Katowice, dn. 30.08.2013 Prof. dr hab. inż. Zdzisław Kudliński Katedra Metalurgii Wydział Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Politechniki Śląskiej ul. Krasińskiego 8 40-019 Katowice RECENZJA pracy doktorskiej Pani mgr inż. Katarzyny Miłkowskiej-Piszczek pt.: Opracowanie i zastosowanie numerycznego modelu procesu COS do wyznaczania technologicznych parametrów odlewania stali S235, opracowana na zlecenie Dziekana Wydziału Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Ocena wyboru tematu pracy doktorskiej Ciągłe odlewanie stali, ze względu na niekwestionowane zalety, jest dominującą metodą odlewania stosowaną w krajowym (i nie tylko) przemyśle stalowniczym. Należy do nowych i ciągle rozwijających się technologii w kierunku poprawy, szeroko rozumianej, jakości produktu jakim jest stalowy wlewek ciągły. Duży udział w tym rozwoju i systematycznej poprawie jakości wlewków ciągłych oraz eliminacji sytuacji awaryjnych posiada możliwość stosowania matematycznegonumerycznego modelowania procesu ciągłego odlewania lub jego newralgicznych fragmentów. Ważną zaletą numerycznego modelowania jest możliwość weryfikacji i optymalizowania stosowanych parametrów technologicznych procesu i dostosowanie ich do lokalnych warunków cyklu metalurgicznego wytwarzania stli, gwarantujących skuteczną realizację programu ciągłego odlewania różnych gatunków stali. W tym kontekście pozytywnie oceniam wybór tematu recenzowanej pracy doktorskiej 1
Pani mgr inż. Katarzyny Miłkowskiej-Piszczek. Spełnia warunek aktualności i jednocześnie stanowi odpowiedź na współczesne zapotrzebowanie na działalność naukową i badawczą w obszarze metalurgii stali. Formalna charakterystyka pracy doktorskiej Recenzowana praca doktorska zredagowana jest według klasycznego i akceptowanego schematu: części literaturowej (rozdz. 2-4) zawierającej dotychczasowy stan wiedzy a zwłaszcza podstawy teoretyczne związane z problematyką pracy oraz części badawczej (rozdz. 6-10) będącej rozwiązaniem zadania kreślonego w temacie pracy doktorskiej. W rozdziale 5 zamieszczono tezę, cel oraz w formie niejawnej zakres pracy doktorskiej. Praca składa się z 11 głównych rozdziałów podzielonych na liczne podrozdziały, poprzedzonych spisem treści i wykazem stosowanych oznaczeń. Edycję pracy doktorskiej kończy zestawienie literatury (79 pozycji), spis tablic i rysunków. Tekst całej pracy doktorskiej napisany jest na 124 ponumerowanych stronach, w którym umieszczono 49 rysunków i 16 tablic. W zestawieniu literatury, wykorzystanej do opracowania rozprawy doktorskiej znajduje się (tylko) 7 publikacji, których doktorantka jest współautorką. Wszystkie publikacje w zestawieniu literaturowym tematycznie związane są problematyką pracy doktorskiej i w zdecydowanej większości pochodzą z ostatniego dziesięciolecia. Podczas redagowania pracy doktorantka nie ustrzegła się pewnych błędów i nietypowych sformułowań. Na niektóre z nich, z obowiązku recenzenta, muszę wskazać: 1. stosowanie podwójnego nazewnictwa produktu procesu ciągłego odlewania i parametru technologicznego tego procesu, np. wlewek płaski pasmo, szybkość odlewania szybkość wyciągania, 2. w spisie stosowanych oznaczeń mylnie określono symbol a1 a wymiar współczynnika krzepnięcia K jest nieprawidłowy, 3. wzór (29), str. 36, zawiera błąd w indeksowaniu współczynników wymiany ciepła, 4. wybrzuszenie wlewka ciągłego pomiędzy rolkami generuje naprężenia rozciągające na zewnętrznej a nie na wewnętrznej powierzchni naskórka, str. 19, 1. w. d., 5. do wyznaczenia warunków brzegowych i początkowych (str. 48, 10. i 11. w. g.) przyjęto dwa razy ten sam parametr technologiczny gdyż temperatura stali w kadzi pośredniej jest temperaturą odlewania stali, 6. w tekście na str. 68 i 74 błędnie odniesiono się do rys. 29 i rys. 34. 2
