MODELACIÓN Y SIMULACIÓN DE LAS
OPERACIONES DE FILTRACIÓN DE HIERRO DÚCTIL
E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN EN METALURGIA Y MATERIALES
P R E S E N T A:
M. en. C. OSCAR OMAR DÁVILA MALDONADO
DIRECTOR DE TESIS:
Dr. CLEMENTE RODOLFO MORALES DAVILA
MÉXICO D.F., DICIEMBRE DE 2009
T E S I S:
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:
DOCTOR EN CIENCIAS EN METALURGIA Y MATERIALES
CARTA CESIÓN DE DERECHOS
En la Ciudad de México D.F. el día 15 del mes de Diciembre del año 2009, el que suscribe Oscar Omar Dávila Maldonado alumno del Programa de Doctorado en Ciencias en Metalurgia y Materiales con número de registro B051711, adscrito a la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, manifiesta que es autor intelectual del presente trabajo de Tesis bajo la dirección del Dr. Clemente Rodolfo Morales Dávila y cede los derechos del trabajo intitulado “Modelación y Simulación de las Operaciones de Filtración de Hierro Dúctil”, al Instituto Politécnico Nacional para su difusión, con fines académicos y de investigación.
Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, gráficas o datos del trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este puede ser obtenido escribiendo a las siguientes direcciones:
[email protected], [email protected] y [email protected]. Si el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la fuente del mismo.
M. en C. Oscar Omar Dávila Maldonado
Dedico esta tesis a:
Con todo cariño y amor a mi madre Marisol Alice Maldonado, que le he ofendido mucho como hijo, pero se que me quiere muchísimo como yo a ella y espero su bendición y perdón. Y quiero decirle que crío a un hombre de bien y que valió la pena todo el esfuerzo y sacrificio durante mi educación básica.
A todos mis hermanos y familiares por el apoyo y paciencia. Especialmente a Terry Smart Dávila por su apoyo durante la escritura y corrección de la tesis, a Esmeralda L.
Maldonado, a Miguel Dávila Maldonado, a Juan Dávila Maldonado, a Salvador M.
López, a Vanessa N. Dávila y a mis sobrinos y primos.
También a mis amigos y amigas por las alegrías, enojos y momentos felices que pasamos juntos y que quizá ya no volvamos a vernos. M. en C. Elizabeth Nava Campos, Dra.
Karina Salmerón, Rosa I. Manríquez de la PFP, Ing. Estela Vivas, al M. en C. Erick Gómez, a Linda M. G., M. en C. Pavel Ramírez, a Marisela, Olivia Morales y Esperanza Salazar,
A todo lector de éste humilde texto. “Un libro abierto es un cerebro que habla; cerrado un amigo que espera; olvidado, un alma que perdona; destruido, un corazón que llora, por ello, a los ignorantes los aventajan los que leen libros; a éstos, los que retienen lo leído; a éstos, los que comprenden lo leído; a éstos, los que ponen manos a la obra”.
(Proverbio Hindú).
“Casi todo lo que realice será insignificante, pero es muy importante que lo haga, por ello, la verdadera educación consiste en obtener lo mejor de uno mismo”.
(Mahatma Gandhi).
Agradezco primeramente al Dios todo poderoso por bendecirme con fuera, entendimiento, salud y vida para llegar hasta este punto y, a todos los profesores de la Escuela superior de Ingeniería e Industrias Extractivas del I.P.N., por sus valiosos conocimientos otorgados durante mi formación profesional como investigador, así mismo, a los integrantes del colegio de profesores del D.I.M. por su paciencia hacia mi persona.
Al Dr. C. Rodolfo Morales Dávila por la dirección otorgada como asesor, durante mi formación como Investigador Científico, el apoyo moral y económico y, por su paciencia y confianza.
A los Drs. de la Escuela superior de Ingeniería e Industrias Extractivas del I.P.N., Dr.
José Javier Castro Arellano por su disposición incondicional y sus valiosos consejos como sinodal. Dr. Jesús Gilberto Godínez Salcedo por el apoyo al grupo de simulación matemática y especialmente, durante mis estudios de posgrado como sinodal. Dr.
Alejandro Cruz Ramírez por la paciencia durante las gestiones administrativas y su apoyo como sinodal. Dr. Federico Chávez Alcalá por los valiosos conocimientos brindados sobre el procesamiento de materiales como su alumno y por su disposición como sinodal.
Dr. Adán Ramírez López por su valiosa aportación y consejos durante la escritura de la esta tesis y su disposición como sinodal.
A mis compañeros del grupo de trabajo de modelación física y simulación matemática, por sus conocimientos, sugerencias y criticas, en el mejoramiento de esta tesis. M. en C.
Lino García Demedices, M. en C. Jorge Palafox Ramos, M. en C. Alfonso Nájera Bastida, M. en C. Aaron Espino, Dr. Enrique Torres Alonso, M. en C. Saúl García, M.
en C. Roberto Zarate y a la Dra. Rocío Sánchez.
A Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, al Sistema Nacional de Investigadores, al Instituto Politécnico Nacional y a los valiosos contribuyentes de México, por el apoyo económico brindado durante mi estancia como estudiante becado de posgrado. Al representante administrativo de la E.S.I.Q.E Lic. Agustín Villarreal M. por su paciencia.
A la compañía FOSECO Inc, Foundry Division, por proveer los datos industriales, las
muestras de hierro dúctil, los planos y los filtros cerámicos.
