Спосіб термічного аналізу рідкого чавуну

Реферат: Винахід належить до галузі ливарного виробництва. Спосіб термічного аналізу рідкого чавуну включає одержання у цифровому форматі термічної кривої охолодження зразка чавуну, що підлягає аналізу, та кривих охолодження референсних зразків чавунів із заздалегідь визначеними властивостями, використання для аналізу тільки ділянки евтектичного затвердіння чавуну кривих охолодження, мультиплікування - зміна довжини кривої, яку аналізують, та кожної із референсних кривих вздовж осі часу на евтектичній ділянці затвердіння, виконання аналізу відбирання проб за допомогою стаканчика-пробовідбірника занурення, а усереднений критерій  розпізнавання міри подібності форми кривих охолодження зразка, що підлягає аналізу, та референсного зразка, що складається із середньоарифметичної різниці температур цих кривих на евтектичній ділянці затвердіння чавуну, та двостороннього довірчого інтервалу для Z, розраховують за відповідною формулою. Винахід дозволяє швидко та точно UA 113333 C2 (12) UA 113333 C2 спрогнозувати технологічні та експлуатаційні властивості чавунів. UA 113333 C2 5 10 Винахід належить до галузі ливарного виробництва та металургії, а саме до технології експрес-контролю якості рідкого чавуну на етапі від виплавки до заливки ливарних форм. З рівня техніки відомий спосіб термічного аналізу рідкого чавуну [1], згідно з яким кількісна експрес-оцінка якості чавунного розплаву виконується у цифровому форматі за допомогою визначення міри подібності форми термічної кривої зразка чавуну, що підлягає аналізу, та групи накопичених в електронній базі кривих охолодження референсних (довідкових) зразків чавунів із заздалегідь визначеними властивостями. Кількісне визначення міри подібності форми кривих охолодження зразків чавунів, що підлягає аналізу, та референсних, здійснюється за допомогою спеціального критерію розпізнавання  , С:  Ti  S, (1)  n при цьому: Ti  Ti  Ti' (2), 1  T  T 2  2 S   i  (3) n 1     T  15  Ti , (4), n де: Ti – часовий крок термічної кривої охолодження від початку до кінця затвердіння сплаву, включаючи ділянки первинного та евтектичного затвердіння; Ti , Ti' – миттєві значення температур ( С) в один і той самий момент часу двох порівнюваних кривих охолодження; S – стандартне відхилення (середньоквадратична похибка вимірювань) n – кількість точок термічних кривих охолодження, що порівнюються.  Ti являє собою абсолютну середньоарифметичну різницю У формулі (1) величина n температур кривих охолодження: що аналізується, та референсної на всій ділянці затвердіння. Чим менша величина критерію розпізнавання  , тим більш подібна форма двох порівнюваних о 20 25 кривих на ділянці затвердіння чавуну. Коли критерій  є мінімальним або дорівнює нулю, то дві криві, що порівнюються, становлять найбільш подібну або абсолютно подібну по формі пару і у цій парі властивості чавунів вважаються однаковими. При цьому для здійснення аналізу використовують стаканчик-пробовідбірник наливного типу. Істотним недоліком вказаного способу є те, що між критерієм  референсного зразка чавуну та необхідними властивостями зразку чавуну, що підлягає аналізу, немає однозначного 30 зв'язку. При одній і тій самій величині критерію  показники властивостей порівнюваних зразків чавуну істотно відрізняються. За експериментальними даними самих розробників вищевказаного способу [2, с.432-433] показник відмінності ступеня сфероїдизації графіту в чавунах із кулястим графітом змінюється у межах від 0 до 15 % при   10 C та від 5 до 27 % при   30 C . В сірих чавунах з пластинчастим графітом різниця відносного вмісту графіту типу А змінюється у межах 20 – 45 % 35 40 45 при   10 C та від 37до 80 % при   20 C . Таким чином, внаслідок надмірного розкиду даних очікуваний технічний результат при використанні аналога не досягається. Негативний результат відомого з рівня техніки способу обумовлений дією одразу декількох факторів. По-перше, під час здійснення аналізу ігнорують сильну теплову різницю етапів первинної та евтектичної кристалізації чавуну. Ці етапи помилково включені в аналіз як рівнозначні. В