Development of Software for the Simulation of Rolling Steel Under the Coexistence of Liquid and Solid State

The paper presents the results of the application simulating the rolling process of steel in terms of coexistence of liquid and solid phases. The created mathematical models can be the basis for creation of systems that simulate the final phase of the continuous casting process relying on using a roller burnishing machine for continuous casting of steel. For a complete description of the performance of the material during deformation in these conditions, the constructed mathematical model is a fully three-dimensional model and consists of three parts: thermal, mechanical, and density variation submodels. The thermal model allows the prediction of temperature changes during plastic deformation of solidifying material. The mechanical model determines the kinetics of plastic continuum flow in the solid and semi-solid states, and the resulting deformation field. The temperature of the process forces supplementing the description of the performance of the material with a density variation model that allows the prediction of changes in the density of the material during the final phase of solidification with simultaneous plastic deformation. For the purpose built model, experimental studies were performed using a physical simulator Gleeble 3800®. They allowed the determination of the necessary physical properties of the metal within the temperature of change state. In addition to presenting the developed models the work also includes the description of the author’s application that uses the above mathematical models. The application was written in the fully object-oriented language C++ and is based on the finite element method. The developed application beside the module data input, also consist of a module of three-dimensional visualization of the calculations results. Thanks to it, the analysis of the distribution of the particular rolling parameters in any cross-section of the rolled strip will be possible. The paper presents the results of the authors’ research in the area of the advanced computer simulation.

W pracy zaprezentowane zostały wyniki działania aplikacji pozwalającej na symulację procesu walcowania stali w warunkach współistnienia fazy ciekłej i stałej. Opracowane modele matematyczne mogą być podstawą tworzenia systemów symulujących ostatnią fazę procesu ciągłego odlewania stali polegającej na dogniataniu odlanego pasma rolkami maszyny COS. W celu pełnego opisu zachowania się materiału podczas odkształcania w omawianych warunkach, zbudowany model matematyczny jest modelem w pełni trójwymiarowym i składa się z 3 części: termicznej, mechanicznej i zmiany gęstości. Model termiczny pozwala na przewidywanie zmian temperatury w trakcie odkształcania plastycznego krzepnącego materiału. Model mechaniczny określa kinetykę płynięcia plastycznego ośrodka ciągłego w stanie stałym i półciekłym oraz wynikające stąd pole odkształceń. Temperatura analizowanego procesu wymusza uzupełnienie opisu zachowania materiału o model zmiany gęstości pozwalający na przewidywanie zmian gęstości materiału w trakcie końcowej fazy krzepnięcia z równoczesnym odkształceniem plastycznym. Na potrzeby budowanego modelu wykonane zostały badania doświadczalne przy użyciu symulatora fizycznego GLEEBLE 3800®. Pozwoliły one na określenie niezbędnych własności fizycznych metalu w zakresie temperatur zmiany stanu skupienia. Poza przedstawieniem opracowanych modeli w pracy zwarty został również opis autorskiej aplikacji wykorzystującej w/w modele matematyczne. Aplikacja został napisana w pełni obiektowym języku C++ i bazuje na metodzie elementów skończonych. Opracowana aplikacja poza modułem wprowadzania danych wejściowych posiada również moduł trójwymiarowej wizualizacji wyników obliczeń. Dzięki temu możliwa jest analiza rozkładu poszczególnych parametrów walcowania w dowolnym przekroju walcowanego pasma. W pracy przedstawiono wyniki badań autorów w dziedzinie zaawansowanej symulacji komputerowej.