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Matteo Pesci
Arizzi Fonderie S. Giorgio S.p.A.
XXXII Congresso di Fonderia - Brescia, 21/11/2014
OBIETTIVO DEL PROGETTO
• Sfruttare le capacità autoalimentanti della ghisa sferoidale
• Calibrare il simulatore in funzione dei parametri reali di processo (analisi termica)
• Di conseguenza mostrare che la progettazione delle moderne fusioni in ghisa sferoidale non può più basarsi solo sui classici metodi tradizionali (cerchi di Heuvers, moduli geometrici)
• Dimostrare che l’ottimizzazione è possibile solo quando sistemi moderni di simulazione si interfacciano con il controllo di processo
XXXII Congresso di Fonderia - Brescia, 21/11/2014 Matteo Pesci - AFSG.it
SOMMARIO
• Alcuni cenni di teoria
• Progettazione di una prova H per la calibrazione del simulatore
• Colata delle prove H secondo il tipico processo fusorio della Fonderia
• Calibrazione del simulatore con le curve analisi termica
• Un caso pratico: ottimizzazione di un getto di prova
• Sviluppi futuri
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LA TEORIA DIETRO AL PROGETTO • La precipitazione grafitica
• Capacità autoalimentanti della ghisa sferoidale
• Progettazione dei sistemi di alimentazione
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SOLIDIFICAZIONE DELLE LEGHE FERROSE
• La ghisa è una lega dalla metallurgia complessa: • Matrice ferrosa
(austenite)
• Grafite (carbonio)
• Non solo, la presenza di silicio permette la formazione della grafite, infatti…
• Carbonio è solubile nell’austenite al max 2.10% il resto è rigettato a formare grafite
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CAPACITÀ AUTOALIMENTANTI DELLA GHISA SFEROIDALE
• E’ la presenza della grafite che permette la riduzione di materozze e alimentatori se paragonati all’acciaio: • Estrazione della grafite della matrice
metallica
• Esempio: una fusione da 100kg prodotta con tre differenti leghe ferrose
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Da questo esempio teorico la ghisa sferoidale ha
ottime capacità di contrastare il ritiro, ma non sempre
se ne tiene conto in fase di progettazione
PROGETTAZIONE DEI SISTEMI DI ALIMENTAZIONE
• Principi tradizionali della progettazione
• Cerchi di Heuvers
• Moduli geometrici
• Moduli di solidificazione
• Ma nessuno di questo tiene realmente conto delle condizioni metallurgiche della ghisa prodotta e del suo intervallo di solidificazione
• Ciò è possibile con i sistemi di simulazione moderni: definizione del parametro CLF
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CLF – CRITICAL LIQUID FRACTION
• Gli intervalli di solidificazione:
• Crescita dendritica a breve intervallo
• Crescita dendritica a lungo intervallo
• Crescita isotropica eutettica
• Cos’è il CLF? Il CLF esprime in percentuale la capacità di alimentazione della lega considerata; ovvero descrive la possibilità del liquido di alimentare all’avanzare del fronte di solidificazione
• In sintesi…
• …maggiore è il CLF e maggiore sarà la difficoltà del metallo a percolare tra le dendriti sviluppate e in accrescimento. In sostanza se il materiale ha dendriti più lunghe il liquido farà più fatica ad alimentare e si avranno porosità maggiori.
