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calor. colda, transferencia de calor
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CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
Antecedentes
Alexander Freites (1996) “ESTUDIO Y MODELACIÓN MATEMÁTICA DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN COLADA VERTICAL DE CILINDROS DE 7” PARA LA ALEACION DE ALUMINIO 6063”
Este trabajo es el antecedente principal del cual precede la investigación
actual, donde se parte de un estudio y a la vez una simulación térmica de la
transferencia de calor durante el proceso de colada vertical semicontinua de
cilindros de 7” de diámetro, fabricados en C.V.G. VENALUM, utilizando una
tecnología de mesas de colada Hop Top Showa.
El objetivo principal del trabajo era determinar la distribución de
temperatura y la posición del frente de solidificación solido-liquido durante la
colada. Mediante la medición de temperaturas internas y externas durante la
solidificación se permitieron determinar algunas constantes empíricas como
el coeficiente de transferencia de calor, simultáneamente a las mediciones se
desarrolló la modelación térmica de la transferencia de calor basado en el
método de elementos finitos con la ayuda del software ANSYS
PC/THERMAL, mostrando la corrida para un cuarto de cilindro.
“Analizando los resultados de las temperaturas promedios externas
medidas alrededor de todo el molde se observa que la región de mayor
temperatura corresponde al contacto directo entre el metal liquido y el
refractario (690ºC) y la mayor temperatura de la cara fría del refractario
corresponde a la pared del cabezal inferior (80ºC), debido a que en esta zona
comienza la línea del metal liquido”
“Los coeficientes de transferencia de calor calculados en la superficie del
lingote durante el enfriamiento secundario, estuvieron muy cercanos a lo
esperado, resultando que el hs = 4110 W/m2ºC permanece constante en la
superficie del lingote en estudio, sin embargo el h calculado durante el
enfriamiento primario fue de 15691 W/m2ºC”
Para este caso el coeficiente de transferencia de calor en la interfase
molde-metal se determinó empíricamente mediante ANSYS comenzando con
valores altos y descendiendo a medida que el lingote solidifica de 8000 hasta
5000 w/m2ºC., también mediante la simulación se determinó que el anillo de
cobre del molde alcanza un calentamiento de 400ºC cerca del punto de
contacto molde-metal.
Nilza Marcial (2004) “ESTUDIO Y SIMULACION DEL PROCESO DE SOLIDIFICACION DE COLADA VERTICAL SEMICONTINUA HOP TOP SHOWA DE CVG VENALUM”
Esta investigación fue realizada en dos fases, la primera donde se
determinó el perfil de solidificación a través de la aplicación de una solución
de cobre, y para la segunda fase se desarrolló un modelo térmico
unidireccional transitorio de conducción de calor para la solidificación del
metal durante el proceso de colada semicontinua a través de una simulación.
“La simulación del proceso de solidificación del cilindro de aluminio permite
mostrar la representación grafica de lo que ocurre cuando se modifican los
parámetros de operación tales como: temperatura del agua, temperatura del
metal, coeficiente de transferencia de calor y la velocidad de colada, de tal
manera que se puede observar como varia el perfil”
“Al modificar la temperatura del agua influye en el perfil y en el tiempo de
solidificación, a medida que la temperatura del agua aumenta el perfil se
desplaza hacia abajo, y a medida que la temperatura del agua sea más baja
de 25ºC, se extraerá mayor cantidad de calor disminuyendo el tiempo de
solidificación” …(continuar!
Bases Teóricas
Generalidades de la aleación de aluminio 6063
Este tipo de aleación de aluminio tiene como principales aleantes el silicio
y el magnesio, en la Tabla 1 se indica la composición química manejada en
ALCASA y en la Tabla 2 las propiedades físicas. Constituye una aleación
termotratable, con endurecimiento estructural, que es refinada a base de
Titanio-Boro, presenta alta estrudibilidad, mediana resistencia a la corrosión,
buena resistencia mecánica y conformado, así como buen acabado
superficial. El campo de aplicación de esta aleación es muy amplio en la
industria de la construcción, manufactura, transporte, y arquitectura, y sobre
todo tiene gran demanda en la industria de extrusión del aluminio.
% Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Otros AlMínimo 0,38 0,15 0,47 0.0025
Máximo 0,48 0,25 0,03 0,03 0,57 0,03 0,05 0,03 0,15 El resto
Fuente: Superintendencia de Calidad y Proceso Fundición-Laminación
Densidad (g/cm3) 2,70Rango Fusión (ºC) 615-655Coef. Lineal Expansión (0 a 100 ºC) (ºC ^-1 x106) 23,4Modulo Elasticidad (Mpa) 65500Conductividad Térmica (W/mºC) 200Calor Especifico (J/kºC) 3,3
Fuente: Modulo II Taller Preparado para C.V.G ALCASA
Proceso de solidificación
La solidificación ocurre al descender la temperatura del líquido hasta el
punto de solidificación (punto de fusión), estableciéndose en ese punto un
equilibrio en la intercara solido-líquido y el molde. En el instante inicial, el
área de la superficie de contacto entre el metal líquido y el molde hace las
veces de intercara, inmediatamente después lo es el área de la superficie
entre el metal solidificado y el líquido.
En general, la solidificación de un metal o aleación puede dividirse en las
siguientes etapas:
Formación de núcleos estables (nucleación).
Crecimiento del núcleo hasta dar origen a cristales.
La formación de granos y estructura granular.
El proceso de solidificación es determinante para la calidad del producto
final, puesto que la estructura resultante (tamaño de granos, distribución y
tamaño de fases y el efecto de la segregación) afecta las propiedades
mecánicas, físicas y químicas del material, además de lo procesos
posteriores que se le apliquen.
El aspecto que cada grano adquiere después de la solidificación del metal
depende de varios factores, y entre los más importantes están los gradientes
térmicos.
Para entender el proceso de solidificación es importante conocer los dos
tipos de mecanismos de nucleación que se presentan:
Nucleación homogénea: Esta se da en el líquido fundido cuando el
metal proporciona por sí mismo los átomos para formar los núcleos,
para ellos las partículas adquieren un tamaño crítico, convirtiéndose
en núcleos los cuales tienen la posibilidad de crecer. En este paso de
líquido a solido ocurren cambios en la energía libre de Gibbs del metal
como consecuencia de las diferencias de las energías libres de
volumen de los átomos del sólido y del líquido y a la variación de la
energía libre de superficie, por la alta energía de los átomos en la
intercara. En general es una nucleación bajo condiciones ideales, que
ocurre en metales puros y que necesita un alto grado de
subenfriamiento para que ocurra, por lo tanto en la práctica industrial
es muy difícil observar este tipo de nucleación debido a que siempre
en el metal existen partículas extrañas e impurezas que obstaculizan
su obtención.
Nucleación heterogénea: en este caso la nucleación sucede en un
líquido sobre la superficie del recipiente que lo contiene, y se produce
en el metal a partir de impurezas insolubles, y algunos agentes
nucleantes, que reducen la energía requerida para formar un núcleo
estable, donde el grado de subenfriamiento es pequeño en
comparación a la nucleación homogénea, y por lo tanto este tipo de
nucleación es la más común en la industria.
El crecimiento de la fase sólida depende de la velocidad con que los
átomos del líquido llegan al límite de la intercara sólido-líquido, (Frente de
solidificación). El Frente de solidificación se desplaza perpendicular y
opuesto al flujo de calor. En estado líquido, los átomos de esta fase se
mueven a altas velocidades en comparación con los átomos en estado
sólido, debido a su alta energía cinética. Cuando la temperatura del líquido
comienza a disminuir, se forman núcleos que pueden o no crecer,
dependiendo de la cantidad de átomos en el aglomerado y de la disminución
de temperatura.
Solidificación de aleaciones
Cuando una aleación solidifica el sólido que se forma generalmente tiene
una composición diferente a la del líquido de cual está solidificando, por tal
motivo la distribución de soluto en el sólido generalmente será diferente a la
que tenía el líquido antes de solidificar. Esta redistribución del soluto
producida por solidificación se denomina microsegregación.
Como la solidificación de las aleaciones se efectúa dentro de un margen
mayor o menor de temperaturas, sus constituyentes presentan amplios
márgenes de composición. Durante la solidificación no todos los puntos de
la masa están a igual temperatura en cada instante, sino que ésta varía,
permitiendo que haya zonas que se enfríen antes que otras, esto conlleva a
que la composición química de la aleación no sea regular, sino que sea
fuertemente afectada por el proceso de enfriamiento de la misma.