CONTENIDO PAG
ÍNDICE GENERAL i
NOMENCLATURA iv
LISTA DE TABLAS vii
LISTA DE FIGURAS vii
RESUMÉN xiv
ABSTRACT xv
CAPITULO I INTRODUCCIÓN
1.1 Introducción 2
1.2 Justificación 4
1.3 Problemática 5
1.4 Objetivo general 7
1.5 Objetivos específicos 7
CAPITULO II ANTECEDENTES
2.1 Semblanza histórica de la fundición 9
2.2 El hierro 12
2.3 La producción del hierro 13
2.4 Procesos de moldeo y fundición de metales 21
2.5 Fundiciones de hierro y su composición química 24
2.6 Proceso de fabricación de un filtro cerámico 28
2.7 Teoría de la filtración de partículas sólidas 29
2.8 Filtración de metales fundidos 35
2.9 Mecanismos de transporte de una partícula 38
2.10 Tipos de flujo presentes en sistemas de fundición 51 2.11 Técnicas utilizadas para analizar el flujo de fluidos 58
2.11.1 Técnica colorimétrica (estimulo-respuesta) 58
2.11.2 Técnica de velocimetría de partículas por imagen (PIV) 59 2.11.3 Técnica basada en la dinámica de fluidos computacionales
(CFD) 60
2.12 Criterios de Similitud y escalamiento 63
2.12.1 Similitud geométrica 63
2.12.2 Similitud cinemática 64
2.12.3 Similitud dinámica 64
2.12.4 Similitud térmica 66
2.12.5 Números Adimensionales 67
2.12.6 Análisis dimensional 69
CAPITULO III DESARROLLO EXPERIMENTAL
3.1 Caracterización de las muestras 71
3.1.1 Identificación de la muestra 72
3.1.2 Preparación de las muestras 73
3.2 Análisis metalográfico 76
3.2.1 Características microscópicas para un filtro tipo espuma 76
3.2.2 Mapeo químico para un filtro espuma 81
3.2.3 Características microscópicas para filtros tipo celular (Panal) 85 3.2.3.1 Características microscópicas para un filtro tipo PR 88
3.2.3.2 Mapeo químico para un filtro tipo PR 91
3.2.3.3 Características microscópicas para un filtro tipo EX 94
3.2.3.4 Mapeo químico para un filtro tipo EX 98
CAPITULO IV RESULTADOS Y SU DISCUCIÓN
4.1 Modelo físico 104
4.1.2 Modelo geométrico del un sistema de fundición 106
4.1.3 Proceso experimental 108
4.2 Simulación matemática 112
4.2.1 Fundamentos matemáticos en CFD 114
4.2.2 Ecuaciones de transporte 114
4.2.3 Modelo de turbulencia - estándar 117
4.2.3.1 Modelo de la viscosidad turbulenta 120
4.2.3.2 Condiciones de frontera 120
4.3 Modelo de trayectoria de las partículas 123
4.3.1 Balance de fuerzas en una partícula 125
4.4 Algoritmo de solución 127
4.5 Modelo virtual de un sistema de fundición convencional 128
4.6 Procedimiento matemático 132
CAPITULO V RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
5.1 Análisis de la dinámica de flujo en el modelo físico 136 5.1.1 Análisis del flujo utilizando un colorante como trazador 136 5.1.1.2 Experimento I (Sin el uso de un medio filtrante) 136 5.1.1.3 Experimento II (Con el uso de un filtro tipo espuma) 139 5.1.1.4 Experimento III y IV (Con el uso de un filtro tipo extrudido) 142
5.2 Análisis de la presión dinámica en el sistema 145
5.3 Análisis del flujo por anemometría láser 148
5.4 Efecto de la entrada de aire en el sistema 152
5.5 Análisis dimensional de las variables (- Buckingham) 163
5.6 Sensibilidad paramétrica 166
5.7 Dinámica de flujo con el modelo virtual 171
5.7.1 Simulaciones matemáticas sin el uso de un filtro cerámico 173 5.7.2 Simulaciones matemáticas con el uso de un filtro tipo espuma 181 5.7.2.1 Dinámica de partículas con el uso de un filtro tipo espuma 189 5.7.2.2 Mecanismos de captura de inclusiones en un filtro tipo espuma 195 5.8 Simulaciones matemáticas usando los filtros tipo EX y PR 208 5.8.1 Efecto del ángulo de impacto del fluido con la pared frontal 220 5.8.2 Análisis de la energía cinética turbulenta en filtros con celdas
múltiples 221
5.8.3 Comparación de la vorticidad generada dentro de los filtros FF,
EX y PR 230
5.8.4 Dinámica de partículas usando los filtros EX y PR 232 5.8.5 Mecanismos de filtración de inclusiones en un filtro EX y PR 239
5.8.6 Calculo de la eficiencia de filtración 241
5.8.6.1 Algoritmo numérico de solución 242
5.9 Escalas de fuerza y tiempo durante el fenómeno de filtración 245 5.10 Estudios propuestos para el diseño mejorado de un filtro
cerámico industrial 252
5.10.1 Primera propuesta (Filtros binarios) 253
5.10.2 Segunda propuesta (Optimización para el filtro PR) 257 5.10.3 Tercera propuesta (Innovación de un filtro nuevo) 264
CAPITULO VI CONCLUSIONES
6.1 Conclusiones 270
6.1.1 Modelo físico para un sistema de fundición de hierro dúctil 270 6.1.2 Simulación matemática para la filtración de metales líquidos 271 6.1.3 Recomendaciones para continuar con ésta investigación 273
REFERENCIAS 274
APÉNDICE A Análisis Dimensional I
APÉNDICE B Técnica de prototipos rápidos (RPT) XV
NOMENCLATURA
A Área de sección transversal del filtro (m2)
Am Área del modelo físico (m2)
AP Área del prototipo industrial (m2)
CD Coeficiente de arrastre -
C Constante de esfuerzo en la pared -
Cent Concentración de las partículas de entra -
Csal Concentración de las partículas de salida -
csi Celdas por pulgada cuadrada -
D Coeficiente de difusión (m2/s)
DH Diámetro hidráulico igual a (4RH) (m)
dP Diámetro de la partícula (m)
Dpipe Diámetro de entrada de flujo de tubo en el modelo
físico (m)
DT Coeficiente de difusión en un flujo turbulento (m2/s)
dw Diámetro del poro dentro del filtro (m)
E Eficiencia de filtración de partículas (%)
Eu Número adimensional de Euler -
EX Filtro extrudido (csi)
Eq Energía para las fases presentes en el sistema (W/m2) Fa Fuerza de atracción entre una partícula-pared (Kg-m/s2)
FB Fuerzas de flotación (Kg-m/s2)
FD Fuerzas de arrastre (Kg-m/s2)
Fr Numero adimensional de Froude -
F
Fuerzas de cuerpo externas al sistema (Kg-m/s2)
FF Filtro espuma (ppi)
g Aceleración de la gravedad terrestre (m/s2)
Gb Generación de energía cinética turbulenta debido a
las fuerzas de flotación (m2/s2)
Gk Generación de energía cinética turbulenta debido a la
velocidad (m2/s2)
hm Altura característica del modelo físico (m)
hp Altura característica del prototipo industrial (m)
Tensor unitario ---
k Constante de permeabilidad de Darcy (m2-p/s-atm)
K Constante de atracción de Van der Waals -
Kp Energía cinética turbulenta en el punto P (m2/s2)
LT Grosor de la capa de inclusiones en la pared (m)
L Grosor equivalente del medio filtrante (m)
MT Número turbulento de Mach -
NPe Número adimensional de Peclet -
Ng Número adimensional de gravitación -
NR Número adimensional de intercepción (Dp/Dw) -
NRe Número adimensional de Reynolds -
P Penetración de la partícula en el medio poroso %
P Porosidad del filtro (ppi)-(csi)
Ps Presión estática del fluido Pa
ppi Poros por pulgada ppi
Pr Probabilidad de remoción de una partícula -
PR Filtro Pressed (csi)
Q Flujo volumétrico (m3/s)
R Resistencia al flujo (Kg/m-s)
S Superficie libre de la partícula (m2)
Sh Contribuciones de la radiación y otras energías (W/m2)
Sk Constante para el modelo en k -
Sm Término fuente de la masa adherida (Kg)
T Temperatura del hierro fundido (º K)
ui Velocidad en una de las componentes (m/s)
u Velocidad promediada en el tiempo (m/s)
u Velocidad fluctuante (m/s)
V* Producción de velocidad (m/s)
v Volumen del fluido a través del espesor del filtro (m3)
Vm Velocidad del metal (m/s)
vT
Vector de velocidad en el tiempo (m/s)
vP Velocidad de la partícula (m/s)
w Fracción de sólidos %
We Número adimensional de Weber -
YM Contribución de la dilatación fluctuante -
y* Distancia de un punto P hacia la pared del filtro (m)
Coeficiente de proporcionalidad entre los modelo -
p Caída de la presión dentro del filtro (Pa)
Factor de escala entre el modelo y el prototipo 1
Constante empírica para el modelo k -
u Número adimensional de fuerzas de flotación -
T Coeficiente de expansión térmica (K-1)
Espesor del filtro (m)
Velocidad de disipación de energía cinética (m2/s2)
Factor de forma de la partícula -
Longitud de escala (m)
m Longitud característica del modelo (m)
p Longitud característica del prototipo (m)
Energía cinética turbulenta (m2/s2)
Factor de escala geométrico (Lmod/Lfs)
f Coeficiente de filtración (m-1)
1 Viscosidad dinámica molecular (Kg/m-s)
t Viscosidad turbulenta (Kg/m-s)
eff Viscosidad efectiva (Kg/m-s)
Viscosidad cinemática (m /s)
x Número adimensional -
Tiempo de filtración (s)
m Densidad del hierro líquido (Kg/m3)
p Densidad de la partícula (Kg/m3)
Fuerza de tensión superficial por unidad de área (J/m)
k Número turbulento de Prandtl para k -
Escala de tiempo de Kolmogorov (s)
w Esfuerza de corte en la pared del filtro (Kg-m/s2)
k Difusividad Efectiva para k (Kg/m-s)
Difusividad Efectiva para (Kg/m-s)
mom Tiempo de respuesta para la transferencia de
momento (s)
LISTA DE TABLAS
Tabla No. Descripción Pag.
