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I.INTRODUCCIÓN

ORINOCO IRON es una empresa, dedicada a la producción de briquetas de hierro prerreducido, mediante el proceso de reducción directa MIDREX en el cual, los óxidos de hierro son reducidos por la reacción química de éstos, con gases reductores.

Con este propósito, la planta cuenta con cuatro máquinas briqueteadoras, en las cuales, el hierro prerreducido es compactado mediante la presión ejercida entre rodillos que giran en direcciones opuestas y que poseen anillos segmentados en los cuales se amolda el material; dando lugar a la conformación de las briquetas.

Dado que el proceso de briqueteado opera bajo condiciones de presión, temperatura, velocidad y torque eleva- dos, es necesario el empleo de segmentos elaborados de materiales capaces de soportar tales condiciones de trabajo. Sin embargo, los segmentos actualmente presentan una serie de fracturas, que se deben probablemente al material del cual están fabricados o a los parámetros de servicio en los que operan.

Por lo tanto, este trabajo permitió obtener las principales causas que generan este problema, mediante un análi- sis mecánico que permitió simular el comportamiento al estar presente varios gradientes térmicos, con la finalidad de reducir los costos de mantenimiento y la sustitución y reparación continua de segmentos.

Este trabajo está organizado de la siguiente manera: en la sección I, se muestra la introducción; luego en la sec- ción II, se pueden visualizar la metodología de empleada en la investigación; más adelante en la sección III se mues- tra el desarrollo del estudio propuesto y en la sección IV se detallan los resultados obtenidos, después en la sección V se realiza la discusión de los resultados obtenidos y por último se presentan las conclusiones más relevantes.

II.DESARROLLO

A.Análisis por Elementos Finitos: Workbench

Análisis por elementos finitos o FEA, por sus siglas en ingles es una representación matemática de un sistema físico que abarca una pieza/montaje (modelo) [4], características materiales, y condiciones de borde aplicables (designadas en el pre-procesamiento), la solución de esa representación matemática (solving), y el estudio de resul- tados de esa solución (post-procesamiento). Las formas simples y los problemas simples pueden ser, y están a me- nudo, hechos a mano; pero la mayoría de las piezas del mundo real son muy complejas para hacerlas exactamente, aún menos rápidamente, sin uso de una computadora y de un software apropiado de análisis.

B.Pre-Procesamiento

Es la primera parte para llevar a cabo un análisis, para ello, el software de FEA utiliza típicamente una represen- tación en CAD del modelo físico y lo divide en pedazos más pequeños llamados los elementos finitos (pensar en un rompecabezas tridimensional). Este proceso es llamado mallado. Cuanta más alta es la calidad del mallado, mejor es la representación matemática del modelo físico. El propósito primario de un elemento es conectar nodos con las ecuaciones matemáticas fiables basadas en unión entre los nodos; el tipo de elemento utilizado depende a menudo del problema que se busca solucionar [5].

El comportamiento de cada elemento, por sí mismo, es muy bien entendido. Combinando los comportamientos de cada elemento usando ecuaciones simultáneas, se puede predecir el comportamiento total de las formas que de otra manera no serían entendidas usando las ecuaciones básicas de cálculo encontradas en manuales típicos de la ingeniería.

C.Elementos

Para fines generales, los programas mecánicos modernos de FEA, utilizan típicamente un sistema selecto de elementos elegidos por su flexibilidad, robustez, y su contribución total a la facilidad de la solución. WORKBENCH utiliza varios tipos primarios del elemento y tomará de manera automática los elementos de más alta categoría (10 nodos cuadráticos) tetraedro (H) (SOLID 187 en ANSYS) para las geometrías de modelo sólido, en cualquier caso, se emplean los elementos de categoría alta (20 nodos) elemento ladrillo (SÓLIDO 186).

En los modelos superficiales cerrados [6] [7], “cuadrilátero-dominante” (4 nodos) los elementos de cáscara (SHELL 181), se utilizan proporcionando exactitud y eficacia mientras que son convenientes para los algoritmos de mallado automático robusto usados en la simulación WORKBENCH. Y, para la interacción de las partes dentro de un ensamblaje, se utilizan los elementos de contacto (CONTACT 170/174). Para modelos de vigas con caracte- rísticas de soldadura, elementos de viga se emplean (BEAM 188). ANSYS WORKBENCH aplica estos varios tipos

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del elemento automáticamente.

