Die vorliegende Veröffentlichung umreißt in groben Zügen die Grundlagen der Simulation sowie den Weg vom realen Problem zum Modell. An einigen Fallbeispielen ist der Einsatz der Simulation in der Metallurgie gezeigt. Ablaufsimulation, Parameterstudien sowie Simulationen zu Produkteigenschaften werden erklärt. Die Entwicklung von neuen Verfahren mittels der Simulation ist ebenfalls beschrieben.Predočeni rad opisuje u grubim crtama kao i put od realnog problema do modela. Na primjerima nekih slučajeva prikazuje se primjena simulacija u metalurgiji. Objašnjava se simulacija toka, proučavanje parametara kao i simulacija glede svojstava proizvoda. Također je opisan razvoj novih postupaka pomoću simulacije

M. Philipp

O. K. Harrer

W. Schwenzfeier

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METALURGIJA 41 (2002) 3, 143-147 143W. SCHWENZFEIER u a.: SIMULATION IN DER METALLURGIEReceived - Primljeno: 2002-01-31Accepted - Prihvaćeno: 2002-04-15Review Paper - Pregledni radISSN 0543-5846METABK 41 (3) 143 (2002)UDC - UDK 669:519.872.7:681.5.017=30. HWENZFEIER, M. PHILIPP, O. K. HARRERW. Schwenzfeier, M. Philipp, O. K. Harrer, Institut für Verformungs-kunde und Hüttenmaschinen, Montannversität Leoben, ÖsterreichSIMULATION IN DER METALLURGIEEINLEITUNGIm Laufe der Zeit entstanden für die unterschiedlichstentechnischen Probleme Simulationsmodelle. Diese reichenvon Abläufen bis Zustandsdiagrammen und umfassen unteranderem Stoff- und Wärmeflussmodelle, maschinendynami-sche Modelle und viele andere mehr. Im Folgenden seienbeispielhaft sieben Anwendungen der Simulation angerissen,die ihren Einsatz in der Metallurgie veranschaulichen sollen.GRUNDLAGEN DER SIMULATIONDer Begriff Simulation kommt vom lateinischen “simu-lare“, was soviel wie vortäuschen bedeutet. In der Technikwird Simulation allerdings als Sammelbegriff für das Darste-llen oder Nachbilden physikalischer oder technischer Proze-sse durch mathematische und physikalische Modelle verwen-det. Vergleicht man Versuche am Original mit der Simula-tion des entsprechenden Prozesses, ist diese oft billiger undungefährlicher als der Versuch. Verknüpft mit modernerRechentechnik ist die Simulation mittlerweile ein mächtigesWerkzeug, das für das Beschreiben und Entwickeln vonProzessen mehr und mehr and Bedeutung gewinnt.Die vorliegende Veröffentlichung umreißt in groben Zügen die Grundlagen der Simulation sowie den Weg vomrealen Problem zum Modell. An einigen Fallbeispielen ist der Einsatz der Simulation in der Metallurgie gezeigt.Ablaufsimulation, Parameterstudien sowie Simulationen zu Produkteigenschaften werden erklärt. Die Entwicklungvon neuen Verfahren mittels der Simulation ist ebenfalls beschrieben.Schlagworte: Simulation, Ablaufsimulation, Parameterstudien zum Walzen, Studien zu Produkteigenschaften,Entwicklung und SimulationSimulacija u metalurgiji. Predočeni rad opisuje u grubim crtama kao i put od realnog problema do modela. Naprimjerima nekih slučajeva prikazuje se primjena simulacija u metalurgiji. Objašnjava se simulacija toka,proučavanje parametara kao i simulacija glede svojstava proizvoda. Također je opisan razvoj novih postupakapomoću simulacije.Ključne riječi: simulacija, simulacija toka, proučavanje parametara glede valjanja, proučavanje svojstavaproizvoda, razvoj i simulacijaVOM PROBLEM ZUM MODELLAuf ein bestehendes technisches Problem sind die Werk-zeuge der Physik anzuwenden, sodass dieses in weitererFolge mathematisch formuliert werden kann