3 Józef PADUCH Instytut Metalurgii Żelaza PODSUMOWANIE OBRAD II OTWARTEGO SEMINARIUM NAUKOWEGO SYMULACJA NUMERYCZNA I FIZYCZNA W ROZWOJU WYROBÓW I TECHNOLOGII PRZEMYSŁU STALOWEGO 1. WSTĘP W 2010 roku, w jubileuszowym roku 65-lecia Instytutu Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica w Gliwicach, zapoczątkowano organizowanie cyklicznych seminariów poświęconych wybranym projektom badawczym, realizowanym przez pracowników Instytutu. W kwietniu 2010 r. odbyło się I Otwarte Seminarium pod hasłem Stal dla nowoczesnego społeczeństwa technologie i wyroby. W dniach 18-20 kwietnia 2012 roku w Ustroniu odbyło się II Otwarte Seminarium Naukowe Instytutu Metalurgii Żelaza pt. Symulacja numeryczna i fizyczna w rozwoju wyrobów i technologii przemysłu stalowego. Przedmiotem naukowych prezentacji, dyskusji i analiz były w głównej mierze wyniki badań, uzyskane w zakończonym w maju 2011 roku projekcie badawczym rozwojowym pt.: Opracowanie podstaw przemysłowych technologii kształtowania struktury i właściwości wyrobów z metali i stopów z wykorzystaniem symulacji fizycznej i numerycznej. Projekt ten został sfinansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, a jego realizatorami było pięć jednostek naukowych: Instytut Metalurgii Żelaza jako główny wykonawca oraz Akademia Górniczo-Hutnicza, Politechnika Częstochowska, Politechnika Śląska i Politechnika Warszawska jako współwykonawcy. W Seminarium uczestniczyło 52 naukowo-badawczych pracowników Instytutu, 20 współwykonawców projektu rozwojowego z uczelni oraz zaproszeni goście z kraju i zagranicy: Ilaria Salvatori (Centro Sviluppo Materiali, Rome) Harald Peters (VDEh Betriebsforschungsinstitut, Düsseldorf) Grzegorz Korpala (Technische Universität Bergakademie, Freiberg) Gerd Goldhahn (Technische Universität Bergakademie, Freiberg) Maciej Pietrzyk (Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków), Jacek Kitowski (Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków). Seminarium było okazją do wręczenia medalu Za Wybitny Wkład w Rozwój Instytutu, który Kapituła Medalu przyznała Panu Profesorowi Maciejowi Pietrzykowi z Wydziału Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Akademii Górniczo-Hutniczej.
4 Józef Paduch W sesji plenarnej zostały wygłoszone następujące referaty (z których plansze są publikowane w niniejszym Dodatku Prac IMŻ): Pietrzyk M., Szeliga D.: State of the art, classification and characterization of simulation methods in research on manufacturing of steel products, Peters H., Chefneux L., Pietrosanti C.: Intelligent manufacturing and its relevance for the European Steel Industry, Salvatori I.: Physical and numerical simulations for ultrafine grained steels production, Goldhahn G.: Semi-industrial scale simulation of processes used in steel industry, oraz Garbarz B.: Planowane cele i osiągnięte wyniki projektu: Opracowanie podstaw przemysłowych technologii kształtowania struktury i właściwości wyrobów z metali i stopów z wykorzystaniem symulacji fizycznej i numerycznej (pełny tekst referatu został opublikowany w Pracach IMŻ nr 1, 2012). W ramach Seminarium odbył się panel dyskusyjny dotyczący znaczenia metod symulacyjnych dla rozwoju technologii stosowanych w przemyśle stalowym, w którym udział wzięli: Ilaria Salvatori, Harald Peters, Gerd Goldhahn, Maciej Pietrzyk, Bogdan Garbarz, Roman Kuziak (moderator). Seminarium Naukowe obejmowało trzy sesje tematyczne: Symulacja numeryczna i fizyczna wytapiania, odlewania i krzepnięcia stali Symulacja numeryczna i fizyczna wymiany ciepła, odkształcenia plastycznego na gorąco oraz przemian fazowych i strukturalnych Symulacja fizyczna w skali półprzemysłowej, w ramach których wygłoszono 20 referatów oraz sesję posterową, w której zaprezentowano 7 prac. Wszystkie prace prezentowane na Seminarium w sesjach tematycznych zostały opublikowane w kwartalniku Prace Instytutu Metalurgii Żelaza tom 64, nr 1 (2012). Podsumowania Seminarium dokonał autor niniejszego tekstu, a najważniejsze tezy tego podsumowania przedstawiono w poniższym omówieniu. Zawiera ono dwie części: w pierwszej przedstawiono stan realizacji wniosków z I Otwartego Seminarium odbytego w 2010 roku, natomiast w drugiej główne tezy podsumowania II Seminarium. 