2.1 Composición química típica de un hierro nodular (% W). 17
2.2 Propiedades mecánicas del hierro nodular de acuerdo a la norma ASTM A-536, Standard Specification for Ductile Iron Castings.[6]
19 2.3 Representación de la eficiencia de filtración cuando una partícula es
transportada por el fluido dentro del filtro. 50
2.4 Clase de material de los filtros cerámicos y porosidad. 54
2.5 Inclusiones más comunes registradas en piezas fundidas de hierro dúctil. 54
4.1 Parámetros de referencia del hierro-agua. Ref. (6,8) 105
4.2 Condiciones experimentales para el modelo de agua y simulaciones matemáticas.
111
4.3 Constantes empíricas del modelo -. 120
4.4 Densidades comunes de inclusiones en hierro dúctil. 127
4.5 Factores de sub relajación en el modelo matemático. 128
4.6 Casos simulados matemáticamente para un sistema de fundición
de hierro dúctil en condiciones isotérmicas de flujo. 134
5.1 Variables más importantes y sus dimensiones. 164
5.2 Números dimensionales que gobiernan el proceso de filtración. 165 A-1 Variables más importantes implícitas en un sistema de fundición tipo “L”. III
A-2 Dimensionalización por elementos. V
A-3 Matriz dimensional general XIII
LISTA DE FIGURAS
Figura No. Descripción Pág.
2.1 Edades referentes al manejo de los primeros metales. 11
2.2 Procesos industriales para la obtención del hierro colado y derivados H-C. 16 2.3 Micro estructuras de hiero nodular Ferrita-Perlita a 100X y Perlítico a 500X.
(Nital 5%).
18 2.4 Piezas de hierro nodular fundido diseñadas para el sector automotriz. 20 2.5 Características de lubricación bajo fricción. a).- Engranes móviles y b).-
Comparación entre resistencias a la tracción y elongación para diferentes ferro- aleaciones.
21
2.6 Procesos industrial de colada continua de barras de hierro fundido. 23
2.7 Diagrama de equilibrio de las aleaciones Hierro-Carbono. 25
2.8 Planteamiento físico 31
2.9 Tipos de sistemas de fundición usados para la filtración metal fundido. 36 2.10 Mecanismos de transporte y trayectoria de una partícula en un líquido. 39 2.11 Mecanismos de filtración por efectos hidrodinámicos en un flujo bifásico. 41
2.12 Inclusiones retenidas por cernido. 42
2.13 Contacto casual de las partículas con el medio filtrante por intercepción. 44
2.14 Partículas capturadas por impacto inercial. 45
2.15 Movimiento de una partícula por difusión Browniana. 46
2.16 Trayectoria de una partícula capturada por fuerzas de Van der Waals. 47
2.17 Fuerzas electrostáticas. 48
2.18 Mecanismos por puente químico de inclusiones. 50
2.19 Secciones que componen un Sistema de fundición de metales líquidos. 52 2.20 Esquema de los patrones de flujo presentes en un sistema de fundición
convencional. 53
3.1 Sistema de fundición con corredores paralelos después de su uso. 72 3.2 Identificación de las muestras. a). Filtro Espuma, b). Filtro Pressed y c). Filtro
Extruded.
73 3.3 Sección cruzada de un filtro usado para la filtración de hierro dúctil. a). Filtro
espuma, b). Filtro Pressed y c). Filtro Extruded. 74
3.4 Corte longitudinal de un filtro espuma después de la secuencia de colada. a).
Muestra pulida y b). Dibujo virtual análogo en CFD.
75 3.5 Metalografía tomada a 50x en la entrada del filtro. a).Toma normal y b).
Inclusiones identificadas. 77
3.6 Caracterización de las inclusiones dentro del filtro. a). Adhesión de inclusiones y b). Análisis espectral.
78 3.7 Caracterización de las inclusiones dentro del filtro. a). Aglomerado de
inclusiones y b). Análisis espectral. 79
3.8 Caracterización de las inclusiones dentro del filtro. a). Bloqueo de inclusiones y b). Análisis espectral.
80 3.9 Caracterización de las inclusiones dentro del filtro. a). Aglomeración de
inclusiones en el poro y b). Análisis espectral. 81
3.10 Mapa químico de inclusiones dentro del filtro por mecanismos de adhesión a la
pared. 82
3.11 Mapa químico de inclusiones cercanas a la pared de un poro. 83 3.12 Mapa químico de la formación de un puente de inclusiones en una constricción
entre dos paredes cercanas.
84 3.13 Mapa químico de grupos de inclusiones aglomeradas en la matriz metálica. 85 3.14 Micrográficas de inclusiones para un filtro de celdas circulares (PR). a). Cernido
de macro inclusiones y b). Torta de micro inclusiones. 86
3.15 Segmentos de impacto del fluido. a). Filtro EX y b). Filtro PR. 87 3.16 Caracterización de las inclusiones fuera del filtro. a). Formación de una torta de
inclusiones y b). Análisis espectral. 88
3.17 Efectos hidrodinámicos de micro inclusiones dentro del poro. a). Formación de aglomerado de inclusiones y b). Análisis espectral.
