Projekti / Programi
SIMULACIJA INDUSTRIJSKIH PROCESOV STRJEVANJA POD VPLIVOM ELEKROMAGNETNIH POLJ
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.13.00 |
Tehnika |
Procesno strojništvo |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T000 |
Tehnološke vede |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
aluminij, jeklo, kontinuirno ulivanje jekla, polkontinuirno ulivanje aluminijevih zlitin, inteligentna proizvodnja, elektromagnetno procesiranje, termomehanika, modeliranje, simulacija, ekološko načrtovanje proizvodnje
Raziskovalci (14)
Organizacije (2)
Povzetek
Sofinancerja projekta sta dva vrhunska slovenska izdelovalca jekla Štore Steel in aluminija Impol. Obe podjetji sta globalno poznani zaradi njunih vrhunskih izdelkov, ki se uporabljajo v avtomobilski, letalski, vesoljski, športni in vojaški industriji. Izdelke tovarni večinoma izvažata na zahtevne tuje trge, kjer izstopajo po tehnični dovršenosti in preseganju standardov visoke kvalitete. Obe podjetji lahko sprejemata posebna naročila in partnerjem omogočata hitro dobavo.
Vsebina predlaganega projekta se nanaša na naše prejšnje aplikativne projekte L2-5387 (2002-2005) - Modeliranje in optimizacija za konkurenčno kontinuirno litje, L2-9508 (2006-2009) - Simulacija mikrostrukture za kontinuirno ulivanje jekel z vrhunsko kvaliteto in L2-3651(2010-2014) Simulacija in optimizacija ulivanja, valjanja in toplotne obdelave za konkurenčno proizvodnjo vrhunskih jekel ter povezanih projektov petega, šestega in sedmega okvirnega programa EU, projektov z ZDA in Kitajsko. S pomočjo pridobljenega znanja smo z naprednimi numeričnimi modeli opremili in avtomatizirali naprave za polkontinuirno ulivanje aluminija ter naprave za kontinuirano ulivanje jekla.
Oba sofinancerja nameravata v prihodnjih letih vlagati v nove tehnologije polkontinuirnega in kontinuirnega ulivanja. Nove tehnologije bodo osnovane na obsežni uporabi procesiranja z elektromagnetnim (EM) poljem. Namen predlaganega projekta je nadaljnji razvoj modelov strjevanja v industrijskem okolju z vključitvijo modeliranja EM polj in sil. Razviti modeli bodo uporabljeni pri določanju procesnih parametrov EM polj, ki so prisotna pri polkontinuirnem ulivanju aluminija pod vplivom nizkofrekvenčnega EM polja in EM mešanja pri kontinuiranem litju jekla.
V okviru projekta bo razvit model ulivanja, ki bo upošteval več fizikalnih pojavov na več merilih z večciljno optimizacijo. Model bo povezal termomehanske, termofluidne, termodinamske, elektromagnetne, magnetohidrodinamske in transportne pojave. Sklopitev prek več meril bo povezala procesne parametre z makrostrukturo, mikrostrukturo in fizikalnimi lastnostmi izdelka. Fizikalni modeli bodo povezani prek sklopljenih rešitev EM, temperaturnega, hitrostnega, koncentracijskega, deformacijskega in napetostnega polja. Večciljna optimizacija bo omogočala nastavitev optimalnih procesnih parametrov v odvisnosti od hitrosti litja, kvalitete izdelka in/ali vpliva na okolje.
Makrostrukturni modeli bodo upoštevali mehaniko kontinuuma, sklopljene enačbe za prenos snovi, gibalne količine, energije, turbolentne kinetične energije in disipacije ter sestavin v Eulerjevem sistemu. Mikroskopski modeli bodo osnovani na naši originalno razviti metodi točkovnih avtomatov. EM polje bo izračunano preko Maxwellovih enačb. Modeli bodo ovrednoteni v realistični tri dimenzionalni postavitvi z uporabo naših izvirno razvitih ter večkrat nagrajenih brezmrežnih metod. Model bo omogočal napovedovanje vplivov EM polja na mikroizcejanje, makroizcejanje, strukturo zrn, kvaliteto površine, poroznost, deformacije in napetostna polja v izdelku. Modeli bodo umerjeni z meritvami v industrijskih obratih ter z laboratorijsko karakterizacijo materialov. Končni cilj modeliranja je napovedovanje lastnosti izdelka v odvisnosti od procesnih parametrov ter ocenjevanje morebitnih projektnih sprememb pri livnih napravah.
Pričakovani učinki predlaganega projekta so: izboljšana kakovost, povečanje kapacitet proizvodnje ter produktivnosti pri izdelavi širokega spektra izdelkov. Rezultate projekta bomo, tako kot v predhodnih projektih, objavili v revijah z najvišjim faktorjem vpliva in predstavili v obliki ključnih predavanj na velikih mednarodnih konferencah.
