CAPÍTULO IEL PROBLEMA 1.1 Planteamiento del problema Todo proceso tecnológico requiere la optimización y control de todos los parámetros operativos que aseguren que el producto deseado cumpla con los requerimientos de fabricación establecidos, evitando gastos innecesarios de materias primas, insumos, energía y mano de obra, en general. Uno de los recursos más utilizados para lograr este objetivo, es mediante el uso de los procesos de simulación, los cuales permiten predecir el comportamiento de los sistemas logístico/productivos bajo diversas situaciones reales o previsibles (o lo que es lo mismo, situaciones simuladas). A nivel mundial se emplea en casi todas las ramas de producción de las más diversas industrias: alimentos, siderometalúrgicas, petróleo y petroquímica, plásticos, nuclear, etc. Su uso ha permitido una evolución acelerada de muchas de ellas y ahorrado costos de producción, además de que ha servido de apoyo a los operadores de planta, diseñadores y personal involucrado directamente con el control de calidad. Los avances tecnológicos en materia de computación y el desarrollo de nuevos software en los países desarrollados han contribuido a que los procesos de simulación se acerquen bastante a los procesos reales. En Venezuela, los procesos de simulación han sido empleados por las grandes empresas privadas casi desde la aparición de estos software, siendo las empresas del grupo Polar, Casima, Resimon, etc., las pioneras en ese sentido. En Ciudad Guayana, todas las empresas básicas del sector público: Sidor, Carbonorca, Alcasa, Venalum y Bauxilum, hacen uso de estas herramientas para establecer los parámetros más adecuados de operación en sus procesos operativos. 3 El Iutemar, esta ubicado en la carrera Alonso Herrera, UD-104 de San Félix, es una institución académica, creada en 1971, que tiene como objetivo principal impartir educación socio-cultural y religiosa al estudiante, de igual manera se encarga de preparar profesionales en carreras técnicas universitarias. Por su modalidad de enseñanza, ha alcanzado un alto grado de prestigio y preparación con respecto a las demás instituciones universitarias; este tecnológico les brinda la oportunidad a los estudiantes de especializarse en carreras importantes para el desarrollo de la región, entre las cuales se encuentra Metalurgia. En el Iutemar, se trata de verificar, si es posible, la utilización de un software, realizado en Excel, para la simulación de un perfil térmico de un planchón de acero AISI 1020 durante las etapas de calentamiento. De esta manera se aplicaría, por primera vez y de forma práctica, aspectos teóricos aprendidos en el transcurso de la carrera y se evaluaría la concordancia entre el comportamiento real y el simulado. Las causas por la que no se han utilizado estos software son debidas al desconocimiento que tienen los alumnos de la especialidad acerca de la existencia de los mismos y a la falta de práctica, en materia de computación, sobre el uso de programas realizados en Excel. A consecuencia de esto, no se han realizado trabajos de grado donde se involucre el uso de esta herramienta y los alumnos se encuentran en desventaja respecto a otras universidades o institutos en los cuales se trabaja con estas técnicas de simulación. Se piensa que de no hacer estos estudios al respecto, con los procesos de simulación, no se podría obtener información verdadera acerca de si estos programas se acercan realmente al comportamiento que sufre el planchón de acero AISI 1020 durante las etapas de calentamiento. De allí radica la importancia de este trabajo, en evaluar el perfil térmico de un planchón de acero AISI 1020 durante las etapas de calentamiento en Fundación la Salle, ya que se podría ver las bondades de estos software y los alumnos aprenderían sobre su manejo, lo que los ayudaría a un mejor 4 desenvolvimiento en el ámbito laboral, además de que podría indicarnos si los parámetros operativos que se piensan utilizar son los adecuados o por el contrario generarían fallas que harían al material defectuoso. 1.2 Objetivo general Evaluar el perfil térmico de un planchón de acero AISI 1020 durante las etapas de calentamiento en el Iutemar. 1.2.1 Objetivos específicos Identificar las variables de mayor influencia en el calentamiento de un planchón. Establecer las condiciones de borde para el calentamiento del planchón. Modelar la geometría del planchón, en el espacio bidimensional. Presentar los resultados de la simulación del perfil térmico de un planchón de acero AISI 1020, durante las etapas de calentamiento, mediante diferencias finitas. 1.3 Delimitación del problema La investigación se realizó en el Iutemar, Campus Guayana, ubicada en la UD-104 de San Félix, calle Alonzo de Herrera, donde se evaluará el perfil térmico de un planchón de acero AISI 1020, durante las etapas de calentamiento. Esta investigación se desarrolló en un lapso comprendido desde el mes de Octubre de 2014 hasta Julio de 2015. 5 CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO 2.1 Antecedentes de la empresa Fundación La Salle de Ciencias Naturales es una institución venezolana sin fines de lucro que se dedica a impartir educación técnica para el trabajo, a desarrollar investigaciones científicas relacionadas con las ciencias naturales y sociales propias de Venezuela y a transferir a las comunidades y relacionados las herramientas necesarias para ejecutar programas de extensión y producción que promuevan su autodesarrollo. Nacido bajo el nombre de Pablo Mandazen Soto, el Hno. Ginés llegó a Caracas en 1939, cuando Venezuela despertaba del letargo de la larga dictadura gomecista. La pobreza y el analfabetismo se conjugaban con las epidemias, cuando el petróleo parecía dar un nuevo impulso al país, y allí irrumpió con sus ilusiones decidido a la acción. Es así que el Hermano Ginés, creador de la Fundación La Salle de Ciencias Naturales, junto a jóvenes comprometidos del Colegio La Salle de Tienda Honda, crearon en 1940 la Sociedad de Ciencias Naturales La Salle, de la que nacería, en 1957, la Fundación La Salle. Estos visionarios sembraron la semilla de la ciencia, el conocimiento y la educación, en un país urgido de luces. Semilla hoy enraizada en los lugares más desasistidos de nuestra patria, al servicio de Venezuela, su Gente y su Ambiente. A 3 meses de su llegada, el joven Ginés, de 27 años de edad, motivó a un grupo de estudiantes del Colegio La Salle de Tienda Honda para acompañarle en la creación de la Sociedad de Ciencias Naturales La Salle. Así, el 13 de marzo de 1940, el Hno. Ginés se convertía en su Director, acompañado por José J.J. Mayz Lyon (Presidente), 6 Miguel A. Römer (Vicepresidente), Héctor del Río (Secretario), Pedro Padula (Tesorero), Arturo Olivares (Bibliotecario) y Alfredo Villalón (Jefe del Museo). La Fundación La Salle de Ciencias Naturales (FLSCN), heredera de la impronta científica de la Sociedad, no limitó su quehacer al campo de la investigación, sino que juzgó imprescindible sumar la educación y la extensión para, sinérgicamente, impulsar el desarrollo de las comunidades más desasistidas. El 21 de agosto de 1957 queda constituido el primer directorio, cuyo presidente fue el Hermano Ginés. Sus primeras iniciativas incluyen la creación de la Estación de Investigaciones Marinas de Margarita (EDIMAR), que surgió a la luz inspiradora del insigne científico y precursor de la ecología, el Dr. Ramón Margalef. A su vez, la Sociedad cedía a la administración de Fundación La Salle el Instituto Caribe de Antropología y Sociología (ICAS). Los preceptos originales y fundamentales de su acción educativa fueron la gratuidad y la capacitación para el aprovechamiento y conservación de los recursos que el entorno geográfico ofrece a las comunidades, como oportunidad cierta para el desarrollo y el arraigo cultural. El primer campus de Fundación La Salle fuera de la capital se levantó en la Isla de Margarita. Allí, en 1958 el Concejo Municipal del Distrito Díaz donó ocho hectáreas, que más tarde casi se duplicarían. Fue en una ranchería improvisada y teniendo que transportar el agua potable desde muy lejos, que se comenzó la construcción del edificio de la Estación de Investigaciones Marinas (EDIMAR), que el 31 de mayo de 1960 fue inaugurado por el entonces presidente de la República, Rómulo Betancourt. En 1968, cuando no se vislumbraba aún en qué se convertiría la modesta iniciativa de capacitación “INCE-La Salle", se crea el Liceo Náutico Pesquero “Dr. Ramón Espinoza Reyes”. 7 capacidad y compromiso de sus miembros para fomentar la dignificación y trascendencia de la vida y de la persona. a través de la educación. Visión Ser una institución científico educativo. integrada sinérgicamente. con base en la cultura del trabajo. de extensión-producción. Organigrama El organigrama funcional actualizado. Reconocida regional. en defensa y promoción de los valores culturales y ambientales de cada pueblo. teniendo como fin hacer realidad el Reino de Dios en la Tierra. Misión Servir a las comunidades más desasistidas. 