d.h. modellie-ren. Das Modell soll die Realität nur so genau wie nötigabbilden, um es so einfach wie möglich zu halten. Ein funk-tionaler Zusammenhang darf beispielsweise unter Umstän-den linerarisiert jedoch nicht umgekehrt werden. In weitererFolge ist das Modell in computertaugliche Sprachen zuübersetzen. Numerische Probleme wie etwa Divisionen dur-ch extrem kleine Zahlen oder mangelnde Konvergenzen vonIterationen oder ähnliches müssen beherrscht oder vermie-den werden. Unumgänglich sind Probeläufe der Rechensim-ulationen mit anschließender Ergebnisprüfung anhand derRealität oder an physikalischen Experimenten. BesonderesAugenmerk ist während des Modellierens auf die Rand- undAnfangsbedingungen zu richten, da sie entscheidenden Ein-fluss auf die Modellgröße und Realitätstreue haben. Entspre-chen die Modellergebnisse nicht der Realität oder den reali-tätsnahen Erwar-tungen, ist das Modell zu prüfen und gege-benenfalls zu modifizieren wodurch dieses umfangreicherund kompli-zierter werden kann.Abb. 1 zeigt ein Schema vom Problem bis zur Interpreta-tion des Simulationsergebnisses nach [1]. FEM steht in Abb.1 und im folgenden Text für die Finite Elemente Methode.METALURGIJA 41 (2002) 3, 143-147144W. SCHWENZFEIER u a.: SIMULATION IN DER METALLURGIEAUSGEWÄHLTE SIMULATIONSBEISPIELEAblaufsimulation in der HüttenindustrieAm Beispiel von Transportengpässen, die in einem LD-Stahlwerk mit 3 bestehenden Kränen auftraten, soll gezeigtwerden, wie mit Hilfe der numerischen Simulation eineetwaige Investition eines neuen Kranes entschieden werdenkonnte. Trivial ist der Einsatz eines Kranes, der die an ihngestellten Transportaufgaben nach entsprechenden Vorga-ben abarbeiten muss. Schwieriger gestaltet sich die Kranbe-legung von zwei bis drei oder gar vier auf ein und derselbenKranbahn fahrenden Kränen. Die äußerst komplexeTransportproblematik für drei und vier Kräne konnten mitder Simulationssprache SIMULA-67 formuliert und berec-hnet werden (siehe Abb. 2). Eindeutig konntenachgewiesen werden, dass für einige Anwendungsfälleein vierter neuer Kran hilfreich wäre, dieser jedoch in derMehrzahl der Transportfälle die anderen Kräne behindernund somit nicht von Nutzen sein würde [2].Parameterstudien zum WalzenGrobblech biegt während des Walzens am Blechanfangoft unerwartet nach oben oder unten. Diese sogenannteSchibildung zeigt Abb. 3. Auch treten während desWalzens über der Blechlänge mitunter ausgeprägteKrümmungs-wechsel auf, die in Walzwerken als Knickebezeichnet wer-den. Diese ungewollten Blechkrümmungenverursachen neben Produktivitätseinbußen oft auchaufwändige Nachar-beiten und nicht seltenAnlagenschäden. Ausgehend von umfassendenBetriebsmessungen konnte der Ist-Zustand in einemmodernen Grobblechwalzwerk erfasst werden. Eineanschließende FEM-Simulationsstudie ermöglichte es, denaus der Messung bekannten Ist-Zustand in der Simulationeinzubauen und Einflüsse auf die Blechkrümmungfestzustellen.Als wesentliche und gut beeinflussbare Störgrößewurde die gemessene Umfangsgeschwindigkeitsdifferenzder Arbeitswalzen erkannt. Mit Hilfe einer FEM-Parame-terstudie konnten wichtige Erkenntnisse wie beispielsweiseder „neutral point“ gewonnen werden, an dem Walzgutkonstanter Dicke und fixer Dickenabnahme trotz vorhand-ener Umfangsgeschwindigkeitsdifferenzen der Arbeits-walzen ungekrümmt aus dem Walzspalt läuft.In Abb. 4 können „neutral point“ und die Krümmung-sintensität abhängig von verschiedenen Umfangsgeschwin-digkeitsdifferenzen für eine Blechdicke erkannt werden.Auch das bis dato unbekannte Verschieben des neutral po-ints abhängig von der Blecheinlaufdicke, auch „drift ofthe neutral point“ genannt, sowie die in der Praxis bekann-NumerischeEinflussgrößenMaschinengeb.EinflussgrößenBild 1.  