Fakulteten för teknik- och naturvetenskap
Inre fel på valsar
Internal defects in rolls
Thomas Skoglund
Examensar bete vid Maskiningenjör spr ogr ammet (22,5 hp) September 2008
- 2 -
Sammanfattning
Rapporten beskriver en undersökning rörande två olika typer av inre fel, centrumfel och ytnära fel, på valsar. Examensarbete för högskoleingenjörsexamen i maskinteknik (22.5p) vid Instutitionen för ingenjörsvetenskap, fysik och matematik, Karlstad Universitet. Utfört på uppdrag av Scana Steel Björneborg AB.
Scana Björneborg är en av Europas ledande producenter av tunga friformsmidda detaljer och har eget stålverk, egen smedja, värmebehandlingsanläggning och maskinpark. På Scana Björneborg gjuts göt av järnskrot, varpå de smids, värmebehandlas och maskinbearbetas till valsar. Efter maskinbearbetning kontrolleras valsarna med ultraljud för att hitta eventuella inre fel. Specifikationerna från kund för hur stora indikationer får vara är strama och stora kostnader uppstår i samband med reklamationer, kassationer, omarbeten och förseningar.
Felen har blivit alltmer frekventa och Scana Björneborg har satt samman två projektgrupper för att få försöka få bukt på dem.
Examensarbetet skall understödja båda dessa grupper och genom undersökningen skapa underlag för vidare beslut. Undersökningen delades in i tre olika moment:
• Statistik och information som kunde användas för att hitta eventuella samband och orsaker till de olika feltyperna samlades i en databas.
• Den samlade statistiken och informationen organiserades, förenklades och analyserades sedan med hjälp av programmet SIMCA, ett program gjort för multivariata analyser av stora datamängder. Eventuella samband granskades och analyserades därefter manuellt för att väga och gallra resultatet .
• Sex ytnära fel i tre olika detaljer öppnades upp för kartläggning av vilken typ av defekter det rörde sig om, och en metallografisk undersökning i ljus- och
svepelektronmikroskop och analys av defekternas sammansättning gjordes.
SIMCA-analys av insamlad statistik med avseende på centrumfel och vidare granskning och analys av dess resultat antyder att hög smidesvikt, hög Vanadinhalt, stukning, hög
nedsmidningsgrad och smidestid per ton i den följden är viktiga faktorer vid uppkomsten av centrumfel, och att en viss samverkan finns mellan dem.
SIMCA-analys av insamlad statistik med avseende på ytnära fel och vidare granskning och analys av dess resultat antyder att ett samband mellan valda parametrar och uppkomsten av ytnära fel inte går att hitta. Metoden bedöms olämplig för vidare undersökning av ytnära fel.
Den metallografiska undersökningen av öppnade ytnära defekter visade att samtliga sex defekter liknade varandra till utseende och sammansättning. Vanligaste beståndsdelarna i dessa inneslutningar var Aluminium tillsammans med förhöjda halter av Kol och Syre. Dessa ämnen är alla naturliga i stålet och därför bedöms inte de ytnära felen vara utifrån kommande.
- 3 -
Abstract
The report describes an investigation concerning two types of internal defects, axis-centered defects and near-surface defects, in rolls. Thesis for bachelor’s degree in mechanical
engineering (22.5p), at the institution for engineering, physics and mathematics, Karlstad University. Ordered by Scana Steel Björneborg AB.
Scana Steel Björneborg AB is one of Europe’s leading producers of heavy free-form forgings and has its own steel plant, forge, heating treatment facility and machine park. Scana Steel Björneborg AB casts ingots from iron scrap. The ingots are then forged, heat treated and machined into rolls. After the machining the rolls are tested with ultrasonic testing equipment to look for indications of internal defects. The specifications on how big the indications are allowed to be from the client are rigid and large costs come up because of reclamations, discarding, reworking and delays. The defects have become increasingly more frequent and Scana Steel Björneborg AB has put together two groups to try and get control over the problem.
The thesis is meant to support the two groups by investigating the internal defects, and to create a platform to take further decisions from. The investigation was made up of three parts:
• Statistics and information that could be used to find connections and cause of the internal defects was gathered in a data base.
• The gathered statistics and information was organized, simplified and analyzed with SIMCA, a computer software made for multivariate analyzing of large amounts of information. The results of the SIMCA-simulation were then checked further manually to weigh and lay down the fairness of the results.
• Six near-surface defects in three parts were opened up to map the types of defects and a metallographic examination in optical microscope, scanning electron microscope and spectrometer analysis of the defects’ composition was made.
The SIMCA analysis of gathered statistics concerning axis-centered defects and later manual analysis of the results showed that high forging weight, high Vanadium content, high degree of forging and low forging-time per tonne all relate to the creation of axis-centered defects, and that some interaction is present between them.
The SIMCA analysis concerning near-surface defects showed that the chosen parameters do not relate with the creation of near-surface defects. The method is deemed unsuitable for further investigations.
The metallographic examination of the six near-surface defects showed that all six defects resemble each other in appearance and composition. The most common elements in these inclusions are Aluminum and heightened contents of Carbon and Oxygen. These elements are all naturally occurring elements in the steel and because of this the inclusions are not thought to be exogenous.
- 4 -
Innehållsförteckning
Sammanfattning ... 2
Abstract ... 3
Innehållsförteckning ... 4
1. Inledning ... 5
1.1 Företaget, Scana Steel Björneborg AB ... 5
1.2 Bakgrund ... 5
1.3 Syfte ... 6
1.4 Målsättning ... 6
1.5 Avgränsningar ... 6
1.6 Ursprunglig problemformulering ... 7
1.7 Kund ... 7
2. Teor i ... 8
2.1 Kvalitet och lönsamhet ... 8
2.2 Allmänt om stål ... 8
2.3 Allmänt om inre fel ... 10
2.4 Allmänt om gjutning ... 12
2.5 Allmänt om varmsmide ... 15
2.6 Allmänt om ultraljudprovning ... 19
2.7 Allmänt om SEM och spektrometer ... 19
3. Genomför ande ... 20
3.1 Insamling av statistik ... 20
3.1.1 Insamlade parametrar ... 20
3.1.2 Definitioner och förenklingar ... 23
3.2 Analys av centrumfel ... 24
3.2.2 Första körningen med SIMCA ... 24
3.2.3 Metodik vid SIMCA-analys ... 29
3.2.4 Fortsatta körningar med SIMCA ... 30
3.2.5 Samverkan och rangordning ... 41
3.3 Analys av ytnära fel ... 43
3.3.1 Körning med SIMCA ... 43
3.4 Metallografisk undersökning av ytnära fel ... 44
3.4.1 Öppnande av defekter ... 44
3.4.2 Mikroskopering ... 45
3.4.3 Svepelektronmikroskopering och spektrometeranalys ... 45
3.5 Program, databaser och pärmar ... 49
4. Resultat ... 51
4.1 Resultat vid insamling av statistik ... 51
4.2 Resultat vid analys av centrumfel ... 51
4.3 Resultat vid analys av ytnära fel ... 51
4.4 Resultat vid metallografisk undersökning av ytnära fel ... 52
5. Slutsatser ... 60
6. Tackor d ... 61
Refer enslista ... 62 Bilaga 1-4 ………...………63-66
- 5 -
1. Inledning
Examensarbete för högskoleingenjörsexamen i maskinteknik (22.5p) vid Instutitionen för ingenjörsvetenskap, fysik och matematik, Karlstad Universitet. Utfört på uppdrag av Scana Steel Björneborg AB.
Allt arbete och rapportskrivning har utförts vid Scana Steel Björneborg AB i Björneborg.
Ansvarig, företaget: Ketil Törresvoll Handledare, universitetet: Lars Jacobsson Examinator: Nils Hallbäck
1.1 För etaget, Scana Steel Björ nebor g AB
Scana Steel Björneborg AB, hädanefter i rapporten refererat till som Scana Björneborg, är en av Europas ledande producenter av tunga friformsmidda detaljer och har eget stålverk, egen smedja med en 3600/4500-tonspress, värmebehandlingsanläggning och maskinpark.
Scana Björneborg är en del av den norskägda koncernen Scana Industrier och har ett produkt- sortiment som inkluderar segmenten stål, maskin och transport, marin, energi och olja och gas. Företaget har cirka 340 anställda på orten och omsätter årligen runt 900 miljoner svenska kronor. Scana Industrier har cirka 1850 anställda i Sverige, Norge och Kina och omsätter årligen runt 2000 miljoner norska kronor.
