Proyecto PAPIME clave PE102209
“Material de apoyo para la enseñanza de asignaturas
de la Subárea de Ingeniería de la carrera de Ingeniería
Química Metalúrgica”
Responsable: Dr. Bernardo Hernández Morales
Producto: Modelos físicos de procesos metalúrgicos
Los procesos de obtención de materiales y manufactura de componentes
ingenieriles son procesos muy importantes para el desarrollo económico de
cualquier país. En este sentido, es crítico el contar con metodologías y
herramientas que permitan llevar al cabo el desarrollo, optimización y
control de los mismos con el objetivo de mejorar la productividad del
proceso y la calidad del producto al mismo tiempo que se disminuyen los
costos (monetarios y ecológicos) asociados. Desafortunadamente, estos
procesos son muy complejos por lo que la metodología de ensayo y error que
se ha utilizado hasta recientemente no es la más adecuada dado que con ésta
se obtienen únicamente ventanas de operación para un producto específico,
generándose muy poco conocimiento del proceso. En el diseño de algunos de
estos procesos se ha recurrido a ensayos estándar de laboratorio que,
aunque incorporan un mayor conocimiento de los campos que interactúan
durante el proceso, están diseñados de tal forma que no es fácil extrapolar
los resultados.
Por otra parte, desde finales del siglo pasado, se ha venido desarrollando
la metodología de Ingeniería de Procesos de Obtención de Materiales y
Manufactura de Componentes Ingenieriles (IPOMyMCI). Esta metodología,
originalmente llamada Ingeniería de Procesos Metalúrgicos, se basa en
estudios fundamentales de los procesos y utiliza cinco herramientas:
1. Mediciones en planta
2. Mediciones en planta piloto
3. Modelos físicos
4. Modelos matemáticos
5. Mediciones en el laboratorio
El modelado físico de procesos de obtención de materiales y de
manufactura de componentes ingenieriles consiste en realizar observaciones
y mediciones en un modelo físico (usualmente a escala) de un reactor,
llamado prototipo. El modelo físico tiene las características siguientes: 1) está
construido con materiales distintos a los del prototipo y 2) opera bajo
condiciones diferentes a aquellas a las que opera el prototipo. Debido a estas
características es más fácil realizar observaciones y mediciones en el modelo
que en el prototipo.
Para apoyar el curso “Modelado Físico de Proceso Metalúrgicos y de
Materiales” se construyeron modelos físicos. Uno de ellos simula la inyección
de un gas en un reactor mediante inyección lateral.
Inyección de un gas mediante una tobera lateral
La inyección de gases en baños líquidos se utiliza ampliamente en la
industria metalúrgica tanto en el campo de los materiales ferrosos (por
ejemplo, en la descarburización de acero) como en el de los no ferrosos (en
procesos tales como la desoxidación de cobre y la desgasificación de
aluminio). Esta operación tiene por objetivo el homogeneizar al baño líquido
tanto desde el punto de vista térmico como químico. En ocasiones, el gas es
reactivo con respecto al baño metálico mientras que en otras sirve para
transportar material reactivo. En cualquier caso, el uso de inyección de gases
coadyuva a incrementar la productividad de los procesos
Esta operación puede realizarse por el fondo del reactor, por un lado
del reactor o bien mediante una lanza sumergida en el baño líquido. En el
caso de inyección por el fondo o por un lado, ésta se realiza a través de
toberas o bien de tapones porosos. Aunque en principio se busca la mayor
agitación posible en el baño, debe tenerse cuidado de que ésta no sea tan
significativa que se vaya a erosionar el refractario o que se favorezca la
contaminación del baño líquido al romperse la capa de escoria líquida que
frecuentemente existe arriba del baño metálico.
El modelo físico construido simula la inyección de un gas por una
tobera lateral. Está construido con acrílico y utiliza agua para simular al
material fundido y aire para simular al gas inyectado. El modelo es
particularmente útil para el estudio de la geometría de la “pluma” así como
para la medición de tiempos de mezclado y la caracterización de la superficie
libre. Se tomaron videos y fotografías para varias condiciones de operación.
Las imágenes que se muestran a continuación fueron obtenidas con una
cámara fotográfica usando tiempos de exposición largos, es decir,
representan el comportamiento promedio en el tiempo de la pluma para
cada condición de operación.
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