Témata
Reklama

Optimalizace výroby těžkých kovářských ingotů

Těžké kovářské ingoty jsou využívány zejména v těžkém strojírenství, např. pro výrobu zalomených klikových hřídelí pro lodní motory či speciálních dílů pro energetiku – jak pro klasickou, tak i jadernou (turbíny, výměníky, parogenerátory). Výroba těžkých kovářských ingotů je doprovázena výskytem segregací jednotlivých prvků ve struktuře oceli, které způsobují anizotropii mechanických vlastností. Ovšem v případě těchto strojírenských komponent musejí být tyto součásti prakticky bez vad, aby splnily nejnáročnější požadavky.

V posledních letech byla řešena řada vývojových projektů s cílem optimalizace těžkých kovářských ingotů. Konečným cílem je výroba ocelového ingotu s minimem defektů, tj. s minimálním rozsahem pórozity a makrosegregací. Pro dosažení těchto cílů byly ve společnosti Vítkovice Heavy Machinery realizovány provozní experimenty pro zjištění současného stavu rozložení těchto vad. Ve spolupráci se společností Mecas ESI byly realizovány numerické simulace odlévání a tuhnutí těžkých kovářských ingotů s využitím softwaru ProCAST.

Reklama
Reklama
Reklama

Odlévání těžkých kovářských ingotů

Výsledný tvar ingotu je určen tvarem kokily, do které je tekutá ocel odlévána. Ingoty jsou odlévány buď spodem za atmosférického tlaku, nebo horem do vakua. Kovářské ingoty jsou nejčastěji osmi- nebo šestnáctihranné. Základními charakteristickými rozměry těchto ingotů jsou střední průměr ingotu (D), jeho výška (H), poměr této výšky k jeho střednímu průměru, tj. H/D, úkos stěny ingotu. Kvalita ingotu je ovlivněna nejvíce těmito základními parametry, stejně tak jako objemem hlavy ingotu, která má za úkol dosazovat tekutou ocel do těla ingotu během jeho tuhnutí. Pro zjištění aktuálního stavu rozložení vad v těžkém kovářském ingotu byl odlit devadesátitunový kovářský ingot, který byl následně rozřezán a podroben analýze. Pro tento experiment byla zvolena uhlíková konstrukční ocel S355J2G3. Tato ocel se odlévá při teplotě přibližně 1 560 °C. Ingot byl vystripován z kokily po 20 hodinách od jeho odlití. Teplota povrchu ingotu byla od cca 530 °C do 730 °C. Celý průběh odlévání a tuhnutí ingotu byl snímán termokamerou, viz obr. 1 a obr. 2. Výsledky měření teplotního pole získané pomocí termokamery byly porovnány s výsledky numerických simulací a byly využity pro zpřesnění těchto simulací. Po řízeném vychlazení byl ingot rozřezán a byla provedena řada analýz.

Obr. 1 Licí sestava pro lití devadesátitunového ingotu (vlevo) a snímek z termokamery zachycující průběh tuhnutí ocelového ingotu (vpravo)

Výsledky analýz

Baumannův otisk ukázal vyšší koncentraci síry v horní a středové části ocelového ingotu. Ve spodní části ingotu byly segregace síry minimální. Penetrační test ukázal pórozitu zejména v horní části ingotu, zatímco ve spodní části nebyla zaznamenána. Dále byla zjištěna výrazná segregace zejména v případě uhlíku, fosforu a síry. Obsah těchto prvků se zvyšoval směrem zespod nahoru a od stěny ingotu k jeho středu. V místě maximální segregace uhlíku byl jeho obsah o 50 % vyšší, než byl tavební obsah tohoto prvku (0,30 % vs. 0,20 %). Mikročistota oceli byla na velmi dobré úrovni. Větší koncentrace oxidických vměstků byly zjištěny v horní části ingotu.

Numerické simulace

V rámci numerických simulací byly prověřeny různé varianty tvaru ingotu a jejich vliv kvalitu ingotu (rozsah pórozity a makrosegregace). Upravovány byly zejména charakteristické parametry ingotu, přičemž jeho hmotnost byla stále konstantní.

Obr. 2 Devadesátitunový ocelový ingot po vystripování z kokily (vlevo) a snímek z termokamery (vpravo)

Výsledky simulací

S rostoucím úkosem stěny ingotu se snižuje rozsah středové pórozity. Při úkosu 7–10 % je téměř nulový. Vliv na průběh tuhnutí ingotu má také tloušťka stěny kokily. Zvýšením počtu hran ingotu z 8 na 16 dojde k zrovnoměrnění vznikající licí kůry a ke snížení napětí na povrchu ingotu, které by mohlo způsobit vznik povrchových trhlin, a snížením poměru výšky ingotu k jeho střednímu průměru (H/D) se sníží také rozsah „A“ segregací, které jsou zejména nežádoucí při výrobě výkovků typu kladek, desek.

Nejpříznivější varianta

S využitím numerických simulací odlévání a tuhnutí těžkých kovářských ingotů bylo prověřeno několik možných variant jejich tvaru. Pro výrobní praxi byla zvolena nejpříznivější varianta tvaru ingotu taková, při které bylo dosaženo nejlepší vnitřní kvality. Na základě provedené analýzy a numerických simulací se pro těžké kovářské ingoty o hmotnosti 40 až 200 tun jeví jako nejlepší varianta ta, kdy bude poměr výšky ingotu k jeho střednímu průměru v rozmezí 0,95 až 1,15, úkos stěny ingotu 7 % až 10 % a šířka stěny kokily se bude rozšiřovat směrem dolů, kde u spodní podstavy dosáhne až 25 % středního průměru kokily. Počet hran ingotu bude 16. Toto technické řešení je chráněno užitným vzorem č. 26739. Dalším možným vývojem v oboru odlévání kovářských ingotů je využití bramového ingotu pro výkovky typu desek, což lze velmi vhodně využít v případě kování nástrojových ocelí. V případě tohoto typu ingotu budou makrosegregace jednotlivých prvků nižší než v případě klasického kovářského ingotu. Je třeba však zvolit vhodný úkos jeho stěny.

