DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA METALURGICA Y MATERIALES
Grupo de Simulación del Procesamiento de Materiales y Dinámica de Fluidos
ANÁLISIS Y OPTIMIZACIÓN DEL FLUJO DEL ACERO LÍQUIDO EN UN DISTRIBUIDOR DE COLADA CONTINUA
TIPO DELTA DE CUATRO SALIDAS
T E S I S
Que para obtener el título de
INGENÍERO EN METALURGIA Y MATERIALES
P R E S E N T A
GERARDO PERALTA PÉREZ
DIRECTOR:
DR. JORGE PALAFOX RAMOS
MÉXICO, D.F., JUNIO 2008
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS
ÍNDICE
I SPM&DF
ÍNDICE Página
RESUMEN III
NOMENCLATURA IV
LISTA DE FIGURAS VI
LISTA DE TABLAS VIII
TEMA
CAPÍTULO 1 INTRODUCIÓN 1
1.1 Marco teórico del proceso 1
1.2 Justificación 3
1.3 Objetivo general 4
1.4 Objetivos específicos 4
1.5 Metas 5
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA 6
2.1 Colada Continua 6
2.1.1 Descripción del proceso de colada continua 7
2.1.2 Tipos de máquinas de colada continua 8
2.2.3 partes principales que integran la máquina de colada continua 10
2.2 El distribuidor 12
2.2.1 Eficaz importancia del flujo de fluidos en el distribuidor de colada continua 14
2.2.2 Comportamiento del flujo en distribuidores de colada continua 16
2.3 Distribución del tiempo de residencia (DTR) 20
2.3.1 Técnica empleada para el análisis de curvas DTR 23
2.4 Modelación física del modelo de agua 28
2.4.1 Criterios de similitud 29
2.4.2 Diseño del modelo físico relacionado con el número de Froude 30
2.5 Fabricación y tipos de boquillas 34
2.6 Diseño del distribuidor 35
2.6.1 El distribuidor en la planta siderúrgica 36
2.6.2 El molde 38
2.6.3 Vaciado de lingotes y colada continua 41
2.7 Fundentes utilizados en el distribuidor 43
ÍNDICE
II SPM&DF
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL 46
3.1 Modelo físico 46
3.1.1 Condiciones de operación en el modelo físico 47
3.2 Dimensiones geométricas del distribuidor 48
3.2.1 Casos de estudio 52
3.3 Desarrollo del análisis experimental 61
3.3.1 Descripción del equipo experimental 62
3.4 Análisis y caracterización del funcionamiento de prototipos controladores de flujo en el
distribuidor, utilizando curvas DTR
64
3.4.1 Análisis y caracterización de cambios de olla 66
3.4.2 Estudio de mecánica de fluidos 69
3.5 Representación de modelos para mejorar la eficiencia del flujo en el distribuidor 71
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN 73
4.1 Resultados de la modelación física 73
4.1.1 Secuencia para adimensionar la curva C 73
4.2 Modelo sin accesorios (2.00 ton/min) 74
4.2.1 Modelo con inhibidor de flujo de forma hexagonal (IFH), (2.00 ton/min) 75
4.2.2 Modelo con arreglo de inhibidor de flujo de forma pentagonal (IFP), con piso falso
rectangular (PFR), y piso falso triangular (PFT), (2.00 ton/min)
77 4.2.3 Modelo con arreglo de inhibidor de flujo de forma pentagonal (IFP), con piso falso
rectangular (PFR), (2.00 ton/min)
78 4.2.4 Modelo con arreglo de inhibidor de flujo de forma pentagonal (IFP), (2.00 ton/min) 83
4.3 Comportamiento de las curvas C durante un cambio de olla 91
4.4 Cambios de olla (2.00 ton/min) 92
4.5 Análisis y su discusión de resultados de la modelación física 93
CAPÍTULO 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 103
5.1 Conclusiones 103
5.1.2 Recomendaciones 104
BIBLIOGRAFÍA 105
RESUMEN
III SPM&DF
RESUMEN En el proceso de colada continua el objetivo fundamental es la modelación física dentro del
distribuidor adecuado y fundamentado con los números adimensionales de Froude y Reynolds. Se
utiliza la técnica estímulo-respuesta y la dinámica del fluido, valorando al flujo con curvas de
distribución de tiempos de residencia (DTR), para modificar las condiciones de las diferentes
características de tipos de flujos, mejorando la optimización del comportamiento del flujo de
fluidos. También se estudian las condiciones de operación para modificar el comportamiento del
flujo cuando hay un cambio de olla y durante las diferentes velocidades de colada de acero en el
distribuidor.
