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

Abstract

Los tratamientos térmicos de aceros (por ejemplo 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 de las deformaciones mecánicas inducidas) en un amplio abanico de tratamientos térmicos empleados en la industria. En particular se considerarán los procesos de austenización, temple, revenido, 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 realizará una validación 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 modelos 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.

Os tratamentos térmicos de aceiros (por exemplo temple e revenido) son procesos amplamente usados na industria que permiten modifica-las propiedades das pezas segundo a súa funcionalidade. Basicamente, consisten en quenta-las pezas ata unha determinada temperatura para consegui-la estrutura desexada para posteriormente realizar un enfriamento que determinará a estrutura metalúrxica e propiedades mecánicas finais. Existe unha gran variedade de tratamentos en función de si deséxase aumentar a tenacidade, dureza, resistencia ó desgaste, etc. A pesar de consegui-las propiedades desexadas, existe a posibilidade de que aparezan fisuras ou desviacións respecto ás cotas nominais nas pezas de aceiro durante o proceso do tratamento térmico. Polo tanto, o coñecemento da evolución da temperatura y das fases metalúrxicas do aceiro (e consecuentemente das tensións e deformacións mecánicas) durante o proceso resulta interesante para poder predicir defectos e minimizar rexeitamentos. A simulación numérica permite optimiza-los parámetros do tratamento térmico, analizando de maneira computacional condicións que fisicamente necesitarían moito tempo e custo de experimentación.

O primeiro obxectivo desta tese é o desenvolvemento de modelos matemáticos que permitan predici-los campos térmicos e a evolución da composición metalúrxica (así como as deformacións mecánicas inducidas) en un amplo abanico de tratamentos térmicos usados na industria. En particular vanse considera-los procesos de austenización, temple, revenido, normalizado. Neste marco, será necesario analizar (ademais das propiedades dos propios modelos matemáticos) as diferentes alternativas para a identificación dos parámetros involucrados no modelo matemático. Por outro lado, vaise procede-lo deseño dun esquema de resolución numérica e a súa implementación (preferiblemente nunha ferramenta de software libre como Code_Aster). Dita ferramenta permitirá así a análise de diferentes procesos. Como complemento, vaise facer unha validación do modelo con resultados experimentais.

O segundo obxectivo está relacionado co uso dos modelos matemáticos desenvoltos previamente nas estratexias de control do proceso industrial. Loxicamente, faise preciso contar cunha implementación dos modelos moi eficiente que permita a súa integración nunha ferramenta que operará en tempo real (de modo que os tempos de computación do modelo sexan extremadamente reducidos, usando ademais equipos de computación estándar). Para isto, desenvolveranse modelos de orden reducido (que trasladen gran parte do esforzo computacional a unha etapa de preproceso) y discutirase a súa implementación numérica, de cara a lograr unha ferramenta computacional capaz de facer predicións precisas en tempo real e integrarse satisfactoriamente na estratexia de control do proceso.

Heat treatments of steel (for example, quenching and tempering) are processes widely applied in industry used to modify the properties of workpieces in accordance with their function. Basically, they consist in a heating of the pieces to a specified temperature to get the desired structure and then a subsequent cooling. This will determinate their final metallurgical structure and mechanical properties. There are a great variety of treatments depending on whether you want to increase toughness, hardness, wear resistance, etc. In spite of getting the desired properties, it is possible that fractures and nominal measures deviations appear in the steel pieces during the heat treatment process. Therefore, the knowledge of temperature and metallurgical phases evolution of steel (and consequently mechanical stresses and deformations) in the process results very interesting in order to predict failures and minimize rejected pieces. Numerical simulation permits to optimize the heat treatments parameters, analyzing conditions that physically would need a lot of time and great experimental costs.

The first objective of this thesis is the development of mathematical models that allow us to predict the thermal fields and the evolution of metallurgical composition (as well as the induced mechanical deformations) in a wide range of industrial heat treatments. In particular, processes like austenizing, quenching, tempering and normalizing are considered. In this context, it will be necessary to study (in addition to the properties of the mathematical models) different alternatives for the identification of the parameters involved in the model. On the other hand, the design of a numerical solution scheme and its implementation are performed (preferably in a free software tool as Code_Aster). The developed tool will allow us to analyze different processes . Additionally, a validation of the model is performed with experimental results.

The second objective is related to the use of the previously developed mathematical models in the control systems of the industrial process. Logically, a very efficient implementation of the models is needed in order to integrate them in a tool working in real time (thus computation time of the model should be extremely low, which besides it has to be achieved using standard computer equipment). To do this, reduced order models will be developed (for which much of the computational effort will be made in a preprocessing stage) and their numerical implementation will be discussed, in order to achieve a computational tool capable to make accurate predictions in real time and successfully integrated in the process control system.