Podstawowym wyzwaniem naukowym niniejszej pracy jest opracowanie modelu opisującego ilościowo fenomeny krzepnięcia i odkształcenia w kotlinie procesu TRC. Koncepcja rozwiązania problemu naukowego pracy została schematycznie przedstawiona na rysunku 4.1. Całość badań i analiz objętych niniejszą dysertacją podzielono na pięć głównych bloków, przy czym trzy bloki obejmują szeroko zakrojone badania eksperymentalne, natomiast blok czwarty i piąty rozważania teoretyczne, umożliwiające zamodelowanie zjawisk występujących w kotlinie procesu TRC oraz próbę ich weryfikacji.
Pierwszy blok badań eksperymentalnych obejmuje dedykowane na potrzeby pracy badania procesu walcowania na gorąco. Badania te będą prowadzone na przygotowanej do tych celów laboratoryjnej linii Twin Roll Casting (wykorzystanie klatki walcowniczej omawianej linii, stanowiącej w istocie walcarkę duo). Odpowiednio zaplanowane badania procesu walcowania pozwolą na oszacowanie wartości współczynnika tarcia występującego w prowadzonym procesie (współczynnik tarcia obliczony zostanie na podstawie zmierzonego wyprzedzenia). Wartość ta stanowi parametr konieczny do obliczeń średniego nacisku jednostkowego oraz sił nacisku metalu na walce w procesie TRC. Ponadto analiza płynięcia metalu w procesie walcowania na gorąco pozwoli na analizę niejednorodności odkształcenia, co pozwoli, z kolei, zweryfikować stosowalność algorytmu szacowania prędkości odkształcenia na długości kotliny TRC bazującego na uproszczonym modelu płynięcia (hipoteza płaskich przekrojów). Trzecim, najważniejszym celem prowadzenia procesu walcowania na gorąco jest identyfikacja parametrów siłowych, będących funkcją rodzaju i stanu materiału, temperatury, warunków tarcia i zadanego gniotu. Uzyskane wyniki badań tych parametrów będą na odpowiednim etapie pracy zestawione z wartościami obliczonymi na podstawie zaproponowanego w pracy modelu (ustalenie obszaru odkształcenia plastycznego w kotlinie procesu TRC).
Drugi blok badań eksperymentalnych zmierza do wypracowania bazy danych materiałowych dla algorytmu opisującego ewolucję oporu plastycznego materiału w funkcji temperatury i prędkości odkształcenia występujących w kotlinie procesu TRC oraz niezbędnych właściwości fizycznych materiału, umożliwiających prowadzenie analiz i obliczeń związanych z bilansem cieplnym i opisem ilościowym strefy krystalizacji w kotlinie TRC. Dane kwantyfikujące opór plastyczny materiału wyznaczone zostaną na podstawie prób jednoosiowego rozciągania materiału będącego obiektem prowadzonych badań w zakresie temperatur począwszy od temperatury otoczenia do temperatur bliskich temperaturze topnienia oraz przy różnych prędkościach odkształcenia, odpowiadających generalnie potencjalnym prędkościom płynięcia i temperaturom występującym w kotlinie TRC.
Obliczenia według opracowanego w pracy modelu podlegają weryfikacji poprzez zestawienie wartości obliczonych i wyznaczonych eksperymentalnie w analogicznych warunkach na laboratoryjnej linii TRC. Te zagadnienia stanowią treść ostatniego bloku badań eksperymentalnych. W ramach tego bloku przeprowadzone będą badania nad procesem ciągłego odlewania i walcowania aluminium i wybranych stopów aluminium w laboratoryjnej linii TRC (po uprzednim opanowaniu procesu, wymagającego szeregu prób technologicznych). Próby odlewania w linii TRC prowadzone będą z różnymi prędkościami odlewania oraz wydatkami cieczy chłodzącej. Podczas każdej próby rejestrowane będą
68 parametry siłowe procesu oraz parametry termiczne niezbędnych do badań elementów, a więc: ciekłego metalu, układu zalewowego, walców-krystalizatorów, materiału na wyjściu ze strefy krystalizacji, cieczy chłodzącej na wejściu i wyjściu z walców-krystalizatorów, powierzchni walców-krystalizatorów. Rejestrowane również będą poszczególne wartości przepływów cieczy chłodzącej. Dokonane zostaną również pomiary przebiegu temperatury materiału podczas jego przejścia przez linię TRC.
Ponadto w ramach tego bloku przeprowadzone będą badania kalorymetryczne ciepła właściwego (w funkcji temperatury) oraz ciepła krzepnięcia materiału - danych niezbędnych do obliczeń w ramach modelu krzepnięcia.
Uzyskane wyniki badań eksperymentalnych dają komplet danych wsadowych dla opracowanego w ramach bloku analiz teoretycznych modelu procesu krzepnięcia i odkształcenia w procesie TRC.
