olika delar under processen. De verkliga och de simulerade svalningskurvorna jämfördes sedan och eventuella avvikelser noterades. De simulerade kurvorna i Magmasoft konfigurerades sedan efter de verkliga för mer exakta simuleringar i framtiden. Avslutningsvis så undersöks även kylkropparnas inverkan på stelningen av gjutgodset och om detta kan utnyttjas i produktionen.

(11)

2.1 Gjutjärn

Gjutjärn är en samlad benämning på en grupp av olika järn-kol-legeringar med mer än cirka 2 viktsprocent kol som används främst inom gjutning. De flesta gjutjärn har en kolhalt på mellan 2,1−4,0 % samt en kiselhalt på 0,3−2,7

%. Det tillsätts även mindre mängder legeringsämnen som mangan, nickel, krom och magnesium. Det är den stora mängden kisel och kol som är orsaken till gjutjärnets goda gjutbarhet. Det har även, jämfört med stål, en lägre smältpunkt och är därmed lättare samt mindre energikrävande att smälta.

En annan av gjutjärnets fördelar är dess låga viskositet i smält tillstånd samt att det inte bildas besvärliga oxidfilmer vid gjutning.[1] Beroende på gjutjärnets kemiska sammansättning samt svalningshastigheten vid gjutningen så kan det bildas olika sorters gjutjärn: gråjärn, segjärn, vitjärn, kompaktgrafitjärn samt abducerjärn. På Valmet i Karlstad där man gjuter stora motorblock och cylindrar så använder man framförallt segjärn, men även gråjärn.

Grafiten i de olika gjutjärnen uppträder i olika former och ger tillsammans med grundmassan olika mekaniska egenskaper. Metallurgiskt brukar man säga att stelnandet följer det metastabila systemet (omslag mellan de olika systemen kan dock givetvis även ske). Grått stelnande innebär att grafit utskiljs under stelnandet i fjälliknande former (bild 1). Det är även möjligt att utskilja grafiten som noduler genom ympning av smältan med magnesium innan gjutning (bild 2). När det talas om vitt stelnande så syftas det på att det framförallt bildats cementit (bild 3). Hos gråjärn och segjärn är vitt stelnande inte önskvärt eftersom cementitet försvårar bearbetningen. .[4]

Bild 1: gråjärn. Bild 2: segjärn. Bild 3: gråjärn vitt stelnande.

(12)

2.1.1 Gråjärn

Det mest kännetecknande för gråjärn är ett relativt lågt pris, bra gjutbarhet, bra skärbarhet (kortspånande), goda värmeledningsegenskaper samt goda vibrations- och bullerdämpande egenskaper.[5] De flesta av gråjärnets nämnda fördelar hänger samman med dess unika mikrostruktur som innehåller stora mängder fritt kol inbäddat som fjällformig grafit i en metallisk grundmassa.

Den fjällformade grafiten ger gråjärnet ett gott motstånd mot glidande nötning med liten skärningsrisk. Dock ger denna grafitform gråjärnet även en låg seghet vilket är negativt ur hållfasthetssynpunkt., men underlättar avlägsnandet av ingjut och matare i samband med gjutgodsets rensning.[6]

Genom att sänka kolhalten i gråjärn så sänks hållfastheten och hårdheten men dämpningsförmågan förbättras.[7] Kisel gynnar stelning efter det stabila systemet; det är således grafitbefrämjande och ger ökad tendens till ferritisk grundmassa. Ökad kiselhalt ger därigenom ett mjukare material trots att högre kiselhalt genom lösningshärdning av ferriten ger en hårdare och hållfastare ferritbeståndsdel i grundmassan.[8]

