Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Innovation technology for the production of massive slag ladles at the Krakodlew S.A. Foundry. Presentation of design works on research and development

Paszkiewicz M., Guzik E., Kopyciński D., Kalandyk B., Burbelko A., Gurgul D., Sobula S., Ziółko A., Piotrowski K., Bednarczyk P.

Archives of Foundry Engineering

|

2020

|

Vol. 20, iss. 4

67--71

EN

This article is a description of the progress of research and development in the area of massive large-scale castings - slag ladles implemented in cooperation with the Faculty of Foundry Engineering of UST in Krakow. Slag ladles are the one of the major castings that has been developed by the Krakodlew (massive castings foundry) for many years. Quality requirements are constantly increasing in relation to the slag ladles. Slag ladles are an integral tool in the logistics of enterprises in the metallurgical industry in the process of well-organized slag management and other by-products and input materials. The need to increase the volume of slag ladles is still growing. Metallurgical production is expected to be achieved in Poland by 2022 at the level of 9.4 million Mg/year for the baseline scenario - 2016 - 9 million Mg/year. This article describes the research work carried out to date in the field of technology for the production of massive slag ladles of ductile cast iron and cast steel.

2

Analysis of Spherical Particles Size Distribution – Theoretical Basis

Gurgul D., Burbelko A., Wiktor T.

Archives of Foundry Engineering

|

2018

|

Vol. 18, iss. 1

29--34

EN

The determination of the form of a probability density function (PDF3) of diameters for nodular particles by using a probability density function (PDF2), which form is empirically estimated from cross-sections of these nodules in a metallographic specimen, can be regarded as a special case of Wicksell's corpuscle problem (WCP). The estimation of the PDF3 for the nodular particles provides information about the kinetics of these particles nucleation, and so about the kinetics of their growth. This information is essential for building more accurate mathematical models of the alloy crystallization. In the paper there are presented two derivations of the methods used for the estimation of the PDF3 form. The first method bases on diameters received from a planar cross-section. The second one uses also data from the planar cross-section but not the diameters only chords. Both methods provide practical rules for the analysis of the empirical diameters’ and chord’s size distribution and allow to estimate the mean value of the external surface area of the particles.

3

Theory of the Stereological Analysis of Spheroid Size Distribution – Validation of the Equations

Gurgul D., Burbelko A., Wiktor T.

Archives of Foundry Engineering

|

2017

|

Vol. 17, iss. 4

67--72

EN

The paper presents validation tests for method which is used for the evaluation of the statistical distribution parameters for 3D particles’ diameters. The tested method, as source data, uses chord sets which are registered from a random cutting plane placed inside a sample space. In the sample space, there were individually generated three sets containing 3D virtual spheres. Each set had different Cumulative Distribution Function (CDF3) of the sphere diameters, namely: constant radius, normal distribution and bimodal distribution as a superposition of two normal distributions. It has been shown that having only a chord set it is possible, by using the tested method, to calculate the mean value of the outer sphere areas. For the sets of data, a chord method generates quite large errors for around 10% of the smallest nodules in the analysed population. With the increase of the nodule radii, the estimation errors decrease. The tested method may be applied to foundry issues e.g. for the estimation of gas pore sizes in castings or for the estimation of nodule graphite sizes in ductile cast iron.

4

Modelling of Change in Density of Nodular Cast Iron During Solidification Using Cellular Automaton

Wróbel M., Burbelko A., Gurgul D.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2015

|

Vol. 60, iss. 4

2709--2714

EN

Density change occurring in ductile iron castings is a phenomenon far more complicated than in other casting alloys. Initially, graphite nodules grow directly from liquid phase. That is the reason for decrease in alloy density and casting expansion. Decaying carbon concentration in liquid phase adjacent to graphite nodules favours growth of austenite, which covers them isolating from the liquid. In order for graphite to grow further diffusion of carbon through thickening solid solution layer is needed. At this time expansion fades and shrinkage begins. Industrial experience shows that whether or not shrinkage defects in ductile iron castings will occur depends on wall thickness. In the paper an attempt to identify mechanism of shrinkage porosity formation in nodular iron castings during solidification was made. To that end a two-dimension simulation of binary Fe-C system solidification by cellular automaton method was carried out. Using data obtained with Thermo-CALC software, dependencies of temperature on density for each present phase were determined. For liquid phase and austenite influence of carbon concentration on density was also appended. Applying those relationships to the model, density of each individual cell of used grid as well as mean value for whole analysed region were assessed. The method allowed to consider volume fractions of phases and heterogeneity of solid and liquid solutions to find the mean density of the material. The paper presents results of computer simulation of nodular iron density change, with eutectic saturation of 0,9 to 1,1.

