автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Система экспресс-контроля качества жидких металлов и сплавов на основе термического анализа.

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

£ "КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

сг-

- •Чг-

На правах рукопису ІІІАПОВАЛ Олексій Іванович

УДК 621.716.628:536.421.4

СИСТЕМА ЕКСПРЕС-КОНТРОЛЮ ЯКОСТІ РІДКИХ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ НА ОСНОВІ ТЕРМІЧНОГО АНАЛІЗУ

Спеціальність 05.16.04 - Ливарне виробництво

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук

Київ - 1997

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі металознавства, обладнання та технології термічної обробки металів Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти України.

Наукові керівники

Офіційні опоненти

Доктор технічних наук, професор Макаревич Олександр Павлович, професор кафедри ливарного виробництва НТУУ "КПІ".

Доктор технічних наук, ст.н.с. Моісєєв Юрій Васильович, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, завідувач відділу автоматизації.

Провідна установа

Відділ фізико-хімічнихдосліджень матеріалів Інституту електрозварювання ім. О.Є. Патона НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться 1997р. годині на засіданні

спеціалізованої ради К.01.02.12 у Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 252056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корпус №9, ауд. 203.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут".

Автореферат розісланий "" 1997 р.

Доктор технічних наук, професор Бялик Олег Михайлович, НТУУ "КПІ", завідувач кафедри;

Кандидат технічних наук, ст.н.с. Доній Олександр Миколайович, НТУУ "КПІ”, завідувач лабораторії.

Вчений секретар спеціалізованої ради К.01.02.12 к.т.н., доцент

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність^____теми. Одним із шляхів підвищення

конкурентоспроможності продукції ливарного виробництва є побудова засобів, що дозволяють отримати відливки гарантованої"'” якості''"'при--■ одночасному зменшенні їх собівартості за рахунок оперативного управління параметрами розплаву, відповідальними за формування комплексу службових властивостей литого металу.

Термічний аналіз (ТА), як основа систем експрес-контролю якості металів і сплавів у рідкому стані, надає інформацію про термічні ефекти при твердінні проби, що пов'язані з хімічним складом сплаву і відбивають процеси формування структури литого металу. Це дозволяє як визначати хімічний склад розплаву, так і прогнозувати його механічні властивості у твердому стані. Використання ЕОМ при збиранні і обробці даних ТА істотно підвищує точність і експресність методу.

Але існуючі на цей час системи експрес-контролю якості розплавів на базі ТА не забезпечують необхідної точності аналізу та надійності прогнозу механічних властивостей ливарних сплавів різноманітних металічних систем внаслідок відсутності по-перше, науково обгрунтованого методичного підходу до вибору характеристик і побудови апаратно-програмного комплексу та по-друге, раціональних методів попередньої обробки термограми і прийняття рішень про якість рідкого металу на основі відповідної інформаційної моделі.

Таким чином, актуальним є створення як методики побудови, так і самої системи комп'ютерного термічного аналізу (КТА) з автоматичним процесом реєстрації і обробки термограми, розробка алгоритму процесу прийняття рішень при аналізі складу і управлінні якістю конкретних ливарних сплавів.

Мета, роботи - дослідження процесів кристалізації евтектичних сплавів засобами термічного аналізу, розробка принципів управління службовими властивостями сплавів у твердому стані і на цій основі створення системи експрес-визначення та управління якістю ливарних сплавів.

- розроблено математичну модель, що описує процес твердіння бінарного сплаву і дозволяє по кривій охолодження його проби обчислити відношення теплот утворення фаз до теплоємності сплаву;

- розроблено методику побудови апаратного комплексу установок термічного аналізу і алгоритм первинної обробки кривої охолодження в реальному часі;

- встановлено кількісні взаємозв'язки між результатами термічного аналізу проби розплаву, його складом по основним легуючим компонентам і механічними властивостями, на підставі яких розроблено алгоритми визначення якості, прогнозу властивостей і вибору керуючих впливів на досліджуваний метал;

- розроблено інформаційну модель процесу комп'ютерного термічного аналізу якості ливарних сплавів, формалізовано процес функціонування програмного забезпечення системи в промислових умовах, створено інтерфейс користувача програмної системи і впроваджено її в умовах серійного виробництва.