Fosforhalten bör hållas låg (0,15-0,2%) i gjutjärn med krav på trycktäthet, t.ex. motorblock och hydraulikkomponenter. Fosfor bildar nämligen Fe3P med Fe och Fe3C ett ternärt eutektikum kallat steadit.[9] Detta stelnar först vid 950˚C och försvårar genom sin tendens att segra möjligheten att göra trycktätt gods. Mangan (0,4-0,8%) och svavel (0,06-0,15%) förenar sig i gjutjärn och bildar mangansulfid (MnS).[10] Denna verkar kärnbildande vid stelning, varför ett grått stelnande gynnas. Obundet mangan och svavel, vilket erhålls då mangan respektive svavel finns i överskott, främjar däremot vitt stelnande. [11]

Gråjärn legeras ofta med olika legeringsämnen för att önskade egenskaper skall erhållas. Exempelvis är det vanligt att molybden används i syfte att höja såväl hållfastheten, speciellt vid förhöjd temperatur, som resistansen mot termisk utmatning.[12] Krom är ett alternativ för att höja hållfastheten vid rumstemperatur. Dock ökar krom tendensen till vitt stelnande. En framkomlig väg är att samtidigt med krom tillsätta koppar eller nickel, vilka beroende på tillsatta mängder helt eller delvis neutraliserar kroms karbidstabiliserande verkan.[13]

(13)

2.1.2 Segjärn

Det mest kännetecknande för gjutjärn är dess goda gjutegenskaper i kombination med en stor seghet samt bra utmattningsegenskaper. Olika hållfasthetsklasser kan även uppnås genom påverkan av förhållandet mellan ferrit och perlit i grundmassan. [14] Om järnet har en hög perlithalt så gynnas hållfastheten på bekostnad av segheten. Om järnet har en låg perlithalt så gynnas istället segheten på bekostnad av hållfastheten. Genom att tillsätta kol och kisel fås en större ferritisk struktur medan koppar, mangan, nickel och molybden istället ger en mer perlitisk struktur.

Det mest unika med segjärnet är dock att dess grafit är utspridd i form av små kulor som även kallas för noduler. Deras storlek och fördelning påverkas av ympning, godstjocklek, gjuttemperatur samt formens kylförmåga. Denna kulformade grafit ger segjärnet en högre hållfasthet och seghet är gråjärnet. En brottförlängning på över 20 % är inte ovanligt för ett segjärn med en ferritisk grundmassa.[15] Grafitens karakteristiska utseende hos gjutjärnet fås främst genom att tillsätta små mängder magnesium till basjärnet. Desto snabbare stelning utan karbidbildning och ju mer välympat järnet är desto mindre och tätare grafitnoduler erhålls.

Det finns dock en mängd olika legeringsämnen som tillsätts vid användning av segjärn för att få vissa materialegenskaper. Det är möjligt att minska risken för cementitbildning vid stelnandet (vitt stelnande) genom att öka kiselhalten i gråjärnet. Detta leder även till en ökad ferritbildning vid austenitiseringen, vilket ofta ses som positivt. [16] Om manganhalten ökas så fås en hållfasthetsökning i kombination med en sänkning av segheten på grund av ökad perlithalt. [17] Perlitens lamellavstånd kan sedan även minskas genom att tillsätta större mängder koppar. [18]

Molybden används ofta framförallt i bainitiska segjärn med grövre sektioner eftersom härdbarheten ökar. [20] Fosforhalten bör dock alltid hållas så låg som möjligt i segjärn (oftast under 0,02 %) och får absolut inte överstiga 0,06 % eftersom den då har en negativ påverkan på segheten och slagsegheten. [21]

(14)

2.2 Värmetransport

Stelningsförloppet hos ett gjutgods styrs helt och hållet av värmetransporten genom materialet. Den hastighet som värmen transporteras bort bestämmer smältans stelningstid samt temperaturfördelningen i materialet. [22] Faktum är att alla jämvikter, löslighetsprodukter, diffusionshastigheter och materialkonstanter är helt eller delvis temperaturberoende. Dessa bestämmer sedan i sin tur direkt eller indirekt gjutproduktens kvalité, materialegenskaper och strukturer samt utskiljning av saker som porer och slagg. [23]

