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.