Scana Björneborg, tidigare Björneborgs Jernverk AB, har en lång historia av järn och stålbearbetning och har gjort brukssamhället Björneborg i Värmland känt för sitt kvalitetssmide. Den första smedjan anlades 1656 och bestod länge av endast två
stångjärnshammare. På 1830-talet byggdes verksamheten ut för första gången och sedan dess har det byggts ut i omgångar.
1.2 Bakgrund
På Scana Björneborg gjuts göt av järnskrot, varpå de smids, värmebehandlas och
maskinbearbetas till valsar. Efter maskinbearbetning kontrolleras valsarna med bland annat ultraljud för att hitta eventuella inre fel. Specifikationerna från kund för hur stora
indikationerna får vara är strama och stora kostnader uppstår i samband med reklamationer, kassationer, omarbeten och förseningar. De olika typerna av fel har funnits länge men har på senare tid blivit alltmer frekventa.
Scana har satt samman projekt för att försöka få bukt på två huvudtyper av inre fel, ytnära fel och centrumfel. Examensarbetet är menat att understöda båda projekt och genom en noggrann undersökning skapa underlag för beslut.
Mängden information bedöms vara för stor att analysera praktiskt manuellt så företaget har erbjudit sig att hjälpa till med körningen av SIMCA, ett program skapat för att analysera stora datamängder.
- 6 - 1.3 Syfte
Syftet med examensarbetet är att stödja projektgrupperna Scana Björneborg har satt samman.
Befintlig statistik och information som kan användas för att hitta eventuella samband och orsaker till de olika feltyperna är utspridd och skall samlas i en databas för bättre överblick.
Vilka parametrar som kan påverka uppkomsten av inre fel skall fastställas genom egen
bedömning och diskussion med ansvariga inom respektive område av tillverkningsprocessen.
När all statistik och information samlats skall innehållet organiseras, gallras, förenklas och sedan analyseras med programmet SIMCA med avseende att hitta eventuella samband och orsaker till de olika typerna av inre fel. Resultatet skall sedan analyseras och granskas ytterligare manuellt för att göra eventuell gallring och vägning av resultaten.
Ett flertal ytnära fel skall öppnas upp för att kartlägga typ av defekter och en metallografisk undersökning i mikroskop göras. Vid behov kommer även ett svepelektronmikroskop (SEM) användas och analys av defekternas sammansättning göras.
Resultaten av analysen med SIMCA och den metallografiska undersökningen av ytnära fel tillsammans med andra viktiga observationer skall sammanställas i en rapport som skall ligga till grund för förslag till förbättringar och eller åtgärder med uppgift att eliminera eller minska inre fel och därmed kostnader.
1.4 Målsättning Huvudmål
• Sammanställa resultaten av analys med SIMCA och den metallografiska undersökningen av ytnära fel tillsammans med andra viktiga observationer i en rapport.
Delmål
• Samla befintlig statistik och information som kan användas för att hitta eventuella samband och orsaker till centrumfel och ytnära fel i en databas.
• Organisera och förenkla insamlad statistik och analysera med avseende på centrumfel och ytnära fel med hjälp av den multivariata metoden SIMCA.
• Gör en metallografisk undersökning av ytnära fel med syfta att kartlägga dessa.
1.5 Avgr änsningar
• Examensarbetet avser att stödja projektgrupperna, att skapa en grund att ta vidare beslut på, inte att självständigt komma fram till en lösning.
• Befintlig information och statistik avser valsar, tillverkade tidigast december 2006 och färdiga senast maj 2008, för den specifika kunden.
- 7 - 1.6 Ur spr unglig pr oblemfor muler ing
Problemformuleringen har ändrats under arbetets gång. Det är då främst syfte och målsättning som gjorts tydligare. För ursprunglig problemformulering se Bilaga 1.
1.7 Kund
Detta examensarbete är först och främst inriktat mot en specifik kund då många till synes liknande fel har uppstått i detaljer tillverkade för denna kund. Kundens namn är av förklarliga skäl inte lämpligt att publicera och valet har gjorts att utesluta det. Ursprungligen var fler kunder tilltänkta men allt eftersom omfånget av arbetet växte så avgränsades ett par kunder bort. Förhoppningen är ändå att eventuella klarheter i varför de olika typerna av fel
uppkommer kan användas i försök med andra kunders detaljer med liknande fel.
- 8 -
2. Teor i
2.1 Kvalitet och lönsamhet
Kvalitet och lönsamhet går hand i hand. Högre kvalitet leder till mindre reklamationer, kassationer, omarbetningar och förseningar som i sin tur leder till bättre produktivitet, lägre kostnader, kortare ledtider och mindre bundet kapital som i sin tur, ytterligare, leder till större vinstmarginal och större lönsamhet. Dessutom ger hög kvalitet nöjda kunder som gärna återkommer. [1]
2.2 Allmänt om stål
Stål är en järn- och kolbaserad legering. Kolhalten ligger normalt på under 1,0 wt % * men en kolhalt på upp till cirka 2,0 wt % accepteras innan det slutar klassificeras som stål och istället kallas järn (observera att vissa höglegerade stålsorter innehåller mer än 2,0 wt % kol.). [2]
På Scana Björneborg tillverkas stål med en kolhalt på mellan 0,1 – 1,1 wt %.
* Med wt % menas ”weight percentage”, det vill säga procentandel med avseende på massan.
Lågkolhaltiga stål
Kallas stål med kolhalt lägre än cirka 0,25 wt %. Lågkolhaltiga stål är den vanligaste typen av stål och används till bland annat bilar (kaross och chassi m.m.) och konstruktionselement (balkar, bultar m.m.).
Lågkolhaltiga stål är relativt mjuka och svaga men har utmärkt duktilitet och seghet.
Dessutom är de lätta att maskinbearbeta, har god svetsbarhet och är billiga att tillverka.
Mikrostrukturen består i rent lågkolhaltigt stål av ferrit (rent järn med BCC-struktur) och perlit. Perlit består i sin tur av ferrit och cementit (en intermetallisk fas, Fe3C) varvat i lameller. Dessa stål reagerar inte på värmebehandling med syfte att tvångslösa kol och härda stålet (bilda martensit) på grund av den låga kolhalten. Istället förstärker man ofta metallen genom kallbearbetning (deformationshärdning). [2]
Medelkolhaltiga stål
Kallas stål med kolhalt på mellan cirka 0,25 – 0,60 wt %. Medelkolhaltiga stål används bland annat till tåghjul och räls, delar i bilmotorer (kugghjul, vevaxel m.m.) och höghållfasta konstruktionselement (balkar m.m.).
Medelkolhaltiga stål är starkare och hårdare än lågkolhaltiga stål men inte lika duktila och sega. De är relativt lätta att maskinbearbeta och har relativt god svetsbarhet. Mikrostrukturen liknar den hos lågkolhaltiga stål, men andelen perlit (och därmed cementit) är av förklarliga skäl högre.
Vanliga medelkolhaltiga stål reagerar på värmebehandling (austenitisering) med syfte att tvångslösa kol och härda stålet (bilda martensit), men måste kylas av snabbt och erhåller sällan effekt på djupet. En stor andel av de medelkolhaltiga stålen härdas på detta sätt för att öka hållfastheten. Härdade stål anlöps ofta därefter för att bli mindre spröda, i gengäld förlorar de dock en del av sin hårdhet.
Många medelkolhaltiga stål legeras med exempelvis krom, nickel och molybden för att öka värmebehandlingsmöjligheterna. [2]
- 9 - Högkolhaltiga stål
Kallas stål med kolhalt på mellan cirka 0,60 - 1,4 wt %. Högkolhaltiga stål används i detaljer med höga krav på hållfasthet och då i stort sett alltid i härdat och anlöpt tillstånd. Några exempel på detaljer som tillverkas av högkolhaltigt stål är kullager, knivar, rakblad, fjädrar och verktyg för skärande bearbetning.
Högkolhaltiga stål är de hårdaste och starkaste av kolstålen, men också de minst duktila.
De går att maskinbearbeta men är inte lämpliga för svetsning. Stålen innehåller ofta legeringsämnen så som Krom, Volfram, Vanadin och Molybden m.m. Vissa av dessa legeringsämnen bildar karbider tillsammans med kol och ger ett mycket slitstarkt material som även är utmärkt för detaljer med skärande egg. Mer om legerade stål nedan. [2]
Låg- och högleger ade kolstål
Det är vanligt att stål legeras upp för att öka till exempel härdbarhet eller hållfasthet. Därför brukar stål ibland delas upp i låg- och höglegerade stål. En exakt definition på vad som är låg- eller höglegerat stål är svår att hitta men gränsen brukar ligga vid cirka 10 wt %
legeringsämnen. Över denna gräns kallas stålen förutom höglegerade stål ofta rostfria stål och verktygsstål. [2]
På Scana Björneborg tillverkas uteslutande låglegerade stål med något enstaka undantag de senaste 5 åren.
