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Ingeniería de Procesos Metalúrgicosy de Materiales
Dr. Bernardo Hernández Morales
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¿ Qué es un proceso metalúrgico ?
• Proceso de obtención de materiales metálicos
• Proceso de manufactura de componentes metálicos
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• 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
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(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
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• 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
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PROCESO HYL-III
http://www.hylsamex.com.mx/
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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
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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
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• Son de gran tamaño
• Son tecnológicamente sofisticados
Características de los reactores
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Planta de producción de FeNb
http://www.hightechfinland.com/2003/newmaterialsprocess/materials/outokumpu.html
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... y dentro de cada reactor ocurren fenómenosfísicos y químicos muy complejos ...
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G.J. Hardie et al. “Adaptation of injection technology for the HIsmeltTM process”.Savard/Lee International Symposium on Bath Smelting, 1992, pp. 623-644.
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Modelo físico de un tanque de temple
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• 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:
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TERMICOCAMPO
ESFUERZOSCAMPO DE
MICROESTRUCTURALCAMPO
MECANICASPROPIEDADES
6
5
1 2 4 3
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• 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.
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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
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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)
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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
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Procesamiento
Estructura
Propiedades
Relación procesamiento-estructura-propiedades
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áto
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10-8 10-6 10-4 10-2 1 100
Mo
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Escalas de estructura
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Sin gradientes
(Laboratorio)
Con gradientes
(Industria)
Gradientes microestructurales
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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
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Diseño y optimización de procesos de obtención
y manufactura de componentes ingenierilesT
emp
erat
ura
Tiempo
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Mayor CalidadMenor Costo
FactoresMacroeconómicos
FactoresIngenieriles
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¿ Con qué herramientas cuento ?
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METODO EMPIRICO
(ENSAYO Y ERROR)
INGENIERÍA DE PROCESOSMETALÚRGICOS
METODOS INDIRECTOS
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Condiciones de proceso
Estructura Propiedades Uso
Marco de trabajo de la Ingeniería de Procesos Metalúrgicos
Factoreseconómicos
Factoresingenieriles
Fenómenosde transporte
Metalurgia FísicaMetalurgia Química
Metalurgia Mecánica
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Herramientas de la Ingeniería de Procesos Metalúrgicos
Modelos matemáticos Modelos físicos Mediciones en laboratorio Mediciones en planta piloto Mediciones en planta
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Plan de Estudios de la carrera
Asignaturas básicas y socio-humanísticas
Metalurgia física y mecánica
Metalurgia química
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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)
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Características de la asignatura
Asignatura inicial de la línea de IPM
4º Semestre
Conocimientos previos
AlgebraCálculoEcuaciones diferencialesFísica (Física I)
Desarrollo de modelos matemáticos (predictivos)
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Características de la asignatura
Evaluación
Exámenes parciales
Tareas, cuestionarios y trabajos
Exámenes finalesResolución de problemas
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Comunicación
Página WEB
Dirección de correo electrónico
http://depa.fquim.unam.mx/ipm/
Submenú: Asignaturas/Introd. Ing. Met. y de Mat.