2. REALIZACJA WNIOSKÓW Z I OTWARTEGO SEMINARIUM NAUKOWEGO Seminarium: Stal dla nowoczesnego społeczeństwa technologie i wyroby było okazją do prezentacji wyników prac badawczych, opracowań i analiz oraz do kuluarowych dyskusji i ustaleń. Obejmowało panel dyskusyjny, dotyczący uwarunkowań funkcjonowania i rozwoju przemysłu stalowego w Europie, 4 referaty gości zagranicznych wprowadzające do sesji tematycznych oraz 37 referatów specjalistycznych, obejmujących wyniki badań prowadzonych w Instytucie lub z udziałem Instytutu w innych jednostkach naukowych oraz w zakładach przemysłowych. Przedstawiony na Seminarium dorobek badawczo-wdrożeniowy Instytutu w ostatnich pięciu latach 2005 2009 oceniono formułując odpowiedzi na następujące pytania: Czy badania Instytutu stanowią wkład w rozwój światowej metalurgii? Czy badania Instytutu przyczyniają się do poprawy stanu środowiska naturalnego? Czy działalność Instytutu prowadzi do poprawy innowacyjności polskiej gospodarki? Czy wdrożenia wyników prac Instytutu mają wpływ na konkurencyjność przedsiębiorstw przemysłu stalowego? Odpowiedzi na powyższe pytania były w zasadzie pozytywne. Stwierdzono, że obszar oddziaływania i współpracy Instytutu jest szeroki i obejmuje przedsiębiorstwa z następujących branż: stalowej, energetyki, środków transportu, zbrojeniowej, budownictwa, górnictwa oraz maszynowej. Badania i wdrożenia na rzecz przedsiębiorstw branży stalowej, należą do podstawowych zadań statutowych Instytutu. Jednak ilość wdrożonych prac w tych przedsiębiorstwach uległa ostatnio zmniejszeniu, z jednej strony wskutek zmniejszenia się liczby hut, a z drugiej wskutek ograniczenia środków budżetowych na realizację projektów celowych. Spowodowało to potrzebę szerszego zaangażowania Instytutu w badaniach na rzecz pozostałych sektorów użytkowników wyrobów stalowych. Uznano, że takie ukierunkowanie działalności Instytutu jest celowe i może przynieść wymierne efekty w postaci przychodów z bezpośrednich zleceń, jak również wdrożeń i patentów. W podsumowaniu I Seminarium oceniono pozytywnie zaangażowanie Instytutu w badaniach na rzecz przemysłu w ostatnich pięciu latach oraz określono następujące kierunki wzmożonej aktywności Instytutu na lata następne: Intensyfikacja międzynarodowej współpracy przy realizacji projektów w ramach Europejskiej Przestrzeni Badawczej; Dalsze pogłębianie współpracy z producentami wyrobów stalowych w Polsce, a w szczególności z ArcelorMittal Poland; Systematyczne poszerzanie oferty badawczej Instytutu na potrzeby użytkowników wyrobów stalowych, a w szczególności energetyki, transportu, budownictwa i przemysłu zbrojeniowego. 2.1. OBECNOŚĆ INSTYTUTU W EUROPEJSKIEJ PRZESTRZENI BADAWCZEJ Aktywność Instytutu w staraniach na rzecz wzmocnienia naszej obecności w europejskiej przestrzeni badawczej należy oceniać w dwóch aspektach: działalności w europejskich instytucjach i pozyskiwania środków unijnych na realizację projektów badawczych. Aktywność pracowników Instytutu w europejskich instytucjach uległa zwiększeniu. Obecnie działają jako członkowie następujących grup Funduszu Badawczego Węgla i Stali oraz Europejskiej Platformy Technologicznej Stali:
Podsumowanie obrad II Otwartego Seminarium... 5 Steel Advisory Group Research Fund for Coal and Steel (SAG RFCS) Technical Group TGS6 RFCS Physical metallurgy and design of new generic steel grades Mirror Group European Steel Technology Platform (ESTEP) Working Group WG1 ESTEP: Profit through Innovation Safe, clean, cost-effective and low capital intensive technology Working Sub-Group WG1 ESTEP: Efficient use of natural resources ; Working Teams: Recycling and valorization of steelmaking slag and Recovery of iron units from diverse by-products Working Group WG5 ESTEP: People Working Group WG6 ESTEP: Energy. Jeżeli chodzi o aspekt badawczy, to należy stwierdzić, że pracownicy Instytutu podejmują starania o pozyskanie środków unijnych na finansowanie projektów badawczych na zasadach