Transferencia de calor y solidificación en la colada continua de aceros / Carlos Cicutti

Director: Dr. Roberto Boeri

Tesis presentada para la obtención del grado Doctor en Ciencia de los Materiales

Tesis (doctorado)--Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Dpto. de Materiales, 1999.

En estos últimos años, la proporción de aceros fabricados por la colada continua ha crecido notablemente llegando a ser, en muchos países, la única alternativa de producción. Si bien este proceso tiene muchas ventajas sobre el colado convencional, la solidificación del producto se completa en pocos minutos, haciendo que la calidad obtenida esté fuertemente relacionada con la evolución de temperaturas. por lo tanto, para poder optimizar los distintos parámetros del proceso es importante disponer de herramientas que permitan redecir, cuantitativamente, los aspectos relacionados con la transferencia de calor y solidificación del acero. En este trabajo se desarrolló un modelo matemático que permite calcular la evolución térmica y solidificación de barras redondas y planchones de colada continua. El modelo resuelve la ecuación de conducción de calor en estado no estacionario empleando un método numérico. La relación entre fracción soidificada y temperatura dentro del rango de solidificación se calcula empleando otro modelo que predice la segregación de los elementos aleantes del acero entre las ramas dendríticas y vincula la concentración de los mismos con la temperatura de equilibrio. En los cálculos se considera también el efecto del cambio de fase producido por la reacción peritéctica así como el engrosamiento de las ramas dendríticas y la precipitación de inclusiones por reacción en el líquido segregado. Ambas partes del modelo (térmica y microsegregación) fueron validadas comparando los resultados obtenidos con soluciones analíticas conocidas y con determinaciones experimentales, tanto reportadas en la literatura como realizadas en el presente trabajo. El modelo fue posteriormente utilizado para simular las condiciones presentes en una máquina industrial de colada continua. Se realizaron mediciones en plata que permitieron ajustar las condiciones de contorno en la zona del molde y el enfriamiento secundario de la máquina, de manera de tener una buena descripción del campo térmico en el producto. Se incorporaron al modelo distintas expresiones para estimar los espaciados dendríticos obtenidos durante la solidificación del material. Los resultados fueron comparados con mediciones realizadas en barras coladas con distintas condiciones operativas. Si bien las mediciones presentan una dispersion importante, los resultados del modelo reproducen satisfactoriamente la forma en que varían los espaciados dendríticos en la sección de la barra. Finalmente, tomando como base la solución de Neumann, se desarrollaron también algunas expresiones analíticas que permiten predecir diferentes aspectos del proceso. Entre los resultados obtenidos se destacan las expresiones desarrolladas para estimar, en forma rápida, el espesor solidificado a la salida del molde y la evolución de la estructura de solidificación en planchones de colada continua. En general, estas expresiones reproducen con buena aproximación los valores medidos.