MARA - 1 - Facultad de Química UNAM

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
FACULTAD DE QUÍMICA
PROYECTO
Título:
“Desgasificado de aluminio a nivel laboratorio de fundición con rotor
rediseñado”
Tutor Responsable: Dr. Marco Aurelio Ramírez Argáez
Email: [email protected]
Teléfono: 55 56225246
Dependencia: Departamento de Ingeniería Metalúrgica, Facultad de
Química, UNAM
________________________________
FIRMA: DR. MARCO AURELIO RAMÍREZ ARGÁEZ
Profesor de Carrera Titular C TC
Departamento de Ingeniería Metalúrgica, FQ-UNAM
Antecedentes
Un proyecto anterior (2016-2), del alumno Rodrigo Hernández no fue capaz de probar el desempeño del
rotor en cuestión propuesto para este proyecto, sino que evaluó el desempeño para el desgasificado de dos
rotores comerciales disponibles en el mercado y un rotor previamente diseñado. Esto se debió a la dificultad
de hacer experimentos. Consecuentemente, en este proyecto de nueva cuenta se propone comparar el
desempeño de un rotor rediseñado a partir de un diseño ya probado previamente en este grupo de la
Facultad de Química de la UNAM.
La desgasificación del aluminio líquido mediante la técnica del rotor inyector ha sido un tema de profundo
interés de estudio y análisis dentro del área de ingeniería metalúrgica en las últimas décadas. El hidrógeno,
que se encuentra disuelto en el aluminio líquido proveniente de la humedad, debe eliminarse, ya que de lo
contrario producirá poros en las piezas solidificadas de aluminio con merma en las propiedades mecánicas.
Actualmente se disponen de diversas tecnologías para efectuar la limpieza del aluminio, sin embargo, el
entendimiento global del proceso en lo relativo a la cinética y fluido dinámica del mismo aún no son del total
dominio. Buscando la optimización del proceso en términos de calidad de producción, disminución de
costos, así como de impacto ambiental, se han desarrollado diversos modelos matemáticos y modelos
físicos en agua como herramientas accesibles y económicas de análisis, optimización y control de procesos y
combinando modelos matemáticos y físicos en un mismo estudio para validar los resultados del modelado
matemático.
Modelos matemáticos.- Ha habido muchos intentos por cuantificar la cinética de desgasificado a través de la
purga de gases en una olla equipada con rotor-inyector mediante principios de transporte de masa
acoplados a un balance global de materia, en donde la cinética del proceso se puede expresar a través de un
coeficiente global de transporte de masa en función de los diferentes parámetros de operación. De estos
modelos, destaca el de G. Sigworth y T. A. Engh, con el que obtuvieron relaciones adimensionales que
relacionan la habilidad del hidrógeno para difundir hacia la burbuja durante su ascenso y la capacidad del
gas de purga para remover el hidrógeno disuelto [1]. Recientemente el uso de software de flujo de fluidos
computacional (CFD por sus siglas en inglés) ha ganado mucha aceptación al describir detalles de la dinámica
de fluidos, forma y tamaño dl vórtice dispersión y tamaños de burbujas y otras características esenciales de
estos sistemas, específicamente también se puede diseñar el rotor con estas técnicas de simulación
numérica, lo cual representa una gran área de oportunidad para acelerar la cinética de desgasificado.
Modelos físicos.- La inyección de gases en el seno del metal líquido es un fenómeno muy complejo debido a
la gran cantidad de parámetros de operación cinéticos y termodinámicos involucrados. La fluido dinámica en
estos sistemas es poco entendida, resultando en procesos con bajas eficiencias y problemas de operación.
Debido a esto, la modelación física a escala completa ha sido ampliamente utilizada para la simulación de
procesos metalúrgicos, en específico en el proceso de refinación del aluminio líquido, en donde es posible
observar los patrones de flujo que determinan en gran medida la eficiencia del proceso de desgasificado.
Utilizando agua en el rol del aluminio fundido y aire en el papel del argón inyectado se obtiene la ventaja de
la medición continua e inmediata de la concentración de oxígeno disuelto en agua y de visualizar la dinámica
de fluidos[2, 3].