На^захист виносяться наступні .положення:

- математична модель твердіння проби бінарного сплаву, що дозволяє по термограмі визначити відношення теплот утворення фаз до теплоємності сплаву;

- методика побудови апаратного комплексу системи контролю якості рідких металів і сплавів, що дозволяє оцінити величину допустимої похибки вимірювання температури, роздільної здатності та частоти дискретизації, і на підставі цього оптимізувати апаратну частину;

- встановлені залежності між параметрами кривої охолодження, хімічним складом і прогнозованими механічними властивостями алюмінієвих сплавів Ак7ч, Ак12 і чавуну Сч-21;

- алгоритм функціонування програмного забезпечення системи при збиранні і обробці даних термічного аналізу сплавів.

1. Розроблено методику оцінки точності, роздільної здатності і частоти дискретизації вимірювального каналу системи КТА для аналізу сплавів конкретної металічної системи.

з

2. Для подвійних сплавів розроблено математичну модель кристалізації проби розплаву з урахуванням радіаційного тепловідводу, що дозволяє по кривій охолодження обчислити

відношення теплот утворення фаз до теплоємності сплаву.

- 3. Розроблено алгоритм аналізу і управління якістю ливарних сплавів

на прикладі сірих чавунів, заснований на застосуванні системи КТА.

Практична цінність______pooonu Розроблена система дозволяє

провадити експрес-аналіз хімічного складу, прогноз механічних властивостей ливарних сплавів та, в разі необхідності, рекомендувати відповідні корективи до параметрів плавки, що зменшує брак за рахунок якості рідкого металу.

Методика побудови вимірювально-ресструточої підсистеми дозволяє визначити необхідну точність, роздільну здатність та частоту дискретизації числового вимірювання температури і оптимізувати склад апаратури при побудові систем експрес-контролю якості ливарних сплавів.

Інформаційна модель процесу КТА і узагальнений алгоритм функціонування системи в виробничих умовах є основою програмного

забезпечення установок експрес-контролю якості сплавів

різноманітних металічних систем.

Реалізація у.-промисловості. Система контролю якості чавуну Сч-21 запроваджена у дослідно-промислову експлуатацію у 1993 р. в ливарному цеху No 4 Ярославського моторного заводу (НВО "Автодизель", Росія). Економічний ефект склав до 2-4% від вартості шихти плавки. Вітебським радіотехнічним заводам (Беларусь) випущено серію з 20 промислових установок експрес-аналізу та управління якістю ливарних алюмінієвих сплавів. Економічний ефект від впровадження однієї установки (на прикладі Київського заводу "Радар" склав понад 10 тис.крб./рік у цінах 1988 року ).

Апробація роботи, Основні положення дисертаційної роботи доповідалися у 1983-1996 p.p. на 16 республіканських і міжнародних конференціях і семінарах, у тому числі: РНТК "Сучасна технологія

одержання малопористих відливок і зливків з кольорових металів" (м. Київ, 1983 р.); НТК "Застосування ЕОМ для розробки технологічних процесів ливарництва, проектування оснастки і аналізу якості відливок (м.

Андропов, 1987 p.); НТК "Застосування ЕОМ для розробки технологічних процесів ливарництва, проектування оснастки і аналізу якості відливок” (м. Ярославль, 1987 p.); семінарі "Підвищення якості та інтенсифікація виробництва відливок на основі застосування ЕОМ" (м. Ленінград,

1989р.); НТК "Проблеми кристалізації сплавів і комп'ютерне

моделювання" (м.Іжевськ, 1990 p.); 5-й Міжнародній НТК "Кристалізація і комп'ютерні моделі" (м.Іжевськ, 1992 p.); РНТК "Нові перспективні матеріали і технології в металургії" (м. Київ, 1994 p.), а також на щорічних конференціях і семінарах професорсько-викладацького складу, наукових співробітників і аспірантів НТУУ "Київський політехнічний інститут".

Публікацій За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 29

робіт.

вступу, п'яти розділів, висновків, переліку використаної літератури із 135 найменувань і двох додатків, містить 132 сторінки основного друкованого тексту, 7 таблиць і 39 ілюстрацій.

У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовано цілі і завдання досліджень, основні положення, що виносяться на захист, викладені наукова новітність і практична цінність роботи, стисло описано зміст її розділів.

У першому розділі зроблено огляд засобів аналізу якості розплавів, обгрунтовано застосування термічного аналізу як засобу оперативного контролю їх стану, проведено аналіз функцій існуючих систем аналізу і управління якістю металів і сплавів у рідкому стані на основі термічного аналізу, взаємодії їх програмного забезпечення з оператором.

