Modelización matemática y simulación eficiente de tratamientos térmicos de aceros en diversos procesos industriales

Resumo

Los tratamientos térmicos de aceros (como por ejemplo los procesos de temple y revenido) son procesos ampliamente usados en la industria que permiten modificar las propiedades de las piezas según su funcionalidad. Básicamente, consisten en calentar las piezas hasta una determinada temperatura para conseguir la estructura deseada para posteriormente realizar un enfriamiento que determinará la estructura metalúrgica y propiedades mecánicas finales. Existe una gran variedad de tratamientos en función de si se desea aumentar tenacidad, dureza, resistencia al desgaste, etc. A pesar de conseguir las propiedades deseadas, existe la posibilidad de que se produzcan fisuras o desviaciones respecto a cotas nominales en las piezas de acero durante el proceso del tratamiento térmico. Por tanto, el conocimiento de la evolución de la temperatura y de las fases metalúrgicas del acero (y consecuentemente de las tensiones y deformaciones mecánicas) durante el proceso resulta interesante para poder predecir defectos y minimizar rechazos. La simulación numérica permite optimizar los parámetros del tratamiento térmico, analizando de manera computacional condiciones que físicamente necesitarían mucho tiempo y coste de experimentación. El primer objetivo de esta tesis es el desarrollo de modelos matemáticos que permitan predecir los campos térmicos y la evolución de la composición metalúrgica (así como las deformaciones y los esfuerzos mecánicos inducidos) en un amplio abanico de tratamientos térmicos empleados en la industria. En particular se considerarán los procesos de austenización, temple, revenido y normalizado. En este marco, será necesario estudiar (además de las propiedades de los propios modelos matemáticos) las diferentes alternativas para la identificación de los parámetros involucrados en el modelo matemático. Por otro lado, se procederá al diseño de un esquema de resolución numérica y su implementación (preferiblemente en una herramienta de software libre como Code-Aster). La herramienta desarrollada permitirá así el análisis de diferentes procesos. Como complemento, se realizarán validaciones del modelo con resultados experimentales. El segundo objetivo está relacionado con el uso de los modelos matemáticos desarrollados previamente en las estrategias de control del proceso industrial. Lógicamente, se hace preciso contar con una implementación de los mismos muy eficiente que permita su integración en una herramienta que operará en tiempo real (de modo que los tiempos de computación del modelo sean extremadamente reducidos, lo que habrá de lograrse además empleando equipos de computación estándar). Para ello, se desarrollarán modelos de orden reducido (que trasladen gran parte del esfuerzo computacional a una etapa de preproceso) y se discutirá su implementación numérica, de cara a lograr un herramienta computacional capaz de hacer predicciones precisas en tiempo real e integrarse satisfactoriamente en la estrategia de control del proceso. Se mostrará la implementación de un modelo de orden reducido sobre un tratamiento térmico industrial complejo de cara a mostrar el potencial de la herramienta generada.