89 3.18 Impacto inercial fuera del filtro. a). Formación de aglomerado de inclusiones y
b). Análisis espectral. 89
3.19 Cama profunda de inclusiones dentro de la celda. a). Crecimiento ramificado de inclusiones y b). Análisis espectral.
90 3.20 Mapa químico de un aglomerado de inclusiones después de un impacto inercial
en el borde de una celda circular. 91
3.21 Mapa químico de una ramificación de inclusiones formada en la cara inferior justo a la entrada de la celda.
92 3.22 Mapa químico de un aglomerado de inclusiones, formada por impacto
inercial en un segmento frontal del filtro. 93
3.23 Mapa químico representativo a la formación de un crecimiento espigado de inclusiones en una pared inferior del filtro.
94 3.24 Colisión de inclusiones sobre la cara frontal de la celda. a). Aglomerado de
inclusiones y b). Análisis espectral de la región. 95
3.25 Sedimentación gravitacional de inclusiones sobre la cara inferior de una celda.
a). incrustación de inclusiones y b). Análisis espectral de la región.
96 3.26 Sedimentación gravitacional de inclusiones sobre la cara superior de una celda.
a). Difusión de inclusiones en la pared y b). Análisis espectral de la región. 97 3.27 Matriz ferrítica expuesta entre dos paredes de una celda. a). Ausencia de
macro inclusiones y b). Análisis espectral de la región.
97
3.28 Mapa químico representativo de una torta formada por impacto
inercia de inclusiones en la pared frontal del filtro. 98
3.29 Mapa químico de una esfera no metálica incrustada en la pared rugosa del filtro por efectos de sedimentación gravitacional.
99 3.30 Mapa químico registrado al final de una celda de un filtro EX. 100 3.31 Estadística de la captura de inclusiones mediante la técnica SEM basada en
contraste de áreas para cuatro muestras de filtros espuma (Foseco Inc.-2009).
102 3.32 Porcentaje general de captura de inclusiones mediante la técnica SEM basada
en contraste de áreas para cuatro muestras de filtros espuma (Foseco Inc.- 2009).
102
4.1 Dimensiones geométricas del modelo físico en escala real de su prototipo industrial (1:1) en mm.
107 4.2 Diagrama de flujo representativo al equipo experimental
utilizado para el modelo físico. 109
4.3 Filtros utilizados durante los experimentos con dimensiones 50 x 50 x 22 mm, a). FF de 10 ppi, b). EX de 18 celdas lineales y c). PR con 15 celdas lineales.
110 4.4 Perfil de velocidad generado en un tubo circular bajo un tratamiento de no
deslizamiento en la pared. 122
4.5 Procedimiento general para el cálculo de una fase discreta. 124 4.6 Dominio computacional virtual en 3D generado para CFD con 2, 331, 308
celdas computacionales. 129
4.7 Modelo virtual del filtro espuma en su modalidad 3D. a). Filtro FF y b). Sección longitudinal.
130 4.8 Modelos virtuales en vista isométrica. a). Filtro EX y b). Filtro PR. 131 4.9 Diagrama general de las etapas principales realizadas para una simulación
matemática en 3D aplicada a un proceso de fundición. 133
5.1 Distribución del trazador a través de la mazarota y corredor sin el uso de un filtro para un flujo de entrada de 31l/min. a). Después de 2 segundos y b).
Después de 5 segundos.
138
5.2 Distribución del trazador a través de la mazarota, corredor y molde sin el uso de un filtro para un flujo de entrada de 45 l/min. a). Después de 2 segundos y b).
Después de 5 segundos.
139
5.3 Distribución del trazador a través de la mazarota, corredor y molde con el uso de un filtro espuma de 10 ppi (50x50x22 mm), para un flujo de entrada de 31 l/min. a). Después de 2 segundos y b). Después de 5 segundos.
140
5.4 Distribución del trazador a través de la mazarota, corredor y molde con el uso de un filtro espuma de 10 ppi (50x50x22 mm), para un flujo de entrada de 45 l/min. a). Después de 2 segundos y b). Después de 5 segundos.
141
5.5 Distribución del trazador a través de la mazarota, corredor y molde con el uso de un filtro EX de 18 celdas por lado (50x50x22 mm), para un flujo de entrada de 31 l/min. a). Después de 2 segundos y b). Después de 5 segundos.
143
5.6 Distribución del trazador a través de la mazarota, corredor y molde con el uso de un filtro EX de 18 celdas (50x50x22 mm), para un flujo de entrada de 45 l/min. a). Después de 2 segundos y b). Después de 5 segundos.
144
5.7 Localización de los puntos de lectura (mm) de la presión dinámica. 145 5.8 Distribución de la presión dinámica a través de diferentes medios porosos. 147 5.9 Perfil de velocidad del modelo de agua sin el uso de un filtro mediante la
técnica PIV. a). Flujo de entra a 31 l/min y b). Flujo de entrada a 45 l/min.
149 5.10 Perfil de velocidad del modelo de agua con el uso de un filtro espuma mediante
la técnica PIV. a). Flujo de entra a 31 l/min y b). Flujo de entrada a 45 l/min. 150 5.11 Perfil de velocidad del modelo de agua con el uso de un filtro EX mediante la
técnica PIV. a). Flujo de entra a 31 l/min y b). Flujo de entrada a 45 l/min. 151 5.12 Perfil de velocidad del modelo de agua con el uso de un filtro PR mediante la
técnica PIV, manteniendo un flujo de entra a 31 l/min. 152 5.13 Flujo bifásico considerando un flujo de entrada de aire de 0.1 l/min a 31 l/min de
agua. a). Sin filtro, b). Con filtro espuma y c). Con filtro EX. 156
5.14 Comparación de la presión dinámica registrada con el uso de un filtro espuma para un flujo volumétrico a la entrada de 45 l/min equivalentes a 297 Kg/min de hierro.
157
5.15 Comparación entre los cálculos experimentales y matemáticos de las velocidades registradas en el sistema para un flujo de45l/min. a). Sin filtro, b).
Filtro EX, c). Filtro PR y d). Filtro Espuma (Punto 1 Antes del filtro, Punto 2 Después del filtro y Punto 3. Final del corredor.
161
5.16 Comparación entre los datos experimentales y matemáticos del perfil de velocidad generada en el corredor usando un filtro espuma. a).Velocidad de flujo de 31 l/min y b). Velocidad de flujo de 45 l/min.
163
5.17 Número de Peclet turbulento. 167
5.18 Número de intercepción partícula-poro para un filtro cerámico. 168
5.19 Número de flotación. 170
5.20 Relación de la velocidad de la inclusión con la velocidad del baño en función del tamaño de la inclusión.
171 5.21 Vista 3D del la base del embudo de colada, posición del filtro y la sección del
corredor. a). Filtro espuma, b). Filtro EX y c). Filtro PR. 173 5.22 Perfil de velocidad en un plano longitudinal del sistema de fundición de hierro
dúctil sin el uso de un filtro a). Para un flujo de alimentación de 204.6 Kg/min y b). Para un flujo de alimentación de 297 Kg/min. (m/s)
175
5.23 Campo de velocidad en una vista isométrica del sistema de fundición de hierro dúctil sin el uso de un filtro a). Para un flujo de alimentación de 204.6 Kg/min y b). Para un flujo de alimentación de 297 Kg/min, (m/s)
176
5.24 Mapas de la energía cinética turbulenta (m2/s2) en una vista isométrica del sistema de fundición sin el uso de un filtro a). Para un flujo de alimentación de 204.6 Kg/min y b). Para un flujo de alimentación de 297 Kg/min.