PL

Zmiany objętościowe zachodzące w odlewach z żeliwa sferoidalnego są zjawiskiem znacznie bardziej złożonym, niżeli w innych stopach odlewniczych. Początkowo krystalizacja kulek grafitu, która jest przyczyną zmniejszenia gęstości i występowania rozszerzalności przedskurczowej, przebiega bezpośrednio z fazy ciekłej. Zmniejszenie zawartości węgla w cieczy przylegającej do kulek grafitu sprzyja krystalizacji austenitu, którego warstwa izoluje te cząstki od cieczy. Dalszy wzrost grafitu wymaga dyfuzji węgla przez rosnącą warstwę roztworu stałego. Na tym etapie krystalizacji rozszerzalność zanika i zaczyna się skurcz. Z praktyki przemysłowej wiadomo, że o występowaniu wad skurczowych w odlewach z żeliwa sferoidalnego o takim samym składzie chemicznym decyduje grubości ścianki. W pracy podjęto próbę zidentyfikowania mechanizmu tworzenia się wad skurczowych w odlewach z żeliwa sferoidalnego podczas krystalizacji. W tym celu przeprowadzono dwuwymiarową symulację krystalizacji podwójnego stopu Fe-C za pomocą modelu wykorzystującego technikę automatu komórkowego. Na podstawie danych otrzymanych przy użyciu oprogramowania Thermo-CALC wyznaczono zależności gęstości poszczególnych faz występujących w układzie od temperatury, a dla roztworu ciekłego i stałego dodatkowo od stężenia węgla. Za pomocą otrzymanych zależności wyznaczano gęstość w poszczególnych komórkach stosowanej siatki obliczeniowej oraz średnią gęstość analizowanego obszaru. Metoda ta pozwoliła wyznaczyć gęstość materiału z uwzględnieniem udziałów objętościowych poszczególnych faz i niejednorodności roztworów ciekłego i stałego. W pracy przedstawiono wyniki symulacji komputerowej zmian objętościowych żeliwa sferoidalnego o stopniu nasycenia eutektycznego w granicach od 0,9 do 1,1.

5

Cellular Automaton Simulation For Volume Changes Of Solidifying Nodular Cast Iron

Burbelko A., Gurgul D., Guzik E., Kapturkiewicz W.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2015

|

Vol. 60, iss. 3

2379--2384

EN

Volume changes of the binary Fe-C alloy with nodular graphite were forecast by means of the Cellular Automaton Finite Differences (CA-FD) model of solidification. Simulations were performed in 2D space for differing carbon content. Dependences of phase density on temperature were considered in the computations; additionally density of the liquid phase and austenite were deemed as a function of carbon concentration. Changes of the specific volume were forecast on the base of the phase volume fractions and changes of phase density. Density of modeled material was calculated as weighted average of densities of each phase.

PL

W pracy przedstawiono wyniki symulacji zmian gęstości żeliwa sferoidalnego w układzie dwuskładnikowym Fe-C, wykorzystując do tego celu model oparty na metodzie automatu komórkowego i różnic skończonych. Symulacje wykonane były dla dwuwymiarowej przestrzeni dla różnych zawartości węgla. Zmiany gęstości wszystkich faz uwzględniano jako zależności temperaturowe. Dodatkowo dla cieczy i austenitu uwzględniono też zależność gęstości od zawartości węgla. Przy obliczaniu zmian objętości właściwej układu brano pod uwagę gęstości poszczególnych faz oraz ich udział objętościowy.

6

Symulacja spiętrzania stopu w komorze zimnokomorowej maszyny ciśnieniowej

Wiktor T., Burbelko A.

Archives of Foundry Engineering

|

2015

|

Vol. 15, iss. 4 spec.

151--154

PL

Technologia odlewania do form metalowych z wykorzystaniem wysokiego ciśnienia jest jednym ze sposobów wytwarzania odlewów precyzyjnych. Forma metalowa zapewnia precyzję odwzorowania wymiarów gotowego wyrobu, lecz z powodu szczelności materiału, z którego jest wykonana, utrudnia odprowadzanie powietrza z wnęki. Dodatkowo powstawaniu okluzji powietrza sprzyja wysoka prędkość strugi i związany z tym skomplikowany charakter ruchu ciekłego metalu wewnątrz formy. W największym stopniu problem okluzji powietrza występuje w maszynach zimnokomorowych z poziomą komorą wtrysku. W maszynach tego typu dodatkowym źródłem gazów w odlewie może być niewłaściwy przebieg pierwszej fazy pracy maszyny ciśnieniowej. W pracy za pomocą symulacji komputerowych z wykorzystaniem oprogramowania ProCAST (ESI Group®) przeanalizowano zmiany kształtu swobodnej powierzchni stopu EN-AC 44300 AlSi12(Fe) podczas jego spiętrzania w komorze prasowania. Przeanalizowano wpływ prędkości ruchu tłoku, długości komory i stopnia jej wypełnienia na poprawny przebieg tego procesu.

EN

High Pressure Die Casting gives the possibility to produce the cast products with a high precision. Unfortunately, physical properties of the metal molds prevent the air evacuation from the mold cavity. High velocity of the stream and of the free surface movement as well as complicated character of the liquid metal movement prevent the air evacuation and promote the occlusions in the casting. Risk of the air occlusion is the highest in the case of the cold-chamber machines with a horizontal press-chambers. In the HP die casters of this type the addition source of the gas in the casting is the improper evolution of the alloy free surface during the first stage of the cycle (alloy up-rise). In this paper the evolution of the free surface of the EN-AC 44300 AlSi12(Fe) alloy was analyzed by ProCAST software (ESI Group®) in the HP chamber during the first stage of the working cycle. The influence of the piston velocity, shot chamber length and initial level of the alloy in the shot chamber on the behavior of the alloy free surface at this stage was analyzed.