8 . Que cuenta con la voluntad. de Fundación La Salle se muestra a continuación. con excelencia y solidez. Apoyada en los avances científico-tecnológicos. la extensión y la producción. Este centro se convertiría en 1969 en la Unidad Educativa Escuela Técnica Industrial Fundación La Salle. nacional e internacionalmente. En ese mismo año los Hermanos de La Salle ceden a la Fundación La Salle un centro docente en San Félix (estado Bolívar). la investigación. Fundamentada en su concepción filosófica humano-cristiana. ajustándose a las necesidades y realidades de cada una de ellas. el hermanamiento y la solidaridad para enraizar a la gente en su región y darle instrumentos que faciliten su desarrollo personal y comunitario. dando inicio a un programa de naturaleza industrial a nivel de bachillerato técnico. Según Gómez (2011). Sirve de 9 .org/ 2.2 Antecedentes de la investigación En un proceso investigativo se requiere cualquier aporte que permita ampliar cualquier información para así tener un banco de información que sirva de base para sustentar dicho proceso.Fuente: www. tratan sobre lo mismo problema o se relaciona con otro. En la biblioteca del Iutemar no se consiguieron trabajos sobre cámara salina. por lo que se realizó una búsqueda por Internet. “los antecedentes son indagaciones previas que sustenta el estudio. juzgar e interpretar el problema planteado. por eso es necesario indagar profundamente con la finalidad de aclarar.fundacionlasalle. y llegó a las siguientes conclusiones: Se ha desarrollado un modelo inverso de estimación del coeficiente de transferencia de calor acero-molde. El bachiller González.guía al investigador y le permite hacer comparaciones y tener idea de cómo se trató el problema” (Pág. ya que el modelo no calcula los cambios de ancho de la zona de golpe ni los cambios de la turbulencia en la misma zona. se tuvieron que ligar dichas variables. presentó su trabajo de grado titulado “Modelo bidimensional del calentamiento de cinta de acero laminada en caliente” para optar al título de Ingeniero Mecánico en la Universidad Autónoma de Nuevo león. para obtener el título de Ingeniero Mecánico en la Universidad de Buenos Aires. También se consideraron diferentes coeficientes de transferencia de calor dependiendo del tipo de zona de calentamiento. El Bachiller Hernández. en el proceso de colada continua de planchones”. sin embargo. Este modelo inverso de estimación requiere de un modelo directo de 10 . presentó el trabajo titulado “Modelo inverso de estimación del coeficiente de transferencia de calor acero-molde. en el proceso de colada continua de planchones. Lo que da un mejor conocimiento del proceso de calentamiento usado en laminación en caliente Para llevar a cabo la modelación se determina una dependencia del coeficiente de calor con la velocidad. México. Luis en el año 2014. 172). la cual físicamente no es real. Marcial para el año 2012. concluyendo que: Se logró modelar y simular el calentamiento de cinta de acero de bajo carbono laminado en caliente prediciendo su evolución térmica mediante el desarrollo de un modelo de transferencia de calor cuya aproximación se obtuvo mediante el método explícito de la técnica de diferencias finitas. así como otros fenómenos que se pudiesen presentar al variar la velocidad. transferencia térmica en el molde de planchones y de un modelo térmico de solidificación en el planchón de acero. Los ingenieros Bacchiarello. ya que se pretende estudiar el comportamiento estable del proceso y no sus etapas transitorias o fenómenos de ebullición en el agua de refrigeración. El fenómeno de solidificación en el planchón de acero se ha estudiado por medio de un modelo bidimensional de transferencia de calor con dos cambios de fase. Para ello. Los resultados obtenidos han sido coincidentes con los presentados en la bibliografía. Se han analizado cuatro casos industriales con el objetivo de estudiar el efecto de la velocidad de colada y del ancho del producto colado. se debe contar con información correcta del material. 11 . pudiéndose concluir que el modelo inverso de estimación del coeficiente de transferencia de calor acero-molde desarrollado permite el estudio de diferentes condiciones del proceso de colada continúa de planchones. Montanaro. Irene en el año 2014. Raúl. de forma robusta y con resultados confiables. titulado “Simulación numérica de tubos de acero” donde llegaron a las siguientes conclusiones: El comportamiento real de los elementos influenciados se puede representar de manera adecuada a través de la modelización con el método de los elementos finitos. en cuanto a propiedades mecánicas. y al mismo tiempo se debe conocer su comportamiento estructural. La transferencia térmica en el molde de planchones se ha modelado como un fenómeno estacionario. sobre el estado térmico del molde y el proceso de solidificación del producto colado. María y Rivas. habiéndose simplificado los fenómenos de transporte convectivo en el acero y la conducción en la dirección de colada. tales como valores de tensión de fluencia o módulo de elasticidad. presentaron un trabajo en la Revista Mecánica Computacional. 12 . Se puede establecer que los resultados obtenidos a través de los modelos numéricos han sido adecuados. También presentan los tipos y las variables que más influyen en la transferencia de calor en este subproducto metalúrgico.20. en las instalaciones y en los procesos de control. por lo tanto el impacto económico de esta tecnología es muy importante. 2. Se logró modelar y simular el perfil térmico del planchón de acero. 3. La relación que existe entre los trabajos ya mencionados y la presente investigación es principalmente la necesidad de reconocer. mientras que los planchones originan los productos planos. Enríquez y otros (2009) señalan: Se llama continua porque el producto sale sin interrupción de la máquina hasta que la cuchara (o cucharas en caso de coladas secuenciales) ha vaciado todo el acero líquido que contiene. prediciendo su evolución térmica mediante un modelo de transferencia de calor cuya aproximación se obtuvo mediante el método explícito de la técnica de diferencias finitas. Pág. Estos desarrollos abarcan mejoras en los equipos. La tecnología de la colada continua está en constante desarrollo. Estos modelos fueron realizados considerando una de las zonas de ablandamiento de 2. puesto que cada vez son mayores los requerimientos de calidad del producto y de eficiencia de la producción. ya que las relaciones entre resultados experimentales y de modelos toman valores en un rango de 1 a 1. identificar y evaluar los métodos que hay para evaluar el perfil térmico que presenta un planchón durante su formación y los problemas asociados.54 cm.3 Marco referencial Actualmente casi el 90% de la producción mundial de acero se realiza mediante el proceso de la colada continua. En la laminación las palanquillas son la base de partida para obtención de productos largos. y culmina con la obtención y afino del acero líquido con contenidos de carbono entre 0. así como dos estaciones de metalurgia secundaria ó horno cuchara y tres máquinas de colada continua de dos líneas cada una. y una cuba ó recipiente metálico la cual en su parte superior tiene un conjunto de elementos ó paneles refrigerados. y la chatarra que procede de las plantas procesadoras. Una vez que la chatarra se encuentra en el horno. son almacenados en silos y patios respectivamente. y aditivos y fundentes tales como.06 %. bóveda conformada de elementos ó paneles refrigerados. El proceso se inicia en el horno eléctrico donde se utiliza como materia prima hierro esponja (HRD) con un contenido de Fe total de 85 ± 1%. dolomita.Descripción del proceso de la acería eléctrica de planchones (SIDOR) La acería eléctrica de planchones cuenta con seis hornos eléctricos con una capacidad nominal de 200 TM cada uno. y la parte inferior está revestida internamente con material refractario. chatarra con un contenido de Fe total entre 90 y 98%. mediante la utilización de una grúa puente. El horno eléctrico se encuentra conformado por las siguientes partes: transformador de 120 MVA. carbón. sistema hidráulico y mecánico. caliza. para dar inicio a la alimentación continua de hierro esponja sin que se interrumpa el proceso de fusión. La función de la cuba es la contención y trasformación de chatarra y materiales prerreducidos en acero líquido. mineral de hierro. cal. Luego el proceso comienza cuando se efectúa la carga interna del horno con chatarra contenida en cestas. La etapa de fusión consiste en fundir la carga suministrada al horno mediante energía eléctrica inducida por tres electrodos de grafito. etc. debe realizarse la fusión hasta un cierto porcentaje (60%). sistema para la inyección de grafito. sistema de oxígeno denominado “Jet Coherente”. tres mástiles o columnas que soportan los brazos porta electrodos. Durante el proceso de fusión se alimenta cal en forma continua conjuntamente con la 13 .04 a 0. Inicialmente el hierro esponja que proviene de las plantas de reducción directa. 