Ing. Pavel Machovčák, Ph.D.

Vítkovice Heavy Machinery

pavel.machovcak@vitkovice.cz

www.vitkovice.cz

Reklama
Vydání #6
Kód článku: 150652
Datum: 03. 06. 2015
Rubrika: Monotematická příloha / Slévárenství
Autor:
Firmy
Související články
Dispečink na telefonu v dlani jedné ruky

Až čtyřicet pět procent z celkových nákladů na provoz slévárny tvoří spotřebovaná energie. Řešení, které umožňuje efektivně nastavovat využití energie v reálném čase podle potřeby jednotlivých zakázek, tak uspoří deset až patnáct procent její celkové spotřeby.

Unikátní technologie 3D tisku písku

3D tisk písku neboli sandprint je technologie, která byla vyvinuta primárně pro výrobu pískových forem pro odlévání kovů.

Nové trendy v technologii výroby slévárenských forem

V současné době stojíme na historickém prahu změny jednoho z fundamentů slévárenské výroby, protože technologicky jsme schopni vyrábět odlitky bez nutnosti zhotovit modelové zařízení a každý odlitek tedy vyrobit jako originál.

Související články
Automatické formování

V polovině šedesátých let byl na výstavě GIFA v Německu poprvé vystaven průkopnický vertikální formovací stroj, schopný vyrábět daleko více vysoce kvalitních pískových forem za hodinu než do té doby výhradně používané tradiční horizontální stroje, a to při mnohem nižší spotřebě energie a v mnohem menším prostoru. Tehdy byl položen základ stroje, který dodnes představuje vysoké průmyslové standardy v kvalitě, přesnosti, rychlosti a efektivitě nákladů.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Přesně lité odlitky ze superslitin na bázi niklu a kobaltu

Článek se ve stručnosti zabývá historií slévárny v První brněnské strojírně ve Velké Bíteši, výrobním programem a užívanými materiály. Rovněž je uveden přehled výrobního zařízení pořízeného v rámci čtyř inovačních programů. Je zde i zmínka o úzké spolupráci s výzkumnými ústavy a vysokými školami.

Technologie pro zpracování druhotného odpadu

Tváří v tvář současným náročným ekonomickým podmínkám závody na zpracování hliníku napříč celou Evropou hledají lepší a efektivnější způsoby, jak zpracovat druhotný kovový odpad. Z finančního hlediska je to logické, ale přináší to kromě zajímavých možností také komplikace.

Odlitek nebo výkovek - vždy perfektně tryskaný

Rozmanitost slévárenských a kovárenských technologií vyrábějících díly nezná mezí. U výkovků a odlitků jsou nepostradatelnými pracovními procesy odstranění okují, písku a jader a tryskání pro sjednocení povrchu. Zvláště pro tyto průmyslové účely byly vyvinuty různé koncepty tryskacích zařízení na míru – včetně automatizace.

Slévárna navýší kapacitu výroby

Uplynulý rok 2015 byl ve slévárně Kovosvitu MAS obdobím řady důležitých změn a rozhodnutí.

Slévárna, která exportuje také na západní trhy

Díky téměř stomilionové investici a včasné diverzifikaci výroby jsou nyní pro slévárnu Kovosvitu MAS hlavními exportními partnery Německo, Švýcarsko a Anglie.

Vysoce přesné odlitky pro energetiku

V dnešní době je kladen důraz na dodávky přesných odlitků vyráběných metodou vytavitelného modelu, u kterých nebude nutné provádět již další operace obrábění. Za posledních pět až sedm let se požadavky na relativní přesnost odlitků zvedly několikanásobně.

Keramická jádra v technologii lití hliníkových slitin na vytavitelný model

Používání keramických jader pro odlitky lité na vytavitelný model je běžná praxe u odlitků ze superslitin a ocelí, zvláště pak u odlitků pro náročné aplikace v leteckém a energetickém průmyslu. Tato jádra jsou vyráběna technologií vstřikolisování směsi keramických komponent a vosků do kovových forem. Jádra se následně pálí v zásypu v keramických pouzdrech. Během výpalu dochází k vyhořívání vosku a ke vzniku keramické vazby.

Technologie DMLS - 3D tisk kovů

Moderní technologie vyrábějící 3D objekty přímo z 3D CAD modelů zažívají v posledních letech obrovský rozmach, který svědčí o tom, že se podařilo výrobcům 3D tiskáren dosáhnout kvality a efektivity procesů tak vysoké, že dnes již směle konkurují dlouhodobě zavedeným konvenčním výrobním postupům a mnohdy je dokonce předstihují. Uvedená skutečnost platí dvojnásob pro 3D tisk kovů, který je široce uplatňován v rozmanitých oborech výroby od průmyslu až po zdravotnictví.

Ocelové město a CO2

Co Jules Verne nemohl tušit… Nebo mohl? Zlého profesora nechává umřít na zadušení kysličníkem uhličitým…

Fórum výrobních manažerů

Jak se odráží ve vaší výrobě stále přetrvávající nedostatek materiálových vstupů? Jak to ovlivňuje chod vaší firmy, plánování průchodu zakázky výrobou? Navýšení cen surovin musíte pravděpodobně promítnout do výsledných cen vašich produktů. Jak na to reagují odběratelé?

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit