MODELOWANIE ODLEWANIA CIĄGŁEGO WLEWKÓW ZE STOPU AL

Transkrypt

1 20/18 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2006, Rocznik 6, Nr 18 (1/2) ARCHIVES OF FOUNDRY Year 2006, Volume 6, N o 18 (1/2) PAN Katowice PL ISSN MODELOWANIE ODLEWANIA CIĄGŁEGO WLEWKÓW ZE STOPU AL W. KAPTURKIEWICZ 1, A.A. BURBELKO 2, P. DĄBEK 3 Wydział Odlewnictwa AGH, ul. Reymonta 23, Kraków STRESZCZENIE Na przykładzie oprogramowania komputerowego Calcosoft przedstawiono możliwości wykorzystania modeli matematycznych i systemów komputerowych do wirtualizacji procesów zachodzących podczas krystalizacji pionowego okrągłego wlewka ciągłego ze stopu Al. Wyniki modelowania zweryfikowano doświadczalnie. Key words: solidification, computer modeling, continuous casting, Aluminum 1. WSTĘP Od lat kilkunastu coraz większe znaczenie w przygotowaniu technologii ma możliwość numerycznego, komputerowego modelowania procesów odlewniczych, czyli ich odtworzenia w postaci wirtualnej. Spośród różnych metod modelowania najpierw z wykorzystaniem analogów elektrycznych, hydraulicznych, a następnie metod numerycznych zarówno statystycznych (regresyjnych), jak i opartych na tzw. zasadach pierwszych tylko te ostatnie wytrzymały próbę czasu. Szybki rozwój i szerokie wykorzystanie metod numerycznych jest ostatnio możliwe dzięki eksplozyjnemu wzrostowi mocy obliczeniowych i ciągłemu zmniejszaniu się ceny sprzętu komputerowego. Modelowanie komputerowe procesów z wykorzystaniem metod numerycznych najpełniej odtwarza złożoną fizyko-chemię i mechanikę procesów odlewniczych [1]. Modelowanie odlewania ciągłego lub półciągłego stanowi przedmiot zainteresowania badań zarówno za granicą [2-5] jaki w kraju [6-8]. W pracach [7, 8] zaprezentowano rezultaty modelowania, opartego na własnym modelu matematycznym z zesta- 1 prof. dr hab. inż., kaptur@agh.edu.pl 2 dr hab. inż. 3 mgr inż. 137

2 wieniem ich z wynikami z oprogramowania profesjonalnego. W zasadniczych zakresach (głębokość i kształt jeziorka) wyniki są prawie identyczne. 2. WYNIKI POMIARÓW I MODELOWANIA W ramach niniejszej pracy przeprowadzono pomiary temperatury krzepnącego wlewka ciągłego ze stopu Al. Wyniki zestawiono z rezultatami modelowania numerycznego z wykorzystaniem oprogramowania Calcosoft firmy ESI Group, opartego na metodzie elementów skończonych w układzie 3D. Zgodność wyników pomiarów oraz rezultatów modelowania pozwala na wyciągnięcie wniosku nie tylko o prawidłowym działaniu programu, ale o trafnie przyjętych parametrach termofizycznych i brzegowych. W oparciu o te konkluzje możliwe było wiarygodne określenie poprzez modelowanie komputerowe wpływu niektórych parametrów procesu jak początkowa temperatura metalu, temperatura wody chłodzącej i szybkość przesuwu wlewka na jego pole temperatury oraz głębokość jeziorka ciekłego metalu w krzepnącym wlewku. W doświadczeniu wykorzystano stop na bazie aluminium, którego skład chemiczny podano w tabeli 1. Pomiary przeprowadzono we wlewku okrągłym o średnicy 178 mm, odlewanym pionowo. Parametry procesu technologicznego przedstawiono w tabeli 2. Tabela 1. Skład chemiczny stopu aluminiowego Table 1. The Al-alloy composition Pierwiastek Cu Fe Mn Zn Mg Si Ni Ti Cr Zawartość, % w/w 0,03 0,22 0,03 0,03 0,39 0,44 0,004 0,015 0,009 Tabela 2. Parametry odlewania wlewka Table 2. Casting parameters Temperatura Prędkość zalewania, Temperatura wody zalewania, o C mm/min chłodzącej, o C Do pomiaru temperatury wlewka użyto termoelementu Ni-NiCr o średnicy 0.5 mm w 4-otworowej osłonie alundowej, w odległości umożliwiającej umieszczenie 2-ch termoelementów w jednym elemencie ceramicznym. Zestaw termoelementów zanurzany był pionowo od góry we wlewku, w miarę możliwości w jego osi, następnie przemieszczał się wraz z krzepnącym wlewkiem. Rys. 1 pokazuje przykładowy widok siatki obliczeniowej w przekroju poziomym, odtwarzającej okrągły wlewek i krystalizator. Na rys. 2 zestawiono wyniki pomiarów temperatury wlewka wzdłuż jego długości w miarę zalewania, wraz z rezultatami modelowania komputerowego. Charakterystyczne jest załamanie krzywych w odległości ok. 120 mm od lustra metalu, wskazujące na granicę pomiędzy fazą ciekłą i stałą, a zatem na położenie dna jeziorka ciekłego metalu. 138

3 Niewielkie różnice pomiędzy wynikami eksperymentu oraz modelowania świadczą zarówno o prawidłowości oprogramowania jak i właściwie przyjętych warunkach jednoznaczności. Pozwala to wyciągnąć konkluzję, iż możliwe jest przeprowadzenie wiarygodnych "eksperymentów numerycznych" [1], dotyczących wpływu parametrów technologicznych na przebieg procesu krystalizacji wlewka. Rys. 1. Widok siatki obliczeniowej w przekroju poziomym wlewka Fig. 1. The mesh for modeling in the horizontal cross section of the ingot Rysunek 3 pokazuje rozkład temperatury wzdłuż wlewka przy różnej temperaturze zalewania. Obniżenie temperatury zalewania do poziomu C powoduje, iż obszar zakrzepły wlewka sięga lustra metalu, co wskazuje na sytuację awaryjną. Rysunek 4 wskazuje na znikomy wpływ temperatury wody chodzącej (dla temperatury w granicach C) na kinetykę krzepnięcia. Niewielki wpływ jest zauważalny w obszarze zakrzepłym wlewka, w temperaturze poniżej C. Istotniejszy wpływ ma prędkość odlewania (rys. 5) obserwuje się przesunięcie izoterm wzdłuż długości wlewka, co przy zbyt dużych prędkościach może doprowadzić do sytuacji awaryjnej. Na rysunku 6 pokazany jest kształt ciekłego jeziorka; przy prędkości 140 mm/min widoczne jest zagrożenie wydostania się ciekłego metalu poza obszar krystalizatora. 139

4 Rys. 2. Porównanie modelowania z eksperymentem Fig. 2. Comparing of the experiment and modeling Rys. 3. Temperatura w osi wlewka w zależności od temperatury zalewania modelowanie Fig. 3. The temperature distribution in the ingot for different pouring temperature modeling Rys. 4. Temperatura w osi wlewka w zależności od temperatury wody chłodzącej modelowanie Fig. 4. The temperature distribution in the ingot for different temperature of cooling water modeling 140

5 Rys. 5. Rozkład temperatury wewnątrz wlewka w zależności od prędkości odlewania Fig. 5. The temperature distribution in the ingot for different casting velocities Rys. 6. Modelowany przekrój wlewka przy prędkości zalewania 140 oraz 100 mm/min Fig. 6. Ingot cross-section for casting velocity 140 and 100 mm/min. modeling 3. WNIOSKI 1. Wiarygodne zestawienie wyników eksperymentu z rezultatami modelowania komputerowego pozwoliło na wykorzystanie oprogramowania do przeprowadzenia tzw. eksperymentów numerycznych. 2. Poprzez modelowanie komputerowe stwierdzono: - istotny wpływ temperatury zalewania i szybkości wlewka na przebieg jego krzepnięcia, - znikomy wpływ temperatury wody chłodzącej na kinetykę krzepnięcia wlewka. 3. Modelowanie komputerowe pozwoliło na określenie parametrów procesu, przy których następuje sytuacja awaryjna, np. zamrożenie wlewka lub wyciek ciekłego metalu poza obszar krystalizatora. 141

6 LITERATURA [1] W. Kapturkiewicz, E. Fraś, A.A. Burbelko: Dlaczego modelowanie komputerowe jest w odlewnictwie potrzebne? Przegląd Odlewnictwa, nr 1, 2005, s. 15. [2] B. Magnin, B. Commet: Thermomechanical characterization and modeling in vertical semicontinuous casting of aluminum alloys. Journees d'authomne 1998, Paris, 1998, s. 70. [3] A. Gentil-Sagot, Y. Bienvenu, J.D. Bartout, R. Bailly: First result in the modeling of the solidification of Cu5Al5Zn05Sn (Nordic gold). Revue de Metallurgie, t. 96, s. 144, [4] D. Mortensen: A mathematical model of the heat and fluid flow in direct-chill casting of aluminum sheet ingots and blillets. Metall. Mat. Trans. B, t. 30B, 1999, s [5] M. Rappaz: State of the art and new challenges in modeling of sheet ingot casting. Aliminium, t. 89, 2004, s [6] B. Mochnacki, J.S. Suchy: Numerical methods in computation of foundry processes. Wyd. ZG STOP, Kraków [7] W. Kapturkiewicz, A.A. Burbelko: Micro- macro model of solidification for simulation of continuous casting of steel. Krzepnięcie Metali i Stopów - 18, PAN, Katowice 1993, s [8] W. Kapturkiewicz, A. Burbelko: Modelowanie odlewania półciągłego i ciągłego z wykorzystaniem oprogramowania własnego i profesjonalnego. Archiwum Odlewnictwa, 2001, t. 1, nr 1, s Publikacja w ramach prac własnych AGH; umowa nr MODELING OF THE ALUMINUM INGOTS CONTINUOUS CASTING SUMMARY The possibility of mathematical models and using of the special computer software for virtualization of solidification of continuous Aluminum rod-shaped vertical casting has been presented on the example of Calcosoft program. The results of modeling were validated by the experimental results. Recenzował: Prof. Edward Fraś 142