Numerical simulation of controlled cooling of rails as a tool for optimal design of this process

• Autorzy: Pietrzyk M. , Kuziak R

Warianty tytułu

PL

Numeryczna symulacja kontrolowanego chłodzenia szyn jako narzędzie wspomagające projektowanie tego procesu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The model of controlled cooling of rails is presented in the paper. Model predicts temperature field during cooling, kinetics of phase transformations, microstructural parameters and mechanical properties of the product. Identification of the phase transformation model was performed on the basis of dilatometric tests and inverse analysis. Optimization task was formulated with the objective of searching for the cooling process parameters, which give as low as possible interlamellar spacing in pearlite, microstructure free of bainite and uniform hardness distribution in the rail head. The sensitivity analysis was performed and the following parameters were selected as the optimization variables: time of the 1st stage of fast cooling by immersing in the polymer solution, time of the second stage of cooling in air, depth of the immersion in the polymer solution and heat transfer between the rail head and the polymer solution.

PL

W pracy opisano model kontrolowanego chłodzenia szyn po walcowaniu. Model oblicza pole temperatury w czasie chłodze¬nia oraz kinetykę przemian fazowych, parametry mikrostruktury po ochłodzeniu do temperatury otoczenia i własności mecha¬niczne gotowego wyrobu. Identyfikację modelu przemian fazo¬wych przeprowadzono na podstawie prób dylatometrycznych i analizy odwrotnej. Zadanie optymalizacyjne dla procesu chło¬dzenia zostało sformułowane jako poszukiwanie parametrów tego procesu, które dają najmniejsze wartości odległości między płytkami cementytu w perlicie, brak bainitu w całej objętości szyny i równomierny rozkład twardości na przekroju główki szyny. Przeprowadzono analizę wrażliwości składowych funkcji celu względem zmiennych optymalizacji i na tej podstawie wybrano 4 zmienne do dalszej analizy: czas przyspieszonego chłodzenia w pierwszym etapie przez zanurzenie w roztworze polimerowym, czas swobodnego chłodzenia w powietrzu w drugim etapie, głębokość zanurzenia główki szyny w roztwo¬rze oraz współczynnik wymiany ciepła między powierzchnią szyny i roztworem.

Słowa kluczowe

EN

heat treatment of rails; pearlite; phase transformations modelling; temperature field modelling; mechanical properties

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 12, No. 4
• Strony: 233--243
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys.

Twórcy

autor

Pietrzyk M.

• AGH University of Science and Technology, Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Kuziak R

• Institute for Ferrous Metallurgy, K. Miarki 12, 44-100 Gliwice, Poland

Bibliografia

• Ackert, R. J., Nott M. A., 1987, Accelerated water cooling of railways rails in-line with the hot rolling mill, Proc. Symp. Accelerated Cooling of Roled Steels, eds, Ruddle,
• G.E., Crawley, A.F., Pergamon Press, Winnipeg, 359-372.
• Boyadiev, I.I., Thomson, P.F., Lam, Y.C., 1996, Computation of the diffusional transformation of continuously cooled austenite for predicting the coefficient of thermal expansion in the numerical analysis of thermal stress, ISM International, 36, 1413-1419.
• Garbarz, B., Pickering, F.B., 1988, Effect of pearlite morphology on impact toughness of eutectoid steel containing vanadium, Materials Science and Technology, 4, 328-334.
• Kleiber, M., Antunez, H., Hien, T.D., Kowalczyk, P., 1997, Parameter Sensitivity in Nonlinear Mechanics, Wiley.
• Koistinen, D.P., Marburger, R.E., 1959, A general equation prescribing the extent of the austenite-martensite transformation in pure iron-carbon alloys and plain carbon steels, Acta Metallurgica, 7, 59-69.
• Kuziak, R., 1997, Matematyczne modelowanie zmian mikrostrukturalnych podczas nagrzewania, przeróbki cieplno-plastycznej i chłodzenia stali perlitycznych, Prace 1MZ, 49, 3-54 (in Polish).
• Kuziak, R., Cheng, Y.-W., Głowacki, M., Pietrzyk, M., 1997, Modelling of the microstructure and mechanical properties of steels during thermomechanical processing, NIST Technical Note 1393, Boulder.
• Kuziak, R., Zygmunt, T., 2013, A new method of rail head hardening of standard-gauge rails for improved wear and damage resistance, Steel Research International, 84, 13-19.
• Morales, R.D., Lopez, A.G., Olivares, I.M., 1990, Heat transfer analysis during water spray cooling of steel rods, 1S1J Inernational, 30, 48-57. Morris, M.D., 1991, Factorial sampling plans for preliminary computational experiments, Technometrics, 33, 161-174.
• Perez-Unzueta, A.J., Beynon, J.H., 1993, Microstructure and wear resistance of pearlitic rail steels, Wear, 162-164, 173-182,
• Pietrzyk, M., Kuziak, R., 2000, Modeling of controlled cooling of rails after hot rolling, Proc. Conf. Rolling 2000, Vasteros, CD ROM.
• Pietrzyk, M., Kondek, T., Majta, J., Żurek, A.K., 2000, Method of identification of the phase transformation model for steels, Proc. COM2000, Ottawa, CD ROM.
• Pietrzyk M., Kuziak R., Kondek T., 2003, Physical and numerical modelling of plastic deformation of steels in two-phase region, Proc. 45th MWSP Conf, Chicago, 209-220.
• Pietrzyk, M., Kuziak, R., 2012, Modelling phase transfor-mations in steel, in: Microstructure evolution in metal forming processes, (eds), Lin, J., Balint, D., Pietrzyk, M., Woodhead Publishing, Oxford, 145-179.
• Sahay, S.S., Mohapatra, G., Totten, G.E., 2009, Overview of pearlitic rail steels: accelerated cooling, quenching, microstructure and mechanical properties, Journal of ASTM International, 6, 1-26.
• Scheil, E., 1935, Anlaufzeit der Austenitumwandlung, Archiv. fur Eissenhuttenwesen, 12, 565-567.
• Szeliga, D., Gawąd, J., Pietrzyk, M., 2006, Inverse Analysis for Identification of Rheological and Friction Models in Metal Forming, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 195, 6778-6798.
• Szeliga, D., 2011, Application of sensitivity analysis - prelimi-nary step of the process parameters estimation. Proc. XI Conf. COMPLAS, (eds), Onate, E., Owen, D.R.J., Peric, D., Suarez, B., Barcelona, 1359-1367, (e-book).
• Szeliga, D., 2012, Selection of the appropriate phase transformation model for design of laminar cooling and continuous annealing of DP steels, Computer Methods in Ma¬terials Science, 12, 70-84.
• Umemoto, M., Hiramatsu, A., Moriya, A., Watanabc, T., Nanba, S., Nakajima, N., Anan, G., Higo, Y., 1992, Computer modelling of phase transformation from work-hardened austenite, 1SIJ International, 32, 306-315.