Vanliga leger ingsämnen och andr a tillsatser
Vanliga legeringsämnen och tillsatsämnen som används på Scana Björneborg är Aluminium, Kalcium, Kobolt, Kol, Kisel, Krom, Mangan, Molybden, Nickel, Niob, Svavel, Vanadin, Volfram. Dessa tillsätts för att ändra egenskaper hos stålen som till exempel hårdhet, slagseghet, hållfasthet och härdbarhet, men också för förbättrade gjutningsegenskaper.
Exempel på detta är vid såkallad desoxidation, då ämnen (främst Aluminium, Kisel och Kalcium) med hög affinitet för Syre tillsätts för att minska Syrehalten i smältan.
För en enkel och bra beskrivning av hur många av ovanstående legeringsämnen påverkar stålet se Bilaga 2.
486A, 486B, 486B Special
Stålsorterna som används för tillverkning av valsar vid Scana Björneborg har beteckningarna 486A, 486B och 486B Special. De är alla låglegerade högkolhaltiga stål (0.8 wt% C) med liknande sammansättning (det kan man utläsa av kombinationen av siffror och bokstav), se Bilaga 3. Den stora skillnaden mellan dessa stål är att 486B Special är legerat med cirka 0.5 wt% Vanadin för att öka härdbarhet och hållfasthet ytterligare.
Specifikationer för sammansättning på de olika stålsorterna finns bifogade. Se Bilaga 4.
- 10 - 2.3 Allmänt om inr e fel
Med ett inre fel menas i denna rapport en inre defekt i stål. Dessa fel är vanliga. Det kan vara allt ifrån porer och sugningar till slagg och andra inneslutningar, sprickor och bränt material.
Det gemensamma med dessa defekter är att de drastiskt kan påverka hållfastheten på en detalj då de är anvisningar för sprickor.
Vid gjutning är det vanligt med olika typer av defekter. Dessa hör oftast ihop med de naturlagar som styr över stelningsförloppet, till exempel det faktum att smält stål har högre densitet än fast stål och olika legeringsämnen har olika smälttemperaturer och olika lätt att oxidera. Det finns många sätt att försöka motverka dessa effekter som t ex använda
omrörning, sjunkbox, desoxidation, avgasning och så vidare (se avsnittet Allmänt om gjutning 2.4). En annan metod är att efter gjutning försöka förminska eller helt ta bort vissa typer av dessa inre fel genom till exempel smide eller olika typer av värmebehandlingar. Här följer några exempel på vanliga gjutdefekter med förklaring. [3][4]
Defekter vid gjutning
F lakes
Flakes är små, hårfina sprickor som uppstår på grund höga halter av Väte i smältan och sedermera götet. Flakes kan orsaka ett väldigt sprött tillstånd på stål som kallas
väteförsprödning, men går att motverka till stor del genom bland annat en så kallad Väteglödgning, då Vätet kan diffundera ut ur stålet (se avsnittet 2.5 Allmänt om smide).
Porer och sugningar
Vid gjutning är det vanligt med så kallade sugningar (pipes) och porer på grund av
stelningskrympning. Dessa uppstår på grund av att stålets densitet är högre i smält tillstånd än fast, och därför götet kyls av utifrån och in. Sugningar och porer kan minskas med hjälp av bland annat omrörning och användande av så kallad sjunkbox (se avsnittet Allmänt om gjutning 2.4).
Segringar
Är områden i ett göt med ojämn fördelning av legeringsämnen. Dessa uppstår på grund av att olika material har olika densitet och smälttemperaturer och därmed fördelar sig olika.
Segringar uppstår ofta på samma ställen och går att förutspå. De kan minskas med hjälp av bland annat sjunkbox men är svåra att få bort helt.
Slagg och inneslutningar
Slagg och inneslutningar är oftast olika typer av oxider eller sulfider. Slagg är ofta en biprodukt som bildas då stålet stelnar och legeringsämnen eller tillsatsämne med lägre smältpunkt som till exempel Aluminium urskiljs och kommer i kontakt med ett ämne det har hög affinitet för, till exempel syre. Men oxider kan också bildas avsiktligt vid en så kallad desoxidation, det vill säga för att minska Syrehalten i stålet genom tillsatser. Slagg och inneslutningar kan vara också vara utifrån kommande (exogena), det vill säga bildas av någonting som inte hör hemma i stålet.
- 11 - Defekter vid smide
Det är vanligt med smidesdefekter vid smide med öppna verktyg. Dessa är oftast ytliga defekter som berättar lite om detaljens (eller götets) väg ifrån strippning tills att den är färdigsmidd. Vissa så kallade smidesdefekter har sin orsak utanför själva smidet i saker som stripptid, uppvärmning och avsvalning. Andra uppstår för att detaljen smitts för kall, varm eller för hårt. Oftast har de smidda detaljerna såpass mycket arbetsmån att en smidesdefekt kan slipas bort, men ibland är smidesdefekten för allvarlig och detaljen får kasseras. En exakt definition på vad smidesdefekterna kallas är svår att hitta men här följer några exempel på vanliga smidesdefekter med förklaring.
Brakor
Brakor är allvarliga smidesdefekter där götet spricker vid smide. Dessa uppstår när götet blivit för kallt vid strippning och sedan hettats upp för fort. Oftast resulterar denna smidesdefekt i en kasserad detalj.
Smält material
När en detalj smids så tillförs stora mängder energi som omvandlas till värme. Smids en detalj alldeles för fort eller hårt kan därför stålet smälta inne i detaljen och skapa en defekt.
Längdsprickor
Längdsprickor är långa längsgående sprickor. Dessa uppstår när gjuttemperaturen varit för hög.
Tvärsprickor
Tvärsprickor är små tvärgående sprickor som oftast uppstår på tappar och andra smala partier.
De uppstår när detaljen har smitts för kall.
Överdrag
Överdrag är områden på en detalj där stålet överlappar sig själv. Dessa uppstår då materialet smids över sig självt. En annan typ av överdrag kan uppstå vid kallt smide.
- 12 - 2.4 Allmänt om gjutning
Gjutning är en tillverkningsmetod där smält stål hälls i en gjutform eller kokill med önskad geometri och eller storlek. När stålet stelnar antar det den önskade formen och genomgår en viss krympning.
Det finns flera anledningar till att använda gjutning. Slutprodukten kan vara så stor att andra tillverkningsmetoder är opraktiska, legeringen som används i detaljen har så dålig duktilitet eller bearbetningsegenskaper så att formning via varmt eller kallt arbete är besvärligt. Eller så är gjutning i det specifika fallet är en billigare tillverkningsmetod än andra alternativ, ofta vid större serier.
Vid Scana Björneborg gjuts uteslutande ämnen i kokiller. Dessa ämnen smids sedan till önskad form.
Gjutmetoder för fr amställning av ämnen
Gjutning för framställning av ämnen kan delas in götgjutning och stränggjutning. Götgjutning är den äldre och tidigare vanligaste metoden. Götgjutning beskrivs enklast som en gjutmetod där smält metall hälls från en skänk ner i en kokill med botten och låts stelna.
Stränggjutning är den nu för tiden vanligaste metoden och cirka 85 % av världens stålämnen framställs på detta sätt. Stränggjutning beskrivs enklast som en gjutmetod där smält metall hälls från en skänk ner i en kokill utan botten och kyls. När metallen runnit tillräckligt långt under kylning så börjar den stelna, varpå metallen matas vidare under kylning tills att den kommer ut på ett matarband som en ”sträng” av stelnad metall. [3][5]
På Scana Björneborg tillämpas den äldre metoden götgjutning i formen stiggjutning, den vanligaste varianten av götgjutning. Anledningen till varför götgjutning används är ofta att metoden lämpar sig bättre för mindre volymer och många olika storlekar på ämnen, dessutom är metoden bättre lämpad för segringsbenägna stålsorter. På Scana Björneborg finns dock en annan anledning, de detaljer som tillverkas är så pass stora att stränggjutning vore opraktiskt.
