Fizyczne i matematyczne modelowanie termomechanicznych procesów i przemian fazowych w blachach podczas chłodzenia w kręgach

• Autorzy: Milenin A. , Witek S.

Identyfikatory

DOI

10.15 199/67.2015.12.7

Warianty tytułu

EN

Physical and mathematical modeling of thermo-mechanical processes and phase transformation in strip during cooling in the coil

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Termomechaniczne procesy i przemiany fazowe w blachach podczas chłodzenia laminarnego i w kręgach wpływają na poziom naprężeń rezydualnych. Wartość tych naprężeń w blachach walcowanych na gorąco jest istotna w przypadku stosowania cięcia laserowego. Wysokie wartości naprężeń rezydualnych prowadzą do deformacji (zginanie, skręcanie) blachy podczas cięcia laserowego. Matematyczne modelowanie termomechanicznych procesów i przemian fazowych pozwoli na optymalizacje procesów chłodzenia celem zmniejszenia poziomu naprężeń rezydualnych w blachach. Głównymi czynnikami wpływającymi na wielkość naprężeń rezydualnych są nierównomierne odkształcenie sprężysto-plastyczne, przemiana fazowa występująca podczas chłodzenia oraz relaksacja zachodząca w trakcie walcowania i chłodzenia. W procesie produkcji blach gorąco walcowanych, przemiana fazowa odbywa się podczas chłodzenia laminarnego i po zwijaniu blachy w kręg. Zbyt wysoki ułamek przemiany fazowej w kręgu może powodować jego nagrzewanie po zwijaniu. Znajomość zmiany pola temperatury podczas procesu produkcyjnego blach jest głównym elementem do budowy modelu służącego do analizy naprężeń w blachach. Celem niniejszej pracy jest opracowanie matematycznego modelu wymiany ciepła w blachach walcowanych na gorąco i w kręgu z uwzględnieniem termomechanicznych procesów i przemiany fazowej. Opracowany model chłodzenia kręgu jest oparty o MES. Pierwszy etap chłodzenia odpowiada zwijaniu blachy. Na tym etapie zastosowana jest zmienna w czasie siatka MES, na którą nakładane są kolejne zwoje blachy. Drugi etap chłodzenia jest związany z transportowaniem i chłodzeniem kręgu w ciągu kilku godzin. Po zmniejszeniu gradientów temperatury po zwijaniu, na tym etapie odbywa się modyfikacja siatki MES celem przyspieszenia obliczeń. Przedstawiono wyniki symulacji pola temperatury oraz składu strukturalnego. Przeprowadzono eksperyment przemysłowy, w którym wykonano pomiary temperatury kręgu za pomocą kamery termowizyjnej oraz skanera, zamontowanego w linii chłodzenia laminarnego.

EN

Thermo-mechanical processes and phase transformation in hot-rolled strips have an influence on the level of residual stresses. The level of residual stresses becomes of practical importance when the laser cutting of sheets is applied. High values of residual stresses lead to deformation (bending and twisting) of sheets during laser cutting. Mathematical modeling of thermo-mechanical processes and phase transformations allows to optimize the cooling process to reduce the level of residual stresses in the sheets. The main factors which have an influence on the residual stresses are the non-uniform distribution of elastic-plastic deformations, phase transformation occurring during cooling and stress relaxation during rolling and cooling. Phase transformation takes place during laminar cooling of hot-rolled strips and after coiling process. Too high fraction of phase transformation in the coil might cause increasing of temperature in the coil after coiling process. Knowledge of the change of the temperature field in the production process of hot-rolled strips i s t he m ain e lement for construction of a model for analyzing stresses in the sheets. The goal of this paper is the development of a mathematical model of heat transfer in hot-rolled strips and coil taking into account thermo-mechanical processes and phase transformation. The mechanical properties of material model for steels S235 and S355 were obtained in experiments for the range of temperatures 35÷1100 °C. Model parameters of ferritic, pearlitic, bainitic and martensitic transformation were determined on the basis of dilatometric tests and application of the inverse analysis. The development model of the coil cooling is based on FEM. The first cooling step corresponds to the coiling of the strip. In this stage FEM grids is changed with time. On the basic FEM grid additional layers of FEM elements are applied (additional layers of sheet). The second step of the cooling process is related to transportation and coil cooling within a few hours. The paper presents results of a simulation of the temperature field, the structural composition and residual stresses. Industrial experiment was carried out for measurement of the temperature in the strip using portable camera and thermal scanners which was installed in the laminar cooling line.