De acuerdo a la velocidad de enfriamiento se forman diferentes zonas de
estructura en el molde donde se realiza la solidificación (Ver Figura _):
Zona chill: corresponde a una zona de enfriamiento rápido.
Zona columnar: se origina en aquellos granos de la zona chill
continuando su crecimiento hacia el centro del lingote
Zona central de granos equiaxiales: Se origina cuando la velocidad de
enfriamiento es lenta y es la última zona en solidificar.
Transferencia de Calor
Siempre que exista una diferencia de temperatura (gradiente térmico) en
un sistema o bien cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen
en contacto, existe transferencia de energía en forma de calor, denominada
transferencia de calor. Siempre que exista una diferencia de temperatura, la
energía se transfiere de la región de mayor temperatura a la de menor
temperatura. Para proceder a realizar un análisis completo de la
transferencia del calor es necesario considerar los tres mecanismos
diferentes por los cuales ocurre el flujo de calor: conducción, convección y
radiación. Cabe destacar que en la práctica en un sistema generalmente
intervienen más de uno de estos mecanismos, pero siempre es uno el que
predomina.
Transmisión de calor por conducción El calor se trasmite de la región de mayor temperatura a la de menor
temperatura, debido al movimiento cinético o el impacto directo de las
moléculas, como en el caso de los fluidos en reposo, o por el arrastre de los
electrones como sucede en los metales. Este tipo de transferencia sucede en
sólido, líquidos y gases siempre que exista un gradiente de temperatura.
La ley básica de la conducción del calor (Joseph Fourier), establece: “La
tasa de transferencia de calor por conducción en una dirección dada es
proporcional al área normal a la dirección del flujo de calor y al gradiente de
temperatura en esa dirección”.
Qx = - K A ∂T∂x (w)
qx = QxA = - K
∂T∂x (w/m2)
Dónde:
Qx = Tasa de flujo de calor a través del área A en la dirección positiva.
K = Conductividad térmica.
A = Área de sección transversal de la transferencia de calor
∂T∂x = Gradiente de temperatura
El flujo real de calor depende de la conductividad térmica (k), que es una
propiedad física del cuerpo. El signo (-) es consecuencia del segundo
principio de la termodinámica, según el cual el calor debe fluir hacia la zona
de temperatura mas baja. El gradiente de temperatura es negativo si la
temperatura disminuye para valores crecientes de x, por lo que el calor
transferido de la dirección positiva debe ser una magnitud positiva, por lo
tanto, al segundo miembro de la ecuación anterior hay que introducir un
signo negativo.
Transmisión de calor por convección
Cuando un fluido a TF se pone en contacto con un sólido cuya superficie de
contacto está a una temperatura distinta TS, al proceso de intercambio de
energía térmica se denomina convección.
Existen dos tipos de convección:
1. Convección Libre o Natural
Ocurre cuando la fuerza motriz procede de la variación de densidad en el
fluido como consecuencia del contacto con una superficie a diferente
temperatura, lo que da lugar a fuerzas ascendentes, el fluido cercano a la
superficie adquiere una velocidad que se debe únicamente a la diferencia de
densidades, sin ninguna fuerza motriz externa.
2. Convección Forzada
Tiene lugar cuando una fuerza motriz externa mueve un fluido con una
velocidad (v), sobre una superficie que se encuentra a una temperatura T s
mayor o menor que la del fluido Tf. Como la velocidad del fluido en la
convección forzada es mayor que en la convección natural, se transfiere por
lo tanto, una mayor cantidad de calor para una determinada temperatura.
Independientemente de que la convección sea natural o forzada, la
cantidad de calor transmitido Qc, se puede escribir mediante la Ley de
enfriamiento de Newton:
Qc = h A (Ts – Tf)Donde:
h = Coeficiente de transmisión del calor por convección en la interface
liquido–solido (w/m2*k). Su valor numérico se tiene que determinar analítica o
experimentalmente
A = Área superficial en contacto con el fluido (m2)
En la Figura _ se puede visualizar el perfil de un fluido adyacente a una
superficie sólida.
