ingeniería de procesos metalúrgicos y de materiales dr. bernardo hernández morales
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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
http://depa.fquim.unam.mx/ipm/
Submenú: Asignaturas/Introd. Ing. Met. y de Mat.