Słowa kluczowe

PL

walcowanie blach na gorąco; metoda elementów skończonych chłodzenie w kręgu; przemiana fazowa

EN

walcowanie blach na gorąco; finite element method; chłodzenie w kręgu; przemiana fazowa

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Rudy i Metale Nieżelazne Recykling
• Rocznik: 2015
• Tom: R. 60, nr 12
• Strony: 688--693
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Milenin A.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Witek S.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• 1. Milenin A., Kuziak R., Pidvysots'kyy V., Kustra P., Witek S., Pietrzyk M.: Model of relaxation of residual stresses in hot-rolled strips, Archives of Metallurgy and Materials 15 (2015) (in press).
• 2. Milenin A., Kustra P., Kuziak R., Pietrzyk M.: Model of residual stresses in hot-rolled sheets with taking into account relaxation process and phase transformation // Procedia Engineering — 2014 vol. 81, pp. 108÷113. 11th International Conference on Technology of Plasticity, ICTP 2014 : 19–24 October 2014, Nagoya, Japan.
• 3. Wang X., Li F., Yang Q., He A.: FEM analysis for residual stress prediction in hot rolled steel strip during the run-out table cooling Applied Mathematical Modelling 2013, vol. 37, pp. 586÷609.
• 4. Wang X., Yang Q., He A.: Calculation of thermal stress affecting strip flatness change during run-out table cooling in hot steel strip rolling journal of materials processing technology 2008, vol. 207, pp. 130÷146.
• 5. Milenin A., Kuziak R., Lech-Grega M., Chochorowski A., Witek S., Pietrzyk M.: Numerical modeling and experimental identification of residual stresses in hot-rolled strips, Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2015 (in press).
• 6. Zhou Z., Thomson P. F., Lam Y. C., Yuen D. D. W.: Numerical analysis of residual stress in hot-rolled steel strip on the run-out table, Journal of Materials Processing Technology 2003, vol. 132, pp. 184÷197.
• 7. Yu X., Jiang Z., Yang Q.: Thermal Deformation Modeling of Post-Rolling Deterioration of Hot Strip Flatness during Forced Cooling of Coils, Advanced Materials Research 2011, vol. 145, pp. 111÷116.
• 8. Medina S. F.: Microstructural modelling for low alloy and microalloyed steels, Proc. 2nd Int. Conf. on Modelling of Metal Rolling Processes, eds, Beynon J.H., Ingham P., Teichert H., Waterson K., London, 1996, pp. 501÷510.
• 9. Pietrzyk M., Milenin A., Kuziak R.: Accounting for phase transformations in modelling stresses occuring during laminar cooling and coiling of steel strips // W: Metal 2015 : Int. Conf. on Metallurgy and materials: June 3, 2015, Brno, Czech Republic : proceedings of abstracts / TANGER Ltd., [et al.]. — Ostrava : TANGER Ltd., cop. 2015, s. 45.
• 10. Hodgson P. D., Browne K. M., Collinson D. C., Pham T. T., Gibbs R. K.: A mathematical model to simulate the thermomechanical processing of steel, in: Quenching and Carburizing, Melbourne, 1991, pp. 139÷159.
• 11. Colas R., Sellars C. M.: Computed temperature profiles of hot rolled plate and strip during accelerated cooling, Proc. of the Int. Symp. on Accelerated Cooling of Rolled Steel, Winnipeg, Canada, 1987, vol. 3, Pergamon Press, London, pp. 121÷130.