Termodynamiken betraktar värmetransport som en energiöverföring mellan två system till följd av en temperaturdifferens. När två system med olika temperaturer kommer i kontakt med varandra så kommer de att utbyta energi tills det att de har uppnått samma temperatur (termisk jämvikt).[24]

Värmetransport sker genom ledning, strålning och konvektion. Av dessa så är värmeledningen den viktigaste när metallsmältor inom gjutning stelnar. God kännedom om lagarna för värmetransport och deras tillämpning är därför av fundamental betydelse inom gjuteriindustrin.

Faktum är dock att värmetransport och stelningsförlopp vid gjutprocesser oftast är mycket fysikaliskt och matematiskt komplexa. Detta innebär att det är svårt i många praktiska fall att hitta exakta lösningar på problem. Det finns simuleringsprogram som hjälp i arbetet som ger acceptabla approximativa lösningar. Dessa simuleringsprogram förutsätter emellertid alltid en ingående kännedom om lagarna för värmetransport hos användaren.

(15)

2.2.1 Värmeledning

Värme kan förflytta sig genom att bland annat låta sig ledas i ett material utan att själva materialet flyttar på sig. När det kommer till metaller så sker värme- ledningen framförallt genom fria elektronerna i ledningsbandet. Detta kan demonstreras genom att hålla ena änden av en järnspik i en ljuslåga. Om så sker så kommer det inte att ta lång tid innan hela spiken blir varm. Detta fenomen förklaras av Fouriers lag [1] som menar att den värmemängd som passerar genom en tvärsnittsyta på en viss tid är proportionell mot arean och temperaturdifferensen per längdenhet (se formeln nedan).

[1]

Den ovanstående ekvationen gäller för en stationär temperaturfördelning.

Konstanten k kallas för värmeledningskoefficienten och har SI-enheten J/msK.

Temperaturgradienten är riktad i den negativa x-axelns riktning så värmeenergin strömmar i den positiva x-axelns riktning. Detta är anledningen till att det finns ett minustecken i ekvationen. [25]

Om man förstår de fysikaliska lagar och regler som styr värmeledningen hos en metallsmälta så kan även den ungefärliga stelningstiden för metallsmältan beräknas. Om gjutningen sker i en sandform så används framförallt Chvorinovs lag [2] för detta ändamål. Ekvationen är mycket välkänd och användbar för relativa jämförelser mellan stelningstider för gjutgods av samma material. Chvorinov verifierade sin regel genom flertalet experimentella försök på gjutgods av varierande form och storlek. [26]

[2]

(16)

2.2.2 Värmestrålning

Varje kropp utsänder elektromagnetisk strålning till sin omgivning, omvänt så mottar även kroppen strålning från sin omgivning. Bilden nedan visar energiutstrålningen från en ideal svart kropp som funktion av våglängden. [14]

Bilden illustrerar att desto högre temperatur en kropp har desto mer strålning utsänder den per tidsenhet, och desto längre är strålningsmaximum förskjutet mot korta våglängder.

Vid 700-800 ˚C faller intensitetsmaximum inom det synliga våglängdsområdet och våra ögon uppfattar ett mörkrött ljus (kroppen börjar glöda). Järnsmältor har oftast en temperatur på mellan 1 300-1 500 ˚C. [28] Den emitterade strålningen från smältan uppfattas av ögat som ett ljusrött ljus. Det finns en lag som förklarar hur stor energimängd som en ideal svart kropp emitterar på en viss tid och den illustreras nedan [3].

