ES2639421T3 - Bloque de impacto para su uso en una artesa de acero de colada continua - Google Patents

Bloque de impacto para su uso en una artesa de acero de colada continua Download PDF

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Abstract

Bloque de impacto para su uso en una artesa de colada continua de acero durante el vertido de acero fundido (6) de la cuchara de colada en la artesa, incluyendo el bloque de impacto (1) paredes laterales (2) provistas de barreras (3) distribuidas de manera separada y escalonadas en altura y longitud en toda la extensión de las paredes (2) o en parte de las mismas, comprendiendo también el bloque de impacto (1) un fondo de impacto (5), provisto de ondulaciones (4) distribuidas y escalonadas en su totalidad o en parte de las mismas, caracterizado por que las barreras (3) tienen una forma rectangular en su sección longitudinal y están separadas en dos filas adyacentes en dirección vertical en una posición superpuesta que cubre una trayectoria de flujo preferente del acero fundido (6).

Description

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DESCRIPCION
Bloque de impacto para su uso en una artesa de acero de colada continua
La presente invencion se refiere a un bloque de impacto que presenta una disposition interna especialmente desarrollada para amortiguar la corriente de metal fundido durante el vertido de una cuchara a la artesa en plantas de colada continua, minimizando con ello el fenomeno de turbulencia que es perjudicial para la calidad del acero procesado.
Descripcion de la tecnica anterior
El proceso de colada continua es utilizado por casi el 90 % de las plantas de acero mas importantes del mundo, debido a sus bajos costos de operation, reducido gasto de energia y alta productividad. Un experto en la tecnica sabe que un flujo turbulento dentro de una artesa debido a la alta velocidad del metal fundido vertido de la cuchara puede provocar que el arrastre de la escoria y fragmentos de material refractarios hacia el molde, influyendo en el grado de pureza del acero procesado. Un tecnico experto es consciente de la formation de rebotes al comienzo de una secuencia de colada continua o durante el cambio de cuchara, cuando se forma una zona de alta turbulencia cerca del chorro de entrada del acero fundido, que puede provocar la incorporation de oxigeno y nitrogeno en el acero debido al contacto con el aire, o incluso poner en peligro a los operarios debido a la proyeccion de acero.
Una forma habitual para minimizar estos y otros posibles problemas causados por la turbulencia consiste en el uso de bloques de impacto, que son mas o menos eficientes segun su cumplimiento con algunas reglas teoricas con respecto al flujo de fluido. En general, los bloques de impacto tienen el proposito de minimizar la turbulencia del flujo de acero dentro de la artesa, aumentando con ello el tiempo de residencia. Tambien estan destinados a dirigir el flujo de acero para la superficie libre, permitiendo el atrapamiento de inclusiones por la escoria. Otro objetivo consiste en reducir el rebote de la corriente de entrada, reduciendo con ello la turbulencia y, por consiguiente, las inclusiones de oxigeno y nitrogeno, asi como la mejora de la pureza del acero.
Se presenta una solution para este problema en el documento BR0800035-2, que describe un inhibidor de turbulencia para la artesa de plantas de acero de colada continua, en el que se adapta un bloque de impacto a la parte interior de la artesa de colada continua, minimizando la turbulencia durante el vertido de metal fundido de la cuchara de alimentation. La estructura interior del bloque de impacto implica un relieve ondulado formado por picos y valles en la base y en sus paredes laterales. Este bloque de impacto puede tener cualquier forma geometrica, siempre que se mantenga su configuration basica interna. La gran superficie generada por las ondulaciones absorbe la energia cinetica del liquido que entra en el bloque de impacto.
El documento DE-A1-10/2007/035/452 describe un bloque de impacto con una serie de elementos en la pared lateral y en la placa de base. Los elementos se proyectan al interior del bloque de impacto, presentan una forma conica en la base y una forma trapezoidal en la pared lateral, y se distribuyen sobre un patron regular a lo largo de la pared lateral y la placa de base. El patron de distribution de los elementos no conduce a la colision de dos corrientes diferentes de metal fundido y permite un hueco para el flujo directo del metal fundido entre filas paralelas de elementos.
El documento US-A1-2004/041/3121 se refiere a un bloque de impacto con elementos esfericos que sobresalen de las paredes laterales o depresiones esfericas en la pared lateral. El bloque de impacto presenta tambien barreras dispuestas concentricamente sobre la placa de base. La distribucion de los elementos en las paredes laterales tiene un patron regular. En el caso de las proyecciones esfericas tambien hay un hueco que permite un flujo directo de metal fundido entre filas paralelas.
Breve descripcion de la invencion
La turbulencia es un proceso natural que ocurre en flujos industriales. Su caracteristica principal es la amplia variation de presion, temperatura y velocidad con el tiempo.
