INFORME FINAL PROYECTO FONDECYT REGULAR 1050078

*** Concurso Nacional de Proyectos FONDECYT 2005 ***

COMPROBANTE DE RECEPCION DE INFORME FINAL

NUMERO : 1050078# RESPONSABLE :CARLOS GUIDO CANURRI PORRO RUT :6684935-E TIPO :FONDECYTREG. ETAPA :2006 DURACION : 2 Ano(s)

TITULO : INCREMENTO EN LA VIDA UTIL DE BOLAS DE MOLIENDA POR LA VIA D E DISMINUIR SUS ESFUERZOS RESIDUALES INDUCIDOS DURANTE SU TR

DISCIPLINA :INGENIERIA DE MATERIALES (INGENIERIA 1)

FECHA RECEPCION :13/03/2007TIMBRE RECEPCION

• Firma Co,nvestigadores

CIa ud a Carrasco C.

Firma Investigador(a) Responsable

Fecha: 10/3J 2007

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:7 INFORME FINAL 6OBINO DE UULE

COP4ICVT

PROYECTO FONDECYT REGULAR

1050078 2 años 2 NÚMERO PROYECTO DURACIÓN AÑO DE EJECUCIÓN

Carlos Guido Camurri Porro 6684935-K INVESTIGADOR(A) RESPONSABLE R(JT

Universidad de Concepción, Departamento de Ingeniería de Materiales, Edmundo Larenas 270, Casilla 160-C, Concepción 41-2207170

DIRECION FONO

ccamurri@iudec.cl . E-maN 1

PERÍODO QUE INFORMA 15 / 3 / 2006 15 / 3 12007 DESDE HASTA

- CONTENIDO (I4ARQUE CON UNA X EL CASILLERO QUE CORRESPONDA)

INCLUYE NO INCLUYE

Formulario de Informe Final

Publicaciones

Resumen de Tesis Título/Grado

Información acerca de inventos y patentes

Otros (especificar)___________________

Informe Incentivo Coop. Internacional (Si corresponde)

CONTENIDO DEL INFORME FINAL

L CUMPLIMIENTO DE LOS OBJETIVOS PLANTEADOS EN EL PROYECTO. Marque con una X el casillero correspondiente.

ObjetivosCumplimiento Fundamentar el cumplimiento

Total Parcial No parcial o incumplimiento

1)Modelar el campo de temperaturas (año 1) y de esfuerzos residuales (año 2) inducidos durante el tratamiento térmico de bolas de molienda.

2) Validar experimentalmente campo de temperaturas (año 1) y de esfuerzos residuales (año 2)

3)Desarrollar tesis de pregrado (tres) y una de Magíster en relación a objetivos 1 y 2

4) Presentar trabajos a Congresos Internacionales y enviar manuscrito a Revista ISI

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Otro(s) aspecto(s) que Ud. considere importante(s) en la evaluación del cumplimiento de los objetivos planteados en la propuesta original o en las modificaciones autorizadas por los Consejos.

II. RESULTADOS OBTENIDOS

Describa brevemente los resultados obtenidos en el proyecto en un máximo de cinco páginas, tamaño carta, espacio seguido. Para cada uno de los objetivos específicos, describa o resuma los resultados. Relacione las publicaciones y/o manuscritos enviados a publicación con los objetivos específicos. Incluya en anexos, la información de apoyo que estime pertinente y necesaria para la evaluación.

Objetivo 11 Mpdelación matemática del cam po de temneratura (año 1 Provecto) y de esfuerzos residuales (año 2 Proyecto) durante el tratamiento térmico de bolas de molienda

Temperatura

Para el campo radial de temperatura durante las diferentes etapas del ciclo térmico de bolas de 3 y 5" de diámetro se desarrolló un modelo matemático mediante el método explícito de las diferencias finitas. En la modelación se consideró el calentamiento que sufre el agua de temple desde una temperatura inicial de 500 C a una de salida calculada de 90 0 C. Adicionalmente se incluyó, al inicio del temple, el efecto en el coeficiente de transferencia de calor de la ebullición nucleada y de la capa de vapor que rodea a las bolas. Se utilizó en el modelo un coeficiente de transferencia de calor h variable en el tiempo, obtenido de literatura para procesos similares. Adicionalmente, se incorporó en el modelo un algoritmo de optimización del valor de h, a partir de una secuencia de datos experimentales de temperatura en las bolas.