[3]

(17)

2.2.3 Konvektion

Värmeledning och värmestrålning innebär som redan nämnts energitransport, men inte någon transport av materia. Vid konvektion sker istället värmetransporten till följd av att materia med sitt tillhörande värmeinnehåll transporteras. Det finns två olika former av konvektion; dessa är fri- och påtvingad konvektion. Den form av konvektion som är aktuell vid gjutning är framförallt fri konvektion och kylning av den stelnande metallsmältans yta av luften och den kalla formen. [29]

Ett exempel på fri konvektion är när en metallyta kyls genom sin kontakt med luften utan att åtgärder utförs för att få luften att cirkulera. Påtvingad konvektion innebär istället att man styr och påverkar det kylande mediet. Ett exempel här kan vara kylning av en form med hjälp av strömmande vatten.

Formeln nedan som beskriver den energi som per areaenhet överförs från metall- respektive formytan på en viss tid till det kylande mediet.[4]

[3]

Här är hkon är konvektionsövergångstalet med SI-enheten J/m2sK, T0

metallytornas temperatur och Tdet strömmande mediets temperatur före uppvärmning. Konvektionsövergångstalet, h, beror av det strömmande mediets hastighet, den geometriska utformningen av mediets strömväg och götets/gjutgodsets form. [30]

(18)

2.3 Matematiska modeller

Det finns även en stor mängd matematiska uträkningar och modeller som används av simuleringsprogram som Magmasoft. Genom dessa uträkningar tillsammans med termo-fysikalisk data kan Magmasoft få fram simuleringar av alltifrån fasomvandlingar till porer och krympningar av gjutgodset. [31] För att uppskatta tillväxten av en eutektisk fas så används till exempel nedan- stående modell [4] av Waterfall som beskriver tillväxten för en eutektisk cell i m/s. Konstanten Kn beskriver kiselhalten i smältan, TE den eutektiska temperaturen, T den verkliga temperaturen och Rg grafitnodulens radie. [32]

[4]

För att beräkna olika ympningsrelaterade fenomen så används oftast variationer av Oldfields ursprungliga modell som kan observeras nedan [5].

Det som denna modell förklarar är att antalet kärnor (NV) är beroende av kärnbildningseffektiviteten (K) och underkylningen med hänsyn till den eutektiska temperaturen (T), n är bara en konstant.[33]

[5]

(19)

3 Metod

För att kunna utföra experimentet så var vi först tvungna att skapa en engångsform av sand. Detta skedde genom att en trämodell av gjutgodset först placerades i en tvådelad formflaska (bild 4). Det fanns inte något behov av kärnor eftersom det inte fanns några inre håligheter i gjutgodset. Det placerades sedan små kylkroppar av segjärn på vardera trappsteg samt ett nedlopp i den övre formfalskan vid det största trappsteget. Därefter fylldes formflaskan omsorgsfullt med formmassa som sedan packades för hand (bild 5).

Bild 4: formflaskan med trämodellen Bild 5: formflaskan fylls med form- och kylkokillerna inuti. massa som packas förhand.

Den formmassa som användes för att fylla formflaskan var ett kvarts- fältspatssand med mineralfragment inom storleksintervallet 0,02−2 mm. Dess sammansättning var 75 % kvartssand och 25 % fältspatssand med en densitet på 1,157 g/cm3. Det bindemedel som användes i formmassan bestod av ett fenolfuranharts med mellan 40-60 % furfuryalkohol. Fenolfuranhartsen hade härdats med paratoluensulfonsyra (PTS-syra, 75 %-ig) och fosforsyra (75 %- ig), vilket även kallas för furanmetoden. Formmassan hade en stelningstid på mellan 1−2 timmar. I bild 6 finns en tabell som demonstrerar en analys innehållande vissa materialegenskaperna hos formmassan.

(20)

Bild 6: Analysresultat av formmassan (Beranol KW 235) den 10-04-2015 till Valmet AB från ASK Chemicals Scandinavia AB.

Det användes även mindre mängder tillsatsmaterial i formmassan som kol i form av stenkolssot för att minska risken för vidhäftningsdefekter. När formmassan väl hade stelnat efter cirka 2 timmar så applicerades ett spritblack genom pensling på ovansidan formen. Resultatet efter blackningen illustreras på bild 7 nedan.

