Historie simulace nestacionárního teplotního pole tuhnoucích kovů při změně fáze a struktury

History of simulation of non-stationary temperature field of solidifying metals during phase and structure change

článek ve sborníku ve WoS nebo Scopus

cs

Tuhnutí a chladnutí gravitačně nebo plynule odlévaných kovů (především ocelí) je jeden z významných technologických průmyslových procesů. Představuje velmi komplikovaný nestacionární 3D přenos tepla a hmoty s vývinem skupenských tepel skupenských a fázových přeměn. I když budeme za rozhodující považovat přenos tepla vedením, je v soustavě odlitek-forma-okolí popsáno v případě gravitačního lití rovnicí Fourierovou, v soustavě předlitek-krystalizátor resp. předlitek-okolí v případě odlévání na ZPO (zařízení pro plynulé odlévání) rovnicí Fourier-Kirchhoffovou. Analytické metody mohou řešit pouze 1D, analogové metody 2D Fourierovu rovnici. V důsledku dřívejší nedostupnosti digitálních počítačů byla Liebmannovou analogií optimalizována např. konstrukce 12 typů ocelářských kokil nebo krystalizace čistého hliníku. Později již k řešení tohoto problému byly použity numerické metody a digitální počítače, např. k analýze teplotního pole gravitačně litého hmotného válce pro válcování kolejnic se použil 3D software ANSYS založený na numerické metodě konečných prvků. K řešení teplotního pole ocelových předlitků na ZPO byl sestaven a úspěšně aplikován původní model, jehož základem je numerická metoda konečných diferencí s explicitním vyjádřením neznámé teploty resp. entalpie. Model prokázal schopnost optimalizovat odlévání na ZPO.

Tuhnutí a chladnutí gravitačně nebo plynule odlévaných kovů (především ocelí) je jeden z významných technologických průmyslových procesů. Představuje velmi komplikovaný nestacionární 3D přenos tepla a hmoty s vývinem skupenských tepel skupenských a fázových přeměn. I když budeme za rozhodující považovat přenos tepla vedením, je v soustavě odlitek-forma-okolí popsáno v případě gravitačního lití rovnicí Fourierovou, v soustavě předlitek-krystalizátor resp. předlitek-okolí v případě odlévání na ZPO (zařízení pro plynulé odlévání) rovnicí Fourier-Kirchhoffovou. Analytické metody mohou řešit pouze 1D, analogové metody 2D Fourierovu rovnici. V důsledku dřívejší nedostupnosti digitálních počítačů byla Liebmannovou analogií optimalizována např. konstrukce 12 typů ocelářských kokil nebo krystalizace čistého hliníku. Později již k řešení tohoto problému byly použity numerické metody a digitální počítače, např. k analýze teplotního pole gravitačně litého hmotného válce pro válcování kolejnic se použil 3D software ANSYS založený na numerické metodě konečných prvků. K řešení teplotního pole ocelových předlitků na ZPO byl sestaven a úspěšně aplikován původní model, jehož základem je numerická metoda konečných diferencí s explicitním vyjádřením neznámé teploty resp. entalpie. Model prokázal schopnost optimalizovat odlévání na ZPO.

Solidification and cooling of gravity or continuously cast metals (mainly steel) is one of the important technological industrial processes. It represents a very complicated non-stationary 3D heat and mass transfer with the generation of latent heat of latent and phase transformations. Although we consider the heat transfer by conduction to be decisive, it is described in the casting-form-neighborhood system in the case of gravity casting by the Fourier equation, in the billet-crystallizer system, respectively. pre-casting in the case of casting on CC (continuous casting equipment) by Fourier-Kirchhoff equation. Analytical methods can solve only 1D, analog methods 2D Fourier equation. Due to the earlier unavailability of digital computers, Liebmann's analogy has optimized, for example, the construction of 12 types of steel molds or crystallization of pure aluminum. Later, numerical methods and digital computers were used to solve this problem. For example, 3D ANSYS software based on the numerical finite element method was used to analyze the temperature field of a gravity casting cylinder for rail rolling. The original model based on the numerical method of finite differences with the explicit expression of the unknown temperature resp. enthalpy. The model demonstrated the ability to optimize casting on CC.

Teplotní pole, skupenské teplo, fázová změna, termofyzikální vlastnosti, simulace, optimalizace, usměrněné tuhnutí, plynulé odlévání

Temperature field, latent heat, phase change, thermophysical properties, simulation, optimization, directional solidification, continuous casting

12.11.2019

Česká slévárenská společnost, z.s.

Brno

978-80-02-02882-6

Sborník přednášek z 56. slévárenských dnů

132–144

13