ANÁLISIS DE TRATAMIENTO TÉRMICO AGITACIÓN EN TANQUES INDUSTRIALES Y TEMPLE DE ACERO

ANÁLISIS DE TRATAMIENTO TÉRMICO AGITACIÓN EN TANQUES INDUSTRIALES Y TEMPLE DE ACERO Carlos MÁRQUEZ carlos.marquez@frisa.com 25 de abril de 2013

CONTENIDO 1 Quiénes somos? 2 Resumen 3 Introducción 4 Agitación Metodología Resultados 5 Enfriamiento Metodología Resultados 6 Conclusiones

QUIÉNES SOMOS? es un líder mundial en la manufactura de anillos rolados y forja abierta. Ofrecemos un rango amplio de aceros al carbono, aleados e inoxidables, así como súperaleaciones y base titanio, lo cual nos permite tener un espectro amplio en el mercado industrial. Establecida en 1971 Empresa privada exporta el exporta el 95% de su producción a los cinco continentes. Cuenta con 1500 empleados DÓNDE ESTAMOS? Tres plantas en Monterrey, México; y una en Michigan, EUA (Ringmasters JV).

PRESENCIA GLOBAL 70% Norte de América 15% Europa 10% 5% Latinoamérica Asía y Oceanía

INDUSTRIAS Aeroespacial Construcción y minería Maquinaria industrial Petróleo y gas Generación de energía Especialidades Eólica

Resumen RESUMEN EN el presente trabajo se analiza el resultado de la modelación del proceso de temple de una probeta de acero AISI 4140. Los resultados de CFD y FEM son comparados con los datos obtenidos experimentalmente por medio de anemometría y pruebas de laboratorio. Por medio de ΛNSYS Fluent se ha obtenido el coeficiente de transferencia de calor y este resultado se ha impuesto como condición de frontera en el paquete computacional TRANSVALOR Forge Con lo anterior es posible predecir la dureza, porcentaje de fases, esfuerzos residuales y distorsión de la pieza templada. 7 / 40

Introducción INTRODUCCIÓN METALURGÍA DEL ACERO La característica sobresaliente de los aceros, la cual los convierte en materiales de ingeniería exitosos, es la habilidad de ajustar sus propiedades mecánicas en un amplio rango a través del uso de tratamientos térmicos controlados. 9 / 40

Introducción INTRODUCCIÓN METALURGÍA DEL ACERO La característica sobresaliente de los aceros, la cual los convierte en materiales de ingeniería exitosos, es la habilidad de ajustar sus propiedades mecánicas en un amplio rango a través del uso de tratamientos térmicos controlados. Las estructuras de acero con bajas propiedades mecánicas son producidas cuando el acero es calentado a la temperatura de austenización y enfriado lentamente. 9 / 40

Introducción INTRODUCCIÓN METALURGÍA DEL ACERO La característica sobresaliente de los aceros, la cual los convierte en materiales de ingeniería exitosos, es la habilidad de ajustar sus propiedades mecánicas en un amplio rango a través del uso de tratamientos térmicos controlados. Las estructuras de acero con bajas propiedades mecánicas son producidas cuando el acero es calentado a la temperatura de austenización y enfriado lentamente. Sin embargo, las altas propiedades mecánicas deseadas, se logran por medio de un enfriamiento rápido para formar la estructura metaestable llamada martensita. A este proceso se le conoce como temple. 9 / 40

Introducción INTRODUCCIÓN (CONT.) METALURGÍA DEL ACERO La optimización del proceso de temple usualmente requiere la selección de razones de enfriamiento suficientemente rápidas para permitir la microestructura martensítica deseada a la profundidad requerida, pero lo suficientemente lenta para minimizar los esfuerzos residuales y distorsión. La intensidad del temple puede ser modificada de acuerdo a la variación del tipo del medio temple, su concentración 1, temperatura y velocidad de agitación (entre otros factores). 1 Por ejemplo en el caso de los polímeros solubles. 10 / 40

