ANÁLISIS DE TRATAMIENTO TÉRMICO · las mismas que contempla el estándar ISO 9950:1995(E). 22 /...

the forging evolution FRISA

ANÁLISIS DE TRATAMIENTO TÉRMICOAGITACIÓN EN TANQUES INDUSTRIALES Y TEMPLE DE ACERO

Carlos MÁRQUEZ

carlos.marquez@frisa.com

25 de abril de 2013

the forging evolution FRISA CONTENIDO

1 ¿Quiénes somos?

2 Resumen

3 Introducción

4 AgitaciónMetodologíaResultados

5 EnfriamientoMetodologíaResultados

6 Conclusiones

FRISA 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.

Tres plantas en Monterrey, México; y una en Michigan, EUA (Ringmasters JV).

Establecida en 1971 Empresa privada FRISA exporta el exporta el 95% de su producción a los cinco continentes. Cuenta con 1500 empleados

¿QUIÉNES SOMOS?

¿DÓNDE ESTAMOS?

PRESENCIA GLOBAL

Norte de América

Europa

Latinoamérica

Asía y Oceanía

INDUSTRIAS

Construcción y minería

Maquinaria industrial

Aeroespacial

Petróleo y gas

Especialidades

Generación de energía

Eólica

1 ¿Quiénes somos?

2 Resumen

3 Introducción

6 Conclusiones

Análisis de Tratamiento Térmico

Resumen

RESUMEN

EN el presente trabajo se analiza el resultado de la modelacióndel proceso de temple de una probeta de acero AISI 4140. Los

resultados de CFD y FEM son comparados con los datos obtenidosexperimentalmente por medio de anemometría y pruebas delaboratorio.

Por medio de ΛNSYS® Fluent se ha obtenido el coeficiente detransferencia de calor y este resultado se ha impuesto como condiciónde 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.

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Resumen

RESUMEN

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Resumen

RESUMEN

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1 ¿Quiénes somos?

2 Resumen

3 Introducción

6 Conclusiones

Introducción

INTRODUCCIÓNMETALURGÍA DEL ACERO

La característica sobresaliente de los aceros, la cual los convierte enmateriales de ingeniería exitosos, es la habilidad de ajustar suspropiedades mecánicas en un amplio rango a través del uso detratamientos térmicos controlados.

Las estructuras de acero con bajas propiedades mecánicas sonproducidas cuando el acero es calentado a la temperatura deaustenización y enfriado lentamente.

Sin embargo, las altas propiedades mecánicas deseadas, se logran pormedio de un enfriamiento rápido para formar la estructurametaestable llamada martensita. A este proceso se le conoce comotemple.

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Introducción

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Introducción

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Introducción

INTRODUCCIÓN (CONT.)METALURGÍA DEL ACERO

La optimización del proceso de temple usualmente requiere laselección de razones de enfriamiento suficientemente rápidas parapermitir la microestructura martensítica deseada a la profundidadrequerida, pero lo suficientemente lenta para minimizar los esfuerzosresiduales y distorsión.

La intensidad del temple puede ser modificada de acuerdo a lavariación del tipo del medio temple, su concentración1, temperatura yvelocidad de agitación (entre otros factores).

1Por ejemplo en el caso de los polímeros solubles.

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Introducción

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Introducción

Tiempo

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1 ¿Quiénes somos?

2 Resumen

3 Introducción

6 Conclusiones

Agitación

Metodología

METODOLOGÍA

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Agitación

Metodología

METODOLOGÍA

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Agitación

Metodología

METODOLOGÍA

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Agitación

Resultados

RESULTADOS

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Agitación

Resultados

RESULTADOS

1 2 3 4 5

Frente

1 2 3 4 51

Vel. m/s

Frente

Vel. m/s

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

MediciónMín. y máx.

Vel. promedio

Profundidad Diferencia|Exp.−CFD|

Baja 0.01 m/sMedia 0.05 m/sAlta 0.08 m/s

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1 ¿Quiénes somos?