620 a 1. Estos datos operativos sirven de base inicial para el tratamiento posterior en las estaciones de metalurgia secundaria ú horno cuchara. con temperaturas promedios de 1. donde se realiza una homogenización de la temperatura a través de la inyección de gas inerte (argón) al acero líquido. El tiempo de tratamiento en esta etapa oscila entre 30 y 40 minutos. Culminada la etapa en la estación de argón. estando el proceso controlado por un sistema computarizado hasta la sangría del horno. y se efectúa una inyección de oxígeno para acelerar el proceso. En la etapa de afino se eliminan las impurezas del baño mediante la escorificación del horno. en recipientes de contención y traslado. También se inyecta grafito para la formación de escoria espumosa. En esta estación. Dando continuidad al proceso.alimentación de hierro esponja. Los tiempos de fusión de la materia prima y obtención del acero líquido oscila entre 72 y 82 minutos. y tienen pesos promedios de 200 TM. para que éste tenga las especificaciones químicas y térmicas requeridas por las prácticas metalúrgicas. se lleva a cabo la toma de muestras y se evalúa la temperatura. la colada en el cucharón se traslada por carros transferidores a la estación de argón. siendo indispensable dar continuidad a la inyección de 14 . El tiempo de tratamiento en la estación de argón oscila entre 20 y 30 minutos. con la utilización de una grúa puente. Seguidamente el acero líquido es vaciado o sangrado del horno. El acero líquido vaciado en el cucharón se denomina colada. los cuales están revestidos internamente con materiales refractarios. denominado cucharón de colada. es trasladado a la estación de metalurgia secundaria para los ajustes finales de temperatura y de especificaciones químicas de procesamiento del acero líquido en las máquinas de colada continua. Durante la sangría se realiza la adición de ferroaleaciones al cucharón con el fin de realizar los primeros ajustes químicos del acero líquido. el cucharón.640 °C. y se controla la composición del baño por análisis químico. gas inerte (argón) para garantizar homogeneidad en cuanto a temperatura y composición química del acero. a un recipiente de contención y distribución revestido internamente con materiales refractarios. En el molde. a través de boquillas internas instaladas en su parte inferior. el acondicionado y el despacho. La salida del sistema ocurre en las mesas de enfriamiento y cámara de enfriamiento. donde el acero líquido es transferido desde el cucharón. tanto para el consumo interno de los laminadores en caliente de SIDOR. Luego. En el esquema de la Figura 1 se muestra el flujograma de proceso descrito. como para el mercado nacional ó internacional. Finalmente. Seguidamente el cucharón. a través de una boquilla interna instalada en su parte inferior. se realiza la inspección. 15 . es trasladado a la máquina de colada continua. el acero líquido es vertido en dos moldes de la máquina de colada continua. el acero líquido recibe el enfriamiento primario para la formación del planchón. Del distribuidor. con la utilización de una grúa puente. avanza en su recorrido por todo un sistema de rodillos guías ó sección de enfriamiento secundario hasta llegar a las secciones de corte por soplete. Este recipiente de contención se denomina distribuidor (tundish). 10 in a 77. Sus dimensiones son aproximadamente: Espesor: 175 y 200 mm (6. de sección rectangular. en la producción de chapa Laminada en Caliente. obtenido por procesos de Colada Continua para su aplicación en trenes de laminación. Planchones Producto semi terminado de acero. ver figura 2.89 in y 7.95 in) Peso: Planchones estándar de peso máximo 20. Figura 1. Flujograma del proceso de la Acería Eléctrica de Planchones (SIDOR).980 mm (31.87 in) Ancho: desde 900 a 1.5 t 16 . Fuente: Intranet Sidor. Esta varilla (a veces una cadena) sirve para sostenerlo y hacerlo descender cuando convenga. cuando sale del molde. por orden cronológico. sobre la que se inicia la solidificación del acero. que está apoyada y conducida por una varilla vertical de gran longitud. dispuesta debajo del tope. Fuente: Sidor. Planchón. Figura 2. el tope arrastra a la barra solidificada que. Cuando se ha solidificado el primer caldo colado en la lingotera. se hace descender de una forma continua la falsa barra sobre la que se inició la solidificación. que controlan su movimiento de avance y traslación. En el curso de la solidificación y enfriamiento de una barra de colada continua se pueden distinguir. cuatro etapas principales: 1. un tope formado por un trozo de metal de sección idéntica a la que se desea fabricar y de unos 150 mm de longitud. al principio de cada colada. Enfriamiento primario con contacto directo acero-lingotera 17 . Es lo que se llama “falsa barra”. En el descenso. Catálogo de productos semielaborados. En el interior de la misma está colocado. sufre la acción enfriadora de las duchas de agua y después completa su enfriamiento al aire. curvado y enderezado. Finalmente se pone en contacto con los trenes de rodillos de arrastre. Mecanismo de solidificación y enfriamiento El metal líquido se cuela de manera regular e ininterrumpida en la lingotera. en cuanto se pone el metal líquido en contacto con la pared fría de la lingotera. El espesor solidificado a la salida del molde tiene mucha importancia. a la de la barra. aproximadamente. Además. 2. Para facilitar el despegue del acero solidificado. como se ha citado antes. Esta piel tiene una temperatura de 300 a 600 ºC. delgada al principio. En general. conviene que ese espesor sea de 10 a 20 mm. en el que la velocidad de descenso del molde es un 10 % superior. va aumentando de espesor y se va haciendo cada vez más resistente. La longitud de la zona de contacto completo de la lingotera es tanto mayor cuanto más rápida sea la velocidad de extracción de la barra y mayores las dimensiones de su sección transversal. 18 . Los puntos de la misma sección transversal no se separan simultáneamente del molde y hay una altura en la que el contacto de barra y lingotera es bastante irregular e imperfecto. se forma una piel sólida en cuyo interior hay acero todavía líquido. A medida que la barra desciende. es posible que se produzcan desgarros y roturas. Si el espesor es muy pequeño. Si es demasiado grueso puede haber problemas en el curvado posterior. un movimiento alternativo vertical. En general. la costra debe tener una pared lo suficientemente fuerte como para soportar la presión ferrostática interna. la lingotera tiene. existe una lubricación con aceite de colza o aceite sintético para que la barra no se pegue nunca al molde. las esquinas se enfrían y contraen más rápidamente que las paredes. esta contracción es suficiente para que la piel se despegue de la pared de la lingotera recorridos unos 100 a 200 mm después de efectuarse el contacto inicial. las paredes más pequeñas enfrían y contraen antes que las anchas. a su vez. esta piel. Al comenzar la colada. Enfriamiento primario sin contacto directo acero-lingotera A continuación la contracción térmica de esta primera costra sólida la separa del apoyo de la lingotera. El enfriamiento del acero dentro del molde provoca una contracción de la sección transversal de la barra de acero. como en la colada antigua en lingotera. La temperatura baja hasta llegar a 200 ºC en que se alcanza la solidificación final del corazón de la barra. A la salida de la lingotera. desaparece drásticamente el gradiente térmico. Ya no hay duchas de agua y. Hasta este 19 . y para poder mantener un ritmo de enfriamiento y solidificación rápido. en menor medida. pasan a ser por radiación y. La longitud de la lingotera no suele ser mucho mayor que 500 mm. por convección. Enfriamiento secundario por duchas de agua pulverizada Comienza el enfriamiento secundario para terminar en esta zona la completa solidificación de la barra hasta el corazón. En esta zona se producen los posibles defectos internos. después de terminado el enfriamiento por duchas de agua. el enfriamiento se verifica más lentamente que al principio. 3. y con el acero todavía dentro de la lingotera pero sin contacto con la misma. El número de duchas controlará el momento de solidificación total del acero del corazón de la barra. hay una tercera zona de homogeneización de la temperatura al aire libre al circular la barra forzada por los rodillos de arrastre. 