Pomen za razvoj znanosti
Raziskovalni projekt se uvršča v moderno raziskovalno področje modeliranja, simulacije in optimizacije procesov, materialov in izdelkov, ki ima vse bolj vidno vlogo v mednarodnem raziskovalnem prostoru - zaradi vse večjih potreb po cenovno dostopnih izdelkih z visoko vsebnostjo znanja, novih materialih ter okolju bolj prijaznih tehnologijah. Znanstveni cilji projekta sovpadajo s prioritetami EU 2020: nanotehnologije, napredni materiali in napredni proizvodni postopki in so pomembni za izjemno razvito slovensko kovinsko-predelovalno industrijo. Rezultati projekta, ki niso posegali v razvite konkurenčne prednosti sofinancerjev, so bili objavljeni v vrhunski znanstveni literaturi. Znanstveni rezultati projekta so predvsem v inovativnem večfizikalnem in večnivojskem simulacijskem orodju za napovedovanje procesa strjevanja ob prisotnosti elektromagnetnih polj. V modelu smo prvič združili matematični koncept točkovnih avtomatov in novo generacijo adaptivnih brezmrežnih numeričnih metod za modeliranje termomehanike ulivanja ob prisotnosti elektromagnetnih polj. Prav tako je povsem nov in inovativen koncept različno kompleksnih modelov in njihova povezava z umetno inteligenco ter avtomatizacijo. Vodja projekta je v povezavi z raziskavami v preteklem obdobju uredil posebno številko revije EABE na temo uporabe brezmrežnih metod v industriji ter posebno številko revije Advances in Materials Science and Engineering na temo simulacij in optimizacij v tehnologiji materialov ter dve posebni številki revije International Journal of Numerical Methods in Heat & Fluid Flow na področju uporabe modernih numeričnih metod v tehniki. Iz raziskav je izšlo razgibano mednarodno izobraževanje, ki je našlo svoje mesto v elitnih mednarodnih letnih šolah.
Pomen za razvoj Slovenije
Slovenci imamo pri izdelavi in predelavi materialov izjemno bogato tradicijo, na katero smo zelo ponosni. Prvi plavž pod Jelovico je omenjen že leta 1422. Industrijska proizvodnja jekla na Slovenskem je pričela leta 1869, ko je bila ustanovljena Kranjska industrijska družba. Iznajdba načina proizvodnje železo-manganovih jekel je družbi zagotovila pionirsko mesto v zgodovini izdelave jekla. Za to odkritje je podjetje prejelo več priznanj in nagrad na svetovni razstavi na Dunaju. Prav na isti razstavi je leta 1894 naš fizik Jožef Stefan predstavil prve analitične modele strjevanja. Zaradi izjemne pomembnosti proizvodnje kovin ima računalniško modeliranje tovrstnih procesov izjemno težo doma in v tujini. Slovenska metalurška industrija na razvite tuje trge letno skupaj izvozi za več kot milijardo € izdelkov, ki so vsi posredno ali neposredno povezani z obravnavanimi procesi tega projekta. Za izdelavo in predelavo omenjenih izdelkov je potrebnega veliko lastnega znanja. Od teh procesov je v Sloveniji odvisnih več 10000 delovnih mest. Potencialne koristi rezultatov raziskave ne bodo imela samo podjetja, ki so vezana na kontinuirno ulivanje, temveč vsa tista podjetja, ki pri svojem proizvodnem procesu obvladujejo za Slovenijo številne kritične tehnologije, povezane s faznimi prehodi. Na določeni stopnji izdelave in obdelave skoraj vsakega predmeta, ki ga izdela človek, uporabljamo termomehansko obdelavo. Tako avtomatizacija in optimizacija tovrstnih procesov na podlagi modelske podpore predstavljata danes ključ do sodobne izdelave in predelave kovin, keramike, polimerov, kompozitnih materialov, elektronskih komponent in nanomaterialov. Pri razvoju tega raziskovalnega področja v Sloveniji pa vidimo možnosti ne samo v krepitvi sodelovanja z domačimi proizvajalci jekla in aluminija temveč tudi v sodelovanju z multinacionalnimi globalnimi proizvajalci jeklarske in aluminijske procesne opreme. Omenjeno sodelovanje izgrajujemo od 2011: MUKHOPADHYAY, Ananya, ŠARLER, Božidar, POLO, Andrea, OMETTO, Marco. Integration of automation solutions of casting and rolling for better control of product quality. V: AISTech 2011 : Iron & Steel Technology Conference, May 2-5, 2011, Indianapolis, USA. Warrendale: Association for Iron and Steel Technology, cop. 2011, vol. 2, str. 1007-1020. [COBISS.SI-ID 2423547] Vzporedno s tem smo začeli ponujati svoje znanje tudi velikim tujim jeklarjem. Omenjene aktivnosti smo na podlagi napredka, pridobljenega v okviru tega projekta, začeli v letu 2016: ŠARLER, Božidar, DOBRAVEC, Tadej, VERTNIK, Robert, MAVRIČ, Boštjan. Računalniški program za izračun temperaturnega polja in mikrostrukture pri kontinuiranem ulivanju jekla v podjetju Xiwang Special Steel Company Limited: XiwangSSCSim2017. Ljubljana: IMT, 2017. 1 optični disk (CD-ROM). [COBISS.SI-ID 513015921]
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