La modelación física se basa principalmente en el análisis de escalamientos del sistema en estudio, los cuales
abarcan una serie de criterios de similitud expresados útilmente en términos de relaciones adimensionales
[4]. Consecuentemente, los resultados obtenidos mediante modelación física pueden ser trasladados a
condiciones industriales [5, 6]. Los modelos físicos de agua han sido de gran utilidad para el estudio de una
gran variedad de parámetros operacionales en el desgasificado de aluminio mediante la técnica del rotor
inyector. Su aplicación incluye desde la evaluación de diferentes tipos de geometrías de rotor-inyector [5, 7],
el estudio del comportamiento de las burbujas de gas inyectado en términos de la distribución, tiempos de
residencia y tamaños [8, 9, 10-12], tiempos y eficiencias de mezclado [13, 14], así como la cinética y
eliminación de gases disueltos en modelos de agua mediante la remoción de oxigeno previamente disuelto
mediante la inyección de un gas inerte [5, 14, 15]. Particularmente, el diseño del rotor es un área de
oportunidad poco explotada hasta ahora y creemos firmemente que se necesita de un estudio de modelado
físico y también matemática que caracterice la hidrodinámica del sistema y el efecto que tiene el diseño del
rotor sobre ésta.
Particularmente, hay un nuevo diseño de rotor (rediseñado o rotor A) que se ha probado en trabajos
anteriores. El desempeño de este rotor propuesto por este grupo fue superior que los rotores comerciales
de la empresa Foseco, sin embargo, un análisis hecho en análisis numérico con códigos CFD mostró que este
diseño puede mejorarse aún más, por lo que en este proyecto se estudiará la fluido dinámica de un rediseño
de este rotor (rotor B) y se comparará su desempeño contra el diseño propuesto (rotor A) en pruebas con
aluminio líquido. Básicamente se propone aumentar un aspa al diseño y reducir la sección troncocónica que
no es eficiente en la transmisión de cantidad de movimiento.
Hipótesis
 El rediseño de un rotor para el desgasificado de aluminio que consiste en aumentar un aspa y
reducir la sección troncocónica de un diseño previo, mejorará la rapidez de deshidrogenación.
Objetivos

Comparar el desempeño entre un rotor rediseñado (rotor B) y un rotor diseñado previamente
(rotor A) en un proyecto anterior a través de pruebas de desgasificado en aluminio líquido en el
laboratorio de fundición.
Metas:



Se obtendrán curvas del contenido de hidrógeno en aluminio líquido contra tiempo (cinética de
desgasificado) para cada uno de los dos rotores analizados.
Se redactará un reporte de las actividades realizadas después de 16 semanas.
Al final de la estancia de investigación se tendrá un avance aproximado del 80 % de la tesis que
hará el estudiante, la cual tendrá el mismo nombre que el presente proyecto.
Metodología de trabajo
Se fijarán las condiciones de proceso tales como el punto de inyección del gas (se hará de manera
convencional a través del rotor), y se fijará la velocidad de rotación en 290 rpm y el flujo de gas en 10 L/min,
al ser condiciones óptimas de acuerdo a trabajos anteriores. Únicamente se variará el diseño del rotor. En
este sentido, se usará un nuevo rotor diseñado en un trabajo de doctorado anterior. A pesar de que este
diseño resultó superior en desempeño a los rotores comerciales de la empresa FOSECO, se encontró que la
geometría puede mejorarse, ya que la parte superior troncocónica del rotor no participa en la agitación del
líquido. Entonces, se evaluarán 2 rotores, es decir, el diseño nuevo originalmente planteado y el rotor
rediseñado eliminando esta parte superior que no ayuda a la agitación. Se proponen realizar pruebas de
desgasificado para medir las cinéticas de la eliminación de hidrógeno del aluminio.
Descripción de las actividades a realizar
Revisión de la literatura. Se estudiará y asimilará críticamente 10 artículos técnicos relacionados con el tema,
así como el trabajo previo hecho en este tema por este grupo.
Experimentación en el laboratorio de fundición: se realizarán experimentos de desgasificado en aluminio. En
este caso se satura el aluminio con una atmósfera húmeda por 30 minutos y se mide el contenido de
hidrógeno con ayuda del equipo ALSCAN®, luego se purga argón para desgasificar por un minuto. Como las
mediciones con el ALSCAN no son continuas, se detiene la purga, y se mide el contenido de hidrógeno. De
nuevo se vuelve a saturar el aluminio con hidrógeno y se procede a purgar con el equipo por 3 minutos y se
vuelve a medir el contenido de hidrógeno. Este mismo procedimiento se realiza pero ahora con tiempos de
purga de 10 y 20 minutos con lo cual se obtienen cinéticas de desgasificado para cada rotor. Se espera
realizar por duplicado las curvas de ambos rotores y mantener en la medida de lo posible condiciones
isotérmicas. El equipo de desgasificado experimental ya está construido e instrumentado con un tacómetro,
un flujometro y un taladro con un motor de velocidad de rotación variable para ajustar las revoluciones por
minuto y el flujo de gas. Uno de los rotores ya está construido en grafito y el rediseño se tiene que primero
dibujar y rediseñar y luego maquinar en el mismo material.