178
5.25 Contornos de la velocidad de disipación turbulenta (m2/s3) en una vista isométrica del sistema de fundición de hierro dúctil sin el uso de un filtro a).
Para un flujo de alimentación de 204.6 Kg/min y b). Para un flujo de alimentación de 297 Kg/min.
180
5.26 Perfil de velocidad en un plano longitudinal del sistema de fundición de hierro dúctil con el uso de un filtro espuma a). Para un flujo de alimentación de 204.6 Kg/min y b). Para un flujo de alimentación de 297 Kg/min. (m/s)
182
5.27 Campo de velocidad en una vista isométrica del sistema de fundición de hierro dúctil con el uso de un filtro espuma a). Para un flujo de alimentación de 204.6 Kg/min y b). Para un flujo de alimentación de 297 Kg/min. (m/s)
184
5.28 Perfil de velocidad en un plano longitudinal del sistema de fundición de hierro dúctil. Sin uso de filtro a). 204.6 Kg/min y b). 297 Kg/min. Con filtro espuma c).
204.6 Kg/min y d). 297 Kg/min.
185
5.29 Vista isométrica de los mapas de energía cinética turbulenta (m2/s2) con el uso de un filtro espuma a). Para un flujo de alimentación de 204.6 Kg/min y b). Para un flujo de alimentación de 297 Kg/min.
186
5.30 Mapas de la velocidad de disipación turbulenta (m2/s3) con el uso de un filtro FF a). Para un flujo de alimentación de 204.6 Kg/min y b). Para un flujo de alimentación de 297 Kg/min.
188
5.31 Trayectoria de las inclusiones no metálicas para diferentes tamaños a través de la mazarota y su base, para una velocidad de alimentación de hierro de 204 Kg/min. a). 2m, b). 30 m, 50 m, 100 m.
190
5.32 Trayectoria de las inclusiones no metálicas para diferentes tamaños a través de la mazarota y su base, para una velocidad de alimentación de hierro de 297 Kg/min. a). 2m, b). 30 m, 50 m, 100 m.
191
5.33 Trayectoria de las inclusiones no metálicas capturadas a través del espesor del filtro y estadística de inclusiones. a) y b). 2 m, c) y d) 100 m para 204.6 Kg/min de hierro, c) y d). 2 m, e) y f) 100 m para 297 Kg/min de hierro.
194
5.34 Trayectoria de las inclusiones para tamaños de 200 m dentro del filtro. a). 132 Kg/min, b). 204.6 Kg/min, c).297 Kg/min y d). 396 Kg/min.
196
5.35 Trayectoria de inclusiones para tamaños pequeños y grandes de inclusiones dentro del filtro para dos velocidades de colada. 132 Kg/min, a).2m, b). 1000
m, y 297 Kg/min c). 2 m, y d). 1000 m.
198
5.36 Campo vectorial de velocidades (m/s) registrada en un corte longitudinal en el centro del filtro para un flujo de alimentación de 297 Kg/min de hierro. (A).
Chorro de alta velocidad, (B). Impacto directo con la pared, (C).
Desacoplamiento de fases y (D). Micro remolinos.
199
5.37 Estadística de filtrado de inclusiones en hierro líquido. a). Efectos geométrico,
b). Por micro-remolinos, c). Impacto inercial directo y d). Filtración global. 204 5.38 Eficiencia de filtración de las inclusiones a lo largo de espesor del filtro, para
flujo de alimentación de: a). 132 Kg/min, b). 204.6 Kg/min, c). 297 Kg/min y d).
396 Kg/min.
207
5.39 Esquema representativo al proceso de extrudido para la fabricación de filtros cerámicos tipo EX con 5 celdas.
208 5.40 Esquema representativo al proceso de inyección por presión para la fabricación
de filtros cerámicos tipo PR con 5 celdas. 209
5.41 Vista frontal del campo vectorial de velocidad (m/s) desarrollado con el uso de un filtro tipo micro tubular. Para un flujo de 204.6 Kg/min de hierro, a). Filtro EX y b). Filtro PR. Para un flujo de 297 Kg/min de hierro, c). Filtro EX y d). Filtro PR.
212
5.42 Vista isométrica del campo vectorial de velocidad (m/s) desarrollado con el uso de un filtro tipo micro tubular. Para un flujo de 204.6 Kg/min de hierro, a). Filtro EX y b). Filtro PR. Para un flujo de 297 Kg/min de hierro, c). Filtro EX y d). Filtro PR.
215
5.43 Campo de velocidad (m/s) mediante simulación matemática en el embudo de colada, filtro y corredor para una velocidad de colada de 594 Kg/min. a). Filtro EX y b). Filtro HP.
217
5.44 Comparación entre los datos experimentales y los calculados matemáticamente para un flujo de 594 Kg/min de hierro líquido y 90 l/min de agua, registrados a, (1) 5 mm antes del filtro, (2) 5 mm después del filtro y (3) al final del corredor.
a). sin filtro, b) Filtro EX y c) filtro PR.
220
5.45 Ángulo de impacto del fluido en función del diámetro del micro-vórtice formado. 221 5.46 Mapas de la energía cinética turbulenta (m2/s2) en una vista isométrica.
Para204.6 Kg/min y 297 Kg/min de hierro, respectivamente. a). y c). Filtro EX y b). y d). Filtro PR.
224
5.47 Mapas de la velocidad de disipación turbulenta (m2/s3) en un corte longitudinal en el centro del filtro para 204.6 Kg/min de hierro. a). Filtro espuma, b). Filtro EX y c). Filtro PR.
226
5.48 Contornos de la velocidad de disipación turbulenta (m2/s3) para un flujo de hierro de 204.6 Kg/min y 297 Kg/min, respectivamente. a). y c). Filtro EX y b).
y d). Filtro PR.
229
5.49 Mapas de magnitud de vorticidad (1/s) para un flujo de hierro de 297 Kg/min de
hierro, a). Sin filtro, b). Filtro FF, c). Filtro EX y d). Filtro PR. 231 5.50 Trayectoria de inclusiones para un flujo de colada de 297 Kg/min. a) y b) Filtro
EX para 2 micras y 1000 micras, c). y d). Filtro PR para 2 micras y 1000 micras, respectivamente. 1. Adhesión superior, 2. Adhesión inferior, 3. Escapadas, 4.
Incremento en el tiempo de residencia, 5. Cama profunda y 6. Fuerzas de flotación.