У другому розділі на основі діаграми станів металічних систем розроблено методику оцінки точності, роздільної здатності вимірювання температури проби, що кристалізується, і частоти реєстрації кривої охолодження з метою досягнення необхідної точності аналізу і прогнозу властивостей металу. Запропоновано методику стабілізації параметрів первинного термоперетворювача, обчислено похибку вимірювального каналу і встановлено апаратну конфігурацію системи КТА.

У третьому розділі описано математичну модель твердіння проби бінарного сплаву, що дозволяє по термограмі визначити відношення

Дисертаційна робота складається із

теплоти утворення фаз до теплоємності сплаву, а також методику і алгоритм числової фільтрації кривої охолодження, що підвищують надійність її автоматичної обробки

У четвертому розділі формалізовано процес функціонування комп’ютерної системи-контролю, якості ливарних сплавів у рідкому стані, розроблено і описано алгоритми її програм. Створено інформаційну модель процесу КТА і на її основі розроблено інтерфейс користувача системи.

У п'ятому розділі за результатами аналізу параметрів твердіння проб і технологічної інформації розроблено математичні моделі визначення хімічного складу і прогнозу властивостей сплавів систем Ліві і Ь'р-О на прикладі сплавів Ак12, Ак7ч і чавуну Сч-21. Перевірено адекватність моделей. Формалізовано процес прийняття рішень при аналізі і управлінні якістю чавуну Сч-21, розроблено його алгоритм. Запропонована схему включення системи експрес-контролю якості в технологічний процес плавки і розливки ливарних алюмінієво-кремнієвих сплавів. Описано результати дослідно-промислових випробувань

системи.

У додатках наведено акти впровадження системи у промисловість та лістинги програмного забезпечення.

Особистий внесок_автора до суміснихлублікацій, Автором розроблено методику оцінки точності, роздільної здатності та частоти дискретизації вимірювального каналу систем експрес-контролю властивостей металічних розплавів; проведено дослідження параметрів первинних термоперетворювачів та запропоновано засоби їх оперативного

калібрування з метою підвищення точності реєстрації температури; розроблена математична модель кристалізації малої проби бінарного сплаву, та алгоритм обчислення теплофізичних параметрів твердіння проби; запропоновано метод первинної обробки кривої охолодження, що дозволило підвищити точність та надійність визначення за термограмою критеріальних параметрів ливарних сплавів у рідкому стані; проведено дослідження кристалізації сплавів систем алюміній-кремній та залізо-вуглець, за результатами яких створено алгоритми та програмне забезпечення експрес-визначення та керування їх якістю; побудовано інформаційну модель процесу комп'ютерного термічного

аналізу промислових ливарних сплавів та на її основі розроблено

програмні засоби взаємодії системи з оператором.

Об'_єкти__та - ..методи ..досліджень, Вихідними матеріалами у

лабораторних дослідженнях системи АІ-Бі використані чистий алюміній марки А99 і сплави на його основі після сплавлення первинних силумінів СИЛ 0, СИЛ 00 і лігатур на основі технічно чистих металів (А1, ї^). Склади промислових сплавів відповідали ГОСТ 1583-89.

При дослідженні сплавів системи Т?е-С провадилось змінення вмісту вуглецю від 2,5% до 4,3% з кроком 0,1% присадкою графітового

порошку (з урахуванням вигорання) і кремнію від 1,5% до 2,7% з кроком

0,1% доданням феросиліцію ФС-75, чим практично було перекрито діапазон вмісту зазначених компонентів у низьколегованих сірих чавунах.

Як промисловий сплав системи Ре-С досліджено сірий

низьколегований чавун Сч-21 ГОСТ 1412-85 із вмістом вуглецю 3,23,5%, кремнію 2,0-2,5%, марганцю 0,6-0,8%, хрому 0,3-0,4%, фосфору не більше, ніж 0,2%. Промислові плавки провадились у ливарному цеху N0 4 Ярославського моторного заводу (Росія), проби на термічний і спектральний аналіз складу та механічні випробування відбиралися із ковша перед заливкою металу в форми.

Хімічний склад проб визначався хімічним і спектральним аналізом у центральних заводських лабораторіях НВО "Радар" (Київ) і ВО "Автодизель" (Ярославль). Визначення межі міцності і відносного подовження провадились згідно з ГОСТ 1497-84.

