procesos y usos del acero
Modelación física y matemática
de procesos siderúrgicos
José de Jesús Barreto Sandoval1)
Saúl García Hernández2)
Profesor, Posgrado en Metalurgia. 2) Profesor, Departamento de Ciencias Básicas.
Tecnológico Nacional de México, Instituto Tecnológico de Morelia,
Av. Tecnológico No. 1500, Col. Santiaguito, C.P. 58120, Morelia, Michoacán. [email protected], [email protected]
1)
INTRODUCCIÓN
La modelación física y matemática de procesos siderúrgicos
es una herramienta muy poderosa que se usa extensivamente
para diagnosticar, optimizar y controlar las operaciones realizadas en los reactores; así como para la innovación y desarrollo
de nuevas tecnologías. La opacidad visual del acero líquido, las
altas temperaturas y el gran tamaño de los reactores siderúrgicos dificulta la realización de experimentos en planta, por lo
que el ingeniero de procesos tiene el recurso de los modelos
físicos y/o matemáticos. La representación cuantitativa del proceso de fabricación de acero es de gran ayuda para diagnosticar
y lograr comprender los fenómenos que dominan el comportamiento del proceso, lo cual da las bases para llegar a una optimización que repercuta en una maximización del beneficio o
una minimización del costo de producción. El presente trabajo
presenta tres ejemplos de modelos desarrollados por el grupo
de trabajo del posgrado en metalurgia del ITM vinculados con
la industria nacional y que han sido aplicados para diagnosticar
y optimizar el comportamiento dinámico del acero en una olla
de refinación secundaria1), en un distribuidor2-4) y de un molde
colada continua5,6).
METODOLOGÍA
El modelo matemático desarrollado está compuesto de ecuaciones fundamentales, en conjunto con un modelo de turbulencia y un modelo multifásico para el rastreo de superficies
entre las interfaces de los líquidos inmiscibles. Además de una
serie de consideraciones para dar solución a las ecuaciones;
junto con los modelos propuestos, para los casos de la olla y
el distribuidor las simulaciones se llevaron a cabo en estado
isotérmico y para el caso del molde en estado anisotérmico. La
superficie libre de la olla, el distribuidor y el molde se consideran abiertos a la atmósfera y todas la superficies sólidas bajo
condiciones de no deslizamiento. Finalmente, las ecuaciones
son discretizadas a través de un software comercial empleando
el método segregado formulación implícita.
Por otra parte, para los casos de la olla y del distribuidor se
requirió de un modelo físico análogo a escala, que para su
construcción se empleó láminas de acrílico de diferentes espesores. Se diseñaron cumpliendo con los criterios de similitud
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de Froude, y en lugar de acero fundido se utiliza agua a 25°C
que presenta un comportamiento cinemático similar al acero
líquido a 1600°C. Para la inyección de argón se utilizó aire comprimido, para el estudio de los patrones de flujo se inyecta un
trazador de color rojo y se toma video para su posterior análisis.
Los detalles de los modelos se pueden consultar en las referencias bibliográficas presentadas.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Olla de Refinación Secundaria: El primer estudio se centra
en resolver un problema de puntos calientes y de excesivo desgaste refractario a la altura del nivel del baño de acero en olla,
esquematizada en la Figura 1.
Figura 1. Esquema de la olla modelada, a) vista lateral.
Primeramente se diagnosticó el funcionamiento de la olla considerando las principales variables operacionales, como agitación del baño con un solo tapón poroso. La propuesta fue
realizar experimentos y simulaciones modificando la configuración original de un tapón poroso por dos. Los resultados se
analizaron considerando perfiles de velocidad (Figura 2), los
coeficientes de fricción sobre las paredes de la olla (Figura 3),
los cuales representan las zonas probables de mayor desgaste
en la pared, y la apertura de la capa de escoria (Figura 4).Los
resultados muestran que trabajar con dos tapones porosos mejora el comportamiento dinámico del acero en la olla, puesto