Metingen in gietijzer-smelten een overzicht en een volgorde. Studieavond NVvGT Eindhoven, 19 November 2015 Frank Seutens

Transcriptie

1 Metingen in gietijzer-smelten een overzicht en een volgorde Studieavond NVvGT Eindhoven, 19 November 2015 Frank Seutens

2 Inhoud 1. Nauwkeurige metingen in een ruwe omgeving 2. Volgorde van de metingen (de Pyr-o-mide) 3. Overzicht van de metingen Laag 1 : Temperatuur Laag 2 : Chemische Samenstelling Laag 3 : Zuurstofactiviteit Laag 4 : Eutectische Onderkoeling De meetketting : sensor hardware - instrument 4. Overzicht over de meetfeiten (MeltControl MC2020) a) Netwerk van instrumenten b) Logging, visualisatie en trendopvolging van metingen in server computer c) Meevolgen met client computers 5. Gevalstudies en praktijkvoorbeelden Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Pagina 2

3 1. Nauwkeurige metingen in een ruwe omgeving De gieterij is een ruwe omgeving Hitte, stof, vuil, donker, lawaai, trillingen, stank, Voor de mensen die er werken : Blue collar : 3D-jobs : Dirty-Dangerous-Demanding White collar : black collar uitdaging goede ingenieurs te vinden Ook de meetapparatuur moet aangepast zijn : Protectie klasse IP55 Hoge bedrijfstemperaturen: tot 50 C En het meetmateriaal moet robuust zijn Sensors (voelers - meetkoppen) Lansen, kabels.(hardware) Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 3

4 1. Nauwkeurige metingen in een ruwe omgeving Nauwkeurige metingen zijn nodig om de processen te beheersen Signalen in millivolt (mv), zelf microvolt (µv) Gecompenseerd voor de bedrijfstemperatuur (Cold Junction CJ) Het werken tussen deze 2 uitersten, in de gebieden van Meet-&Regeltechniek en de Metallurgie, daar situeert zich de nichemarkt van Heraeus Electro-Nite (afgekort: HEN) Heraeus = Heräus Met medewerkers nog steeds een familiebedrijf. Hoofdzetel in Hanau (D). Edelmetaal en Technology. Electro-Nite Electro -> elektrische meetsignalen (mv) Nite -> Knight (Ridder). Gelijkenis door zilveren smeltkledij/helm/vizier en meetlans. Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 4

5 2. Volgorde van de metingen (de Pyr-o-mide) 4 +Entmiddelen TEmin II 3 +Mg Onderkoeling ao Secundaire Metallurgie (Panbehandeling) Zuurstof activiteit 2 +Lading Correcties CEL,%C,%Si,.. Chemische Samenstelling I Primaire Metallurgie (Smeltproces) 1 +Warmte T Temperatuur Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 5

6 2. Volgorde van de metingen (de Pyr-o-mide) Er bestaat dus een hiërarchie in de metingen voor metallurgische proces controle Bovenliggende lagen zijn afhankelijk van de onderliggende lagen Eerst moet de onderliggende laag onder controle gebracht, dan pas de bovenste Vb. : efficiëntie van opkolen (laag2) is T-afhankelijk (laag1) Vb. : efficiëntie van Mg additie (laag3) en enten (laag4) is ook T-afhankelijk Vb. : efficiëntie van enten (laag4) is afhankelijk van de zuurstofactiviteit (laag3) Net zoals de piramide van Maslov voor de menselijke behoeften, kunnen we de hierarchie van metingen in de metallurgie als een piramide voorstellen Deze piramide van Seutens laat zich ook gemakkelijk noemen als Pyr-omide, een piramide van vuur (Grieks : Pyros). Als je deze filosofie toepast, geraak je heel ver in de beheersing van je pyrometallurgische processen. Zoals in Gaming, ga je steeds naar hogere levels of lagen. Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 6

7 2. Volgorde van de metingen (de Pyr-o-mide) Uitleg bij de hiërarchie Laag 1: T is de basis. Alles is temperatuur afhankelijk. We spreken niet voor niets van thermo-dynamica Laag 2: Chemie zegt welke andere elementen naast Fe, C, Si,. Fe-C fasendiagram -> T=fct (legerings-elementen). ( Toestands -diagrammen) Elementen ->Periodiek system van de elementen (Tabel van Mendeljev PSE) Smelttemperatuur en Stoltemperatuur Laag 3: Zuurstofactiviteit is houdt rechtstreeks verband met de bindingsenergie van de oxiden, oftewel de Gibbs Energie Ellingham diagram -> Gibbs energie ΔG=fct(T) Hoe hoger de temperatuur, hoe hoger de zuurstofactiviteit (vrije zuurstof), en dit voor verschillende elementen Laag 4: Onderkoeling is een gevolg van X (chemie) en Y (zuurstofactiviteit) Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 7

