Simulation of solidification and cooling of a casting product using COMSOL Multiphysics

Abstract

In this project, the cooling and solidification processes for a Valmet Foundry product have been simulated in order to shorten the cooling time. The study has also been done in cooperation with RISE Swecast in Jönköping, as a part of finding ways to make casting procedures more energy efficient. Another scope of the study is to evaluate how well COMSOL Multiphysics can be used to simulate these types of casting
processes.

A large part of the study has been about the simulation, but some information regarding material properties and process temperatures have been collected from RISE Swecast and Valmet. The model in COMSOL Multiphysics is based on a CAD file describing the casting product, and the surrounding sand form has been built around it as a part of the modeling.

Initially, the current process was modeled and simulated to get the model to work as close to reality as possible. When the model describing the current case was deemed to be close enough to reality, some changes of the casting form were tested. The conductivity in the form was increased using metal fins, and a forced air stream was introduced to increase the convective heat flux of the sand form. The results of the studies shows that the cooling fins and air stream do not affect the cooling time notably by themselves, but combined they could make quite a big difference for the cooling process. The fins increase the turbulence of the introduced air flow which improves the convective heat transfer, and the cold air stream works as a heat sink for the fins.

COMSOL Multiphysics is found to be an efficient way to model this type of procedures because of the way different physical concepts can be coupled, in this case heat transfer and turbulent air flow. It is also convenient to work with important CAD models in the program, and to model the phase change in a material. However, it demands a lot of knowledge about both the physics and how to build an effective mesh to get the most of the simulations.

Popular Abstract (Swedish)

STYRD KYLNING AV GJUTGODS
– ett allt hetare ämne
Många industrier står idag inför stora utmaningar angående resurseffektivitet och energi-användning, inte minst de som involverar väldigt energikrävande processer. Metall- och gjuteriindustrin står idag för ungefär 15% av energi-användningen i Sverige. Därför finns det intresse att utreda möjligheterna för att återanvända värme som i dagsläget går till spillo.

En studie utför vid avdelningen för värme-överföring på Lunds Tekniska Högskola har i samarbete med RISE Swecast undersökt möjligheterna att införa styrd kylning av gjutgods. Intresset för styrd kylning bottnar i ett intresse av att effektivisera värme-användningen i gjuteriprocesserna, inte minst ur ett återanvändningsperspektiv. För själva gjuteriindustrierna skulle sådana skillnader kunna innebära ekonomiska vinningar, dels på grund av ett minska behov av primärenergi, men också för att styrd kylning kan leda till kortare avsvalningstider. En flaskhals i dessa industrier idag är uppehållstiden för gjutgods under avsvalning, och skulle denna tid kortas ner kan det leda till möjligheter för ett ökat produktionsflöde i tillverkningen.
Studien i fråga har genomförts genom att simulera ett avsvalningsförlopp i COMSOL Multiphysics, ett simuleringsprogram som kan användas för att koppla ihop flera olika fysikaliska fenomen med varandra i samma processer. I dagsläget finns det flera program-varor som är anpassade för gjuteriprocesser, men ett program som även i viss mån tar hänsyn till omgivningen skulle kunna underlätta möjligheterna att finna vägar för effektiv energiåtervinning.
Förloppet som modelleras är hämtat från Valmets gjuteri i Karlstad. I studien testades en ökad avsvalningshastighet genom att bygga in värmeledande fenor i formen, och på så sätt leda ut värmen snabbare. Dessutom testades det att införa ett luft-flöde genom ett hålrum i modellen, vilket fungerar som en svalkande fläkt för processen. Slutligen kombinerades de båda lösningarna för att se hur de skulle samverka med varandra.
Varken luftflödet eller metallfenorna visade sig ha någon större effekt för avsvalnings-tiden när de implementerades var för sig. Däremot verkade det visa sig väldigt effektiv att kombinera lösningarna med varandra. Med de parametrar som användes i studien gick tiden för avsvalning från 120 timmar till drygt 80. Om detta skulle kunna vara genomförbart i den verkliga processen vågar dock inte studien avgöra, då materialets hållfasthetsegenskaper inte tagits i beaktande i studien.
Vad den potentiella restvärmen kan ha för användningsområden är ännu oklart, men idéer som finns är att använda den för att förvärma gjutmaterial tidigare i processen. Potentiellt skulle den också kunna innebära viss systemnytta, till exempel genom att förstärka fjärrvärmenät och andra uppvärmnings-förlopp. Problem som kvarstår att lösa innan en sådan förändring kan ske är bland annat överföringen av den relativt lågvärdiga värmen från luftströmmen till en bättre värmebärare, samt hur dessa användnings-områden påverkas av att värmekällan är så periodisk som denna gjuteriprocess är.

• author: Allen, Tom
• supervisor: Bengt Sundén; Zan Wu
• organization: Department of Energy Sciences
• course: MVKM01 20191
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Heat transfer, casting, phase change, COMSOL Multiphysics
• report number: LUTMDN/TMHP-19/5432-SE
• ISSN: 0282-1990
• language: English
• id: 8977890
• date added to LUP: 2019-05-28 12:14:28
• date last changed: 2019-05-28 12:14:28