El distribuidor de colada continua estudiado es de tipo DELTA, equipado con cuatro
boquillas sumergidas de salida, cuatro barras tapón en línea, un inhibidor de forma hexagonal como
controlador de turbulencia del flujo en la superficie, se propusieron accesorios que modificaron el
flujo de fluidos, diseñando un piso falso y prototipos controladores de flujo que se colocaron en el
interior del distribuidor cuya capacidad es de 18 toneladas de acero líquido de la industria
siderúrgica, se simuló utilizando un modelo físico a escala de 1/2 de su prototipo, fabricado en
acrílico transparente.
Los casos experimentales en estudio se realizaron en estado estacionario a diferentes
velocidades de colada con siete diversas configuraciones: I.- Distribuidor sin inhibidor; II.- Con un
inhibidor de forma hexagonal; III.- Con un inhibidor de flujo pentagonal con piso falso rectangular
y triangular; IV.- Con un inhibidor pentagonal con piso falso rectangular; V.- Con un inhibidor
pentagonal; VI.- Con un inhibidor rectangular con piso falso rectangular; VII con un inhibidor
octagonal con piso falso rectangular.
Los resultados obtenidos de las curvas DTR, se presentan en términos adimensionales de
concentración contra tiempo reportando el análisis comparativo de las características y
comportamiento del flujo de fluidos en el funcionamiento del distribuidor de las configuraciones I y
II, con respecto al distribuidor de las configuraciones III, IV y V. Donde se modifica la estabilidad
uniforme del flujo en el sistema a una máxima velocidad de colada de acero de 2.00 ton/min.
El distribuidor con un inhibidor de flujo de forma pentagonal y el distribuidor con un
inhibidor de forma pentagonal con piso falso rectangular, son los prototipos que optimizan y
modifican el comportamiento del flujo de fluidos en el funcionamiento del distribuidor, donde se
mejoró la orientación del fluido incrementando la flotación de inclusiones no metálicas y la
eliminación de los circuitos cortos de flujo. También se disminuye la intensidad de turbulencia en la
superficie del acero líquido para evaluar cambios de olla en el proceso de colada continua.
NOMENCLATURA
IV SPM&DF
NOMENCLATURA
A Área m2
C Concentración adimensional
c Concentración
c Velocidad del sonido m/s
DM Ancho del producto m
d Diámetro m
F Fuerza N
Fr Número de Froude l
Frmod Número de Froude en el modelo l
Frprot Número de Froude en el prototipo l
g Aceleración de la gravedad m/s2
h Altura del baño líquido m
hƒ Factor de escala de altura
hmod Altura en el modelo m
hprot Altura en el prototipo m
L Longitud del fluido m
L Longitud característica del sistema m
Lmod Longitud en el modelo m
Lprot Longitud en el prototipo m
Lƒ Factor de escala de longitud
Lsop Longitud de soporte m
m Modelo m
Ml Muestra del líquido l
P Prototipo m
Pad Distribución de presión adimensional
Q m Flujo de agua en el modelo m3/s
Q p Flujo de acero en el prototipo m3/s
Re Número de Reynolds l
t Tiempo s
t Tiempo promedio de residencia s
tƒ Factor de escala del tiempo
NOMENCLATURA
V SPM&DF
TLS Turbulencia del líquido superficial m/s
V Volumen del líquido m3
VC Velocidad de colada ton/min
VCmod Velocidad de colada en el modelo l/min
VCprot Velocidad de colada en el prototipo ton/min
Vd Volumen muerto
Vƒ Factor de escala de velocidad
Vm Volumen mezcla
Vmod Velocidad en el modelo m/s
Vp Volumen pistón
Vprot Velocidad en el prototipo m/s
We Número de Weber
ƒ Factor de escala
u Velocidad del líquido dentro del distribuidor m/s
v Velocidad del fluido m/s
vad Distribución de velocidad adimensional
η Viscosidad dinámica Ns/m2
ρ Densidad del fluido Kg/m3
σ Tensión superficial del fluido N/m
σ2 Varianza
θ Tiempo adimensional
v Viscosidad cinemática m2/s
μ Viscosidad del fluido Ns/m2
LISTA DE FIGURAS Y TABLAS
VI SPM&DF
LISTA DE FIGURAS Figura
No.