8 3. Overzicht van de metingen Laag 1 : Temperatuur Meetprincipe: Thermoelectrisch effect (Seebeck,1821) Thermo-element bestaat uit 2 verschillende draden (vb. Type S +Pt10%Rh,-Pt puur) Bij een bepaalde temperatuur lopen er een bepaalde hoeveelheid ionen van de ene draad naar de andere draad. Hierdoor ontstaat een potentiaalverschil en meet men een spanning (in millivolt) Met elke spanning komt een Temperatuur overeen Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 8

9 3. Overzicht van de metingen Laag 1 : Temperatuur Meetuitvoering : er bestaan hoofdzakelijk 3 uitvoeringen: Dip versie Zonder non-splash (anti-spat lag) : Positherm-TC Met non-splash : Positherm-NS Multiple-dip versie Lichtere uitvoering : Multi-Stik Zwaardere uitvoering : Maxi-Stik Continue dip versie (enkel in type B-uitvoering) Hangend in de smelt : Contitherm Door de wand tot in de smelt : CasTemp Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 9

10 3. Overzicht van de metingen Laag 1 : Temperatuur Meetapparatuur : onderscheid tussen Hand- en Wand-apparatuur Hand-uitvoering Digilance Wireless (DGL4W), met receiver Box (ontvangststation) DT-lansen (lichte uitvoering) Wand-uitvoering DigiTemp-E toestellen DTE3 standaard met Ethernetaansluiting DTE4W standaard met Ethernetaansluiting en draadloze ontvangst T-handlansen (zwaardere uitvoering) Met aansluitkabel : externe compensatiekabel Zonder aansluitkabel, draadloos : QUBE Voor continue T-metingen geldt enkel de wand-uitvoering en is er ook speciale hardware voorzien (kabels in B-type draad want worden te warm) Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 10

11 3. Overzicht van de metingen Laag 1 : Temperatuur Metallurgisch gebruik Instellen van de juiste giettemperatuur Cascade effect Smeltoven Warmhoudoven Behandelingspan Gietoven of gietpan T-verlies bij elke over-gieting Finaal doel = giettemperatuur De juiste giettemperatuur wordt bepaald door de kritische wanddikte Dunwandig = hoge giettemperatuur Dikwandig = lage giettemperatuur Tevens door de het soort materiaal, nl. het eerste stolpunt TL Men moet genoeg superheat (Tgiet-TL) overhouden voor voldoende gietbaarheid Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 11

12 3. Overzicht van de metingen Laag 1 : Temperatuur Metallurgisch gebruik Werken met temperatuurklassen (om alles beheersbaar te houden): Klasse HH : Heet-Heet vb degc Klasse H : Heet vb degc Klasse M : Medium vb degc Klasse K : Koud vb degc Klasse KK : Koud-Koud vb degc Voordeel Eenvoudig te beheersen Toch een breed pallet aan gietproducten mogelijk Hoe Temperatuur corrigeren? Te koud: opwarmen (door opzetten inductie of door toevoeging warmere pan) Te warm: afkoelen (door afzetten inductie of door toevoeging koelijzer) Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 12

13 3. Overzicht van de metingen Laag 2 : Chemische Samenstelling Meetprincipes A) Door afkoeling warm monster : Thermische Analyse B) Door lokale opwarming koud monster : Spectro-Analyse en Verbrandings-Analyse A) Thermische Analyse (afgekort TA) Ijzer-Koolstof fasendiagram, grijsstollend (stabiel) en witstollend (meta-stabiel) Doortocht van de afkoelcurven bij het Liquidus (TL) en Solidus (TS) punt geven een vertraging, die zich uit als een plateau in de curve Detectie van TL en TS en gebruik in de formules voor de berekening van %C %Si B) Monstername (Sampling) Schepmonsters voor coquille tegenover dipmonsters Gebruik van koelplaten/koelplaatjes om witgestolde monsters te bekomen Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 13

14 3. Overzicht van de metingen Laag 2 : Chemische Samenstelling Meetapparatuur Thermische Analyse Potje met Telluur (Te zorgt voor witstolling) Houder met Contact Block voor potje en extensiekabel met stekker voor instrument Instrument Hardware QLE3 en QLE4 Firmware voorbeeld v6.04 Parameter-instelling Meet-tijden en nauwkeurigheden Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 14