Entstehen einer SimulationSlika 1. Nastajanje  simulacijePhysikalischeProblemeProblembeschreibendeGrundgleichungen mitRandbedingungen undStoffwertenProzess-annahmenPhysikalischeEinflussgrößenBerechnungmit der FEMInterpretationder Ergebnisse   Bild 3. Schibildung an GrobblechSlika 3. Prikaz formiranja “skije” na debelom limuBild 2. Arbeitsschritte bei der Durchführung eines Simulations-experimentesSlika 2. Radni koraci u izvedbi jednog eksperimenta simulacijomProbl.Progr.EDVADatenAusg.Analy.EndeModell Block d. Pr. Spr.METALURGIJA 41 (2002) 3, 143-147 145W. SCHWENZFEIER u a.: SIMULATION IN DER METALLURGIEten erheblichen Unterschiede der Antriebsdrehmomentefür Umfangsgeschwindigkeitsdifferenzen der Arbeitswal-zen konnten durch die Simulation quantifiziert werden. Diegewonnenen Erkenntnisse fließen in das Automationskon-zept eines modernen Grobblechwalzwerkes ein [3 - 4].Am Beispiel eines Regelungsmodells für eine Drahtstr-aße soll der Einsatz der Simulation für das Erstellen vononline-Programmen erklärt werden. Querschnittsfehler vonKnüppeln sollen mittels spezieller Walzstrategien in derWalzstraße egalisiert werden, sodass der Endquerschnittdes gewalzten Drahtes in das enge Toleranzfeld derWeiterverarbeiter trifft. Dadas Ausgleichen derFehler während derProduktion erfolgen muss,FEM-Si-mulationen aberfür on-line-Berechnungenviel zu langsam sind, istein Überwachungs- undRege-lungsprogrammeinzuset-zen, welches aufeinfachen und somitschnell zu berechnendenZ u s a m m e n - h ä n g e nbasiert. Quelle für dasErkennen und Aufste-llendieser einfachen Zu-sammenhänge ist auch hierwieder die FEM-Simula-tion (siehe Abb. 5). Sie bi-etet die Möglichkeit, in der   Bild 4. Simulationsergebnisse zur Schi- und Knickbildung an Grob-blechSlika 4. Simulacija stvaranja “skije” i “prevoja” na debelom limu2.01.51.00.50.0Curvature 1/ [1/m]ρ-0.5-1.0-1.50.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.42 % ∆V3 % ∆V5 % V∆2.8“Neutral  point”h  = 28 mm,  = 1000 °C1 υBending towards thework roll with the highercircumferential speedBending towards thework roll with the lowercircumferential speedShape factor l /h  [1]d m Bild 5. Simulation des Kaliber-walzens in einer Vors-taffel  Slika 5. Simulacija valjanja ka-libra u grupi valjaka za izduživanjeRealität gleichzeitig auf-tretende Störeinflüsse auf wenigeGrößen zu reduzi-eren und diese Schritt für Schritt nachUrsache und Wir-kung zu untersuchen. Die gefundenenZusammenhänge können dann in einem entsprechendschnell ablaufenden Programm verwendet werden [5].Studien zu ProdukteigenschaftenBleche und Bänder, die rand- oder mittenwellig dieWalzstraße verlassen, müssen in weiterer Produktionsfolgegerichtet werden (siehe Abb. 6). Mittels geeigneter Richt-maschinenanstellungen gelingt es, die während der Produk-tion entstandenen Planheitsfehler zu egalisieren. Um denRichtprozess reproduzierbar zu halten, ist es notwendig,den theoretischen Zusammenhang zwischen Planheits-fehlern und Richtmaschinenanstellwerten zu kennen. DerProzess muss also in einem entsprechenden Online-programm nachempfunden werden, um so der Richtmasc-hine die geeigneten Anstellwerte vorgeben zu können. ImRahmen einer Dissertation wurde ein entsprechendesRichtprogramm entwickelt. Getestet