Bild 7: Bild på nedre formflaskan med stelnad formmassa och applicerad blackning.

(21)

För att kunna mäta temperaturförändringarna i sandformen och trappans olika delar under gjutningen så applicerades 14 st termoelement. Dessa var av typ K vilket innebär att de klarar en temperatur på strax över 1 350˚C. Det borrades därför sammanlagt 14 st hål på olika ställen i formen där varje hål hade en diameter på 2,7 cm. Först borrades 4 st hål i sidan av sandformen vid det större och det mindre trappsteget. Därefter borrades 2 st hål in i det större och det mindre trappsteget så att termoelement kunde placeras inuti formen så att som skulle komma att vara i direkt kontakt med smältan.

Det borrades även 4 st hål ovanför kylkokillerna vid det större- och det mindre trappsteget. Här placerades termoelement så att de var i kontakt med kylkokillernas ovansidor samt en bit ifrån. Det borrades därefter även 2 st hål vid det näst största trappsteget från vardera sidan av trappan in mot kylkokillens kortsidor Bild 8 och 9 nedan illustrerar de olika borrhålens djup samt exakta placering.

Bild 8: Borrhål 1 (155 mm), Borrhål 2 (155 mm), Borrhål 3 (100 mm), Borrhål 4 (90 mm). Borrhålen befinner sig 45 mm respektive 95 mm från kanten på trappan.

Bild 9: Borrhål 1 (340 mm), Borrhål 2 (260 mm), Borrhål 3 (125 mm), Borrhål 4 (240 mm), Borrhål 5 (500 mm), Borrhål 6 (500 mm), Borrhål 7 (500 mm), Borrhål 8 (500 mm).

(22)

När alla termoelement var på plats så fördes formflaskorna samman och låstes mot varandra med en krampanordning. Skarvsladdarna till termoelementen kopplades därefter in i en logger av modell E3611A från Delphi Technology med 32 kanaler från Swerea i Jönköping. Datorn och loggern täcktes startades och täcktes med isolering för att förhindra överhettning.

Gjutningen påbörjades vid tiden 09:57 den 22 maj 2015 när smältans temperatur hade nått cirka 1 310 ˚C, hälltiden var cirka 30 sekunder. Den kemiska sammansättningen på smältan illustreras i tabell (bild 10) nedan.

Loggern kopplades ur vid tiden 07:10 den 25 maj 2015 med en sluttemperatur hos termoelementen på 70-425˚C.

Bild 10: Analys av smältans kemiska sammansättning i procent.

Bild 11: Smälta på 1 310 ˚C tappas i formen.

(23)

När gjutningen väl var utförd så skapades kopior av gjutgodset i simuleringsprogrammen AutoCAD (bild 9) och Magmasoft (bild 10). Dessa program utförde sedan en mängd olika simuleringar för att få fram hypotetiska svalningskurvor och övrig användbar materialdata. Dessa jämfördes sedan med de verkliga, och eventuella avvikelser i programmet korrigerades.

Bild 12: Simulering av gjutgodset i simuleringsprogrammet AutoCAD.

Bild 13: Simulering av gjutgodset i programmet Magmasoft.

(24)

4 Resultat

Nät gjutningen väl var utförd så lämnades gjutgodset och dess smälta för att få stelna under 3 dagars tid. Efter 3 dygn så hade temperaturen hos de olika termoelementen sjunkit till mellan 70−425˚C. Loggern kopplades ur och det skapades tabeller över termoelementen och deras motsvarigheter i svalningsdiagrammen. Nedan på bild 14 finns en tabell som illustrerar vilken färgad linje i det verkliga respektive simulerade som är vilken.

Bild 14: vilken linje som är vilket termoelement.