El coeficiente de transmisión de calor por convección forzada depende
en general, de la densidad, viscosidad, de la velocidad del fluido, de
las propiedades térmicas del fluido (K, Cp), es decir:
h= f (ρ, η, v, k, Cp)
El coeficiente de transferencia de calor además depende de la
geometría del sistema, de su localización a lo largo de la superficie, de
la velocidad del fluido y de las propiedades físico-químicas del fluido.
En la convección natural, la velocidad es de la forma V = f (ΔT, β , g), es decir depende de:
ΔT = diferencia de temperatura entre la superficie y el fluido
β = Coeficiente de dilatación térmica del fluido, que determina el
cambio de densidad por unidad de diferencia de temperatura.
g = Aceleración de la gravedad (m/s2)
La relación que involucra al coeficiente de transferencia de calor para
su calculo de manera analítico es el numero de Nussel (NU):
Nu= h dk
Donde h es el coeficiente de transferencia de calor; d es una longitud
característica para superficies planas y k es la conductividad térmica.
Además de esto, dependiendo del tipo de convección:
Para convección forzada: Nu= f (Re, Pr)
Para convección natural: Nu= f (Gr, Prf)
Donde Re es el número de Reynolds, Pr es el número de Prandtl y Gr es el
número de Grashof. (Pr = vα = μCpk ), el subíndice f indica que las
propiedades en los grupos adimensionales se evalúan a la temperatura de
película Tf = T∞+T w
2 .
El producto de los números de Grashof y Prandtl se llama numero de
Rayleigh: Ra = Gr Pr
El número adimensional característico para la convección natural es el
número de Grashoff (Gr)
Gr = g βv2 ΔT L3
El número adimensional para la convección forzada es el número de
Reynolds (#Re)
#Re = ρV Dμ = V Dv
Donde:
ρ = densidad del fluido, (kg/m3)
μ = viscosidad dinámica del fluido, (kg/m.s)
ν = viscosidad cinemática del fluido (m2/s)
V = velocidad media del fluido, (m/s)
D = diámetro del tubo, (m)
Para la convección forzada el NU a utilizar dependerá del tipo de
flujo:
a) Flujo laminar en tuberías circulares
Haussen:
Nu= hDk = 3.66+
0.0668 (DL )ℜD Pr
1+0.4[( DL )ℜD Pr ]2 /3
(L/D).ReD. Pr >0.5
ReD<2000
Siede y Tate (tubos cortos):
Nu= hDk = 1.86 [(D/L)ReD Pr] 1/3 ( μμs
) 0.14 ;
(D/L).ReD.Pr>10
ReD<2000
0.48<Pr<16700
b) Flujo turbulento en tuberías circulares
Tubos, Dittus y Boelter:
NU= hDk = 0.023ReD0.8Prn;
L/D>10
10000<ReD<6
0.7<Pr<160
n= 0.4 calentamiento
n= 0.3 enfriamiento
Petukhov:
Nu= hDk = ( f8 )ℜD Pr
1.07+12.7√ f8 (Pr23−1)
( μμs )n
L/D >10
10000< ReD> 5 x 106
0.5< Pr < 2000
n= 0.11 calentamiento
n= 0.25 enfriamiento
Gnielinski:
Nu= hDk = ( f8 ) (ℜD−1000 ) Pr
1+12.7√ f8 (Pr23−1)
L/D >10
2000< ReD > 5x106
0.5< Pr < 2000
Para la convección natural el Nu dependerá de las siguientes relaciones:
a) Flujo turbulento
Placas verticales:
Nu= 0.0295 Gr2/5 Pr7/15(1+0.5 Pr2/3)-2/5 ; Gr<0.7
b) Flujo laminar
Platos Verticales:
Nu= 0.508 Gr1/4 Pr1/2 (0.95 + 0.5 Pr1/5)
Gr< 108
Transmisión de calor por radiación
Mientras que la conducción y la convección térmica tienen lugar sólo a
través de un medio natural, la radiación térmica puede transportar el calor a
través de un fluido o del vacío, en forma de ondas electromagnéticas o
fotones como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas
de los átomos o moléculas, estos se propagan a la velocidad de la luz. La
cantidad de energía que abandona una superficie en forma de calor radiante
depende de la temperatura absoluta a la que se encuentra y también la
naturaleza de la superficie.