2 Resumen

3 Introducción

6 Conclusiones

Enfriamiento

Metodología

METODOLOGÍAPRUEBA DE LABORATORIO

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Enfriamiento

Metodología

ARREGLO DE LABORATORIO

El arreglo experimental consiste en:

Horno Mufla vertical de resistencia eléctrica, apta paramantener una temperatura mínima de 850 ◦C. Ademáses capaz de conservar una temperatura de ± 2.5 ◦Cdentro de la probeta.

Tanque El volumen del ensamble es de aproximadamente1.5×10−3 m3. Cuenta con un material sintético,transparente y que es quimicamente compatible con losmedios de temple a base de soluciones poliméricas.

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Enfriamiento

Metodología

ARREGLO DE LABORATORIO

Probeta Hecha de acero AISI 4140, de forma cilíndrica, con undiámetro de 12.5 ± 0.01 mm y una longitud de 60 ±0.25 mm instrumentada con un termopar tipo K en sucentro geométrico.

Termopar tipo K De 1.59 mm de diámetro y 4 m de largo. Eltermopar fue insertado en el centro geométrico de laprobeta a través de un orificio en la parte superior deesta.

Sistema de adquisición Los datos de la medición temperatura-tiempofue realizada por medio de una computadora personalcapaz de proveer un registro permanente de la variaciónen las lecturas a 10 Hz.

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Enfriamiento

Metodología

PROBETA

Figura 5.1 : Las dimensiones de las probetas utilizadas en este estudio sonlas mismas que contempla el estándar ISO 9950:1995(E).

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Enfriamiento

Metodología

PROCEDIMIENTO Y PREPARACIÓN DE PROBETA

1 La probeta fue limpiada antes del temple para evitar lacontaminación en la superficie de contacto.

2 Una vez que se ha insertado el termopar se ha usado pasta dealúmina para sellar la parte superior de la probeta para evitarposibles filtraciones de la solución. Ya que estas podríanprovocar 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 taquemanualmente. El medio de temple usado fue agua desionizada a50 ◦C.

5 El sistema de adquisición de datos es apagado una vez que laprobeta ha alcanzado la temperatura del medio de temple.

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Enfriamiento

Metodología

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Enfriamiento

Metodología

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Enfriamiento

Metodología

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Enfriamiento

Metodología

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Enfriamiento

Metodología

GEOMETRÍA Y MALLA (CFD)

La geometría usada para simulacióndel enfriamiento a través de CFDcuenta con un eje medio de simetríay se ha realizado la simplificación a2D (ver Fig. 5.2)La malla cuenta con 9,000elementos cuadriláteros y 9,211nodos. 1,000 de estos elementoscomponen solo a la probeta.

Figura 5.2 : Dominio del modelo deCFD

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Enfriamiento

Metodología

GEOMETRÍA Y MALLA (FEM)

Figura 5.3 : Dominio del modelo deFEM

En el caso de este modelo tambiénse ha usado un eje de simetría y lasimplificación 2D (ver Fig. 5.3).El dominio modelado esúnicamente el de la probeta, y estecuenta con 2,326 elementostriangulares y 1,291 nodos.

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Enfriamiento

Resultados

CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO

En la Figura 5.4 es posible observarun cambio en la pendiente de lacurva de calentamiento,correspondiente a la temperaturacrítica Ac1.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600

]Tiempo [s]

Experimento

Figura 5.4 : Proceso de calentamiento yenfriamiento de una probeta

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Enfriamiento

Resultados

REPETICIONES DEL EXPERIMENTO

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200T

Tiempo [s]

dT/dt [°C/s]

AISI 4140 P1AISI 4140 P2AISI 4140 P3

Figura 5.5 : Repetición del experimento bajo las mismas condicionescontroladas (descritas en § PROCEDIMIENTO Y PREPARACIÓN DE PROBETA en la pág. 23).

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Enfriamiento

Resultados

ESPECTROMETRÍA DE CHISPA

Figura 5.6 : Reporte del análisis químico del acero.