När svalningskurvorna sedan granskades så kunde det lätt observeras att de representerade ett och samma gjutobjekt. Det kunde dock även lätt observeras att det fanns ett par större skillnader däremellan. Framförallt mellan svalningskurvorna i det lilla trappstegets centrum. De verkliga hade här en betydligt större avvikelse från det stora trappstegets centrum än de simulerade. Svalningen av smältan i det lilla trappsteget skedde uppenbarligen mycket fortare i det verkliga svalningsdiagrammet än i det simulerade. Detta illustreras på bild 15och 16 nedan.

Bild 15: Det verkliga svalnings- diagrammet. Den mörkblåa och den ljusblåa linjen rep- resenterar termoelementen i mitten av det lilla trappsteget.

(25)

Bild 16: Det simulerade sval- ningsdiagrammet. Den gula och ljusblåa linjen represen- terar termoelementen i mitten av det lilla trappsteget.

När temperaturen hos det lilla trappsteget jämförs med temperaturen hos det stora så finns det stora likheter i startskedet. Bild 17 nedan illustrerar hur deras termoelement under ett fåtal sekunder är uppe i exakt samma temperatur (1 310−1 350˚C). Det stora trappsteget svalnar relativt snabbt ner till 1 150˚C för att därefter fortsätta svalna saktare. Det lilla trappsteget svalnar dock därefter inom loppet av en timme ner till hela 100-150˚C.

Detta är något som kan starkt betvivlas eftersom det sannolikt inte ger en realistisk bild av verkligheten. Det vittnar snarare om att något måste ha hänt med dess termoelement strax inpå gjutningen som förvanskat resultatet. Det underliga är dock att om det hände något med termoelementet så borde dess svalningskurva visa större likhet med svalningskurvan mellan 12:00-15:00 för det termoelement som satt i trappans lilla sandform (se bild 17).

Bild 17: Den röda linjen representerar

termoelementet i den lilla trappans sandform.

Det sker en stor avvikelse mellan

12:00-15:00 där dess temperatur påstås gå upp i hela 10 000 grader.

(26)

När det kommer till de verkliga och de simulerade svalningskurvorna för de andra delarna av gjutgodset och sandformen så visade de sig stämma relativt bra överrens. Det skedde dock två okända fluktuationer i det verkliga svalningsdiagrammet mellan 22:30-11:00 och 15:30-17:30 som är svåra att förklara. Det bör även påpekas att svalningen i det verkliga gjutobjektet skedde något långsammare än svalningen i det simulerade.

När det kommer till kylkokillernas inverkan på svalningshastigheten i det verkliga gjutobjektet så visade de sig ha en viss påverkan. Den största faktorn för deras påverkan visade sig vara deras storlek i förhållande till smältans volym. Kylkokillerna i det större trappsteget överförde än större mängd värme än kylkokillerna i det mindre trappsteget. Detta inte helt oväntat eftersom det fanns mer smälta i det större trappsteget som behöll en högre temperatur under en allt längre tid.

Genom att använda Fouriers lag och räkna på ett mycket kort tidsinterval (steady state) så skapades approximativa värden för värmeöverföringen av kylkokillen och sandformen för jämförelse. Beräkningarna kom fram till att värmetransporten för kylkropparna var hela 2 167 J/s medan motsvarande för sandformen endast var 47,21 J/s. Det finns mer detaljerad information om uträkningarna och deras resultat i appendix-delen.

Detta leder till slutsatsen att kylkokiller är effektivt när det kommer till att undvika framförallt defekter i mindre geometrisk ofördelaktiga konstruktioner på ett gjutgods. Om det till exempel finns ett skarpt hörn på ett gjutgods så kan således kylkokiller användas för att påskynda stelnandet och på så sätt undvika allvarliga defekter. Det spekulerades även i att kylkokillernas värmeledningsförmåga skulle kunna förbättras genom att byta ut segjärnet mot gråjärn. Den termiska konduktiviteten för segjärn är nämligen bara 28 medan den är hela 48 hos gråjärn.[34] Detta ska stämma bra överrens med verkligheten enligt en doktorsavhandling från 2006.[35]

Den dominerande teoretiska förklaringen för detta fenomen är att grafiten hos gråjärn är utspritt i fjälliknande geometriska former istället för noduler som i segjärnet. Dessa "fjäll" av grafit fungerar som expressvägar för värmen likt korngränser i mikrostrukturen. Den stora nackdelen är dock att gråjärnet har sämre mekaniska egenskaper är segjärnet. Det kan således vara riskfyllt att använda kylkokiller av gråjärn vid gjutning av större proportioner.

