Fizyczno-matematyczne modelowanie wysokotemperaturowych procesów przetwarzania stali w aspekcie wspomagania projektowania nowych technologii

• Autorzy: Hojny M.

Warianty tytułu

EN

The physico-mathematical modelling of high-temperature steel processing in the aspect of aiding in engineering new technologies

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono możliwości obliczeniowe autorskiego oprogramowania DEFFEM w zakresie symulacji nagrzewania/przetapiania oporowego wraz z przykładowymi wynikami walidującymi przyjęte założenia modelu numerycznego. Pakiet symulacyjny stanowi integralną część opracowanej metodyki i bazuje na metodzie elementów skończonych, hydrodynamiki cząstek rozmytych oraz metodzie Monte Carlo w zakresie pełnej symulacji 3D wybranych zjawisk wysokotemperaturowego przetwarzania stali. Opracowany model termiczny nagrzewania/przetapiania oporowego oparto na rozwiązaniu równania Fouriera-Kirchoffa. Warunki brzegowe w postaci strumieni cieplnych zostały przyjęte zgodnie z warunkami próby realizowanej w układzie symulatora termo-fizycznego Gleeble 3800. Zjawiska kontaktowe i wymiana ciepła z otoczeniem modelowana była z wykorzystaniem zastępczego współczynnika wymiany ciepła. Podczas numerycznej symulacji nagrzewania/przetapiania oporowego w układzie symulatora Gleeble 3800, ciepło towarzyszące przepływowi prądu zostało uwzględnione w równaniu F-K jako moc wewnętrznych źródeł ciepła. Modelując wytwarzanie ciepła w wyniku przepływu prądu, przyjęto, że jego ekwiwalentem w modelu numerycznym będzie objętościowe źródło ciepła o mocy proporcjonalnej do rezystancji, kwadratu natężenia przepływającego prądu oraz funkcji intensywności dobieranej na podstawie eksperymentów. Oprogramowanie DEFFEM może być wykorzystane m.in. do analizy i modelowania energooszczędnej, ulepszonej w stosunku konwencjonalnego procesu metalurgicznego (odlewania, a następnie walcowania na zimno pasma) z nową technologią walcownia pasma, w którym współistnieje faza stała i ciekła. Nowa technologia jest ekonomiczniejsza oraz korzystnie oddziałuje na środowisko naturalne, ze względu na zmniejszenie emisji gazów.

EN

The paper presents computing capabilities of the original software DEFFEM as regards simulating resistance heating/remelting, along with examples of results validating the adopted assumptions of the numerical model. The simulation package is an integral part of the developed methodology, and is based upon the finite element method, the smoothed particle hydrodynamics, and the Monte Carlo method for the full 3D simulation of the selected effects of high temperature steel processing. The formulated thermal model of resistance heating/remelting is based upon the solution of the Fourier-Kirchoff equation. The boundary conditions in the form of heat fluxes have been adopted in accordance with the conditions of a test performed within the conditions of the Gleeble 3800 thermophysical simulator system. Contact effects and heat transfer to the environment were modelled using a substitute heat transfer coefficient. During the numerical simulation of resistance heating/remelting within the Gleeble 3800 simulator system, the heat accompanying the electric current flow was included in the F-K equation as the power of internal heat sources. When modelling the heat generation resulting from the electricity flow, it was assumed that its equivalent in the numerical model would be a voluminal heat source with its power proportional to the resistance, the square of electric current intensity, and the intensity function selected on the basis of experiments. The DEFFEM software can be used, among others, for analysing and modelling a new energy-saving strand rolling process, in which the solid phase and the liquid phase coexist. This process is improved as compared to the conventional metallurgical process (casting followed by strand cold rolling). The new process is more cost effective and has an advantageous environmental impact, due to the reduction of gas emissions.

Słowa kluczowe

PL

symulacja fizyczna; symulacja komputerowa; pakiet DEFFEM; ekstra wysokie temperatury

EN

physical simulation; computer simulation; extra-high temperatures; DEFFEM package

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Obróbki Plastycznej
• Czasopismo: Obróbka Plastyczna Metali
• Rocznik: 2018
• Tom: T. 29, nr 4
• Strony: 345--356
• Opis fizyczny: Bibliogr. 5 poz., rys.

Twórcy

autor

Hojny M.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej, Katedra Informatyki Stosowanej i Modelowania, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] Hojny M. 2018. Modeling steel deformation in the semi-solid state. Szwajcaria: Springer International Publishing.
• [2] Zhang L., H. Shen, Y. Rong. 2007. „Numerical simulation on solidification and thermal stress of continuous casting billet in mold based on meshless methods”. Materials Science and Engineering 466 (1–2): 71–78.
• [3] Kalaki A, M. Ketabchi. 2013. „Predicting the rheological behavior of AISI D2 semi-solid steel by plastic instability approach”. American J of Mat Eng and Tech 1 (3): 41–45.
• [4] Haga T, S. Suzuki. 2003. „Study on high-speed twin-roll caster for aluminum alloys”. J Mat Proc Tech 143–144 (1): 895–900.
• [5] Haga T., K. Tkahashi, M. Ikawa. 2004. „Twin roll casting of aluminum alloy strips”. J Mat Proc Tech 153–154 (2): 42–47.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).