7

Modelowanie początkowego etapu wzrostu austenitu z przechłodzonej cieczy w układzie Fe-C-Si metodą pola fazowego

Wróbel M., Burbelko A., Gurgul D.

Archives of Foundry Engineering

|

2015

|

Vol. 15, iss. 4 spec.

159--162

PL

W pracy przeanalizowane zostały zmiany stężenia węgla i krzemu w fazie ciekłej i fazie γ stopu potrójnego Fe – 3,0% mas. C – 1,5% mas. Si podczas początkowego etapu wzrostu austenitu z przechłodzonej cieczy. Zmiany zachodzące na froncie krystalizacji analizowano poprzez wykorzystanie metody pola fazowego. Parametr pola fazowego ϕ jest związany ze składem fazowym: ϕ = 1 dla cieczy, ϕ = 0 dla roztworu stałego. Pole fazowe w tym przypadku nie jest zmienną konserwatywną, a dla opisu jej zmian zastosowano równanie Allen'a-Cahn'a. Za warunek początkowy symulacji przyjęto istnienie nierównowagowego zarodka fazy stałej o składzie chemicznym identycznym ze składem chemicznym przechłodzonej cieczy. W obliczeniach wykorzystano potencjały chemiczne pierwiastków w fazach. Różnica tych potencjałów stanowiła termodynamiczną siłę pędną przemiany, wywołującą przepływ pierwiastków. Wykazało to, że ścieżki zmian stężenia węgla i krzemu w fazie stałej oraz w cieczy są w znaczącym stopniu odchylone od równowagowej konody dla układu potrójnego o przyjętym składzie chemicznym. Oznacza to, że przyjęcie równowagowych współczynników rozdziału do wyznaczania zawartości pierwiastków stopowych w początkowym etapie wzrostu zarodka jest daleko idącym uproszczeniem. Przedstawiona metoda symulacji uwzględnia również wzajemny wpływ pierwiastków w obu fazach, w szczególności w austenicie, gdzie stężenie węgla na poziomie znacznie wyższym od wartości równowagowej w istotnym stopniu powoduje obniżenie zawartości krzemu.

EN

In the paper changes of carbon and silicon concentration in liquid phase (L) and solid phase (γ) have been analysed for a triple alloy Fe-C-Si with the composition C – 3.0wt% and Si – 1.5wt%. The analysis was conducted at the initial stage of an austenite growth in the undercooled liquid. The changes occurring at the solidification front were analysed using the Phase Field method (PF). The phase field parameter ϕ is connected with the phase composition of the cell: ϕ = 1 for the liquid, ϕ = 0 for the solid phase. The phase field, in this case, is a non-conserved variable and for its description the Allen-Cahn equation was used. As an initial condition of the simulation it was assumed that the austenite nucleus had the same composition as the undercooled liquid. In the calculation chemical potential for each element in each phase was used. The difference in the chemical potential between phases was treated as the thermodynamic driving force of transformation causing the diffusion of the elements. This showed that the paths of carbon and silicon concentration changes in the solid and liquid are substantially deviated from the tie line for the triple alloy with fixed concentration. This means that the adoption of the equilibrium distribution coefficients at the initial stage of the nucleus growth is a big simplification. Presented method of the simulation takes also into account the mutual influence of the elements in both phases, in particular in the austenite where the carbon concentration is much higher than the equilibrium value causing reduction of the silicon concentration.

8

Averaged Voronoi polyhedron in the peritectic transformation modelling

Burbelko A., Początek J., Gurgul D., Malatyńska P., Wróbel M.

Inżynieria Materiałowa

|

2014

|

Vol. 35, nr 2

97--101

EN

While modelling diffusion field at the scale of a single grain, during peritectic transformation or growth of globular eutectic, it is often assumed that elementary microdiffusion field (EMDF) has spherical shape. In such models the fact that volume fraction of the remote EMDF regions decreases with distance from grain nuclei due to random contacts with other grains, is omitted. The paper describes the usage of Averaged Voronoi Polyhedron (AVP) as the shape of EMDF. In order to profile the geometry of AVP, the Kolmogorov’s statistical theory of crystallization has been applied. The paper contains rules of derivation of difference equations applied in numerical modelling of EMDF using the Finite Difference Method. Application of AVP geometry allows to compute spatial distribution of a solute in the solid solution considering decrease in volume fraction of distant regions of the EMDF. As a result of modelling the peritectic Fe-C alloy, time relations of position of ferrite-liquid interfacial boundary during primary solidification and positions of ferrite-austenite and austenite-liquid boundaries during peritectic transformation have been acquired. Kinetics of variation of volume fractions for individual phases throughout solidification have been presented. The proposed mathematical model allows to forecast a segregation in solid solution, which has been formed as a product of peritectic transformation, both as a relation of solid solution composition versus distance from a grain nuclei and as a relation of volume fraction of regions with specific composition versus their composition.