wurde das so entwic-kelte Programm mit dem bewährten und allgemein aner-kannten FEM-Programmpaket ABAQUS. Das Richtpro-gramm konnte so gestaltet werden, dass die mit ihmerrechneten Ergebnisse gut mit jenen des ProgrammpaketesABAQUS übereinstimmten [6].Immer höher werdende Radlasten und Fahrgeschwin-digkeiten erhöhen die Anforderungen an Geradheit, Ober-fläche und Eigenspannungen der Schienen.Die CEN (European Committee for Standardization)lässt in einem entsprechendem Normenentwurf Zugeigens-pannungen im Schienenfuß bis 250 MPa zu.METALURGIJA 41 (2002) 3, 143-147146W. SCHWENZFEIER u a.: SIMULATION IN DER METALLURGIEEntwicklung und SimulationEin weiteres Anwendungsgebiet der Simulation ist ihrEinsatz in der Entwicklung von neuen Bauteilen, Verfahrenund Prozessen. Auch für dieses Anwendungsgebiet ist dieSimulation auf solide Messergebnisse angewiesen, welchezum einen Simulationsergebnisse belegen und somitVertrauen zum Modell aufbauen, zum anderen helfen, dasModell durch wesentliche Rand und Anfangsbedingungenklein zu halten. Zwei Verfahren, die am Institut entwickeltwurden, sollen Beispiele für die Möglichkeiten der Simu-lation auf diesem Gebiet geben.Das bisherige Fehlen eines Verfahrens, welches dieKrümmungen von Langgut nach deren Produktion erfassenkann, motivierte zur Entwicklung der im Folgendenbeschriebenen „Krümmungswaage“. Durch das bieges-chlaffe Verhalten von Langgut zeigt dieses, auch wenn esim schwerelosen Raum durchgehend gekrümmt wäre, inRealität lediglich an seinen Enden seine „wahre“ Krümm-ung. Demzufolge biegt - vorerst gerade erscheinendesLanggut - nach dem Sägen oft unerwartet nach oben oderunten. Die Krümmungswaage nützt die Auflagerreakti-onen, die das Langgut auf genau positionierte Messstützenausübt. Abb. 8 zeigt einen Versuchsaufbau, wobei das linkeUm sowohl das Entstehen von Eigenspannungen inSchienen besser zu verstehen als auch ihre Größe beein-flussen zu können, wurde im Rahmen einer Dissertationeine FEM-Simulationsstudie angefertigt. Begleitet wurdediese Arbeit von Messversuchen, welche das Materialver-halten der Schienenwerkstoffe genau erfassten, um diesesanschließend durch ein entsprechendes Materialmodell -es wurde ein Chaboche Modell verwendet - nachzubilden.Mittels der FEM-Simulation zeigt Schleinzer [7], dass derRichtrollendurchmesser die entstehenden Eigenspannun-gen nicht beeinflusst. Abb. 7 zeigt die plastischen Dehnun-gen der Schiene unter einer Richtrolle. Weiters wird in [7]gezeigt, dass zusätzliches Richten um die kleine Trägheit-sachse die Eigenspannungsspitzen aus dem randnahenBereich des Schienenkopfes und -fußes ins Schieneninnereverschiebt. Diesen Ergebnissen stehen jedoch die Arbeitenvon Weiser [8] und Guericke [9] gegenüber, die einedeutliche Abhängigkeit der entstehenden Eigenspannungenvom Richtrollendurchmesser feststellten.   Bild 7. Simulation der Dehnungen während des Schienen-richtensSlika 7. Simulacija izduživanja pri ravnanju tračnica   Bild 8. Versuche zur Entwicklung der KrümmungswaageSlika 8. Pokusi o razvoju progiba na uravnoteženim tračnicama  Bild 9. Simulationsergebnis zum KrümmungswaageSlika 9. Rezultati simuliranja progiba uravnotežene tračniceTrägerformen z und z [mm]00z  wahre form0z  IPB1001z  IPB1601z  IPB20016050403020100 0 1 2 3 4 5 6 7 8z  IPB3001Längskoordinate x [m]R = 500 mMETALURGIJA 41 (2002) 3, 143-147 147W. SCHWENZFEIER u a.: SIMULATION IN DER METALLURGIE   Bild 10. Prinzipskizze zum RadialdrucktiefziehenSlika 10. Skica načina