1. APLICACIN DE TCNICAS DE SIMULACIN EN LA OPTIMIZACIN DEL PROCESO DE COLADA CENTRFUGA VERTICAL PARA LA FABRICACIN DE CILINDROS DE LAMINACIN. Autores : Leonel Elizondo Trevio Director Tecnologa, Fundicin Nodular, S.A. Beatriz Pejenaute Rodrguez Responsable I+D+i, Fundicin Nodular, S.A. Juncal Guerrero Muoz Advanced Simulation Technologies, S.L. Jos Luis Suarez Sierra Advanced Simulation Technologies, S.L. Roberto Surez Sierra Advanced Simulation Technologies, S.L. Juan Jos del Coz Daz Universidad de Oviedo 18 aConferencia de Laminacin Rosario, del 1 al 4 de noviembre de 2010

2. Fundicin Nodular S.A, es una empresa fundada en el ao 1956 dedicada desde sus orgenes a la fabricacin de cilindros para laminacin. Est ubicada en Lugones, Asturias, en el norte de Espaa, muy cerca de los puertos martimos de Gijn, Santander y Bilbao. 3.

Fundicin Nodular S.A. cuenta con dos centrifugadoras verticales y capacidad para fabricar cilindros desde 500mm hasta 1200mm de dimetro de tabla acabado.

4. Cilindros centrifugados

• Temple indefinido : cilindros de trabajo para ltimas cajas acabadoras de TBCs y apoyos de Skin Pass.

• Hierroalto en Cr : cilindros de trabajo para primeras cajas acabadoras de TBCs y para laminacin en fro (Temper y Skin Pass).

• Aceroalto en Cr : cilindros de trabajo para cajas desbastadoras y primeras cajas acabadoras de TBCs.

5. Cilindros centrifugados

• Acero rpido : cilindros de trabajo para cajas desbastadoras y primeras cajas acabadoras de TBCs.

• Acero semirpido : cilindros de trabajo para cajas desbastadoras de TBCs.

6. Cilindros estticos

• Acero con 3% y 5% en Cr : cilindros de apoyo para laminacin tanto en fro como en caliente con la tecnologa DH (Differential Hardening).

• Otros cilindrospara laminacin de productos largos.

7. Actividades de R&D

Plantilla total de 185 personas, 9 en el Departamento de Tecnologa con una dedicacin importante a actividades de I+D y de mejora de procesos.

Fundacin ITMA(Instituto Tecnolgico de Materiales) Universidad de Oviedo Convenios de colaboracin continua con: Advanced Simulation Technologies, S.L. 8.

Acuerdos de colaboracin puntuales con otros centros tecnolgicos como:

Tecnalia Corporacin Tecnolgica CENIM Centro Nacional de Investigaciones Metalrgicas Y con empresas como por ejemplo las factoras asturianas de Arcelor Mittal entre otras. Actividades de R&D 9. Proceso de colada por centrifugacin vertical 10. Los programas para la simulacin de colada existentes en el mercado NO funcionan para la colada centrifugada. 11. MARCO GENERAL DE TRABAJO PARA EL DESARROLLO DE UN SIMULADOR DEL PROCESO DE COLADA CENTRFUGA DE CILINDROS DE LAMINACIN: INVESTIGACIN INDUSTRIAL: OBSERVACIN + HIPTESIS + EXPERIMENTACIN + RESULTADOS ESPECIFICACIONES E HIPTESIS DE TRABAJO MODELADO FSICO DEL PROBLEMA PROCESO INDUSTRIAL 3C SIMULACIN Y RESULTADOS ABSTRACCIN OBSERVACIN IMPLEMENTACIN Validacin Contraste Verificacin Acreditacin EXPERIMENTACIN 12. INVESTIGACIN INDUSTRIAL: METODOLOGA PROCESO INDUSTRIAL 3C Experimentacin con el proceso real en planta Experimentacin con un modelo del proceso Modelo Fsico Modelo Matemtico Solucin Analtica Simulacin 13. OBJETIVOS (I); ETAPAS DEL PROCESO 3C:

Colada de la capa.

Introduccin del flux.

Introduccin del termopar y registro de temperaturas.

Colada del primer y segundo ncleos, si lo hubiera.

Colada del resto del ncleo.

Colada de la mazarota.

Solidificacin y enfriamiento de la pieza.

14.

Geometra de la pieza y del molde (tabla y cuellos).

Pesos de los diferentes caldos (capa y ncleo) y del flux.

Composicin qumica de la capa.

Efecto de los distintos tipos de buzas y elementos del molde.

Efecto de la forma y tiempo de introduccin del flux.

Altura de los distintos tubos de colada.

Velocidad de rotacin de la mquina durante la colada de los caldos.

