Simulación del fenómeno térmico mediante matlab de una partícula termoaspersada en la etapa de transporte por la técnica de arco eléctrico
Los procesos de aspersión térmica son técnicas especializadas en recuperación dimensional y protección contra la corrosión a materiales estructurales. En la actualidad existen muchos tipos de procesos, entre los comunes se encuentran por arco eléctrico, HVOF (Proyección térmica de alta velocidad por...
- Autores:
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Viracachá Izquierdo, Juan Sebastián
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2018
- Institución:
- Universidad Libre
- Repositorio:
- RIU - Repositorio Institucional UniLibre
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- Acceso en línea:
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- Palabra clave:
- Partícula termoaspersada
Arco eléctrico
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Los procesos de aspersión térmica son técnicas especializadas en recuperación dimensional y protección contra la corrosión a materiales estructurales. En la actualidad existen muchos tipos de procesos, entre los comunes se encuentran por arco eléctrico, HVOF (Proyección térmica de alta velocidad por sus siglas en ingles) y aspersión por atmósfera de plasma. El proceso general de aspersión se divide en tres etapas: Etapa de generación, la de transporte y la de depósito [1][2]. La etapa 1 o de generación es en la cual ocurren dos situaciones: las partículas de recubrimiento son generadas y son aceleradas. Para hacer esto, se cuenta con un sistema de proyección (Ver figura 1a) cuya configuración y funcionamiento varía de de un proceso a otro. En general, para acelerarlas se hace uso de un gas de atomización que es presurizado previamente y que, por medio de una boquilla es dirigido para impulsar las partículas hacia el sustrato. La etapa 2 o de transporte es la etapa en la cual las partículas viajan hacia el sustrato (Fig 1b). Las condiciones de las partículas son influenciadas, aparte de las condiciones en la etapa de generación, por condiciones climáticas, por el gas de atomización que genera una atmósfera alrededor de ellas y por el material del cual están hechas. Finalmente, en la etapa 3 o de depósito, las partículas chocan con el sustrato a unas determinadas velocidades y temperaturas, generando la capa de recubrimiento que se desea. Aquí los parámetros importantes son la porosidad, la adhesión, las temperaturas tanto del sustrato como de las partículas, la tasa de depósito, el diámetro de las partículas y la rugosidad (Ver fig. 1c) [2][9]. La proyección térmica por arco eléctrico es un proceso de aspersión térmica que usa alambres metálicos como electrodos (Ánodo y Cátodo) para generar una diferencia de potencial entre ellos, suficiente para crear un arco eléctrico con la energía necesaria para fundir el material metálico que se esté usando. Se hace uso generalmente de aire o nitrógeno como gas de atomización para acelerarlas. Cuando las partículas son fundidas e impulsadas hacia el sustrato, viajan a través de una campana de aspersión mientras se solidifican por transferencia de calor por convección con el medio circundante. En la etapa de depósito, las partículas forman un splat en el sustrato que sirve de recubrimiento (ver fig 3). La temperatura de llegada de las partículas y la transferencia de calor de estas al sustrato son variables fundamentales para las propiedades finales del recubrimiento [2][8][9][10]. En este documento se ha estudiado el comportamiento térmico de una partícula en la etapa de transporte, es decir, en el intervalo de tiempo que inicia justo en el momento de su primera atomización (etapa en que se funde el alambre para generar las partículas) y el instante justo antes de que estas impacten el sustrato. Para la investigación se logró configurar un script en MatLab que