дійсності, за даними [3], на етапі кристалізації первинного аустеніту виділяється 51 кДж/кг латентної (прихованої) теплоти кристалізації, а на етапі кристалізації стабільної евтектики (графіт плюс евтектичний аустеніт) - 179 кДж/кг, тобто в 3,5 разу більше. Така значна різниця тепловиділення має наслідком більш швидке проходження теплового фронту затвердіння первинного аустеніту крізь спай термопари та викликає відповідне зниження температури, а значить і збільшення критерію  . По-друге, введення показника стандартного відхилення в формулу (1) взагалі неприпустиме в силу того, що стандартне відхилення характеризує лише точність результату, а сам числовий 1 UA 113333 C2 результат вимірювань, який забезпечується описаним способом, характеризується середнім арифметичним [4]. Внаслідок помилкового введення показника стандартного відхилення в 5 10 15 20 формулу (1), тобто у склад критерію розпізнавання, величина критерію  значно підвищується, що неминуче обмежує або навіть виключає можливість використання цього критерію для отримання достовірного результату термічного експрес-аналізу. По-третє, значний розкид результатів способу розпізнавання форми кривих за допомогою критерію  викликаний використанням у аналізі невідповідного типу стаканчикапробовідбірника, а саме пробовідбірника наливного типу. Наливні стаканчики - пробовідбірники мають наступні недоліки, які суттєво спотворюють результати термічного експрес-аналізу [5]: значні втрати температури рідкого чавуну (до 50 С); непостійність об'єму заповнення стаканчика рідким чавуном; окиснення струменя чавуну та захоплення ним повітря; нестабільність вимірювань та недостатня дозвільна здатність кривих охолодження. Відомий також, вибраний за найближчий аналог, спосіб термічного аналізу рідкого чавуну [6], який включає: використання для термічного аналізу тільки ділянки евтектичного затвердіння чавуну (ділянка первинного затвердіння виключається); мультиплікування (зміна довжини) кривих, а саме, кривої що підлягає аналізу та референсних кривих, вздовж осі часу таким чином, що довжина кривих на ділянці, що підлягає порівнянню, стає однаковою; знаходження критерію  розпізнавання форми кривих охолодження, який обчислюється за базовою формулою (1); знаходження міри подібності форми порівнюваних мультиплікованих кривих (тієї, що аналізується, та референсної) за допомогою критерію  . При цьому для здійснення аналізу використовують стаканчик-пробовідбірник наливного типу. До істотних недоліків вказаного способу можна віднести три причини, що унеможливлюють отримання очікуваного технічного результату при використанні найближчого аналога. 25 30 35 40 45 50 Перша причина - це обчислення критерію розпізнавання  за помилковою базовою формулою (1), оскільки, як вже вказувалось вище, формула (1) непридатна для рішення задачі мінімізації величини критерію розпізнавання. Друга причина - це використання у найближчому аналогу стаканчика-пробовідбірника наливного типу, непридатність якого для забезпечення очікуваного технічного результату вказана вище. Задачею запропонованого винаходу є створення швидкого та високоточного способу термічного аналізу рідкого чавуну, що може бути використаний для оперативного прогнозування технологічних та експлуатаційних властивостей (хімічного складу, структури, ливарних, фізикомеханічних та інших властивостей) чавуну у виробництві виливків різного призначення. Вказана задача вирішується шляхом створення способу термічного аналізу рідкого чавуну, що полягає у використанні запропонованого авторами нового критерію розпізнавання форми кривих охолодження  та використання стаканчика-пробовідбірника типу занурення, застосування яких дозволяє однозначно досягнути мінімізації розкиду критерію у межах зменшеного двостороннього довірчого інтервалу. Для кількісної оцінки розкиду величини критерію  введена статистична характеристика – двосторонній довірчий інтервал:  t  n   n , (5) де, t  - критерій Стьюдента для заданої ймовірності (надійності) виводу; n - число вимірювань;  - стандартне відхилення (середньоквадратична похибка вимірювань). Вказаний