Leyenda Página
1 Diagrama esquemático sobre colada continua. 1 2.1 Diagrama de una típica máquina de colada continua. 8 2.2 Diferentes tipos de máquinas de colada continua. 9 2.3 Componentes de un distribuidor. 12 2.4 Tipos de distribuidores. 13 2.5 Representación de las curvas C en recipientes cerrados para distintas intensidades de
retromezcla predichas por el modelo de dispersión.
17 2.6 Esquema representativo de los reactores ideales. 18 2.7 Esquema representativo del flujo no ideal en los reactores. 19 2.8 Tipos de flujo no ideal que se presentan en el distribuidor de colada continua y los
efectos que surgen en las curvas DTR.
20 2.9 Representación gráfica de los diferentes métodos de curvas DTR. a) Representación de
la distribución del tiempo de residencia o DTR, b) Señal característica aguas abajo, denominada curva F, c) Señal característica aguas abajo, denominada curva C.
22 2.10 Diagrama de la alimentación experimental en el distribuidor. 23 2.11 Tipos de boquillas para el distribuidor. a) Boquillas abiertas, b y c) Boquillas
sumergidas.
34 2.12 El distribuidor.- Un reactor continuo, eslabonado a la olla que es un reactor por carga,
con los moldes que son unos reactores continuos.
36 2.13 Control de flujo en el distribuidor para optimizar la distribución del tiempo de
residencia para cada línea y mejorar la flotación de las inclusiones mediante la eliminación de los circuitos cortos.
37 2.14 Proceso del vaciado de acero en lingotes y colada continua. a) Ilustración de un típico
proceso de colada continua, b) Ilustración de un típico proceso de colada de lingotes.
42 3.1 Dimensiones geométricas del modelo físico a 1/2 de la escala del prototipo en estudio,
unidades en m. a) Vista frontal, b) Vista de planta.
48 3.2 Dimensiones geométricas de altura de dos diferentes buzas en el modelo físico en
estudio, unidades en m. a) Buza larga, b) Buza corta.
49 3.3 Dimensiones geométricas de la barra tapón en el modelo físico, unidades en m. 50 3.4 Dimensiones geométricas del IFH, en el modelo físico, unidades en m. a) Vista frontal,
b) Vista de planta.
51 3.5 Diseño de las configuraciones del distribuidor real en funcionamiento en planta a)
Distribuidor sin accesorios, b) Distribuidor con inhibidor hexagonal (IFH).
53 3.6 Diseño de las configuraciones del distribuidor con diferentes arreglos de prototipos
controladores de flujo. c) Distribuidor con IFP + PFR + PFT, d) Distribuidor con IFP + PFR, e) Distribuidor con IFP.
54 3.7 Diseños de las diferentes configuraciones como propuestas adicionales. f) Distribuidor
con IFR + PFR, g) Distribuidor con IFO + PFR.
55 3.8 Dimensiones geométricas del IFP, en el modelo físico. Utilizado en las configuraciones
III, IV y V, unidades en m.
57 3.9 Dimensiones de la posición de los inhibidores de turbulencia en el modelo físico de las
configuraciones III, IV, V, VI y VII, unidades en m. a) IFP, b) IFR, c) IFO.
58
LISTA DE FIGURAS Y TABLAS
VII SPM&DF
3.10 Dimensiones geométricas de los inhibidores empleados en las configuraciones VI y
VII, como una propuesta adicional en el modelo físico, unidades en m. a) IFR, b) IFO.
59 3.11 Dimensiones geométricas del piso falso en el modelo físico, utilizados en las
configuraciones III, IV, VI y VII, unidades en m. a) Bloque (PFR), b) Bloque (PFT).
60 3.12 Desarrollo del análisis experimental empleado en esta investigación, para determinar el
mejor comportamiento del flujo mediante la obtención de curvas DTR.