calcula el comportamiento térmico de la partícula arrojando el perfil térmico en función de la distancia. Se inició con una contextualización general de todos los temas alrededor del proceso, luego recopiló en forma general los parámetros iniciales para los materiales (alambres) considerados en este trabajo como, la teoría general de la solidificación. Finalmente, con los resultados obtenidos se hizo un análisis de la estructura general de las funciones, concluyendo con el desarrollo de una ecuación de temperatura para la partícula en función del diámetro de la misma; así como también una descripción general del comportamiento a lo largo de toda la trayectoria y la dependencia del diámetro con las segundas atomizaciones. El documento consta de una unidad inicial que contiene la introducción, justificación, descripción del problema y definición de los objetivos. La segunda unidad la componen los marcos teórico, conceptual, legal y normativo y estado del arte. En la tercera unidad aparece la metodología que organiza el procesamiento de la información adquirida en la segunda etapa; en ésta se procesa la información suministrada a través del script. Se finaliza con la unidad cuatro que contiene los resultados, su respectivo análisis y las conclusiones. |
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Yongxiong Chen. Xiubing Liang. Shicheng Wei. Xi Chen. Binshi Xu. Numerical Simulation of the Twin-Wire Arc Spraying Process: Modeling the High Velocity Gas Flow Field Distribution and Droplets Transport. p 1-2. Pourmousa Abkenar, A. WIRE-ARC SPRAYING SYSTEM: Particle Production, Transport, and Deposition. Trabajo de investigación (PhD). Universidad de Toronto. Facultad de ingeniería mecánica e industrial. Toronto, 2007, 4 p. Thermal spray solutions. En: (http://www.thermalsprayusa.com/thermal-spray101/thermal-spray-up-close). Thermal spray USA. Bolot, R. Planche, M. P. Liao, H. Coddet, C. A three-dimensional model of the wire-arc spray process and its experimental validation. El Sevier. 2007. LERMPS, Université de Technologie de Belfort-Montbéliard. Belfort, France GRANT, P., CANTOR, B., & KATGERMAN, L. (1993). Modelling of droplet dynamic and thermal histories during spray forming: I. Individual droplet behaviour. Oxford: Acta metall, mater Liu, H., Rangel, R. H., & Lavernia, E. J. (1994). Modeling of droplet-gas interactions in spray atomization of Ta-2.5 W allow . Irvine : El Svier. Liu, H., Rangel, R. H., & Lavernia, E. J. (1994). Modeling of droplet-gas interactions in spray atomization of Ta-2.5 W allow . Irvine : El Svier. Hussary, N., & Heberlein, J. (2000). Atomization and Particle-Jet Interactions in the Wire-Arc Spraying Process. ASM International. Fukumoto, M., S. Katoh, and I. Okane, Proceedings of the 14th International Thermal Spray Conference, Ed.: A. Ohmori, Vol 1, p 353-359 , 1995 Shibata, M. Kuroda, Seiji. Murakami, H. Ode, M. Watanabe, m. Sakamoto, Y. Comparison of Microstructure and Oxidation Behavior of CoNiCrAlY Bond Coatings Prepared by Different Thermal Spray Processes. Materials transsactions. Vol 47. 2006. Japón Tarnogrodzki, A. Theoretical prediction of the critical weber number. University of Warsav. Journla of Multiphase Flow Vol 19. 1993. Peña, G. Florez, O. Angeles, C. Díaz, J. Moñoz y A. Calderón, A. Thermal Diffusivity and Microstructure in API5L-X52 Carbon Steel. International Journal of thermophysics. Vol. 26. No. 6. 2005 M. Pasandideh-Fard, V. Pershin, S. Chandra, and J. Mostaghimi. Splat Shapes in a Thermal Spray Coating Process: Simulations and Experiments. ASM international. Journal of Thermal Spray Technologic. Volumen 11. 2002. Thermal Spray Society. 