вище двосторонній довірчий інтервал (5) – це інтервал, границі якого є функціями від вибіркових даних та який накриває дійсне значення критерію  , що підлягає оцінюванню, із імовірністю не менше 1-α (де 1-α довірча імовірність). В цілому розрахункова формула усередненого критерію  має вигляд: n    T1i  T2i  n  t  n   n , (6) i1 де T1i та T2i – миттєві значення температур (С) в один і той самий момент часу двох порівнюваних мультиплікованих кривих охолодження; n - кількість порівнюваних точок кожної пари кривих охолодження, що співставляються; 2 UA 113333 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 t  - критерій Стьюдента для заданої достовірності (надійності) виводу;  - стандартне відхилення (середньоквадратична похибка вимірювань). Стабільність результатів вимірювань тависока дозвільна здатність кривих охолодження як умова забезпечення очікуваного технічного результату гарантується використанням пробовідбірника типу занурення, вільного від недоліків пробовідбірника наливного типу. Це дозволяє мінімізувати окиснення чавуну та одночасно прогріти пробовідбірник, усуваючи тим самим будь-який сторонній вплив на природний темп затвердіння чавуну, спрощує процедуру відбору проб, гарантує постійність об'єму заповнення стаканчика, скорочує втрати тепла випромінюванням із відкритої поверхні розплаву незалежно від початкової температури рідкого чавуну, забезпечує однорідний профіль затвердіння проби та більш точне вимірювання температури. Реалізація запропонованого винаходу може бути проілюстрована наступним прикладом. Для досліду було узято по десять зразків чавуну для найближчого аналога та винаходу. Хімічний склад чавуну всіх зразків був однаковим (3,2 %С, 1,8 %Si, 0,5 %Mn, 0,1P, 0,12 %S). Допустима твердість за Бринелем (НВ) згідно з ГОСТ 1412-85 для всіх зразків становила не більше 238 (для виливків завтовшки 30 мм). Маса кожного зразка – 400 гр. Початкова температура чавуну – 1420 С. Температуру розплаву вимірювали за допомогою термопари: хромель-алюмель з кварцевим наконечником. Діаметр термоелектродів – 0,3 мм. Проби чавуну відбирали за допомогою металевого теплоізольованого тонкостінного пробовідбірника занурення, який занурювали приблизно на 3 с. у рідкий нелегований чавун доевтектичного складу. За допомогою серії вимірювань температури будували термічні криві охолодження чавуну, що аналізується, та кривих охолодження референсних (довідкових) зразків чавунів. Отримували у цифровому форматі термічні криві охолодження зразка чавуну, що підлягає аналізу та криві охолодження референсних (довідкових) зразків чавунів із заздалегідь визначеними властивостями. Виключали з аналізу ділянки первинного затвердіння чавуну на кривих охолодження, використовуючи для подальшого розрахунку лише ділянки евтектичного затвердіння чавуну кривих охолодження. Здійснювали мультиплікування (зміну довжини) кривої, що аналізується, та кожної із референсних кривих вздовж осі часу на евтектичній ділянці затвердіння таким чином, щоби довжина порівнюваних кривих на цій ділянці стала однаковою. За допомогою критерію розпізнавання міри подібності розраховували форми порівнюваних мультиплікованих кривих. При цьому заздалегідь визначені властивості референсних зразків чавунів, у яких при порівнянні із кожним досліджуваним зразком виявлено найменше значення критерію розпізнавання із усієї сукупності референсних зразків чавунів, приймали за достовірні для усіх досліджуваних зразків. За формулою (6) визначали значення усередненого критерію  розпізнавання міри подібності форми кривих охолодження зразка, що підлягає аналізу та референсного зразка, що складається із середньоарифметичної різниці температур цих кривих на евтектичній ділянці затвердіння чавуну та двостороннього довірчого інтервалу для  . Водночас за формулою (1) розраховували усереднене значення критерію  . За формулою (5) визначали довірчі інтервали критеріїв  та  Обидва критерії були обчислені для надійності висновку 95 %, число точок вимірювання n=40, величина статистичного критерію Стьюдента t  n  1684 . , Результати вимірювань показані у таблиці. Таблиця