Wymienione nieprawidłowości nie obniżają wartości merytorycznej pracy doktorskiej. Przytoczenie ich w recenzji ma na celu zwiększenie uwagi doktorantki przy opracowywaniu w przyszłości materiałów naukowych. Ocena pracy doktorskiej Przedstawiona w pracy doktorskiej Pani mgr inż. Katarzyny Miłkowskiej-Piszczek teza o możliwości stworzenia modelu COS pozwalającego na wyznaczenie technologicznych parametrów odlewania wybranego gatunku stali w oparciu o obliczenia numeryczne z wykorzystaniem MES jest w sposób chronologiczny i przekonywująco udowadniana. Jej początkowy fragment, przytoczony powyżej, oceniam pozytywnie. Natomiast jej końcową część, dotyczącą już formułowanych możliwości planowanego do zbudowania modelu za przedwczesną i zbyt optymistyczną na tym etapie pracy doktorskiej. W pierwszych rozdziałach pracy, należących do tzw. części literaturowej, scharakteryzowano budowę i zasadę działania urządzeń do ciągłego odlewania stali ze szczególnym uwzględnieniem zaplanowanego do modelowania obiektu urządzenia COS do odlewania wlewków płaskich wraz z technologią odlewania. W czasie ciągłego odlewania, w linii technologicznej urządzenia COS, jednocześnie odbywa się proces krzepnięcia odlewanie stali, determinowany intensywnością odprowadzania ciepła przez odpowiednie elementy konstrukcyjne urządzenia (krystalizator i strefę wtórnego chłodzenia). Dlatego kolejne rozdziały pracy (rozdz. 2.2 i 3) doktorantka poświęciła zagadnieniom krzepnięcia i wymiany ciepła w warunkach ciągłego odlewania stali. Na wyróżnienie zasługuje rozdz. 3. dotyczący opisu modelu wymiany ciepła w krystalizatorze (strefa chłodzenia pierwotnego) i strefie chłodzenia wtórnego, który został wykorzystany do pracowania modelu numerycznego COS. Podstawy teoretyczne numerycznego modelowania procesu COS i charakterystyki stosowanych metod, zamieszczone w rozdz. 4 pracy, stanowią wprowadzenie do planowanego modelowania (w części badawczej pracy) procesu ciągłego odlewania wlewków płaskich. Propozycję wykorzystania do tego celu komercyjnego programu komputerowego ProCAST opartego o MES uważam za trafną. Pozytywnie oceniam metodologiczny sposób przedstawienia zasad budowy planowanego modelu numerycznego procesu ciągłego odlewania za pomocą pakietu oprogramowania ProCAST z wykorzystaniem metody elementów skończonych: przyjęcie parametrów geometrycznych modelu (wymiarów odlewanego wlewka płaskiego i parametrów konstrukcyjnych urządzenia COS), wybór siatki elementów skończonych (3D), dobór i określenie parametrów materiałowych odlewanego gatunku stali S235 oraz warunków 3
brzegowych i początkowych dla strefy chłodzenia pierwotnego i wtórnego. Dopiero tak przygotowany model geometryczny (z nałożoną siatką MES i zadeklarowanymi parametrami materiałowymi i warunkami brzegowymi i początkowymi) stanowi kompletny zestaw do przeprowadzenia symulacji. Należy wyraźnie podkreślić, że model numeryczny ciągłego odlewania stali jest de facto modelem procesu krzepnięcia stali w linii technologicznej urządzenia COS dlatego wynikiem symulacji powinny być efekty krzepnięcia stali w takich warunkach, decydujące o bezpiecznym i bezawaryjnym przebiegu procesu odlewania i jednocześnie gwarantujące wymaganą jakość wlewków ciągłych. Doktorantka dokonała właściwego wyboru rodzaju wyników symulacji. Są to: - grubość naskórka wlewka w momencie opuszczenia krystalizatora przez krzepnący wlewek, - długości drogi metalurgicznej, - rozkładu temperatury na powierzchni krzepnącego wlewka (w strefie chłodzenia pierwotnego i wtórnego), które dla trzech prędkości odlewania (0,6, 0,8 i 1,0 m/min) zestawiono w tablicy 7 i w postaci graficznej na rys. 37 (dla pierwotnej strefy chłodzenia). Natomiast temperatury powierzchni wlewka ciągłego po opuszczeniu krystalizatora uzyskane na drodze symulacji numerycznej w porównaniu z temperaturami zmierzonymi pirometrem optycznym w dwóch punktach pomiarowych zawiera tablica 8. Przeprowadzona wszechstronna weryfikacja