4. se eleva luego rápidamente durante unos momentos hasta 700- 1100 ºC. en consecuencia. La homogeneización de las temperaturas se consigue durante el descenso por simple enfriamiento de la barra al aire libre. ralentizándose el enfriamiento del corazón de la barra. En la última parte despegada se forma una película gaseosa (1 a 3 %) que separa la barra de la lingotera. que al iniciarse la separación del molde era de 300-600 ºC. se refrigera la barra con enérgicas duchas de agua. debido al flujo de calor desde el corazón de la barra a la piel. La temperatura inicial de la barra. Desde ese momento. Se origina un fuerte gradiente térmico entre el corazón y la piel. esto es un inconveniente para su refrigeración. Se observa un recalentamiento de la superficie exterior que llega a alcanzar unos 900 o 1000 ºC. Enfriamiento al aire Finalmente. En esta zona las pérdidas caloríficas por conductividad. tal como los de herramientas y los inoxidables. Al entrar la barra en los rodillos extractores. el gradiente térmico en las partes solidificadas era muy grande. Tabla 1. debido a la gran rapidez con que se producía el enfriamiento.025% de C. y a temperatura ambiente disuelve 0. continúa también su enfriamiento. isomorfa con hierro α Austenita (Fe γ) FCC Es una solución sólida intersticial de 20 . la temperatura del material suele ser de unos 1000 ºC. Fases y microconstituyentes de importancia metalúrgica. Fase de equilibrio estable a alta Ferrita (Fe δ) BCC temperatura. Los aceros pueden presentar una gran variedad de propiedades según su composición química y las fases y constituyentes presentes. En los aceros de baja aleación pueden encontrarse otros elementos hasta una cantidad total acumulada de 5%. En la Tabla 1 se las describe brevemente.momento. que se encuentra ya en estado sólido. Fase Estructura cristalina (o Características de las fases microconstituyente) Fase de equilibrio de baja temperatura. cuando se encuentran en cantidades superiores se los denomina aceros fuertemente aleados. El corazón. relativamente blanda.008% de C. Como se ha citado. lo que eventualmente. a temperatura eutectoide. Tratamientos térmicos de los aceros Usualmente se define al acero como una aleación de hierro y carbono con contenido de carbono entre unas pocas centésimas y 2 % (en peso). El gradiente térmico de la superficie al interior es inferior al de las etapas anteriores. al comenzar esta zona se produce un calentamiento superficial del acero debido a que en esta fase el enfriamiento es menos enérgico. La máxima solubilidad que tiene es Ferrita (Fe α) BCC 0. depende del tratamiento térmico. mezcla eutectoide que contiene 0. carbono disuelto en hierro γ. relativamente blanda. Fase de equilibrio estable a temperatura media. según carbono en ferrita) él % de carbono Microconstituyente metaestable duro. La dureza aumenta cuando desciende la temperatura de formación. Es una mezcla muy fina tipo Perlita laminar de ferrita y cementita. estable Microconstituyente metaestable. mezcla no laminar de ferrita y cementita en escala extremadamente fina.8% ce C y se forma temperatura eutectoide en enfriamiento lento.3% de C y se forma a temperatura eutéctica. Su máxima solubilidad es del 2% de C. El diagrama Fe-C 21 . Es una fase metaestable dura y frágil de baja resistencia tensil. BCC (solución Fase metaestable de alta dureza. Martensita sobresaturada de morfología de placas o agujas. Generalmente no es estable a temperatura ambiente. Contiene 4. Es la mezcla eutéctica de austenita y Ledeburita cementita. la inferior se forma a temperaturas más bajas y su apariencia es acicular. la bainita superior se forma a temperaturas más altas y tiene Bainita aspecto plumáseo.67% de C en peso Grafito Hexagonal Fase de equilibrio. salvo bajo ciertas condiciones especiales. La base o matriz ferrítica blanca que forma la mayor parte de la mezcla eutectoide contiene delgadas placas de cementita. Contiene 6. pero Cementita (Fe3C) Ortorrómbica compleja de alta resistencia compresiva. En la figura 3 se muestran dos diagramas: el estable hierro-grafito (líneas de rayas) y el metaestable Fe-Fe 3C.70 % de C y el 100 % de C (grafito puro) no es importante desde el punto de vista tecnológico y no se va a estudiar. concentración que coincide con el 100 % molar del compuesto intermedio Fe3C conocido como carburo de hierro o cementita. por lo tanto el de mayor interés es el diagrama metaestable. especialmente en rangos de baja temperatura y bajo carbono. se encuentra la ferrita (Fe α). Todos estos cambios se pueden observar en el eje vertical del diagrama de fases para el hierro puro.70 % en peso de C.025 % C a 723 ºC. que puede disolver hasta 0. En la figura 3 se representa el diagrama de fases del sistema binario Fe. Para bajos porcentajes de carbono. El hierro sufre cambios estructurales con la temperatura antes de fundir. A temperatura ambiente la forma estable es la ferrita o Fe-α (estructura FCC). En la Tabla 1 se resumen las fases y microconstituyentes de importancia metalúrgica. es de menor interés excepto para aceros fuertemente aleados. La ferrita-δ. que repasaremos brevemente. En el otro extremo se encuentra la cementita (Fe 3C).Fe3C para contenidos altos de hierro. la cual funde a 1538 °C. y austenita (Fe γ). La base para entender los tratamientos térmicos de los aceros es el diagrama de fases Fe-C. 22 . y se encuentra a temperaturas más altas. con solubilidad máxima de 2 % C a 1130 ºC. El otro eje de la figura 3 sólo llega al 6. La condición estable usualmente tiene lugar con enfriamientos extremadamente lentos. A 912 °C la ferrita sufre una transformación polimórfica a austenita o Fe-γ (BCC). En ellos se muestran las fases de equilibrio (o equilibrio metaestable) para diferentes combinaciones de concentración de carbono y temperatura. La austenita se transforma a otra fase CCI a 1394 °C que se conoce como ferrita-δ. La parte entre el 6. 67 % C. diagrama estable hierro-grafito. en líneas llenas. La ferrita tiene una estructura BCC y en los 23 . diagrama metaestable Fe-Fe3C. Figura 3. en líneas de rayas. Ciencia e ingeniería de los materiales. Diagrama de equilibrio Fe-C hasta 6. (2004). El carbono en un soluto intersticial en el hierro y forma disoluciones sólidas con la ferrita (α y δ) y con la austenita (γ). Fuente: Askeland. Por tanto. Las transformaciones de fase de la austenita son muy importante en los tratamientos térmicos de los aceros como se verá más adelante. hay regiones de dos fases: líquido + austenita. A temperaturas más elevadas se halla el líquido. el límite γ/γ + γ. es decir. la cementita es meta estable y si se calienta entre 650 y 700 °C descompone para dar Fe- α y grafito en el periodo de años. La austenita (Fe-γ) de estructura FCC tiene una solubilidad máxima de carbono del 2. Se trata de: A1. líquido + cementita. y de densidad 7. y líquido + ferrita-δ. austenita + cementita. La cementita desde el punto de vista mecánico es dura y frágil. Aunque en proporción muy baja. Solubilidad aproximadamente 100 veces superior a la de la ferrita. Al ser sólo estable a altas temperaturas no tiene interés técnico. los diagramas no son realmente de equilibrio. el carbono afecta mucho a las propiedades mecánicas de la ferrita. Desde un punto de vista estricto. 24 .022 % a 727 °C.88 g/cc. y por debajo de él. pero al ser la velocidad de descomposición de la cementita tan extremadamente lenta estos diagramas son los útiles. la mínima a la que se puede encontrar austenita A3. el máximo es un 0.11 % a 1148 °C. la fase líquida siempre se evita. el límite γ/γ + Fe3C. es decir. En los tratamientos térmicos. Esta fase es relativamente blanda. y ferrita + austenita. Algunos límites entre fases tienen denominaciones especiales que facilitan la comunicación. temperatura eutectoide. límite equivalente para aceros de alto contenido de carbono. Entre los campos monofásicos se encuentran regiones con mezclas de dos fases.intersticios se puede situar muy poco carbono. La ferrita-δ solo se diferencia de la α en el tramo de temperatura donde existe. y su presencia aumenta la resistencia de muchos aceros. tal como ferrita + cementita. ferromagnética por debajo de 768 °C. Acm. que permanece al enfriar. límite de la región austenítica para aceros de bajo contenido de carbono. temperatura a la que comienza la Arcm precipitación de cementita durante el enfriamiento (la r deriva del francés refroidissant) Temperatura a la cual se completa la transformación de austenita a Ar1 ferrita o a ferrita más cementita durante el enfriamiento. denominada perlita. El contenido de carbono correspondiente a la temperatura mínima de la austenita (0. En aceros hipereutectoides. Aecm. Temperaturas de cambios de fase en equilibrio. cuando se mantiene por tiempo prolongado cerca de A1. Temperatura a la cual la austenita comienza a transformar en ferrita Ar3 durante el enfriamiento. Temperatura a la cual comienza a formarse austenita durante el Ac1 calentamiento (la c deriva del francés chauffant) Temperatura a la cual se completa la transformación de ferrita en Ac3 austenita durante el calentamiento.δ se transforma a austenita durante Ar4 el enfriamiento. se trata de un microconstituyente de láminas alternadas de ambas fases. La mezcla de ferrita-cementita formada durante el enfriamiento para esta composición. Definiciones de temperaturas de transformación en hierro y aceros. límite de solubilidad de carbono en la Acm austenita. Tabla 2. Algunas veces se incluyen las letras c. Ae1. Temperatura a la cual comienza la transformación de austenita a Ms martensita durante el enfriamiento. Temperatura a la cual la ferrita. Ae3 En aceros hipereutectoides. que degenera (“esferoidiza” o “embastece”) en partículas de cementita dispersas en una matriz de ferrita.8 %) se denomina eutectoide. Temperatura a la cual finaliza la transformación de austenita a Mf martensita durante el enfriamiento. Temperatura de transformación: aquella a la que ocurren cambios de fase. o r. e. tiene una apariencia característica. En la Tabla 2 se encuentran definiciones relevantes de los términos asociados con las transformaciones de fases en los aceros. algunas veces define los límites de un rango de transformación. 