(27)

5 Diskussion

Experimentet var relativt lyckat i och med att den mesta data demonstrerade fullt realistiska resultat. Det fanns även stor likhet mellan de flesta verkliga kurvorna och de flesta simulerade. De resultat som mottogs av termoelementen i mitten av det lilla trappsteget bör dock starkt betvivlas i och med att de inte var fullt realistiska. Dessa skulle vara intressanta att undersöka vidare för att få fram den bakomliggande orsaken.

Det som bör has i åtanke om experimentet upprepas i framtiden är att sträva efter millimeterprecision bland måtten för termoelementens placering. Detta är mycket viktigt för att få en fullt realistisk simulering i Magmasoft. Det finns ett liknande projektarbete från 2003 av Daniel Holmgren och Andreas Hedqvist som visade något större likheter mellan de verkliga och de simulerade svalningsdiagrammen. Även där fanns dock skillnader.

När det kommer till kylkokillerna och deras påverkan så var deras effekt något större än den förväntade. Det hade varit intressant att i ett framtida experiment undersöka deras effekt specifikt på hörn och andra geometriskt ofördelaktiga konstruktioner. Här borde de ha en större effekt som kan resultera i ett snabbare stelnande som både kan observeras i verkligheten och i simuleringar i program som Magmasoft. Det vore även intressant att använda olika sorters material och undersöka olika påverkan.

6 Slutsatser

 De simulerade kurvorna i programmet Magmasoft hos Valmet stämde väl överrens med de verkliga kylkurvorna.

 Kylkolillerna visade sig ha en stor kylande effekt på smältan och kan därför användas vid komplicerade dimensioner hos gjutgodset för att underlätta stelningen och därmed undvika defekter i det stelnade gjutgodset.

(28)

7 Referenser

[1, 2, 3, 4] Ingemar Svensson, Ingrid Svensson (2004). Karlebo gjuteriteknisk handbok . Sverige: NSR Tryckeri AB, Sid. 186.

[5, 6] Ingemar Svensson, Ingrid Svensson (2004). Karlebo gjuteriteknisk handbok . Sverige: NSR Tryckeri AB, Sid. 187.

[7, 8, 9, 10] Ingemar Svensson, Ingrid Svensson (2004). Karlebo gjuteriteknisk handbok . Sverige: NSR Tryckeri AB, Sid. 194.

[11, 12, 13] Ingemar Svensson, Ingrid Svensson (2004). Karlebo gjuteriteknisk handbok . Sverige: NSR Tryckeri AB, Sid. 195.

[14, 15] Ingemar Svensson, Ingrid Svensson (2004). Karlebo gjuteriteknisk handbok . Sverige: NSR Tryckeri AB, Sid. 200.

[16, 17, 18, 19, 20] Ingemar Svensson, Ingrid Svensson (2004). Karlebo gjuteriteknisk handbok . Sverige: NSR Tryckeri AB, Sid. 205.

[22, 23, 24] Hasse Fredriksson, Ulla Åkerlind (1995). Gjutningens Processteknologi.

Sverige: Institutionen för materialens processteknologi, KTH, Sid. 2.

[25, 26] Hasse Fredriksson, Ulla Åkerlind (1995). Gjutningens Processteknologi.

Sverige: Institutionen för materialens processteknologi, KTH, Sid. 4, 28.

[27] Elert, Glenn (2010). The Electromagnetic Spectrum, The Physics Hyper-textbook".