Esfuerzos residuales

Se modeló el campo de esfuerzos residuales inducido durante el tratamiento térmico de los medios de molienda resolviendo analíticamente el sistema resultante al considerar las ecuaciones de equilibrio de fuerzas, las relaciones entre desplazamientos y deformaciones y las ecuaciones constitutivas termo elásticas en las que se incorporó el factor de expansión lineal por unidad de longitud por efecto de las diferencia de temperatura, por el cambio de fase de austenita a martensita y, en el caso de las bolas de 5" de diámetro, de martensita a martensita revenida. Para obtener la distribución radial de martensita durante el tratamiento térmico de las bolas se utilizó la modelación de sus campos de temperatura durante esos tratamientos y las curvas CCT del acero. El módulo de elasticidad de la mezcla austenita martensita se obtuvo experimentalmente a partir de ensayos de tracción a probetas templadas y traccionadas a temperaturas entre 50 y 2500 C, con muy buena concordancia respecto de valores encontrados en literatura para esas dos fases separadas.

1]

Objetivo 2) Validación experimental del camoo de temoeratura (año 1 Provecto) y de esfuerzos residuales (año 2 Provecto)

Temperatura

Para la validación experimental del campo radial de temperatura de las bolas se les electroerosionó canales en tres posiciones: a 7 mm de la superficie, hasta la mitad del radio y hasta el centro de las bolas. Se fijó termocuplas en el fondo de los canales y posteriormente se simuló en laboratorio el proceso de temple y ecualizado de las bolas. En el caso del temple se utilizó un equipo que reproduce las condiciones de flujo, cantidad de agua por bolas, agitación y otras que ocurren en el proceso real de temple. La comparación de los resultados experimentales de temperatura con los del modelo resultó ser muy buena, con diferencias porcentuales máximas de temperatura del 0.5% al final del temple. Las temperaturas del agua de temple teóricas y experimentales resultaron coincidentes.

Esfuerzos residuales

La validación experimental del campo de esfuerzos residuales se efectuó mediante la técnica de difracción de Rayos X (DRX), con mediciones efectuadas tanto en el país (superficiales en sentido circunferencia¡) como en la Universidad Libre de Bélgica ( superficiales circunferenciales y radiales y circunferenciales en profundidad a partir de paralelepípedos cortados radialmente en las bolas). La comparación de los resultados experimentales de la medición de los esfuerzos residuales respecto de los teóricos es buena en el caso de bolas de 3" de diámetro. En el caso de tamaño de 5", se aprecia una menor correlación, atribuible a que el efecto distorsionador y liberador de tensiones residuales al cortar los paralelepípedos para la medición en profundidad mediante DRX se manifiesta en forma más marcada en bolas de diámetro mayor. A partir de lo anterior es posible utilizar el modelo para predecir las mejores condiciones operacionales durante el temple, temperatura inicial y/o flujo y agitación del agua, de modo de minimizar los esfuerzos residuales y por esa vía, incrementar la vida útil de las bolas.

En anexo 1 se adjunta un resumen de la modelación matemática y validación experimental del campo de esfuerzos residuales de las bolas. (lo relativo al campo de temperaturas fue incluido en Anexo 1 del Informe de Avance).

Con lo cumplido en estos dos objetivos se presentó dos trabajos a Congresos Internacionales (adjuntados en Informe de Avance), se tiene una publicación ISI (adjuntada en Informe de Avance) y un manuscrito enviado a Revista ISI (texto en anexo II).

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Objetivo 3) Desarrollo de dos Memorias de Título y de una Tesis de Magíster

En el cumplimiento de los objetivos 1 y 2 participaron tres alumnos Memoristas y un Tesista de Magíster. El año 1 del Proyecto un alumno efectuó su Memoria para optar al Título de de Ingeniero Civil Metalúrgico:

- "Distribución y validación experimental de la temperatura de las bolas de molienda durante su tratamiento térmico"

El año 2 se desarrolló dos Memorias para optar al Título de Ingeniero Civil de Materiales.

