Metody badań wyrobów i procesów - laboratorium
TPM2/2 Piotr Przybył Weronika Moniuszko Michał Dymek Tomasz Izydorczyk Arkadiusz Dąbek Kamil Fuz
Data wykonania ćwiczenia: 28.03.13r

METODY STYKOWE

W dzisiejszych procesach odlewniczych i metalurgicznych, pomiary temperatury stosuje się w celu sprawdzenia poprawności przeprowadzonej symulacji komputerowej oraz wyznaczenia rzeczywistej krzywej stygnięcia. Największą zaletą stosowania metod stykowych w pomiarze temperatury jest możliwość jej badania w dowolnym miejscu – zarówno na powierzchni, jak i wewnątrz odlewu.

Podstawowym elementem układu mierzącego temperaturę jest termoelement. Jego działanie oparte jest na zjawisku Seebecka, polegającym na powstawaniu siły elektromotorycznej w obwodzie zawierającym dwa różne metale, gdy ich złącza znajdują się w różnych temperaturach. Powstające napięcie jest proporcjonalne do różnicy temperatur.

Termoelementy podzielone są na 3 grupy: I (-200⁰C do 1200⁰C, brak metali szlachetnych), II (0⁰C do 1600⁰C, platynowo-rodowe) i III(0⁰C do 2200⁰C, wolframowo-renowe). Z kolei grupy podzielone są na typy, różniące się od siebie zawartością poszczególnych pierwiastków. W odlewnictwie staliw i żeliw bardzo popularne są termoelementy typu S (PtRh10-Pt), oraz typu K (NiCr-NiAl).

Podstawowym problemem w stosowaniu termoelementów jest ich inercyjna charakterystyka:

$$G\left( s \right) = \frac{k}{Ts + 1}$$

Z powyższego wzoru wynika, że odpowiedź nie pojawia się w czasie zerowym, lecz z pewnym opóźnieniem, związanym z nagrzewaniem się termoelementu. Długość tego opóźnienia zależna jest od stałej czasowej T.

Jest to wielkość zmienna, zależna od wielu czynników, takich jak:

- średnica drutów i ich skład chemiczny,

- umiejscowienie termoelementu,

- stosowanie osłonek i ich wielkość,

- różnica temperatur pomiędzy drutem, a obiektem badanym.

W trakcie odpowiedzi metal stygnie, więc tracimy pewną ilość danych. Ich liczba jest zależna od stałej czasowej i szybkości stygnięcia odlewu.

PRZEBIEG BADANIA

1. Wybór odpowiedniego typu termoelementu - należy wziąć tutaj pod uwagę: zakres temperatur pracy, czułość, stabilność termiczną, atmosferę pracy oraz oczywiście koszt.

2. Dobór miejsca, w którym termoelement będzie umieszczony (powierzchnia, wnęka formy, masa formierska itp.) – zależne od celu badania.

3. Spojenie obu drutów, lub:

- w przypadku pomiarów powierzchni płaskiej – przyspawanie ich osobno do badanej powierzchni (pojawia się tutaj 3 metal połączony szeregowo – wskazanie na woltomierzu jest różnicą połączenia pierwszego drutu z materiałem i materiału z drugim drutem),

- w przypadku pomiarów powierzchni cylindrycznej – zespojenie ich z przeznaczoną do tego celu taśmą.

Niezwykle ważna jest odpowiednia jakość spoiny.

1. Umieszczenie termoelementu w osłonce – jeśli konieczne.

2. Zamocowanie termoelementu.

3. Podłączenie przewodów kompensacyjnych – należy pamiętać, że muszą posiadać tę samą charakterystykę co termoelement.

4. Zamknięcie obwodu poprzez podłączenie do woltomierza lub innej aparatury pomiarowej. Należy tutaj zwrócić uwagę na odpowiednią biegunowość połączeń i jeśli istnieje taka możliwość, należy sprawdzić poprawność działania.

5. Uruchomienie aparatury, rozpoczęcie badanego procesu, zapis wyników.

ATAS (Adaptive Thermal Analysis System)

ATAS - jest to system kontroli procesu w produkcji odlewów wykorzystujący dwa odrębne systemy PQ-CGI. Pierwszy z nich - PQ-CGI 1 - ma za zadanie ocenę żeliwa wyjściowego oraz obliczenie dokładnych ilości dodatków do obróbki, a drugi natomiast (PQ-CGI 2) służy do kontroli żeliwa finalnego bezpośrednio przy stanowisku zalewczym.

Przy produkcji odlewów opierającej się na systemie kontroli ATAS, wykorzystuje się tzw. kubki Quik-Cups, które zalewane są próbkami żeliwa wyjściowego, a następnie analizowane i oceniane przez wcześniej wspomniany system PQ-CGI. System ten wraz z odpowiednim oprogramowaniem rejestruje po jednej krzywej stygnięcia dla każdego z kubków - te z kolei zostają poddane do analizy jako para. Podczas takiej oceny następuje także dokładny pomiar całkowitego poziomu tlenu jak również właściwości termicznych żeliwa. Na podstawie takiej oceny system proponuje zalecane wielkości dodatków do pieca i do kadzi, a także ocenia całkowity poziom tlenu czy aktywny równoważnik węgla, tak aby uzyskany odlew był możliwie najwyższej jakości.

Próbki do kubków Quik-Cups pobierane są w miejscu, gdzie żeliwo (poddane już wcześniej procesom obróbki) jest przelewane do kadzi zalewczej. Wówczas stanowisko PQ-CGI 2 ocenia procentowy udział żeliwa wermikularnego, a także jest właściwości. Następnie, po uprzednim przeprowadzeniu odżużlania i sprawdzeniu temperatury, kadź transportowana zostaje do strefy zalewczej, gdzie dochodzi do właściwego zalewania formy.

Do zalet korzystania z systemu PQ-CGI zalicza się przede wszystkim minimalną wrażliwość na grubość ścianki oraz powtarzalność (brak konieczności późniejszych modyfikacji) procesu, dzięki możliwości sterowania nim za pomocą komputera. Ponadto, sam proces jest prosty do kontroli i nadzorowania, a dodatki do żeliwa wyjściowego (Sn, Mn czy Cu) mogą być użyte w stosunkowo niewielkiej ilości.