Suponiendo que un flujo laminar, es decir, sin turbulencia, tiene una velocidad promedio Uo, el flujo turbulento se caracterizara por:
imagen1
en el que el termino U’x representa la variacion de la velocidad de flujo con el tiempo, lo que significa que la velocidad Ux puede experimentar variaciones grandes o pequenas, para mas o menos de su valor. Este cambio constante en los valores de una propiedad determinada es una caracteristica de flujos turbulentos.
El objetivo de la presente invencion consiste en reducir los valores de velocidad de flujo y sus variaciones para
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proporcionar un flujo mas uniforme con velocidades mas pequenas. Con el fin de conseguir tal objetivo, la presente invention utiliza, a su favor, las caracteristicas fisicas de los procesos de flujo de un fluido determinado (acero fundido) en una superficie particular.
Una caracteristica utilizada por la presente invencion consiste en el hecho de que una corriente de fluido pierde velocidad cuando fluye en contacto con una superficie rugosa (es decir, la pared refractaria del bloque de impacto de la presente invencion). La friction entre la superficie y el fluido que fluye reduce la velocidad mediante la fuerza de arrastre, que impone resistencia al flujo, de manera que cuanto mas fuerte sea la fuerza de arrastre, mas lenta sera la velocidad de flujo para el mismo valor de velocidad analizado.
La fuerza de arrastre esta definida por:
imagen2
Donde:
p es la densidad del fluido;
U2 es la velocidad del fluido al cuadrado
[La description sigue en la pagina original 3.]
Cd es la constante que mide el coeficiente de friccion.
A es el area de contacto entre el solido y el fluido.
Reescribiendo la ecuacion (ii) y aislando la velocidad del fluido, la formula es la siguiente:
imagen3
A partir de la ecuacion (iii) se puede observar que, para cambiar el valor de la velocidad, seria normal cambiar el valor del area por donde pasan los flujos, ya que los otros valores son constantes o dificiles de cambiar, y Fd es la fuerza de friccion resultante de las propiedades de flujo; p es la densidad del fluido, es decir, una propiedad del acero fundido, que no varia considerablemente bajo las condiciones de colada de lingote; y Cd, el coeficiente de friccion, es una medida relacionada con las caracteristicas geometricas de la superficie por donde pasa el fluido, que no se puede cambiar durante el proceso.
La solution propuesta por la presente invencion, como se indica a continuation, muestra un aumento del 15 % al 35 % en el area superficial de la superficie de impacto en el fondo del bloque de impacto. En las superficies laterales del reductor, el aumento en el area superficial varia desde el 20 % al 50 %. Este aumento de area hace que el denominador de la ecuacion (iii) aumente y reduzca consecuentemente el valor de la velocidad de flujo.
Otra forma de disipacion de energia utilizada por la presente invencion, especialmente en las paredes laterales del bloque de impacto, consiste en la colision entre dos corrientes de fluido (acero fundido) en direcciones opuestas.
El bloque de impacto de la presente invencion tiene paredes laterales con barreras espaciadas y escalonadas en altura y longitud en toda la extension de las paredes o parte de las mismas. El reductor tambien tiene un fondo de impacto provisto de ondulaciones dispuestas de manera regular y escalonada. En ambos casos, en la pared lateral con barreras y en el fondo de impacto ondulado, existe un aumento considerable del area, como se ha mencionado anteriormente, en comparacion con una superficie lisa correspondiente.
La presencia de un flujo de acero dirigido hacia fuera o lejos de la zona de impacto, como en el caso de las valvulas largas inclinadas, puede provocar un desgaste localizado en el revestimiento refractario. Este otro problema de estado de la tecnica es resuelto por la presente invencion a traves de su superficie de impacto que tiene ondulaciones de caracteristicas de difusion.
Cuando los bloques de impacto de la tecnica anterior presentan una superficie de impacto lisa, puede haber una trayectoria preferencial de chorro de alta velocidad con reduction asociada en el tiempo de residencia minirno del acero en la artesa. Por lo tanto, hay un aumento en la cantidad de energia cinetica de turbulencia en la interfaz metal-escoria. La incorporation de una superficie de impacto que tiene caracteristicas de difusion tales como las de la presente invencion reduce la turbulencia y elimina la formation de una trayectoria de flujo preferencial (cortocircuito) debido a su area util mas grande.
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La combinacion de un fondo de impacto que tiene un relieve ondulado con su alta capacidad de absorcion de ene^a cinetica y paredes laterales de un inhibidor de turbulencia con barreras que favorecen la colision de fluidos procedentes de direcciones opuestas, ademas de aumentar el area de contacto, proporciona una ventaja considerable sobre los objetivos ya conocidos de la tecnica anterior.
