Aplicación de la técnica de dise o factorial y del método de elementos finitos para optimizar la solidificación de la aleación Cu-5wt%Zn en un molde de arena Application of the factorial design and finite element methods to optimize the solidification of Cu-5wt%Zn alloy in a sand mold

En este trabajo fue realizada la simulación numérica en 2-D para la solidificación de la aleación Cu-5wt%Zn en molde de arena industrial a verde. Fue incorporada en esta investigación la liberación del calor latente durante la solidificación usando diferentes modelos matemáticos. Para realizar este trabajo, la técnica de elementos finitos y el software ANSYS fueron usados. Para este finalidad las propiedades termofísicas de la aleación Cu-5wt%Zn fueron consideradas dependientes con la temperatura, entre tanto, para la arena fueron considerados constantes. Además, el planeamiento factorial de Box-Behnken en tres niveles fue empleado para investigar el efecto de los tres factores sobre el proceso de la fundición, fueron entre ellos: la temperatura del molde, la convección en la parte externa del molde y la liberación del calor latente durante el cambio de fase. Los resultados de la transferencia de calor se presentaron en el sistema 2D para el flujo de calor, el gradiente térmico, las curvas de enfriamiento en la pieza solidificada y en el molde. Fue verificado que la temperatura del molde y el modelo matemático de la liberación del calor latente durante el cambio de fase son los más importantes parámetros del proceso de la solidificación. In the study reported in this work, two-dimensional numerical simulations were accomplish for the solidification of the Cu-5 wt %Zn alloy in industrial greensand. The latent heat release during the solidification using different mathematical models was incorporated. In order to accomplish this work, the finite elements technique and the ANSYS software program were used. The thermo-physical properties of the alloy Cu-5 wt %Zn were considered temperature-dependent, while for sand were considered constant. In addition, a full three-level Box-Behnken factorial design has been employed in order to investigate the effect of the three factors on the casting process, namely initial temperature of the mold, the convection in the external mold and the latent heat release during the phase change. The results of the heat transfer shown throughout the 2D system, such as thermal flow, thermal gradient and the cooling curves at various points of the cast metal/mold were determined. It was verified that the mold temperature and the mathematical model of the latent heat realease are the most important parameters in the solidification process.