Cada elemento abarca dos o más nodos los cuales ayudan a definir la forma para transportar reacciones físicas a partir de un elemento al siguiente. El finito en FEA viene del hecho de que hay un número conocido de elementos en un modelo de elementos finitos. El solver (sistema de solución) suma los comportamientos individuales de cada elemento para predecir el comportamiento del sistema físico entero.

Fig. 1.Tipos de elementos comunes usados en ANSYS WORKBENCH.

D.Mallado (Meshing)

ANSYS WORKBENCH proporciona dos formas de mallado automatizado: Completamente automático y Au- tomático manualmente dirigido. Ambas formas emplean una filosofía de ensayo y error, si ocurre un problema, por lo menos doce tentativas de la resolución del mismo automáticamente se hacen antes de que el mallado falle y marque el área de la dificultad con una etiqueta. El mallado manual dirigido que el usuario puede especificar la malla en áreas puntuales de una pieza (borde, cara) o la densidad de mallado de la línea base en las piezas enteras que diferencian de otras partes dentro del ensamblaje, para los propósitos de la exactitud o de la eficacia.

E.Solución (Solving)

El software emplea tres de los solvers de ANSYS y elige automáticamente el apropiado o eficiente para el trabajo actual. Además de realizar tipos juntados de análisis (térmico-esfuerzo, esfuerzo-modal, térmico-esfuerzo modal) así como algunos limitados tipos de análisis no lineales (térmico con temperatura dependiente de las propiedades del material y convección, geométricos/contacto con despegue de soporte del contacto). Todos los ajustes del solver y propagaciones de la iteración a partir del lapso de la solución al siguiente se realizan automáticamente.

F.Post Procesamiento.

Después de resolver todas las ecuaciones, a la salida del solver se tiene una cantidad considerable de informa- ción. Esta cantidad de información en bruto sería normalmente difícil de interpretar sin clasificar los datos y sin representarlos gráficamente es aquí en el post-procesamiento donde se crean las exhibiciones gráficas que demues- tran la distribución de las tensiones, esfuerzos, deformaciones, temperaturas, y otros aspectos del modelo.

La interpretación de estos resultados post procesados es la llave a identificar o la información valiosa sobre otras características de funcionamiento del modelo (térmico, modales) que no serían conocidas de otra manera hasta que un modelo físico fuese construido y probado.

G.Análisis Térmico en una Modelación

Un análisis térmico calcula la distribución de temperaturas y otros valores asociados a un sistema o componen- tes. Los valores que se pueden tener entre este tipo de análisis, son: La distribución de temperatura, la cantidad de calor ganado o perdido, gradiente térmico y flujo térmico [8].

La simulación térmica desempeña un rol importante en el diseño de muchas aplicaciones en la ingeniería, como motores de combustión interna, turbinas, sistemas de tuberías y componentes electrónicos entre otros. En mucho de los casos, se tiene un análisis térmico en combinación con un análisis de esfuerzos para el cálculo de esfuerzos térmicos, esto es referido a esfuerzos causados por dilataciones o contracciones térmicas.

Un análisis básico en Ansys, es obtenido de una ecuación de balance de calor por el principio de conservación de energía. La solución a través de elementos finitos, representa el cálculo de temperatura en nodos, y estos resul- tados son utilizados para obtener otros valores como pérdidas o ganancia de calor, gradiente térmico entre otros.

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H.Mecanismos de Transferencia de Calor

Existen tres formas de transferencia de calor llamadas: Conducción, convección y radiación. Cada uno de estos modos puede estudiarse por separado, si bien la mayoría de las aplicaciones de ingeniería son combinaciones de las tres formas. No obstante, un estudio profundo de los mecanismos asociados a cada una de las formas mencionadas anteriormente permite extender fácilmente el análisis al problema combinado [9] [10].

I.Transferencia de Calor por Conducción

La conducción es el único mecanismo de transferencia de calor posible en los medios sólidos opacos. La con- ducción térmica es la transferencia de calor en el interior de un medio material sólido, líquido o gaseoso. En los sólidos, y particularmente en los metales, la conducción se debe: (a) al desplazamiento de electrones libres, y (b) a la vibración de la red cristalina. A temperaturas bajas, este último fenómeno, que es la vibración de la estructura cristalina de un material, constituye el mecanismo primario de la conducción térmica. Independientemente del mecanismo, la energía se transfiere de un átomo (o molécula) a otro, dando por resultado un flujo de energía a través del medio físico.

