Ingeniería de Procesos Metalúrgicos y de Materiales Dr. Bernardo Hernández Morales

¿ Qué es un proceso metalúrgico ? Proceso de obtención de materiales metálicos Proceso de manufactura de componentes metálicos

Evolución de los procesos metalúrgicos Los procesos de obtención y manufactura de componentes metálicos han existido desde tiempos inmemoriales. A medida que la sociedad ha requerido de nuevos productos o de nuevas formas de producirlos (p. ej. conciencia ambiental), y que se ha generado el conocimiento y la tecnología necesarios, los procesos han sido mejorados y en algunos casos rebasados.

Producción mundial de acero por proceso (1880-1970) (1950-2000) P.J. Mackey y J.K. Brimacombre. “Savard and Lee – Transforming the metallurgical landscape”. Savard/Lee International Symposium on Bath Smelting, 1992, pp. 3-28. Producción mundial de acero por proceso

Características de los procesos metalúrgicos Los procesos de obtención y manufactura de componentes metálicos son complejos. Por ejemplo, el proceso HYLIII se divide en dos partes: Generación de gas reductor Reducción de mineral de hierro

PROCESO HYL-III http://www.hylsamex.com.mx/

Cada reactor requiere de un conjunto de equipos auxiliares. Por ejemplo, el reactor del proceso HIsmelt para la reducción de hierro necesita de: Estufas Filtro Intercambiador de calor Sistema de prereducción

Diagrama de flujo simplificado del proceso HIsmelt G.J. Hardie et al. “Adaptation of injection technology for the HIsmeltTM process”. Savard/Lee International Symposium on Bath Smelting, 1992, pp. 623-644.

Características de los reactores Son de gran tamaño Son tecnológicamente sofisticados

Planta de producción de FeNb http://www.hightechfinland.com/2003/newmaterialsprocess/materials/outokumpu.html

... y dentro de cada reactor ocurren fenómenos físicos y químicos muy complejos ...

G.J. Hardie et al. “Adaptation of injection technology for the HIsmeltTM process”. Savard/Lee International Symposium on Bath Smelting, 1992, pp. 623-644.

Modelo físico de un tanque de temple

Los fenómenos físicos y químicos no ocurren de manera aislada, sino que interactúan entre sí. Por ejemplo, durante el temple de una pieza de acero, los campos térmico, microestructural y de esfuerzos internos interactúan de una manera compleja:

6 5 4 2 1 3 CAMPO CAMPO DE TERMICO ESFUERZOS CAMPO MICROESTRUCTURAL PROPIEDADES MECANICAS

Una característica de los procesos metalúrgicos es que, en la mayoría de los casos, la escala del sistema y las condiciones de operación generan gradientes.

Distribución de temperatura en un disco enfriado con una columna de agua B. Hernández M., J.S. Téllez M. y G. Sánchez S. “Characterization of the heat transfer Boundary conditions during cooling of a horizontal disk with a water column”. Materials Science Forum. (2007) Vols. 539-543, pp. 2479-2484

Distribuciones de temperatura, concentración y velocidad en una planta piloto del proceso HIsmelt (Calculadas) G.J. Hardie et al. Adaptation of injection technology for the HIsmeltTM process. Savard/Lee International Symposium on Bath Smelting, 1992, pp. 623-644.

La presencia de gradientes obliga a la incorporación de conceptos de fenómenos de transporte en la ingeniería de procesos metalúrgicos y de materiales. Ejemplos de fenómenos de transporte: Transporte de momentum Transporte de energía Transporte de masa Transporte de carga eléctrica

Relación procesamiento-estructura-propiedades

Escalas de estructura microestructura macroestructura Moléculas grandes átomos m 10-8 10-6 10-4 10-2 1 100

Gradientes microestructurales Sin gradientes Con gradientes (Laboratorio) (Industria)

Diseño y optimización de procesos de obtención y manufactura de componentes ingenieriles Determinar las propiedades requeridas de acuerdo al uso Determinar los parámetros de operación (proceso) óptimos Procesamiento Estructura Propiedades

Diseño y optimización de procesos de obtención y manufactura de componentes ingenieriles Temperatura Tiempo

Mayor Calidad Menor Costo Factores Macroeconómicos Factores Ingenieriles Mayor Calidad Menor Costo

¿ Con qué herramientas cuento ?

METODO EMPIRICO (ENSAYO Y ERROR) METODOS INDIRECTOS INGENIERÍA DE PROCESOS METALÚRGICOS

Marco de trabajo de la Ingeniería de Procesos Metalúrgicos Factores económicos Factores ingenieriles Condiciones de proceso Estructura Propiedades Uso Metalurgia Física Metalurgia Química Metalurgia Mecánica Fenómenos de transporte

Herramientas de la Ingeniería de Procesos Metalúrgicos Modelos matemáticos Modelos físicos Mediciones en laboratorio Mediciones en planta piloto Mediciones en planta

Plan de Estudios de la carrera Asignaturas básicas y socio-humanísticas Metalurgia física y mecánica Metalurgia química Ingeniería de Procesos Metalúrgicos y de Materiales Introducción a la Ingeniería de Proc. Met. y de Mat. (4º) Transporte de Energía (5º) Transporte de Masa (6º) Análisis Numérico de Fenómenos de Transporte (7º) Ingeniería de Proc. Met. y de Mat. (8º)

Características de la asignatura Asignatura inicial de la línea de IPM 4º Semestre Desarrollo de modelos matemáticos (predictivos) Conocimientos previos Algebra Cálculo Ecuaciones diferenciales Física (Física I)

Características de la asignatura Evaluación Exámenes parciales Resolución de problemas Exámenes finales Tareas, cuestionarios y trabajos

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