بهینه سازی فرآیند ریخته گری پیوسته با شبیه سازی

شرکت فولاد سوئیسی SMS Concast از شبیه‌سازی چندفیزیکی برای بهینه‌سازی فرآیند فولادسازی ریخته‌گری پیوسته استفاده کرده است. از طریق تحقیقات انجام شده با استفاده از COMSOL Multiphysics، تیم تحقیق و توسعه در SMS Concast توانست تکنیک جدیدی را پیاده‌سازی کند که به یک کارخانه فولادسازی در تایوان اجازه می‌دهد انتشار سالانه CO ₂ را حدود 40000 تن کاهش دهد.

درباره ریخته گری مداوم

ریخته‌گری پیوسته، که به نام فشرده‌سازی نیز شناخته می‌شود ، فرآیندی است که طی آن یک رشته فولادی پیوسته در طول یک توالی ریخته‌گری تولید می‌شود که متعاقباً برای نورد به قطعات بریده می‌شود. برخلاف فرآیند ناپیوسته ریخته‌گری شمش، که مستلزم ریخته‌گری یک شمش در یک زمان است، ریخته‌گری پیوسته امکان کاهش تولید ضایعات فلزی را فراهم می‌کند، نسبت به ریخته‌گری شمش انرژی کارآمدتر است و محصولاتی با کیفیت برتر تولید می‌کند.

در هنگام ریخته‌گری شمش، سر هر تیر باید پس از هر فرآیند ریخته‌گری بریده شود و فلز ضایعاتی تولید شود. از طرف دیگر، با تولید یک رشته طولانی پیوسته فولاد، کشت فقط در همان ابتدا و انتهای مراحل ریخته‌گری (که طی آن صدها شمش یا “شکوفه” تولید می‌شود) لازم است، در نتیجه ضایعات کاهش می‌یابد.

در طی ریخته‌گری پیوسته، فولاد مذاب از ملاقه به داخل تاندیش ریخته می‌شود که از آنجا توسط یک سری غلتک از داخل قالب مسی کشیده می‌شود، همانطور که در نمودار زیر نشان داده شده است.

نمودار فرآیند ریخته گری پیوسته.

این رشته های فلزی پس از سفت شدن به قطعاتی به طول 3 تا 15 متر بریده شده و می گذارند تا خنک شوند. در ریخته‌گری پیوسته، شکل رشته را می‌توان از نظر شکلی به محصول نهایی نزدیک‌تر از آنچه که در طی ریخته‌گری شمش تولید می‌شود، ریخته می‌شود و هزینه‌های پردازش بیشتر رشته‌ها را تا حد زیادی کاهش می‌دهد. در تصویر زیر، بیلت ها در حال خروج از دستگاه فشرده روی میز تخلیه هستند، جایی که رشته ها در حال برش هستند.

چهار نوع محصول ریخته گری نیمه تمام وجود دارد: شمش، بیلت، بلوم و اسلب. در اینجا بیلت هایی که از ماشین ریخته گری پیوسته بر روی میز تخلیه خارج می شوند، به تصویر کشیده شده است.

بهینه سازی ریخته گری پیوسته با شبیه سازی

Nicolas Grundy، رئیس متالورژی و ریخته‌گری پیوسته فرآیند در SMS Concast، دریافته است که شبیه‌سازی می‌تواند ابزار ارزشمندی برای درک بهتر و بهینه‌سازی فرآیند ریخته‌گری مداوم باشد. در مقاله‌ای که اخیراً در COMSOL News منتشر شد ، گراندی توضیح داد که چگونه از COMSOL Multiphysics در طول تحقیقات خود استفاده شده است. گراندی در مقاله توضیح می دهد: “ما دائماً محدودیت ها را فشار می دهیم و تنها راه برای درک چیزی که قبلاً هرگز انجام نداده ایم این است که آن را شبیه سازی کنیم.”

