Simulación matemática para la optimización del patrón de flujo entregado por una buza para el molde de colada continua de planchón delgado

Abstract

RESUMENEntender el comportamiento de las oscilaciones de los chorros al interior del molde de planchón delgado tipo embudo es esencial para asegurar una entrega de acero líquido constante, mejorar el control de los patrones de flujo y consecuentemente incrementar la productividad de la planta y la calidad del producto final. Para lograr esto se llevó a cabo un estudio del efecto del diseño interno de la buza sobre la fluido dinámica del molde, intentando determinar el origen de las oscilaciones de los chorros. Se hizo uso de la simulación matemática para estudiar éstos fenómenos.En la modelación matemática, se recurrió a las ecuaciones fundamentales, el modelo de turbulencia RSM y el modelo Multifásico VOF. Las ecuaciones gobernantes son discretizadas y resueltas mediante el método iterativo-segregado implícito implementado en FLUENT®.Los resultados, de la simulación matemática, muestran que aun para diseños de buza con un comportamiento operacional estable, las oscilaciones de los chorros permanecen presentes y se hacen más intensos para altas velocidades de colada e inmersiones de buza profundas. El análisis de cada una de las buzas simuladas muestra que la geometría interna origina perturbaciones en el flujo en las zonas donde las áreas transversales internas cambian, generando presiones dinámicas altas y bajas promoviendo una tendencia para que el acero líquido salga preferentemente por uno de los puertos. Se encontró un delicado balance de fuerzas, el cual, se da sobre sobre la punta de la bifurcación interna de la buza. Este balance está relacionado con las velocidades fluctuantes y la presión ferrostática. Si este balance es roto las oscilaciones son más intensas, originando variaciones permanentes de la velocidad de flujo másico de un puerto a otro. Además, se encontró que existe la formación continua de un camino de vórtices el cual se genera a partir de la separación de la capa límite en el divisor de los puertos, fenómeno que intensifica la oscilación periódica de los chorros.Palabras clave: Diseño de buza; simulación matemática; molde de planchón delgado tipo embudo; oscilación de los chorros; turbulencia. ABSTRACTUnderstanding the behavior of the oscillations of the jets into the mold of thin slab funnel is essential to ensure a constant supply of liquid steel, improve control of the flow patterns and consequently increase plant productivity and the final product quality. To achieve this, we conducted a study of the effect of the internal design of the nozzle on the fluid dynamics of the mold, trying to determine the origin of the oscillations of the jets. Use of mathematical and physical simulation was done to study these phenomena.For the mathematical modeling it resorts to the fundamental equations, the RSM turbulence model and VOF multiphase model. The governing equations are discretized and solved by iteration-segregated implicit method implemented in FLUENT®.The results of the mathematical simulation are showing that even for a nozzle designs with a stable operational performance, the oscillat...

Modeling Study of EMBr Effects on the Detrimental Dynamic Distortion Phenomenon in a Funnel Thin Slab Mold

“…The thin slab casting process is an example of the technological improvements in steel production; nevertheless, due to its high casting velocities and the small slab thickness, the liquid steel inside produces complex turbulent phenomena adversely affecting the final product quality. On this line, many researchers have focused their efforts on studying these turbulent phenomena, searching for a deeper understanding of how to control or eradicate them [1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17][18][19]. Some of the most commonly observed phenomena are asymmetries and oscillations of the flow patterns inside the mold, identified through mathematical simulations [2,4,5,7,10,11,[14][15][16][17][18][19] or by physical modeling [6,[9][10][11][12][13][15][16][17], formation of strong recirculation at each SEN side [7][8][9][10][11]…”

“…Some of the most commonly observed phenomena are asymmetries and oscillations of the flow patterns inside the mold, identified through mathematical simulations [2,4,5,7,10,11,[14][15][16][17][18][19] or by physical modeling [6,[9][10][11][12][13][15][16][17], formation of strong recirculation at each SEN side [7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17][18][19], meniscus fluctuations [8][9][10][11][12][13][14][15][16][17]19], meniscus vortex formation [10][11][12][17][18]…”

“…In this context, there is a great deal of detailed research about the stability of the meniscus [8,9,[11][12][13][15][16][17]19], the heat transfer and steel solidification affected by the flow patterns [7,8,14] and the jet oscillation frequency [2][3][4][5][6][9][10][11][12][13]18,19]. These works proposed and applied modifications to the process variables trying to control the turbulence intensity; the changes focus on the casting velocities [10,11,13,17,18], SEN immersion [10,11,13,[16][17][18], the mold shape and dimensions [6,14,15] and the geometry of the SEN [6,8,11,12,[14][15][16]18]. Solutes in liquid steel, like aluminum, react with oxygen when the bath is exposed to the atmosphere due to the flux opening, originating from the turbulence in the menis...…”