Pomiary temperatury w kotlinie procesu TRC umożliwią, wraz z opracowanym algorytmem oraz pry znajomości równania opisującego zmianę oporu plastycznego w kotlinie procesu TRC, będącego funkcją zmiennej temperatury oraz prędkości odkształcenia, opracowanie zależności opisującej zmianę oporu plastycznego w funkcji długości kotliny procesu TRC dla różnych prędkości odlewania. Następnie z wartości tych wyciągnięta zostanie wartość średnia oraz przy zastosowaniu wzorów Avitzura/Stonea oraz Robertsa ustalona zostanie wartość średniego nacisku jednostkowego oraz siły nacisku metalu na walce w funkcji zadanego gniotu w procesie TRC.
Model obszaru krystalizacji w kotlinie procesu TRC obejmujący adaptację zależności zaproponowanych przez A.I. Wiejnika wespół z wynikami pomiarów temperatury w linii TRC, oraz wynikami badań własności fizycznych materiału pozwoli wyznaczyć kształt frontu krzepnięcia. Wzajemne zestawienie obszaru krystalizacji oraz odkształcenia plastycznego pozwoli na ukazanie całościowego modelu kotliny procesu TRC.
Ponadto w ramach rozprawy doktorskiej niezbędne będzie określenie własności materiałowych taśm w stanie po odlewaniu. Zostaną one w kolejnym etapie poddane procesowi walcowania na zimno (podobnie jak materiał pochodzący z tradycyjnej ścieżki technologicznej) w celu porównania końcowych własności blach w stanie umocnionym odkształceniowo pochodzących z obu technologii.
69
Rys. 4.1. Schemat koncepcji rozwiązania tematu pracy
Eksperymentalna identyfikacja warunków krzepnięcia i odkształcenia aluminium oraz wybranych stopów aluminium serii 8XXX w kotlinie procesu Twin Roll Casting
Walcowanie na gorąco Odlewanie ciągłe aluminium oraz wybranych stopów w linii TRC Próba jednoosiowego rozciągania badanego materiału w wysokich temperaturach
Algorytm szacowania prędkości odkształcenia na długości kotliny
procesu TRC Oszacowanie wartości
współczynnika tarcia w linii TRC
Weryfikacja hipotezy płaskich przekrojów podczas procesu
prowadzonego na linii TRC Opracowanie zależności opisującej zmianę siły nacisku
metalu na walce oraz średniego nacisku jednostkowego w funkcji zadanego gniotu Weryfikacja zaproponowanego algorytmu z wartościami rzeczywistymi Opracowanie zależności temperatury na wyjściu z obszaru krystalizacji w funkcji
prędkości odlewania
Opracowanie zależności siły nacisku metalu na walce w funkcji prędkości odlewania
Określenie zmiany temperatury na długości
kotliny procesu TRC
Określenie własności materiału w stanie po odlewaniu
Walcowanie na zimno otrzymanych taśm
Określenie własności materiału w stanie po walcowaniu oraz
porównanie z własnościami blach otrzymanych według
technologii tradycyjnej
Opracowanie zależności opisującej zmianę własności
mechanicznych badanego materiału w funkcji T oraz έ Opracowanie równania opisującej zmianę oporu
plastycznego w kotlinie procesu TRC
σpl= f(T,έ)
Opracowanie zależności opisującej zmianę prędkości
odkształcenia w funkcji długości kotliny procesu TRC
dla różnych prędkości odlewania
Opracowanie zależności opisującej zmianę oporu plastycznego w funkcji długości
kotliny procesu TRC dla różnych prędkości odlewania
Ustalenie średniej wartości oporu plastycznego w funkcji
zadanego gniotu w procesie TRC
Ustalenie wartości średniego nacisku jednostkowego oraz siły nacisku metalu na walce w
funkcji zadanego gniotu w procesie TRC
Opracowanie modelu obszaru krystalizacji w kotlinie procesu TRC
Zestawienie wartości rzeczywistych z wartościami
otrzymanymi na podstawie algorytmu w celu oszacowania zakresu obszaru odkształcenia plastycznego w kotlinie procesu
TRC
MODEL PROCESU KRZEPNIĘCIA I ODKSZTAŁCENIA W KOTLINIE PROCESU TRC
Modelowa analiza obszaru krystalizacji w kotlinie procesu TRC Sprowadzenie kotliny procesu
TRC do kształtu płyty nieograniczonej Określenie własności (ciepło krzepnięcia, ciepło właściwe, temperatura likwidus oraz solidus) badanych materiałów
Analiza intensywności stygnięcia odlewu w linii TRC
(liczba Biota)
Obliczenie szybkości krzepnięcia dla różnych parametrów procesowych i
składów chemicznych
Obliczenie drogi krzepnięcia materiału w kotlinie procesu
TRC Analiza teoretyczna procesu
70