CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
I-1. Antecedentes
La resolución de 3 de Septiembre de 1998 de la Universidad de Sevilla en el B.O.E de 18 de Septiembre donde se habla de la titulación de Ingeniero Industrial, establece en el Plan de Estudios que para la obtención del título de Ingeniero Industrial, es necesario la realización de un Proyecto de Fin de Carrera ( 6 créditos).
El Proyecto de Fin de Carrera está regulado por la normativa de Proyecto de Fin de Carrera (P.F.C), la cual tiene por objeto establecer las bases y normas sobre la definición, adjudicación, presentación, calificación y tramitación administrativa de los P.F.C.
Este P.F.C ha sido realizado por Alejandro Estefani Morales y dirigido por los profesores Antonio Blázquez Gámez y Elena Correa Montoto.
I-2. Introducción
Este proyecto se ha dividido en 5 partes:
1. PARTE 0: En esta parte del proyecto se introduce el problema, se definen los objetivos, se describe el proceso de fabricación del molde y ánodos y por último se describe el modelo de elementos finitos del molde en cuanto a la geometría, material, propiedades térmicas, termoelásticas y condiciones de contorno.
2. PARTE I: Corresponde al estudio del proceso de fabricación de moldes. Se modela el proceso de fabricación, se detallan los datos experimentales proporcionados por la empresa y se presentan los problemas térmicos y estructurales resueltos con sus conclusiones.
3. PARTE II: Corresponde al estudio del proceso de fabricación de ánodos. Se modela el proceso de fabricación, se detallan los datos experimentales proporcionados por la empresa y se presentan los resultados y conclusiones sobre el abarquillamiento y las predicciones del mismo.
4. PARTE III: En esta parte del proyecto se presentan las conclusiones finales de ambos procesos y las distintas propuestas de cambio en los procesos para evitar los problemas de agrietamiento y abarquillamiento.
5. PARTE IV: Se trata de la última parte y en ella se enumera la bibliografía consultada para la realización del proyecto.
I-3. Descripción del problema
Una empresa dedicada a la fabricación de elementos de cobre busca conocer el agrietamiento que se produce en moldes destinados a la fabricación de ánodos. Estos ánodos se utilizan en los procesos de electrolisis para la purificación del cobre.
I. Fig1. Agrietamiento en la superficie de vertido
En el proceso de fabricación de estos ánodos, se vierte la colada de cobre sobre un molde, también de cobre y fabricado por la propia empresa. Para el correcto funcionamiento de los ánodos se requiere que la superficie sea lisa, sin resaltos y suficientemente plana. En el control de la fabricación se detecta que un número elevado de ánodos no presenta una superficie suficientemente lisa, por lo que son rechazados. Este defecto es originado por la presencia de grietas en la cara de fuego del molde (siendo esta cara donde se aloja el ánodo), que producen unos nervios que obligan a sustituir el molde.
En ocasiones esta sustitución debe hacerse para edades muy tempranas del molde e incluso antes de entrar en el proceso productivo, encareciendo de forma importante el coste de fabricación. Las grietas no presentan una orientación preferente y se distribuyen aleatoriamente como se puede observar el I. Fig 1.
La empresa ha realizado un corte en un molde nuevo (antes de fabricar ningún ánodo) para su inspección, y ha comprobado que aparecen grietas y poros a todo lo ancho del espesor y superficie del molde. Por lo que parece razonable concluir que estos defectos se generan durante el proceso de fabricación del molde.
También refiere la empresa que, en ocasiones, al despegar el ánodo se arrastra una capa
Para intentar solucionar el problema, la empresa ha introducido algunos cambios en el proceso de fabricación y ha realizado internamente un estudio metalúrgico.
La conclusión principal del citado estudio metalúrgico es que la formación de un eutéctico del cobre con el oxígeno pudiera justificar una refusión de la zona donde se forme. Esta refusión se produce por la disminución del punto de fusión del material de 1080 a 1060 ºC por la formación de este eutéctico, facilitando la difusión de los gases y la formación de vapor de agua. Por ello el interés en comprobar si existen recalentamientos en la superficie donde se produce el agrietamiento.
La empresa comunicó la existencia de unos moldes antiguos (en desuso), los cuales tienen la misma forma geométrica y menor altura, donde no afloraba el agrietamiento a la superficie en la cual se produce el vertido, sin embargo, estos moldes presentaban problemas de abarquillamiento. Por el contrario, los moldes actuales se agrietan y no presentan abarquillamiento, o al menos no lo hacen en el ciclo de trabajo.
La existencia de este molde antiguo es muy útil, ya que dada la cantidad de parámetros desconocidos para la modelización numérica, nos permite realizar un estudio comparativo entre ambos moldes, pudiendo comparar comportamientos de uno y otro para las mismas condiciones de operación.
En esta situación, la empresa solicita al grupo de Elasticidad y Resistencia de Materiales, la realización de un estudio tensional del proceso de fabricación del molde, con el fin detectar si las condiciones térmicas son tales que se favorece la aparición del eutéctico, si existen causas tensionales que pudieran justificar la aparición de las grietas y proponer soluciones a los problemas mencionados.
