Zuerst verstehen, dann optimieren

Toshiba entfernt Einschlüsse in seinen Stahlgussteilen mit MAGMA5

Die Anforderungen an die Qualität von Stahlgussteilen steigen ständig. Daher werden Stahlträgerringe, die in Kraftwerken eingesetzt werden, mit sehr strengen Qualitätsvorgaben hergestellt. Toshiba Hydro Power stellt diese ringförmigen Gussteile seit über sieben Jahren für seine Muttergesellschaft her. Eine der größten Herausforderungen dabei waren Einschlüsse auf der äußeren Ringoberfläche, die für über 40% aller Fehler verantwortlich waren.

Einschlüsse auf der äußeren Oberfläche nach der mechanischen Bearbeitung (rechts) und perfekte Stahlgussqualität nach Optimierung mit MAGMA5 (links)

Aufgrund der hohen Anforderungen an die Qualität mussten diese Fehler durch Polieren und anschließendes Schweißen entfernt werden. Allein die Kosten für die Schweißelektroden beliefen sich auf rund 81.748 Euro pro Jahr. Die Gesamtzeit für das Schweißen betrug rund 12.142 Stunden jährlich und rund 2.600 kg Schweißdraht wurden verbraucht, um hochwertige Gussteile für vier Projekte in 2011 herzustellen. In den letzten Jahren wurde daher eine Reihe von Maßnahmen geprüft, um dieses Problem zu reduzieren oder zu beseitigen.

Mithilfe von MAGMASOFT® wurden Fertigkeiten und Fachkenntnisse hinsichtlich des Prozessverständnisses ständig erweitert, und die Gießereifachleute waren davon überzeugt, dass sie zunächst die Ursachen des Problems finden mussten, um es umfassend zu lösen. Vor der Anschaffung von MAGMASOFT® waren viele verschiedene Faktoren im Verdacht, die Einschlüsse zu verursachen, z.B. Qualität der Schmelze, Formmaterialien wie auch die Bildung von Reoxidationseinschlüssen. Allerdings konnten immer nur Vermutungen angestellt werden, welcher Faktor der wichtigste für das Problem war.

Die Vorhersagen von Einschlüssen sind sehr ähnlich den realen Befunden im Gussteil

Nachdem MAGMA5 2012 eingeführt worden war, simulierte die Gießerei die bestehende Auslegung des Gießsystems. Die Simulation und die Vorhersage der „Einschlüsse“ zeigte deutlich die potenziell gefährdeten Bereiche. Parallel dazu wurde der Füllvorgang genau untersucht. Es zeigten sich Verwirbelungen an zwei zentralen Anschnitten, die die freie Oberfläche der Schmelze vergrößerten und für eine große Menge an eingeschlossener Luft sorgten, was wiederum zur Bildung von Reoxidationseinschlüssen auf der äußeren Oberfläche führte.

Turbulente Formfüllung

Basierend auf diesen Erkenntnissen konnten konkrete Maßnahmen zur Lösung des Problems ergriffen werden. Entscheidend war, die auftretenden Turbulenzen während des Füllens und damit die Zeit des Kontakts zwischen Luft und Schmelze zu reduzieren. Der Plan war, auf diese Weise alle verbleibenden Einschlüsse in die Speiser zu verlegen.

Da das Vertrauen in MAGMASOFT® wuchs, prüften die Gießereifachleute von Toshiba noch viele andere Ideen, wobei MAGMA5 als virtuelle Gießerei fungierte. Aufgrund der Simulationen wurde erkannt, dass die Einschlüsse in Bereiche zwischen den Speisern gedrängt wurden, solange Anschnitte direkt unter den Speisern platziert waren. Die Gießereitechniker führten mehrere virtuelle Experimente mit alternativen Angusssystemen durch, um die Anschnitte zwischen die Speiser zu verlegen und so die Einschlüsse in die Speiser zu verdrängen. Die Simulationsergebnisse bestätigten, dass diese Annahme korrekt war. Daraufhin wurden zwei Teile mit der neuen Methode produziert. Nach umfassender Prüfung wurden die Gussteile mit nur minimalen Einschlüssen für tauglich befunden.

Optimierte Gießtechnik ohne Anzeige von Einschlüssen auf dem realen Gussteil

Allein aufgrund der Anwendung von MAGMA5 wurde der durchschnittliche Schweißaufwand um ein Drittel pro Tonne Guss reduziert. Da durch den Einsatz der Software kontinuierliche Verbesserungen erreicht wurden, erwarten die Anwender, dass der Reparaturaufwand weiter reduziert werden kann. Durch die Reduzierung der Gussfehler konnte darüber hinaus die Gesamtfertigungszeit deutlich gekürzt werden, so dass die Produktion wesentlich rentabler wurde. Nachdem MAGMASOFT® ein Jahr im Einsatz ist, sind die Ingenieure bei Toshiba nun davon überzeugt, dass sie aufgrund ihres verbesserten Know-hows MAGMASOFT® für die Vorab-Optimierung vieler neuer Gussteile einsetzen können.

Toshiba Hydro Power (Hang Zhou) Co., Ltd. ist ein Joint Venture zwischen Toshiba und Sinohydro. Die Hauptaktivitäten des Unternehmens sind F+E, Konstruktion, Fertigung sowie Installationen und Dienstleistungen im Bereich Wasserkraftanlagen und deren Komponenten. Toshiba stellt seit über 110 Jahren Wasserkraftturbinen und -generatoren her. Toshiba war der Vorreiter für Anlagen für High-Speed-Hochdruckpumpen und Pumpspeicherkraftwerke mit hoher Kapazität, insbesondere für sehr leistungsfähige Wasserkraftmaschinen und bietet bei führender Marktposition hochanspruchsvolle und –leistungsfähige Produkte.

 

* Text und Bilder mit freundlicher Genehmigung von Toshiba Hydro Power (Hang Zhou) Co., Ltd., V.R. China

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