El radiador perfecto o cuerpo negro, emite una cantidad de energía
radiante de su superficie, Qr:
Qr: = σ AT4 = A Eb
Donde:
Eb = poder emisivo del radiador.
σ = constante dimensional de Stefan – Boltzmann (5,67 x 10 -8 w/m2.K4 para
el sistema Internacional. 0,1714 x 10-8 Btu/h pie2. R4 para el sistema
americano de ingeniería).
Transferencia de calor en la solidificación La calidad estructural de las piezas vaciadas están íntimamente ligada a la
relación temperatura-tiempo de solidificación, por lo tanto el conocimiento de
la velocidad de solidificación, del metal o aleación, y la distribución de
temperatura en la sección molde-metal, es muy importante para el control de
los parámetros industriales del proceso como:
a) Solidificación direccional
b) Generación de esfuerzos de solidificación
c) Velocidad de producción y profundidad de la capa de liquido
El mayor problema en la solidificación es la remoción del calor latente de
transformación, dado la expresión:
Q= VL ΔHv + CpL ρLΔT Donde:
Q= calor latente
VL= volumen del liquido
ΔHv = calor latente por unidad de volumen
CpL = calor especifico del liquido
ρL = densidad del liquido
ΔT = sobrecalentamiento
En la solidificación de aleaciones existe distribución de soluto en la
intercara solido-liquido, si el soluto no es atrapado, el rechazo hace que a
medida que avanza la solidificación, el soluto salga de la región interfacial
mediante difusión o mediante convección, además que sucede de manera
simultanea flujos adicionales producto de:
a) Nucleación y crecimiento de segundas fases fuera de la intercara.
b) El calor y la masa producidos al redistribuirse el líquido por acción
de la gravedad.
c) La necesidad que el flujo sea satisfactorio al cambio de volumen que
sucede al solidificar.
La intercara entre el solido formado y el molde, permite la disipación del
calor hacia el molde. La generación de una capa de aire y aceite, en la
intercara, entre el metal y el molde originaria una drástica reducción en la
transferencia de calor, y por lo tanto una repentina disminución en la
velocidad de enfriamiento del sistema. En el caso más simple se puede
asumir que la intercara metal-molde es perfecta, y que no presenta
resistencia térmica.
La transferencia de calor desde la superficie de la pieza hacia el medio
ambiente determina la velocidad a la cual pieza solidifica. Una manera de
considerar este problema es medir la magnitud de la relación existente entre
la convección en la superficie y la resistencia interna a la conducción,
mediante el modulo o criterio de Biot:
Bi = hw R / k Siendo hw el coeficiente de transferencia de calor, R el radio y K la
conductividad térmica.
Tecnología de Colada. De los diferentes métodos ideados para solidificar aleaciones de aluminio
destinadas para deformación plástica se pueden mencionar tres: el vaciado
en molde estático, colada continua horizontal y colada semi-continua vertical
siendo el último proceso el más difundido en la industria del aluminio y el
utilizado por ALCASA en la elaboración de cilindros para extrusión y
planchones para laminación.
Proceso “Hot-Top” Colada a Nivel (Tecnología Wagstaff) El proceso hot-top consiste en una estructura (mesa de colada) que
reúne al distribuidor y al molde mediante piezas de material aislante (Ver
Figura_). El metal proveniente del horno retención-fusión, entra a través de
los canales de la mesa de colada y llena la cavidad del molde
encontrándose el metal a un solo nivel en la mesa.
Fuente: http://www.wagstaff.com/
El proceso de solidificación se caracteriza por un molde refrigerado por
agua que realiza la primera etapa de solidificación (enfriamiento indirecto)
extrayendo calor a través de las paredes del molde para formar el primer
sólido de forma anular y de pocos milímetros de espesor. En la base del
molde están presentes orificios o ranuras a través de las cuales el agua de
enfriamiento indirecto es orientada a la superficie de la pieza colada que se
separa del molde, produciéndose la segunda etapa de enfriamiento
(enfriamiento directo) que finaliza con la solidificación completa de la pieza
(ver Figura _).
Las características más resaltantes de la colada vertical para cilindros
usando el tipo de tecnología Wagstaff es el uso de moldes mas cortos y la
inyección de una mezcla de oxigeno y nitrógeno a través de un anillo de
grafito (Ver Figura_ del molde), con el objeto de minimizar el enfriamiento
primario. El lubricante es suministrado de manera intermitente durante el
proceso de colada. Los mejores resultados se obtienen con secuencias de
inyección (on, off) de arranque y estabilización que se determinan
experimentalmente.