obliczeń modelowych dotyczących grubości naskórka pod krystalizatorem, długości drogi metalurgicznej i rozkładu temperatury na powierzchni krzepnącego wlewka (przy użyciu modelu producenta modelowanego urządzenia COS, wyników badań eksperymentalnych głównych parametrów materiałowych stali S235 oraz pomiarów temperatury powierzchni krzepnącego wlewka pirometrem optycznym) wykazała dobrą dokładność obliczeniową opracowanego modelu numerycznego procesu ciągłego odlewania wlewków płaskich. Prędkość odlewania, również w opracowanym modelu, okazała się kluczowym parametrem technologicznym procesu COS istotnie wpływającym na zmienność analizowanych wyników modelowania a zwłaszcza drogi metalurgicznej. Przeprowadzona analiza wrażliwości opracowanego modelu na ważne parametry uwzględniane w obliczeniach numerycznych (wymiar elementu skończonego w siatce, parametry materiałowe odlewanej stali ciepło właściwe i przewodność cieplna) potwierdziła prawidłowość funkcjonowania modelu i określany wpływ na wynik obliczeń grubości naskórka, długości metalurgicznej i rozkładu temperatury na powierzchni wlewka, które 4
zestawiono w tablicy 9 i 10 oraz w postaci graficznej na rys. 43, 44, 45 i 47. Przy odlewaniu stali charakteryzującej się mniejszym ciepłem właściwym długość drogi metalurgicznej krzepnącego wlewka zmniejsza się i nieznacznie rośnie grubość naskórka i odwrotnie przy większym cieple właściwym stali długość metalurgiczna wlewka zwiększa się. Także wzrost przewodności cieplnej odlewanej stali skraca długość metalurgiczną wlewka ciągłego i nieznacznie (w granicach błędu pomiarowego) zwiększa grubość naskórka wlewka pod krystalizatorem. Duży wpływ prędkości odlewania na długość metalurgiczną, co potwierdzono w przeprowadzonej symulacji numerycznej (rozdz. 8), jest zjawiskiem nie gwarantującym wykorzystania systemu soft reduction, usytuowanego w stałym miejscu linii technologicznej urządzenia COS. Mając na uwadze wymieniony problem doktorantka podjęła ciekawą próbę ujednolicenia (zoptymalizowania) długości metalurgicznej krzepnących wlewków płaskich, odlewanych z różną szybkością za pomocą zmiany intensywności chłodzenia w poszczególnych strefach wtórnego chłodzenia. Zmiany tej dokonała metodą transformacji współczynników wymiany ciepła według zależności (37) i (38), proporcjonalnie (procentowo) do zmieniającej się długości metalurgicznej. Przeprowadzone obliczenia numeryczne dla nowych współczynników wymiany ciepła w strefach wtórnego chłodzenia, potwierdziły poprawność zastosowanej metody i umożliwiły dokonanie odpowiedniej zmiany przepływu i zużycia wody (tablica 16). Przedstawione w podsumowaniu wnioski odzwierciedlają tok prowadzonych badań modelowych i uzyskane wyniki. Na tej podstawie stwierdzam, że postawiona w rozprawie doktorskiej teza została udowodniona i tym samym został zrealizowany podstawowy cel pracy. Do recenzowanej pracy doktorskiej nie mam zastrzeżeń (uwag) natury merytorycznej. Korzystając z przywilejów recenzenta mam do doktorantki pytanie o charakterze dyskusyjnym: Czy zainstalowany w linii technologicznej urządzenia COS system soft reduction posiada bezpośredni wpływ na długość metalurgiczną? Jeśli tak to jaki i dlaczego nie został uwzględniony w opracowanym modelu numerycznym? W podsumowaniu recenzji pracy doktorskiej Pani mgr inż. Katarzyny Miłkowskiej-Piszczek stwierdzam, że Autorka pracy zaprezentowała duży zasób wiedzy z zakresu metalurgii stali, informatyki i modelowania numerycznego. Opanowała nowoczesne metody badawcze. Przedstawiona do recenzji praca doktorska stanowi oryginalny dorobek naukowy Autorki. 5
Wniosek końcowy Na podstawie dokonanej oceny stwierdzam, że recenzowana rozprawa doktorska spełnia warunki ustawy o stopniach naukowych i tytule naukowym i wnoszę o dopuszczenie Autorki rozprawy Pani mgr inż. Katarzyny Miłkowskiej-Piszczek do jej publicznej obrony. 6