گراندی و تیمش در تحقیقات خود از شبیه سازی برای تجزیه و تحلیل هر مرحله از فرآیند استفاده کردند. یکی از اهداف اصلی مطالعه آنها کسب اطلاعات بیشتر در مورد فرآیند انجماد و تغییر شکل‌های مکانیکی بود که می‌تواند در حین خاموش کردن و سرد شدن آهسته صفحات فلزی رخ دهد. این تیم دریافت که با به حداقل رساندن جداسازی عناصر آلیاژی در مرکز رشته، حذف هر گونه مواد غیرفلزی و بهبود ریزساختار فولاد جامدکننده، می‌توانند کیفیت محصول نهایی را بهبود بخشند. آنها با اجرای یک فرآیند هم زدن، که طی آن فولاد مذاب با استفاده از همزن های الکترومغناطیسی و با بهینه سازی طراحی تاندیش مخلوط می شود، به این اهداف دست یافتند.

در شکل‌های زیر، شبیه‌سازی COMSOL Multiphysics را می‌بینید که تیم برای اطمینان از اینکه جریان فولاد مایع در تاندیش به درستی طراحی شده است تا به فولاد با بهترین کیفیت دست یابد، استفاده کرده است.

مدل تندیش ایجاد شده با ماژول CFD .

Grundy علاوه بر تجزیه و تحلیل اثر استفاده از همزن های الکترومغناطیسی، شارژ داغ را نیز شبیه سازی کرد. این یک روند اخیر در فولادسازی است که در آن رشته‌های فولادی در حالی که هنوز داغ هستند، به‌جای اینکه سرد شوند و سپس در کوره‌های گرم‌کننده دوباره گرم شوند، به آسیاب نورد شارژ می‌شوند. این تیم با استفاده از مدل COMSOL Multiphysics خود، فرآیند تبادل حرارتی را که در اولین انجماد فولاد مذاب انجام می‌شود، بررسی کردند. نتایج آنها در طراحی نوع جدیدی از قالب استفاده شد که شمش‌هایی با گوشه‌های بزرگ و گرد تشکیل می‌دهد که پس از ریخته‌گری گرم می‌مانند و در نتیجه توزیع یکنواخت‌تر دما روی سطح بیلت را به همراه دارد. این تکنیک در فولاد تونگ هو در تایوان به کار گرفته شد و به آن‌ها اجازه می‌داد تا از کوره‌های گرم کردن مجدد خودداری کنند.

کاهش بعدی در انتشار سالانه توسط این شرکت برابر است با اگزوز حدود 20000 خودرو (یعنی 40000 تن CO ₂ )!

نوبت شماست که Concasting را با یک مدل مثال کاوش کنید

علاقه مند به یادگیری بیشتر در مورد چگونگی استفاده از شبیه سازی برای کاوش و بهینه سازی ترکیب بندی هستید؟

مدل ریخته‌گری پیوسته ، موجود در گالری مدل، یک مدل از قبل حل‌شده است که می‌توانید با استفاده از COMSOL Multiphysics و ماژول انتقال حرارت آن را دانلود و اجرا کنید. این مدل ریخته‌گری یک میله فلزی از فلز مذاب را از طریق هر دو جنبه دینامیکی حرارتی و سیال فرآیند، از جمله انتقال حرارت، میدان جریان مذاب و تغییر فاز، تجزیه و تحلیل می‌کند. با استفاده از این مدل، می‌توانید چگونگی بهینه‌سازی فرآیند ریخته‌گری را با تغییر نرخ‌های ریخته‌گری و خنک‌سازی بررسی کنید.

مدل فرآیند ریخته گری پیوسته بالا: میدان سرعت با خطوط جریان. پایین: توزیع دما. مدل را از گالری مدل دانلود کنید .

داستان کامل کاربر را بخوانید

• ریخته گری مداوم: بهینه سازی ماشین و فرآیند با شبیه سازی