Термічний аналіз виконувався розробленими з участю автора системами КТА під управлінням програмного забезпечення на мовах Равсаі і РОЕТИАК ЄС і СМ ЕОМ для операційних систем ИТ-ІІ і МЭ БОБ.

Дослідження виконані відповідно до планів робіт НДЛ Управління якістю рідких металів і сплавів кафедри Металознавства, обладнання і технології термічної обробки металів інженерно-фізичного факультету НТУУ "КПІ" по завданню РН.82.04.Ц.02.01.05 Республіканської комплексної науково-

технічної програми "Матеріаломісткість", господарських договорів із НВО "Радар" і ВО "Автодизель", а також ряду робіт у відповідності з програмами ДКНТУ і Міністерства освіти України.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Стандартні засоби контролю якості ливарних сплавів внаслідок

тривалості проведення аналізу не дозволяють оперативно коригувати стан рідкого металу з метою зменшення браку литва, тому є потреба в методиках і відповідному обладнанні, що дають можливість у процесі" плавки —

оперативно визначати хімічний склад сплавів по основним легуючим компонентам, прогнозувати їх механічні властивості і, при

необхідності, надавати своєчасні рекомендації для обробки розплаву з метою отримання відливок гарантованої якості.

Аналіз літературних даних показує, що для цього перспективною є методика термічного аналізу (ТА), коли при • використанні апаратури ТА провадиться моделювання на ЕОМ диференційного термічного аналізу (ДТА) із залученням математичних моделей - тим самим створюється методика комп’ютерного термічного аналізу (КТА). Визначення хімічного складу розплаву та прогнозування його службових властивостей у твердому стані цим методом базується на тому, що хід кривої охолодження відбиває процес структуроутворення при кристалізації. Тому для створення автоматизованої системи контролю і управління якістю різноманітних ливарних сплавів, яка б забезпечувала потрібну точність аналізу та надійність прогнозу, необхідні коректне вимірювання і надійне виділення на кривій охолодження характерних температурних точок і ділянок, обчислення теплот фазових перетворень для подальшого включення їх у відповідні регресійні рівняння. Але до цього часу не було розроблено єдиного методичного підходу до вибору основних параметрів

вимірювального каналу систем КТА: точності, роздільної здатності та

частоти вимірювання (дискретизації). Величини, що пропорційні теплотам фазових перетворень, розраховуються по кривим охолодження за допомогою математичних моделей кристалізації проби. Та до цього часу такі моделі відомі лише для чистого металу і, як показує аналіз, с надто приблизними. Тому підвищення точності прогнозу потребує розробки

математичної моделі кристалізації сплаву.

При проведенні дослідження оператор системи КТА взаємодіє й реальним процесом аналізу проби розплаву за допомогою

інформаційної моделі, що реалізована програмно на ЕОМ. Враховуючи специфіку ливарного виробництва та підготовку персоналу, кожному етапу спілкування людини з ЕОМ повинні відповідати конкретні, наочні, лаконічні і інформативні поняття мови подань і мови дій прикладної програми. Але не існує жодної наукової розробки подібної інформаційної моделі, що задовольняла б вимогам ергономіки робочого місця ливарника.

Таким чином, необхідне створення єдиного підходу до розробки апаратної і програмної підсистем комп'ютерної системи експрес-аналізу і управління якістю ливарних сплавів у рідкому стані. При цьому потрібно розробити методики вибору параметрів вимірювального каналу, виділення характерних точок, ділянок і розрахунку необхідних параметрів по кривій охолодження, а також розробити програмну систему і інтерфейс її користувача, оптимальний з точки зору інформаційної моделі реального процесу аналізу проби рідкого металу засобами КТА у виробничих умовах. Показано, що система експрес-контролю якості ливарних сплавів повинна в процесі плавки мати можливість надання оперативної інформації і рекомендацій для раціональної обробки розплаву з метою підвищення рівня властивостей металу в литому стані.

На основі аналізу діаграм стану бінарних сплавів проведено оцінку необхідної точності вимірювання температури і встановлено, що для систем Ге-С і АІ-ві абсолютна похибка вимірювання повинна бути не більшою, ніж 1,0 град, при температурі розплаву 1423+20К і 913+10К відповідно. При цьому у зоні менших концентрацій основного компоненту потрібні більш точні виміри. Встановлено, що для металічних систем, у яких кут нахилу лінії ліквідує до осі концентрацій менший, вимоги до точності вимірювання температури зростають. В той же час, із зростанням швидкості охолодження проб внаслідок нерівноважності процесу кристалізації і зсуву лінії ліквідує, вимоги до точності виміру температури стають менш жорсткими. Одержані величини точності визначають роздільну здатність, що повинна бути не гіршою, ніж 0,3 град. Це дозволяє надійно розрізняти 15-20 типів термограм при змінах величини рекалесценції в діапазоні 5-6 град.