233
5.51 Trayectoria de inclusiones para un flujo de colada de 594 Kg/min. a) y b) Filtro EX para 2 micras y 1000 micras, c). y d). Filtro PR para 2 micras y 1000 micras, respectivamente. 1. Adhesión superior, 2. Adhesión inferior, 3. Escapadas, 4.
Incremento en el tiempo de residencia, 5. Cama profunda y 6. Fuerzas de flotación.
234
5.52 Trayectoria de inclusiones para tamaños pequeños y grandes de inclusiones dentro del filtro. a). Flujo de 297 Kg/min y b). Flujo de 594 Kg/min de hierro respectivamente.
235
5.53 Distribución de las inclusiones dentro del filtro EX a lo largo del espesor de 22 mm para un rango de diámetros de inclusión de 2, 30, 50, 100, 200, 400, 600, 800 y 1000 m. a). 297 Kg/min y b). 594 Kg/min.
237
5.54 Distribución de las inclusiones dentro del filtro PR a lo largo del espesor de 22 mm para un rango de diámetros de inclusión de 2, 30, 50, 100, 200, 400, 600, 800 y 1000 m. a). 297 Kg/min y b). 594 Kg/min.
238
5.55 Mecanismos de filtración de inclusiones en hierro, identificados mediante simulación matemática en los filtros EX y PR para un flujo de 297 Kg/min. a).
Campo vectorial antes del filtro, b) trayectoria de inclusiones de 1000 micras, c). Campo vectorial después del filtro y d). Trayectoria de inclusiones de 1000 micras.
240
5.56 Algoritmo numérico para el cálculo del coeficiente y la eficiencia de filtración
mediante el lenguaje FORTRAN-95. 243
5.57 Coeficiente global de filtración promediado en función del flujo de colada y el diámetro del poro.
244 5.58 Eficiencia global de filtración promediada en función del número de intercepción
para los tres filtros analizados con diámetros de poro de: Espuma (4 mm), EX y PR (2 mm).
244
5.59 Fuerza de atracción entre dos inclusiones esféricas o una inclusión y una pared
refractaria. 246
5.60 Fuerza de arrastre de una inclusión esférica hacia pared refractaria. a). Energía cinética de la partícula, b). Equilibrio Sólido-Líquido y c). Equilibrio Sólido- Sólido.
247
5.61 Representación de los principales fenómenos ocurridos durante el proceso de filtración de hierro dúctil a través de medios poros. a). Escala de fuerzas y b).
Escala de tiempos.
251
5.62 Campo vectorial para un sistema con dos filtros continuos (FF y EX). 253 5.63 Eficiencia global de captura de inclusiones para dos filtros continuos. 253 5.64 Eficiencia global de captura de inclusiones para filtros combinados. 255 5.65 Campos vectoriales para filtros combinados. a). FCSC-1104, b).FC-1408,
c).FC-1705, d).FSC-1305, f). FC-5050, g). FC-1408, h).CF-5050, i). BLOCKS, j). F-TH6, k) FDEF-22, l). FF-22 y m).FC-22
256
5.66 Mapas de velocidad de disipación turbulenta (m2/s3) para seis diseños propuestos del filtro PR. a). diseño-1, b). Diseño-2, c). Diseño-3, d). Diseño-4, e). Diseño-5 y f). Diseño-6 (óptimo).
258
5.67 Eficiencia global de captura de inclusiones para seis diseños propuestos. 259 5.68 Modelo matemático de celdas propuestas para la optimización del filtro PR. a).
Diseño convencional del filtro PR, b), c), d), e), f) Diseños comparativos y g), Diseño óptimo.
262
6.69 Eficiencia global de captura de inclusiones para siete diseños propuestos de
celdas para un filtro PR. 262
6.70 Mapas de la velocidad de disipación turbulenta para el filtro PR. a). Filtro
convencional y b) Filtro optimizado. 263
6.71 Porcentaje general de la captura de inclusiones para un filtro PR optimizado. 264 6.72 Elementos en su modalidad 2D para la fabricación de un filtro cerámico
innovador para la filtración de metales en estado líquido.
265 6.73 Porcentaje general de la captura de inclusiones por elementos para un filtro
innovador. 266
6.74 Modelo 3D del filtro MBUN (Innovación) 267
6.75 Comparación de las eficiencias mediante GeoDict. 268
6.76 Elemento T10, a). Vectores de velocidad (m/s) y b). Vorticidad (1/s). 268
A-1 Sistema tipo “L” para la fundición de piezas de hierro nodular. I B-1 Representación de la técnica estereográfica para la fabricación de una pieza
sólida.
XXI B-2 Técnica de laminado de materiales maleables para la fabricación de una pieza
sólida. XXIII
B-3 Técnica de sinterizado de polvos mediante un haz de láser para la fabricación de una pieza sólida.
XXIV B-4 Técnica de fabricación de un prototipo por depósito de material fundido. XXV B-5 Técnica de sellada por UV de un campo plano para la construcción de un
modelo.
XXVII B-6 Impresión por inyección a chorro para la construcción de un modelo. XXVIII
RESUMEN
En la actualidad, los sistemas de producción de hierro y acero en forma continua o por lotes, presentan un rezago en cuanto al mejoramiento de las propiedades metalúrgicas de las piezas finales, debido a la diversidad de mecanismos de limpieza usados en cada planta. En la presente investigación, se simuló un sistema de fundición completo que incluyó el medio poroso colocado al inicio del corredor principal, mediante el uso de un modelo físico de acrílico trasparente de escala (1:1) en relación a su prototipo industrial y un modelo matemático de turbulencia de dos ecuaciones (- Standard) en su modalidad de flujo bifásico en 3D. Con el propósito de comprender los mecanismos de filtración para tres medios porosos con un dimensión de (50x50x22 mm) y diferente textura, se realizó un análisis dimensional de las variables industriales más sobre salientes del proceso con la ayuda de cálculo matricial, seguido de una prueba de sensibilidad paramétrica, posteriormente, el trabajo fue validado mediante la técnicas colorimétrica, PIV y CFD bajo condiciones de operación isotérmicas. Se encontró, que el colocar un medio filtrante en la ruta de llenado de una pieza fundida, eleva el grado de complejidad en dicho sistema, modificando los patrones de flujo del fluido antes y después del filtro, encontrando una disminución en la energía cinética turbulenta en el corredor, la cual favorece en la disminución del salpicado durante el llenado del molde. También, se observo la presencia de micro flujos en el interior del filtro, unos dominados por fuerzas de inercia y otros en desequilibrio dinámico entre fuerzas arrastre y fuerzas de flotación, este fenómeno favorece la eficiencia global de filtración de partículas de 2 a 1000 micras.
La formación de pequeños remolinos contribuyen al aumento en los tiempos de residencia de la partícula, cuya valor depende de la relación geométrica NR dado por la relación dp/ dw (Diámetro de la partícula entre el diámetro del poro) y de la velocidad del fluido. Para partículas de diámetros menores de 30 micras, se apreció un acoplamiento entre partícula-fluido, donde la captura de partículas está dominada por impactos y adhesión a las paredes y para diámetros mayores 30 micras, se apreció un desacoplamiento de fases dominado completamente por fuerzas de flotación y sedimentación gravitacional.