En los líquidos el mecanismo de la conducción de calor es una combinación del movimiento de los electrones y el efecto de colisión molecular. La conducción de estos materiales depende de la temperatura, y no de la presión. En un gas, el mecanismo de la conducción térmica depende de la presión y la temperatura, que intervienen obvia- mente, haciendo aumentar la posibilidad de las colisiones moleculares.

Cuando en estos cuerpos existe un gradiente de temperatura, el calor se trasmite de la región de mayor tempe- ratura a la de menor temperatura debido al contacto directo entre las moléculas del medio. Cuando en un cuerpo existe un gradiente de temperatura, la experiencia muestra que hay una transferencia de energía desde la región a alta temperatura hacia la región de baja temperatura.

J.Convección

La convección es la transferencia de calor entre una superficie sólida y un fluido. Se trata de una modalidad combinada, ya que el calor en las interfaces sólido-fluido se transfiere por conducción mediante las colisiones o choques entre las moléculas del sólido y las del fluido. Como resultado de estas acciones se produce en el fluido un cambio de temperatura y, en consecuencia, una variación de densidades, de lo que resulta un movimiento del flui- do. Ocurre un proceso de mezcla de las diversas porciones a alta y a baja temperatura en dicho fluido, se transfiere así la energía térmica por transporte de masas de fluido.

Los problemas de convección en la transferencia de calor son considerablemente más difíciles que los que se encuentran en la conducción y con demasiada frecuencia es imposible encontrar soluciones analíticas. Dichas di- ficultades surgen del hecho de que el mecanismo básico para la convección es una combinación de conducción y dinámica de los fluidos. La convección ocurre siempre que una superficie está en contacto con un fluido y este tiene temperatura diferente a la de la superficie en cuestión.

K.Radiación

La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección; las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica generalmente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas.

L.Bases Matemáticas para Análisis Térmicos

Para resolver un problema termo mecánico, se debe obtener la solución de las ecuaciones con las condiciones de borde apropiadas; a continuación, la ecuación general de transferencia de calor y las condiciones de borde térmicas [11].

Ecuación General de la Transferencia de Calor

La ecuación general de conducción de calor que gobierna la distribución y la conducción del flujo de calor en un sólido que tenga propiedades físicas uniformes [12] [13].

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Fig. 2. Diferentes tipos de Briquetas.

Recientemente se han realizado pruebas variando el tamaño de las briquetas (aumentando el bolsillo de los segmentos y tamaño de segmentos) con el objeto de aumentar la producción y aplicar ciertas modificaciones que mejoren el rendimiento de los segmentos.

Orinoco Iron posee cuatro máquinas briqueteadoras en su línea de producción.

La máquina briqueteadora consta una prensa de rodillo, de un motor eléctrico de velocidad variable de 360 a 1800 revoluciones de 464 kW, un reductor de cinco etapas con un índice de reducción de 110, una tolva de carga, un tornillo alimentador.

La prensa de rodillos está integrada por un bastidor, los rodillos briqueteadores, sistema de presurización (Unid rolls pressure), separador de briquetas, un bajante (String Chute), dos pletinas laterales (Cheek plate) y un anillo (Coil Assembly). Las revoluciones de los rodillos son regulables con un máximo de 16,3 rpm y un mínimo de 3,2 rpm. La presión de 120 kN/cm^2 y un apriete del sistema hidráulico 2.640 kN [14] [15].

Los rodillos de la máquina están dispuestos de una forma paralela entre sí, separados a una distancia de 3, 2 o 1

mmdenominado Gap estático, según sea el caso. La máquina posee un bastidor donde hay dos columnas fijas en las que se apoya uno de los rodillos (rodillo fijo). El proceso de briqueteado se realiza mediante el giro de los rodi- llos, generándose compactación a través del empuje horizontal que es trasmitido por cuatro gatos hidráulicos en el rodillo opuesto (rodillo flotante). El empuje vertical que ejerce el tornillo alimentador cuando oprime el material contra los rodillos genera una fuerza que trata de separar a los rodillos.

Teniendo un rodillo que no puede moverse (rodillo fijo) el empuje es contrarrestada con cuatro cilindros hi- dráulicos (instalados en rodillo flotante en los extremos) con una presión máxima de 220 Bar. Este ciclo es constan- te teniéndose fluctuaciones tanto en el giro como en el empuje, las cuales son controlados por una serie de válvulas reguladoras con un programa de máxima carga que evita picos muy altos de presión.