Para ello se cuenta con las dimensiones del molde actual y del antiguo, los detalles del proceso de fabricación y algunas mediciones de temperaturas realizadas durante el mismo.
Adicionalmente la empresa manifiesta el interés por conseguir un nuevo diseño de molde de 2 Tm de peso.
I-4. Objetivos
El modelo de elementos finitos del molde estudiado en el proyecto se ha resuelto mediante el programa comercial ANSYS v 8.0.
Con esta aplicación informática se busca poder modelar todo el proceso de fabricación en todas y cada una de las fases que lo conforman, pudiendo de esta forma estudiar la evolución de las magnitudes térmicas y estructurales a lo largo de las distintas etapas del proceso de fabricación del molde y el proceso de funcionamiento (fabricación de ánodos) con los siguientes objetivos:
• En primer lugar detectar la existencia de alguna causa tensional que pudiera justificar la aparición de grietas en la cara de fuego del molde. Para ello deberá obtenerse previamente la evolución del campo térmico y modelar las acciones que la plantilla ejerce sobre el molde en las diferentes etapas del proceso de fabricación.
• Comprobar si se incentiva la aparición del eutéctico Cu-O2. Para ello será necesario modelar la evolución del campo térmico del molde durante su proceso de fabricación, incluyendo el incremento de energía derivado de la solidificación.
• Predecir el abarquillamiento y su evolución en el molde durante el proceso de fabricación de ánodos. Para ello será necesario obtener previamente el campo térmico que se origina en el molde durante dicho proceso.
Los dos primeros objetivos están enfocados hacia el conocimiento de las causas que originan los problemas del molde actual. El tercer objetivo está enfocado hacia las comprobaciones que permitirían validar una propuesta de molde nueva.
Se considerará el comportamiento elastoplástico del material y, dadas las elevadas variaciones de temperaturas que aparecen, es necesario considerar la variación de las propiedades térmicas y mecánicas con la temperatura.
La propia naturaleza del problema bajo estudio es ya compleja de por sí, a lo que se suma la falta de datos asociados a la transferencia de calor del molde con el ambiente y de la evolución de las propiedades térmicas y mecánicas con la temperatura.
Por ello existen una serie de condicionantes que se detallan a continuación:
1) Las variables que definen los mecanismos de transferencia de calor por conducción y convección en nuestro problema no se conocen, de forma que hemos de ajustar unos valores estimativos para los distintos coeficientes que los definen.
2) Las propiedades mecánicas del cobre varían con la temperatura. Se ha buscado en bibliografía las variaciones para el cobre del molde, pero no se encuentra, por lo tanto se ha tenido que estudiar la evolución del límite elástico y del modulo de Young, tomando distintas formas de evolución y analizando las diferencias en los resultados para un caso y para otro.
Además de los objetivos comentados anteriormente, existen una serie de objetivos personales a cumplir con la realización de este Proyecto de Fin de Carrera, que se definen a continuación.
• En primer lugar aprender a utilizar un programa de elementos finitos, desde la creación de la geometría hasta la obtención de los resultados, pasando por la definición de propiedades, elementos, mallado e imposición de condiciones de contorno.
• En segundo lugar interpretar resultados y poder discernir cuales son las variables que se deben estudiar deacuerdo a la problemática del caso bajo estudio.
• Diseñar un modelo de elementos finitos que permita la modificación de los coeficientes que definen los mecanismos de transferencia de calor de manera suficientemente fácil, para poder solucionar los distintos casos sin mucha variación entre uno u otros.
• Comprobar los efectos de la variación de los coeficientes que definen los distintos mecanismos de transferencia en la distribución de temperaturas y tensiones, de manera que los resultados numéricos se ajusten de manera razonable a los datos experimentales.
I-5. Planificación temporal.
La duración del presente proyecto (8 meses), abarca desde el mes de Mayo de 2006 hasta la fecha de presentación del mismo (Diciembre de 2006).
En el primer mes se estuvo analizando los planos y los procesos reales de fabricación de moldes y ánodos, además de recabar información en bibliografía de las propiedades térmicas y mecánicas necesarias para la resolución de los modelos y finalmente diseñar un modelo geométrico representativo de la realidad.
Los siguientes tres meses corresponde a la modelización numérica mediante los elementos finitos. Resolviendo el problema térmico y estructural del modelo simplificado.
Se estableció las posibles causas del agrietamiento y una primera solución para evitarlo, además se diseñó el modelo geométrico del molde sin simplificación.
Los dos meses siguientes corresponden al análisis del problema térmico con solidificación, resolviendo el modelo para obtener un campo de temperaturas mucho más real. Paralelamente se estudió el proceso de fabricación de ánodos, creando un modelo sobre el ya existente para el proceso de fabricación, pero que tiene en cuenta los efectos del ánodo sobre el molde. Se hicieron estimaciones de la vida útil de los moldes hasta dos meses. Finalmente se definió una nueva propuesta de molde
En los últimos dos meses se retoma el problema con solidificación y se calcula el estructural, para así poder comparar las conclusiones que se obtienen para el problema sin solidificación.
Finalmente se procede a la redacción del presente proyecto.