25 . Pero si las transformaciones no se producen en equilibrio se obtendrán otras fases y constituyentes.Aspectos cinéticos de la transformación de la austenita En condiciones de enfriamiento lento los cambios de fase que tienen lugar en los aceros pueden predecirse mediante el diagrama de equilibrio Fe-C. Tratamientos térmicos en aceros Los tratamientos térmicos son operaciones de calentamiento y enfriamiento cuidadosamente controlados. Con los 26 . hasta desaparecer Afinamiento de la perlita Formación de troostita (intermedio de temple) Crecimiento acicular de la ferrita Cuando la difusión está limitada. que adquieren gran importancia cuando se trata de modificar las propiedades mediante los tratamientos térmicos. y sí tres factores que caracterizan las aleaciones hierro – carbono. denominada bainita. formación de martensita Surgimiento de otra estructura (entre la perlita y la martensita). y que se aplican a un metal o aleación en estado sólido. con el fin de obtener ciertas propiedades deseadas para su empleo. Variando la velocidad de enfriamiento se observan los siguientes fenómenos: Disminución de las temperaturas de comienzo de formación de ferrita (Ar3) y eutectoide (Ar1) La transformación eutectoide ya no ocurre a temperatura constante y su concentración de carbono es menor a 0.8 % Disminución de la cantidad de ferrita libre. como son: constitución. en la que la ferrita crece en forma acicular y la cementita precipita en su interior Las estructuras que aparecen según las condiciones a la que ocurre la transformación alotrópica desde la austenita. estructura y estado mecánico. No modifican la composición química del acero. se representan en los diagramas temperatura/tiempo/transformación o diagramas TTT. En la figura 4 se muestra un método experimental para su trazado. de la que se ha transformado en martensita durante el enfriamiento posterior. una de ellas es extraída y sumergida en agua. principalmente después del temple. Transcurrido un cierto tiempo. El estado mecánico también queda afectado por los esfuerzos a que quedan sometidos los materiales después de algunos tratamientos térmicos. A continuación se examina en el microscopio siendo usualmente fácil distinguir la porción de austenita que ha reaccionado isotérmicamente. varias probetas pequeñas del acero en estudio. Diagramas TTT Estos diagramas grafican las condiciones (temperatura-tiempo) en que ocurre la transformación de la austenita para cada tipo de acero.tratamientos térmicos se modifica la constitución del acero. Esto detiene la reacción produciendo el cambio casi instantáneo de la austenita remanente en martensita. Todos los procesos básicos de tratamientos térmicos para aceros incluyen la transformación o descomposición de la austenita. modificando el estado en que se encuentra el carbono. En la parte inferior de la figura se ha representado tiempo de reacción vs porcentaje de transformación alcanzado. y el estado alotrópico del hierro. extraerlas e introducirlas rápidamente en otro baño que se mantiene a la temperatura de reacción deseada. La naturaleza y la apariencia de estos productos de transformación determinan las propiedades físicas y mecánicas de cualquier acero. Con estos datos se traza el diagrama TI. Consiste en calentar en un baño líquido a la temperatura de austenización correspondiente. 27 . se modifica la estructura variando el tamaño del grano y el reparto de los constituyentes. Su pequeño tamaño les permite enfriarse hasta dicha temperatura en una fracción de segundo. cuyas curvas resumen los resultados de reacción isotérmica de la austenita para todas las temperaturas. estas fases se combinarán en perlita o bainita. La región a la derecha de la línea de final de transformación es la de ferrita y cementita ya estables.8 y 0. 28 . Se aprecian las regiones de estabilidad e inestabilidad de la austenita y las líneas de comienzo y fin de cada transformación. En las figuras 5 y 6 se muestran los diagramas TI de aceros de 0. El punto situado más a la izquierda del diagrama se llama nariz perlítica. de acuerdo a la temperatura de formación. Se puede observar que dicha nariz está más desplazada a la derecha cuanto mayor es el contenido de carbono y de los elementos aleantes del acero.45 % C. 8% C a 700 ºC. Reacción isotérmica de la austenita de 0.Figura 4. 29 . Diagrama TTT de un acero hipereutectoide 30 . presentan una zona superior donde se produce la separación de ferrita o cementita libre. Diagrama TTT del SAE 1080 Figura 6. la ferrita crece en forma de agujas. y la velocidad de enfriamiento no es lo suficientemente lenta. Diagrama TTT del SAE 1045 Los diagramas de aceros hipo e hipereutectoides (figuras 6 y 7). respectivamente. Figura 7. Si el grano austenítico es grande debido a elevada temperatura de austenización. disminuyendo la resistencia al impacto del acero.Figura 5. los granos son grandes y las láminas gruesas. que posee menos carbono. Además. cuando la temperatura es elevada. la perlita se hace más fina. ejercen también una gran influencia. un agregado muy fino de cementita y ferrita. es el factor que influye más decisivamente en la forma y posición de la curva de la “S”. la reacción isotérmica va rápidamente en aumento porque la austenita es cada vez más inestable. La forma de los diagramas refleja que cuando la temperatura de transformación desciende por debajo de Ac1. Los distintos elementos difieren en el tipo e importancia de los efectos. A temperaturas más bajas. Este constituyente proporciona al acero elevada dureza y tenacidad. A continuación. pero. que no forma carburos. por lo tanto. a temperaturas aún más bajas. 6. especialmente el cromo y el molibdeno. por debajo de la temperatura A1. Efecto de la composición La composición química de un acero y en especial el contenido de los elementos aleantes. las curvas TI son desplazadas a la derecha. Los elementos que forman carburos. constituida por ferrita en forma de agujas o plumas con carburos precipitados. el tamaño de grano y la homogeneidad de la austenita. El níquel. se observa la transformación bainítica. La mayoría de los elementos aleantes retardan la transformación isotérmica de la austenita. el carbono es el más potente. pero su contenido en el acero está normalmente determinado por otras consideraciones. pero baja resistencia a la fatiga. comienzan a formarse las colonias de perlita. retardan la transformación perlítica en una 31 . A temperaturas más bajas. la disminución de la velocidad de difusión tiene un efecto predominante y la transformación se retarda. para una dada composición. y cerca de la nariz se forma troostita. El diagrama de la figura 5 está desplazado a la derecha respecto al de la fig. A la derecha de los diagramas de las figuras 5 y 6 se muestra la dureza HRc de la estructura completamente transformada. desplaza toda la curva sustancial-mente a la derecha. Esta tendencia es bien clara en el diagrama TI del acero SAE 4140. las curvas TI son desplazadas a la derecha. que es la mínima velocidad de enfriamiento para la que se produce la transformación completa de austenita en martensita. Con ellos se puede conocer la estructura que se obtendrá para cada velocidad de enfriamiento. esas curvas de enfriamiento no pueden ser colocadas directamente sobre los diagramas TI. cuyas curvas están ligeramente desplazadas a la derecha y hacia abajo. Pero la mayoría de los tratamientos térmicos. el carbono es el más potente. 32 . De una forma similar a la descrita anteriormente. son bastante parecidos. desde la temperatura de austenización. se han trazado entonces los diagramas TC o de transformación continua. La mayoría de los elementos aleantes retardan la transformación isotérmica de la austenita. de la figura 8. tangente a la nariz. que posee pequeñas cantidades de Cr y Mo.proporción mayor que la transformación bainítica. No obstante. empezando a temperaturas un poco más bajas en los enfriamientos continuos. Estos diagramas de transformación isotérmica se utilizan para predecir el tiempo que debe permanecer el acero a una dada temperatura hasta completar los cambios estructurales. respecto a las obtenidas isotérmicamente. pero su contenido en el acero está normalmente determinado por otras consideraciones. se ha comprobado que los fenómenos que se presentan en ambos modos de transformación de la austenita. y la velocidad crítica de temple. Pero la mayoría de los tratamientos térmicos industriales se realizan enfriando de forma continua las piezas. Los distintos elementos difieren en el tipo e importancia de los efectos. por lo tanto. Estos diagramas de transformación isotérmica se utilizan para predecir el tiempo que debe permanecer el acero a una dada temperatura hasta completar los cambios estructurales. Diagrama de transformación isotérmica del acero SAE 4140. Figura 8. 