PL

W modelowaniu pola dyfuzji w skali pojedynczego ziarna podczas przemiany perytektycznej lub podczas wzrostu eutektyki globularnej często przyjmuje się, że elementarne pole mikro-dyfuzji (EPMD) ma kształt sferyczny. W modelach tego typu jest pomijane to, iż udział objętościowy obszarów peryferyjnych EPMD w miarę oddalenia się od środka ziarna maleje z powodu losowych kontaktów z sąsiednimi ziarnami. W artykule opisano wykorzystanie elementarnego pola dyfuzji w kształcie uśrednionego wielościanu Voronoi. W celu wyznaczenia geometrii uśrednionego wielościanu Voronoi zastosowano statystyczną teorię krystalizacji Kolmogorova. W artykule opisano zasady wyprowadzenia równań różnicowych zastosowanych w modelowaniu numerycznym elementarnego pola dyfuzji z wykorzystaniem metody różnic skończonych. Zastosowanie geometrii uśrednionego wielościanu Voronoi pozwala modelować rozkład przestrzenny dodatków w roztworze stałym z uwzględnieniem zmniejszania się udziału objętościowego peryferyjnych obszarów elementarnego pola dyfuzji, spowodowanego losowymi kontaktami sąsiednich ziaren. W wyniku symulacji dla perytektycznego stopu podwójnego Fe-C uzyskano zależności od czasu pozycji granic międzyfazowych ferryt-ciecz podczas krystalizacji pierwotnej oraz granic międzyfazowych ferryt-austenit i austenit-ciecz podczas przemiany perytektycznej. Przedstawiono kinetykę zmian udziałów objętościowych poszczególnych faz podczas krzepnięcia. Proponowany model matematyczny pozwala na prognozowanie likwacji w roztworze stałym powstającym w wyniku przemiany perytektycznej zarówno w postaci zależność składu chemicznego roztworu stałego od odległości od środka ziarna, jak i w postaci zależności udziałów objętościowych obszarów od ich składu chemicznego.

9

Wykorzystanie tomografii komputerowej w defektoskopii odlewów z żeliwa sferoidalnego

Królikowski M., Burbelko A., Kwaśniewska-Królikowska D.

Archives of Foundry Engineering

|

2014

|

Vol. 14, iss. 4 spec.

71--76

PL

W artykule przedstawiono aktualne możliwości urządzeń pomiarowych, jakimi są tomografy komputerowe (CT), zdolnych do wykonania pełnych prześwietleń odlewów o grubości ścianek przekraczającej 80 mm. Wszystkie badania nieniszczące (NDT) zostały wykonane na wybranych odlewach z żeliwa sferoidalnego i szarego wykonanych w Spółce Akcyjnej Odlewnie Polskie w Starachowicach. Przedstawiono zasadę działania i ogólną budowę tomografów komputerowych oraz możliwości ich wykorzystania. Dodatkowo pokazano możliwości CT przy wizualizacji wyników i zestawieniu ich z dokumentacją 3D. Przedstawiono perspektywy oraz ograniczenia przy wykrywaniu i określaniu wad w odlewach.

EN

Actual possibilities of the computer-aided X-ray tomography equipment (CT) were presented illustrated by examples of devices capable to analyze the 80 mm thickness castings. All presented results of the nondestructive tests are performed for iron castings produced by “Odlewnie Polskie” S.A. based in Starachowice. The base principles of operation and structure of CT scanners are shown as well as possibility of this devices. The possibilities of the CT are presented in the domains of the results visualization and of the comparison with 3D documentation. Prospects and limitation of the casting defects detection and identification are presented.

10

Modelowane wzrostu dyfuzyjnego ziaren równoosiowych metodą uśrednionego wielościanu Voronoia

Burbelko A., Początek J.

Archives of Foundry Engineering

|

2014

|

Vol. 14, iss. 3 spec.

15--20

PL

Przedmiotem artykułu jest zaprezentowanie modelu matematycznego krystalizacji równoosiowej. W tym celu został stworzony aparat matematyczny pozwalający na opis pola stężenia danego pierwiastka w niesferycznym Elementarnym Polu Mikrodyfuzji (EPMD) na przykładzie przemiany eutektycznej i perytektycznej w stopie Fe-C oraz przemiany perytektycznej w stopie Pb-Bi. Cechą charakterystyczną tego modelu jest uwzględnienie losowych kontaktów pomiędzy sąsiednimi EPMD, co powoduje powstanie niesferycznego kształtu tak krystalizujących ziaren. W celu opisania tak powstałych struktur zastosowano wielościany Voronoia. Ścianami takiej figury są fragmenty symetrycznych do odcinka łączącego dwa sąsiednie ziarna. Dokładny kształt tak powstałej bryły jest zależny od położenia najbliższych zarodków w stosunku do ziarna centralnego. Struktura taka powstaje podczas natychmiastowego zarodkowania ziaren i ich sferycznego wzrostu i została nazwana Uśrednionym Wielościanem Voronoia.

