a steel ladle study by water modelling

A STEEL LADLE STUDY BY WATER MODELLING
Wadi Chiapparoli (1)
Sebastian Sylvestre (1)
Elena Brandaleze (1)
Roberto Donayo (2)
ABSTRACT
In this work the vortex formation phenomenon during damping is studied to determine those tons in the ladle where
the slag passage to the tundish takes place. This was carried out in a water model 1:3.
Another point of study is the optimization of the argon stirring in the steel ladles. A study was carried out in two
water models, in scales 1:3 and 1:7. The aim is to evaluate the influence of different stirring positions as well as
different argon flows, over the steel behavior in the ladle.
The work was carried out with three configurations, one of them using one central plug and the other two eccentric
plugs in different positions. Different argon flows - those of the range used for gentle stirring - were simulated.
A critical initial height of vortex formation of 270 mm was obtained this corresponding to approximately 12 t of
steel in the ladle.
When the stirring flows are increased, greater emulsification and instability levels appear. The tendency is
accompanied by a increase in the mass transfer coefficient.
In the case of stirring by two eccentric plugs, an intermediate situation between the different flows by only one plug
is observed. Configuration (B) with two aligned plugs presents a greater steel exposure to the atmosphere by “eye”
opening in the slag layer, as regards the two diagonal plugs position (configuration A).
The mixing times were lower with the configuration (B), as regards the configuration (A). This indicates a better
thermal and chemical homogenization.
The stirring configuration (B) presents an operational drawback during the addition of ferrous alloys since this takes
place in an area of the model where there is no slag opening. Besides it demands a more controlled atmosphere in
the ladle furnace and the trimming station to avoid reoxidation problems.
Key words: ladle, water model, vortex, stirring, porous plugs.
(1)
Instituto Argentino de Siderurgia, Av. Central y Calle 19 Oeste, 2900 San Nicolas, Prov. de Buenos Aires,
Argentina. www.siderurgia.org.ar siderurgia@siderurgia.org.ar
(2) Siderar SAIC, P.O. Box 801, San Nicolas, Prov. de Buenos Aires, Argentina. www.siderar.com
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ESTUDIO EN MODELOS HIDRAULICOS DE UNA CUCHARA DE
ACERO
Wadi Chiapparoli (1)
Sebastián Sylvestre (1)
Elena Brandaleze (1)
Roberto Donayo (2)
RESUMEN
En este trabajo se estudia en primer lugar el fenómeno de formación del vórtice durante el vaciado de las cucharas
de acero, con el objetivo de determinar las toneladas en la cuchara a las cuales se produce el pasaje de escoria al
repartidor. Esto se realizó en un modelo de agua en escala 1:3.
Otro eje de estudio, es optimizar las características del agitado con argón en las cucharas de acero. Se realizaron
ensayos en dos modelos de agua, en escalas 1:3 y 1:7. El objetivo es evaluar la influencia de diferentes posiciones de
agitado, así como distintos caudales de argón, sobre el comportamiento del acero en la cuchara.
Se trabajó con tres configuraciones, una con un único tapón central, y otras dos, conformadas por dos tapones
excéntricos en distintas posiciones. Se simularon diferentes caudales de argón, del rango de los utilizados para el
agitado suave.
La altura crítica, de inicio de formación del vórtice durante el vaciado, resultó ser de 270 mm, lo cual corresponde
aproximadamente a 12 t de acero en la cuchara.
Al aumentar los caudales de agitado, se observan mayores niveles de emulsificación de escoria e inestabilidad. La
tendencia es acompañada por un incremento en el coeficiente de transferencia de masa.
En el caso de agitado por dos tapones excéntricos, se tiene una situación intermedia a la de los diferentes caudales
por un único tapón. La configuración (B), con dos tapones direccionales ubicados alineados en el piso de la cuchara,
presenta una mayor exposición del acero a la atmósfera por apertura del “ojo” en la capa de escoria, con respecto a
la disposición de dos tapones posicionados en diagonal (configuración A).
Los tiempos de mezcla fueron inferiores con la configuración (B), respecto a la disposición (A). Esto es indicativo
de una mejor homogeneización térmica y química.
La configuración de agitado (B), presenta un inconveniente operativo en el agregado de ferroaleaciones, porque la
misma se produce en una zona donde no hay apertura de escoria. Además exige tener una atmósfera en el horno
cuchara y estación de tratamiento más controlada, para evitar problemas por reoxidación.
