Study of the Thermo-Mechanical Damage of the Rolls in the Twin-Roll Casting Process of Aluminum Alloys

Twin-roll casting of aluminum alloys is a technology for the production of aluminum thin strips directly from liquid metal. Because of the thermo-mechanical conditions at the outer surface of the rolls cracks form. The cracks negatively influence the strip quality and can cause catastrophic failures. To mitigate, control and predict the thermo-mechanical damage of the rolls it is necessary to investigate their working conditions. A well established in the literature physical model of the process was implemented into the finite element method (FEM) software. The main process parameters were taken into account into the FEM model. The thermal field, mechanical strip-roll interaction, plastic flows at the the outer surface of the roll and the stress history during the roll rotation were studied in different working conditions. The influence of the main process parameters on the thermo-mechanical damage indexes and roll life was investigated via a parametric study. A novel semi-analytical method (SAM) model to study the thermo-mechanical state of the rolls was devised. A steady-state, two-dimensional plain strain SAM model was implemented into a fast software solver. The temperature increment and stress field due to the heat fluxes at the outer surface of the roll were computed considering the convolution/fast Fourier transform (C-FFT) technique adapted from the solution present in literature. A completely novel analytical solutions for the temperature and the stress fields of the roll far from the strip-roll contact zone were developed. An original approach based on the fixed-point iteration scheme was applied and implemented into the SAM software to solve the strip-roll thermal contact interaction. The SAM solver was verified by comparison with the FEM simulation results. The developed SAM software solver allows a fast and robust application also in industrial context. The SAM solver was applied to investigate the influence of the process conditions on the thermo-mechanical state of the roll to an actual twin-roll caster configuration and working conditions. The influence of the roll material on the thermo-mechanical state of the roll and the roll life was studied for fixed process parameters. Two novel material related parameters representing the material response to the temperature increment and temperature change rate were defined and physically explained. The two defined parameters present a very good correlation with the thermo-mechanical fatigue damage index and the roll life expectancy. The SAM solver can be applied to optimize the working conditions and the roll material specifically for the twin-roll casting of aluminum alloys application. The study carried out present results and insights both for the industrial application and scientific/theoretical developments.

Il twin-roll casting di leghe di alluminio è una tecnologia per la produzione di lamine sottili di alluminio direttamente dal metallo liquido. A causa delle condizioni termo-meccaniche sulla superficie esterna dei rulli si formano le cricche. Queste cricche influenzano negativamente la qualità della lamina e possono causare rotture catastrofiche. Per mitigare, controllare e prevedere il danneggiamento termo-meccanico dei rulli è necessario studiarne le condizioni operative. Il modello fisico del processo, ben consolidato nella letteratura, è stato implementato in un software basato sul metodo degli elementi finiti (FEM). I principali parametri di processo sono stati considerati nel modello FEM. Il campo termico, l'interazione meccanica lamina-rullo, i flussi plastici sulla superficie esterna del rullo e la storia degli sforzi durante la rotazione del rullo sono stati studiati in diverse condizioni operative. L'influenza dei principali parametri di processo sugli indici di danneggiamento termo-meccanico e sulla vita utile del rullo è stata analizzata attraverso uno studio parametrico. È stato ideato un nuovo modello semi-analitico (SAM) per studiare lo stato termo-meccanico dei rulli. Un modello SAM in regime stazionario e bidimensionale (deformazione piana) è stato implementato in un risolutore software rapido. L'incremento di temperatura e il campo di sforzo dovuti ai flussi termici sulla superficie esterna del rullo sono stati calcolati con la tecnica di convoluzione/trasformata di Fourier veloce (C-FFT) adattata dalle soluzioni presenti in letteratura. Sono state sviluppate soluzioni analitiche completamente nuove per i campi di temperatura e sforzo del rullo lontano dalla zona di contatto lamina-rullo. Un approccio originale basato sullo schema fixed-point iteration è stato applicato e implementato nel software SAM per risolvere l'interazione termica di contatto lamina-rullo. Il risolutore SAM è stato verificato mediante confronto con i risultati delle simulazioni FEM. Il software SAM sviluppato consente un'applicazione rapida e affidabile anche in ambito industriale. Il risolutore SAM è stato applicato per studiare l'influenza dei parametri di processo sullo stato termo-meccanico del rullo in condizioni operative reali di twin-roll casting. L'influenza del materiale del rullo sullo stato termo-meccanico e sulla vita utile del rullo è stata studiata per parametri di processo fissi. Sono stati definiti e spiegati fisicamente due nuovi parametri legati al materiale, rappresentativi della risposta del materiale all'incremento di temperatura e alla velocità di variazione della temperatura. I due parametri definiti mostrano una correlazione molto buona con l'indice di danneggiamento per fatica termo-meccanica e con la vita utile del rullo. Il risolutore SAM può essere applicato per ottimizzare le condizioni operative e il materiale del rullo specificamente nel twin-roll casting di leghe di alluminio. Lo studio effettuato presenta risultati e spunti sia per l'applicazione industriale che per gli sviluppi scientifici e teorici.