15 3. Overzicht van de metingen Laag 2 : Chemische Samenstelling Meetapparatuur monstername Dompelmonsternemer SaF Sampler for Foundry diepe monsternames SaF-DO (Disk Only) ondiepe monsternames Dompelmethodes Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 15

16 3. Overzicht van de metingen Laag 2 : Chemische Samenstelling Metallurgie Praktisch : meting %C met TA, rest met Spectro %C Koolstof Verhogen opkolen door toevoegen van opkoolmiddelen (# rendementen) Verlagen afkolen? door toevoeging van staalschrot of door overhitting (afbrand). %Si Silicium Verhogen opkiezelen door toevoeging van FeSi Verlagen afkiezelen? door toevoeging van staalschrot (bevat Mangaan Mn) Andere legeringselementen A (ferritiserend of perlitiserend) Verhogen : toevoeging via ijzerhoudende legering Fe-A Verlagen: toevoeging van ijzer Fe Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 16

17 3. Overzicht van de metingen Laag 3 : Zuurstofactiviteit Meetprincipe : Wet van Nernst Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 17

18 3. Overzicht van de metingen Laag 3 : Zuurstofactiviteit 2 Signalen S-type thermokoppel EMK van zuurstof cel 2 resultaten Temperatuur (in C) bo in ppm en ao in ppb Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 18

19 3. Overzicht van de metingen Laag 3 : Zuurstofactiviteit Meetapparatuur CF sonde Trillans en power box Celox Lab E Foundry Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 19

20 3. Overzicht van de metingen Laag 3 : Zuurstofactiviteit Metallurgie Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 20

21 3. Overzicht van de metingen Laag 4 : Eutectische Onderkoeling Meetprincipe TEmin onderkoeling ΔT of dt= 1150 C-TEmin Thermische inertie Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 21

22 3. Overzicht van de metingen Laag 4 : Eutectische Onderkoeling Meetuitvoering : Smalle potjes met deksel Leeg Ge-ent Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 22

23 3. Overzicht van de metingen Laag 4 : Eutectische Onderkoeling Meetapparatuur = ongeveer hetzelfde als bij de kwantitatieve TA A) Potje Leeg Ge-ent B) Hardware Enkele of dubbele voet Enkele of dubbel lansvoet Met kabel of zonder kabel (wireless) C) Instrument QLE3 QLE4 Gekoppeld via netwerk aan MeltControl MC2020 PC Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 23

24 3. Overzicht van de metingen Laag 4 : Eutectische Onderkoeling Metallurgie Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 24

25 3. Overzicht van de metingen De meetketting : sensor hardware - instrument Meetkop, tussenverbinding en meettoestel vormen de schakels in de meetketting Ketting = cup + hardware + instrument tot2 = cup 2 + hardw 2 + instr 2 Vb T : NS-Positherm + lans + DTE3 Vb. TA : QuiK-Cup + voet + QLE4 Vb. ao : CF-Nod + trillans + CLE3-F Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 25

26 3. Overzicht van de metingen De meetketting : sensor hardware - instrument Een ketting is maar zo sterk als de zwakste schakel Zie ook de Goldratt theorie in dit verband Theory of Constraints (TOC) Boek The Goal Het Doel (1984) Als je een betere meting wil, Heeft het geen zin om de sterke schakels nog sterker te maken (meting wordt alleen maar duurder, maar niet beter) Moet je de zwakste schakel heel goed kunnen detecteren, en die verstevigen Als je een beter process wil: IDEM. Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 26

27 4. Overzicht over de meetfeiten (MeltControl MC2020) a) Netwerk van instrumenten Via Ethernet MC2020 PC (eigen IP-adres) Alle E-apparaten (eigen IP-adres) Zowel E3 als E4 generatie Netwerk met Switches Ethernet kabels (RJ45 stekkers) Modulair en gemakkelijk uitbreidbaar E-apparaten werken nog steeds autonoom Als netwerk uitvalt, toch resultaat Wel geen logging meer Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 27

28 4. Overzicht over de meetfeiten (MeltControl MC2020) b) Logging, visualisatie en trendopvolging in server computer b1- logging Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 28

29 4. Overzicht over de meetfeiten (MeltControl MC2020) b) Logging, visualisatie en trendopvolging in server computer b2 visualisatie van alle meetcurven - Live Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 29

