Use of the advanced numerical simulation techniques for the study and improvement of steel-profiles manufacturing processes: Uso de técnicas avanzadas de simulación numérica para el estudio y mejora de procesos de fabricación de perfiles de acero

Este trabajo es producto del proyecto europeo TESTRA (Temperature and Straightness in Sections and Rail Straightening Processes, RFS-CR-03012), donde se ha estudiado la relación entre la temperatura y curvatura de perfiles de acero durante sus procesos de fabricación con respecto a las tensiones residuales y curvatura final de los mismos. El estudio se ha realizado en vigas estructurales del tipo 'I' y 'H' y en el rail ranurado Ri60, utilizado en el transporte urbano. El objetivo principal de este trabajo ha sido el modelado y simulación mediante Elementos Finitos (EF) de dos procesos secuenciales muy importantes en la fabricación de perfiles de acero: el enfriamiento y el enderezamiento. Estos procesos son comunes a la mayoría de las industrias dedicadas a la fabricación de productos largos de acero. El proyecto ha contado con la participación de institutos de investigación (BFI-Alemania) y de empresas productoras de perfiles de acero (PTG-Alemania y VA-Austria). Gracias a la participación de estas entidades fue posible contar con datos y resultados experimentales de vital importancia para la calibración y validación de los modelos creados con EF. Las tensiones residuales son las tensiones que quedan atrapadas en un objeto cuando no se aplica ninguna carga externa. Numerosos estudios teóricos y prácticos han destacado la influencia de las tensiones residuales en las características en servicio de los perfiles de acero (reducción de la capacidad de carga de las vigas estructurales y propagación de grietas en raíles de trenes, por mencionar algunos de los efectos). A través del modelado de estos procesos mediante EF se pretende contar con una herramienta flexible de análisis de la formación de dichas tensiones residuales, alternativa a la obtención de estas tensiones de forma experimental pues, ésta resulta complicada y con un consumo de tiempo apreciable. Además del análisis de los procesos mencionados mediante el modelado por EF, se ha planteado una metodología basada en algoritmos genéticos para mejorar el proceso de enderezamiento. A través de esta metodología se pretende encontrar los valores de la deflexión de los rodillos más adecuados que garanticen unas tensiones residuales mínimas y una curvatura final del perfil también mínima, sinónimos de calidad.This work is the result of the European project TESTRA (Temperature and Straightness in Sections and Rail Straightening Processes, RFS-CR-03012). In this project the relation between the temperature and bending during the production processes of steel sections and their final residual stresses and bending was studied. The study was focused on structural beams 'I' and 'H' and grooved rail Ri60, used in urban transportation. The aim of the thesis was the modelling and simulation through Finite Elements (FE) analysis of two main sequential production processes, common to most of the manufacturing of long steel products: the cooling process and the straightening process. Thanks to the participation of manufacturing enterprises (PTGGermany y VA-Austria) and research institutes (BFI-Germany) in the project, was possible to count on experimental data, very important to verify and calibrate the FE models. The residual stresses are those stresses that are locked in an object without the application of any external loads. Several theoretical and experimental studies have proved the negative influence of residual stresses on the duty properties of steel sections (decrease in the ultimate load of structural beams and crack propagation in rails, just to mentions some of them). The modelling and simulations of these processes through FE tools was considered important as the study of the residual stresses formation and its measurement are complicated to perform not only in laboratories but much more during normal production in real plants. Additionally to the FE study of the aforementioned processes, a methodology based on genetic algorithm is proposed to improve the straightening process. The methodology expects to be an automatic tool used to find the right rollers deflections in order to obtain a product with minimum residual stresses and with a bending value into an acceptable tolerance, i.e. with the best quality characteristics