Figura
El molde también utiliza Tecnología DualJetTM de refrigeración mejorada.
DualJet mejora el proceso de enfriamiento mediante la utilización de dos
hileras de chorros de agua dirigidos en ángulos que confieren refrigeración a
través de una distancia más larga, lo que permite temperaturas más bajas y
un menor volumen de agua en la operación de colada. Junto con un diseño
optimizado del molde, estas características producen cilindros con buen
acabado superficial y buenas propiedades metalúrgicas (Ver Figura _ que
muestra todo el sistema Wasgtaff).
Parámetros del Proceso de Colada
El momento del arranque de una mesa de colada es la etapa de mayor
dificultad de una colada. Las condiciones del arranque afectan la cantidad y
distribución de energía en la isoterma de solidificación, lo cual afecta la
calidad del cilindro.
Requerimientos del cabezote (base que apoya a los cilindros)
La distancia apropiada de introducción de los cabezotes dentro de los
molde es de 12 – 19 mm (1/2 – 3/4 pulg). El espacio entre el molde y el
cabezote debe ser lo suficientemente pequeño para prevenir que el metal se
corra hacia fuera durante el arranque (flash), y lo suficientemente grande que
permita la expansión del cabezote sin que este se pegue al molde. Un
insuficiente espacio aumenta el riego de daños al molde. Un espacio
excesivo puede ocasionar el derrame del metal (flashing).
Tiempo de llenado
Se pueden distinguir dos tiempos de importancia: el tiempo de llenado y el
tiempo de espera. El primero debe ser tan corto como sea posible, mientras
que el segundo (el más importante) debe ser tan largo como sea necesario
para prevenir el agrietamiento del fondo que debe solidificar antes del inicio
de la colada en estado estable. Típicamente para cilindros de 6 a 7 pulgadas
la suma de estos dos tiempos es del orden de 50 a 60 s. Tiempos mayores
se requieren para mayores diámetros
Un rápido llenado del molde no permite el suficiente tiempo para que se
forme la capa de sólido, causando grietas en los extremos, excesivo doblado
por contracción y refusión a través del fondo del lingote.
Un lento y uniforme llenado del molde permite la formación de una capa
gruesa de metal sólido. El grosor de esta capa resiste el doblado por
contracción y la refusión. Un excesivo tiempo de llenado resulta en
repliegues fríos, o capas de metal solidificado que pueden separarse y
causar agrietamientos.
El llenado múltiple de moldes tan uniformemente como sea posible (dentro
de 20 segundos de molde a molde) asegura una solidificación uniforme y un
arranque seguro (menos riesgo de derrames). Usar represas en el canal de
entrada a los moldes hasta llenar los canales hasta su máxima altura y luego
liberar el metal removiendo las represas simultáneamente ayuda a producir
un llenado más uniforme de los moldes.
Nivel del metal en la mesa
El nivel del metal es la distancia desde la superficie del fondo del molde
hasta el tope del metal líquido. Es un parámetro importante que afecta la
calidad superficial del lingote en el inicio de colada.
a) Un nivel de metal alto resulta en: incremento en la tendencia a
licuaciones, reduce los repliegues y requiere mayor uso de aceite.
b) Un nivel de metal bajo resulta en: Mejor calidad superficial, incrementa
la tendencia a la producción de pliegues fríos y requiere menor uso de
aceite.
El mejor compromiso para el nivel del metal es arrancar frecuentemente
con un alto nivel de metal para prevenir los repliegues fríos y derrames
superiores y entonces bajar el nivel para una mejor calidad superficial a
condiciones estables. Sin embargo, esto debe ser balanceado con práctica y
seguridad.
Velocidad de colada
Altas velocidades de arranque reducen la tendencia a que se produzcan
repliegues fríos y establece la forma final del lingote más rápidamente ya que
esta establece la profundidad de la copa de metal o isoterma de
solidificación. Sin embargo, una alta velocidad de arranque también
incrementa la tendencia a que se produzcan derrames, doblez y
agrietamientos calientes en los extremos. Bajas velocidades de arranques
arrojan un resultado contrario a lo anterior, incrementan la tendencia a que
se produzcan repliegues fríos y cierres. Las velocidades de arranque también
varían con las diferentes aleaciones y diámetros del cilindro.