Vid stiggjutning fylls gjutformen eller kokillen underifrån genom ett hål i botten till ett så kallat stigplan med eldfasta kanaler. Detta gör att smältan fylls på jämnt och kontrollerat vilket är en av de viktigaste aspekterna vid gjutning. Här följer en liten kort beskrivning av stiggjutning av ämnen till valsar på Scana Björneborg. [3][5][6]
Stiggjutning
Skrot och ljusbågsugn
På Scana Björneborg smälter man ner återvunnet järnskrot. Skrotet placeras i en smältugn där det smälts med hjälp av en ljusbåge. Efter stålet smälts tappas det upp i den skänk som senare används vid tappning.
- 13 - Skänk och skänkugn
Skänken med det smälta stålet förs in i en skänkugn där man tillsätter olika legeringsämnen och tillsatser och analyserar stålets sammansättning i omgångar tills det motsvarar
specifikationen på stålet man skall tillverka. Här tillsätts desoxidationsmedel (Aluminium och Kisel).
Vakuumbehandling, avgasning och avskiljning
Skänken förs vidare till en ny station för vakuumbehandling. Stationens luft pumpas ut samtidigt som en inert gas blåses in i smältan, igenom en så kallad spolsten i botten av skänken, för att röra om och driva ut gaser som syre och väte, detta kallas avgasning. I slutet av vakuumbehandlingen så minskas eller stryps helt tillförseln av gas och smältan får stå mer eller mindre orörd. Detta kallas avskiljning och syftar till att låta oxider bildade vid
desoxidation avskiljas på sidorna och toppen av smältan.
Gjutning, ingjut och stigplan
Efter vakuumbehandlingen förs skänken ut för gjutning. Ett hål öppnas i botten av skänken och smältan hälls ner i gjutformen genom en så kallat ingjut eller ”gubbe”, ett rör av gjutjärn (se Figur 1). Ingjutet leder ner i stigplanet, en platta av gjutjärn med eldfasta kanaler, som leder in smältan underifrån in i kokillerna. Under gjutning så tillförs ett så kallat gjutpulver för att smörja mellan smältan och kokillväggen.
Figur 1 - Kokill, sjunkbox och ingjut i stigplan.
- 14 - Kokill och sjunkbox
En kokill är en gjutform i järn (se Figur 2). Formen varierar mellan allt ifrån fyrkant till rund och vikt på göt kan bli så stor som 100 ton. På Scana Björneborg är kokillerna och göten oftast tolvkantiga och väger mellan 8 till 74 ton. En sjunkbox är en ring av gjutjärn som placeras på toppen av en kokill. Sjunkboxens funktion är att minska sugningar och segringar i toppen av götet. Sjunkboxen isoleras med plattor av eldfast tegel och ett så kallat lunkermedel och vermikulit läggs uppe på smältan för att värma och isolera ytterligare.
Figur 2 - Kokiller
Strippning
Strippning kallas det när man slår ur ett göt ur sin kokill efter gjutning. Det är viktigt att detta inte görs för tidigt eller för sent då detta påverkar resultatet.
- 15 - 2.5 Allmänt om var msmide
Varmsmide är att mekaniskt deformera en enskild detalj av varm metall, det vill säga en temperatur över materialets rekristallisationsgräns, genom upprepade slag eller tryck.
Varmsmidda detaljer har utmärkt kornstruktur och en bra kombination av mekaniska egenskaper.
Smidestyper
Smide kan indelas i två olika huvudtyper beroende av verktyg, Smide med stängda eller öppna verktyg. Med stängda verktyg menas att två eller fler verktygshalvor som har den slutliga formen trycker samman metallen så att den deformeras i håligheten mellan dem. Med öppna verktyg menas att två verktygshalvor med enkla geometriska former används för att deformera detaljen. Denna metod används normalt på större detaljer.
På Scana Björneborg smids samtliga detaljer med öppna verktyg. Vissa detaljer sänksmids i slutet, vilket är en typ av smide med slutna verktyg, men detta smide påverkar bara ytan. Här följer några metoder vid smide med förklaring. [5][7]
Räcksmide
Räcksmide eller friformsmide kallas det när ett ämne smids med parallellt platta verktyg mot varandra. Denna metod kan tillverka de flesta former men av förklarliga skäl så blir resultatet relativt grovhugget (se Figur 3).
Figur 3 – Räcksmidd gener ator axel.
Stuksmide
Stuksmide eller stukning kallas det när ett ämne pressas ihop på längden för att öka nedsmidningsgraden. Oftast sker stukning före räcksmide.
- 16 - Sänksmide
Sänksmide kallas när ett ämne smids med verktyg med en bestämd form. Denna metod används ofta för att smida en bättre yta och mer exakt form på en detalj efter räcksmide, exempelvis för att smida en räcksmidd åttakantig axel helt rund (se Figur 4).
Figur 4 - Sänksmidd axel.
Valsarna i denna undersökning är alla räck- och sänksmidda. En stor andel är också stukade.
Smidesugnar, manipulator och hammare
Vid Scana Björneborg är smidesugnarna gasoldrivna och kan värma flera göt åt gången.
Under själva smidet när göten är uppvärmda så hålls götet eller detaljen fast med en manipulator. En manipulator är en jättelik tång på räls som kan styras med förvånansvärd precision av smeden. Hammaren som används är en stor hydraulisk press med en kraft att pressa 4500 ton.
Vär mning av göt och detaljer vid smide
Före, efter och i samband med själva smidet så värms götet eller detaljen ett flertal gånger till olika temperaturer och hålltider. Här följer en kort beskrivning av de olika värmningarna.
Utjämningsglödgning
När ett göt strippats och skall smidas så genomgår det ofta först en så kallad
utjämningsglödgning eller ”soaking”. När ett göt genomgår soaking så placeras det i en ugn och hettas upp över smidestemperatur (i detta fall cirka 1200C) i ett bestämt antal timmar (i detta fall cirka 12 h). Syftet med en soaking är att utjämna segringar och materialets struktur genom diffusion.
- 17 - Avsvalning
Efter soaking så tas götet ut ur ugnen och tillåts svalna i cirka 15 minuter. Därefter placeras den tillbaka i en ugn, denna gång vid cirka 1000C, under några timmar. Detta görs för att man skall vara säker på att götets inre är lägre än smidestemperaturen. Annars kan götets inre smälta när detaljen skall smidas på grund av energin om tillförs vid deformationen.
Omvärmning
Efter några timmar under avsvalning så höjs temperaturen till smidestemperatur (i detta fall cirka 1150C). Där måste götet ligga i minst ett bestämt antal timmar (i detta fall 6 h) så att hela götet är smidesvarmt. När tiden har gått kan götet tas ut och smidas, men måste ofta placeras i ugnen flera gånger beroende hur stort detaljen är, antalet smidesoperationer och tidsåtgången, då detaljen efterhand svalnar. När detaljen är färdigsmidd placeras en värmebehandlingsugn för etappglödgning (se nedan).
Etapp- och väteglödgning
När detaljen smitts färdig så genomgår den en så kallad etappglödning där den smidda detaljen värms och hålls på 600-650C en bestämd tid så att en normal fasomvandling få ske och inte stålet härdar. Om detaljen har hög Vätehalt vid analys av smältan i stålverket ökas etappglödgningstiden och kallas då istället för en väteglödgning, syftet med denna är förutom syftet med en etappglödgning att diffundera ut löst Väte så att det inte ger upphov till så kallad väteförsprödning eller flakes. [5]
I samband med etapp- och väteglödgning normaliserar och anlöper man detaljen, dessa värmebehandlingar har avgränsats. Se avsnittet 5. Utvärdering för mer information.
- 18 - Nedsmidningsgrad och stukningsgrad
Nedsmidningsgrad är ett mått på hur mycket detaljen har deformerats från ämne till
färdigsmidd detalj, genom en jämförelse mellan areor. Man får även ta hänsyn till om detaljen blivit stuksmidd, genom en jämförelse av längder. Ofta finns det krav på hur stor eller liten nedsmidningsgrad en produkt skall ha.
Formler för beräkning av nedsmidningsgrad och stukningsgrad enligt Scanas Björneborgs kvalitetsförordningar (QF).
Räcksmide:
area Smidd
area g Ursprungli
N =
Stuksmide:
höjd Stukad
höjd g Ursprungli
S =
Stuksmide följt av räcksmide:
Total nedsmidningsgrad = S×N
Räcksmide följt av stuksmide:
Total nedsmidningsgrad = S×N
- 19 - 2.6 Allmänt om ultr aljudpr ovning
Ultraljudprovning är en så kallad oförstörande provningsmetod. En enkel beskrivning av ultraljudprovning är att ljud med en frekvens högre än den översta gränsen för vad en människa kan höra (över 20kHz) skickas från en sökare in i detaljen som skall undersökas.