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DEFINIZIONE DEL CLF (NOVAFLOW&SOLID)
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Nessuna resistenza
Resistenza progressiva
Arresto
CLF E ANALISI TERMICA
• Se il CLF rispecchia la reale solidificazione allora l’unico strumento in grado di garantire il vero eutettico è l’analisi termica
• Ghisa eutettica (verde)
• Ghisa ipoeutettica (blu)
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CALIBRAZIONE DI NOVAFLOW&SOLID
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CLF
Curva della
densità
PARTE SPERIMENTALE • Progettazione della prova H
• Processo fusorio
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PROGETTAZIONE DELLA PROVA ‘H’
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M1 M2
Mm
PROCESSO FUSORIO • È il punto fisso del progetto
• Preparazione del metallo in forno a crogiolo 17ton
• Precondizionamento durante spillata
• Sferoidizzazione con filo FeSiMg25
• Travaso in forno di colata da 4ton
• Inoculazione finale sul flusso
• Ghise prodotte per le prove: • EN-GJS-400-18 (prove H)
• EN-GJS-700-2 (prove H e getto di prova)
• Monitoraggio con analisi termica ATAS Metstar (NovaCast AB)
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RISULTATI • Prove H
• Ottimizzazione di un getto di prova
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PROVE H: PRIMA SIMULAZIONE
• Prima simulazione con impostazioni standard
• Produzione di una serie di provini in staffa (formatura automatica orizzontale in terra verde) con entrambe le ghise
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100% fase liquida 50% fase liquida Predizione ritiro
PROVA H: ANALISI TERMICA E SEZIONATURA
• L’analisi termica: ghise prodotte sono eutettiche
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• La sezionatura ha mostrato l’assenza di ritiro…
• …dimostrando la capacità di autoalimentazione della ghisa sferoidale prodotta
PROVA H: SIMULAZIONE DOPO CALIBRAZIONE
• Simulazione dopo calibrazione con l’inserimento delle curve di analisi termica: l’alimentatore non è più necessario
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100% fase liquida 50% fase liquida Predizione ritiro
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GETTO DI PROVA: PRIMA SIMULAZIONE
• Risultati della prima simulazione: 2 maniche esotermiche 10/13
• La resa del liquido: 59% (+costo maniche)
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100% fase liquida 50% fase liquida Predizione ritiro
GETTO DI PROVA: OTTIMIZZAZIONE DOPO CALIBRAZIONE
• Simulazione dopo calibrazione del simulatore con le curve di analisi termica: 2 materozze di Heine
• La resa del liquido dopo ottimizzazione: 69% (- costo maniche)
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100% fase liquida 50% fase liquida Predizione ritiro
PRODUZIONE PILOTA
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• EN-GJS-700-2
• Tcolata=1380-1400°C
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CONCLUSIONI
• La riduzione/ottimizzazione delle alimentazioni è possibile sfruttando le capacità autoalimentanti della ghisa eutettica
• La ricerca della composizione eutettica è possibile solo con l'analisi termica, ma non solo...
• ...tale ricerca va effettuata sulle necessità specifiche di ciascuna fonderia (tipo di getti, dimensioni, tipo di materiali impiegati e leghe prodotte)
• L'ottimizzazione è dunque possibile quando
• L'analisi termica è intesa come strumento di controllo di processo
• Simulatore e controllo di processo si "parlano": ovvero è possibile la calibrazione del proprio software di simulazione con i propri dati di processo reali
• Ultimo ma non meno importante: ottimizzare significa ridurre il liquido, ciò significa fare fonderia sostenibile… riducendo emissioni, consumi energetici e costi necessari alla produzione.
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SVILUPPI FUTURI • Ottimizzazione del
processo fusorio testando nuovi materiali in grado di garantire performance confrontabili o superiori
• Estendere le prove per tutte le designazioni prodotte in fonderia Arizzi
• Verifica della capacità autoalimentare per moduli diversi: provini cilindrici
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M=2.4 cm
95 mm
300
mm
RINGRAZIAMENTI
• Si ringrazia in primo luogo l’Ing. A.Udroiu per la preziosa collaborazione al progetto, nonché per lo stimolo alla ricerca del miglioramento continuo.
• I collaboratori…
• …la proprietà e la direzione della Arizzi Fonderie
• Si ringrazia la NovaCast System AB per la formazione tecnica ed il supporto all’utilizzo della simulazione e dell’analisi termica.
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Via Partigiani, 27
24021 Albino (Bergamo)
+39 035 752 1443
www.arizzifonderie.com XXXII Congresso di Fonderia - Brescia, 21/11/2014
Matteo Pesci
+39 345 148 2744