OBJETIVOS (II); VARIABLES Y PARMETROS: 15.

Trayectoria de los caldos en cada instante.

Distribucin de temperaturas en cada instante.

Estado del metal en cada punto y en cada instante

Temperatura estimada de lectura del termopar en cada instante.

Prediccin de tendencia al rechupe en la capa al colar el primer ncleo.

Prediccin del espesor de la unin entre capa y ncleo y del posible lavado de la capa.

OBJETIVOS (III); RESULTADOS: 16. INVESTIGACIN INDUSTRIAL: EXPERIMENTOS EN PLANTA PROCESO INDUSTRIAL 3C Experimentacin con el proceso real en planta Experimentacin con un modelo del proceso Modelo Fsico Modelo Matemtico Solucin Analtica Simulacin 17. INVESTIGACIN INDUSTRIAL: EXPERIMENTOS EN PLANTA (I) DATOS ENSAYO Velocidad (r.p.m.) 550 Caldo introducido (Kg.) 400 Tiempo de colada (seg.) 25.6 seg 18. INVESTIGACIN INDUSTRIAL: EXPERIMENTOS EN PLANTA (II) 19. PROCESO INDUSTRIAL 3C Experimentacin con el proceso real en planta Experimentacin con un modelo del proceso Modelo Fsico Modelo Matemtico Solucin Analtica Simulacin INVESTIGACIN INDUSTRIAL: SIMULACIN 20. INVESTIGACIN INDUSTRIAL: SIMULACIN (I); [MAGMA] 21. INVESTIGACIN INDUSTRIAL: SIMULACIN (II); [CFX] 22. INVESTIGACIN INDUSTRIAL: SIMULACIN (III); [EDEM] 23. INVESTIGACIN INDUSTRIAL: SOLUCIONES ANALTICAS PROCESO INDUSTRIAL 3C Experimentacin con el proceso real en planta Experimentacin con un modelo del proceso Modelo Fsico Modelo Matemtico Solucin Analtica Simulacin 24. INVESTIGACIN INDUSTRIAL: SOLUCIONES ANALTICAS (I) Adimensionalmente: 25. INVESTIGACIN INDUSTRIAL: SOLUCIONES ANALTICAS (II): [ANLISIS INSPECCIONAL]Ecuacin de Navier-Stokes, para el flujo incompresible de un fluido newtoniano con propiedades constantes: Tras varias manipulaciones matemticas se puede obtener la siguiente forma de la ecuacin de Navier-Stokes, en forma adimensional: La adimensionalizacin de las ecuaciones de Navier-Stokes, mediante la divisin de las variables originales en las citadas ecuaciones por valores caractersticos del problema en estudio, da lugar a una serie variables normalizadas (adimensionales) que ponen de manifiesto la relacin existente entre los distintos trminos y su importancia relativa (rdenes de magnitud) segn las caractersticas del flujo (los trminos marcados con un asterisco, aunque sean operadores matemticos, son adimensionales y de orden unitario). 26. INVESTIGACIN INDUSTRIAL: SOLUCIONES ANALTICAS (III): [ANLISIS INSPECCIONAL]Dicho anlisis, supone la obtencin de los siguientes grupos adimensionales (adaptados a las magnitudes caractersticas del problema que nos ocupa):

Nmero de REYNOLDS:

Nmero de FROUDE:

Nmero de EULER:

Nmero de STROUHAL:

27. INVESTIGACIN INDUSTRIAL: SOLUCIONES ANALTICAS (IV): [ANLISIS INSPECCIONAL]Con todo ello es posible formular ECUACIONES EMPRICAS para la estimacin del tiempo caracterstico de duracin del fenmeno transitorio: 28. INVESTIGACIN INDUSTRIAL: MODELOS FSICOS PROCESO INDUSTRIAL 3C Experimentacin con el proceso real en planta Experimentacin con un modelo del proceso Modelo Fsico Modelo Matemtico Solucin Analtica Simulacin 29. INVESTIGACIN INDUSTRIAL: MODELOS FSICOS (I) 30. INVESTIGACIN INDUSTRIAL: MODELOS FSICOS (II) 31. Toma y anlisis de datos Ajuste de una funcin de distribucin Validacin del ajuste 32. FORMAS FUNCIONALES POSIBLES: 33. PROCESO INDUSTRIAL 3C Experimentacin con el proceso real en planta Experimentacin con un modelo del proceso Modelo Fsico Modelo Matemtico Solucin Analtica Simulacin INVESTIGACIN INDUSTRIAL: SIMULACIN 34. La simulacin con computador es una tcnica que realiza experimentos en un computador con un modelo de un sistema dado. El modelo es el vehculo utilizado para la experimentacin en sustitucin del sistema real. En la mayor parte de los casos los experimentos de simulacin son la manera de obtener respuestas a preguntas del tipo "qu pasara s?", preguntas cuyo objetivo suele ser evaluar el impacto de una posible alternativa que sirva de soporte a un proceso de toma de decisiones sobre un sistema, proceso que puede representarse esquemticamente mediante el siguiente diagrama: PROPUESTA DE UN SIMULADOR ESPECFICO PARA EL PROCESO 3C: MODELO DE SIMULACIN Inputs Outputs (Decisiones, parmetros) (Resultados) Experimentacin 35. HIPTESIS DE TRABAJO:

Axilsimetra :

Se considerar un dominio fluido con simetra cilndrica en la que las nicas variables sern la posicin radial y la altura de cada partcula, es decir, se considera que el comportamiento de todas las partculas pertenecientes a un anillo de caldo es el mismo. Esta simplificacin, supone que se desprecian los posibles efectos y trminos oscilatorios y que el caldo en todo momento evoluciona anularmente variando su posicin concntrica con el eje de giro conjuntamente.

Equilibrio termodinmico :

El equilibrio termodinmico se establece en base a choques entre molculas, de tal forma que el tamao de una regin o partcula de fluido (o celda en la discretizacin) sea suficientemente pequea para que macroscpicamente se pueda considerar como puntual, pero lo suficientemente grande para ser mucho mayor que el recorrido de las molculas hasta su interaccin o choque, de tal forma que se puedan considerar estados de equilibrio locales.

Problema esencialmente cinemtico :

Esta hiptesis supone que la determinacin del campo de velocidades (real o aproximado) en cada instante y en cada punto permite obtener el resto de variables del sistema. Se formula tras analizar el anlisis inspeccional de las ecuaciones de gobierno.

36. PROPUESTA DE UN SIMULADOR: ESTRUCTURA No S Iniciacin Tiempo = 0. Estado del sistema: Lista de variables. Lista de parmetros. Llamada rutina de iniciacin Mientras Tiempo < T final simulacin Llamada rutina tratamiento del tiempo Llamada rutina TRANSFERENCIA (i) Rutina de iniciacin Tiempo = T fin Cdigo Ejecutivo Determinar el incremento de tiempo actualizar Tiempo. Gestin de entrada de partculas. Avance Calcular resultados. Generar informes. Generador de informes Actualizar la geometra del sistema.. Realizar la transferencia de calor. Actualizar estado fsico (slido-lquido Librera matemtica Rutina TRANSFERENCIA (i) 37. DATOS:

Variacin de la densidad con la temperatura.

Variacin de la viscosidad con la temperatura.

Variacin de la conductividad trmica con la temperatura.

Variacin del calor especfico con la temperatura.

Adems ser necesario establecer los rangos de temperaturas que establecen el estado fsico o estructura de la materia (transferencia de materia desde el estado slido al estado lquido). Igualmente ser necesario establecer los valores de los coeficientes de pelcula (coeficientes equivalentes para cuantificar la conveccin y la radiacin) involucrados en los procesos de transferencia de calor. 38. ALGORITMO DE SIMULACIN(prototipo programado en el lenguaje de simulacin APDL de ANSYS MECHANICAL):

Inicializar variables (geometra del molde, geometra del tubo de colada+buza, caudal de llenado y velocidad de rotacin de la mquina) y modelo (tamao de la discretizacin espacial y temporal):

Actualizar tiempo de simulacin (saltos discretos).

• Gestin de la entrada de las partculas en el sistema.

• Transferencia de cantidad de movimiento.

• Transferencia de calor.

• Transferencia de masa.

Generacin de resultados.

39. MODELO DE SIMULACIN: Se garantiza la ecuacin de CONTINUIDAD de forma implcita (tamao variable de celda): 40. MODELO DE SIMULACIN: PRIMEROS RESULTADOS 41. VERIFICACIN, VALIDACIN Y ACREDITACIN: DATOS Y PARMETROS DE COLADAS MODELO DE SIMULACIN COMPARACIN PROCESO INDUSTRIAL REAL RESULTADOS COLADA RESULTADOS DEL MODELO 42. Conclusiones

Estamos convencidos de que el desarrollo y la utilizacin de las tcnicas de simulacin expuestas, permitirn desarrollar un mayor y mejor conocimiento del proceso industrial, y que esto supondr una mejora en la calidad de los productos.

Este simulador, corriendo en paralelo al proceso productivo servir para calificar la calidad del cilindro en funcin de los parmetros reales de colada.

Y, adaptado a otras tcnicas (p.ej. Inteligencia artificial) permitir al operario de colada, prever la evolucin del proceso y adelantarse a los eventos en la toma de decisiones.

43. Fin Muchas gracias por su atencin www.nodular.com