Tiden på ljudets eko mäts och tillsammans med kalibreringsdata kan utrustningen beräkna hur ljudet studsar och därmed också olika defekter. Eventuella defekter kan läsas av både till storlek och djup. Kvaliteten på mätning beror givetvis på utrustning, men även till stor del på kalibrering, materialets struktur och kontaktmedel. [8]
Figur 5 – Ultr aljudspr ovningsutr ustning av typen Panametr ics Epoch XT
2.7 Allmänt om SEM och spektr ometer
Svepelektronmikroskop (SEM) är en typ av mikroskop som enkelt beskrivet sveper en stråle av elektroner över en yta den vill bygga upp en bild över och läser av de elektroner som avges från ytan, vilket bland annat beror av hur ytan lutar mot strålen. För att ett föremål skall kunna läsas av måste det vara elektrisk ledande. Kraftfulla SEM kan förstora upp till cirka 250000 gånger. [9]
En spektrometer är en apparat som enkelt beskrivet delar upp ljuset som ett föremål avger i ett spektrum och läser av dess våglängder och därav kan analysera vilka ämnen föremålet
innehåller. [10]
- 20 -
3. Genomför ande
3.1 Insamling av statistik
De första 10 veckorna fokuserades nästan allt arbete på att samla ihop statistik och
information i en databas (se avsnittet 4.1 Resultat vid insamling av statistik). Vad exakt som skulle samlas in var till en början ovisst. Efter diskussioner med ansvariga inom olika områden av tillverkningsprocessen och folk i projektgruppen så började bilden om vad som skulle samlas in klarna. Allt efter som veckorna gick så tillkom fler och fler faktorer och fler och fler avgränsningar med avseende på parametrar och kunder fick göras. Detta därför att tidsåtgången bedömdes vara för stor (den ursprungliga utredningen innefattade även ytterligare två kunder). Statistiken var spridd över en mängd olika program, databaser och pärmar över praktiskt taget hela Scana Björneborg (se avsnittet 3.5 program, databaser och pärmar).
När all statistik fanns samlad så återstod en relativt tidskrävande organisering och förenkling av all statistik och information för att programmet SIMCA skulle kunna behandla och
analysera insamlade data på ett praktiskt sätt, tidsåtgången för detta beräknas vara ytterligare 1 vecka. Vissa parametrar innehöll mycket text vilket inte var lämpligt. Parametrarna
organiserades också efter funktion i ID-parametrar, faktorer och responser. Mer om detta nedan.
3.1.1 Insamlade par ametr ar
När arbetet startades så fanns en excelfil med alla tillverkningsordernummer nedskrivna fram till dåvarande datum tillsammans med internt och externt material och ritningsnummer.
Denna excelfil kopierades, avgränsades med avseende på kund, produkttyp och tidsintervall och användes som grund för den nya databasen. Parametrarna har fastställts genom egen bedömning och diskussion med ansvariga inom respektive område av tillverkningsprocessen.
Vissa parametrar i tillverkningsprocessen har betänkts och diskuterats men har avgränsats på grund av brist på dokumentation, tid eller sannolikhet. Andra parametrar har helt enkelt missats på grund av brist på erfarenhet och kunskap om den här typen av undersökningar. För enkelhetens skull så finns endast de parametrar som samlades in och analyserades med i beskrivningen nedan, tillsammans med information vart statistiken hämtats från. Eventuella frågor rörande avgränsning av och kvalitet på parametrar behandlas under avsnittet 5.
Utvärdering.
ID Par ametr ar
Identifikationsparametrar. För identifikation i översiktsdiagram i SIMCA och gruppindelningar.
• Chargenummer (Chrg), enligt MOVEX.
• Externt material (ExtM), enligt ursprunglig excelfil.
• Götnummer (GötNr), enligt götkort.
• Kokillnummer (KokNr), enligt götkort.
• Ritningsnummer (RitNr), enligt ursprunglig excelfil.
• Tillverkningsordernummer (TO), enligt ursprunglig excelfil.
- 21 - Faktor er
Med en faktor så menas i detta sammanhang en parameter i tillverkningsprocessen som bedöms eventuellt kunna resultera i uppkomsten av inre fel. Ett annat sätt att beskriva det är som en input.
Faktorer vid gjutning och ber edning av gjutning:
• Avvikelser i stålverk (AvvStål), enligt stålverkets excelfil och avvikelsepärmar.
• Bandiameter (BanD), enligt avsyningsskisser.
• Fullständig analys, enligt slutprov excelfil.
• Fyllningstid sjunkbox (Box), enligt stålverkets excelfil.
• Fyllningstid stigplan (Mould), enligt stålverkets excelfil.
• Förhållandet mellan götlängd och götdiameter (L/D), enligt QF.
• Gjutdatum (GjutDat), enligt stålverkets excelfil.
• Gjutning klockslag (GjutKl), enligt stålverkets excelfil.
• Gjuttemperatur (GjutT), enligt götkort och stålverkets excelfil.
• Götdiameter (GötD), enligt QF.
• Götlängd (GötL), enligt QF.
• Göttyp (GötT), enligt MOVEX.
• Götvikt (GötV), enligt QF.
• Hur många ton stål per minut stigplanet fyllts med (MV/M), enligt beräkning (MouldV/Mould).
• Kokillanvändning (KokAnv), enligt stålverkets excelfil.
• Skiftlag stålverk (SgStål), enligt stålverkets excelfil.
• Stigplanets totala vikt (MouldV), enligt stålverkets excelfil.
• Stålflödesfaktor göt 1, hur många mm per minut stålet fyllt götet med vid gjutning, enligt beräkning (GL/M: GötL/Mould).
• Stålflödesfaktor göt 2, hur många ton per minut stålet fyllt götet med vid gjutning, enligt beräkning (GV/M: GötV/Mould).
• Stålflödesfaktor stigplan 1, Hur många ton stål per minut och meter stålet fyllt stigplanet med vid gjutning (GV/MxD), enligt beräkningar
(GötV/(Mould*(GötD/1000))).
• Stålflödesfaktor stigplan 2, hur många ton per minut och kvadratmeter stålet fyllt stigplanet med vid gjutning (GV/MxD2), enligt beräkningar
(GötV/(Mould*((GötD/1000)^2)).
• Stigplan (StigP), enligt götkort och stålverkets excelfil.
• Ämnets läge i göt (LägeiGöt), enligt götkort.
• Överjärn (ÖJ), enligt götkort och stålverkets excelfil.
- 22 - Faktor er vid smide och ber edning av smide:
• Avvikelser och avsyningsskisser smedja (AvvSmed), enligt avsyningsskisser och avvikelserapporter.
• Stukning (Stuk), enligt MOVEX.
• Stukningsgrad (SG), enligt beräkningar (se avsnittet 2.5 Allmänt om varmsmide).
• Stukningsdiameter (StukD), enligt QF
• Nedsmidningsgrad (NG), enligt beräkningar.
• Total nedsmidningsgrad (SxN), enligt beräkningar (se avsnittet 2.5 Allmänt om varmsmide).
• Ankomsttemperatur smedjan (AnkT), enligt götkort.
• Smidesugn (Ugn), enligt götkort och Forgelyzer.
• Soakingtemperatur (SoakT), enligt Forgelyzer.
• Smidestemperatur (SmT), enligt Forgelyzer.
• Uppvärmningstid (ungefärlig tid från 800C till soakingtemperatur) (UppvFo), enligt Forgelyzer.
• Utbyte (Utb), andel av göt som utnyttjas, enligt beräkningar.
• Maxutbyte göt (MUtb), enligt QF.
• Soakingtid (Soak), enligt Forgelyzer.
• Omvärmningstid (OmvFo), ungefärlig tid från omvärmningen börjar till detaljen är tas ur ugnen sista gången, enligt Forgelyzer. Observera att stukade detaljer oftast tas ut ur ugnen flera gånger och tiden här tar inte hänsyn till det.
• Delsmidningar (Delsmid), enligt Forgelyzer.
• Tånghållsmidestid (Thtid), enligt götkort och Smedlogg.
• Stukningstid (Stktid), enligt götkort och Smedlogg.
• Smidestid (Smtid), enligt götkort och Smedlogg.