Palabras clave: cuchara, modelo de agua, vórtice, agitado, tapones porosos.
(1) Instituto Argentino de Siderurgia, Av. Central y Calle 19 Oeste, 2900 San Nicolás, Prov. de Buenos Aires,
Argentina. . www.siderurgia.org.ar siderurgia@siderurgia.org.ar
(2) Siderar SAIC, Casilla de correo 801, San Nicolas, Prov. de Buenos Aires, Argentina. www.siderar.com
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1. INTRODUCCION
Con el objetivo de evaluar, por un lado, las características de formación de vórtices durante el vaciado, y por otro, el
comportamiento del líquido en la cuchara durante el agitado gaseoso; se desarrolló un trabajo empleando dos
modelos de agua en escalas 1:3 y 1:7 de las cucharas de acero de Siderar, las que tienen una capacidad de 190 t.
En primer lugar, se determinan las toneladas en la cuchara a las cuales comienza a generarse el vórtice durante el
vaciado, para una serie de variables fijas (nivel inicial, posición y diámetro del tubo, etc).
Para el análisis del agitado gaseoso, se comparan tres configuraciones de agitado con diferentes caudales, e inclusive
situaciones transitorias como el caso de un tapón del par anulado. Los resultados obtenidos representan una buena
herramienta, para realizar recomendaciones de distintas configuraciones y caudales de agitado, en las operaciones de
metalurgia secundaria que así lo requieran.
2. ENSAYOS REALIZADOS
Los ensayos en modelos de agua brindan un valioso aporte, en el estudio del comportamiento de los fluidos en los
distintos reactores metalúrgicos. Permiten analizar en forma rápida y económica fenómenos asociados al agitado,
tiempos de mezclado, entre otros y obtener conclusiones de rápida aplicación en las plantas. A continuación se
desarrollan los aspectos estudiados, vinculados a la formación del vórtice y al agitado con argón. Ambos temas han
sido abordados en forma experimental por distintos autores [1,2,5,6].
2.1. Formación del vórtice en el vaciado
Para el diseño del modelo de agua se adoptó una condición intermedia entre las iniciales y finales de la cuchara
durante la campaña. La metodología desarrollada para los ensayos consistió en llenar el modelo con agua de red,
hasta el nivel de trabajo de 190 toneladas, equivalente en el modelo a 1040 +/- 10 mm. Luego se procede a hacer el
vaciado, con un determinado caudal de salida regulado desde una válvula colocada antes del tubo cuchara – tundish.
A partir de estos ensayos se obtienen los valores de:
§
§
§
Tiempo crítico: tiempo transcurrido desde el inicio del vaciado hasta el momento en que comienza a generarse
el vórtice.
Altura crítica: distancia desde el punto inferior del piso, hasta el nivel de líquido para el cual se comienza a
formar el vórtice.
Tiempo total de vaciado: Es el tiempo total entre el inicio y final del vaciado.
Se determinaron las toneladas de acero remanentes en la cuchara, en el momento en que comienza a generarse el
vórtice. En la tabla 1, se presentan las variables en juego en los ensayos realizados mediante el modelo de agua [1, 2,
3], y los valores fijados para ésta etapa inicial del trabajo.
VARIABLES
CUCHARA REAL
MODELO
Nivel inicial
~ 3100 mm (190 t)
1040 +/- 10 mm
Orificio de salida
Excéntrico
De acuerdo a posición real
Caudal de vaciado
6,4 t/min
~ 54,3 l/min
Diámetro del tubo de salida
70 mm
23 mm
Profundidad de inmersión del tubo
~ 200 mm
~ 67 mm
Tiempo de espera luego del llenado
-----30 segundos
Tabla 1. Variables fijadas para realizar los experimentos en el modelo de agua.
Table 1.Fixed variables used for the test in water model.
2.2. Agitado con argón. Semejanzas para la inyección en el modelo físico. Mietz et. al. [5] han concluido sobre el
modo de transformar los caudales, basados en:
Qr correg. = Qr . T1 /Tn . p n /(pn +0,5.g.ρ.H)
(1)
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Qm = (1/ λ)5/2 .Qr correg.
(2)
Donde:
Qr correg.: Caudal real corregido (m3 /s).
Qr: Caudal real (m3 /s).
T1: Temperatura del acero en cuchara (ºK).