- "Determinación experimental del módulo de elasticidad de la mezcla austenita-martensita entre la temperatura ambiente y Ms'

- " Determinación experimental del módulo de elasticidad de la austenita entre los 700 0 C y Ms'

Adicionalmente un alumno del Magíster en Ingeniería Metalúrgica trabajó en la Tesis de Grado " Modelación matemática y validación experimental del campo de esfuerzos residuales durante el tratamiento térmico de medios de molienda". Un Resumen de la Tesis de Grado se muestra en el Anexo 1 citado.

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III. PRODUCTOS GENERADOS POR EL PROYECTO

En esta sección debe incluir todo documento o material cuyo contenido corresponda substancialmente a los objetivos del proyecto que se informa y en los que se indique el N° del proyecto FONDECYT. Aténgase a los formatos que se incluyen para cada tipo de producto generado. Adjunte copia de los documentos no enviados previamente a FONDECYT. Utilice las hojas adicionales que sean necesarias.

Si Ud. tiene un proyecto de Incentivo a la Cooperación Internacional, destaque con (*) las publicaciones generadas como producto del mismo a continuación de las que corresponden al Regular

1. Artículos en revistas científicas nacionales o extranjeras con Comité Editorial. Marque con una "X" lo que corresponda. Para trabajos En Prensa! Aceptados! Enviados adjunte copia de carta de aceptación o de envío.

Autor(a)(es/as) Carlos Camurri, Claudia Carrasco, Jean Dille

Título (Idioma Original)Temperature distribution, phases transforrnation and residual stresses in heat treatment of gnnding balls. ( Enviada con Informe de Avance. Se incluye primera página del manuscrito publicado)

Nombre Completo de la Revista. Materials Science Forum

Ref. bibliográfica Año:_2007______ Vol. 539-543 N° _____ Pág. _2234-2239 Estado de la publicación a Publicada El Aceptada El Enviada II En preparación la fecha.* /En Prensa Otras fuentes de financiamiento, si las hay

Autor(a)(es/as)Carlos Camurri, Claudia Carrasco, Jean Dille

Título (Idioma Original)Residual stresses during heat treatment of grinding balls.

Nombre Completo de la Revista. Materials Characterization

Reí. bibliográfica Año: 2007 Vol. ____ N° _______ Pág. Estado de la publicación a El Publicada E] Aceptada 1 Enviada O En preparación la fecha.* ¡En Prensa Otras fuentes de financiamiento, si las hay

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2. Otras publicaciones/ productos.

Autor(a)(es/as)

Título (Idioma Original)

Tipo de publicación o [] Monografía [] Seminario /Taller /Curso producto [] Libro [] Informe Técnico

[jj] Capítulo de Libro [] Software Marque con una "X- lo que [1 Mapa E] Patente conponda E] Exposición de Arte

Otro. Especificar:

Editor(es) (Libros o Capitutos de Libros)

Nombre de la Editorial/ Organización

Lugar y Fecha de Publicación País: Fecha:

3. Presentaciones a Congresos Nacionales e Internacionales. Adjunte copia del resumen o texto de la ponencia y de la tapa de/libro de Resúmenes, si no la ha enviado previamente.

Autor(a)(es/as)Carlos Camurri, Claudia Carrasco, Jean Dille

Título (Idioma Temperature distnbution, phases transformation and residual stresses during the Original) heat treatment of gnnding balls (Enviada con Informe de Avance)

Nombre del CongresoTHERMEC 2006

Lugar Fecha País: Canada Ciudad:Vancouver Fecha:2 al6Julio 2006

Autor(a)(es/as)Carlos Camurri, Claudia Carrasco

Título (Idioma Original) Modelado de esfuerzos residuales en bolas de molienda (Enviada con Informe de

Avance) Nombre del Congreso

Jornadas SAM/CONAMET 2005

Lugar y Fecha País: Argentina Ciudad: Mar del Plata Fecha:Octubre 2005

4. Tesis y lo Memorias en ejecución y /0 terminadas en el marco del proyecto. Adjunte copia del resumen no informado anteriormente y certificación de aprobación, si corresponde.

