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: marco.ramirez@unam.mx 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.