Tn: Temperatura normal (ºK – cond. NPT).
Pn: Presión normal (N/m2 – cond. NPT).
g: Aceleración de la gravedad (m/s 2 ).
ρ: Densidad del acero (Kg/m3 ).
λ: Factor de escala.
H: Altura o nivel de líquido en cuchara (m).
Guthrie, Mazumdar y otros [6, 7, 8], establecieron la siguiente relación para los caudales:
Qm = (1/λ)3/2.Qr
(3)
Se utilizaron valores típicos de caudal de agitado de 200 l/ min para cada tapón. Entonces, mediante las
expresiones (1) y (2) se obtiene Qm = 38 l/ min o por (3), se llega a: Qm = 39 l/min. De modo que se verifica que
los valores de caudal de aire a inyectar en el modelo de agua, son coincidentes por ambos caminos.
Metodología y variables ensayadas. En la tabla 2 se presenta la combinación de posiciones de agitado y los
caudales que se probaron en cada uno de los ensayos. En la figura 1 se observan las posiciones de los tapones
excéntricos, izquierda: configuración (A), con dos tapones direccionales en diagonal, y derecha: caso (B) con
dos tapones direccionales alineados.
1 Tapón
central
200 Nl/min
Ensayo
Tiempos de mezcla (*)
1 Tapón
central
400 Nl/min
2 Tapones
excéntricos
(en diagonal)
200 Nl/min c/u
2 Tapones
excéntricos
(alineados)
200 Nl/min c/u
X
X
X
Agregado de colorante (KMnO4) (*)
X
Superficie libre (*) y (**)
X
X
X
X
Emulsificación (Kerosene) (*)
X
X
X
X
Transferencia de masa (**)
X
X
X
(*) Modelo en escala 1:3 (**) Modelo en escala 1:7.
Tabla 2. Ensayos realizados en los dos modelos de agua de la cuchara de acería.
Table 2. Tests carried out in the two models of the steelmaking ladle.
Figura 1. Posiciones de los tapones: Izquierda: disposición (A) con dos tapones direccionales en diagonal.
Derecha: disposición (B), con dos tapones alineados.
Figure 1. Positions of the two eccentric plugs, left: configuration (A) whit two plugs in diagonal position and
right: disposition (B) whit two aligned plugs.
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La metodología desarrollada para cada uno de los ensayos involucra:
A. Determinación de tiempos de mezclado: Una vez cargado el modelo de agua hasta el nivel de trabajo, se
inyecta un pulso de solución salina en el centro de la cuchara y a una profundidad de 50 cm respecto de la
superficie libre. Se mide la conductividad frente al tiempo, mediante un sensor ubicado en la parte inferior del
modelo (zona de bajas velocidades). Se transforman las curvas a conductividad adimensional – tiempo, para
obtener τ m a 95% del mezclado. Luego, se realiza la conversión a valores correspondientes a la cuchara
industrial (τ m real) a través de [8]:
τ modelo = λ5 / 6τ Re al
(4)
Siendo λ el factor de escala del modelo.
B. Emulsificación de escoria: logrado el nivel de agua normal de trabajo, se agregan 12 litros de kerosene para
simular una capa de escoria de 1 cm de espesor. Se agita con aire al caudal correspondiente. Se registra mediante
fotografía y filmación.
C. Superficie libre: Se carga la cuchara y luego se comienza a agitar con el caudal prefijado, registrando las
imágenes.
D. Agregado de colorante: la cuchara cargada de agua, se agita mediante con un flujo de aire comprimido del
caudal deseado y se agrega un pulso de KMnO4 desde el centro a poca profundidad. Se filma y comparan las
diferentes situaciones.
E. Transferencia de masa: Se agrega en el agua una solución de yodo - yodato de potasio y se forma una capa
de cyclohexano sobre el agua. Se agita y se obtiene la primera muestra del agua a una dada distancia de la
interface. Luego cada 10 minutos; se lee la absorbancia de las muestras mediante un espectrofotómetro. Las
lecturas se transforman a valores de concentración de yodo en agua. La tendencia da idea de como el
cyclohexano va capturando el yodo contenido en el agua, a medida que transcurre el agitado.
