Matteo Pesci Arizzi Fonderie S. Giorgio S.p.A. XXXII Congresso di Fonderia - Brescia, 21/11/2014
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1 Matteo Pesci Arizzi Fonderie S. Giorgio S.p.A.
2 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
3 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
4 LA TEORIA DIETRO AL PROGETTO La precipitazione grafitica Capacità autoalimentanti della ghisa sferoidale Progettazione dei sistemi di alimentazione
5 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
6 E la presenza della grafite che permette la riduzione di materozze e alimentatori se paragonati all acciaio: Estrazione della grafite della matrice metallica CAPACITÀ AUTOALIMENTANTI DELLA GHISA SFEROIDALE Esempio: una fusione da 100kg prodotta con tre differenti leghe ferrose 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
7 Principi tradizionali della progettazione Cerchi di Heuvers Moduli geometrici Moduli di solidificazione PROGETTAZIONE DEI SISTEMI DI ALIMENTAZIONE 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
8 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.
9 DEFINIZIONE DEL CLF (NOVAFLOW&SOLID) Nessuna resistenza Resistenza progressiva Arresto
10 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)
11 CALIBRAZIONE DI NOVAFLOW&SOLID CLF Curva della densità
12 PARTE SPERIMENTALE Progettazione della prova H Processo fusorio
13 PROGETTAZIONE DELLA PROVA H M m M 1 M 2
14 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 (prove H) EN-GJS (prove H e getto di prova) Monitoraggio con analisi termica ATAS Metstar (NovaCast AB)
15 RISULTATI Prove H Ottimizzazione di un getto di prova
16 PROVE H: PRIMA SIMULAZIONE Prima simulazione con impostazioni standard 100% fase liquida 50% fase liquida Predizione ritiro Produzione di una serie di provini in staffa (formatura automatica orizzontale in terra verde) con entrambe le ghise
17 PROVA H: ANALISI TERMICA E SEZIONATURA L analisi termica: ghise prodotte sono eutettiche La sezionatura ha mostrato l assenza di ritiro dimostrando la capacità di autoalimentazi one della ghisa sferoidale prodotta
18 PROVA H: SIMULAZIONE DOPO CALIBRAZIONE Simulazione dopo calibrazione con l inserimento delle curve di analisi termica: l alimentatore non è più necessario 100% fase liquida 50% fase liquida Predizione ritiro
19 GETTO DI PROVA: PRIMA SIMULAZIONE Risultati della prima simulazione: 2 maniche esotermiche 10/13 100% fase liquida 50% fase liquida Predizione ritiro La resa del liquido: 59% (+costo maniche)
20 GETTO DI PROVA: OTTIMIZZAZIONE DOPO CALIBRAZIONE Simulazione dopo calibrazione del simulatore con le curve di analisi termica: 2 materozze di Heine 100% fase liquida 50% fase liquida Predizione ritiro La resa del liquido dopo ottimizzazione: 69% (- costo maniche)
21 EN-GJS Tcolata= C PRODUZIONE PILOTA
22 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.
23 300 mm 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 SVILUPPI FUTURI M=2.4 cm 95 mm
24 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.
25 Matteo Pesci Via Partigiani, Albino (Bergamo)
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