Predicción microestructural de palanquillas de acero al carbono obtenidas por colada continua empleando una aproximación macro-micro

Abstract

Se desarrolla un estudio numérico-experimental de la microestructura de solidificación y la segregación en palanquillas de aceros hipoeutectoides fabricadas con el proceso de colada continua. Un programa desarrollado en FORTRAN, resuelve con el método de los elementos finitos la transferencia de calor. Con los resultados del problema térmico y los parámetros microestructurales se simulan los espaciados dendríticos primarios y secundarios, y la cantidad de segregación que son generados durante el proceso de colada continua. La simulación numérica de la transferencia de calor, se valida con problemas industriales propuestos en bibliografía. Con las condiciones reales de operación, la composición química de cada acero y los modelos de cada zona de enfriamiento, se determina la evolución del campo de temperaturas y los espesores de las zonas líquida y sólida, las velocidades de enfriamiento y el gradiente térmico. En la medida en que se incrementa la velocidad de colada se observa que, la solidificación comienza más tarde y la longitud metalúrgica crece. El efecto de la temperatura de colada en los nodos internos es más apreciable que en los nodos superficiales. Si el flujo de agua de los rociadores se incrementa la temperatura en los nodos superficiales disminuye y el efecto demora más tiempo en llegar al centro de la palanquilla. La variación del porcentaje de C en la evolución de la temperatura afecta sólo en los nodos internos. Asumiendo condiciones de simetría la caracterización de los espaciados dendríticos se realiza en un cuarto de palanquilla. La simulación numérica de éstos se valida con los resultados experimentales de bibliografía y del presente estudio. Se realiza un ajuste numérico-experimental de los parámetros termo-físicos M y N que dan lugar a las ecuaciones que describen la evolución de los espaciados dendríticos. Se concluye que cerca de la superficie de la palanquilla no hay efecto de la variación de la velocidad de colada y del flujo de agua de los rociadores sobre los espaciados dendríticos, y, por otra parte, se observa que si hay efecto de la variación de la temperatura de colada y del contenido de C sobre los espaciados dendríticos. La predicción de la segregación en aleaciones de acero, se realiza con una metodología original no reportada en bibliografía denominada formulación mixta. Como primer paso se estudian los modelos analíticos de la microsegregación y la macrosegregación, y como éstos se relacionan con el problema térmico y microestructural. La caracterización en palanquillas de acero para los elementos químicos C, Mn, P, Si, S y Cr se realiza por espectrometría. Entre los resultados numéricos del problema térmico y los espaciados dendríticos, y los resultados experimentales de la segregación, la tendencia no es evidente. Por lo tanto, en la formulación mixta, un parámetro de ajuste θ que varía entre 0 y 1, permite combinar de modo proporcional la influencia de los fenómenos de microsegregación y macrosegregación. La predicción de la segregación se realiza con un parámetro de ajuste promedio obtenido de siete aceros. En la mayoría de los casos para los elementos químicos C, Si, Mn, P, S y Cr se ha observado que el parámetro de ajuste promedio fluctúa entre 0.4 y 0.5. En el borde de la palanquilla la segregación es negativa para los elementos químicos C y P, sucediendo lo contrario cerca del origen en donde predomina la segregación positiva para los elementos químicos C, Si, P y S. En la simulación del proceso son omitidos el campo de velocidades, la agitación electromagnética, la aceleración de gravedad y las asimetrías del proceso. Se obtienen buenos resultados de la transferencia de calor y los espaciados dendríticos. Sin embargo, desde una perspectiva numérica la simulación de la segregación presentó más dificultades, dado que la distribución de la composición química experimental es más heterogénea, sin implicar un problema de calidad en el material.

A numerical-experimental study of the solidification microstructure of a continuous casting process of seven steel billets is carried out. The heat transfer problem is solved by the finite element method with a FORTRAN developed program. In the continuous casting process, the primary and secondary dendritic arm spacing and segregation that are generated are simulated based on the results of the thermal problem and microstructural parameters. The heat transfer numerical simulation, is validated with analytic solutions and two industrial problems proposed in literature. The temperature field evolution, liquid and solid areas thicknesses, the cooling rates and thermal gradient are determined with real operating conditions, the chemical composition of each steel and the models of each cooling zone. If the casting speed increases, the solidification starts later and the metallurgical length increase. The effect of the casting temperature in the internal nodes is greater than in the surface nodes. If the spray water flow is increased, the surface nodes temperature decreases and the cooling effect suffer a delay in reaching the center of the billet. The effect of carbon content on temperature is observed only in the internal nodes. Assuming conditions of symmetry, characterization of the primary and secondary dendritic arm spacing is performed in a quarter of the billet. The numerical simulation of these dendritic arm spacings is validated with experimental results of literature and the present study. Coupling experimental measurements with numerical simulation a fit of the parameters M and N give rise to equations predicting the dendritic arm spacing. A good prediction is obtained. No effects are observed in the variation of the casting speed and spray water flow on dendritic arm spacing near the billet surface, while an effect is experimented with a variation of the superheat and carbon content on dendritic arm spacing. The prediction of segregation is performed with an original methodology not reported in literature, and here called mixed formulation. As a first step analytical models of microsegregation and macrosegregation, are studied. As well they are associated to the thermal and microstructural problem. In steel billets the characterization of C, Mn, P, Si, S and Cr is performed by spectrometry. There is no evident trend between the numerical results of the thermal problem and dendritic arm spacings, and the experimental results of segregation. Therefore, a fitting parameter ¿ is implemented in the mixed formulation allowing a proportional combination of the influence of microsegregation and macrosegregation phenomena. The segregation is predicted with an average fitting parameter obtained from seven steels. In most cases, for the chemical elements C, Mn, P, Si, S and Cr, it has been observed that average fitting parameter ranges between 0.4 and 0.5. At the edge of the billet, negative segregation is obtained for C and P, while close to the center, positive segregation predominates for the chemical elements C, Si, P and S. In the continuous casting process simulation, velocity field, electromagnetic stirring, acceleration of gravity and asymmetries of the process are omitted. Good results of heat transfer and dendritic arm spacings have been obtained. However, the numerical simulation of segregation presented more difficulties, since the experimental chemical composition distribution is more heterogeneous.