El patron de flujo mostrado dentro del bloque de impacto segun la presente invencion es tal que las regiones de alta velocidad se limitan en la region de impacto de la corriente de acero, resultando en velocidades bajas en la interfaz de metal/escoria. Inicialmente, el flujo de acero se desplaza hacia arriba, y despues se desplaza paralelo a la superficie, facilitando de este modo la absorcion de las inclusiones de escoria.
Breve descripcion de los dibujos
La presente invencion se describira, mas adelante en el presente documento, mas en detalle basandose en un ejemplo representado en los dibujos. Las figuras muestran:
la figura 1 es una vista en perspectiva y en seccion transversal del objeto de la presente invencion;
la figura 2 es la distribucion esquematica de los flujos de fluido en las paredes laterales del objeto de la presente
invencion;
la figura 3 es una vista en seccion del objeto de la presente invencion que muestra la alimentacion de fluido; la figura 4 es una vista en seccion que muestra un bloque de impacto con una superficie de impacto plana; la figura 5 es un diagrama que muestra la trayectoria del liquido en la superficie ondulada; y la figura 6 es una vista en seccion del objeto de la presente invencion que muestra una alimentacion de fluido inclinada.
Descripcion detallada de los dibujos
La figura 1 muestra el bloque de impacto de la presente invencion en una vista en perspectiva con un corte lateral que muestra el fondo de impacto 5 con ondulaciones 4 y paredes laterales 2 con barreras 3, estando el bloque de impacto hecho de material refractario. Su forma debe ser, preferentemente, rectangular o cuadrada y su tamano debe ser compatible con el modelo de artesa en el que se adaptara. Otras formas geometricas tales como circular, hexagonal, octogonal, etc. no estan fuera del alcance de la invencion, siempre y cuando sea posible mantener su configuracion basica interior como se muestra en la figura 1. Esta configuration se refiere a la composition de multiples barreras 3 del mismo material o no de las paredes laterales 2 y que muestra en una realization preferente la seccion longitudinal rectangular, aunque se pueden considerar otros tipos de seccion para barreras 3. Dichas barreras 3 estan dispuestas en las paredes laterales 9 formando una serie de obstaculos a traves de las cuales debe pasar parte del flujo de acero fundido 6. Las barreras pueden incluirse en toda la longitud y altura de las paredes laterales 2, o unicamente en una parte de ellas, y tambien pueden variar en el espaciamiento entre si, dependiendo tales definiciones de las condiciones del proceso u otras variables.
Las filas de barreras 3 aseguran el confinamiento de la turbulencia a la region de impacto. El uso de dos o mas filas de barreras 3 asegura la permanencia de este efecto de confinamiento de la turbulencia durante un periodo de operacion mas largo en casos de secuencias de colada largas. La presencia de barreras 3, debido a su gran area, proporciona tambien un area util de incidencia optimizada del chorro de acero fundido, que es de gran importancia en operaciones de valvulas de inclination larga.
En la figura 1, todavia se puede ver el fondo de impacto 5 con ondulaciones 4. Dichas ondulaciones 4 pueden tener diferentes amplitudes y formas dependiendo de las condiciones del proceso. Las mismas pueden extenderse a lo largo del fondo de impacto 5 o de una parte del mismo. Pueden ser, por ejemplo, esfericas, ovoides y/o de disco o en forma de placa. Sin embargo, deben evitar los bordes afilados que pueden perjudicar o detener el flujo de acero liquido, generando de este modo un volumen muerto indeseable.
Como puede verse en la figura 2, los flujos indicados por los vectores ui y 02 chocan entre las barreras 3 en la pared lateral 2 del bloque de impacto de la presente invencion. Esta colision hace que las velocidades de direction horizontal y opuesta tiendan a reducir, de manera muy eficiente, el valor final resultante de la velocidad que sale hacia la artesa como el flujo 07.
Analizando el flujo de acero fundido a lo largo de las paredes 2 del bloque de impacto 1 de la presente invencion, la gran corriente de fluido que entra en el bloque de impacto 1 se subdivide en varias corrientes mas pequenas, como se muestra en la figura 1. De este modo, se forman muchas corrientes pequenas y comienzan a chocar con corrientes de fluido adyacentes en la direccion opuesta, entre las capas de barreras existentes en las paredes 2 del bloque de impacto 1 de la presente invencion. De este modo, hay una perdida de velocidad por la colision de flujos procedentes de direcciones opuestas asociadas con el efecto de perdida de velocidad por la friction mencionada anteriormente.