konkursowych, jednak współczynnik sukcesu nie jest zbyt duży. W ostatnim okresie udało się pozyskać finansowanie dwóch nowych projektów: Property oriented design of hard constituent hardness and morphology in continuously annealed/galvanised DP sheets Research Fund For Coal And Steel Greening technical vocational education and training sustainable training module for the european steel industry (GT VET) Leonardo da Vinci natomiast nie pozyskano finansowania na dwa inne wnioski: Innovative technology of using converter sludges and other waste of ferrous metallurgy processes with use of waste heat from ironmaking and steelmaking processes Research Fund For Coal And Steel Renewable energy storage and compressed hydrogen production using electrochemically driven iron cycle technology 7 PR. 2.2. WSPÓŁPRACA Z PRODUCENTAMI WYROBÓW STALOWYCH W POLSCE, A W SZCZEGÓLNOŚCI ARCELORMITTAL W zakresie pozyskania nowych projektów finansowanych bezpośrednio przez huty Instytut odnotował umiarkowany sukces, mimo przygotowania kilku dobrych ofert badawczo-wdrożeniowych. Podjęto realizację kilkunastu prac badawczych i usług badawczych, z których na uwagę zasługują trzy poniższe: Studium wykonalności projektu inwestycyjnego: Zaprojektowanie i wybudowanie energooszczędnego pieca zapłonowego wraz z oceną możliwości jego zastosowania w warunkach jednego z zagranicznych oddziałów ArcelorMittal, Próby spiekania rud i koncentratów pochodzących ze Wspólnoty Niepodległych Państw ArcelorMittal Maizieres Research & Development, Optymalizacja nastaw prostownicy pionowej w Walcowni Dużej ArcelorMittal Poland Oddział Dąbrowa Górnicza. 2.3. POSZERZANIE OFERTY BADAWCZEJ INSTYTUTU NA POTRZEBY UŻYTKOWNIKÓW WYROBÓW STALOWYCH Więcej sukcesów odnotowano natomiast w zakresie pozyskania projektów badawczych na rzecz użytkowników wyrobów stalowych. Oprócz prac zleconych bezpośrednio przez przedsiębiorstwa, Instytut rozpoczął realizację następujących projektów finansowanych z udziałem środków budżetowych: projektów celowych (PC), rozwojowych (PR, PS, PI) i własnych (PW): PC: Opracowanie technologii i uruchomienie produkcji nowej generacji kształtowników i akcesoriów do obudów górniczych Huta Łabędy PC: Opracowanie technologii i uruchomienie produkcji odkuwek dla przemysłu motoryzacyjnego ForgeX Polska Sp. z o.o. PC: Technologia wytwarzania taśm na piły taśmowe do cięcia drewna PPZ Baildon PC: Uruchomienie produkcji taśm ze stali odpornych na korozję dla podziemnej infrastruktury przesyłowej PPZ Baildon PR: Ocena zachowania się i prognoza długotrwałej pracy stali nowych generacji na elementy kotłów eksploatowanych powyżej temperatury granicznej NCBiR PR: Technologiczne aspekty zastosowania nowej generacji stali (AHSS) na elementy nadwozi samochodowych NCBiR PS: Technologie wytwarzania supertwardych materiałów nanostrukturalnych ze stopów żelaza oraz ich zastosowanie w pancerzach Fundusze Strukturalne (PO-IG) PI: Technologia produkcji wielkogabarytowych odkuwek ze stali ultraczystych dla przemysłu energetycznego NCBiR (IniTech) PI: Opracowanie nowoczesnej konstrukcji modułu pancerza odpornego na udarowe oddziaływanie strumienia kumulacyjnego i pocisków NCBiR (IniTech) PW: Modelowanie trwałości materiałów dla nowoczesnej energetyki na podstawie prób pełzania NCN PW: Poprawa tłoczności blach metalowych poprzez kształtowanie odpowiedniej topografii powierzchni NCN PW: Opracowanie metodami symulacji fizycznej i numerycznej charakterystyki przemian fazowych i strukturalnych w stopach z układu Fe-(0,1%C)- (1-8%Al) stanowiącego bazę nowej grupy stali konstrukcyjnych NCN. Reasumując należy stwierdzić, że przyjęte w ramach I Otwartego Seminarium wymienione powyżej kierunki aktywności Instytutu są nadal aktualne. 3. PODSUMOWANIE WYNIKÓW II OTWARTEGO SEMINARIUM Jak wspomniano we wstępie II Seminarium miało na celu podsumowanie osiągnięć naukowych i aplikacyjnych projektu rozwojowego, jak również określenie kierunków dalszych zamierzeń badawczych związanych z rozwojem metod modelowania komputerowego i symulacji fizycznych na potrzeby produkcji wyrobów stalowych.