61 3.13 Diagrama del equipo experimental utilizando un modelo físico de un distribuidor tipo
DELTA, de 18 toneladas de acero.
63 3.14 Secuencia experimental para el análisis y caracterización del distribuidor. 65 3.15 Secuencia experimental utilizado para un cambio de olla en el distribuidor. 68 3.16 Un tubo de flujo limitado por líneas de flujo. 70 3.17 Principal secuencia de experimentación para la optimización del flujo de fluidos en un
distribuidor de 18 toneladas de acero líquido.
72 4.1 Comportamiento del flujo en el distribuidor de la configuración I, sin accesorios a dos
diferentes tiempos de haberse inyectado el trazador.
74 4.2 Comportamiento del flujo en el distribuidor de la configuración II con IFH, a dos
diferentes tiempos de haberse inyectado el trazador.
75 4.3 Comportamiento del flujo en la superficie de acero de la configuración II con IFH. 76 4.4 Comportamiento del flujo en la superficie de acero de la configuración II con IFH,
durante un cambio de olla de 14 toneladas.
76 4.5 Perfil de la configuración III, donde se observan los diferentes fenómenos que suceden
en el comportamiento del fluido en el distribuidor.
77 4.6 Fotografías del modelo de la configuración III, con los diferentes prototipos
controladores de flujo.
78 4.7 Comportamiento del flujo de la configuración IV con IFP + PFR, a diferentes tiempos
de haberse inyectado el trazador, utilizando una buza corta (0.20 m).
79 4.8 Comportamiento del flujo de la configuración IV con IFP + PFR, a diferentes tiempos
de haberse inyectado el trazador, utilizando una buza larga (0.13 m).
80 4.9 Comportamiento del flujo en la superficie de acero de la configuración IV con
IFP + PFR, utilizando una buza corta (0.20 m).
81 4.10 Comportamiento del flujo en la superficie de acero de la configuración IV con
IFP + PFR, utilizando una buza larga (0.13 m).
81 4.11 Comportamiento en la superficie de acero de la configuración IV, durante un cambio
de olla de 14 toneladas, utilizando una buza corta (0.20 m). a) Inicio del cambio de olla, b) Transcurso del cambio de olla, c) Final del cambio de olla.
82 4.12 Comportamiento del flujo a diferentes tiempos de haberse inyectado el trazador de la
configuración V con IFP.
83 4.13 Comportamiento del flujo en la superficie de acero de la configuración V con IFP,
utilizando una buza larga (0.13 m).
84 4.14 Comportamiento en la superficie de acero de la configuración V, durante un cambio de
olla de 14 toneladas, utilizando una buza larga (0.13 m). a) Inicio del cambio de olla, b) Transcurso del cambio de olla, c) Final del cambio de olla.
85 4.15 Comportamiento en la superficie de acero de la configuración V. a) Buza corta
(0.20 m) con IFP, b) Buza larga (0.13 m) con IFP.
86
LISTA DE FIGURAS Y TABLAS
VIII SPM&DF
4.16 Zonas de formación de volumen muerto en un tiempo de 55 s. a) Configuración II, con
IFH, b) Configuración IV, con IFP + PFR, c) Configuración V, con IFP.
87 4.17 Altura del cambio de olla de 14 toneladas que mejora la calidad del acero en el modelo
físico, unidades en m.
90 4.18 Comportamiento de las curvas que repercuten en la calidad del acero durante un
cambio de olla. a) Calidad consistente, b) Calidad no consistente.
91 4.19 Curvas de cambios de olla en el distribuidor con IFH (Configuración II), con
IFP + PFR (Configuración IV), y con IFP (Configuración V).
92 4.20 Curvas de DTR a diferentes velocidades de colada para la configuración I. a) Mínima
velocidad de colada, b) Velocidad normal de colada, c) Máxima velocidad de colada.
95 4.21 Curvas de DTR a diferentes velocidades de colada para la configuración II. a) Mínima
velocidad de colada, b) Velocidad normal de colada, c) Máxima velocidad de colada.
96 4.22 Curvas de DTR para la configuración V, a una máxima velocidad de colada. 97 4.23 Curvas de DTR para la configuración IV, a una máxima velocidad de colada. 98 4.24 Curvas de DTR para la configuración III, a una máxima velocidad de colada. 98
LISTA DE TABLAS Tabla
No.