33 . Perfil de temperatura El perfilado de temperaturas es el proceso de monitorear e interpretar las temperaturas de productos a medida que se mueven ya sea en una banda transportadora o en un proceso de calentamiento por lotes (típicamente en un horno). Los diagramas TTT son datos que proveen los fabricantes de los aceros y se usan para determinar las condiciones adecuadas de los tratamientos térmicos para obtener las propiedades mecánicas especificadas en los planos de las piezas. Los datos numéricos recolectados se convierten por medio de software de análisis de temperaturas en información significativa que se muestra como una gráfica – el perfil térmico. Mientras en el menisco el acero está en contacto con el intrados del molde. 34 . y más importante. registradores de adquisición de datos para capturar los datos. software para perfilado de temperatura para el análisis y archivado de todos los perfiles de temperatura. aguas abajo se abre un espacio entre el planchón y el molde (gap). ya que la capa de acero solidificado y el molde sufren deformaciones causadas por las cargas térmicas y las mecánicas (ferrostáticas). aumentar el rendimiento y resolver problemas de producción. Los componentes necesarios para un sistema efectivo de perfilado de temperatura incluyen: sensores de temperatura para recopilar la información de temperatura. por cuánto tiempo y en qué punto del proceso. usted es capaz de verificar y mejorar la calidad del producto. Los ingenieros de proceso saben cuál debe ser el perfil ideal para su producto y variaciones de ese indican problemas potenciales o calidad inaceptable. En algunos casos se le da al molde la forma necesaria como para que nuevamente entre en contacto con el planchón en sus secciones más bajas. barreras térmicas para proteger el registrador de datos. Esta información le dice qué temperaturas ha alcanzado su producto. Analizando el perfil térmico. Beneficios del Perfilado de Temperatura Calidad del producto mejorada Incremento en la productividad Minimización de costos de energía Validación de control de procesos (QS/ISO9001) Nueva configuración de procesos eficiente y rápida Rápido diagnóstico de fallas Modelos matemáticos El proceso físico dentro del molde es muy complejo. Actualmente muchas decisiones tecnológicas se toman en base a los resultados de modelos numéricos. de esta manera se puede desarrollar un análisis desacoplado de transferencia de calor. Ya que estas decisiones afectan no sólo los beneficios industriales sino también las condiciones de trabajo y el impacto ecológico. Luego de salir del molde el planchón es enfriado mediante jets de agua e intercambiadores de calor que enfrían los rodillos. Generalmente los moldes son equipados con termocuplas ubicadas a través del espesor de la placa de cobre. Pero esta aproximación puede introducir importantes desviaciones entre las predicciones del modelo y la real distribución de temperaturas. la confiabilidad de los modelos numéricos es de fundamental importancia. 35 . La descripción matemática de la transferencia de calor entre el planchón y el molde requiere de un modelo que acople las ecuaciones de transferencia de calor con la descripción de las deformaciones termomecánicas. por ejemplo. las indicaciones de las termocuplas constituyen la entrada de datos de un algoritmo heurísitco que provee alarmas de perforación. la distancia medida según la línea central del planchón. los coeficientes de transferencia de calor que gobiernan el proceso térmico en el molde. mediante un procedimiento de análisis inverso. Un procedimiento alternativo es usar una ley empírica que describa el flujo de calor entre el planchón de acero y el molde. El objetivo de modelar los procesos de producción es la investigación de las ventanas tecnológicas de estos procesos. Cuando el planchón de acero sale del molde y continúa su solidificación. es decir. la ecuación de Savage- Pritchard4 y las modificaciones propuestas por Brimacombe y co-autores5. Otra alternativa6 es usar las indicaciones de las termocuplas del molde para evaluar. entre el menisco y la sección del planchón dónde la solidificación es completa se llama "longitud metalúrgica". el lugar en el espacio de las variables de proceso dónde el producto alcanza las especificaciones requeridas y es económicamente viable. En el caso de la colada continua el enfriamiento del exterior del planchón es más rápido que el del interior. (Avner. 1906. 150). El modelado del acoplamiento termo-mecánico del proceso de conformado de metales ha sido discutido en varias publicaciones.4 Marco conceptual Acero: Aleaciones de hierro-carbono. cuyas composiciones oscilan generalmente entre 0. 661) 36 . 2. también hay una evolución no homogénea de temperaturas que inducen altas tensiones que pueden dañar el material. Las deformaciones térmicas diferenciales pueden inducir la formación de fisuras dentro del planchón8. aunque no son aleaciones binarias (Álvarez. Estas deformaciones térmicas son incrementadas por las transformaciones de fase líquido-sólido y por las transformaciones de fase en estado sólido. 1990. etc. induciendo por lo tanto deformaciones térmicas diferenciales. Aleación: Sustancias con propiedades metálicas y compuestos por dos o más elementos químicos. entre ellas. de los cuales. temple. por lo menos uno es un metal elemental. Pág. Por ello es necesario controlar adecuadamente las deformaciones térmicas durante el proceso de conformado y por lo mismo es necesario que el modelo numérico que simule el proceso incluya dichas deformaciones térmicas y su efecto. en otros procesos tales como conformado de metales. Los desarrollos disponibles en la literatura de modelos de conformado de metales que utilizan la formulación de flujo (modelos de materiales rígido-viscoplásticos) sólo incluyen para el acoplamiento termomecánico el calor generado por disipación viscoplástica en el balance de energía y la variación de las propiedades mecánicas con la temperatura en el balance de momentos.10 al 1.7 por ciento de carbono. Pág. por la resistencia de un conductor o por otras fuentes de calor. Colada: El proceso de colada permite obtener piezas o lingotes. 1989. el cual toma la forma del molde al solidificar. 2). 1985. 644). Metalurgia: Ciencia y tecnología de los metales. 37 . funde o volatiliza y descompone un cuerpo. Pág. Pág. pág. 21). (Uniovi. 1985. pág. Pág. sólidos. 247) Fase: Región homogénea. Pág. físicamente distinta y mecánicamente separables de una microestructura mecánica. (Smith.5% de hierro y poco carbono (Avner. Ferrita: Componente del acero que contiene más del 99. a partir del metal líquido el cual lo hemos logrado por procesos extractivos y de afino. Pág. 2006. 152). 2009. Horno: Aparato cerrado o recinto donde se produce calor por la combustión de un material. (Quezada. (García. 146) Horno de fusión: Los hornos de fusión son los equipos o dispositivos utilizados en la industria. Pág. (Askeland. utilizado para someter a transformaciones físicas o químicas a los objetos que se introducen en ellas.Calor: Fenómeno físico que eleva la temperatura y dilata. 2007. 670). Diagrama de fases: Esquema que muestra las fases y sus composiciones en cada combinación de temperatura y composición de la aleación. la metalurgia física se ocupa de las propiedades físicas y mecánicas de metales como son afectados por la composición el trabajo mecánico y el tratamiento térmico. El proceso de colada consiste simplemente en llenar un molde con el material fluido. 2002. La metalurgia de proceso (química tiene por objeto la extracción de metales de sus minerales y la refinación de metales. (Avner. (Askeland. 1990. 67). en los que se calientan los materiales y las piezas o elementos colocados en su interior por encima de la temperatura de fusión. (Masterton. agua superficial. aunque sí su estructura. (Océano 1994 pág. agua residual) en la cual se analizarán los parámetros de interés. agua subterránea. 11). agua para consumo humano. 1985. (Hervás. valor que se mide basándose en una de las diferentes escalas existentes.Muestra: parte representativa del material a estudiar (para este caso agua natural. 726) Tratamiento térmico: El metal es sometido a procesos térmicos en los que no varía su composición química. 521). Pág. Pág. 38 . 2002. Temperatura: Propiedad de la materia que refleja la cantidad de energía en movimiento de las partículas que la componen. Al respecto la Universidad Nacional Abierta (2012) la define como “aquellos conocimientos 39 . las técnicas e instrumentos de recolección de datos y la forma de presentación de resultados. En este capítulo se refleja el procedimiento metodológico utilizado para desarrollar la investigación. (Pág. Al respecto Bigott (2012) señala “que el marco metodológico es un proceso sistemático que conlleva a lograr un tipo de conocimiento. durante las etapas de calentamiento. 