1994. En: (http://www.asminternational.org/web/tss/about/about) ASM international. GRANT, P., & CANTOR, B. (1994). Modelling of droplet dynamic and histories during spray forming iii. Analysis of spray solid fraction. Oxford: El sevier Pillai, S. K., & Ando, T. (2009). Modeling of the in-flight solidification of droplets produced by the uniform-droplet spray process. EL sevier. Djamarani, K., & Clark, I. (1997). Characterization of particle size based on fine and coarse fractions. EL SEVIER. Clyne, T. Metall Transfer. B 1511, 369 (1984). Yoshihiro, T. Kenji, O. Tetsuo, M. y Tomoo, S. Thermal conductivity of Ni3Al with ternary additions. Materials Science and Engineering, vol. 311. 2001. Barbezat, G., Surface & Coatings Technology, 200 (2005), p 1990–1993 Pormousa A. Mostaghimi J. Abedini A. Chandra. Particle Size distribution in a Wire-Arc Spraying System. ASM international. Journal of Thermal Spray Technologic. Volumen 14. 2005. |
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Sua Ramirez, M. Estudio numérico y simulación del flujo de aire en el proceso de termoaspersión por arco electrico y su influencia en el esfuerzo cortante en la generación de partículas de los recubrimientos 140 mxc. Trabajo de investigación pregrado. Univerisdad Libre. Facultad de Ingeniería. Ingeniería Mecánica. Bogotá. 2015. p 18-25, 56-81 Smith, W. & Hashemi, J. (2006). Fundamentos de la ciencia e ingeniera de los materiales . McGraw-Hill. Cuarta edición. Askeland, D. (1998). Ciencia e ingeniería de los materiales (Tercera edición ed.). Missouri : International Thomson Editores. Incropera, F. DeWitt, D. Fundamentos de trasnferencia de calor. Pearson. School of mechanical Engineering. Purdue University. Cuarta edición Valencia, A. Transformaciones de fase en metalurgia. Editorial Universidad de Antioquia. Pág 1. 1998 Zill, D. Cullen, M. Ecuaciones diferenciales con aplicaciones de modelado. Cengage Learning. Séptima edición Boyce, W. Diprima, R. Ecuaciones diferenciales y problemas con valores en la frontera. Limusa Willey. Cuarta edición. Chalmers, B. Metalurgia física. Tolle Lege, Aguilar. 1962. Págs, 224-293, 341- 428 Neurtek S.A. Interempresas metalmecánica. Tomado de: http://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/156223-Historia-de-unapieza-de-automovil.html Procesos de metalizado, Metalizadora Sifone SRL. Tomado de: http://www.metalizadorasifone.com.ar/proceso.html Ibarra, C. Estudio de la influencia de los parámetros de proyección en la morfología de las partículas termoaspersadas por medio de la técnica de arco eléctrico a diferentes distancias de aplicación. Trabajo de investigación pregrado. Universidad Libre. Facultad de ingeniería. Ingeniería mecánica. 2017 Rojas, H. Aspersión Térmica por Arco Eléctrico. Influencia de los parámetros de proyección en la morfología de las partículas a diferentes distancias de aplicación. Editorial académica española. 2017. Godoy, A. Estudio de la resistencia a la corrosión mediante cámara salina en recubrimientos 140mxc-530as y 140mxc-560as aplicados por la técnica de aspersión térmica por arco eléctrico sobre sustrato a base de hierro. Universidad Libre. Facultad de ingeniería. Bogotá. 2014. Molina, C. Caracterización por medio de microscopia optica y electronica de barrido a recubrimientos termoaspersados por la tecnica de arco electrico depositados sobre sustratos de acero aisi sae 4340. Universidad Libre. Facultad de ingeniería. Bogotá. 2014. Chapra, S. Canale, R. Métodos numéricos para ingenieros. Quinta edición. Mc Graw Hill. 2006 Avner, S. (1970). Introducción a la metalurgia física. Ciencia técnica, instituo del libro. La Habana. Pagnola, M. Recubrimientos por Thermal Spray. Jornadas Cyted de Materiales para Alta Temperatura. P 1-12. Gooding. N. Transferencia de calor. Guía de clase. Bogotá. Universidad Nacional de Colombia. Pág 3. Koshkin N. I., Shirkévich M. G. Manual de Física elemental. Editorial MIR (1975) págs. 74-75. Intercaras sólido – sólido. Universidad Complutense de Madrid. Tomado en: https://cv3.sim.ucm.es/wiki/site/curriculo-3313-1/s%C3%B3lido-s%C3%B3lido.html Forero, A. Metalurgia Práctica. Universidad Nacional de Colombia. Bogotá. 2011. Tomado de: https://www.mathworks.com/help Página principal de MathWorks. Tomado de: https://www.mathworks.com/matlabcentral/answers/285064calculating-answersfor-ode-question Página principal de MathWorks. Tomado de: https://www.mathworks.com/help/symbolic/int.html |