Hypertextbook.com. Retrieved 2010-10-16.

[28, 29, 30] Hasse Fredriksson, Ulla Åkerlind (1995). Gjutningens Processteknologi.

Sverige: Institutionen för materialens processteknologi, KTH, Sid. 2-9.

[31, 32, 33] Daniel Holmgren, Andreas Hedqvist (2003). Simulation versus reality for a sand-cast ductile iron casting. Sverige: Högskolan i Jönköping, Sid. 6-11.

[34] Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, Print version ISSN 1678-5878, J. Braz. Soc. Mech. Sci. & Eng. vol.32 no.3 Rio de Janeiro July/Sept. 2010.

[35] Daniel Holmgren (2006). Thermal Conductivity of Cast Iron. Sverige:

Department of Materials and Manufacturing Technology, Chalmers University. 30- 41.

(29)

8 Appendix

Appendix 1: verkliga svalningskurvor.

Appendix 2: Data från simuleringen i Magmasoft.

Appendix 3: uträkning av värmeöverföring.

(30)

8.1 Appendix 1: verkliga svalningskurvor.

De verkliga svalningskurvorna under hela svalningsprocessen.

De olika termoelementens verkliga temperaturer när loggern kopplades ur.

(31)

De verkliga svalningskurvorna under de första 15 minuterna.

De verkliga svalningskurvorna för de termoelement som var placerade ovanför Kylkokillerna, samt en bit in i sandformen.

(32)

8.2 Appendix 2: Data från simuleringen i Magmasoft.

Temperaturökningarna hos de olika termoelementen i smuleringen.

Data från den simulerade gjutningen om gjutgodset.

(33)

8.3 Appendix 3: uträkning av värmeöverföring.

Beräkningarna är uträknade under ett mycket kort tidsintervall (steady state) och är således approximativa. Den första uträkningen beräknar värmeöverför- ringen av kylkokillen i det största trappsteget. T1 (1 097,48 ˚C), T2 (787,93 ˚C), L (0,01 m), A (0,0025 m2), k (28). K-värdet är hämtat från: Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, ISSN 1678-5878, J.

Braz. Soc. Mech. Sci. & Eng. vol.32 no.3 Rio de Janeiro July/Sept. 2010.

Den andra uträkningen beräknar värmeöverföringen av sandformen vid det största trappsteget inom ett visst mått. T1 (1 097,48˚C), T2 (787,93˚C), L (0,01 m), A (0,0025 m2), k (0,61). K-värdet är hämtat från föreläsningsmaterial av professorn Timothy Gutowski.

References

Related documents

Det fanns dock en effekt av temperaturen på antalet ägg oberoende av predatorbehandling (med respektive utan kairomoner), där honorna bildade färre antal ägg med ökande

Simulerade marktemperaturer för O-ytan vid olika djup (övre figuren) samt skillnader mellan simulerade och uppmätta tem­ peraturer vid två av djupen.. Marktemperaturer har

Sponten presterar likvärdigt när det gäller horisontala deformationer med slitsmuren, bara lite mer flexibel. Därmed finns det inget som tekniskt talar för att använda

Mattias Forsell och Pauline Ocaya vid Institutionen för

Syftet var också att undersöka om det fanns någon skillnad mellan den självkänsla som deltagarna upplever i privatlivet jämfört med den de upplever i

Vid jämförelse mellan uppmätta totala sättningar och simulerade totala sättningar visar resultatet att simuleringar med Soft Soil Creep i såväl plant deformationstillstånd som

Med utgångspunkt i verk av Peter Johansson och Yinka Shonibare ämnar jag således undersöka hur konsten kan synliggöra och ifrågasätta kulturella ursprung. Dessa verk får i

Hydrograf över av SEWSYS simulerade dagvattenflöden och av provtagaren uppmätta flöden för Tagene industriområde den 11 till 12 juni 2004, samt regnintensiteten uppmätt vid