Leyenda Página
2.1 Materiales de revestimiento para distribuidores. 14 2.2 Herramienta que simula el proceso real sustituyendo las escalas y materiales de
operación por otros.
33 2.3 La velocidad de colada para un molde proporcionara un enfriamiento eficaz del acero.
Esta tabla está basada en la colada de un cuadrado de 0.15 m. Si el agua de los aspersores solo se incrementa de una manera directamente proporcional a la velocidad de colada entonces la longitud metalúrgica se incrementará. Si se quiere de la máxima velocidad de colada posible entonces, igualmente se necesitará más agua y se debe permitir un aumento en la longitud metalúrgica.
40 2.4 Lista de composiciones químicas típicas de escorias en el distribuidor. 45 3.1 Parámetros físicos en el modelo físico y modelo real (agua-acero). 47 4.1 Características del flujo y análisis de las curvas DTR (Velocidad de colada 1.13
ton/min).
88 4.2 Características del flujo y análisis de las curvas DTR (Velocidad de colada 1.50
ton/min).
88 4.3 Características del flujo y análisis de las curvas DTR (Velocidad de colada 2.00
ton/min).
89 4.4 Relación de altura de cambios de olla en el modelo físico y modelo real (agua-acero). 90
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN
1 SPM&DF
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 1.1 MARCO TEÓRICO DEL PROCESO
La necesidad de incrementar la productividad, así como la de reducir los tiempos en los
procesos siderúrgicos, ha obligado a los proveedores de la industria del acero y a los propios
acereros a desarrollar nuevas técnicas que permitan mantener un alto nivel de competitividad.
Aunque no sólo es importante el aprovechamiento del tiempo ya que dentro del factor productivo se
encuentra el de mayor importancia denominado “calidad en la producción”. Una limitante para un
claro entendimiento de la dinámica del acero líquido principalmente en el vaciado del metal en
general (olla-distribuidor de colada continua), es la enorme complejidad involucrada en el proceso.
El entendimiento de la dinámica de fluidos en tal sistema es de vital importancia para el control del
vaciado del metal y por consiguiente del paso de escoria al distribuidor de colada continua, con la
finalidad de obtener aceros, libre de inclusiones no-metálicas. En la figura 1 se muestra el diagrama
esquemático sobre colada continua.
Figura 1. Diagrama esquemático sobre colada continua. (2)
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN
2 SPM&DF
Debido al aumento en la demanda en la producción acerera, los fabricantes se han enfocado
mayormente al proceso productivo dejando en segundo plano el elemento de la calidad; esto, con el
paso del tiempo ha ocasionado serios problemas dentro del sector productivo a nivel nacional en
comparación con otros países productores, ya que basándose en la demanda contemporánea, la
exigencia actual es mucho mayor.
Hoy en día la producción debe ser capaz de abarcar todas las expectativas de los
consumidores en un mundo competitivo que día a día crece a pasos agigantados, eliminando fallas
en el proceso, incrementando la calidad de todos los productos, aumentando la producción y
exigiendo el mínimo porcentaje de impurezas.
Estudios muy recientes se han ocupado al estudio del análisis del distribuidor y sobre todo
al convertidor, pero en relación del estudio del flujo del acero líquido, en cuanto a las características
de tipos de flujos, condiciones de operación y cambios de olla respecto a sus dimensiones y forma
de los prototipos controladores de flujo en un distribuidor de colada continua, encontramos que no
hay mucha información, es por este motivo que nos enfocaremos primordialmente a la investigación
de los prototipos controladores de flujo (Tobera, Buza sumergida, inhibidores de turbulencia y pisos
falsos). (1)
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN
3 SPM&DF
1.2 JUSTIFICACIÓN
En la actualidad en el proceso de colada continua en la industria siderúrgica nacional e
internacional requieren una demanda más eficiente en cuanto a un acero libre de inclusiones no
metálicas, ya que día a día las industrias son más competentes en cuanto a tecnología para reducir
diversas etapas del proceso, lo que beneficia su producción así como su economía.
