Finite volume modeling of the solidification of an axial steel cast impeller

Modelización por volúmenes finitos de la solidificación de un rodete axial de acero fundido

En la industria de la fundición, la obtención de los contornos de solidificación en geometrías coladas es extremadamente importante para conocer la(s) última(s) localización(es) a solidificar con el fin de definir la trayectoria de alimentación correcta y el número de bandas. Este trabajo presenta la simulación tridimensional de la transferencia de calor por conducción transitoria en el interior de un rodete axial, fabricado en acero AISI 1016, vertido y solidificado en molde y medio de núcleo unidos químicamente, mediante la técnica FVM y ANSYS CFX. El calor específico, la densidad y la conductividad térmica del acero AISI 1016, el molde y los materiales del núcleo se consideran como funciones de las temperaturas. En este análisis térmico transitorio, también se considera el fenómeno de transferencia de calor por convección en las superficies exteriores del molde. Para reducir el tiempo de ejecución, el análisis transitorio no lineal se ha realizado para el segmento 600/3600 del impulsor, el núcleo y el molde. Se han obtenido en 3D los contornos de solidificación del impulsor, así como las líneas isotérmicas en el núcleo y el molde. Las curvas de enfriamiento de diferentes puntos también se muestran en la sección de resultados.

INTRODUCCIÓN

Hoy en día, la industria de la fundición es consciente de que conocer la secuencia de solidificación es muy importante para el diseño de las bandas y sus conexiones. Además, conocer la secuencia de solidificación y los contornos permite al ingeniero de fundición mejorar la capacidad de fabricación modificando los diseños de fundición originales creados por los ingenieros de diseño, que a menudo no están familiarizados con la solidificación y con el modo en que los parámetros de diseño afectan al patrón de solidificación.

Las primeras ecuaciones de solidificación basadas en la cantidad de contracción durante la solidificación se desarrollaron teniendo en cuenta la conocida regla de Chvorinov y el concepto de Chvorinov del tiempo de congelación relativo del solidificador y la colada [1-10].

De hecho, el método del módulo funciona mejor para las geometrías de fundición en las que ninguno de los materiales del molde se satura de calor, como las esquinas internas, los núcleos internos y las superficies cóncavas del molde. Sin embargo, casi todas las piezas de fundición presentan estas características geométricas. Así pues, los ingenieros de fundición se enfrentaron a una disyuntiva: método de módulo simple pero aproximado frente a métodos numéricos complejos pero más sofisticados. Posteriormente, el énfasis se ha desplazado hacia el uso de métodos numéricos como el método de diferencias finitas/método de elementos finitos (FDM/FEM).