Análisis Termo-Estructural para Sistema de Seguridad Fundición Caletones Codelco. Esss Chile Codelco, división El Teniente.

Transcripción

1 Análisis Termo-Estructural para Sistema de Seguridad Fundición Caletones Codelco Esss Chile Codelco, división El Teniente.

2 Contenido. Motivación General. Descripción del problema. 1era.simulación:Termo-estructural estático. Metodología Validación modelo térmico. Condición de operación. Resultados. 2da.simulación:Dinámica explícita. Metodología. Resultados. Conclusiones generales.

3 Motivación General. Mejoras reales en los niveles de seguridad para el traspaso de material fundido en la fundición Caletones. Comprobar mediante simulación, el funcionamiento del seguro acoplado al sistema Yugo-Taza. Determinación de las cargas y desplazamientos estructurales asociadas a solicitaciones desfavorables de trabajo.

4 Descripción del problema. Punto de riesgos: Desenganche del acople Yugo-taza por maniobras de operación. Compromiso de vidas humanas en caso de accidentes. Pérdidas de material fundido. Pérdidas de continuidad de la operación normal en la fundición.

5 1era simulación: Termo-Estructural. Metodología. Recopilación de antecedentes. Validación Térmica. (Diseño actual) Simulación Termo-estructural (incorporación de candados). Para la realización de este trabajo, se centró el análisis en las tazas de capacidad 400. La validación térmica se hace a través de termografías tomadas a la taza en su condición normal de operación. Dicha validación considera el llenado de cobre máximo permitido por la taza. Una vez realizada la validación, se traspasan las cargas térmicas a una nueva condición de trabajo.

6 1era simulación: Termo-Estructural. El dominio es discretizado para poder utilizar la herramientas de elementos finitos. La discretización es realizada de manera fina con el objetivo de captar los gradientes térmicos en la estructura. Número de nodos: Número de elementos:

7 Validación modelo térmico.

8 Condiciones de operación. En la siguiente figura, se muestra la nueva condición de operación a simular, la cual corresponde a la situación de limpieza de la taza, más la incorporación de los seguros. Estos seguros son de material SAE 1045 con un esfuerzo de fluencia de 530 Mpa, variando según condiciones de fabricación.

9 Condiciones de operación. A continuación se muestra el sistema Taza-seguro utilizado en terreno.

10 Condiciones de borde. Las condiciones de bordes utilizadas en la simulación corresponden a dos origenes: Condiciones de borde térmicas: Condiciones de borde importadas desde las validaciones térmicas previamente realizadas. Cabe resaltar que la condición térmica impuesta, es considerando al sistema estructural en uno de sus peores casos, en el cual la taza permanece llena con cobre a la temperatura de fusión (1250 C). Condiciones de borde estructurales: Peso propio de la estructura. Peso de la escoria (considerando el 5% del volumen total). Presión hidrostática de la escoria sobre la taza. Fuerza aplicada sobre una cara de la taza. Fixed support.

11 Condiciones de borde. En la siguiente figura se aprecia la distribución hidrostática debida a la escoria adherida a la taza. Cabe resaltar que para esta simulación se impuso que el volumen de material corresponda al 5% de la capacidad de llenado de la taza. La esfera representa el centro de masa de la escoria, dicha concentración corresponde a 3200 kg.

12 Condiciones de borde. Además de la distribución de escoria en la taza, se supondrá que la taza golpea sobre una cara de la taza, generando una fuerza de impacto en el mecanismo. La aceleración ocupada para calcular la fuerza de impacto, es la utilizada en el informe de SDI-IMA S.A., donde la máxima aceleración es de 0,166, a una masa de la geometría de kg, originando una fuerza de 6000 N.

13 Resultados. Esfuerzo contacto entre oreja-yugo.

14 Resultados. En las siguientes imagen se muestra los resultados de esfuerzos para el pasador crítico. El pasador no alcanza el límite de fluencia, su valor máximo sólo alcanza un 2,3% del valor de fluencia, lo que implica en un buen comportamiento del material.

15 Resultados. En las siguientes figuras, se visualizan los esfuerzos alcanzados en el seguro.

16 2da simulación: Dinámica explícita. Objetivo General: Validar a través de simulación FEA Explicita (Método de Elementos finitos aplicado a dinámica explicita) la integridad estructural de un sistema de seguridad en posición inminente de desenganche del colgador. Objetivos específicos de la simulación: Verificar la funcionalidad del sistema de seguridad aplicando una dinámica que fuerce a la taza a desengancharse del colgador. Obtener los esfuerzos máximos en componentes críticos en el colgador y sistema de seguridad. Obtener la respuesta en esfuerzo del sistema de seguridad al aplicar la dinámica impuesta.