Introducción INTRODUCCIÓN (CONT.) METALURGÍA DEL ACERO 11 / 40

Introducción INTRODUCCIÓN (CONT.) METALURGÍA DEL ACERO Tiempo 12 / 40

Agitación Metodología METODOLOGÍA 14 / 40

Agitación Metodología METODOLOGÍA 15 / 40

Análisis de Tratamiento Térmico Agitación Resultados R ESULTADOS 16 / 40

Agitación Resultados RESULTADOS 5 4 Máx. Medición Mín. y máx. Vel. promedio Lado 3 2 Vel. media (m/s) 1 1 2 3 4 5 Frente Mín. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Posición Vel. m/s 0 1 2 Frente 3 4 5 1 2 3 4 5 Lado Profundidad Baja Media Alta Diferencia Exp. CFD 0.01 m/s 0.05 m/s 0.08 m/s 17 / 40

Análisis de Tratamiento Térmico Enfriamiento Metodología M ETODOLOGÍA P RUEBA DE LABORATORIO 19 / 40

Enfriamiento Metodología ARREGLO DE LABORATORIO El arreglo experimental consiste en: Horno Mufla vertical de resistencia eléctrica, apta para mantener una temperatura mínima de 850 C. Además es capaz de conservar una temperatura de ± 2.5 C dentro de la probeta. Tanque El volumen del ensamble es de aproximadamente 1.5 10 3 m 3. Cuenta con un material sintético, transparente y que es quimicamente compatible con los medios de temple a base de soluciones poliméricas. 20 / 40

Enfriamiento Metodología ARREGLO DE LABORATORIO Probeta Hecha de acero AISI 4140, de forma cilíndrica, con un diámetro de 12.5 ± 0.01 mm y una longitud de 60 ± 0.25 mm instrumentada con un termopar tipo K en su centro geométrico. Termopar tipo K De 1.59 mm de diámetro y 4 m de largo. El termopar fue insertado en el centro geométrico de la probeta a través de un orificio en la parte superior de esta. Sistema de adquisición Los datos de la medición temperatura-tiempo fue realizada por medio de una computadora personal capaz de proveer un registro permanente de la variación en las lecturas a 10 Hz. 21 / 40

Enfriamiento Metodología PROBETA Figura 5.1 : Las dimensiones de las probetas utilizadas en este estudio son las mismas que contempla el estándar ISO 9950:1995(E). 22 / 40

Enfriamiento Metodología PROCEDIMIENTO Y PREPARACIÓN DE PROBETA 1 La probeta fue limpiada antes del temple para evitar la contaminación en la superficie de contacto. 23 / 40

Enfriamiento Metodología PROCEDIMIENTO Y PREPARACIÓN DE PROBETA 1 La probeta fue limpiada antes del temple para evitar la contaminación en la superficie de contacto. 2 Una vez que se ha insertado el termopar se ha usado pasta de alúmina para sellar la parte superior de la probeta para evitar posibles filtraciones de la solución. Ya que estas podrían provocar una lectura errónea en el termopar. 23 / 40

Enfriamiento Metodología PROCEDIMIENTO Y PREPARACIÓN DE PROBETA 1 La probeta fue limpiada antes del temple para evitar la contaminación en la superficie de contacto. 2 Una vez que se ha insertado el termopar se ha usado pasta de alúmina para sellar la parte superior de la probeta para evitar posibles filtraciones de la solución. Ya que estas podrían provocar una lectura errónea en el termopar. 3 La temperatura del horno fue puesta a 870 C. 23 / 40

Enfriamiento Metodología PROCEDIMIENTO Y PREPARACIÓN DE PROBETA 1 La probeta fue limpiada antes del temple para evitar la contaminación en la superficie de contacto. 2 Una vez que se ha insertado el termopar se ha usado pasta de alúmina para sellar la parte superior de la probeta para evitar posibles filtraciones de la solución. Ya que estas podrían provocar una lectura errónea en el termopar. 3 La temperatura del horno fue puesta a 870 C. 4 La probeta es retirada del horno y sumergida en el taque manualmente. El medio de temple usado fue agua desionizada a 50 C. 23 / 40