El rodillo briqueteador es una pieza fabricada de un acero muy especial, de forma cilíndrica maciza de Ø=740 mm (diámetro donde asientan los segmentos), con una longitud de 2330 mm. El rodillo posee agujeros internos para enfriamiento del núcleo.

Sobre los rodillos se instalan los segmentos (en el núcleo, ubicado en el centro del rodillo) y las chumaceras (en los extremos), siendo los segmentos los elementos que forman la briqueta y las chumaceras los apoyos a los cuales se transmite la carga a los rodillos y funciona como base para el desplazamiento en el chasis de la máquina (el ro- dillo que corresponde al lado flotante).

Los segmentos son los elementos que conforman a la briqueta, son fabricados de acero especial, dentro de los principales elementos que lo conforman se encuentran el tungsteno, cromo, vanadio, Titanio, manganeso, níquel, entre otros, siendo su dureza de 64 HRC. Estos van dispuestos de forma cilíndrica sobre los rodillos. En cada rodillo se le instalan 12 segmentos, para un total de 24 segmentos por máquina.

Los segmentos están en contacto directo con el material reducido, llegando a trabajar a temperaturas hasta de 400º C. Los esfuerzos a los que se someten los segmentos son de 220 bares de presión.

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Fig. 5. Modelo representativo del segmento

Fig. 6. Región de contacto

Simulación

Se realizó la corrida del paquete de simulación por elementos finitos con datos compilados teóricamente. Para su desarrollo se tomó de un modelo tridimensional de la configuración, con el fin de simular el mecanismo de for- mación de grietas en los segmentos por efecto del choque térmico [12].

Esta simulación fue realizada en base a un análisis termo-estructural de tipo transitorio, en el cual, se utilizó un mallado libre en forma tetraédrica para cubrir los ángulos y partes circulares del segmento con el menor margen de error posible.

Fig. 7.- Representación del mallado de la configuración.

A continuación, se muestran algunas tablas, en la tabla I los datos de las propiedades constantes del acero herra- mienta (región de contacto) para la corrida del modelo y en la tabla II los datos de las propiedades de la fundición de hierro (región de contacto) utilizadas en la corrida del modelo:

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un acero de alta dureza para reducir el desgaste (acero de herramienta AISI M3) el cual pertenece a la categoría de aceros rápidos. Sin embargo, desde el año 1994 [2] , se han presentado diversos casos de fracturas en los segmentos.

Las principales causas que generan las fracturas de los segmentos son los materiales con el cual son fabricados, el tránsito de material sobredimensionado y el elevado diferencial de temperatura (ΔT) que existe entre los segmen- tos y el material prerreducido [3] [4]. Como causas secundarias se tienen: el calentamiento excesivo por falla del sis- tema de enfriamiento de los rodillos y el mal ensamblaje. El registro de falla de los segmentos muestra la estadística de fractura de éstos, teniendo 4 segmentos fracturados en el año 2000 y 16 segmentos fracturados para el año 2009. Actualmente, alrededor de cada cuatro meses se presentan paradas no programadas, por segmentos que muestran este tipo de falla. Para solventar esta situación, la primera medida que se toma es el cese del funcionamiento de la máquina briqueteadora que presenta la fractura, seguido del incremento en las velocidades de los rodillos de las máquinas que queden operativas, esto con el objeto de compensar y mantener la producción horaria.

Con miras a reducir la tendencia creciente que se percibe en los registros históricos de mantenimiento de la planta se hace necesario ahondar en las causas de las fallas que presentan en servicio. En tal sentido, se realizó un análisis mecánico que permitió simular el comportamiento al estar presente varios gradientes térmicos, con la fi- nalidad de reducir los costos de mantenimiento y la sustitución y reparación continua de segmentos, así como las pérdidas en toneladas de producción.

Debido al elevado costo que trae para la empresa, la desincorporación de una máquina, surge la necesidad de hacer una revisión de los segmentos tomando en cuenta los parámetros de temperatura, densidad, conductividad térmica, presión, torque y velocidad de los rodillos, y de esta forma observar donde y porque se originan las frac- turas de los mismos.

IV.RESULTADOS

Para el desarrollo del trabajo se consideró la realización de un modelo de la configuración del rodillo y el seg- mento, utilizando como herramienta un paquete de simulación a través del cálculo por elementos finitos. Las figu- ras mostradas a continuación, reflejan los resultados obtenidos:

Fig. 9. Distribución de la temperatura entre el segmento y la briqueta.

