Bài này trình bày việc ứng dụng Fluent để mô phỏng quá trình đông đặc trong công nghệ đúc liên tục. Khảo sát trường nhiệt độ, sự đông đặc trong thỏi đúc liên tục, so sánh kết quả mô phỏng bằng Fluent với thực nghiệm.
Application of fluent software for modelling of continuous casting proces
Nguyễn Hồng Hải, Chu Văn Bền
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Tóm tắt
Kết quả mô phỏng có thể được sử dụng để tìm ra các giá trị tối ưu trong công nghệ đúc liên tục và cho thấy Fluent không những có thể được ứng dụng trong công nghệ đúc liên tục mà còn cho các quá trình và công nghệ đúc khác. Việc ứng dụng chương trình là hết sức cần thiết, sẽ tạo ra hiệu quả cao trong việc nghiên cứu, giảng dạy cũng như trong sản xuất đúc.
Abstract
The application of the Fluent software to simulate the solidification process in continuous casting process is described. The temperature field, the solidification process are calculated and simulated, then compared with the experiment tal data. The results of simulation process can be used for optimizing the technological parameters of continuos process. They showed also that this software can be used for other casting processes and can be use- ful in research, teaching and industrial production.
1. Đặt vấn đề
Cộng nghệ đúc liên tục được nghiên cứu từ những năm 1858, nhưng thời gian đầu gặp phải những khó khăn về kỹ thuật không giải quyết được; đó là hiện tượng nứt, đứt thỏi do lớp vỏ đông đặc dính chặt vào khuôn và bị nứt, đứt khi kéo. Phải đến những năm 1960 thì công nghệ này mới được phát triển rộng rãi. Ngày nay, công nghệ đúc liên tục đã trở thành công nghệ có năng suất lao động rất cao, chất lượng sản phẩm ổn đình, hiệu quả kinh tế cao, tạo ra một sản lượng rất lớn phôI đúc mỗi năm trên thế giới. Mô hình đúc liên tục thẳng đứng được trình bày trong hình 1.
Hình 1. Máy đúc liên tục kiểu thẳng đứng
Để nâng cao hơn nữa năng suất và chất lượng sản phẩm đúc liên tục cần phải có sự đầu tư nghiên cứu, khảo sát, lựa chọn các thông số công nghệ và tối ưu hoá quá trình đúc. Tuy nhiên với điều kiện Việt Nam hiện nay, việc thực nghiệm khảo sát các thông số trong công nghệ đúc liên tục là hết sức khó khăn, đặc biệt là khi đúc các vật đúc có kích thước lớn. Để khắc phục những khó khăn đó có thể ứng dụng việc mô phỏng số, thực hiện việc tin học hoá, làm các thí nghiệm ảo. Chương trình Fluent là một chương trình mô phỏng mạnh, có khả năng ứng dụng trong nghiên cứu, giảng dạy trong các trường đại học, cũng như trong các quá trình sản xuất.
Một trong những yếu tố quan trọng quyết định đến chất lượng thỏi đúc và năng suất lao động, đó là tốc độ kéo thỏi. Với tốc độ kéo thỏi thấp thì thỏi đúc được làm nguội chậm, hạt tinh thể thô to, dẫn đến cơ tính thấp, năng suất thấp và kim loại lỏng trong máng phân phối bị mất rất nhiều nhiệt. Với tốc độ kéo lớn, thỏi sẽ được làm nguội nhanh hơn, hạt tinh thể nhỏ mịn, do đó thỏi đúc có cơ tính cao và năng suất sản xuất cao. Tuy nhiên tốc độ kéo lớn lại dễ gây nứt hay đứt thỏi. Vì vậy, phải lựa chọn tốc độ kéo thích hợp để vừa đạt cơ tính cao, năng suất cao mà không bị nứt, đứt thỏi (hình 3).
Hình 3. Sơ đồ phương pháp quy hoạch thực nghiệm
Có thể tiếp cận vấn đề hay hệ thống bằng ba phương pháp chính đó là:
– Phương pháp kinh điển: phương pháp này tốn nhiều thời gian và kinh phí.
– Phương pháp qui hoạch thực nghiệm (phương pháp hộp đen): Trong phương pháp này ta xét ảnh hưởng đồng thời của nhiều yếu tố; đặc điểm của phương pháp này là tiết kiệm được thời gian và kinh phí, với k đầu vào thì ta cần thực hiện số thí nghiệm là n=2k , tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là không nghiên cứu được cơ chế của quá trình (hình 2).
Hình 2. Sơ đồ phương pháp quy hoạh thực nghiệm
– Phương pháp mô phỏng (thí nghiệm ảo): đây là phương pháp được áp dụng trong đề tài này. Phương pháp này gồm các bước sau:
1. Thiết lập mô hình toán
2. áp dụng các điều kiện biên
3. Giải bài toán bằng phương pháp số
4. So sánh kết quả và áp dụng vào thực tế
2. Thực nghiệm và kết quả
2.1. Mô hình
Hợp kim nhôm đúc là AA5182; thỏi đúc có thiết diện 1860×510 mm, tốc độ kéo thỏi 1mm/s. Năm cặp nhiệt được cố định ở phía cạnh dài, cách bề mặt lần lượt là 5, 10, 15, 20 mm và cách cạnh ngắn của thỏi là 550 mm. Sơ đồ thí nghiệm được mô tả như hình 4. Vị trí 5 cặp nhiệt được lắp đặt như hình 5 [1].
Hình 4. Sơ đồ thí nghiệm