Título de la TesisDistribución y validación de temperatura durante el tratamiento térmico de bolas de molienda (Enviada el 29 de Junio del 2006)

Nombre y Apellidos del(de la)/de los(las) Alumno: Jovelirio Burgos Calabrano Alumno(a)(os/as) y Tutor(a) Tutor: Dr. Carlos Camum P. Titulo/ Grado

Ingeniero Civil Metalúrgico Institución Facultad, -.

Ingeniería, Universidad de Concepc ión, Facultad de Ingeniea, Departamento de Ingeniería Metalúrgica

Lugar País :Chile Ciudad: Concepción_____________________

Estado de Tesis En Ejecución: Terminada: X_________

Fecha de Inicio: 20/3/2005 de Término: 29/6/06

Título de la Tesis Determinación experimental del módulo de elasticidad de la mezcla austeriita martensita entre 50 y 2500 C.

Nombre y Apellidos del(de la)/de los(las) Alumna: Pamela Rodríguez Torres Alumno(a)(os/as) y Tutor(a) Tutor: Dr Carlos Camum P. Titulo/ Grado

Ingeniero Civil de Materiales (por obtener) Institución, Facultad, -.

Ingeniería, Universidad de Concepción, Facultad de Ingeniea, Departamento de Ingeniería de Materiales.

Lugar País: Chile Ciudad: Concepción______________________

Estado de Tesis En Ejecución: X_______ Terminada:

Fecha de Inicio: 9/3/2006 Fecha de Término: —Abril 2007 (estimado)____________

Título de la Tesis -Determinación del módulo de la elasticidad de la austenita entre las temperaturas de 7000 C y Ms.

Nombre y Apellidos del(de la)/de los(las) Alumna: Valeria Mendoza Mendoza Alumno(a)(os/as) y Tutor(a) Tutores: Carlos Camum P, Claudia Can-asco C Titulo/ Grado

Ingeniero Civil de Materiales (por obtener) Institución, Facultad, Departamento Universidad de Concepción, Facultad de Ingeniería, Departamento de

Ingeniería de Materiales

Lugar País :Chile Ciudad: _Concepción______________________

Estado de Tesis En Ejecución: _X

Fecha de Inicio: _91312006 de Término: _Abril 2007 (estimado)___________

Titulo de la TesisModelación matemática y validación experimental del campo de esfuerzos residuales durante el tratamiento térmico e bolas de molienda

Nombre y Apellidos del(de la)/de los(las) Alumno: Diego Rodríguez Alumno(a)(os/as) y Tutor(a) Título! Grado Magíster en Ingeniería Metalúrgica Institución, Facultad, Departamento Universidad de Concepción, Facultad de Ingeniería, Departamento de

Ingeniería Metalúrgica Lugar País: Chile Ciudad: Concepción___________________

Estado de Tesis En Ejecución: _X

Fecha de Inicio: Marzo 2003 Fecha de Término: Abril 2007 (estimado)___________

IV. DESTAQUE OTROS LOGROS DEL PROYECTO TALES COMO: • Estadías de investigación. • Formación de recursos humanos exceptuando tesistas ya informados. • Actividades de difusión y/o extensión en la temática del proyecto. • Cualquier otro logro no contemplado en los ítem anteriores y que Ud. quiera destacar.

En el marco del Convenio suscrito entre la Universidad de Concepción y la Comunidad Francofóna Belga "Procedimientos y Materiales para la Industria Extractiva", el alumno Memorista de Ingeniería Civil Metalúrgica participante de este Proyecto Señor Jovelino Burgos Calabrano efectuó una estadía durante Octubre y Noviembre del 2005 en la Universidad Libre de Bruselas (ULB). En el período el estudiante efectuó mediciones de esfuerzos residuales en bolas de molienda mediante difracción de Rayos X en Laboratorios del Departamento de Materials Science and Electrochemistry de la ULB, bajo la supervisión del Dr. Jean Dille.