3. RESULTADOS
3.1. Formación del vórtice. A partir de los resultados obtenidos de los ensayos descriptos previamente, se puede
comprobar la generación de vórtice con un mecanismo y morfología similar a la que se describe en bibliografía
[4]. Figura 2. En la tabla 3, se pueden apreciar los resultados correspondientes a seis ensayos realizados en el
modelo de agua, y los respectivos promedios.
Figura 2. Vórtice observado en el modelo de agua (izquierda y centro.) y esquema de vórtice presentado en
bibliografía (derecha)
Figure 2. Vortex observed during the water model test (left and centre) and vortex scheme by bibliography
(right).
3.2. Agitado. En tabla 4 se presentan los resultados generales obtenidos de los ensayos de agitado. En la figura 3
se observan las curvas de tiempos de mezcla, para el caso de agitado por un único tapón central, simulando un
caudal de argón de 400 Nl/min.
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Altura crítica
(mm)
255
273
276
258
270
279
269
Promedios
Tiempo crítico
(min)
31’50”
31’35”
31’19”
32’11”
31’39”
31’28”
31’49”
Toneladas en
cuchara
11,2
12
12,1
11,3
11,9
12,2
11, 8
Tiempo total de
vaciado (min)
35’14”
35’30”
35’32”
35’38”
35’32”
35’31”
35’30”
Tabla 3. Resultados de los ensayos en el modelo de agua de cuchara.
Table 3. Results of the tests in the water model.
1 Tapón
central
200 Nl/min
Ensayos
Tiempos de mezcla (seg)
1 Tapón
central
400 Nl/min
180
Tiempo de difusión,
agregado de colorante
(KMnO4 ) (seg)
2 Tapones
(actual de planta)
200 Nl/min c/u
260
2 Tapones
(propuesta matem.)
200 Nl/min c/u
200
50 (75, con un tapón
anulado)
Agitación - Superficie libre
Menor
Mayor
Media
Media
Emulsificación (Kerosene)
Menor
Mayor
Media
Media
Constante de transferencia
de masa K
0,022
0,060
0,036
Tabla 4. Resultados de los ensayos para las diferentes condiciones.
Table 4. Results obtained for different test conditions.
1,0
Conc. Adimensional
0,9
0,8
0,7
0,6
E n s a y o
1
E n s a y o
2
0,4
E n s a y o
3
0,3
E n s a y o
4
0,2
E n s a y o
5
0,1
E n s a y o
6
0,5
0,0
0
30
60
90
120
150
Tiempo (segundos)
Figura 3. Curvas de tiempos de mezcla, con agitado por un único tapón central.
Figure 3. Mixing time curves for stirring with one central plug.
Los ensayos han permitido observar claramente aspectos de emulsificación y apertura del “ojo” en la capa
escoria, al simular la misma con kerosene. En la figura 4 se observa, a la izquierda la situación agitando por dos
tapones y a la derecha, con un único tapón central. También se presenta en la figura 5, un esquema de cómo son
los barridos de la capa de escoria para cada una de las configuraciones.
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Otras observaciones de relevancia se obtienen en los ensayos de transferencia de masa, realizados en la cuchara
en escala 1:7, de los cuales se determinan las curvas concentración – tiempo, para diferentes condiciones de
agitado. Figura 6.
En espacio doble logarítmico las curvas se convierten en rectas cuyas pendientes representan a la constante de
transferencia de masa K, presentada en tabla 4.
Figura 4. Emulsificación de escoria: Izquierda: dos tapones (configuración A). Derecha: un tapón central.
Figure 4. Slag emulsification: Left: Stirring by two plugs (configuration A). Right: Stirring by one central plug.
Figura 5. Esquema del barrido de la capa de escoria, según las diferentes configuraciones de agitado. Derecha:
dos tapones, configuración (A), Centro: Un único tapón central, Izquierda: Dos tapones, configuración (B).
Figure 5.Scheme of the open eye for each stirring configuration. Right: Two plugs in diagonal position
(configuration A), centre: one central plug position, left: configuration (B) with two aligned plugs.
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Concentración Adimensional
1,0
1 Tapón Central 200 l/min - Ensayo 1
0,9
1 Tapón Central 200 l/min - Ensayo 2
0,8
1 Tapón Central 400 l/min - Ensayo 1
0,7
1 Tapón Central 400 l/min - Ensayo 2
2 Tapones 200 l/min x c/u - Ensayo 1
0,6
2 Tapones 200l/min x c/u - Ensayo 2
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 110 120 130 140 150 160
Tiempo (min)
Figura 6. Ensayo de transferencia de masa, con un único tapón central, caudal 200 Nl/ min, y curvas
concentración – tiempo, para las diferentes configuraciones de agitado.