La figura 3 muestra el modo en que el flujo de acero liquido 6 es forzado a recorrer un camino mas largo para
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alcanzar la pared 2, pasando por encima de todas las ondulaciones 4 para alcanzar la pared 2 y, como se ha mencionado anteriormente, cuanto mas alta sea la trayectoria recorrida por el acero fundido, mas energia cinetica se disipara y menor sera la turbulencia del flujo hacia la artesa.
La presente invencion tambien introduce una ventaja adicional al flujo de acero fundido debido a su superficie de impacto 5 con ondulaciones 4 de caracteristicas de difusion. Esta superficie de impacto 5 con ondulaciones 4 se caracteriza por distribuir aleatoriamente el flujo de acero a traves del bloque de impacto (vease la figura 5), independientemente del angulo de entrada del chorro 6, como se ilustra en la figura 6. La figura 4 muestra como sera el flujo si el bloque de impacto de la presente invencion se haria con una superficie de impacto 5 plana, es decir, sin ondulaciones 4. La superficie plana desvia el chorro de acero fundido 6, hacia la pared 2 del bloque de impacto con practicamente ninguna perdida de energia cinetica. La figura 6 muestra el modo en que el bloque de impacto de la presente invencion, con la superficie de impacto 5 con ondulaciones 4, consigue mantener una distribucion aleatoria del flujo independientemente del angulo de entrada del chorro 6. Esto hace que el acero fundido este mejor distribuido dentro del bloque de impacto, aumentando su eficiencia en la reduccion de la energia cinetica del chorro de acero fundido 6.
Segun las figuras mencionadas anteriormente, podemos resumir que el chorro de acero fundido 6 de la cuchara de colada se vierte desde el lado superior hacia el recipiente del bloque de impacto 1 que esta ajustado apropiadamente dentro de la artesa. El recipiente del bloque de impacto 1 recibe en el fondo de impacto 5 el impacto causado por la intensidad del chorro de acero fundido 6 que varia en funcion del volumen de acero fundido contenido en la cuchara. En este proceso, el nivel de turbulencia generado durante el vertido sera proporcional a la energia cinetica contenida en el chorro de acero fundido 6. La absorcion de una parte de esta energia y la consecuente reduccion de la turbulencia por el bloque de impacto 1 de la presente invencion se debe al hecho de que el chorro de acero 6, despues de alcanzar el fondo de impacto 5 con las ondulaciones 4 de caracteristicas de difusion, tiene su flujo distribuido uniformemente con una reduccion de energia cinetica debido a la gran area y alta friccion consecuente, yendo posteriormente contra las paredes laterales 2. En las paredes laterales, parte de este chorro 6 es forzado a atravesar obstaculos formados por barreras 3, reduciendo de este modo su velocidad de movimiento dentro del recipiente debido a la colision de flujos parciales en la direccion opuesta y a la friccion de la pared. Las barreras 3 tambien generan una gran area de contacto util con alta friccion y absorcion de energia cinetica respectiva. Como resultado, el chorro de acero fundido 6 hacia la artesa y, despues, hacia la boquilla de salida del molde de colada, se produce con un flujo laminar ablandado, evitando de este modo los problemas descritos inicialmente relacionados con inclusiones de oxigeno y nitrogeno, purga de escoria y refractaria que dana la pureza del acero.

Claims (4)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Bloque de impacto para su uso en una artesa de colada continua de acero durante el vertido de acero fundido (6) de la cuchara de colada en la artesa, incluyendo el bloque de impacto (1) paredes laterales (2) provistas de barreras
    5 (3) distribuidas de manera separada y escalonadas en altura y longitud en toda la extension de las paredes (2) o en
    parte de las mismas, comprendiendo tambien el bloque de impacto (1) un fondo de impacto (5), provisto de ondulaciones (4) distribuidas y escalonadas en su totalidad o en parte de las mismas, caracterizado por que las barreras (3) tienen una forma rectangular en su seccion longitudinal y estan separadas en dos filas adyacentes en direccion vertical en una posicion superpuesta que cubre una trayectoria de flujo preferente del acero fundido (6).
    10
  2. 2. Bloque de impacto segun la reivindicacion 1, caracterizado por que el bloque de impacto (1) esta hecho de material refractario.
  3. 3. Bloque de impacto segun la reivindicacion 1, caracterizado por que las barreras (3) pueden estar hechas del 15 mismo material refractario del bloque de impacto (1) y preferentemente tienen una seccion transversal rectangular.
  4. 4. Bloque de impacto segun la reivindicacion 1, caracterizado por que las barreras (3) estan dispuestas en al menos dos filas en el interior del bloque de impacto (1).
    20 5. Bloque de impacto segun la reivindicacion 1, caracterizado por que las ondulaciones (4) con caracteristicas de
    difusion tienen forma esferica, ovoide, de disco o de placa, sin bordes afilados.
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