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1.1.1- Objetivos generales

Los objetivos generales de esta Tesis son los siguientes:

I. Revisar los fenómenos involucrados en el proceso de colada continua para la elaboración de palanquillas de acero tales como la transferencia de calor, las condiciones de enfriamiento, la microestructura de solidificación y la segregación.

II. Desarrollar una herramienta numérica multi-escala que simule la transferencia de calor, la microestructura de solidificación y la segregación en palanquillas de acero elaboradas con el proceso de colada continua.

III. Medir experimentalmente la microestructura de solidificación y la composición química en palanquillas de acero industrial de condiciones de proceso conocidos.

IV. Validar la simulación de la transferencia de calor con resultados numéricos de problemas industriales revisados en bibliografía. Asimismo, correlacionar la microestructura de solidificación y la cantidad de segregación con las mediciones experimentales del presente estudio.

7 V. Simular con el programa computacional desarrollado, en condiciones de operación reales para la fabricación de palanquillas de acero, la distribución del campo de temperaturas, los espaciados dendríticos y la cantidad de segregación.

1.1.2- Objetivos específicos

Los objetivos específicos que se desprenden de los objetivos generales son:

Del Objetivo General I:

1. Revisar el estado del arte de los diferentes aspectos de la transferencia de calor aplicada al proceso de colada continua, como la modelación matemática y las condiciones de frontera de la palanquilla en la zona del molde, la zona de enfriamiento con rociadores de agua y la zona en contacto con el medio ambiente.

2. Explorar en bibliografía, para diferentes condiciones de solidificación, la evolución experimental de los espaciados dendríticos primarios y secundarios y su relación directa.

3. Estudiar en el proceso de colada continua la vinculación de la transferencia de calor con los espaciados dendríticos primarios y secundarios, y con la segregación.

4. Relacionar micro y macrosegregación en el proceso de colada continua con la transferencia de calor y los espaciados dendríticos, para de este modo, proponer una formulación mixta que describa la segregación de las palanquillas de acero.

8 Del Objetivo General II:

1. Escribir un algoritmo en FORTRAN que pre procese los datos de operación del proceso de colada continua y genere un fichero de texto que contenga la siguiente información: la geometría del problema, las propiedades del material, temperatura de colada, la velocidad de colada y las condiciones de frontera.

2. Resolver numéricamente con el método de los elementos finitos la ecuación de balance de energía que gobierna el problema de transferencia de calor con un programa en lenguaje FORTRAN llamado módulo macro. La solución numérica del módulo macro debe considerar en el cálculo la solidificación, las condiciones de operación y, en la frontera, todos los mecanismos de extracción del calor que están involucrados en el proceso de colada continua.

3. Simular numéricamente con modelos analíticos y teórico-experimentales mediante un módulo micro o metalúrgico, escrito en lenguaje FORTRAN, los espaciados dendríticos primarios y secundarios en un corte transversal perpendicular a la colada de una palanquilla de acero.

4. Determinar en un corte transversal de una palanquilla la cantidad de segregación de los multicomponentes de la aleación, y además, considerar los efectos de la macrosegregación y la microsegregación a través de un programa escrito en FORTRAN denominado formulación mixta.

5. Acoplar el programa de pre-proceso con el módulo macro, el módulo micro y la formulación mixta. El acoplamiento consiste en un flujo de información desde el módulo macro al micro y a su vez hacia la formulación mixta. La herramienta computacional para la programación del código es el programa Intel Visual Fortran Compiler, dentro de la plataforma Microsoft Visual Studio.

6. Desarrollar un programa para ordenar y distribuir la información en ficheros de datos de salida, permitiendo de este modo la visualización de los resultados, del campo de temperaturas, velocidades de enfriamiento durante la solidificación, gradiente térmico, la longitud metalúrgica entre las líneas liquidus y solidus,

9 evolución de las líneas liquidus y solidus, espesor de la zona pastosa, así como también, el campo de los espaciados dendríticos primarios y secundarios, y, por último, la macrosegregación, la microsegregación y la segregación.

Del Objetivo General III:

1. Realizar un estudio metalográfico en muestras de palanquillas de acero al carbono, para la medición de la microestructura de solidificación, la composición química y la segregación.

Del Objetivo General IV:

1. Validar el módulo macro con una solución analítica de la ecuación de balance de energía en una dimensión, y además, contrastar la solución numérica de la transferencia de calor del presente estudio con problemas industriales de colada continua presentados en bibliografía.

2. Determinar con la solución numérica del módulo macro del presente estudio y mediciones experimentales de la bibliografía parámetros que dan origen a modelos empíricos de los espaciados dendríticos primarios y secundarios, y de este modo, validar la solución numérica del módulo micro con mediciones experimentales en un cuarto de palanquilla de acero de similar composición química.

3. Contrastar el resultado numérico de la formulación mixta con mediciones experimentales de segregación para un acero y determinar en dos dimensiones la evolución de la macrosegregación y microsegregación de la composición química para una palanquilla de acero.

Del Objetivo General V:

1. Observar en el proceso de colada continua los efectos de los parámetros de operación y composición química en diferentes palanquillas de acero industrial.

10 2. Determinar con el módulo micro la distribución de los espaciados dendríticos primarios y secundarios en seis palanquillas industriales con composición química y condiciones de enfriamiento particulares.

3. Obtener la distribución de segregación con una formulación mixta para el C, Si, Mn, P, S y Cr, y, presentar la evolución de la macrosegregación y microsegregación en la diagonal de la palanquilla.

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