У процесі дослідження частотного складу термограм

встановлено, що при їх числовій реєстрації частота вимірювань (дискретизації) для Ре-С сплавів повинна бути не меншою, ніж 5,0 Гц, а для А1-ві сплавів - не меншою, ніж 3,0 Гц.

Проаналізовано структуру систематичної і випадкової складових похибки одноразових і багаторазових первинних термоперетворювачів для пробовідбірників, які заливаються або занурюються. Встановлено, що основною причиною похибки вимірювального каналу системи КТА є невідповідність параметрів первинного перетворювача номінальній характеристиці і його теплова інерційність. Запропоновано методику підвищення сходжуваності показань термопар, розроблено калібратор і програмну підсистему автоматичного внесення поправок в параметри термопар для наближення їх характеристик до стандартних. Досліджено постійні часу і обрано параметри захисних елементів термоперетворювачів з мінімальною динамічною похибкою.

На основі ЕОМ "Електроніка МС0502" і ІВМ РС сконструйовано ряд експериментальних установок КТА, що використовують первинні перетворювачі ТПР і ТХА з різноманітними пробовідбірниками, проведено розрахунок приведеної похибки вимірювального каналу системи аналізу якості ливарних АІ-Йі сплавів і чавунів.

При побудові математичної моделі кристалізації проби бінарного сплаву припускалося, що градієнтом температури можна знехтувати, а виділена в процесі кристалізації теплота складається з теплот кристалізації альфа-фази і евтектики. Тоді, інтегруючи рівняння теплового балансу в межах від 1;кр (момент часу початку кристалізації) до одержуємо:

де T(t), Тс, Ткр - температури відповідно: проби в момент часу t,

навколишнього середовища і початку кристалізації альфа-фази; Lj, L,

- питомі теплоти утворення альфа-фази і евтектики; С - питома теплоємність, прийнята однаковою для обох фаз; Vj(t), V2(t) - відносні кількості альфа-фази і евтектики; ©(t-tap) - тета-функція; К1? К2 -

ь.. Vl(t) + e(t -■ Ьі v,(t) = T(t) - T(t„) +

t t

(1)

теплофізичні коефіцієнти, що визначаються по кривій охолодження на дільницях до і після кристалізації.

Вибираючи верхню межу інтегралів а після цього 1=1;тв

(моменти часу початку кристалізації евтектики і закінчення кристалізації

проби), одержуємо вирази для — і —:

С С

Т \Г ХТ І ^кр.евт. ^кр.вят. І

г ІМ • Т»Р--Т»°+Кі /[*(£) "Тс]і#+К, |[Т^)-ТС^ (2)

(3)

мотт - ка

с N..

де Тта - температура кінця кристалізації, ї^,, Ка, N0 -характеристичні точки діаграми станів.

Вирази (1), (2) і (3) складають математичну модель

кристалізації досліджуваного об'єму бінарного сплаву, за допомогою якої по кривій охолодження можна визначити кінетичні параметри кристалізації і величини, пропорційні теплотам утворення фаз.

Аналіз складу частотного спектру кривих охолодження дозволив розробити ефективний числовий фільтр, який у режимі реального часу відсіює шуми квантування і перешкоди, підвищуючи точність і надійність визначення характерних точок термограм. По первинній послідовності часового ряду кривої охолодження будуються дві допоміжні послідовності медіанних значень по п'яти і трьом точкам, після чого провадиться їх згладжування за допомогою оптимально підібраних віконних функцій.

Розроблено інформаційну модель процесу КТА в промислових умовах, яка пропонує інформацію в наочній, узагальненій і концентрованій формі, чим забезпечується цілісне сприйняття оператором реальної ситуації і можливість прогнозу обставин при аналізі проби. Управління системою КТА здійснюється засобами меню інтерфейсу користувача, створеного на основі моделі і реалізованого

С

N..