• Stukningstid per ton (Stktid/ton), enligt beräkningar (Stktid/TOV).
• Smidestid per ton (Smtid/ton), enligt beräkningar (Smtid/TOV).
• Omvärmningstid 1 (Omv1SL), tid för omvärmning mellan tånghållsmide och stukning, enligt Smedlogg.
• Omvärmningstid 2 (Omv2SL), tid för omvärmning mellan stukning och slutsmide, enligt Smedlogg.
• Smed vid stukning (SmStk), enligt Smedlogg.
• Smed vid slutsmide (SmSm), enligt Smedlogg.
• Smidesugn (Ugn), enligt Forgelyzer och Smedlogg.
• Smidesvikt (TOV), enligt götkort.
Övr iga faktor er :
• C-rapport (CRapp), enligt MOVEX
• Etapp- och väteglödgningstid (Vgl), enligt MOVEX.
• Fullständig analys (Kol, Kisel, Mangan, Fosfor, Svavel, Kadmium, Nickel, Molybden, Koppar, Vanadin, Tenn, Aluminium, Kobolt, Niob, Wolfram, Bor, Arsenik, Titan, Antimon, Kalcium, Bly, Vismut, Kväve, Zirkonium, Magnesium, Syre, Väte och Järn.
- 23 - Responser
Med en respons så menas i detta sammanhang en parameter som beror av och resulteras av en eller flera okända faktorer. Ett annat sätt att beskriva det är som en output.
• Respons 1 – Centrumfel.
• Respons 2 – Ytnära fel.
3.1.2 Definitioner och för enklingar
Vid organisering och förenkling av insamlad statistik före analys med SIMCA så insågs vikten i att responserna måste vara korrekta. En feltolkad respons bedömdes vara värre än en utebliven. Då felen ofta skiljde sig åt från varandra i exakt storlek, utbredning och djup så kunde ändå man ändå klart och tydligt i de flesta fall se om felet var av så kallad centrumtyp eller ytnära.
Definition ytnära fel
Punktfel inom 15 % av svarvad radie.
Definition centrumfel Linjefel i centrum av vals.
På detta sätt förenklades felen till centrumfel eller ytnära fel. Vissa fel var dock svårare att definiera, dessa markerades med brädgård (#) i matrisen då SIMCA tolkar detta som att värdet fattas men möjliggjorde ändå att det gick att utläsa att någon typ av fel funnits på valsen när resultaten analyserades manuellt.
Vissa andra parametrar fick förenklas för att SIMCA skulle kunna analysera dem. Detta fick göras då insamlad statistik bestod av lång text istället för tal, enstaka siffror och bokstäver, exempelvis vid avsyningsskisser och avvikelser. Frågor rörande förenklingar och kvalitet på parametrar behandlas under avsnittet 5. Utvärdering.
För resultat se avsnittet 4.1 Resultat vid insamling av statistik.
- 24 - 3.2 Analys av centr umfel
Vid det första mötet angående examensarbetet så togs programmet SIMCA upp som en möjlig metod att analysera den stora mängd av statistik undersökningen bedömdes ge upphov till.
När insamlandet av statistik och information var gjord och det vara dags att gå vidare så hjälpte personalen Scana Björneborg mig att komma i kontakt med en person som var kunnig på programmet och var villig att hjälpa till.
Cirka en vecka togs åt att slutföra matrisen som skulle användas vid SIMCA-analyserna och under denna tid fördes korrespondens dagligen för att slippa onödig dötid i form av ytterligare förenklingar och organisering när körningen väl kunde göras. Valet har gjorts att undvika onödigt SIMCA-material i denna rapport och endast ha med de viktigaste bilder och diagram som togs fram.
3.2.2 För sta kör ningen med SIMCA
När matrisen var nära färdig så bestämdes en tidpunkt för en första körning med SIMCA. Den första körningen med SIMCA genomfördes i ett konferensrum tillsammans projektgruppen för ytnära fel. En analys av samtliga detaljer (279 st) gjordes med avseende på centrumfel och ytnära fel gjordes (se avsnittet 3.4 Analys av ytnära fel). Körningen blev aningen ineffektiv på grund av för mycket folk närvarande, men gav likväl intressanta resultat. Observera att
diagram och resultat vid den första körningen inte sparades och de diagram och resultat som presenteras här är ifrån en analys av exakt samma grupp vid ett senare tillfälle.
SIMCA-analys av alla detaljer
Den första SIMCA-analysen av samtliga detaljer med avseende på centrumfel visade att det fanns en klar gruppering av centrumfelen, se Figur 6A.
Figur 6A och Figur 6B - Scor e Scatter Plot Cfel och RQ-Diagr am Cfel, alla detaljer .
- 25 -
RQ-diagrammet som SIMCA illustrerar med hur stor sannolikhet programmet kan förutse processen visade att SIMCA med stor sannolikhet kan förutse processen (den blå stapelns förhållande till den gröna stapeln, se Figur 6B). Ett VIP-diagram eller viktningsdiagram med vilket SIMCA listar de faktorer programmet bedömer påverkar responsen mest, i detta fall centrumfel togs fram, se Figur 7.
Figur 7 – VIP-Diagr am Cfel, alla detaljer .
De sju främsta faktorerna valdes ut för vidare granskning. De faktorer som SIMCA-analysen med avseende på centrumfel och alla detaljer antyder påverkar mest är i fallande ordning
1. Smidesvikt (TOV) 2. Vanadinhalt (V)
3. Detaljer per göt (TO/göt) 4. Total nedsmidningsgrad (SxN) 5. Stukningsgrad (SG)
6. Järnhalt (FE)
7. Nedsmidningsgrad (NG)
Bedömning och gallr ing av faktor er efter analys av alla detaljer
Tre av de sju ovanstående faktorer gallrades relativt fort bort med motivering nedan.
Resterande fyra faktorer granskades sedan på enklaste sätt manuellt bland annat genom att i detta fall jämföra ett hög och låg värde av respektive faktor och se hur många säkra
centrumfel och möjliga centrumfel (se definition centrumfel) respektive grupp hade. Detta för att göra en eventuell ytterligare gallring av SIMCA-analysens resultat. Hög och låg värde är av förståliga skäl inte alltid det bästa sättet att fastslå tendenser men i detta fall är det talande då det ena värdet har väldigt få eller inga centrumfel på ett stort antal detaljer.
- 26 - Dessa faktor er gallr ades bor t:
Detaljer per göt (TO/göt)
Sedan tidigare var det känt att denna faktor var hårt knuten till stukning, de detaljer som kommer från göt ämnade till två ämnen är till 100 % icke stukade. Tillsammans med misstankar sedan tidigare att stukning antagligen var en av de viktigaste faktorerna och att stukningsgrad är med bland de översta sju faktorerna så gjordes valet att gallra bort denna faktor. Faktorn i sig bedöms inte påverka utan det är snarare så att det är en indikation på att någonting händer senare eller tidigare med dessa göt och inte själva delningen i sig, som till exempel stukning. Resonemanget kan vara konfirmeringspartiskt, det vill säga partiskt då det bekräftar de uppfattningar som finns, men valet gjordes likväl.
Total nedsmidningsgrad (SxN)
Den totala nedsmidningsgraden är ett beräknat mått (se avsnittet 2.5 Allmänt om varmsmide) på hur mycket smide en detalj genomgått. Det är en produkt av faktorerna stukningsgrad och nedsmidningsgrad som båda två också finns med bland de sju viktigaste faktorerna. Att faktorn hamnade högre än både stukningsgrad och nedsmidningsgrad tyder på att det kan finnas en samverkanseffekt mellan de båda faktorerna och detta noterades. Faktorn kändes förövrigt redundant och valet gjordes därför att gallra bort den.
J ärnhalt (F E)
I matrisen som användes vid SIMCA-analys fanns den fullständiga analysen
(sammansättningen) med för varje detalj. Vid legering med Vanadin så minskar Järnhalten flera procent analogt med detta. Faktorn kändes redundant och missvisande och valet gjordes därför att gallra bort den.
- 27 - Dessa faktor er behölls:
Smidesvikt (TOV)
En snabb överblick visade att ett lämpligt hög och låg värde för smidesvikt var under och över 9000kg. Gruppernas storlek skiljde sig åt mycket men den minsta gruppen (hög detaljvikt) bedömdes ändå vara tillräckligt stor (62 st) för att ge statistisk signifikans. De olika grupperna skiljde sig markant från varandra med avseende på centrumfel och riktigheten i SIMCA- analysen av faktorn bedömdes hög (för diagram se Figur 8). Faktorn behölls.