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Enfriamiento

Resultados

SACRIFICIO DE PROBETA

Figura 5.7 : En la figura de la izquierda se observa la probeta segmentada ymontada. Mientras que en la derecha se observa la metalografía del material,así como una huella de dureza Vickers.

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Enfriamiento

Resultados

MODELO DE CFD, PRUEBAS DE INDEPENDENCIA

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

peratura

[◦C]

Tiempo [s]

ExperimentalesP1-k-E-STD-TS-0.02P2-k-E-STD-TS-0.1

P3-k-E-STD-TS-0.1-malla-muy-finaP-7-k-E-RNG

P-8-k-E-RealizableP-10-Spalart-AllmarasP-12-k-E-STD-TS-0.5P-13-k-E-STD-TS-0.2

P-14-k-E-STD-QUICKx3P-15-Cp-561P-16-TC-33

P-17-Cp-tabla-ajuste-en-tesisP-20-Agua-vapor

P-23-ConductividadAgua350CP-24-Conductividad-y-Cp-Agua350C

P-25-Probeta3D-idem-a-P-23P-26-Wall-Prandtl-Nu-6

Figura 5.8 : Corridas para verificar independencia de malla, paso de tiempo,modelo, y parámetros térmicos.

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Enfriamiento

Resultados

SIMULACIÓN DE ENFRIAMIENTO

Figura 5.9 : Contornos de temperatura a los 10 s de temple.

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Enfriamiento

Resultados

CFD VS. EXP.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

6 12 18 24 30 36 42 48 54 60

Tiempo [s]

ExperimentoSimulación

Figura 5.10 : Comparación entre experimento y simulación.

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Enfriamiento

Resultados

MÉTODO DE ELEMENTO FINITO

Figura 5.11 : Porcentaje de martensita calculado a 7 y 10 s de sumergida lapieza.

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Enfriamiento

Resultados

PREDICCÓN DE DUREZAS (FEM)

Figura 5.12 : Distribución de durezas en el plano medio de la probeta.

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Enfriamiento

Resultados

COMPARACIÓN DE RESULTADOS (EXP. VS. CFD VS. FEM)

Figura 5.13 : Aquí vemos los resultados superpuestos en un diagrama TTT.

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Enfriamiento

Resultados

COMPARACIÓN DE RESULTADOS (EXP. VS. CFD VS. FEM)

0 10 20 30 40 50 60

Tiempo [s]

Experimental, P2Fluent

Forge, HTC desde libreríaForge, HTC desde Fluent

100 150 200 250 300 350 400 450 500

3 4 5 6 7 8 9 10

Figura 5.14 : Aquí se observa cómo gracias a el HTC obtenido a partir deFluent, el modelo en Forge se aproxima mejor al comportamiento real delproceso.

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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).

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1 ¿Quiénes somos?

2 Resumen

3 Introducción

6 Conclusiones

Conclusiones

CONCLUSIONES GENERALES Y COMENTARIOS

Los resultados de la dinámica de fluidos muestran una aproximaciónaceptable a los datos obtenidos por medio de anemometría, teniendodiferencias entre 1 y 10 %.

El montaje experimental descrito aquí ha mostrado buenarepetibilidad, lo que permite además la comparación de los resultadosobtenidos mediante Fluent (CFD) y Forge (FEM).

Es posible usar CFD para modelar el proceso de enfriamiento de unaprobeta de acero AISI 4140 por medio del cálculo de la transferenciade calor en una simulación transitoria.

Mediante el cálculo del coeficiente de transferencia de calor a travésde la información obtenida en Fluent es posible mejorar el modelo deForge, cuyos resultados permiten predicciones microestructurales, asícomo cambios en la geometría.

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Conclusiones

Los resultados de la dinámica de fluidos muestran una aproximaciónaceptable a los datos obtenidos por medio de anemometría, teniendodiferencias entre 1 y 10 %

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Conclusiones

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Conclusiones

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½Gracias!

¾Preguntas?

Carlos MÁRQUEZ

carlos.marquez@frisa.com

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