ingeniería de procesos metalúrgicos y de materiales dr. bernardo hernández morales

Ingeniería de Procesos Metalúrgicosy de Materiales

Dr. Bernardo Hernández Morales

¿ Qué es un proceso metalúrgico ?

• Proceso de obtención de materiales metálicos

• Proceso de manufactura de componentes metálicos

• 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.

Evolución de los procesos metalúrgicos

(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

• 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

Características de los procesos metalúrgicos

PROCESO HYL-III

http://www.hylsamex.com.mx/

Cada reactor requiere de un conjunto de equiposauxiliares.

Por ejemplo, el reactor del proceso HIsmelt para la reducción de hierro necesita de:

• Estufas

• Filtro

• Intercambiador de calor

• Sistema de prereducción

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

Diagrama de flujo simplificado del proceso HIsmelt

• Son de gran tamaño

• Son tecnológicamente sofisticados

Características de los reactores

Planta de producción de FeNb

http://www.hightechfinland.com/2003/newmaterialsprocess/materials/outokumpu.html

... y dentro de cada reactor ocurren fenómenosfísicos 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:

TERMICOCAMPO

ESFUERZOSCAMPO DE

MICROESTRUCTURALCAMPO

MECANICASPROPIEDADES

6

5

1 2 4 3

• 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.

B. Hernández M., J.S. Téllez M. y G. Sánchez S. “Characterization of the heat transferBoundary conditions during cooling of a horizontal disk with a water column”. Materials Science Forum. (2007) Vols. 539-543, pp. 2479-2484

Distribución de temperatura en un disco enfriadocon una columna de agua

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

Distribuciones de temperatura, concentración y velocidaden una planta piloto del proceso HIsmelt (Calculadas)

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

Procesamiento

Estructura

Propiedades

Relación procesamiento-estructura-propiedades

áto

mo

s

10-8 10-6 10-4 10-2 1 100

Mo

lécu

las

gra

nd

es mic

roes

tru

ctu

ra

mac

roes

tru

ctu

ra

m

Escalas de estructura

Sin gradientes

(Laboratorio)

Con gradientes

(Industria)

Gradientes microestructurales

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 ingenierilesT

emp

erat

ura

Tiempo

Mayor CalidadMenor Costo

FactoresMacroeconómicos

FactoresIngenieriles

¿ Con qué herramientas cuento ?

METODO EMPIRICO

(ENSAYO Y ERROR)

INGENIERÍA DE PROCESOSMETALÚRGICOS

METODOS INDIRECTOS

Condiciones de proceso

Estructura Propiedades Uso

Marco de trabajo de la Ingeniería de Procesos Metalúrgicos

Factoreseconómicos

Factoresingenieriles

Fenómenosde transporte

Metalurgia FísicaMetalurgia Química

Metalurgia Mecánica

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

Conocimientos previos

AlgebraCálculoEcuaciones diferencialesFísica (Física I)

Desarrollo de modelos matemáticos (predictivos)

Características de la asignatura

Evaluación

Exámenes parciales

Tareas, cuestionarios y trabajos

Exámenes finalesResolución de problemas

Comunicación

Página WEB

Dirección de correo electrónico

bernie@servidor.unam.mx

http://depa.fquim.unam.mx/ipm/

Submenú: Asignaturas/Introd. Ing. Met. y de Mat.