V. RESUMEN

Describa en forma precisa y breve el tópico general del proyecto, sus metas y objetivos y los resultados alcanzados. Utilice un lenguaje apropiado para la comprensión del público no especialista en el tema. Esta información podrá ser difundida. (No debe exceder este espacio en fuente Verdana 9)

La existencia de esfuerzos residuales en partes o piezas metálicas limita su rango de utilización y/o disminuye su performance en servicio. Es el caso de las bolas para molienda producidas por conformado mecánico (forja o laminación) y posteriormente templadas, ecualizadas y, en el caso de bolas de 5" de diámetro, revenidas. Como consecuencia de los gradientes térmicos y estructurales inducidos durante las digferentes etapas del ciclo térmico, se generan en las bolas elevados esfuerzos residuales que disminuyen su posterior vida útil en los molinos, incrementando de esa manera el costo asociado a la molienda de minerales. En tal sentido, el objetivo central del presente proyecto es el de modelar y validar experimentalmente el campo de esfuerzos residuales inducido durante el tratamiento térmico de bolas de molienda de 3 y 5" de diámetro, representan el mayor volumen de la producción, y, a partir de éste, ofrecer una herramienta para determinar las condiciones operacionales óptimas durante el ciclo térmico, temperatura, flujo y agitación del agua de temple, de modo de disminuir las tensiones remanentes prolongando en consecuencia la vida útil de las bolas en servicio y disminuyendo el costo asociado a la molienda de minerales. Para poder cumplir con el objetivo planteado, el proyecto contempló dos grandes etapas:

1) Modelación matemática mediante el método explícito de las diferencias finitas y validación experimental del campo radial de temperaturas de las bolas durante las diferentes etapas de su tratamiento térmico. En el temple se consideró la formación de un manto de vapor y la presencia de ebullición nucleada como factores que inciden inicialmente en el coeficiente de transferencia de calor entre la bola y el agua, inicialmente a 50 0 C. A su vez en esta se incluyó .'J? el calentamiento que sufre durante ese proceso. La validación del campo radial de temperaturas de las bolas se efectuó insertando termocuplas en tres posiciones radiales de las mismas: superficie, intermedia y central. La comparación de los resultados experimentales de temperatura con los del modelo resultó ser muy buena, con diferencias porcentuales máximas de temperatura del 0.5% al final del temple. Las temperaturas del agua de temple teóricas y experimentales resultaron prácticamente coincidentes.

2) Se modeló el campo de esfuerzos residuales inducido durante el tratamiento térmico de los medios de molienda resolviendo analíticamente el sistema resultante al considerar las ecuaciones de equilibrio de fuerzas, las relaciones entre desplazamientos y deformaciones y las ecuaciones constitutivas termo elásticas en las que se incorporó el factor de expansión lineal por unidad de longitud por efectos de las diferencia de temperatura y de los cambios de fase de austenita a martensita y de martensita a martensita revenida en el caso de bolas de 5 pulgadas de diámetro. Para ello se utilizó la modelación del campo de temperatura de las bolas durante sus tratamientos térmicos a partir del cual, con las curvas CCT del acero, se obtuvo la distribución radial de martensita. El módulo de elasticidad de la mezcla austenita martensita se obtuvo experimentalmente a partir de ensayos de tracción a probetas templadas y traccionadas a temperaturas entre 50 y 2500 C, con muy buena concordancia respecto de valores encontrados en literatura para esas dos fases separadas. La validación experimental del campo de esfuerzos residuales se efectuó mediante la técnica de difracción de Rayos X (DRX), con mediciones efectuadas tanto en el país (superficiales y en sentido circunferencia¡) como en la Universidad Libre de Bélgica ( circunferenciales superficiales y radiales y circunferenciales en profundidad a partir de paralelepípedos cortados radialmente en las bolas). La comparación de los resultados experimentales de la medición de los esfuerzos residuales respecto de los teóricos es buena, particularmente en el caso de bolas de 3" de diámetro. A partir de lo anterior es posible utilizar el modelo para predecir las mejores condiciones operacionales durante el temple de modo de disminuir los esfuerzos residuales.

Como producto final se obtuvo tres Memorias de Título, una Tesis de Magíster, dos presentaciones a Congresos Internacionales, una publicación ISI en prensa y otra enviada.

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