Schnelle Modelle zur Simulation der Gefügeevolution beim Ringwalzen* Translated title: Fast models for the microstructure simulation during ring rolling

Kurzfassung

Das thermomechanische Behandlungsverfahren (TMB), welches durch den Verzicht auf eine separate Wärmebehandlung hohe Potenziale zur Einsparung von Energie- und Prozesskosten bietet, hat sich im Bereich der Ringherstellung bislang kaum etablieren können. Die Ursache für den geringen Entwicklungsstand lässt sich auf das für das Ringwalzen typische, stark instationäre und damit äußerst komplexe Prozessverhalten zurückführen. Diese Besonderheit bringt selbst moderne, auf Basis der Finite-Elemente-Methode (FEM) arbeitende Simulatoren an ihre Leistungsgrenzen. Durch die inakzeptabel langen Rechenzeiten scheidet die FEM daher zur Simulation der Gefügeevolution als Grundlage zur Entwicklung thermomechanischer Behandlungsstrategien für den Ringherstellprozess aus.

Im Rahmen des vorgestellten Forschungsvorhabens wurde deshalb ein weitestgehend analytisch und somit schnell rechnendes Simulationsmodell entwickelt. Zur globalen Simulationssteuerung wurde ein verbreiteter, kommerzieller Prozesssimulator in die Modellarchitektur eingebunden, zur Berechnung der Temperaturverteilung im Ringquerschnitt ein auf Grundlage der Finite-Differenzen-Methode (FDM) arbeitendes thermisches Teilmodell. Zusätzlich war die Entwicklung der analytisch rechnenden Teilmodelle, wie des mechanischen Modells sowie des Material- und des Gefügemodells, notwendig. Anhand eines Fallbeispiels konnte gezeigt werden, dass sich die lokale Gefügeevolution mit dem gekoppelten Gesamtmodell schnell und mit hinreichender Genauigkeit simulieren lässt. Es ließ sich außerdem veranschaulichen, wie sich mit dem Modell thermomechanische Behandlungsstrategien ableiten lassen.

Abstract

The thermo-mechanical treatment (TMT) offers great potential for energy and production cost savings by doing without a separate heat treatment. Nevertheless, the TMT technology has not been established in the field of the production of large seamless rolled rings yet. The reason for the low development level in the ring rolling field can be put down to the highly non-steady behaviour of the ring rolling process. This special feature pushes even modern simulators based on the finite element method (FEM) to their limits of performance. Due to the extreme computing duration the FEM drops out for the microstructure simulation as basis to development of TMT strategies for the ring rolling process.

Hence, within the context of the presented research project an analytically and accordingly fast computing simulation model was developed. For the global simulation control a prevalent commercial process simulator was implemented into the model architecture, and for the computation of the temperature distribution in the ring cross section an already existing thermal submodel, working on basis of the finite difference method. Additionally, the development of analytically counting submodels, like the mechanical submodel as well as the material and the microstructure submodel was necessary. On the basis of a manufacturing example it could be shown that the model enables a fast and sufficiently exact simulation of the microstructure evolution. Furthermore, it could be demonstrated how to derive thermo-mechanical treatment strategies by using the model.