La demanda industrial y el nuevo avance tecnológico ha permitido a nuevas fabricas,
dedicarse al desarrollo de quipo de automatización del proceso de colada continua y al arreglo y
colocación de nuevos prototipos controladores de flujo en el interior del distribuidor tales como:
inhibidores de turbulencia, mamparas y represas pero no siempre este método reduce la remoción
de inclusiones no metálicas, el grado de reoxidación y por lo tanto no mejora las características en
el funcionamiento del distribuidor.
A pesar de estos avances tecnológicos es imposible estudiar directamente el
comportamiento del flujo durante el proceso de colada continua. Estudios recientes indican que hay
pocas investigaciones que se realicen mediante la modelación física, tales como el análisis y la
optimización de un distribuidor de tipo DELTA, por medio de la dinámica de fluidos además de
perfeccionar el diseño y construcción de nuevos prototipos controladores de flujo para adaptarlo a
cualquier modelo físico y darle un seguimiento de estudio para modificar las condiciones del
comportamiento del flujo de fluidos en un distribuidor, encontrando resultados satisfactorios que
nos lleven a mejorar la calidad de acero y aumentar la producción en el proceso de colada continua,
es por tal motivo que encontramos la justificación en este trabajo de investigación.
Tenemos que considerar los parámetros que intervienen en el proceso de post-fusión del
acero líquido desde que sale de la olla hasta que es vaciado en el distribuidor como son:
Temperatura, composición química y flujo de fluidos. También debemos mencionar las variables
que pueden intervenir en un problema de flujo de fluidos tales como: La fuerza F, la longitud L, la
velocidad ν, la densidad ρ, la viscosidad dinámica η, la aceleración de la gravedad g, la velocidad
del sonido c, y la tensión superficial σ, para tener un mejor avance a la vanguardia de la tecnología
actual en los diferentes modelos físicos y prototipos controladores de flujo para mejorar la
productividad y calidad de aceros que se producen en la actualidad.
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN
4 SPM&DF
1.3 OBJETIVO GENERAL
Análisis y optimización del comportamiento del flujo de fluidos en estado estacionario,
mediante el estudio de la eficiencia de diferentes prototipos controladores de flujo considerando la
distribución del tiempo de residencia (DTR), en un distribuidor de colada continua tipo DELTA.
1.4 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Optimizar el comportamiento del flujo de fluidos de las diferentes características de
tipos de flujos que suceden en el distribuidor de colada continua mediante curvas
DTR.
• Determinar el tipo de controlador de flujo de fluidos mediante un inhibidor de
turbulencia.
• Analizar y optimizar las condiciones de operación del flujo de fluidos en estado
estacionario a diferentes velocidades de colada en el distribuidor.
• Acondicionar un nuevo piso falso en el interior del distribuidor.
• Analizar y optimizar el flujo de fluidos utilizando la distribución del tiempo de
residencia para cada línea de salida del distribuidor.
• Analizar el perfil reflujo del fluido en el interior del distribuidor.
• Analizar y optimizar el comportamiento de flujo de fluidos en la superficie del
baño líquido.
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN
5 SPM&DF
1.5 METAS.
• Construir un modelo físico de acrílico a 1/2 de la escala del prototipo de un
distribuidor de colada continua de acero tipo DELTA, para cuatro líneas de salida.
• Modificar el diseño de dos buzas (Tamaño: corta y larga) de alimentación en el
distribuidor para mejorar el comportamiento de turbulencia en la superficie del
acero líquido.
• Diseñar y construir un sistema controlador de flujo el cual consiste de un inhibidor
de turbulencia para mejorar la flotación de inclusiones no metálicas.
• Mediante una cámara de video grabar el flujo en estado estacionario para analizar
su comportamiento.
• Adaptar el nuevo piso falso en el interior del distribuidor el cual consiste de tres
bloques rectangulares y dos bloques triangulares para optimizar la distribución de
tiempos de residencia del flujo para cada línea de salida del distribuidor.
• Analizar el perfil del flujo utilizando una cámara de video y una inyección de
colorante de 20 ml como trazador.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
6 SPM&DF
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA 2.1 COLADA CONTINUA
Desde que por primera vez se obtuvo el acero al estado líquido, hace más de 250 años, la práctica
general ha consistido, casi invariablemente en colarlo o vaciarlo en bloques rectangulares a partir de
los cuales se obtiene la forma y tamaño final, mediante operaciones de forja y laminación en
caliente o en frío.