30. Pág. 3. durante las etapas de calentamiento. el perfil térmico de un planchón de acero AISI 1020. derivado del objeto del estudio”. En tal sentido Rojas de Narváez (2009) define: “la investigación descriptiva comprende la descripción. registro. el cual va permitir mediante una serie de estudios realizados sistemáticamente dar a conocer el tipo y diseño de estudio.1 Tipos de investigación Descriptiva Esta investigación se ubica dentro de los estudios descriptivos porque de una manera clara y concisa se puede explicar cómo es el perfil térmico de un planchón de acero AISI 1020. Aplicada En esta investigación se estudia de forma sistemática y práctica. análisis e interpretación de la naturaleza actual y la composición o procesos de los fenómenos para presentar una interpretación correcta. mediante la aplicación de un método específica. 38). CAPÍTULO III MARCO METODOLÓGICO El marco metodológico incluye las técnicas o métodos que se utilizan para la recolección de datos para así poder interpretar los resultados en búsqueda de la solución del problema en estudio. 5). 3. con el propósito bien sea de describirlo. interpretarlo.que se buscan con fines de aplicación inmediata a la realidad para modificar” (Pág. durante las etapas de calentamiento en FLASA (ver anexo A).2 Diseño de la investigación Diseño de campo Para la implementación de este estudio se empleó el diseño de investigación de campo. en este sentido se trata de una investigación a partir de datos originales o primarios. en ella se apoya el investigador para obtener el mayor número de datos” (Pág. hecho o caso. haciendo usos de métodos característicos de cualquiera de los paradigmas o enfoque de investigación conocido o en desarrollo. 40 . Los datos de interés son recogidos en forma de la realidad. explicar sus causas y efectos o predecir sus causas y efectos o predecir su ocurrencia. el cual se hará directamente en el área o ambiente natural donde se encuentra el objeto de estudio que en este caso en Fundación La Salle. 119). 3. ya que mediante la misma se visualizará el perfil térmico de un planchón de acero AISI 1020. La observación es un elemento fundamental de todo proceso investigativo. entenderlo por su naturaleza y factores constituyentes. 2011) plantea que: Se entiende por diseño de campo el análisis sistemático de problemas en la realidad. En tal sentido la Universidad Pedagógica Experimental Libertador (UPEL.3 Técnicas e instrumentos de recolección de datos Observación directa Para recaudar la información. 94). la cual es una técnica fundamental e indispensable en el desarrollo de este estudio. (Pág. se emplea la observación directa. Según Puente (2010) señala que “Es una técnica que consiste en observar atentamente el fenómeno. tomar información y registrarla para su posterior análisis. características o modalidades que asumen los objetos”. durante las etapas de calentamiento. De tal forma Ibid (2012) refleja que: “se realiza previendo las preguntas ordenadamente y de forma sistemática” (Pág. Revisión documental Se utilizó una gran variedad de libros bibliográficos y consultas en internet para presentar el fundamento de los perfiles térmicos de un planchón de acero AISI 1020. (Pág. “En tal caso Arias (2011) dice: “Representa diferentes condiciones. Es la que el investigador manipula con el objeto de observar 41 . Balestrini (2010) dice que: “Se refiere a la actitud que surge en la investigación por profundizar en uno o varios enfoques teóricos que tratan el problema que se explica. 58). 38) Variable independiente En base a lo anterior puede referirse que la variable independiente es la causa que se presume del hecho.4 Sistema de variables Es una característica observable o un aspecto confuso en un objeto de estudio que puede adoptar diferentes valores o expresarse en varias categorías pudiéndose encontrar dos o más variables que la constituyan.Entrevista estructurada Se realizó este tipo de entrevistas con la finalidad de justificar el objeto en estudio. a partir de los cuales se espera avanzar en el conocimiento planteado”. 3. realizándoles de forma individual para obtener mayor credibilidad y lograr obtener opiniones concretas que permitan desarrollar la investigación. la cual se realizaron nueve (9) preguntas de ítems cerrados a un grupo de 15 alumnos. dentro de los cuales todos están directamente relacionados con el tema (anexo B). (Pág. en el marco referencial. 35). cualidades. 6). Variable dependiente Es la consecuencia que la preside. Es el efecto existente. 42 . Sabino (2010) la conceptualizo como: “Es la variable que dentro de la investigación no necesita de ninguna otra”. (Pág. (Pág.los riesgos y problemas relacionados con ella. 162). La variable dependiente son las etapas de calentamiento en el planchón de acero AISI 1020. La variable independiente es el perfil térmico del planchón de acero AISI 1020. que aunque no se enuncie directamente al plantear el problema puede afectar los resultados alterándolos o modificándolos. “Es la variable que representa como consecuencia de una variable antecedente”. Tamayo y Tamayo (2012) explica que. otro tipo de variable. ya que son las zonas más calientes en el material y son las zonas que se calientan más rápido y permanecen a las temperaturas más altas. 4. ya que dependiendo del espesor y figura geométrica que presente. que también mostrará si la temperatura se homogenizará completa y proporcionalmente durante el tiempo usado d) Las temperaturas en bordes o esquinas del planchón. respecto al interior del planchón e) La geometría del planchón. CAPÍTULO IV RESULTADOS Se presenta el desarrollo técnico de cada uno de los objetivos planteados y que dan lugar a la resolución del objetivo general. entre las que se tienen las siguientes: a) La temperatura del horno al inicio: ya que esta señalará cuan brusco será la rata de calentamiento del planchón.1 Variables de mayor influencia en el calentamiento de un planchón Para el calentamiento de un planchón se consiguen muchas variables que actúan sobre él. debido al gradiente de temperatura inicial y que indicará el tipo de transferencia de calor que operará en el proceso b) La difusividad térmica del acero AISI 1020. ya que temperaturas no homogéneas inducen a altas tensiones que pueden dañar el material c) la conductividad térmica del acero 1020. tendrá un proceso de transferencia de calor muy particular 43 . cumpliendo con la meta propuesta en esta investigación. Se hizo uso del conocimiento teórico obtenido durante la carrera y de la bibliografía técnica correspondiente a este tema. mientras que solo 4 alumnos. equivaliendo eso a decir que.2 Condiciones de borde para el calentamiento del planchón Para la operación de calentamiento de un planchón se consideraron las siguientes condiciones de borde: a) Para t = 0 segundos. de una manera homogénea. señalaron que para ser laminado. hacia el interior del mismo. 11 alumnos. es decir la difusividad y conductividad térmica del acero AISI 1040 permiten una transferencia de calor. lo que sugiere un desconocimiento completo sobre el proceso operativo presentado. Por otro lado. respondieron no saber cuáles son las variables que pueden influir en el calentamiento de un planchón. el 27 por ciento restante. no conocen la razón por la que calientan al planchón. es decir. Ante otra pregunta. que equivalen al 100 por ciento. a la misma profundidad dentro del plancho. los 15 alumnos. el horno calienta homogéneamente en todo su interior. T = Temperatura inicial del horno. no existiendo diferencias notables de temperatura dentro de cualquier espacio del mismo. 15 alumnos. que representan el 73 por ciento. y por lo tanto la temperatura que recibe el planchón es igual en cada punto de su superficie. es decir la diferencia inicial de temperatura (T) será encontrada entre la de entrada del planchón al horno (temperatura ambiente) y la temperatura inicial del horno (T). c) Iguales gradientes de temperatura al mismo espesor interno. lo que hace presumir que hay fallas en los conocimientos sobre hornos y tratamientos térmicos enseñados. 4. señalaron no conocer el ciclo de calentamiento de un planchón. esto nos indica que hay desconocimiento en el proceso operativo de la acería de planchones. el 100 por ciento. homogenizado u otros procesos de conformado. debe 44 . b) Calentamiento homogéneo en toda la superficie. el 100 por ciento. esto sugiere que hay un desconocimiento completo acerca de este tema. no tienen idea del concepto de condiciones de borde. señalaron no conocer mucho sobre los modelos de simulación realizados en Excel. es decir se calienta de manera homogénea. el 100 por ciento.3 Geometría del planchón. d) Transferencia de calor por convección (a bajas temperaturas) y radiación (a altas temperaturas) Se encontró que los 15 alumnos encuestados. 45 . De igual manera. no saben a qué se refiere el término de simulación ni como relacionarlo con el planchón. existir la misma temperatura. De nuevo los 15 alumnos. ni trabajar mucho con este tipo de programación. lo que hace pensar que debe dárseles cursos más profundos con Excel. esto indica que los estudiantes no conocen ni han oído hablar acerca de este artificio matemático muy usado por lo que hay que enseñarles sobre esta materia. los 15 alumnos encuestados. en el espacio bidimensional Se tomaron las dimensiones de los planchones producidos en Sidor. el 100 por ciento. a saber: Forma: rectangular Largo: 6 m Ancho: 1 m Esta geometría define la manera en que se va a calentar el planchón y el tipo de transferencia de calor que asumirá. no hay puntos calientes. 