EN

The aim of the paper is to present a mathematical model of the equiaxed grains growth. This model describes the solute concentration field in the real-shape Elementary Diffusion Micro-Field (EMDF) during the solidification of equaxed grains. Model can be used for different solidification mechanism: single-phase solidification, eutectic nodular graphite iron or peritectic solidification. A characteristic feature of the used model is an accounting of the realistic shape of the equiaxed grains as a result of the stochastic contacts between adjacent grains. For a description of polycrystalline structures in the simulation the Voronoi polyhedrons are used. In this case, the walls of this polyhedron are fragments of planes perpendicular to the segments joining the "nuclei" and dividing these segments into two equal parts. The specific shape and volume of these polyhedra, as well as the number of faces and edges depend on the distribution of the nearest neighbouring "nuclei". Structure of this type is formed in the case of an immediate nucleation of the grains and their spherical growth at an equal rate. The shape of such a grain is called Averaged Voronoi Polyhedron (AVP).

11

Metoda CALPHAD – nowoczesna technika pozyskiwania danych termodynamicznych

Wróbel M., Burbelko A.

Archives of Foundry Engineering

|

2014

|

Vol. 14, iss. 3 spec.

79--84

PL

Pierwsze spotkanie z metodą CALPHAD zazwyczaj zaczyna się od pytania co właściwie można za jej pomocą obliczyć? Niniejsza praca przytacza kilka przykładów w jaki sposób można pozyskać interesujące nas rezultaty obliczeń oraz jak je interpretować, a także definiuje obszar, w którym to podejście jest pomocne. Pokazano wzory obliczeń pomocnych przy wyznaczaniu parametrów procesów technologicznych, takich jak temperatury zalewania oraz obróbki cieplnej. Przedstawiono również sposób wyznaczenia wpływu pierwiastków stopowych na przesunięcie punktów w układzie żelazo-węgiel. Podano ideę obliczeń równowagowych oraz nierównowagowych aby pomóc w zdaniu sobie sprawy, że same wyniki są tylko jednym z elementów potrzebnych do zrozumienia rozważanego układu oraz, że wymagana jest odpowiednia znajomość materiału, nad którym się pracuje, aby dojść do wiarygodnych wniosków. Zostało także zaznaczone, że metoda CALPHAD, dzięki możliwości obliczeń układów wyższych rzędów z uwzględnieniem wielu faz, jest niezmiernie pomocna w tematach związanych z modelowaniem przemian fazowych.

12

Core Blowing Process - Assessment of Core Sands Properties and Preliminary Model Testing

Dańko R., Dańko J., Burbelko A., Skrzyński M.

Archives of Foundry Engineering

|

2014

|

Vol. 14, iss. 1

25--28

EN

The effects of filling the core box cavity and sand compaction in processes of core production by blowing methods (blowing, shooting) depend on several main factors. The most important are: geometrical parameters of cavity and complexity of its shape, number, distribution and shape of blowing holes feeding sands as well as the venting of a technological cavity. Values of individual parameters are selected according to various criteria, but mostly they should be adjusted to properties of the applied core sand. Various methods developed by several researchers, including the authors own attempts, allow to assess core sands properties on the basis of special technological tests projecting the process into a laboratory scale. The developed criteria defining a degree or a filling ability factor provide a better possibility of assessing the core sand behaviour during flowing and core box filling, which indicate the value and structure of the obtained compacting decisive – after hardening – for strength and permeability. The mentioned above aspects are analysed – on the basis of authors’ own examinations - in the hereby paper.

13

Numeryczny model wlewka ciągłego i jego zastosowanie do symulacji procesu ciągłego odlewania wlewków kwadratowych ze stali konstrukcyjnej

Burbelko A., Kapturkiewicz W., Kudliński Z., Pieprzyca J.

Prace Instytutu Metalurgii Żelaza

|

2012

|

T. 64, nr 1

41-47

PL

Przedstawiono założenia wyjściowe i wyniki modelowania krzepnięcia wlewków stalowych o przekroju kwadratowym 160×160 mm odlewanych ze stali gatunku B1 w łukowej instalacji COS. Przeprowadzono modelowanie krzepnięcia wlewków. W modelowaniu wykorzystano oprogramowanie ProCAST (ESI Group). Wykazano możliwość prognozowania pola temperatury we wlewku oraz profilu przestrzennego strefy ciekłej i dwufazowej (ciekło-stałej).

EN

The input assumptions and simulation results for solidification modelling of 160×160 mm blooms produced from low alloy structural steel in the bow - type continuous casting machine are presented. The modelling of solidification was carried out by means of ProCAST software (ESI Group). The abilities of forecasting the temperature field in the cast strand as well as space distribution of liquid and two-phase (liquid and solid) fraction are shown.

14

Modelowanie komputerowe krzepnięcia półprzemysłowego wlewka stacjonarnego z wykorzystaniem oprogramowania ProCAST

Kapturkiewicz W., Burbelko A., Kudliński Z., Pieprzyca J.

