Flujos turbulentos y transitorios en los puertos de la SEN y su efecto en el patrón de flujo en general dentro de un molde de planchón

Abstract

RESUMEN: El flujo de fluidos del acero líquido dentro de un molde para planchón (1,880 x 230 x1500 mm) influenciado por tres diferentes diseños de SEN (boquillas bifurcadas con puertos de descarga rectangulares, SEN-R, cuadrados SEN-S y circulares SEN-C); a dos diferentes profundidades de inmersión (115 y 185 mm, respectivamente) fue estudiado usando un modelo de agua construido de acrílico transparente a escala real 1:1. Para analizar la dinámica de flujos, técnicas de caracterización como la velocimetría de imagen de partícula (PIV), pruebas de velocidad por ultrasonido (UVP), sensores de nivel e inyección de trazador captados mediante videograbaciones fueron utilizados. El análisis de la estructura del flujo indica que los puertos de descarga con forma geométrica rectangular forman chorros de acero muy turbulentos en comparación con los puertos cuadrados y circulares. Las simulaciones matemáticas desarrolladas a través de los modelos de turbulencia k-, RSM y LES, predicen los campos de flujo dentro del molde aceptablemente; sin embargo, el modelo LES presentó predicciones muy cercanas con los resultados obtenidos mediante modelación física (PIV). El atrapamiento de escoria debido a las fuerzas de arrastre por esfuerzo de corte en la interface metal/escoria fue estimada a través del numero de capilar critico; el cual involucra la viscosidad de la escoria (), la tensión interfacial () y la velocidad critica en el menisco (v). A profundidades grandes de SEN el modelo capilar predice mas atrapamiento de escoria al utilizar el diseño de la SEN con puertos de descarga rectangulares. Con la finalidad de explicar el efecto que tiene la profundidad de inmersión sobre la turbulencia dentro del molde, se utilizó la ecuación de Bernoulli para calcular las presiones en puntos clave dentro de la configuración Distribuidor/SEN/Molde; donde se encontró que al aumentar 70 mm la profundidad de inmersión de la SEN, una pequeña diferencia de presión de 680 Pa es generada; la cual, es suficiente para alterar el patrón de flujo. Al mismo tiempo, se demostró la gran sensibilidad que existe en la apertura generada entre la barra tapón y el asiento de la SEN. Debido a que se registraron enormes presiones negativas (-65 000 Pa) al tener aperturas pequeñas (lift de la barra tapón de 4 mm). Lo cual, es una prueba clara de la importancia que tiene el estricto control del sistema de alimentación y de la elección de la misma ( barra tapón o válvula deslizante). Como tercera y última aproximación y a manera de complemento, se realizó un análisis dimensional usando las variables más importantes dentro del proceso; con la finalidad de establecer una relación útil para predecir el comportamiento turbulento dentro del molde en función de los parámetros de operación (velocidad de colada y tamaño del molde) y la disipación de la energía cinética turbulenta generada por cada diseño de SEN. Lo cual, llevó al descubrimiento del número adimensional ; el cual, describe cuantitativamente el desempeño de cada diseño de SEN. ABSTRACT: Fluid flow of liquid steel into a slab mold (1880 x 230 x 1500 mm) influenced by a three different SEN designs (bifurcated nozzles with rectangular SEN-R, square SEN-S, and circular SEN-C ports) and two immersion depths of 115 y 185 mm was studied by using a 1:1 scale water model. To analyze the fluid dynamics, flow characterization technique such as Particle Image Velocimetry (PIV), Ultrasound Velocity Probe (UVP), level sensors, video recording and tracer injection were used. The flow structure analysis indicated that the rectangular ports, forms more turbulent jets than square and circular ones. Mathematical simulations predicted acceptably well velocity fields in the mold with predictions of the LES model closer to the experimental measurements. Slag entrainment through shear drag forces at the metal-slag interface is estimated through a critical capillary number which involves slag viscosity (), interfacial tension () and fluid velocity (v). At deep nozzle immersions this capillary model predicts more entrainment with rectangular ports nozzle. In order to explain the effect of the immersion depth of the turbulence within the mold, Bernoulli's equations were used to calculate the pressure at key points within the Tundish/SEN/Mould configuration; where it was found that by increasing the immersion depth of the SEN (70 mm), a small pressure of 680 Pa is generated; which is enough to alter the flow pattern. At the same time, the sensitivity that exists in the gap generated between the stopper rod tip and the seat of SEN was demonstrated. Because of high negative. pressure values were calculated at this zone (65 000 Pa) when the stopper rod lift was up to 4 mm. Which it is a clear proof of the importance of the strict control of the feeding system and the choice of it (stopper rod or sliding gate). As a third and final approach and way of complement, a dimensional analysis using the most important variables in the process was conducted; in order to generate a useful relationship for predicting turbulent behavior in the mold depending on operating parameters (casting speed and size of the mold) and dissipation rate of turbulent kinetic energy generated by each design SEN. Which led to the discovery of a dimensionless number (ke ) showing both qualitatively and quantitatively performance of each design SEN.