■ї*„

тта. - ТКР + К, }[т(|) - Тс]с1£ + К2 ][Г(£) - Тс4]сІ£

керуючою програмою з функціями оболонки, що об’єднує окремі програмні підсистеми.

Підсистема збору даних виконує реєстрацію кривої охолодження проби розплаву, провадить числову фільтрацію, відсіювання хибних . відліків і формування її у вигляді часового ряду значень змінної температури. ” - - - ----------

Підсистема обробки термограми визначає точки початку і кінця кристалізації, обчислює величини, пропорційні теплотам кристалізації альфа-фази і евтектики, формує по кривій охолодження критеріальний набір параметрів якості досліджуваного металу, залежний від типу сплаву і вимог, що пред'являються до результатів аналізу.

У підсистемі аналізу, прогнозу і управління по набору критеріальних параметрів розраховується хімічний склад, здійснюється прогноз механічних властивостей сплаву в литому стані. Блок прийняття рішень оцінює відповідність аналізованого металу встановленим вимогам і, в разі необхідності, передає управління до блоку визначення керуючих дій, завданням якого є формування і подання рекомендацій по доведенню розплаву до стану, що гарантує потрібні властивості.

Сервісна підсистема виконує контроль цілісності апаратно-програмного комплексу та реалізує функції інформаційного забезпечення -виконує вивід результатів аналізу якості і прогнозу властивостей сплаву та рекомендацій щодо управління його властивостями.

Для експрес-визначення вмісту основних компонентів побудовано регресійпі рівняння. Розроблено ітераційний спосіб визначення змісту С і ві в чавунах по температурам ліквідує (ТІ) і солідус (Тз). Для сплавів Лк12 і Ак7ч одержано рівняння зв'язку вмісту кремнію з температурним інтервалом ТІ-Тз. При вмісті М£ понад 0,2% у сплаві Ак7ч зафіксовано стійкий локальний максимум першої похідної температури на дільниці формування евтектики АІМ^Зі-Бі при температурі Тт£. Одержане рівняння зв’язку вмісту магнію і температурного інтервалу Та-Тшй'. При вмісті Ре понад 0,6% у сплаві Ак7ч на похідній кривої охолодження не дільниці кінця кристалізації твердого розчину починає формуватись локальний максимум, що відповідає утворенню нерівноважно:

евтектики а+А13Ее. Збільшення вмісту заліза призводить до його зміщення в зону більш високих температур, практично без зміни

амплітуди. Таким чином, одержано можливість визначення вмісту заліза

на рівні порогових величин.

На прикладі сплаву Ак7ч, модифікованого Бг, розроблено метод оцінки ступеню модифікованості алюмінієвих сплавів по зміні

рекалесценції на ділянці початку утворення евтектики і різниці Те

немодифікованого і аналізованого сплаву, яка збільшується від нуля при немодифікованому металі до 9 град при вмісті стронцію понад 0,15%. Одержано рівняння зв'язку між мірою модифікованості, температурою евтектичної рекалесценції і зміною Та. Розроблено алгоритм автоматичної оцінки ступеню модифікованості АІ-Бі-ІУ^ сплавів.

Методика прогнозу механічних властивостей А1-ві сплавів у литому стані заснована на розрахунку межі міцності, відносного подовження і твердості за допомогою нелінійних регресійних рівнянь, що включають розрахункові величини вмісту Бі, і Ее, одержані внаслідок

термічного аналізу, а також величину евтектичної рекалесценції. Для оцінки рівня межі міцності і твердості чавунів рівняння містять ТІ, Те, температуру, відповідну максимуму швидкості кристалізації евтектики, приховану теплоту кристалізації евтектики, розрахунковий зміст вуглецю, їх квадрати та ефекти.

Розроблено схему включення процесу КТА в промислову технологію плавки і розливки силумінів. У ливарному цеху Київського НВО "Радар” впроваджено систему КТА для аналізу і управління якістю сплавів Ак7ч і Ак12, технологічна зона дії якої охоплює плавильні і роздавальні печі. Установка пройшла заводські іспити і метрологічну атестацію.

Створено алгоритм управління властивостями чавуну Сч-21, заснований на ітераційному розрахунку складу і моделюванні критеріальних елементів термограми. Керуючими діями для оптимізації властивостей є зміна складу по вуглецю і кремнію. Система КТА, що реалізує алгоритм, встановлена в ливарному цеху Ко 4 Моторного заводу Ярославського ВО "Автодизель" (Росія).