Prace Instytutu Metalurgii Żelaza

|

2012

|

T. 64, nr 1

54-60

PL

Dla modelowania procesu krzepnięcia wlewka stacjonarnego wykorzystano oprogramowanie ProCAST, stosowane dotychczas w modelowaniu procesów ściśle odnoszących się do procesów odlewniczych. Przedmiotem modelowania był proces stygnięcia stacjonarnego wlewka o wymiarach 100×100×1100 mm we wlewnicy, od momentu rozpoczęcia zalewania metalu do zakończenia krzepnięcia, wraz z procesami tworzenia struktury, skurczu metalu i tworzenia jam skurczowych. Analiza porównawcza dla dwóch typów stali wskazuje na istotne różnice w polu temperatury i kinetyce wzrostu fazy zakrzepłej w trakcie procesu zalewania i krzepnięcia wlewków. Rezultaty modelowania wskazują na duże możliwości symulacji komputerowej dla odtworzenia procesu krzepnięcia wlewka, a przez to przeprowadzenia eksperymentów numerycznych dla optymalizacji technologii.

EN

For modeling of stationary ingot solidification process ProCAST software was used. So far, this software has been used in processes related strictly to foundry processes. The subject of modeling was cooling of stationary square ingot of 100×100×1100 mm in the mould, from the beginning of pouring liquid metal until the end of solidification, along with the processes of metal structure formation , metal shrinkage and formation of shrinkage cavities. The comparative analysis for two types of steel shows significant differences in temperature field and kinetics of solidified phase growth while pouring and solidification of ingots. The results of modeling show great possibilities of computer simulation for reproduction of the real solidification process, and thus for conducting numerical experiments for optimization of technology.

15

Modelling of the primary structure formation in the thin wall hypo- and hypereutectic ductile iron casting using CA method

Burbelko A., Gurgul D., Kapturkiewicz W., Górny M.

Inżynieria Materiałowa

|

2012

|

Vol. 33, nr 6

631--634

EN

plications in critical engineering parts due to its mechanical properties and castablility. The mechanical and physical properties of this material depend on the shape and number of the graphite grains and microstructure of the metallic matrix. The purpose of the present work is a two-dimension model development for simulation of the DI structure formation during the solidification in the condition of non steady-state temperature and diffusion fields in the thin-wall casting. Proposed model is based on the Cellular Automaton Finite Differences (CA-FD) calculation method. The Finite Element Method is used for the temperature field prediction in the casting wall. Model has been used for studies of the primary austenite and of globular eutectic grains growth during the ductile iron solidification in the thin wall casting. Model takes into account, among other things, non-uniform temperature distribution in the casting wall cross-section, heterogeneous nature of kinetics of the austenite and the graphite grains nucleation, and non-equilibrium nature of the interphase boundary migration. The final simulated microstructure is compared with the real microstructure and are presented in Figure 1. Sequence of the simulation microstructure formation, for selected times, in hypoeutectic and hypereutectic DI is shown in Figure 2.

PL

Żeliwo z grafitem kulkowym ze względu na jego właściwości mechaniczne i odlewnicze ma wiele zastosowań w odpowiedzialnych częściach maszyn. Właściwości mechaniczne i fizyczne tego materiału zależą od jego mikrostruktury, w szczególności od kształtu i liczby wydzieleń grafitu oraz od osnowy metalicznej. Proponowany w artykule model służy do symulacji tworzenia się mikrostruktury żeliwa sferoidalnego w przestrzeni dwuwymiarowej w warunkach niejednorodnego pola temperatury i stężenia domieszki, jakie panują na przykład w odlewach cienkościennych. Bazuje on na metodzie automatu komórkowego (AK) i metodzie różnic skończonych służącej do numerycznego rozwiązywania równań różniczkowych opisujących proces. Model został użyty do symulacji wzrostu pierwotnego austenitu i grafitu oraz ziaren eutektyki globularnej, jakie tworzą się podczas krystalizacji cienkościennych odlewów z żeliwa sferoidalnego. Model bierze pod uwagę niejednorodny rozkład temperatury w przekroju ścianki odlewu, zarodkowanie heterogeniczne zarówno ziaren austenitu, jak i grafitu oraz nierównowagowe warunki jakie panują na granicach międzyfazowych. Porównanie końcowej mikrostruktury uzyskanej w modelowaniu z rzeczywistą strukturą odlewu cienkościennego przedstawiono na rysunku 1. Sekwencja tworzenia się wir tualnej mikrostruktury w żeliwie pod- i nadeutektycznym dla wybranych momentów czasowych przedstawiono na rysunku 2.

16

Modeling of the grain structure formation in the steel continuous ingot by cafe method

Burbelko A., Falkus J., Kapturkiewicz W., Sołek K., Drożdż P., Wróbel M.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2012

|

Vol. 57, iss. 1

379-384

EN

Computer modeling of a temperature field and a solid phase fraction in casted billets is the base of any numerical simulation of the continuous casting technology. Temperature distribution in an ingot longitudinal and cross section for the same technological parameters is a function of solidification rate and rate of the solidification heat release. Nucleation rate and solid grain growth velocity depend on a melt undercooling below the liquidus temperature, and consequently depend on a temperature value. The results of the primary grain growth and temperature distribution modeling are presented for the square steel continuous casting 160×160 mm produced by CELSA Steel Works in Ostrowiec. For the modeling the ProCASTŽ software was used. Virtual structure of primary grains in the continuous ingot cross section was compared with a structure of a real ingot.