Figur 8 - Smidesvikt, alla detaljer .
Vanadinhalt (V)
Hög och låg värde fanns redan för denna faktor då i form av de olika stålsorterna. Gruppernas storlek skiljde sig åt mycket men den minsta gruppen (hög Vanadinhalt) bedömdes ändå vara tillräckligt stor (35 st) för att ge statistisk signifikans. De olika grupperna skiljde sig markant från varandra med avseende på centrumfel och skillnaden i halter bedöms kunna påverka (för diagram se Figur 9). Faktorn behölls.
31%
0%
40%
5%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
Vikt över 9 ton (62 st) Vikt under 9 ton (217 st)
Centrumfel Alla fel
- 28 -
Figur 9 - Vanadinhalt, alla detaljer .
Stukningsgrad (SG)
Stukad eller icke stukad valdes som hög och låg värde. Gruppernas storlek skiljde sig åt men den minsta gruppen (stukade) bedömdes ändå vara mer än tillräckligt stor (57 st) för att ge statistisk signifikans. De olika grupperna skiljde sig markant från varandra med avseende på centrumfel och riktigheten i SIMCA-analys av faktorn bedömdes hög (för diagram se Figur 10). Faktorn behölls.
Figur 10 - Stukning, alla detaljer .
Nedsmidningsgrad (NG)
Vid överblick visade att ett lämpligt hög och låg värde för nedsmidningsgrad var under och över 4. Gruppernas storlek skiljde sig åt mycket men den minsta gruppen (NG över 4) bedömdes ändå vara mer än tillräckligt stor (99 st) för att ge statistisk signifikans. De olika grupperna skiljde sig markant från varandra med avseende på centrumfel och riktigheten i SIMCA-analys av faktorn bedömdes hög (för diagram se Figur 11). Faktorn behölls.
42%
2%
51%
7%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
Hög Vanadin (35 st) Låg Vanadin (244 st)
Centrumfel Alla fel
28%
1%
44%
5%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
50%
Stukade (57 st) Icke Stukade (221 st)
Centrumfel Alla fel
- 29 -
Figur 11 - Nedsmidningsgr ad, alla detaljer .
3.2.3 Metodik vid SIMCA-analys
Den första körningen var aningen ineffektiv och rörig så valet gjordes därför att försöka organisera upplägget på kvarvarande körningar på ett bättre sätt. Valet att i fortsättningen hålla körningarna enskilda tillsammans med personen som körde programmet gjordes och enkel lista med metodik skrevs.
Metodik vid SIMCA-analys:
1. Kör en första analys på analysgruppen.
2. Spara Score Scatter Plot, Loading Scatter Plot, viktingsdiagram (VIP eller Coefficient Plot) och RQ-diagrammen med vilka SIMCA illustrerar med hur stor sannolikhet programmet kan förutse processen.
3. Gallra bort faktorer som är tvivelaktiga, bedöms störa och eller påverkar processen minimalt med avseende på vald respons.
4. Kör en andra analys på analysgruppen.
5. Spara Score Scatter Plot, Loading Scatter Plot, viktingsdiagram (VIP eller Coefficient Plot) och RQ-diagrammen med vilka SIMCA illustrerar med hur stor sannolikhet programmet kan förutse processen.
6. Skapa eventuellt nya analysgrupper med de viktigaste faktorerna som avsedd grupp.
7. Byt analysgrupp och börja om!
16%
2%
25%
6%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
Nedsmidningsgrad över 4 (99 st)
Nedsmidningsgrad under 4 (174 st)
Centrumfel Alla fel
- 30 - Analysgrupper med vald respons och avsedd grupp:
• Centrumfel – Smidesvikt över 9000kg.
• Centrumfel - Vanadinlegerade detaljer.
• Centrumfel – Stukade detaljer.
Metodiken resulterade i mer effektiva körningar men några nya analysgrupper hann aldrig skapas då tiden inte räckte till.
3.2.4 Fortsatta körningar med SIMCA
De fortsatta körningarna med SIMCA användes till att analysera de tre mest drabbade grupperna för att se vad som kunde fås ut av dem. Grupperna var detaljer med smidesvikt över 9000kg, Vanadinlegerade och stukade detaljer.
SIMCA-analys av detaljer med smidesvikt över 9000kg
SIMCA-analysen av detaljer med smidesvikt över 9000kg med avseende på centrumfel visade att det fanns en relativt klar gruppering av centrumfelen, men att SIMCA hade svårt att
förutspå processen (se Figur 12A och 12B).
Figur 12A och Figur 12B – RQ-Diagr am Cfel och Scor e Loading Scatter Plot Cfel, detaljer over 9000kg.
Valet gjordes ändå att fortsätta. En möjlig anledning till att RQ sjunkit är att den viktigaste faktorn enligt den förra analysen, smidesvikt, tagits bort då vi analyserar endast de tunga detaljerna.
- 31 -
Ett Coefficient-diagram med vilket SIMCA listar de faktorer programmet bedömer påverkar responsen mest och även visar om högt eller lågt värde ger hög eller låg respons togs fram, se Figur 13 (det fanns även ett vanligt viktningsdiagram som har försvunnit, men det berättar samma sak så det saknar betydelse).
Figur 13 - Coefficient Plot Cfel, detaljer över 9000kg.
De tre högsta bedömdes intressanta och valdes ut för vidare granskning. De parametrar som SIMCA-analysen med avseende på centrumfel och detaljer med smidesvikt över 9000kg antyder påverkar mest är i fallande ordning
1. Smidestid per ton (Smtid/ton)
2. Omvärmningstid mellan tånghåll och stukning (Omv1SL) 3. Arsenik (AS)
Bedömning och gallr ing av faktor er efter analys av detaljer med smidesvikt över 9000kg Stapeldiagram med olika antal grupper beroende på vad som känns lämpligt för varje fall görs för att se om det finns några tendenser och samband. Arsenikhalt och omvärmningstid mellan tånghållssmide och stukning gallras efterhand bort med motivering nedan.
- 32 - Dessa faktor er g allr ades bo rt:
Omvärmningstid mellan tånghåll och stukning (Omv1SL)
Omvärmningstid TH-Stuk delades in i tre olika grupper: under 6h (7 st), 6 till 9h (11 st) och över 9h (10 st). Ett svagt samband tycktes finnas vid jämförelse av båda sidor av 9h (under 9h har större andel fel), men det finns alldeles för få detaljer över 9h för att ge antydandet någon statistisk signifikans. Sambandet noteras och är intressant men valet görs att gallra bort faktorn.
Arsenikhalt (AS)
Arsenikhalt delades in i tre olika grupper, under 0.011 % (23 st), mellan 0.011-0.013 % (20 st) och över 0.013 % 19 st) och ett stapeldiagram gjordes. Ett klart synligt samband att antalet fel ökar med Arsenikhalten fanns att hitta. Grupperna var bedömdes tillräckligt stora för att ge statistisk signifikans men halterna det rör sig om är promille och det bedöms inte påverka över huvudtaget. Det är snarare så att Arsenik med stor sannolikhet är ett spårämne är knutet till ett annat ämne som påverkar, i detta fall antagligen Vanadin. Någon djupare undersökning runt sambandet mellan Arsenikhalt och Vanadinhalt har inte gjorts. Faktorn gallrades bort.
Dessa faktor er behölls:
Smidestid per ton (Smtid/ton)
Smidestid per ton är ett beräknat mått på hur snabbt detaljen smitts. Ett lämpligt hög och låg värde valdes ut (över och under 0.11 h/ton) och ett stapeldiagram gjordes för jämförelse (för diagram se Figur 14). Det fanns ett samband som bedömdes vara intressant då andra
smidesparametrar så som stukning och nedsmidningsgrad kommit upp vid tidigare analys.
Faktorn behölls.
Figur 14 - Smidestid per ton, detaljer över 9000kg.
37%
14%
53%
14%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
Smidestid under 0.11 h/ton (38 st)
Smidestid över 0.12 h/ton (22 st)
Centrumfel Alla fel
- 33 - SIMCA-analys av Vanadinleger ade detaljer
SIMCA-analysen av Vanadinlegerade detaljer (35 st) med avseende på centrumfel visade att det fanns en klar gruppering av centrumfelen och att processen kunde förutspås, se Figur 15A och 15B.
Figur 15A och 15B – RQ-Diagr am Cfel och Scor e Loading Scatter Plot Cfel, Vanadinleger ade detaljer .