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las piezas.

Se puede observar que las piezas simuladas, manifestaron un comportamiento regular, ya que como se observa son iguales pero inversas (lo cual indica que la simulación esta correcta). La línea roja muestra que el calor está fluyendo de las briquetas a los segmentos, por esa razón se observa que mientras pasa el tiempo la briqueta pierde calor, el cual lo está ganando el segmento. Esto nos indica con más detalle que hay un elemento que está cediendo calor y otro lo está absorbiendo a igual magnitud. Se cumple la ley de conservación de la energía que constituye el primer principio de la termodinámica y afirma que la cantidad total de energía en cualquier sistema aislado perma- nece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede transformarse en otra forma de energía.

Simulación de los esfuerzos mecánicos a los cuales se someten los segmentos.

En el modelo realizado, se consideró la configuración de un rodillo, al cual, se le incluyó un segmento de brique- teado y al cual se le introdujo un modelo de la briqueta, con el fin de representar los esfuerzos mecánicos presentes en la misma

Fig. 12. Deformación térmica.

En las figuras 12 se muestra la deformación térmica, o deformación unilateral térmica, que es el resultado de cambios volumétricos producidos por cambios estructurales durante el calentamiento, así como tensiones térmicas causadas por variaciones de temperatura al interior de la pieza. El acero por la excitación interna de sus moléculas tiende a separarse, por lo que en general produce una expansión del material, algunos también le llaman dilatación térmica.

Evaluación del impacto de los esfuerzos en la estabilidad térmica de las máquinas briqueteadoras.

El indicador FS (Factor de Seguridad), representa una medida para caracterizar cuantitativamente la resisten- cia a los esfuerzos mediante los análisis realizados a las máquinas briqueteadoras. Es un número que se utiliza en ingeniería para los cálculos de esfuerzos de elementos o componentes de maquinaria, estructuras o dispositivos en general, proporcionando un margen extra de prestaciones por encima de las mínimas estrictamente necesarias.

El factor de seguridad se calcula por medio de los esfuerzos de deformación del acero, es decir, el esfuerzo real a que se está sometiendo el material, y se calcula tomando en cuenta también el esfuerzo admisible del acero, con estos dos valores se calcula el factor de seguridad, y lo que indica es la seguridad o confianza que el material te da para decir si éste va a trabajar con seguridad o no.

Según los comentarios anteriores, la temperatura del producto determina la fuerza requerida en los rodillos de presión, si se mantienen constantes las otras propiedades del producto y la densidad aparente requerida. Esta fuerza de presión se logra usando un sistema hidráulico de alta presión el cual emplea cuatro cilindros hidráulicos de doble acción, dos bombas de alta presión, dos bombas de baja presión, dos acumuladores y válvulas de control direccional.

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Por su parte; la figura 14, se representa la variación de temperatura de la briqueta durante el tiempo de brique- teado, podemos observar que tiene un comportamiento irregular, éste debido a que el flujo de calor ocurre en un área donde se presentan, curvas y rectas como son los bolsillos de los segmentos, razón por la cual la temperatura de la briqueta tiene ciertos picos al ir disminuyendo su temperatura.

Fig. 15. Comportamiento de la temperatura del segmento.

Estos resultados de la figura 15 son la manifestación del elemento que está absorbiendo calor en este caso el segmento, mientras pasa el tiempo absorbe más calor, el que está emitiendo las briquetas; por lo tanto, el chequeo constante de esta variable de refrigeración de los segmentos es de vital importancia dado que la temperatura de los segmentos al superar los 350°C comienza a fracturarse.

Fig. 16. Comportamiento del módulo de Young con respecto a la temperatura.

La figura 16 muestra el comportamiento del módulo de Young o modulo elástico con respecto a la temperatura, éste puede variar de forma importante con la composición química, con la temperatura y en menor medida con la deformación mecánica. Esta variación presente en la temperatura del sistema; afecta sustancialmente al proceso ya que aumenta linealmente con la temperatura para transiciones en las deformaciones.

V.CONCLUSIONES

El calentamiento brusco del segmento expuesto al contacto directo con el HRD, genera elevados gradientes tér- micos ubicados en la sección del bolsillo que causan debilitamiento de su estructura debido a los cambios volumé- tricos que experimenta el segmento. Mayores presiones ejercidas a los segmentos, generarán una mayor expansión

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