ABSTRACT
At present, systems of production of iron and steel in a continuous or batch process show a lag in improving the metallurgical properties of the final pieces, due to the diversity of mechanisms used in each cleaning company. Was simulated a full gating system that included the porous medium placed at the beginning of the main runner, using a physical model made of transparent acrylic scale (1:1) in relation to its industrial prototype and a mathematical model of turbulent with two equations (- Standard) in the form of biphasic flow in 3D, with the aim of understanding the mechanisms of filtration for three porous media with a dimension of 10 ppi (50x50x22 mm) and different texture, was carried out a dimensional analysis of the variables most important of the process with the help of matrix calculation, followed by a parametric sensitivity test, then the work was validated by colorimetric technique, PIV and CFD under isothermal operating conditions. We found, that placing a filter medium in the path filling a casting o the mold cavity, increases the degree of complexity in this system and changing the fluid flow patterns before and after the filter, finding a decrease in the turbulent kinetic energy in the runner, which helps in reducing the splashing during filling of the mold. Also, note the presence of micro flows inside the filter, one dominated by inertial forces and other dynamic disequilibrium in forces between drag and lift-buoyancy forces, this phenomenon promotes overall efficiency particulate filter from 2 to 1000 microns. The formation of small eddies contribute to increases the particles residence times, whose value depends on the geometric relation NR given by the ratio dp / dw (particle diameter between the diameter of the web) and the velocity of the fluid. For particles with diameters under 30 microns there is a coupling between the fluid-particle, where the capture is dominated by particle impacts and adherence to the walls and at higher diameters 30 microns, was seen a decoupling of phases completely dominated by lift-buoyancy forces and gravitational sedimentation.
Capitulo 1
INTRODUCCIÓN
1.1 Introducción
En la actualidad la industria siderúrgica ha tomado importancia en el control, la optimización, el desarrollo de los procesos de colada continua y refinaciones metálicas más eficientes. El campo de estudio se amplió con la investigación de los sistemas de fundición de metales en estado líquido como el acero, aluminio y hierro. Dada estas circunstancias, cada día se exigen normas de calidad más estrictas para el mejoramiento de los productos terminados y que estos ofrezcan mejores propiedades metalúrgicas tales como: dureza, ductilidad, tracción, resistencia a la fatiga y al desgaste, sobre todo si los productos se destinan al sector aeronáutico, automotriz y de construcción. Sin embargo, los principales retos son los tiempos de proceso y las elevadas temperaturas de operación.
Una de las funciones básicas de un sistema de fundición es recibir el metal fundido que proviene de los hornos eléctricos de inducción y ollas de refinación. El metal líquido es vaciado a través de canales o líneas de transporte por las cuales viaja el fluido hacia la cavidad de un molde para su solidificación. Durante la secuencia del flujo del fluido a través los canales horizontales o verticales, se mantiene un régimen no estacionario, sin embargo, dado que son velocidades elevadas y distancias muy cortas, el tiempo del recorrido del metal por los canales es muy pequeño por lo que hay excepciones.
Usualmente, la velocidad de alimentación del metal, depende del tipo de sistema de fundición que posee cada planta, así como de las dimensiones geométricas de la cavidad del molde. Naturalmente, una de las variables que influyen en la obtención de una buena pieza de fundición, radica en el control de la velocidad de alimentación, el diseño de los corredores, cámaras, extensiones y puertas de llenado. Sin embargo, en los análisis de control de calidad de algunas muestras, se observó la presencia de inclusiones atrapadas en la matriz del metal solidificado, cuyo problema repercute en la calidad de la pieza terminada.
Específicamente en fundiciones de hierro nodular, mediante un análisis químico en muestras, comúnmente se registran trazas de inclusiones en la matriz metálica de
MgO, SiO2, MgS, Mg2SiO4, MgSiO3, Al2O3, Fe2SiO4, las cuales provienen generalmente de la espuma generada en la superficie del baño metálico durante el proceso de nodulización.
Con la finalidad de incrementar la calidad de los productos finales, la reducción en los espesores de pared y la búsqueda de componentes más ligeros. Usualmente, en los sistemas de fundición actuales, se coloca un medio filtrante de alta porosidad al inicio del corredor principal, con el propósito de capturar la mayor cantidad de impurezas dispersas en el metal líquido, cuya eficiencia en la remoción de impurezas dependerá de la forma, textura y espesor de cada filtro.
El colocar un dispositivo de filtración como parte del sistema de fundición, involucra nuevas variables y fenómenos intrínsecos, por ejemplo, las condiciones del flujo dentro del filtro, las propiedades físicas y químicas, del fluido, de las partículas suspendidas y del medio poroso. De acuerdo a la teoría de una cama filtrante, para que una partícula sea capturada, es necesario entender dos pasos:
Primero, la partícula tiene que ser transportada cerca de las paredes de los poros de acuerdo a los mecanismos de Intercepción, Difusión, Impacto inercial, Sedimentación gravitacional, Efectos hidrodinámicos, etc. Segundo, una vez transportada, la partícula tiene que adherirse a la superficie de los poros del filtro a través de diferentes fuerzas que interactúan entre si, como la Tensión superficial, Van der Waals, Electrostáticas, Hidrodinámicas, etc.
Por tanto, para lograr un conocimiento más profundo del proceso de filtración de metales, fue necesario analizar y comparar tres filtros cerámicos de diferente estructura interna, los cuales son empleados con mayor frecuencia en la industria de la fundición actual, uno de tipo espuma y dos de tipo micro-tubular, éstos con similares dimensiones externas.
El propósito fundamental del análisis fue, comprender la diferencia existente entre las velocidades de captura de partículas observadas para cada medio filtrante, el control en la energía de disipación turbulenta y los mecanismos que rigen el sistema filtración de hierro dúctil, el cual se expone a continuación.
1.2 Justificación
Investigaciones previas relacionadas con el proceso de fundición de metales en estado líquido, indican que es posible reducir substancialmente el contenido de inclusiones no metálicas usando filtros cerámicos, sin embargo, los diferentes investigadores se basan en su mayoría, en modelos teóricos, modelos bidimensionales, geometrías virtuales aproximadas, análisis en un solo poro, análisis metalográficos, plantas piloto y modelos físicos aproximados al usado industrialmente. Debido a esta discrepancia en los diferentes análisis encontrados, cada autor expone sus mecanismos relacionados con el fenómeno de filtración de metales, acorde con sus técnicas empleadas.
No obstante, las mayores dificultades se atribuyen a los requerimientos y condiciones de operación de cada planta, así como de las composiciones de cada aleación metálica y del producto final requerido, aunado a esto, están presentes las características de los diferentes filtros cerámicos existentes, tales como: los esfuerzos térmicos y mecánicos que sufre el material durante el procesos de operación, la química del material, las dimensiones y una textura apropiada.