6 Józef Paduch 3.1. WYNIKI PROJEKTU BADAWCZEGO ROZWOJOWEGO OPRACOWANIE PODSTAW PRZEMYSŁOWYCH TECHNOLOGII KSZTAŁTOWANIA STRUKTURY I WŁAŚCIWOŚCI WYROBÓW Z METALI I STOPÓW Z WYKORZYSTANIEM SYMULACJI FIZYCZNEJ I NUMERYCZNEJ Realizatorzy projektu rozwojowego postawili sobie dwa cele: naukowy i utylitarny. Projekt wykonywano z zastosowaniem trzech głównych rodzajów metod badań: modelowania numerycznego oraz symulacji fizycznych w skali laboratoryjnej i w skali półprzemysłowej. Celem naukowym projektu było unowocześnienie, rozwinięcie i dostosowanie do aktualnych potrzeb metod symulacji numerycznej, fizycznej laboratoryjnej i fizycznej półprzemysłowej, mających zastosowanie do kształtowania mikrostruktury i właściwości wyrobów z metali i stopów. Cel ten został w pełni zrealizowany, o czym świadczy dorobek naukowy w postaci opracowania lub udokładnienia następujących modeli i zastosowania ich w systemach komputerowych: Opracowanie metodyki półprzemysłowej symulacji walcowania na gorąco i obróbki cieplnoplastycznej blach i prętów za pomocą modułu B LPS, obejmującego jednoklatkową walcarkę nawrotną oraz urządzenia pomocnicze i sterująco-rejestrujące Opracowanie założeń eksperymentalnych technologii walcowania blach i prętów w LPS na podstawie wyników symulacji numerycznych i fizycznych Opracowanie założeń technologicznych i konstrukcyjnych budowy modułów LPS linii półprzemysłowej symulacji walcowania na gorąco i obróbki cieplno-plastycznej taśm cienkich (moduł C) i prętów drobnych (moduł D) Modele krzepnięcia wlewka ciągłego oraz wlewka laboratoryjnego Model naprężeń i odkształceń we wlewku odlewanym w sposób ciągły Model zamykania i spajania wewnętrznych nieciągłości wsadu w trakcie walcowania na gorąco blach i prętów Model wymiany ciepła w procesach walcowania wlewków Model przemian fazowych zachodzących w stalach wielofazowych Model rozwoju struktury oraz przemian fazowych, zachodzących w procesach obróbki plastycznej i cieplnej Modele procesu walcowania blach i prętów dla różnych gatunków stali System ekspercki do wspomagania walcowania blach na gorąco w LPS Ponadto w wyniku realizacji zakrojonych na szeroką skalę badań materiałowych i symulacji fizycznych w skali laboratoryjnej i półprzemysłowej uzyskano następujące dane i charakterystyki badanych stali, które stanowią istotny wkład do inżynierii materiałowej: Wykresy przemian fazowych CTPi, CTPc i OCTPc; charakterystyki technologiczne odkształcalności w szerokim zakresie temperatury; zbiory danych fizycznych i technologicznych W wyniku realizacji projektu wykonano również dodatkowe opracowania dotyczące badań za pomocą LPS linii do półprzemysłowej symulacji wytwarzania wyrobów metalowych.