Enfriamiento Metodología PROCEDIMIENTO Y PREPARACIÓN DE PROBETA 1 La probeta fue limpiada antes del temple para evitar la contaminación en la superficie de contacto. 2 Una vez que se ha insertado el termopar se ha usado pasta de alúmina para sellar la parte superior de la probeta para evitar posibles filtraciones de la solución. Ya que estas podrían provocar una lectura errónea en el termopar. 3 La temperatura del horno fue puesta a 870 C. 4 La probeta es retirada del horno y sumergida en el taque manualmente. El medio de temple usado fue agua desionizada a 50 C. 5 El sistema de adquisición de datos es apagado una vez que la probeta ha alcanzado la temperatura del medio de temple. 23 / 40

Enfriamiento Metodología GEOMETRÍA Y MALLA (CFD) La geometría usada para simulación del enfriamiento a través de CFD cuenta con un eje medio de simetría y se ha realizado la simplificación a 2D (ver Fig. 5.2) La malla cuenta con 9,000 elementos cuadriláteros y 9,211 nodos. 1,000 de estos elementos componen solo a la probeta. Figura 5.2 : Dominio del modelo de CFD 24 / 40

Enfriamiento Metodología GEOMETRÍA Y MALLA (FEM) Figura 5.3 : Dominio del modelo de FEM En el caso de este modelo también se ha usado un eje de simetría y la simplificación 2D (ver Fig. 5.3). El dominio modelado es únicamente el de la probeta, y este cuenta con 2,326 elementos triangulares y 1,291 nodos. 25 / 40

Enfriamiento Resultados CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO En la Figura 5.4 es posible observar un cambio en la pendiente de la curva de calentamiento, correspondiente a la temperatura crítica Ac1. Temperatura [ C] 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Experimento Ac1 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 Tiempo [s] Figura 5.4 : Proceso de calentamiento y enfriamiento de una probeta 26 / 40

Enfriamiento Resultados REPETICIONES DEL EXPERIMENTO Temperatura [ C] 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 dt/dt [ C/s] 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 Tiempo [s] AISI 4140 P1 AISI 4140 P2 AISI 4140 P3 Ms Figura 5.5 : Repetición del experimento bajo las mismas condiciones controladas (descritas en PROCEDIMIENTO Y PREPARACIÓN DE PROBETA en la pág. 23). 27 / 40

Enfriamiento Resultados ESPECTROMETRÍA DE CHISPA Figura 5.6 : Reporte del análisis químico del acero. 28 / 40

Análisis de Tratamiento Térmico Enfriamiento Resultados S ACRIFICIO DE PROBETA Figura 5.7 : En la figura de la izquierda se observa la probeta segmentada y montada. Mientras que en la derecha se observa la metalografía del material, así como una huella de dureza Vickers. 29 / 40

Enfriamiento Resultados MODELO DE CFD, PRUEBAS DE INDEPENDENCIA Temperatura [ C] 900 800 700 600 500 400 300 200 100 Experimentales P1-k-E-STD-TS-0.02 P2-k-E-STD-TS-0.1 P3-k-E-STD-TS-0.1-malla-muy-fina P-7-k-E-RNG P-8-k-E-Realizable P-10-Spalart-Allmaras P-12-k-E-STD-TS-0.5 P-13-k-E-STD-TS-0.2 P-14-k-E-STD-QUICKx3 P-15-Cp-561 P-16-TC-33 P-17-Cp-tabla-ajuste-en-tesis P-20-Agua-vapor P-23-ConductividadAgua350C P-24-Conductividad-y-Cp-Agua350C P-25-Probeta3D-idem-a-P-23 P-26-Wall-Prandtl-Nu-6 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Tiempo [s] Figura 5.8 : Corridas para verificar independencia de malla, paso de tiempo, modelo, y parámetros térmicos. 30 / 40