Originalmente estos bloques o lingotes eran de muy bajo peso pero a medida que aumentaba la
capacidad de los hornos de aceración aumentaba también el peso de los lingotes colados de tal
manera que actualmente es muy común la producción de lingotes de 15 hasta de 50 y 100 ton. Estos
lingotes son laminados en laminadores primarios para producir palanquillas (billets), tochos
(blooms) o planchones (slabs).
El proceso de colada continua fue resuelto, primeramente para metales no ferrosos, en 1937 se coló
latón mediante este método.
Sin embargo, para colar acero, se tuvo que tratar con temperatura del metal, mucho más altas, y
después de superar varias dificultades, fue posible construir una planta en Alemania en el año de
1943. En los años posteriores, esto fue seguido de la instalación de plantas experimentales y plantas
piloto pero aún en 1951 solo cinco máquinas estaban en uso.
Diez años más tarde, más de 50 máquinas estaban en uso o en construcción y la velocidad de su
desarrollo se aceleró a tal grado que en 1967 ya había plantas en muchos países y capaces de
producir más de 20 millones de toneladas de acero en forma de semiproductos.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
7 SPM&DF
2.1.1 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE COLADA CONTINUA
El flujo del acero desde que sale del horno, es recibido en una olla, en la cual es transportado a la
máquina de colada continua. La olla se posiciona sobre la máquina y se deja salir el acero por el
fondo de la olla hacia el distribuidor donde, como su nombre lo indica, distribuye el acero, a través
de dos o más boquillas, hacia dos o más moldes de paredes de cobre enfriados fuertemente con
agua, en donde se inicia la solidificación del acero.
La barra o producto sale por el fondo abierto del molde, con una cáscara o costra solidificada de
acero (de 0.01 a 0.015 m de espesor en productos pequeños y de 0.025 a 0.03 m. En productos
grandes). La barra avanza e inmediatamente después entra a la zona de enfriamiento con regaderas
o aspersores que enfrían simultáneamente los cuatro lados del producto.
A la salida de la barra por el fondo del molde se encuentran los rodillos guía, que además de guiar a
la barra por la vía correcta impiden que dicha barra se deforme o tuerza, debido al enfriamiento tan
intenso. Al final de la zona de enfriamiento secundario el producto debe estar solidificado en toda
su sección transversal.
Después de la zona de enfriamiento con aspersores, están los rodillos extractores y estos controlan
la velocidad y la fuerza con la que se extrae el producto desde el molde. En algunas máquinas
después de los rodillos extractores se encuentran los rodillos enderezadores, que impiden que el
producto se salga de la vía del flujo.
A continuación el producto llega a la zona de corte que puede ser con cizalla o con soplete de
oxiacetileno. Aquí el producto que puede ser palanquilla, tocho o planchón, se corta en tramos de
una longitud previamente establecida de acuerdo con las necesidades del producto final a obtener.
Las barras ya cortadas a la longitud apropiada se llevan a la cama de enfriamiento a través de las
mesas de distribución con rodillos. De aquí el producto puede ser enfriado y llevado a la zona de
almacenamiento o bien, todavía al rojo, pueden ser llevados a los hornos de recalentamiento
después son llevados a la laminación. En la figura 2.1 se muestra el diagrama de una máquina de
colada continua.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
8 SPM&DF
Olla
Distribuidor
Zona de enfriamiento secundario
Molde
Rodillos extractoresy enderezadores Barra falsa
Soplete para corte
Figura 2.1. Diagrama de una típica máquina de colada continua. (3)
Donde el acero fundido se cuela en un “distribuidor” (receptáculo de sostén) que regula el flujo a
través de un molde en el cual se inicia la solidificación del metal líquido. La solidificación progresa
desde la primera cáscara delgada iniciada en el molde formador de la plancha que se enfría por la
acción de la aspersión de agua conforme la plancha es guiada por una caída de rodillos
enderezadores y el corte de la plancha en tramos. (15)
2.1.2 TIPOS DE MÁQUINAS DE COLADA CONTINUA
Las máquinas de colada continua fundamentalmente, en pocos años han variado en sus diseños y
construcción los cuales se clasifican en cuatro tipos que se mencionan a continuación:
• Vertical.
• Verticales con flexionador.
• Flexión progresiva.