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. На підставі аналізу рівноважних діаграм стану розроблено методику визначення необхідної точності вимірювання температури при

термічному аналізі сплавів різноманітних металічних систем. Встановлено, ..що....для систем Ее-С і АІ-Бі абсолютна похибка вимірювання повинна бути не більшою, ніж 1,0 град, "при " роздільній здатності не гіршій, ніж 0,3 град. Дискретність по часу при реєстрації термограми визначається частотним складом термограм на дільницях з максимальним прискоренням зміни температури, і для аналізу Ее-С сплавів повинна бути не меншою, ніж 5, а для АІ-ві сплавів - не меншою, ніж 3 виміри в секунду.

2. Розроблено математичну модель твердіння проби бінарного сплаву, іцо дозволяє по термограмі визначити відношення теплот утворення фаз до теплоємності сплаву, швидкість зростання твердої фази і її відносний обсяг у кожний момент часу на етапі кристалізації.

3. Запропоновано та реалізовано алгоритм числової фільтрації термограм у реальному часі, що підвищує точність і надійність визначення параметрів кристалізації. Це дозволило виділити в автоматичному режимі температури початку і кінця кристалізації проби металу в цілому і його окремих фаз, відповідні температурні інтервали і далі зіставити їх із змінами хімічного складу по основним легуючим компонентам і отупінню модифікованості.

4. Для ливарних сплавів одержані рівняння, що зв'язують температури ліквідує, солідус, температуру утворення магнієвої евтектики і склад по основним легуючим компонентам. За допомогою них система КТА визначає вміст вуглецю з абсолютною похибкою до 0,1% і кремнію до 0,15% в чавунах, а також кремнію з абсолютною похибкою до 0,3% і магнію до 0,05% в АІ-Бі сплавах.

5. У сплаві АІ-Єі-Мд на кривій першої похідної термограми виявлено локальний максимум, пов'язаний з формуванням залізистої евтектики а+А13Ее, що дозволило засобами КТА по відповідній йому температурі визначити порогові величини вмісту заліза, починаючи з

0,6% (по масі) для вироблення рекомендацій щодо лиття в піщану форму, кокіль і під тисненням.

6. Одержано рівняння зв'язку хімічного складу, температур ліквідує, солідус і евтектичної рекалесценції, а також теплоти утворення евтектики з межею міцності чавуну і АІ-Єі сплавів, твердістю чавуну і відносним подовженням АІ-Єі сплавів, що дозволяють прогнозувати механічні властивості металу в процесі його плавки.

7. Встановлено зміни елементів термограми при

модифікуванні сплаву АІ-Єі-М^. Побудовано алгоритм

автоматизованої класифікації металу по ступеню модифікованості в залежності від температури евтектичної рекалесценції і різниці температур солідус немодифікованого і модифікованого сплаву.

8. Розроблено інформаційну модель промислового процесу КТА, і на її основі створено інтерфейс користувача, алгоритм функціонування системи в умовах виробництва і схема її включення в промислову технологію.

9. Результати проведеної роботи використані при розробці і випуску промислової серії інформаційно-вимірювальних комплексів для аналізу і управління якістю алюмінієвих сплавів, а також системи контролю якості чавунів.

ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ВИКЛАДЕНО В НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ:

1. Бялик О.М., Голуб Л.В., Пиковский В.С., Шаповал А.И. Математическая модель затвердевания пробы для экспресс-анализа качества литейных сплавов методом термического анализа // Литейное производство. -1989. - N0 10. - С. 12-13.

2. Бялик О.М., Голуб Л.В., Доний А.Н., Шаловал А.И. Применение компьютерной системы контроля качества расплавов // Литейное производство.

- 1996.- N0 2. - С. 28-30.

3. Бялик О.М., Алексеев В.Ю., А.Н.Доний, Шаповал А.И. Повышение точности прогноза качества литого металла цифровой обработкой термической кривой охлаждения // Повышение качества и интенсификация производства отливок на основе применения ЭВМ. - Л.: ЛДНТП. - 1989. - С. 64-67.

4. Доний А.Н., Алексеев В.Ю., Шаповал А.И. Определение моментов начала и конца кристаллизации на термической кривой охлаждения // Сб.научн. трудов НТК "Прогрессивные литейные технологии и материалы". -Киев: ИПЛ АН УССР. - 1990. - С. 4-9.