17 Antecedentes. Se ejecutaran las siguientes simulaciones para verificar la integridad del sistema de seguridad: A) Simulación taza con movimiento de desenganche sin sistema de seguridad en los muñones. La simulación consiste en estudiar la respuesta estructural y dinámica (velocidad inicial impuesta) Ref: ( Análisis de esfuerzos en conjunto colgador para Ollas de 300 y 400 pies cúbicos ) del colgador frente a una dinámica que provoca el desenganche de la taza sin incluir el sistema de seguridad. B) Simulación taza con movimiento de desenganche con sistema de seguridad en los muñones. La simulación consiste en estudiar la respuesta estructural y dinámica (velocidad inicial impuesta) del colgador frente a una dinámica que provoca el desenganche de la taza incluyendo el sistema de seguridad.

18 Malla. La malla de elementos finitos fue construida refinando zonas de conexión geométrica y partes que estarán sometida a la máxima carga. Detalle de la malla usada para el conjunto.

19 Resultados. Para las simulaciones A y B se utilizaron las mismas condiciones de carga, las cuales se detallan en el siguiente esquema: Aceleración de gravedad aplicada a todos los componentes en simulación la cual permite calcular el peso propio de la estructura en conjunto con los efectos de inercia provocados por la dinámica de la estructura. Velocidad inicial de 1,51 [m/s] aplicada a la taza actuando a 30 en el plano YZ. Esta velocidad corresponde a la máxima velocidad que puede generar el puente grúa. La velocidad ingresada es de carácter inicial y variara dependiendo los efectos de inercia e impacto que la taza genere con los demás componentes en simulación.

20 Resultados. Desplazamientos totales Simulación sin sistema de seguridad Simulación con sistema de seguridad

21 Resultados. Desplazamientos totales (detalle): Al comparar las simulaciones con sistema de seguridad y sin sistema de seguridad se observa que existe funcionalidad impidiendo que exista desacople (desenganche) entre la taza y el colgador

22 Resultados. Esfuerzo equivalente de Von Mises Simulación sin sistema de seguridad Simulación con sistema de seguridad

23 Resultados. Esfuerzo equivalente de Von Mises (detalle): Simulación sin sistema de seguridad. Esfuerzo equivalente máximo 909,5 [Mpa]. Localizado en el colgador debido a ruptura del material. Simulación con sistema de seguridad. Esfuerzo equivalente máximo 788,3 [Mpa]. Localizado en el contacto entre el muñon y colgador debido al impacto.

24 Resultados. Esfuerzo equivalente de Von Mises (grafico comparativo): 1000 Esfuerzo máximo de Von Mises vs Tiempo Esfuerzo [Mpa] Sin sistema de seguridad Con sistema de seguridad ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Tiempo [s] Al comparar las simulaciones con sistema de seguridad y sin sistema de seguridad se observa claramente que en la mayoría de la trayectoria de desenganche los valores de esfuerzo son mayores para el caso donde no existe sistema de seguridad. Los niveles de esfuerzo obtenidos son altos debido a que existen niveles de impacto provocado por la dinámica impuesta (velocidad inicial) y condiciones inerciales.

25 Resultados. Esfuerzo equivalente de Von Mises sistema de seguridad: Simulación sin sistema de seguridad (candados). Esfuerzo equivalente máximo candado derecho 165,5 [Mpa]. Esfuerzo equivalente máximo candado izquierdo 192,43 [Mpa]. sistema de seguridad izquierdo

26 Resultados. Esfuerzo equivalente de Von Mises sistema de seguridad (grafico comparativo): 250 Esfuerzo maximo de Von Mises vs Tiempo 200 Esfuerzo [Mpa] Candado derecho Candado izquierdo ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Tiempo [s] Al comparar los resultados de los sistemas de seguridad izquierdo y derecho se observa que el candado con mayor esfuerzo es el izquierdo esto provocado por la dirección del desplazamiento (hacia la izquierda) de la taza produciendo aplastamiento. Los niveles de esfuerzo obtenidos en ningún caso superan el limite de fluencia del material utilizado lo cual descarga posibles fallas por fluencia de los mismos.

27 Conclusiones. De la simulación Termo-estructural, se visualiza la eficaz respuesta del sistema de seguridad, alcanzándose un esfuerzo máximo del orden de 210 [Mpa] para el candado y 12,3 [MPa] para el pasador. Al comparar el comportamiento de la simulación sin sistema de seguridad con la con sistema de seguridad se observa claramente la influencia de este, lo cual impide el desenganche de la taza. Al comparar los niveles de esfuerzo, se observa que al no poseer el sistema de seguridad rápidamente el colgador alcanza el nivel de ruptura lo cual genera una falla total, lo cual es derivado del impacto y de la dinámica impuesta. De la dos simulaciones se puede concluir con las cargas realizadas se obtienen esfuerzo de 192,4 [MPa], lo cual está bajo el límite de fluencia del material con un factor de seguridad de 1,29 donde la zona más afectada es la zona interna de uniones apernadas de cierre producto del nivel de impacto.