Enfriamiento Resultados SIMULACIÓN DE ENFRIAMIENTO Figura 5.9 : Contornos de temperatura a los 10 s de temple. 31 / 40

Enfriamiento Resultados CFD VS. EXP. Temperatura [ C] 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 Tiempo [s] Experimento Simulación Ms Figura 5.10 : Comparación entre experimento y simulación. 32 / 40

Enfriamiento Resultados MÉTODO DE ELEMENTO FINITO Figura 5.11 : Porcentaje de martensita calculado a 7 y 10 s de sumergida la pieza. 33 / 40

Enfriamiento Resultados PREDICCÓN DE DUREZAS (FEM) Figura 5.12 : Distribución de durezas en el plano medio de la probeta. 34 / 40

Enfriamiento Resultados COMPARACIÓN DE RESULTADOS (EXP. VS. CFD VS. FEM) Figura 5.13 : Aquí vemos los resultados superpuestos en un diagrama TTT. 35 / 40

Enfriamiento Resultados COMPARACIÓN DE RESULTADOS (EXP. VS. CFD VS. FEM) Temperatura [ C] 900 800 700 600 500 400 300 200 100 500 450 400 350 300 250 200 150 100 3 4 5 6 7 8 910 Experimental, P2 Fluent Forge, HTC desde librería Forge, HTC desde Fluent 0 0 10 20 30 40 50 60 Tiempo [s] Figura 5.14 : Aquí se observa cómo gracias a el HTC obtenido a partir de Fluent, el modelo en Forge se aproxima mejor al comportamiento real del proceso. 36 / 40

Enfriamiento Resultados SIMULACIÓN DE TEMPLE DE UN ANILLO Figura 5.15 : Contornos escalares sobre la superficie de un anillo. En la fig. de la izq. se observa un rango amplio de valores, mientras que en la fig. derecha se ha cerrado este gradiente (mejora). 37 / 40

Conclusiones CONCLUSIONES GENERALES Y COMENTARIOS Los resultados de la dinámica de fluidos muestran una aproximación aceptable a los datos obtenidos por medio de anemometría, teniendo diferencias entre 1 y 10 %. 39 / 40

Conclusiones CONCLUSIONES GENERALES Y COMENTARIOS Los resultados de la dinámica de fluidos muestran una aproximación aceptable a los datos obtenidos por medio de anemometría, teniendo diferencias entre 1 y 10 % El montaje experimental descrito aquí ha mostrado buena repetibilidad, lo que permite además la comparación de los resultados obtenidos mediante Fluent (CFD) y Forge (FEM). 39 / 40

Conclusiones CONCLUSIONES GENERALES Y COMENTARIOS Los resultados de la dinámica de fluidos muestran una aproximación aceptable a los datos obtenidos por medio de anemometría, teniendo diferencias entre 1 y 10 % El montaje experimental descrito aquí ha mostrado buena repetibilidad, lo que permite además la comparación de los resultados obtenidos mediante Fluent (CFD) y Forge (FEM). Es posible usar CFD para modelar el proceso de enfriamiento de una probeta de acero AISI 4140 por medio del cálculo de la transferencia de calor en una simulación transitoria. 39 / 40

Conclusiones CONCLUSIONES GENERALES Y COMENTARIOS Los resultados de la dinámica de fluidos muestran una aproximación aceptable a los datos obtenidos por medio de anemometría, teniendo diferencias entre 1 y 10 % El montaje experimental descrito aquí ha mostrado buena repetibilidad, lo que permite además la comparación de los resultados obtenidos mediante Fluent (CFD) y Forge (FEM). Es posible usar CFD para modelar el proceso de enfriamiento de una probeta de acero AISI 4140 por medio del cálculo de la transferencia de calor en una simulación transitoria. Mediante el cálculo del coeficiente de transferencia de calor a través de la información obtenida en Fluent es posible mejorar el modelo de Forge, cuyos resultados permiten predicciones microestructurales, así como cambios en la geometría. 39 / 40

½Gracias! ¾Preguntas? Carlos MÁRQUEZ carlos.marquez@frisa.com