Figure 6. Mass transfer test, carried out in the scale 1:7 model with only one central plug, 200 Nl/min flow, and
curves for different stirring configurations.
4. ANALISIS DE RESULTADOS
Las curvas de tiempo de mezcla obtenidas en los ensayos, son similares a las presentadas en bibliografía [9].Otro
autores [10,11] obtuvieron una disminución de los tiempos de mezclado, al incrementarse los caudales de
agitado.
Tiempos de mezclado
A partir de la bibliografía, la relación geométrica: diámetro/altura de líquido (d/h) [12], presenta valor más bajo
de tiempo de mezcla en el caso d/h = 1, como se observa en la figura 7. En la cuchara de acero de Siderar, este
valor es aproximadamente d/h = 1,1. Se toma como valor “d” un diámetro equivalente promedio, dado que la
cuchara no es completamente cilíndrica.
Cucharas Siderar
0,5
1
1,5
2
2,5
3
diámetro/altura
Figura 7. Influencia de la relación d/h de la cuchara, sobre los tiempos de mezcla.
Figure 7. Influence of the ratio d/h in the ladle and the mixing times.
Respecto al agregado de colorante para visualizar el flujo, el cambio de condición de agitado de dos tapones
excéntricos a un tapón del par anulado, el tiempo en colorearse por completo aumentó de 50 a 75 segundos.
En [13], se presenta este tipo de ensayo con agitado por un tapón excéntrico, con caudal de 33,6 l/min. En la
figura 8 se observa lo que ocurre 10 y 30 segundos después de comenzada la inyección de trazador. Los
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resultados son similares a los obtenidos con un tapón del par anulado y manteniendo un caudal de 40 l/ min sólo
por uno de ellos.
Experimentalmente se observa, al igual que se mencionó en [13], como el trazador comienza a difundirse por el
lado opuesto al de inyección de aire, para luego distribuirse y colorear todo el volumen de la cuchara.
Figura 8. Inyección con KMnO4 , izquierda: 10 s; derecha: 30 s, desde el inicio de la inyección.
Figure 8. Addition of KMnO4 , Left 10 seconds; right 30 seconds after injection start.
En los ensayos de emulsificación de escoria se presentaron distintas condiciones,
1) un tapón central, con caudal de agitado Q
2) dos tapones con caudal de agitado Q/2 x c/u
3) un tapón central, con caudal Q/2
Se observó que la emulsificación de la escoria en 3) es menor que en 2) y a su vez en 2) es inferior a la
observada en el caso 1).
Se presentó la apertura de un “ojo” pronunciado en la superficie libre, en la zona donde incide la pluma. En el
caso de dos tapones, este “ojo” alcanza las paredes de la cuchara, mientras en las condiciones de un tapón único
es bien marcado y central. Con los dos tapones dispuestos según la configuración (B), es decir ambos alineados,
el barrido que se produce es mayor, dejando descubierto la mitad posterior de la cuchara, del lado de los tapones.
5. CONCLUSIONES
§
La altura crítica de inicio de formación del vórtice resultó ser de 270 mm, lo que corresponde
aproximadamente a 12 t de acero en la cuchara.
§
Incrementando los caudales de agitado, se determinan mayores niveles de emulsificación de la escoria e
inestabilidad. La tendencia es acompañada por un incremento en el coeficiente de transferencia de masa.
§
El agitado por dos tapones excéntricos brinda una situación intermedia entre los diferentes caudales por un
único tapón. La configuración (B), con dos tapones direccionales alineados en el piso de la cuchara, presenta
una mayor exposición del acero a la atmósfera por apertura de “ojo” en la capa de escoria, respecto a la
disposición (A) con los dos tapones ubicados en diagonal.
§
Los tiempos de mezcla fueron inferiores con la configuración (B), respecto a la (A). Esto indica mejor
homogeneización térmica y química.
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§
La configuración de agitado (B) de dos tapones dispuestos alineados, presenta un inconveniente operativo
en el agregado de ferroaleaciones, porque la misma se produce en una zona donde no hay apertura de
escoria. Además exige tener una atmósfera en el horno cuchara y estación de tratamiento más controlada,
para evitar problemas por reoxidación.
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