Flujo de agua
Es necesario supervisar el patrón de agua al bajar la velocidad de flujo de
agua para confirmar que esta es uniforme. Si no es uniforme, gradualmente
se debe incrementar la velocidad de flujo hasta desarrollar un buen patrón de
agua. Si se observan cortinas de agua en los moldes deben tomarse acción
antes de iniciar la colada.
Una disminución de la velocidad de flujo de agua al arrancar la colada
ayuda a reducir el enfriamiento y baja la velocidad de doblado de la punta por
contracción del metal. Luego durante el arranque de la colada, la velocidad
de flujo de agua sube al valor de estabilidad después de las primeras 5
pulgadas de longitud de colada.
Si el flujo de agua es muy bajo, la superficie también estará caliente,
resultando en licuación y agrietamiento. Si el flujo es alto esto podría causar
la interrupción en la cortina de vapor resultando en excesivo doblez,
agrietamiento o derrame en cilindro..
La velocidad de flujo óptima depende del grado de templabilidad del agua
los cuales son específicos de la planta.
Temperatura de colada
Su importancia radica en que dependiendo de la temperatura que tenga el
metal en el horno se fijaran los parámetros restante de inicio de colada,
normalmente con temperaturas de colada muy altas producen el derrame de
metal entre la abertura molde cabezote. También se tiene que cuando esta
temperatura es muy alta se debe incrementar el flujo de agua y bajar la
velocidad de colada para mantener la velocidad de extracción del calor y el
perfil de temperatura de el cilindro para obtener un material de calidad.
Una alta temperatura incrementa el riesgo de derrame y agrietamiento del
cilindro, así como la salida del material fuera del aerodeslizador del molde
ocasionando desgarres en las piezas coladas. Con temperatura de coladas
bajas no se recomienda arrancar la colada porque esto traería como
consecuencia la solidificación del metal en el canal y los moldes.
Problemas de enfriamiento de la colada de aluminio
Derrames: Causados por enfriamiento inadecuado de la capa
superficial.
Cilindros encorvados: Causados por enfriamiento irregular alrededor
de la circunferencia del cilindro.
Grietas superficiales: Causadas por enfriamiento inadecuado.
Superficies deformadas: Donde el refundido parcial ha ocurrido.
Marcas superficiales: causadas por la solidificación superficial
inadecuada.
Estructura de grano y propiedades no uniformes: Causadas por
enfriamiento irregular.
Métodos Numéricos
Los métodos numéricos son utilizados en la resolución de problemas
relacionados a configuraciones geométricas complicadas, con condiciones
de frontera complejas o propiedades variables y que no se pueden resolver
analíticamente, obteniéndose con estos métodos por computadoras
soluciones aproximadas suficientemente exactas.
Los métodos numéricos se basan en el reemplazo de la ecuación
diferencial, utilizada en los métodos analíticos, por un conjunto de n
ecuaciones algebraicas para las temperaturas desconocidas en n puntos
seleccionados en el medio y la solución simultanea de estas ecuaciones
conduce a valores de temperatura en esos puntos discretos.
Elementos Finitos (MEF)
Constituyen una de los métodos numéricos para obtener la formulación
matemática de un problema de conducción de calor. El MEF ha adquirido
una gran importancia en la solución de problemas ingenieriles, físicos, etc.,
ya que permite resolver casos que hasta hace poco tiempo eran
prácticamente imposibles de resolver por métodos matemáticos
tradicionales. Esta circunstancia obligaba a realizar prototipos, ensayarlos e
ir realizando mejoras de forma iterativa, lo que traía consigo un elevado coste
tanto económico como en tiempo de desarrollo.
La idea general del método de los elementos finitos es la división de un
continuo en un conjunto de pequeños elementos interconectados por una
serie de puntos llamados nodos. Las ecuaciones que rigen el
comportamiento del continuo regirán también el del elemento. De esta forma
se consigue pasar de un sistema continuo (infinitos grados de libertad), que
es regido por una ecuación diferencial o un sistema de ecuaciones
diferenciales, a un sistema con un número de grados de libertad finito cuyo
comportamiento se modela por un sistema de ecuaciones, lineales o no.
