Hidrodinámica del acero líquido durante el llenado de la olla

Abstract

RESUMEN: Un análisis numérico de un flujo multifásicos centrado en la dinámica de fluidos y las trayectorias de las partículas de ferroaleaciones, durante las operaciones de llenado de la olla, fue desarrollado en el presente trabajo. El objetivo de la investigación es determinar, a través de simulación física y modelación matemática con DFC (Dinámica de fluidos Computacional), los valores óptimos de las variables que intervienen en el llenado de la olla y que estos parámetros sirvan de referencia para aprovechar la energía del vaciado en el proceso de fabricación del acero. La metodología desarrollada, consistió en simular la dinámica de fluidos del chorro en caída libre que se presenta durante el llenado de la olla y sus efectos sobre las adiciones. El flujo multifásico considerado consta de la fase liquida (acero 1873 K) la fase gaseosa (aire) y una fase solida (ferroaleaciones). Se hacen 100 simulaciones para la adición de cada ferroaleación, para cada posición de caída. Se analiza tres diferentes posiciones de caída de las adiciones entre el chorro y la orilla de la olla, para determinar la influencia del flujo en el tiempo mínimo de residencia (MRT). El MRT es el tiempo que tarda la ferroaleación, desde que se introduce en el baño hasta que emerge por primera vez a la superficie de acero liquido. Los resultados numéricos indican que la ferroaleaciones con densidades menores a la del acero tienen MRT cortos como el ferro-silicio (Fe-Si) y aluminio (Al). Además, el comportamiento es independiente del nivel del baño, la altura de caída y la dinámica de flujo de la masa fundida. Las ferroaleaciones con densidades similares a la del acero como el ferromanganeso (Fe-Mn) son muy dependientes de la dinámica de fluidos y nivel de baño. Adiciones más densas como el ferro-niobio (Fe-Nb) se obtiene un MRT largo. Sin embargo, cuando este ferroaleaciones se añade a niveles altos de baño, cerca del final del llenado de la olla, las partículas permanecen en las esquinas inferiores de la olla durante largos tiempos. Este posicionamiento, provoca una distribución no uniforme de la composición final del acero. ABSTRACT: The computational approach of this model involves the solution of Navier-Stokes Equations for a multiphase flow through an explicit method using the Volume of Fluid (VOF) model in order to define sharp interfaces, among air and liquid steel. A multiphase numerical analysis focused on flow dynamics and particle trajectories during steel tapping operations was developed. The three-dimensional (3-D), multiphase and unsteady turbulent fluid flow model of steel tapping operations was simulated through the solution of a set of continuity equations, one for each phase, and a set of momentum transfer equations for all phases and the standard k-ε two-equation turbulence model as is explained below. The minimum residence times (MRT) refers to those minimum times that a particle remains in the metal bulk before it emerges to the bath surface. The numerical results indicate that the MRT for lighter additions than steel (ferrosilicon and aluminum) are independent from bath level, fall height and flow dynamics of the melt. Neutral buoyant additions (Fe-Mn) are strongly dependent on fluid dynamics of the melt and bath height. Denser additions (like Fe-Nb) yields long residence time inside the melt before first emerging to the bath surface. However, when this ferroalloy is added at high bath levels, close to the end of tapping, the particles remain in the corner formed by the bottom and the wall of the ladle during long times prolonging their melting rates.