Studium plnění a tuhnutí ocelového ingotu pomocí numerické simulace v prostředí software QuikCAST

Abstract

Tato disertační práce je zaměřená na studium procesů lití a tuhnutí ocelového ingotu. Práce obsahuje dvě hlavní části. První část vychází z všeobecných literárních poznatků o odlévání a tuhnutí oceli včetně vzniku vad, které se mohou v ocelových ingotech vyskytovat. Dále jsou popsány základní způsoby studia metalurgických procesů probíhajících při výrobě oceli se zaměřením na numerické metody modelování těchto procesů, strukturu používaných numerických softwarů a popis některých z dostupných numerických programů. Z teoretického hlediska numerického modelování jsou popsány procesy proudění oceli během jejího odlévání a tuhnutí včetně predikce vad ocelových ingotů. Součástí práce jsou teoretické i praktické poznatky z oblasti stanovení termodynamických veličin materiálů (teplota likvidu a solidu, tepelné kapacity, hustota, atd.) pomocí metod termické analýzy. Stanovení těchto veličin je nezbytným krokem pro získání odpovídajících dat pro správné nastavení simulací. Druhá část se zabývá experimentálním studiem numerické simulace odlévání a tuhnutí 90 tunového ocelového ingotu v programu QuikCAST. V práci je vysvětlen princip simulace v tomto programu zahrnující nastavení jednotlivých parametrů výpočtu – tvorbu geometrie a výpočetní sítě, definování materiálových vlastností, definici počátečních a okrajových podmínek. Vliv změny nastavení parametrů celého modelu licí sestavy na průběh simulace (velikost a zjemnění objemové sítě, vliv nastavení koeficientů přestupu tepla, vliv licí rychlosti nebo vliv zahrnutí výpočtu mikroporozity) je konfrontován na výsledcích z modelovaných případů, které jsou dále porovnány z pohledu časové náročnosti, výsledných teplotních polí uvnitř ingotu během tuhnutí, podílu tuhé frakce v průběhu tuhnutí, výsledné vnitřní porozity a staženiny v objemu ocelového ingotu a v neposlední řadě s výsledky experimentálního studia provedeného na reálném ocelovém ingotu.

This dissertation thesis is focused on the casting and solidification of a steel ingot. The work has two main parts: The first part is based on the general literary knowledge of casting and solidification of steel including the formation of defects that can occur in steel castings. The basic methods of study of metallurgical processes are described with focus on the numerical modelling of these processes, the structures and description of some available numerical programs. Numerical modeling of flow during casting and solidification of steel including prediction of defects are discussed from a theoretical perspective. The thesis includes theoretical and practical knowledge in the field of thermodynamic parameters determination (temperature liquidus and solidus of steel, heat capacity of steel and mold, density of steel, etc.) by using the methods of thermal analysis. The determination of thermodynamic parameters is a necessary step to obtain the corresponding data for correct simulation setup. The second part of dissertation deals with the experimental study of numerical simulation of casting and solidification of 90-ton steel ingot in the numerical program QuikCAST. The principle of simulation in this program including setting individual calculation parameters as creation of geometry, generation of computational mesh, defining of material properties, definition of initial and boundary conditions is described. The effect of changes in parameters of the whole model of casting assembly on the simulation (size and refinement volume mesh settings, heat transfer coefficients, casting speed or calculation of microporosity) is confronted on the results of the simulated cases that are compared in terms of total simulation time, the resulting temperature fields inside the ingot during solidification, the ratio of the solid fraction during solidification, the internal porosity and shrinkage in the volume of steel ingot and finally with the results of experimental studies carried out on the real steel ingot.