dubokog radijalnog izvlačenja pod tlakomZiehringNiederhalterFnFsFnRadialdruckStempelWerkstückBild 11. Simulationsergebnis zum Radialdrucktief-ziehenRezultat simulacije du-bokog radijalnog izvla-čenja pod tlakomSlika 11.LITERATUR1. M. L. Cho: Bewertung der Anwendbarkeit der Finite-Elemente-Methode (FEM) für die Umformtechnik, Verlag Stahleisen, 19872. G. Ponschab: Entwicklung eines Simulationsrechenmodelles zurAblauf- und Planungsuntersuchung eines Sauerstoff-Aufblas-Stahl-werkes. Dissertation, Montanuniversität Leoben, 19733. M. Philipp: Schibildung beim Walzen von Grobblech. Tagungsbandzum XIX. Verformungskundlichen Kolloquium, 20004. M. Philipp, O. K. Harrer, W. Schwenzfeier, R. Wödlinger and Chr.Fischer: Turn-up and turn-down phenomena in plate rolling. 5th In-ternational ESAFORM Conference, Krakow, 20025. O. K. Harrer, T. Kvackaj und I. Pokorny: Numerical Simulation ofBillet Rolling. Acta Metallurgica Slovaca Kosice, 20016. G. Finstermann: Rechnerische Simulation des Biegerichtens gebeul-ter Bleche und Bänder. Dissertation, Montanuniversität Leoben,19897. G. Schleinzer: Residual Stress Formation During the Roller Straight-ening of Rails. VDI Verlag, 20008. J. Weiser: Analyse der Eigenspannungsentstehung beim Rollen-richten von Schienen. Ph. D. Thesis, Otto-von-Guericke-UniversitätMagdeburg, 19979. W. Guericke: Modell zur Simulation elastisch-plastischer Biegever-formungen für technologische Bearbeitungsprozesse. TechnischeMechanik 14, (1994) 155-17610. G. Wollendorfer: Die Krümmungswaage - Ein neuartiges Messver-fahren zum Bestimmen der Geradheit von Langgut. VDI Verlag,2000.11. Th. Hatzenbichler, W. Schwenzfeier und G. Wollendorfer: Verfahrenund Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern aus flächigemMaterial. Patentanmeldung in Österreich M 2578Bild das Vermessen der Fußkrümmung, das rechte Bilddas Vermessen der Kopfkrümmung ein und derselbenSchiene zeigt. Die so ermittelten Krümmungen unter-scheiden sich durch ihr Vorzeichen, sind jedoch betrags-gleich, wodurch die Reproduzierbarkeit der Messergeb-nisse gezeigt werden konnte.Den Einfluss des Flächenträgheitsmomentes auf dieLanggutform eines im schwerelosen Zustand gekrümmtenTrägers zeigt Abb. 9 [10].Ein weiteres Beispielfür ein neues Verfahren,das von der Idee über eineFEM-Simulationsstudiemittlerweile das Versuc-hsstadium erreicht hat, istdas Radialdrucktiefzie-hen. Ziel des neuen Verfa-hrens ist es, unterstütztdurch einen radial überden Rondenmantel wir-kenden Druck größereTiefziehverhältnisse alssie konventionelle Tief-ziehverfahren erlauben,zu ermöglichen (sieheAbb. 10).Dabei wirkt der beis-pielsweise über ein Hydr-aulikmedium aufgebrac-hte Radialdruck für dieFließbewegung des Materials zum Ziehspalt hin unterstüt-zend und ermöglicht so unverhältnismäßig große Tiefzieh-verhältnisse.Das durch eine FEM-Simulationsstudie (siehe Abb. 11)gewonnene Vertrauen motivierte zum Bau eines Versuchs-standes, welcher die Vorhersage der Simulation voll bestät-igte. Das Projekt befindet sich momentan in einer Phase,in der ein interessierter Industriepartner komplexereVersuche ermöglichen soll [11].ZUSAMMENFASSUNGDie vorliegende Arbeit zeigt die vielseitigen Einsatz-möglichkeiten der Simulation in der Metallurgie. Deutlichwurde veranschaulicht, wie eng Simulation und VersuchHand in Hand gehen müssen und wie auf diese Art neue,bisher unbekannte Zusammenhänge erkannt werdenkönnen.

Simulacija u metalurgiji

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