5. Бялик О.М., Доний А.Н., Пиковский B.C., Шаловал А.И. Компьютерный термический анализ и управление качеством расплавов // Сб. науч. и мет. трудов. Киев: КПИ. - 1994,- С. 15-20.

6. Бялик О.М., Смульский A.A., Пиковский B.C., Голуб JI.B., Шаповад

А.И. .Вычислительный комплекс для управления качеством алюминиевых сплавов // Технология и организация производства. - 1986. - No 2. - С. 32-33.---- --

7. Доний А.Н., Шаповал А.И. Математическое моделирование

кристаллизации в компьютерном термоанализе // Тез. докл. V Междунар. IITK "Кристаллизация и компьютерные модели". - Ижевск: УГУ. - 1992. - С. 2931.

8. Бялик О.М., Доний A.H., Шаповал А.И., Алексеев В.Ю.

Методические особенности построения измерительного канала компьютерных систем термического анализа литейных сплавов // Тез. докл. Респ. семинара "Контроль литейных процессов, формовочных материалов и качества отливок". -Киев: УДЭНТЗ, 1993. - С. 23-24.

9. Доний А.И., Янов А.Н., Шаповал А.И., Алексеев В.Ю.

Автоматизированная система научных исследований

термоаналитического эксперимента // Тез. докл. Респ. семинара "Контроль литейных процессов, формовочных материалов и качества отливок". - Киев: УДЭНТЗ, 1993. - С. 26-28.

10. Доний A.H., Шаповал А.И. Методика определения точностных

параметров цифрового канала систем компьютерного термического анализа (КТА) чугунов //Тез. докл. конф. "Новые перспективные материалы и технологии в металлургии". - - Киев: УДЭНТЗ. - 1994. - С. 6.

В роботах, що опубліковані сумісно, пошукачу належать постановка задачі, основні наукові розробки та головні результати досліджень.

В отриманні окремих результатів досліджень приймав участь д.т.н.

М.В.Кіндрачук.

Здобувач

О.І.Шаповал

АНОТАЦІЯ

Шаповал О.І. Система експрес-контролю якості рідких металів та сплавів на основі термічного аналізу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.04 - ливарне виробництво. - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 1997.

Дисертація присвячена питанням побудови систем експрес-

контролю якості ливарних сплавів на основі термічного аналізу із застосуванням ЕОМ. Розроблено методику визначення параметрів вимірювального каналу та первинної обробки термограми. Побудовано математичну модель кристалізації бінарного сплаву, встановлено взаємозв'язки між елементами кривих охолодження, хімічним складом і властивостями алюмінієво-кремнієвих сплавів та чавунів. Основні результати роботи знайшли застосування при створенні та впровадженні в промисловість ряду систем аналізу якості ливарних сплавів.

Ключові слова: термічний аналіз, якість, рідкий метал, кристалізація, властивості. .

АННОТАЦИЯ

Шаповал А.И. Система экспресс-контроля качества жидких металлов и сплавов на основе термического анализа. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.04 - литейное производство. -

Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 1997.

Диссертация посвящена вопросам построения систем экспресс-контроля качества литейных сплавов на основе термического анализа с применением ЭВМ. Разработана методика определения параметров измерительного канала и первичной обработки термограммы. Построена математическая модель кристаллизации бинарного сплава, установлены взаимосвязи между элементами кривых охлаждения, химическим составом и свойствами алюминиево-кремниевых сплавов и чугунов. Основные результаты работы нашли применение при создании и внедрении в промышленность ряда систем анализа качества литейных сплавов.

Ключевые слова: термический анализ, качество, жидкий металл,

кристаллизация, свойства.

SUMMARY

Shapoval O.I. The Liquid Metals and Alloys Quality "On-the-Spot"

Control System on the Thermal Analysys Base. - Manuscript.

Thesis for a scientific degree of a Technical Sciences Candidate by speciality 05.16.04 - foundry. - National Technical University of Ukraine "Kyjiv Polytechnical Institute", Kyjiv, 1997.

The dissertation is devoted to design of computer-aided "on-the-spot" casting alloys quality control systems on the base of thermal analysis. The methods of measuring channel parameters definition and cooling curve primary processing were developed. The binary alloy crystallisation process mathematical model was created and correspondences between cooling curves, chemical compound and properties of Aluminium-Silicon alloys and casting irons were established. The main results of the work have found an utility in several casting alloys quality control systems design and industrial implementation.

Key words: thermal analysis, quality, liquid metal, crystallisation,

properties