PL

Podstawą modelowania matematycznego procesu ciągłego odlewania stali (COS) jest symulacja komputerowa pola temperatury i składu fazowego w obszarze wlewka. Rozkład temperatury wzdłuż wlewka i w jego przekroju przy zadanych parametrach odlewania zależy m.in. od intensywności przemiany fazowej, której towarzyszy wydzielanie się ciepła krystalizacji. Szybkości zarodkowania i wzrostu ziaren fazy stałej z ciekłej stali są uzależnione od jej przechłodzenia poniżej temperatury likwidus, a więc, w sposób pośredni od wartości temperatury. W pracy przedstawiono wyniki modelowania pola temperatury i procesu tworzenia się struktury pierwotnej stali B500 SP podczas krzepnięcia wlewka ciągłego o przekroju 160×160 mm, odlewanego w warunkach CELSA HUTA OSTROWIEC. Do celów modelowania wykorzystano oprogramowanie ProCAST. Uzyskaną w symulacji strukturę ziaren pierwotnych w przekroju poprzecznym skonfrontowano z wynikami badań struktury rzeczywistej przekroju poprzecznego wlewków kwadratowych.

17

Odlewnictwo, modelowanie komputerowe a tezy Hellera

Kapturkiewicz W., Burbelko A., Gurgul D.

Przegląd Odlewnictwa

|

2011

|

Vol. 61, nr 3-4

134-136

18

Reduction of the calculation time in the modeling of the microstructure formation by CAFD method

Burbelko A., Początek J.

Metallurgy and Foundry Engineering

|

2011

|

Vol. 37, no. 1

97-106

EN

In the CAFD solidification modeling (Cellular Automaton + Finite Difference) as the growing grains shape, as the final microstructure of the alloy were not superimposed beforehand but were obtained in the simulation. CAFD models take into account heat transfer, components diffusion in the solid and liquid phases, nucleation kineties, solid border migration and liquid phase vanishing etc. Computer methods that include the solutions for all above mentioned phenomena are very time-consuming. The "bottleneck" of the models is the temperature field calculation. Acceleration of the well-known Gauss-Seidel (GS) iterative method of the numerical solution of the difference equations set was proposed by mean the selective reduction of the iteration number for the different equations used in the temperature field modeling. Computer modeling results obtained by the known GS method and results of the proposed reduced scheme using were compared with the known analytical solution of the Schwarz task. It was shown that the reducing of the solution tolerance results in the substantial increase of the solution time but has a smali influence on the mean quadrate deviation between the numerical results and the analytical one. Proposed solution scheme results in the significant reduction of the calculation quantity and the simulation time.

PL

W modelach krystalizacji typu CAFD (Cellular Automaton + Finite Difference), zarówno kształt rosnących ziaren, jak i ich końcowa struktura nie są zakładane z góry, lecz są wynikiem modelowania. W trakcie modelowania należy uwzględnić szereg zjawisk fizycznych takich jak: przenoszenie ciepła, dyfuzja składników w ciekłej i stałej fazie, kinetyka zarodkowania, rozrost ziaren i zanikanie fazy ciekłej i innych. Metody numeryczne, uwzględniające wszystkie wyżej wymienione zjawiska są bardzo czasochłonne. Wąskim gardłem modelu jest wyznaczenie pola temperatury. Z tego powodu została podjęta próba przyśpieszenia rozwiązania numerycznego Gaussa-Seidela (GS) dla schematu niejawnego obliczenia pola temperatury za pomocą zróżnicowanej ilości kolejnych przybliżeń stosowanych w iteracyjnym rozwiązaniu układu równań różnicowych modelu. Wyniki modelowania numerycznego otrzymane z wykorzystaniem zarówno znanego sposobu GS, jak i zróżnicowanej ilości iteracji porównano z rozwiązaniem analitycznym zadania Schwarza. Pokazano, że zmniejszenie tolerancji obliczeń znacznie wydłuża czas potrzebny dla uzyskania rozwiązania i ma niewielki wpływ na średniokwadratowe odchylenie wyników obu rozwiązań od rozwiązania wzorcowego. Zaproponowany schemat pozwala znacznie zredukować ilość wykonywanych operacji i powoduje skrócenie czasu modelowania.

19

Time-saving methods for CAFD modeling of the microstructure evolution during solidification

Burbelko A., Początek J., Gurgul D.

Computer Methods in Materials Science

|

2011

|

Vol. 11, No. 1

135-140

EN

The Cellular Automaton - Finite Difference model (CAFD) is one of the known methods of the simulation of micro-structure evolution during the solidification. In the mesoscale CAFD modeling the outer shape of the growing grains is the result of the simulation and do not superimposed beforehand. The solidification of metals and alloys is a typical example of multiphysics and multiscale engineering systems. The phenomenon of different time and spatial scales should be taken into consideration in the modeling of a microstructure formation: heat diffusion, the components diffusion in the liquid and solid phases, the thermodynamics of phase transformation under a condition of inhomogeneous chemical composition of growing and vanishing phases, phase interface kinetics and grains nucleation. Complete numerical solution, that takes into account all above phenomena, are very time-consuming. The ability of acceleration of the implicit scheme of numerical solution was analyzed in this paper by means of the diversified number of iteration in the well-known Gauss-Seidel iterative method. For the accuracy of the proposed numerical solution the results were compared with the known exact solution of the classical one-dimension Schwarz problem.