En cualquier sistema a analizar podemos distinguir entre: ·
a) Dominio: Espacio geométrico donde se va ha analizar el sistema.
b) Condiciones de contorno: Variables conocidas y que condicionan el
cambio del sistema: cargas, desplazamientos, temperaturas, voltaje,
focos de calor, etc.
c) Incógnitas: Variables del sistema que deseamos conocer después de
que las condiciones de contorno han actuados sobre el sistema:
desplazamientos, tensiones, temperaturas.
El método de los elementos finitos supone, para solucionar el problema, el
dominio discretizado en subdominios denominados elementos. El dominio se
divide mediante puntos (en el caso lineal), mediante líneas (en el caso
bidimensional) o superficies (en el tridimensional) imaginarias, de forma que
el dominio total en estudio se aproxime mediante el conjunto de porciones
(elementos) en que se subdivide.
Los elementos se definen por un número discreto de puntos, llamados
nodos, que conectan entre si los elementos. Sobre estos nodos se
materializan las incógnitas fundamentales del problema. En el caso de
elementos estructurales estas incógnitas son los desplazamientos nodales,
ya que a partir de éstos podemos calcular el resto de incógnitas que nos
interesen: tensiones, deformaciones, etc. A estas incógnitas se les denomina
grados de libertad de cada nodo del modelo. Los grados de libertad de un
nodo son las variables que nos determinan el estado y/o posición del nodo.
En general, las etapas básicas en la utilización del método de elementos
finitos independientemente de la naturaleza física del problema son:
1. Definición del problema y su dominio.
2. Discretización del dominio.
3. Identificación de las variables de estados.
4. Formulación del problema.
5. Establecimiento de los sistemas de referencia.
6. Construcción de las funciones de aproximación de los elementos.
7. Determinación de las ecuaciones a nivel de cada elemento.
8. Transformación de coordenadas.
9. Ensamblaje de las ecuaciones de los elementos.
10. Introducción de las condiciones de contorno.
11.Solución del conjunto de ecuaciones simultaneas resultantes.
12. Interpretación de los resultados.
Definición de términos básicos Aleación: es una combinación de propiedades metálicas, que está
compuesta de dos o más elementos, de los cuales, al menos uno es
un metal.
Aleación termotratable: es una aleación que se le puede aplicar
algún tratamiento térmico para aumentar su dureza.
Cabezote: Parte de la mesa de colada donde solidifica la primera
porción de metal durante el vaciado.
Caja de filtro: Sección entre la canal y la mesa de colada donde se
inserta el filtro de cerámica.
Canal: Sección entre el horno de retención y la mesa de colada por
donde pasa el metal liquido.
Cilindro: Lingote que como indica su nombre presenta forma
cilíndrica y está destinado para el proceso de extrusión.
Colada: es el proceso que da forma a un objeto al entrar el material
líquido en una cavidad llamada molde y dejar que se solidifique el
líquido.
Defecto: es cualquier discontinuidad presente en el producto que
pueda tener efecto o influencia sobre la pieza en servicio.
Endurecimiento estructural: condición que presenta una aleación
que en el diagrama de equilibrio tiene una curva solvus que varíe con
la temperatura.
Extrusión: consiste en hacer pasar bajo la acción de la presión un
material termoplástico a través de un orificio con forma más o menos
compleja de manera tal, y continua, que el material adquiera una
sección transversal igual a la del orificio.
Flujo de agua: caudal de agua que se irriga durante la colada y se
mide en galones por minuto (g/min).
Grafito: Mineral de carbono casi puro, de textura compacta, color
negro y brillo metálico, graso al tacto y buen conductor de la
electricidad.
Mesa de colada: Equipo provisto de molde, cabezotes, regaderas,
donde se produce el vaciado del metal líquido. Existe una superior
donde están los moldes y una inferior donde se encuentran los
cabezotes.
Molde: es una pieza, o un conjunto de piezas acopladas,
interiormente huecas pero con los detalles e improntas exteriores del
futuro sólido que se desea obtener.
Punto de fusión: temperatura en la cual una materia que se halla en
estado sólido pasa a su estado líquido. Para que se produzca el
cambio de estado, dicha temperatura debe ser constante.