Por ello, la presente investigación se fundamenta en aplicar las técnicas más sobresalientes, con el propósito de comprender de forma concisa el fenómeno de filtración de metales y los mecanismos implicados en éste tipo de medios porosos;
utilizando tres diferentes filtros cerámicos con dimensiones externas de 50x50x22 mm. Así mismo, una vez conocidos los mecanismos que rigen al fenómeno, se propuso optimizar la eficiencia global media de filtración mediante un diseño novedoso, de acuerdo al funcionamiento y resultados observados de cada una de las geometrías de los filtros analizados.
La combinación de un análisis metalográfico, experimentación con modelación física, simulaciones matemáticas para cada filtro y datos obtenidos directamente de la industria, proveyeron resultados satisfactorios.
1.3 Problemática
Recientemente, se ha enfocado el interés en la investigación de los fenómenos de transporte ocurridos en sistemas desordenados, particularmente, en el flujo de fluidos a través de medios porosos.
La importancia de comprender los fenómenos ocurridos durante el proceso de filtración de metales en estado líquido, es básicamente para predecir el desempeño y la eficiencia global de un filtro bajo condiciones especificas de operación, como la velocidad de colada, presión ferrostática, composición química del baño metálico y las características de la cavidad del molde. Sin embargo, un problema común, radica la obtención de una producción extremadamente limpia, algunos métodos como la agitación, el burbujeo y modificadores de flujo, son usados para minimizar la cantidad de inclusiones no metálicas residuales.
La filtración del hierro es otro método satisfactorio para la remoción de impurezas, pero es limitada su aplicación a una producción masiva. Los diseños de los sistemas de alimentación y filtración de metales líquidos, es preponderante en la calidad y en las características de cada colada. El hecho de comprender los aspectos que engloban la de dinámica de flujo en este tipo de procesos, es relevante para el mejoramiento y desarrollo de una nueva tecnología.
En la práctica se ha observado que la calidad de la pieza fundida depende principalmente de factores químicos, físicos y geométricos. Las impurezas encontradas durante el análisis a muestras de hierro dúctil, provienen principalmente de la espuma generada por la adición de magnesio al baño metálico, durante el proceso de esferoidización al adicionar los inoculantes durante el proceso y por restos de material refractario que son arrastrados hasta el molde. También, es común observar un mal control en la velocidad de colada, la cual ocasiona el arrastre de gas en todo el sistema, oxidando el metal y afectando la pieza final durante el proceso de solidificación.
Otro problema común se presenta al diseñar incorrectamente las dimensiones geométricas de los canales, secciones transversales y puertas de entrada a la cavidad del molde. Ya que durante la secuencia de colada, se aprecia un perfil de retro flujo desde el embudo alimentador (mazarota), salpicaduras, arrastre de óxidos a través de los canales, incrementos en la velocidad del metal que fluye a través de los corredores y elevada turbulencia en la superficie del metal que llena las cavidades del molde.
El sistema de fundición de una pieza ,se complica aún más cuando se introduce un filtro cerámico, cuyo propósito principal es capturar las inclusiones no metálicas dispersas en el fluido y evitar al mínimo que estas sean transportadas por la corriente hacia el molde, en consecuencia, esto podría disminuir la calidad de la pieza terminada, Actualmente, se sabe que la presencia del filtro actúa como un modificador del flujo en la disminución de la turbulencia en los corredores primarios y secundarios.
Por lo tanto, una de las metas principales en esta investigación fue, lograr estimar los cambios en la presión dinámica antes y después del filtro, el cálculo de la eficiencia global de remoción de inclusiones y comprender los mecanismos principales de adhesión de las partículas en las paredes de los poros del filtro y micro canales y, como éstos, son afectados con el incremento del diámetro de la partícula.
El estado actual de la industria pone de manifiesto la necesidad de lograr un hierro dúctil ó nodular de alta calidad y valor final en las piezas terminadas, disminuyendo al máximo la cantidad de inclusiones no metálicas con diámetros menores a 100 micras, razón por la cual se llevó a cabo esta investigación.
1.4 Objetivo general
Modelación y Simulación de las Operaciones de Filtración de Hierro Dúctil.
1.5 Objetivos específicos
Desarrollar un análisis dimensional de las variables principales que rigen al proceso de fundición y filtración de hierro dúctil y aplicar una prueba de sensibilidad paramétrica a los resultados obtenidos.
Analizar la dinámica de flujo desarrollada durante la operación de un sistema de colada de hierro y fundido mediante la aplicación de la modelación física y la simulación matemática.
Analizar la trayectoria y retención de inclusiones no metálicas de 2, 30, 50, 100, 200, 400, 600, 800 y 1000 micras, durante la operación de filtrado del hierro en estado líquido en condiciones de flujo isotérmico.
Determinación estadística de la eficiencia global de filtración para los filtros Espuma (FF), Extruded (EX) y Pressed (PR), con dimensiones geométricas externas similares de 50x50x22 mm.
Comprender los mecanismos de filtración de inclusiones no metálicas durante la operación de un sistema fundición de hierro nodular y calcular las eficiencias globales para cada filtro.
Proponer el diseño de un filtro cerámico capaz de incrementar la eficiencia global de filtración, comparado con los utilizados comúnmente en la
actualidad a nivel industrial.
Capitulo 2
ANTECEDENTES
2.1 Semblanza histórica de la fundición
La utilización de los metales marca dentro de la historia de nuestro planeta, una etapa decisiva como los más sensacionales descubrimientos de nuestro moderno mundo contemporáneo; sin equivocación, llegó a ser la piedra angular en el desarrollo actual. Su importancia es tal, que los sabios e historiadores no pudieron definir mejor las fronteras de las épocas o eras con palabras alusivas como: edad de de piedra, edad bronce o edad de hierro.
El abandono del uso de la piedra como materia prima natural y la búsqueda de materiales más resistentes, debía satisfacer la necesidad de fabricar herramientas y armas que al hombre de entonces le permitiera sobrevivir en un medio donde la competencia con los animales de la época era totalmente desventajosa, sin contar con las rigurosas condiciones de desenvolvimiento habitacional. Todo ello forzó la búsqueda de materiales y procesos para conformar metales, que se descubrirían al finalizar la edad de piedra, dando paso al nacimiento de la metalurgia.
La fundición de metales es una tecnología antiquísima, pero que aparece recientemente en los registros de la arqueología. Nació cuando los hombres antiguos usaron la tecnología del fuego, llamadas piro tecnologías, las cuales proveyeron las bases del desarrollo de la fundición. Se usó el calor para lograr hierro esponjoso y el barro quemado para producir cerámica para recipientes y vasijas.
Los objetos metálicos antiguos que conocemos, tienen más de 10,000 años y no se produjeron por fusión, sino que fueron forjados; eran pequeños pendientes y collares, los cuales fueron martillados de pepitas de cobre nativo y no requirieron soldadura. El periodo arqueológico en el cual el trabajo del metal tomó lugar, fue conocido como el Neolítico.