PL

Metoda CAFD (od ang. Cellular Automaton + Finit Difference, połączenie metod automatu komórkowego i różnic skończonych) jest jedną z dobrze znanych metod modelowania zmian mikrostruktury stopów podczas krystalizacji. W modelowaniu mikrostruktury za pomocą CAFD kształt rosnących ziaren i końcowa struktura są wynikami modelowania, a nie zakładane z góry. Proces krystalizacji metali i stopów jest typowym przykładem systemów, w modelowaniu których należy uwzględniać różne zjawiska fizyczne, dla opisu których potrzebna jest zróżnicowana skala wymiarowa i czasowa. Cecha ta musi być uwzględniona w modelowaniu procesów tworzenia się mikrostruktury, a mianowicie podczas rozwiązywania zagadnień przenoszenia ciepła, dyfuzji składników w ciekłej i stałej fazach, termodynamiki nierównowagowych przemian fazowych w warunkach niejednorodności składu chemicznego rosnących ziaren i zanikającej fazy macierzystej, kinetyki zarodkowania i wzrostu ziaren. Kompletne rozwiązania numeryczne, uwzględniające opisane wyżej zjawiska są bardzo czasochłonne. W niniejszej pracy przeanalizowano możliwość przyspieszenia poszukiwania roz-wiązania numerycznego dla schematu niejawnego obliczenia pola temperatury za pomocą zróżnicowanej ilości iteracji równań modelowych. Wyniki modelowania numerycznego w celu sprawdzenia poprawności metody skonfrontowano z rozwiązaniem analitycznym zadania Schwarza.

20

Modeling of primary and eutectic solidification by using CAFD method

Burbelko A., Początek J., Gurgul D.

Computer Methods in Materials Science

|

2011

|

Vol. 11, No. 1

128-134

EN

The results of a two-dimensional modeling of the microstructure formation in an eutectic ductile cast iron are presented. The cellular automaton model (CA) was used for the simulation. The model takes into account the nucleation of two kinds of grains that appear inside of the liquid during solidification: austenite and graphite. A numerical solution was used for the modeling of concentration and temperaturę fields. The parabolic nonlinear differential equations with a source function were solved by using the flnite differences method (FD) and explicit scheme. In the interface cells the value of the source function varies depending on the local undercooling. The undercooling value depends on the front curvature, the local temperaturę and the local chemical composition of the phases. Overlapping lattices with the same spatial step were used for concentration field modeling and for the CA. Another lattice for temperature field was used with a multiple spatial step and the same time step. The new grain nucleation of solid phases from a liquid is a phenomenon which must be taken into account for correct simulation of a polycrystalline structure formation. An algorithm of continuous nucleation modeling during solidification is presented. The undercooling of solid phase grain nucleation was calculated on the basis of the inverse function of the above cumulative distribution curve (fractile) with the argument equal to the random number generated in the interval 0... 1 with uniform density. The domain of correct usage of this algorithm was analyzed.

PL

Przedstawiono wyniki dwuwymiarowego modelowania procesu tworzenia się mikrostruktury eutektycznego żeliwa z grafitem kulkowym. W pracy wykorzystano model oparty na metodzie automatu komórkowego (CA od ang. Cellular Automaton). W modelu uwzględniono zarodkowanie ziaren dwu faz z cieczy podczas krystalizacji: grafitu i austenitu pierwotnego. Dla modelowania pola stężenia i temperatury wykorzystuje się rozwiązania numeryczne. Rozwiązanie parabolicznego nieliniowego równania różniczkowego z funkcją źródła uzyskuje siei metodą różnic skończonych (FD od ang. Finite Differences) ze schematem jawnym. Wartość funkcji źródła w komórkach interfejsu zależy od lokalnego przechłodzenia na froncie krystalizacji. Wartość przechłodzenia jest wyznaczana z uwzględnieniem j krzywizny granicy międzyfazowej na podstawie lokalnej temperatury i temperatury równowagi fazowej zależnej od lokalnego składu chemicznego cieczy. W modelowaniu stężenia wykorzystano nakładające się siatki FD i CA z identycznym krokiem. W modelowaniu pola temperatury zastosowano rzadką siatkę z wielokrotnym krokiem przestrzennym i identycznym krokiem j czasowym. Dla poprawnego modelowania struktury materiałów polikrystalicznych należy uwzględnić zjawisko zarodkowanie ziaren i stałych z fazy ciekłej. Opisano algorytm modelowania ciągłego i zarodkowania nowych ziaren podczas krystalizacji. Przechłodzenie, przy którym powstają zarodki ziaren nowych faz, jest obliczane na podstawie odwrotnej funkcji do dystrybuanty (kwantyl) rozkładu statystycznego Weibulla i liczb pseudolosowych o rozkładzie jednostajnym w zakresie 0...1. Przeanalizowano zakres poprawnego wykorzystania tego algorytmu.