4. d = 7870 kg/m3 Capacidad calórica del acero AISI 1020. el 47 por ciento restante. equivalentes al 87 por ciento. no sabían cuál era su geometría. mientras que 7 alumnos. k = 51. solo 2 alumnos. Este programa está basado en formulas relacionadas al proceso de calentamiento según el tipo de material utilizado. esto hace pensar que debe explicarse muy bien cómo influye la geometría del planchón en el proceso de calentamiento. a = 1 m Alto del planchón de acero AISI 1020. señalaron que la geometría del planchón era rectangular. 13 alumnos.9 W/m ºK Densidad del acero AISI 1020. en este caso un acero de bajo carbono AISI 1020. Tf = 1250 ºC Temperatura inicial del horno. Los datos de entrada y condiciones son las siguientes: Se seleccionaron 20 nodos o particiones en x Se seleccionaron 4 nodos o particiones en y Temperatura del fluido. h = 6 m Espesor del planchón de acero AISI 1020. Cp = 486 kJ/g ºC Ancho del planchón de acero AISI 1020. 4. Ti = 200 ºC Conductividad térmica del acero AISI 1020. e = 0. el 53 por ciento. durante las etapas de calentamiento. esto sugiere que han escuchado hablar o visto un planchón. el 23 por ciento. indicaron que la geometría del planchón influye en su velocidad de calentamiento.4 Resultados de la simulación del perfil térmico de un planchón de acero AISI 1020. mediante diferencias finitas Se introdujeron los datos en el programa de Excel creado para la simulación del calentamiento del planchón.2 m 46 . dijeron no saberlo. 8 alumnos. 481695568 Tesquina = x2/{4α*(1 + Bi)} = 31. Viene definido por: Bi = h*x/k Los valores y graficas obtenidas de la simulación se muestran a continuación. Fo = 0.0599711 Tcrítico = valor mínimo entre (Tesquina. 47 .05 Tiempo.168258898 Numero de Biot. t = 5*Tproceso = 155 Difusividad térmica del acero AISI 1020. Cp ) de un material.0859883 Tproceso = Tcrítico (redondeado como número entero) Número de interacciones = 5 Se muestran los resultados de 5 interacciones + 1 La difusividad térmica (α) relaciona la conductividad y la capacidad de almacenamiento térmico (calor específico.35693*10-5 Número de Fourier. siendo su expresión: α = k/Cp*d El número de Fourier define la temperatura (T) en un instante (t) a través de la ecuación: Fo = α*t/x2 El número de Biot relaciona las resistencias térmicas conductiva y convectiva.11975932 Tinterno = x2/4α = 46.0859883 Tarista = x2/(4α + 2α*Bi) = 37. x = y = 0. la temperatura interior del sólido será prácticamente uniforme en cada instante. Bi = 0. y por tanto. cuando es bajo. Tarista y Tinterno = 31. también lo es la resistencia conductiva. α = 1. 48 . Figura 9. Tabla 3. luego en los nodos del frente convectivo. entre 400-600 ºC y luego el interior del planchón con temperaturas de entre 200-400 ºC. Valores de temperaturas a lo largo de los nodos del planchón. Perfil térmico obtenido para el calentamiento del planchón AISI 1020. Se observa que las zonas más calientes están en los nodos de aristas. con temperaturas de entre 600-800 ºC. producidos en Sidor. lleva a una conclusión correspondiente. de 200 a 400 ºC. CONCLUSIONES El desarrollo y evaluación de cada uno de los objetivos específicos.600 ºC) y las temperaturas más bajas en los nodos internos. Las condiciones de borde usadas señalan que hay un calentamiento homogéneo en toda la superficie. 49 . las temperaturas en bordes o esquinas del planchón y la geometría del planchón. la difusividad. las cuales son presentadas a continuación. Las variables de mayor influencia son: la temperatura del horno al inicio. Las dimensiones de los planchones rectangulares. seguidas por las del frente convectivo (400 . la conductividad térmica del acero 1020. iguales gradientes de temperatura al mismo espesor interno y transferencia de calor por convección. son 6 m x 1 m y fueron los valores utilizados en este trabajo. Los resultados de la simulación (Tproceso) indican que las temperaturas homogéneas más altas se encuentran en los nodos de arista. sobre todo de las empresas basicas. Tener documentación o acceso a internet donde puedan ubicarse las principales características de los materiales a usar. RECOMENDACIONES Las siguientes recomendaciones surgen de este trabajo de tesis y permitirán ampliar los conocimientos sobre este tema. para poder explicar los fenómenos observados. Preparar a los profesores sobre esta técnica o realizar cursos sobre el proceso de simulación. Registrar todas las variables del proceso en tablas de cálculo en Excel y dejarlas a disposición de los alumnos para su uso. 50 . Solicitar bibliografía sobre material que trate sobre procesos de simulación y de cómo seleccionar las condiciones de borde. Venezuela. Francisco. González. McGraw Hill. William. no publicado. (2014). Edición). Caracas. (2004). Cicutti. Modelo bidimensional del calentamiento de cinta de acero laminada en caliente. Luis. Simulación numérica de tubos de acero. (2012). Modelo inverso de estimación del coeficiente de transferencia de calor acero-molde. Askeland. Carlos. María y Rivas. (2009). no publicado. Méndez. (5ª. Publisher. Universidad Autónoma de Nuevo león. (2001). Raúl. 51 . (3ra edición). Metodología. (1999). Nociones de Metodología de Investigación Científica. Ciencia e Ingeniería de los Materiales. (2014). Revista Metalurgia. Irene. Leiva. Madrid. Trabajo de grado. S. Episteme. Argentina. Callister. México.A. Bogotá. Hernández. Universidad de Buenos Aires. (3ra Edición). Revista Mecánica Computacional. Diseño y desarrollo del proceso de investigación. El Proyecto de la investigación. Buenos Aires. McGraw Hill Interamericana. Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales. Caracas. Carlos. Fidias (2006). (4ta Edición). en el proceso de colada continua de planchones. Bacchiarello. México. Enfriamiento secundario. Marcial. II parte. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Arias. Reverté. Donald. Trabajo de grado para obtener el título de Ingeniero Mecánico. Montanaro. Transferencia de calor en la colada continua de aceros. (4ª. Metodología de la Investigación. (2003). (2000). Modelado termo-mecánico del proceso de colada continua de planchones de acero. El proceso de la investigación. (4ta edición). Sabino. Edición). México. (2000). Eduardo. Asti. (2002). McGraw Hill Interamericana. Buenos Aires.Morales. Argentina. 52 . Kapeluz. Métodos de Investigación. Salkind. México. El Proceso de investigación científica. Revista Mecánica Computacional. (2007). Maracaibo. (1998). Tamayo y Tamayo. Gabriela. Metodología de la investigación.F. Carlos. Proeduca. Metodología de la Investigación I: Manual teórico- práctico. (5ª. Toscano. Vera. Prentice Hall. Panapo. Limusa. Sampieri. Edición) Caracas. México. Rita y Dvorkin. Roberto. D. (2009). Neil. ANEXOS 53 . I material Realización de la simulación 11-06-2015 Se incluyeron datos y gráficos en el programa Excel Discusión de resultados con 15-06-2015 el tutor Se corrigieron los errores 15-07-2015 Se entregó el informe final revisados 54 . la aplicación del instrumento Se buscaron todas las 10-06-2015 constantes a utilizar del Se usaron datos del ASME Vol. J-00066762-4 METALURGIA ANEXO A MATRIZ DE OBSERVACIÓN FECHA ACTIVIDAD OBSERVACIÓN 29-04-2015 Entrevista con el tutor Se discutieron título y objetivos Búsqueda de información No había información disponible 07-05-2015 bibliográfica sobre este tema en la biblioteca Búsqueda del programa de Se grabó en la computadora de 25-05-2015 simulación en Excel la coordinación de metalurgia Se ejecutó la entrevista Se observó receptividad durante 07-06-2015 estructurada. INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA DEL MAR EXTENSIÓN CIUDAD GUAYANA RIF. con la finalidad de indagar la opinión que tienes los alumnos sobre los programas de simulación. Fundación la Salle de San Félix. 1. INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGIA DEL MAR EXTENSIÓN GUAYANA RIF: J-00066762-4 METALURGIA ANEXO 2 ENTREVISTA ESTRUCTURADA La siguiente entrevista fue aplicada exclusivamente a 10 de los estudiantes de Metalurgia de Instituto Universitario de Tecnología Industrial del Mar. ¿Sabe lo que son las condiciones de borde? SI__ No__ 5. ¿Conoce el ciclo de calentamiento de un planchón? SI__ No__ 4. ¿Conoce la razón por la que se calienta el planchón? SI__ No__ 3. ¿Conoce lo que es un proceso de simulación? 55 . ¿Sabe cuáles son las variables que influyen en el calentamiento de un planchón? SI__ No__ 2. Estado Bolívar. SI__ No__ 6. ¿Sabe cuál es la geometría que tiene un planchón? SI__ No__ 8. ¿Cree que la geometría del planchón influye en la velocidad de calentamiento? SI__ No__ 56 . ¿Ha oído sobre modelos de simulación realizados en el programa Excel? SI__ No__ 7.
Report "Simulación de tratamiento térmico en acero 1020"