Середні величини критеріїв розпізнавання Середня твердість та їх довірчі інтервали зразків, НВ Допустима твердість НВ згідно стандарту ГОСТ 1412-85   2,68  0,136, C 221±12 не більше 238   6,66  106, C , 228±43 не більше 238 50 3 UA 113333 C2 Одержані дані вказують, що: по-перше, критерій  , визначений за способом [6], має значення що у 2,5 разу більші, ніж значення критерію, розрахованого за допомогою 5 10 15 20 25 запропонованого способу, а по-друге довірчий інтервал критерію  майже у вісім разів перевищує довірчий інтервал критерію  , розрахованого за допомогою запропонованого способу. Таким чином розкид вимірів показників твердості чавунних зразків визначений за способом [6] в декілька разів перевищує вказаний параметр, розрахований згідно з запропонованим способом. Також слід зазначити, що у випадку запропонованого способу всі показники твердості вклалися в стандартну норму, тоді як у випадку способом [6] майже половина зразків не відповідали вимогам стандарту, як видно із таблиці. ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ: 1. Li Y., Hu X., Xu X. Pattern Recognition on Thermal Analysis. - J.Mater. Sci.Techol. - 2001. Vol. 17, №1. - P.73-74. 2. Li Y., Wang Q. Intelligent evaluation of melt iron quality by pattern recognition of thermal analysis cooling curves. - J. of Materials Processing Technology. - 2005.-161. - P. 430-434/ 3. Захарченко Э.В. Исследование теплот кристаллизации нелегированных чугунов. Автореферат дис. канд. техн. наук. - Киев, 1967. - 19 с. 4. Пустыльник Е.И. Статистические способы анализа и обработки наблюдений. - М.: Наука, 1968. - 288 с. 5. Dawson S., Popelar P. Thermal Analysis and Process Control for Compacted Graphite Iron and Ductile Iron. - 2013 Keith Millis Symposium on Ductile Cast Iron. - 2013. - P. 59-66. 6. WO 2014/094805 A1. International Publication Date 26.06.2014; International Filing Date 21.12.2012. A Method of Analysing An Iron Melt. Volvo Truck Corporation, Sweden. Inventors: Hoseini Hooshyar, Schmid Pal. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 40 45 Спосіб термічного аналізу рідкого чавуну, який включає одержання у цифровому форматі термічної кривої охолодження зразка чавуну, що підлягає аналізу, та кривих охолодження референсних зразків чавунів із заздалегідь визначеними властивостями, виключення з аналізу ділянки первинного затвердіння чавуну на кривих охолодження, використання для аналізу тільки ділянки евтектичного затвердіння чавуну кривих охолодження, мультиплікування - зміна довжини кривої, яку аналізують, та кожної із референсних кривих вздовж осі часу на евтектичній ділянці затвердіння таким чином, щоб довжина порівнюваних кривих на цій ділянці стала однаковою, обчислення за допомогою критерію розпізнавання міри подібності форми порівнюваних мультиплікованих кривих, при цьому заздалегідь визначені властивості одного з референсних зразків чавунів, у якому, при порівнянні із досліджуваним зразком, виявлене найменше значення критерію розпізнавання із усієї сукупності референсних зразків чавунів, приймають як достовірні для зразка чавуну, що підлягає аналізу, при цьому відбір проб для аналізу рідкого чавуну виконують стаканчиком-пробовідбірником, який відрізняється тим, що для виконання аналізу відбір проб здійснюють за допомогою стаканчика-пробовідбірника занурення, а усереднений критерій  розпізнавання міри подібності форми кривих охолодження зразка, що підлягає аналізу, та референсного зразка, що складається із середньоарифметичної різниці температур цих кривих на евтектичній ділянці затвердіння чавуну та двостороннього довірчого інтервалу для Z, розраховують за формулою: n   T 1i  T2i  n  t  n   n, i1 50 де Т1і та Т2і - миттєві значення температур (С) в один і той самий момент часу двох порівнюваних мультиплікованих кривих охолодження, n - кількість порівнюваних точок кожної пари кривих охолодження, які співставляють, tα - критерій Стьюдента для заданої достовірності (надійності) виводу, σ - стандартне відхилення (середньоквадратична похибка вимірювань). 4 UA 113333 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5