Complex of Mathematical Models and Methods to Calculate Pressure Effect on Sulfide Distribution in Steel
Loading...
Date
2021
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Хмельницький національний університет, Україна
Abstract
ENG: Primary objective is to develop computational method to analyze digital pictures of sulfide prints, helping obtain qualitative image characteristics, and to formulate mathematical model of the distribution of sulphide inclusions to determine specific features of the pressure effect on the macrostructure formation of carbon steel castings flooded into the uncooled mold. The research was carried out using images of sulfide prints of templates cut of steel cylindrical castings; L500 steel was applied. The castings result from industrial tests of a method of gas-dynamic effect on the fusion in the foundry forms under the conditions of a casthouse of Dnipropetrovsk aggregate plant PJSC. Digital pictures of sulfide prints, obtained in terms of the increased rate of gas pressure and maximum pressure, were binarized; defective fra gments were removed; and zo ning took place. The developed computational method has been applied for fragments of images, representing different zones; data arrays have been received containing sizes and amounts of inclusions in the fragment. The developed computational method to analyze digital images of sulfide prints has been implemented. ASImprints software support has helped obtain qualitative characteristics of images; namely, distribution of amount of the certain-size sulfide inclusions. The computational method to analyze digital images of sulfide prints has made it possible to study the set of patterns of sulfide prints. The dependences have been obtained, describing specific features of sulfide inclusion distribution while varying gas-dynamic pressure method in terms of fusion in the casting form. It has been demonstrated that the distribution describes effectively the power-series distribution to compare with the exponential one. Mathematical model of the power -series distribution parameter dependence upon pressure has been developed. Deviation of the distribution parameters in terms of the experimental values and the model values has been evaluated. The research demonstrates the ways to apply an algorithm of simple recursive casting for quantitative analysis of digital images of sulfide prints. Use of ASImprints, being software implementation of the computational method to analyze digital images of sulfide prints making it possible to obtain qualitative characteristics of images, has helped identify that the increased pressure within a casting-device for gas injection system results in the increased specific amount of inclusions and the decreased specific zone of sulfide inclusions respectively. It has been defined that exponential function describes reliably the nature of sulfide inclusion distribution in the digital image of sulfide print. The research has demonstrated that fragments of a sulfide print, belonging to one zone, are statistically homogeneous. Thus, it is possible to analyze quantitively digital image zone of a sulfide print on its fragment. Mathematical model of dependence of sulfide inclusion distribution in carbon-steel castings in terms of gas-dynamic effect on fusion solidifying in a mold has been developed. The model may be applied to predict sulfide inclusion distribution within the selected zones of cross section of the cylindrical castings solidifying in the uncooled mold in terms of the preset mode of gas-dynamic effect.
UKR: Розробка обчислювального методу для аналізу цифрових зображень сірчаних відбитків, що дозволяє отримувати кількісні характеристики зображень. Розробка математичної моделі параметрів розподілу сульфідних включень для визначення особливостей впливу тиском на формування макроструктури виливків із вуглецевої сталі, що заливаються в неохолоджуваний кокіль. Дослідження проводились на цифрових зображеннях сірчаних відбитків темплетів, що вирізані із сталевих виливків циліндричної форми із сталі 35Л. Виливки були отримані в ході промислових випробувань технології газодинамічного впливу на розплав в ливарній формі в умовах ливарного цеху ПАТ «Дніпропетровський агрегатний завод». Цифрові зображення сірчаних відбитків, що отримані при варіації швидкості наростання газового тиску та максимального тиску, бінарізували, видаляли дефектні фрагменти, розділяли на зони. Для фрагментів зображень, що представляли різні зони, був застосований розроблений обчислювальний метод, отримані масиви даних, що містять розміри та кількості включень в фрагменті. Розроблений обчислювальний метод аналізу цифрових зображень сірчаних відбитків було програмно реалізовано. Програмна реалізація «ASImprints» дозволяє отримувати кількісні характеристики зображень, а саме розподіл кількості сульфідних включень певного розміру. Застосування обчислювального методу аналізу цифрових зображень сірчаних відбитків дозволило провести дослідження серії зображень сірчаних відбитків. Отримані залежності, що описують особливості розподілу сульфідних включені при варіації технології газодинамічного тиску на розплав в ливарній формі. Показано що даний розподіл вдало описує ступеневийй розподіл у порівнянні з експоненційним. Отримана математична модель залежності параметрів ступеневого розподілу від тиску. Проведена оцінка відхилення параметрів розподілу експериментальних та модельних значень. В роботі показані шляхи використання алгоритму простої рекурсивної заливки для кількісного аналізу цифрових зображень сірчаних відбитків. Застосування «ASImprints» – програмної реалізації обчислювального методу для аналізу цифрових зображень сірчаних відбитків, що дозволяє отримувати кількісні характеристики зображень, надало можливість визначити, що збільшення тиску в системі виливок-пристрій для введення газу призводить до збільшення питомої кількості включень, і відповідного зменшення питомої площі сульфідних включень. Встановлено, що характер розподілу сульфідних включень на цифровому зображенні сірчаного відбитка достовірно описується ступеневою функцією. Проведені дослідження показали, що фрагменти сірчаного відбитка, які належать одній зоні, є статистично однорідними. З цього випливає, що можливе проведення кількісного аналізу зони цифрового зображення сірчаного відбитка по його фрагменту. Отримано математичну модель залежності функції розподілу сульфідних включень в литих заготовках із вуглецевої сталі при газодинамічному впливі на розплав, що твердіє в кокілі. Модель може бути застосована для прогнозу розподілу сульфідних включень в обраних зонах поперечного перетину даного циліндричного виливка, що твердіє в неохолоджуваному кокілі, при заданому режимі газодинамічного впливу.