Ett viktningsdiagram (VIP) togs fram för att se vilka faktorer som bedömdes påverka mest, se Figur 16.
Figur 16 - VIP-Diagr am Cfel, Vanadinleger ade detaljer .
- 34 -
De sex översta bedömdes intressanta och valdes ut för vidare granskning. De parametrar som SIMCA-analysen med avseende på centrumfel och Vanadinlegerade detaljer antyder påverkar mest är i fallande ordning
1. Kolhalt (C) 2. Titanhalt (TI) 3. Svavelhalt (S) 4. Sjunkboxtid (Box) 5. Antimonhalt (SB)
6. Smidestid per ton (Smtid/ton)
Bedömning och gallr ing av faktor er efter analys av Vanadinleger ade detaljer
Stapeldiagram med olika antal grupper beroende på vad som känns lämpligt för varje fall görs för att se om det finns några tendenser och samband. Kolhalt, Titanhalt, Svavelhalt,
sjunkboxtid och Antimonhalt gallrades efterhand bort med motivering nedan.
Dessa faktor er gallr ades bor t:
Kolhalt (C)
Kolhalt delades in i tre olika grupper (0.78, 0.79 och 0.80%) och ett stapeldiagram gjordes.
Ett synligt samband mellan Kolhalt och centrumfel tycktes finnas, se Figur 17. Antalet detaljer som jämfördes bedöms dock för få för att ge statistisk signifikans och dessutom bedöms halterna vara på gränsen för små för att kunna påverka. Faktorn är intressant och noterades men gallrades bort.
Figur 17 - Kolhalt, Vanadinleger ade detaljer .
Titanhalt (TI)
Det fanns ett synligt samband mellan höga halter Titan och centrumfel. Halterna bedöms dock för små för faktorn skall kunna påverka uppkomsten av centrumfel. För en längre motivering se Arsenikhalt. Faktorn gallrades bort.
0%
33%
55%
0%
50%
60%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
C-halt cirka 0.78%
(3 st)
C-halt cirka 0.79%
(12 st)
C-halt cirka 0.80%
(20 st)
Centrumfel Alla fel
- 35 - Svavelhalt (S)
Det fanns ett synligt samband mellan låga halter Svavel och centrumfel. Halterna bedöms dock för små för faktorn skall kunna påverka uppkomsten av centrumfel. För en längre motivering se Arsenikhalt. Faktorn gallrades bort.
Sjunkboxtid (Box)
Sjunkboxtid är tiden det tar att fylla upp sjunkboxen vid gjutning. Ett diagram med fyra grupper gjordes och ett synligt samband kunde hittas över och under sju minuter. Gruppen över sju minuter
(8 st) saknade fel jämfört med de tre grupperna under (totalt 27 st) har alla cirka 50 % fel. När en jämförelse mellan de fyra olika grupperna gjordes så visade det sig att grupperna under sju minuter liknade varandra i avseende på de tre viktigaste faktorerna vid denna tidpunkt i undersökningen, detaljvikt smide, Vanadinhalt och stukningsgrad. Gruppen för tid över sju minuter bar olik de övriga och innehöll bland annat hälften lätta (4 av 8) detaljer, en grupp helt befriad från centrumfel. De fyra stycken som var kvar var för få för att ge detta någon statistisk signifikans. Faktorn är intressant och noterades men gallrades bort.
Figur 18 – Fyllningstid sjunkbox, Vanadinleger ade detaljer .
Antimonhalt (SB)
Det fanns ett svagt samband mellan låga halter Antimon och centrumfel. Halterna bedöms dock för små för faktorn skall kunna påverka uppkomsten av centrumfel. För en längre motivering se Arsenikhalt. Faktorn gallrades bort.
50% 44%
66%
0%
75%
44%
78%
0% 0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
Boxtid under 3 min (8 st)
Boxtid mellan 3-5 min (9 st)
Boxtid mellan 5-7 min (9 st)
Boxtid över 7 min (8 st)
Centrumfel Alla fel
- 36 - Denna faktor behölls:
Smidestid per ton (Smtid/ ton)
Faktorn smidestid per ton var intressant sedan tidigare. Ett nytt stapeldiagram med de gamla hög och låg värden som använts (se Figur 19). Denna gång borde vikten variera mer och faktorn med det, men det visar sig att Vanadinlegerade är till största delen också över 9000kg, så det gamla sambandet fanns att hitta här också. Faktorn fanns sedan tidigare och behölls.
Figur 19 - Smidestid per ton, Vanadinleger ade detaljer . 58%
20%
74%
20%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
Smidestid under 0.11 h/ton (19 st)
Smidestid över 0.12 h/ton (15 st)
Centrumfel Alla fel
- 37 - SIMCA-analys av stukade detaljer
SIMCA-analysen av stukade detaljer med avseende på centrumfel visade att det fanns en synlig gruppering av centrumfelen och att SIMCA till viss del kunde förutspå processen (se Figur 20A och 20B).
Figur 10A och 20B - RQ-Diagr am Cfel och Scor e Loading Scatter Plot Cfel, stukade detaljer .
Ett viktningsdiagram (VIP) togs fram för att se vilka faktorer som bedömdes påverka mest, se Figur 21.
Figur 21 - VIP-Diagr am Cfel, stukade detaljer .
- 38 -
De fyra översta bedömdes intressanta och valdes ut för vidare granskning. De parametrar som SIMCA-analysen med avseende på centrumfel och stukade detaljer antyder påverkar mest är i fallande ordning
1. Skiftlag stålverk (SgStål) 2. Kokillanvändning (KokAnv) 3. Total nedsmidningsgrad (SxN) 4. Nedsmidningsgrad (NG)
Bedömning och gallr ing av faktor er efter analys av stukade detaljer
Stapeldiagram med olika antal grupper beroende på vad som känns lämpligt för varje fall görs för att se om det finns några tendenser och samband. Skiftlag stålverk, kokillanvändning och total nedsmidningsgrad gallras efterhand bort med motivering nedan.
Dessa faktor er gallr ades bor t:
Skiftlag stålverk (SgStål)
Skiftlag i stålverket. Att mänskliga faktorn skulle kunna påverka uppkomsten av ett
centrumfel är väldigt troligt men att peka ut en speciell operatör eller skiftlag är av förklarliga skäl väldigt känsligt. Man måste ha mycket belägg för att göra ett sådant utlåtande, därför gjordes valet att granska denna faktor hårdare än de andra faktorerna. Ett stapeldiagram där de olika skiftlagen jämfördes togs fram. Det fanns synligt samband vid första överblicken, se Figur 22.
Figur 22 – Skiftlag stålver k, alla detaljer . 7%
64%
21% 25%
27%
86%
21%
50%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Skiftlag 1 (15 st)
Skiftlag 2 (14 st)
Skiftlag 3 (14 st)
Skiftlag 4 (12 st)
Centrumfel Alla fel
- 39 -
Efter eftertanke bedömdes detta sätt att jämföra de olika skiftlagen inte vara rättvist då antalet detaljer var få och jämförelsen inte berättade om vilka storlekar, stålsorter och liknande som gjutits.
Valet gjordes att försöka ta hänsyn till de tre faktorer som undersökningen i detta skede pekade åt påverkade mest, detaljvikt smide, Vanadinhalt och stukningsgrad. Ett nytt diagram togs fram, och då jämnades diagrammet ut, se Figur 23.
Figur 23 - Skiftlag stålver k, Vanadinleger ade, stukade detaljer över 9000kg.
Med tanke på att sambanden är så svaga, att vi ändå inte tagit hänsyn till fler parametrar och att över så få detaljer så gjordes bedömningen att det inte fanns tillräckligt med belägg för att peka ut ett enskilt skiftlag. Faktorn gallrades bort.
Kokillanvändning (KokAnv)
Kokillanvändning är hur många gånger en kokill har använts vid gjutning. Denna faktor delades in i fyra olika grupper och ett stapeldiagram togs fram, se Figur 24. Det fanns ett samband över och under 60 gånger. Faktorn tros inte kunna påverka utan är snarare knuten till andra faktorer som stålsort och götstorlek som i sin tur är knutna till Vanadinhalt och
smidesvikt, vilket skulle förklara sambandet. Vid en senare undersökning styrktes denna tes och faktorn gallrades bort.
20%
64%
43%
50%
40%
82%
43%
50%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
Skiftlag 1 (5 st)
Skiftlag 2 (11 st)
Skiftlag 3 (7 st)
Skiftlag 4 (4 st)
Centrumfel Alla fel
