Este proyecto de investigación realizará la simulación tanto física como matemática de la incidencia de jets de oxígeno en la superficie libre de un baño de acero fundido. El modelo matemático se elaborará en base al modelado de dos fases Euleriano-Euleriano Volumen de Fluido (VOF, por sus siglas en inglés), en el cual se resolverán las ecuaciones de conservación de masa y las ecuaciones turbulentas de Navier-Stokes, para la fase líquida. Servirá para predecir y estudiar la física más elemental en este proceso, fenómenos tales como la geometría de la cavidad formada en la superficie libre como resultado de la incidencia del jet, patrones de flujo en el seno del líquido, flujos volumétricos en el mismo, etc. Este modelo (que describa a partir de principios fundamentales la incidencia del jet en la superficie libre a diferentes condiciones del proceso, tales como variaciones en los ángulos de incidencia, diferentes alturas de lanza, variando los diámetros de la tobera así como los flujos de gas en el jet), no existe hasta la fecha y por ende representaría el estado del arte en la modelación matemática de la metalurgia de procesos de aceración en Horno Básico de Oxígeno (BOF por sus siglas en inglés) así como del Horno Eléctrico de Arco (EAF, por sus siglas en inglés). Además, se usará un modelo físico a escala (agua-aire) que represente los aspectos más importantes de la física de los jets incidentes. Con el modelo físico se podrán estudiar la geometría de la cavidad formada por el jet incidente, el perfil de velocidades en el fluido, los patrones de flujo, análisis dimensional del fenómeno y obtención de correlaciones basadas en números adimensionales y las características turbulentas por medio de una medición visual directa, lo cual ayudará a validar la modelación matemática mediante estos experimentos, y ayudará a establecer y refinar las condiciones de frontera y suposiciones simplificativas asociadas al proceso del modelación matemática. Por último, deseo subrayar que este proyecto me ayudaría a continuar mis investigaciones en este rubro, siendo mi especialidad la Modelación Matemática de Procesos de Fabricación de Materiales, el apoyo que solicito en esta propuesta de investigación me ayudaría a consolidar el trabajo en el laboratorio de Modelación Matemática en el Departamento de Ingeniería Metalúrgica.

Sin duda alguna que en esta propuesta se aborda una problemática real e industrial que afrontan día a día las empresas dedicadas a fabricar acero. En el actual contexto global de competencia, la industria debe de garantizar la mejor calidad de sus productos con el menor consumo energético y siendo cuidadosa del medio ambiente tendrá enormes ventajas competitivas. La generación de acero de alta calidad es una búsqueda constante por parte de los acereros en todo el mundo. Desgraciadamente como se ha citado en los antecedentes de este protocolo, en la actualidad no se entiende cuantitativamente la física involucrada en la incidencia del jet de oxígeno en el baño líquido, específicamente, en la superficie libre, por lo que este trabajo contribuirá a proveer conocimiento básico que mejorará el entendimiento de la interacción jet de oxígeno/superficie libre. Además, este conocimiento básico que se espera generar por medio de la modelación física y matemática tiene aplicación industrial inmediata en cualquier planta de fabricación de acero. Específicamente, el proyecto de investigación servirá para los siguientes propósitos: a) Desarrollará el modelo matemático que describa de la manera más precisa la interacción del jet con el baño líquido y los fenómenos que resultan de esta incidencia, tales como perfiles de velocidades en el líquido, geometría de la cavidad formada en la zona de incidencia, fenómenos turbulentos, etc. b) Desarrollará un análisis del proceso, basado en el efecto que tienen las principales variables del proceso (flujo de gas, ángulo de inclinación de la lanza, diámetro de tobera y altura de lanza) sobre la dinámica de fluidos del baño líquido. c) Proporcionará las condiciones óptimas de operación, bajo las cuales se logre optimizar ó maximizar el flujo del baño líquido.