Modelación y Validación Experimental de la Solidificación del Cobre con Evolución Microestructural

Abstract

La fusión - solidificación corresponde quizás al proceso industrial más utilizado para obtener piezas metálicas, siendo indispensable estudiar y controlar la evolución de las variables involucradas. Se han establecido diversos tipos de modelos para simular la transferencia de calor y la formación y evolución de la microestructura, que van desde los modelos analíticos simples en equilibrio hasta modelos numéricos de alta complejidad que involucran gran número de parámetros. Sin embargo, estos modelos complejos se han formulado y aplicado especialmente al aluminio con sus aleaciones y a los aceros - fundiciones, dejando de lado al cobre. Este trabajo presenta la simulación numérica de la solidificación de cobre anódico (con pureza de 99.83%) colado en diferentes tipos de moldes, donde se estudió la transferencia de calor incluyendo cambio de fase y evolución microestructural. Se analizó además la influencia de la velocidad de extracción de calor (dada por el material del molde, los cuales fueron arena y grafito), sobre las curvas de enfriamiento y microestructura. Para la simulación numérica se desarrolló una formulación térmica-microestructural en el marco del método de elementos finitos, que tomó en cuenta transferencia de calor en el sistema para describir la evolución térmica y leyes de nucleación y crecimiento de fases para describir la evolución microestructural durante el enfriamiento. Los resultados obtenidos mediante esta metodología describieron satisfactoriamente el proceso de solidificación del cobre, mientras que las curvas de enfriamiento, densidad y tamaño de grano final tuvieron un buen ajuste con los valores obtenidos experimentalmente.