“Optimización Fluid-Dinámica de Sistemas Industriales de Templado de Piezas de Acero”

publicaciones

M.C.I.M. Manuel de Jesús Barrena Rodriguez

 

Resumen
Esta tesis presenta el desarrollo y validación de una metodología para optimizar o diseñar sistemas industriales de templado de piezas de acero. Dicha metodología incluye el cálculo del campo isotérmico de velocidad en el baño de templado mediante la solución numérica de las ecuaciones de continuidad y de movimiento. La complejidad geométrica del sistema de sujeción, inmersión, transporte y remoción de las piezas tratadas en un baño de aceite se
ha considerado de forma exitosa mediante una simplificación pertinente aunada a una solución con subdominios “en cascada”. En esta aproximación, se resuelven secuencialmente las ecuaciones gobernantes en los sub-dominios especificados del dominio computacional. La rapidez de extracción de calor durante el templado de hojas de muelle automotriz fue caracterizada en una línea de producción industrial. En estas pruebas, hojas de acero grado EN 51CrV4 se instrumentaron con termopares superficiales y se precalentaron hasta la temperatura de austenizado del acero y se templaron sumergiéndolas en un tanque con aceite, registrando la historia térmica durante el enfriamiento. La evolución del flujo de calor se calculó mediante la solución del problema inverso de conducción de calor (Inverse Heat Conduction Problem, IHCP), en la cual se determinó iterativamente al flujo de calor en la superficie del sólido para minimizar la diferencia entre las temperaturas calculada y medida. También se incluye mediciones de flujo de calor en probetas de laboratorio fabricadas con el mismo grado de acero de los muelles. El sistema de laboratorio es una adaptación del clásico ensayo Jominy que permite determinar la templabilidad de un acero en este sistema, el dispositivo emplea aceite controlando su flujo y temperatura. La comparación de los flujos de calor determinados en planta y laboratorio permitió inferir la dinámica del aceite en el tanque industrial, mismo que se propone optimizar de acuerdo con las simulaciones fluiddinámicas de este trabajo. Por último, se propone una conexión entre los cálculos de flujo de fluidos bajo condiciones isotérmicas con la rapidez de extracción de calor. Esta conexión es una ecuación empírica que está basada en la analogía de Reynolds-Colburn para relacionar los esfuerzos de corte producidos por el aceite sobre las hojas con la curva de ebullición medida. Por todo lo anterior, la metodología propuesta en esta tesis combina de manera original el flujo de fluido isotérmico calculado en el sistema industrial con las mediciones de temperatura y la determinación del flujo de calor respectivo.

Abstract
This thesis presents a methodology for optimizing or designing industrial tempering systems for steel parts. The isothermal velocity field in the quenching bath is calculated by numerically solving the continuity and motion equations. The geometrical complexity of the clamping, immersion, transport, and removal of treated parts in an oil bath was successfully addressed by means of a relevant simplification coupled with a solution that involved “cascading” subdomains. According to this method, the governing equations in each subdomain of the computational domain are solved sequentially. The rapidity of heat removal during quenching of automotive spring leaves was tested on an industrial production line. Steel leaves of EN 51CrV4 grade were instrumented with thermocouples, preheated to the austenitizing temperature, then quenched by immersion in oil, the thermal history of the steel being recorded. The heat flux evolution was determined by solving the Inverse Heat Conduction Problem (IHCP), in which the heat flux at the surface of the solid was iteratively determined to minimize the difference between calculated and measured temperatures. Also included are heat flow measurements of laboratory specimens made from the same spring steel grade. The laboratory system is an adaptation of the classical Jominy test, which determines a steel’s hardenability using oil controlled by flow and temperature. The comparison of heat fluxes in the laboratory and at the plant enabled the optimization of the oil in the industrial tank, as inferred from the fluid dynamics simulations of this study. Finally, a connection between the fluid flow calculations under isothermal conditions with the heat removal rate is proposed. In this case, the correlation is an empirical equation that is based on Reynolds-Colburn analogy, bringing together the shear stresses caused by the oil on the leaves and the boiling curve. This thesis proposes a methodology that combines in an innovative way the isothermal fluid flow calculation in the industrial system along with temperature measurements and calculations of the heat flow.

 

“Optimización Fluid-Dinámica de Sistemas Industriales de Templado de Piezas de Acero”


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