Podsumowanie obrad II Otwartego Seminarium... 7 Celem utylitarnym projektu rozwojowego było opracowanie podstaw przemysłowej technologii wytwarzania wyrobów walcowanych z nowoczesnych gatunków stali. Przedmiotem opracowania były trzy następujące gatunki stali, znajdujące się w różnych fazach rozwoju: stal superdrobnoziarnista konstrukcyjna na etapie prób przemysłowych (materiał oznaczony w projekcie symbolem A), stal konstrukcyjna o strukturze wielofazowej w początkowej fazie zastosowań przemysłowych (materiał oznaczony w projekcie symbolem B) oraz supertwarda wysokowęglowa stal bainityczna na etapie badań i prób wdrożeniowych (materiał oznaczony w projekcie symbolem C): A. Stal konstrukcyjna superdrobnoziarnista (Fe-0,15%C-0,90%Mn) B. Stal konstrukcyjna wielofazowa (0,1% C, 1,5-2,0% Mn oraz mikrododatki Ti i V) C. Stal supertwarda wysokowęglowa, nanokompozytowa bainityczno-austenityczna (0,55-0,59%C, Mn, Si, Cr i Mo oraz mikrododatki V, Al i Ti) 3.2. KIERUNKI DALSZYCH PRZEDSIĘWZIĘĆ BADAWCZYCH W ZAKRESIE BADAŃ SYMULACYJNYCH Prezentacje i dyskusja na Seminarium stanowią bazę do sformułowania kierunków dalszego rozwoju metod badań w zakresie projektowania nowych wyrobów i technologii ich wytwarzania. Zastosowanie odpowiednich metod ma bezpośrednie przełożenie na oszczędność czasu, materiału i energii oraz całkowitych kosztów realizacji projektów. Koszty ponoszone na projektowanie nowych wyrobów i technologii rosną znacząco w sekwencji: opracowanie teoretyczne modelowanie cyfrowe symulacje fizyczne próby przemysłowe, co zobrazowano powierzchnią figur na poniższym schemacie. W przypadku produkcji masowej, jaką jest np. produkcja stali, szczególnie duży wzrost kosztów następuje przy realizacji eksperymentów w skali przemysłowej, dlatego też bardzo przydatne jest zastąpienie ich symulacjami w skali półprzemysłowej. W toku dyskusji na Seminarium stwierdzono, że uzasadnione jest szersze wykorzystanie metod symulacji i narzędzi informatycznych w projektowaniu zaawansowanych materiałów metalowych i nowych technologii wytwarzania i przetwarzania metali i stopów. Szczególną rolę odgrywa modelowanie cyfrowe, które pozwala na uzyskanie sprzężenia zwrotnego pomiędzy projektem wyrobu a jego właściwościami, jeszcze przed uruchomieniem produkcji. Narzędziami do osiągnięcia tego celu są modele teoretyczne i empiryczne do opisu przemian fazowych zachodzących w materiałach podczas ich wytapiania, odlewania, kształtowania cieplnoplastycznego i obróbki cieplnej. Projektowanie nowych wyrobów i technologii ich wytwarzania
8 Józef Paduch 4. WNIOSKI KOŃCOWE Z PODSUMOWANIA SEMINARIUM Uzyskane wyniki projektu rozwojowego świadczą o dużej efektywności metod symulacyjnych w projektowaniu i przygotowywaniu do wdrażania technologii z dziedziny wytwarzania materiałów metalowych oraz półwyrobów i wyrobów z tych materiałów. Zastosowanie sekwencji: modelowanie numeryczne fizyczna symulacja laboratoryjna fizyczna symulacja półprzemysłowa, stwarza możliwości minimalizowania kosztów i zwiększania dokładności opracowywania i przygotowywania do przemysłowego zastosowania technologii materiałowych. Ponadto realizacja projektu pokazała, że dla podjęcia dużych programów badawczych konieczna jest integracja potencjału kadrowego i zaplecza badawczego wiodących zespołów badawczych w kraju. W kraju istnieje duży potencjał badawczy i bogaty dorobek w zakresie inżynierii materiałowej, jak również programów i systemów informatycznych stosowanych na jej potrzeby. Dorobek ten jest jednak rozproszony własnościowo, przestrzennie i organizacyjnie, a programy i systemy komputerowe dotyczące różnych materiałów i technologii nie są komplementarne i wzajemnie kompatybilne. Istnieje potrzeba zbudowania skonsolidowanego systemu informatycznego, obejmującego narzędzia obliczeniowe i bazy danych dla wytwórców i użytkowników wyrobów metalowych, w szczególności dla zaawansowanych sektorów gospodarki, takich jak: sektor lotniczy, sektor samochodowy, sektor transportu szynowego, sektor obronny, sektor wydobywczy.