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La proyección térmica por arco eléctrico es un proceso de aspersión térmica que usa alambres metálicos como electrodos (Ánodo y Cátodo) para generar una diferencia de potencial entre ellos, suficiente para crear un arco eléctrico con la energía necesaria para fundir el material metálico que se esté usando. Se hace uso generalmente de aire o nitrógeno como gas de atomización para acelerarlas. Cuando las partículas son fundidas e impulsadas hacia el sustrato, viajan a través de una campana de aspersión mientras se solidifican por transferencia de calor por convección con el medio circundante. En la etapa de depósito, las partículas forman un splat en el sustrato que sirve de recubrimiento (ver fig 3). La temperatura de llegada de las partículas y la transferencia de calor de estas al sustrato son variables fundamentales para las propiedades finales del recubrimiento [2][8][9][10]. En este documento se ha estudiado el comportamiento térmico de una partícula en la etapa de transporte, es decir, en el intervalo de tiempo que inicia justo en el momento de su primera atomización (etapa en que se funde el alambre para generar las partículas) y el instante justo antes de que estas impacten el sustrato. Para la investigación se logró configurar un script en MatLab que calcula el comportamiento térmico de la partícula arrojando el perfil térmico en función de la distancia. Se inició con una contextualización general de todos los temas alrededor del proceso, luego recopiló en forma general los parámetros iniciales para los materiales (alambres) considerados en este trabajo como, la teoría general de la solidificación. Finalmente, con los resultados obtenidos se hizo un análisis de la estructura general de las funciones, concluyendo con el desarrollo de una ecuación de temperatura para la partícula en función del diámetro de la misma; así como también una descripción general del comportamiento a lo largo de toda la trayectoria y la dependencia del diámetro con las segundas atomizaciones. El documento consta de una unidad inicial que contiene la introducción, justificación, descripción del problema y definición de los objetivos. La segunda unidad la componen los marcos teórico, conceptual, legal y normativo y estado del arte. En la tercera unidad aparece la metodología que organiza el procesamiento de la información adquirida en la segunda etapa; en ésta se procesa la información suministrada a través del script. 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Numerical Simulation of the Twin-Wire Arc Spraying Process: Modeling the High Velocity Gas Flow Field Distribution and Droplets Transport. p 1-2.Pourmousa Abkenar, A. WIRE-ARC SPRAYING SYSTEM: Particle Production, Transport, and Deposition. Trabajo de investigación (PhD). Universidad de Toronto. Facultad de ingeniería mecánica e industrial. Toronto, 2007, 4 p.Thermal spray solutions. En: (http://www.thermalsprayusa.com/thermal-spray101/thermal-spray-up-close). Thermal spray USA.Bolot, R. Planche, M. P. Liao, H. Coddet, C. A three-dimensional model of the wire-arc spray process and its experimental validation. El Sevier. 2007. LERMPS, Université de Technologie de Belfort-Montbéliard. Belfort, FranceGRANT, P., CANTOR, B., & KATGERMAN, L. (1993). Modelling of droplet dynamic and thermal histories during spray forming: I. Individual droplet behaviour. Oxford: Acta metall, materLiu, H., Rangel, R. H., & Lavernia, E. J. (1994). 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