UKR: Розробка обчислювального методу для аналізу цифрових зображень сірчаних відбитків, що дозволяє отримувати кількісні характеристики зображень. Розробка математичної моделі параметрів розподілу сульфідних включень для визначення особливостей впливу тиском на формування макроструктури виливків із вуглецевої сталі, що заливаються в неохолоджуваний кокіль. Дослідження проводились на цифрових зображеннях сірчаних відбитків темплетів, що вирізані із сталевих виливків циліндричної форми із сталі 35Л. Виливки були отримані в ході промислових випробувань технології газодинамічного впливу на розплав в ливарній формі в умовах ливарного цеху ПАТ «Дніпропетровський агрегатний завод». Цифрові зображення сірчаних відбитків, що отримані при варіації швидкості наростання газового тиску та максимального тиску, бінарізували, видаляли дефектні фрагменти, розділяли на зони. Для фрагментів зображень, що представляли різні зони, був застосований розроблений обчислювальний метод, отримані масиви даних, що містять розміри та кількості включень в фрагменті. Розроблений обчислювальний метод аналізу цифрових зображень сірчаних відбитків було програмно реалізовано. Програмна реалізація «ASImprints» дозволяє отримувати кількісні характеристики зображень, а саме розподіл кількості сульфідних включень певного розміру. Застосування обчислювального методу аналізу цифрових зображень сірчаних відбитків дозволило провести дослідження серії зображень сірчаних відбитків. Отримані залежності, що описують особливості розподілу сульфідних включені при варіації технології газодинамічного тиску на розплав в ливарній формі. Показано що даний розподіл вдало описує ступеневийй розподіл у порівнянні з експоненційним. Отримана математична модель залежності параметрів ступеневого розподілу від тиску. Проведена оцінка відхилення параметрів розподілу експериментальних та модельних значень. В роботі показані шляхи використання алгоритму простої рекурсивної заливки для кількісного аналізу цифрових зображень сірчаних відбитків. Застосування «ASImprints» – програмної реалізації обчислювального методу для аналізу цифрових зображень сірчаних відбитків, що дозволяє отримувати кількісні характеристики зображень, надало можливість визначити, що збільшення тиску в системі виливок-пристрій для введення газу призводить до збільшення питомої кількості включень, і відповідного зменшення питомої площі сульфідних включень. Встановлено, що характер розподілу сульфідних включень на цифровому зображенні сірчаного відбитка достовірно описується ступеневою функцією. Проведені дослідження показали, що фрагменти сірчаного відбитка, які належать одній зоні, є статистично однорідними. З цього випливає, що можливе проведення кількісного аналізу зони цифрового зображення сірчаного відбитка по його фрагменту. Отримано математичну модель залежності функції розподілу сульфідних включень в литих заготовках із вуглецевої сталі при газодинамічному впливі на розплав, що твердіє в кокілі. Модель може бути застосована для прогнозу розподілу сульфідних включень в обраних зонах поперечного перетину даного циліндричного виливка, що твердіє в неохолоджуваному кокілі, при заданому режимі газодинамічного впливу.
Description
T. Selivyorstova: ORCID: 0000-0002-2470-6986; V. Selivyorstov: ORCID 0000-0002-1916-625X; V. Kuznetsov: ORCID: 0000-0002-8169-4598
Keywords
gas-dynamic effect, pressure, solidification, casting, steel, 35 Л, mold, macrostructure, sulfides, inclusions, template, sulfide print, distribution, polynomial, parameters, prediction, software implementation, ASImprints, газодинамічний вплив, тиск, твердіння, виливок, сталь, кокіль, макроструктура, сульфіди, включення, темплет, сірчаний відбиток, розподіл, ступеневий, параметри, прогноз, програмна реалізація, КІТС, КЛВ, КЕЛІ
Citation
Selivyorstova T., Selivyorstov V., Kuznecov V. Complex of Mathematical Models and Methods to Calculate Pressure Effect on Sulfide Distribution in Steel. Computer Systems and Information Technologies. 2021. № 2. P. 57–65. DOI: 10.31891/CSIT-2021-4-7.