Análisis de resultados y escritura de reporte: Se evaluará el desempeño de cada rotor y se sacaran las
conclusiones pertinentes, además de escribir un reporte final.
Cronograma de actividades
Actividad/semana
Revisión de la
literatura
Pruebas
en
laboratorio
Análisis
de
resultados
Escritura
de
reporte
1y2
X
3y4
X
5y6
X
7y8
9 y10
11y12
13y14
X
X
X
X
X
X
15y16
X
X
Resultados esperados


Comparar el desempeño de dos rotores respecto a la cinética de desgasificado a través de pruebas
en planta piloto en el laboratorio de fundición.
Escribir un reporte de actividades después de 16 semanas.
Bibliografía preliminar
[1] Sigworth, G.K. and T.A. Engh, “Chemical and kinetic factors related to hydrogen removal from
aluminum”, Metallurgical and Materials Transactions B, 1982. 13(3): p. 447-460.
[2] Zhang, L.; Taniguchi, S.; Matsumoto, K. “Water model study on inclusion removal from liquid steel by
bubble flotation under turbulent conditions”, Ironmaking & Steelmaking 2002, 29 (5), 326–336.
[3] Grandfield J. F., Irwin D. W. “Mathematical and Physical Modelling of Melt Treatment Process” Light
Metals 1990, p.p. 737-746.
[4] Szekely J., Evans J. W. and Brimacombe J. K., “The mathematical and physical modeling of primary metals
processing operations”, John Wiley and Sons, 1988, p 194-195.
[5] Nilmani M., Thay P.K. & Simensen C.J., 1992,” A comparative study of impeller performance”, Light
Metals, 939-946.
[6] Mazumdar D., Guthrie R.I.L. “The physical and mathematical modelling of gas stirred ladle systems”. ISIJ
International, Vol. 35(1), 1-20 (1995).
[7] Camacho-Martinez, J.L., Ramírez-Argáez, M. A., Zenit-Camacho R., Juárez-Hernández A., Oscar BarceinasSánchez, J. D., and Trápaga-Martínez G., “Physical Modelling of an Aluminium Degassing Operation with
Rotating Impellers—A Comparative Hydrodynamic Analysis”, Materials and Manufacturing Processes, 2010.
25(7): p. 581-591.
[8] Vovio, T. O., Mugica, G.W., González, A.C., Cuyás, J.C., “Formation and size of bubbles in degassing
system of aluminum alloys”, AFS Transactions 2000, 108, 457–462.
[9] Chen, J. J. and Zhao, J. C., 1995, ‘‘Bubble distribution in a melt treatment water model.’’
Light Metals, pp. 1227–1231.
[10] Johansen, S. T., Gradahl, S., and Myrbostad, E., 1996, ‘‘Experimental determination of bubble sizes in
melt refining reactors.’’ Light metals, pp. 1027–1031.
[11] Zhang L., Lv X., Torgerson A. T., and Long M.,”Removal of Impurity Elements from Molten Aluminum”,
Mineral Processing & Extractive Metallurgy Review, 32: 150–228, 2011.
[12]Hop, B., Frisvold, F., Rasch, B., and Johansen, S. T., 1997, ‘‘The fluid mechanics in the H110
Hycast reactor.’’ Light Metals, pp. 837–841.
[13] Chiti, F., Paglianti, A., and Bujalshi, W., 2004, ‘‘A mechanistic model to estimate powder consumption
and mixing time in aluminum industries.’’ Chemical Engineering Research and Design, 82(A9), pp. 1105–
1111.
[14]Mazumdar, D. and Evans, J. W., 2004, ‘‘Macroscopic models for gas stirred ladles.’’ ISIJ
International, 44(3), pp. 447–461.
[15] Nilmani M. and Thay P.K., “Gas Fluxing Operation in Aluminium Melt Refining Laboratory and Plant
Investigations”, Light Metals 1990, 1st ed., M. Bickert, Ed., Proc. 119th TMS Annual Meeting, The Minerals,
Metals & Materials Society, 1990, p 747-754.