Fizyczne i matematyczne modelowanie termomechanicznych procesów i przemian fazowych w blachach podczas chłodzenia w kręgach

Termomechaniczne procesy i przemiany fazowe w blachach podczas chłodzenia laminarnego i w kręgach wpływają na poziom naprężeń rezydualnych. Wartość tych naprężeń w blachach walcowanych na gorąco jest istotna w przypadku stosowania cięcia laserowego. Wysokie wartości naprężeń rezydualnych prowadzą do deformacji (zginanie, skręcanie) blachy podczas cięcia laserowego. Matematyczne modelowanie termomechanicznych procesów i przemian fazowych pozwoli na optymalizacje procesów chłodzenia celem zmniejszenia poziomu naprężeń rezydualnych w blachach. Głównymi czynnikami wpływającymi na wielkość naprężeń rezydualnych są nierównomierne odkształcenie sprężysto-plastyczne, przemiana fazowa występująca podczas chłodzenia oraz relaksacja zachodząca w trakcie walcowania i chłodzenia. W procesie produkcji blach gorąco walcowanych, przemiana fazowa odbywa się podczas chłodzenia laminarnego i po zwijaniu blachy w kręg. Zbyt wysoki ułamek przemiany fazowej w kręgu może powodować jego nagrzewanie po zwijaniu. Znajomość zmiany pola temperatury podczas procesu produkcyjnego blach jest głównym elementem do budowy modelu służącego do analizy naprężeń w blachach. Celem niniejszej pracy jest opracowanie matematycznego modelu wymiany ciepła w blachach walcowanych na gorąco i w kręgu z uwzględnieniem termomechanicznych procesów i przemiany fazowej. Opracowany model chłodzenia kręgu jest oparty o MES. Pierwszy etap chłodzenia odpowiada zwijaniu blachy. Na tym etapie zastosowana jest zmienna w czasie siatka MES, na którą nakładane są kolejne zwoje blachy. Drugi etap chłodzenia jest związany z transportowaniem i chłodzeniem kręgu w ciągu kilku godzin. Po zmniejszeniu gradientów temperatury po zwijaniu, na tym etapie odbywa się modyfikacja siatki MES celem przyspieszenia obliczeń. Przedstawiono wyniki symulacji pola temperatury oraz składu strukturalnego. Przeprowadzono eksperyment przemysłowy, w którym wykonano pomiary temperatury kręgu za pomocą kamery termowizyjnej oraz skanera, zamontowanego w linii chłodzenia laminarnego.

---

Thermo-mechanical processes and phase transformation in hot-rolled strips have an influence on the level of residual stresses. The level of residual stresses becomes of practical importance when the laser cutting of sheets is applied. High values of residual stresses lead to deformation (bending and twisting) of sheets during laser cutting. Mathematical modeling of thermo-mechanical processes and phase transformations allows to optimize the cooling process to reduce the level of residual stresses in the sheets. The main factors which have an influence on the residual stresses are the non-uniform distribution of elastic-plastic deformations, phase transformation occurring during cooling and stress relaxation during rolling and cooling. Phase transformation takes place during laminar cooling of hot-rolled strips and after coiling process. Too high fraction of phase transformation in the coil might cause increasing of temperature in the coil after coiling process. Knowledge of the change of the temperature field in the production process of hot-rolled strips i s t he m ain e lement for construction of a model for analyzing stresses in the sheets. The goal of this paper is the development of a mathematical model of heat transfer in hot-rolled strips and coil taking into account thermo-mechanical processes and phase transformation. The mechanical properties of material model for steels S235 and S355 were obtained in experiments for the range of temperatures 35÷1100 °C. Model parameters of ferritic, pearlitic, bainitic and martensitic transformation were determined on the basis of dilatometric tests and application of the inverse analysis. The development model of the coil cooling is based on FEM. The first cooling step corresponds to the coiling of the strip. In this stage FEM grids is changed with time. On the basic FEM grid additional layers of FEM elements are applied (additional layers of sheet). The second step of the cooling process is related to transportation and coil cooling within a few hours. The paper presents results of a simulation of the temperature field, the structural composition and residual stresses. Industrial experiment was carried out for measurement of the temperature in the strip using portable camera and thermal scanners which was installed in the laminar cooling line.