30 4. Overzicht over de meetfeiten (MeltControl MC2020) b) Logging, visualisatie en trendopvolging in server computer b3 trending opvolgen van trends/tendensen Gaat de meetwaarde geleidelijk omhoog of omlaag, en hoe snel? Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 30

31 4. Overzicht over de meetfeiten (MeltControl MC2020) c) Meevolgen met client computers De database (in Microsoft SQL) zit in de server/service PC Aangesloten client PC s hebben de database niet, maar kunnen wel via het MC2020 programma er toegang toe krijgen om exact hetzelfde te doen als de server Tot 10 clients kunnen zonder extra kosten- aangesloten worden Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 31

32 4. Overzicht over de meetfeiten (MeltControl MC2020) c) Meevolgen met client computers Client computers kunnen zijn: PC s van de ondersteunende afdelingen Labo (rest van de stuur-metingen) QA (kwaliteitsopvolging) Proces (metallurg, proces ingenieur, Productieplanner PC s in de fabriek (nieuwe trend) Op de koepeloven (trending van TL) of bij de andere smeltovens of warmhoudovens Op de gietmachines (zien het ijzer beter aankomen) Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 32

33 5. Gevalstudies en praktijkvoorbeelden Snel kunnen ingrijpen is voornaam, want de productieplanning kan veranderen. Dan kunnen we de smelt nog sturen op zijn voornaamste parameters, met daarop de toleranties (laagste en hoogste waarden, daartussen de regelband): T badtemperatuur, T-band= Thoog-Tlaag TL liquidustemperatuur, TL-band= TLhoog-TLlaag ao zuurstofactiviteit, ao-band= aohoog-aolaag TEmin minimale Eutectische temperatuur, TEmin-band=TEminhoog-TE minlaag Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 33

34 5. Gevalstudies en praktijkvoorbeelden Invloed van de Wanddikte Maar of een smelt goed of slecht is, hangt af van de gietvorm (meer bepaald de kritische wanddikte W) Bij dikwandig gietwerk (grote W) moeten de optimale smeltparameters zijn: T= laag, TL= nog ondereutectisch laag, ao= laag, TEmin=hoog Vb. W=50mm => T=1380degC, TL= 1180degC, ao= 60ppb en TEmin=1140degC Bij dunwandig gietwerk (kleine W): T=hoog, TL= nog ondereutectisch laag, ao= hoog, TEmin=hoog Vb. W=6mm => T=1440degC, TL=1180degC, ao= 100ppb en TEmin=1140degC Opmerkingen T-TL = superheat (over-hitte). Belangrijke gietparameter: gietbaarheid. natuurlijke sturing tussen T en ao. Bij hoge T, is er lager Mg-rendement, dus een hoge ao. Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 34

35 5. Gevalstudies en praktijkvoorbeelden Gieterij A Automobieltoeleverancier Lokaal ethernet netwerk van14 E-instrumenten 7x QLE3 big cup voor %C bepaling 4x QLE3 small cup voor entcontrole 1x CLE3-F, mobiel voor testwerk met ao metingen 2x DTE3 voor Positherm dip metingen 360 tot 400 metingen per dag MC2020 draait op server, gelokaliseerd in de IT-afdeling 10 client PC s 5 in de bureaus (Engineering) In de controle kamer van de koepeloven (1) en op elke gietlijn (4) Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 35

36 5. Gevalstudies en praktijkvoorbeelden Gieterij B - machinebouw Afzonderlijk ethernet meet-netwerk van 7 E-instruments en 3 Digilansen 1x QLE3 big cup voor %C bepaling aan de smeltovens 1x CLE3-F voor zuurstofmeting in de behandelde pan 1x CLE3 small cup voor ent-controle in de behandelde pan 3x DGL4W voor giettemperatuur meting aan de gietlijnen 4x QLE4, draadloos, small cup. Mobiele ent-testen. 50 metingen per dag MC2020 draait op desktop PC, in de controlekamer van de smeltafdeling maar gaat naar de server van de IT afdeling verhuizen 3 client PC s (QA, Vormafdeling, Werkvoorbereiding) Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 36

37 5. Gevalstudies en praktijkvoorbeelden Gieterij C klantengieterij Lokaal ethernet netwerk van 4 E-instrumenten 2x QLE3 big cup voor %C bepaling aan de warmhoudoven 2x QLE1 Serieel, big cup voor %C bepaling aan de gietlijnen 40 metingen per dag Op een desktop PC, in het labo van de gieterij Geen client PC s Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Page 37

38 Einde Vragen? (dank U voor Uw aandacht) Studieavond NVvGT - Eindhoven 19 November Frank Seutens Pagina 38