• Molde curvo.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
9 SPM&DF
En la figura 2.2 se muestran los diferentes tipos de máquinas de colada continua, antes
mencionados.
Las máquinas tipo vertical (a), pueden considerarse como las primeras utilizadas a escala industrial.
Tienen la desventaja de que es necesaria la construcción de naves muy elevadas y/o excavaciones
profundas para poder extraer el producto.
Las máquinas verticales con flexionador (b), permitieron el ahorro en las excavaciones pero no así
en la altura de las naves además de problemas operacionales y que provocan defectos en el producto
precisamente en la zona de flexión.
Con las máquinas de flexión progresiva (c), se logró disminuir aún más la altura de las naves y
cortar la longitud de la zona de enfriamiento secunadario.
Molde
Zona de enfriamientosecundario
Enderezadora
Dispositivo de Extracción y flexión
Mesa de salidaCizalla
(b) Tipo vertical con flexionador
Molde
Zona de enfriamientosecundario
Dispositivo deextracción
Equipo detransporte
(a) Tipo vertical
Cizalla
Molde
Zona de enfriamientosecundario
Dispositivos deExtracción y flexión
Enderezadora
CizallaMesa desalida
(c) Tipo de flexión progresiva
Molde
Zona de enfriamientosecundario
Dispositivo de extracción
Cizalla Mesa de salida
(d) Tipo de molde curvo
Figura 2.2. Diferentes tipos de máquinas de colada continua.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
10 SPM&DF
Las máquinas tipo de molde curvo (d), permitieron un considerable ahorro en las instalaciones (ya
no son necesarias naves de construcción especial al disminuir sensiblemente su altura de las
mismas). Tiene la característica de que el radio de curvatura del producto determina la longitud
máxima de la zona de enfriamiento secundario, consecuentemente es necesario asegurar que la
sección transversal del producto que se pueda colar, pueda también ser enfriada satisfactoriamente
en la longitud prevista.
2.2.3 PARTES PRINCIPALES QUE INTEGRAN LA MÁQUINA DE COLADA CONTINUA
Las máquinas de colada continua están integradas de las partes principales siguientes de acuerdo
con el flujo de acero:
• Distribuidor.
• Moldes de cobre.
• Zona de enfriamiento secundario.
• Rodillos extractores.
• Rodillos enderezadores.
• Zona de corte (cizalla o soplete).
• Mesas de distribución o traslado.
• Cama de enfriamiento.
Como equipo auxiliar todos los tipos de máquinas utilizan la barra falsa o iniciadora. Algunas
máquinas, sobre todo para palanquillas, utilizan una olla de emergencia.
Controles principales durante la operación de colada.
• Asegurar que el sistema de alimentación de aceite lubricante se haga funcionar
inmediatamente al inicio de la colada. El operador observará su distribución en las paredes
del molde.
• El sistema de enfriamiento del molde deberá ser abierto antes de iniciar la colada, y debe
hacerse notar que el flujo está en las condiciones previamente establecidas.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
11 SPM&DF
• El enfriamiento intensivo del producto, es muy importante, (Zona de enfriamiento
secundario), y para cada tipo de acero y sección del producto, ya debe estar establecido el
volumen de agua necesaria.
• La velocidad de colada debe ser mantenida tan próxima, como sea posible, a la velocidad
especificada, previamente. Normalmente se debe incrementar, ligeramente, según vaya
descendiendo el nivel del acero en la olla para compensar el enfriamiento que se produce
durante el tiempo que dura la colada. El incremento será de un 10 % aproximadamente.
• En las plantas donde se emplea el colado abierto, es importante vigilar que, la escoria del
distribuidor que se forma en la superficie del metal en el molde, no penetre al producto. En
donde se utiliza la colada inmersa, se debe vigilar; la formación adecuada de la escoria o la
adición de compuestos exotérmicos. En las máquinas de colada continua se debe tener la
instrumentación necesaria y adecuada que indicará y registrará la mayor parte de los
controles siguientes:
Temperatura del acero en la olla antes de colar y registro continuo de la
temperatura del acero en el distribuidor.
Velocidad de colada. Por ejemplo velocidad de extracción del producto.
Desmoldeo “negativo” y registro de la oscilación del molde.
Intensidad de flujo del agua de enfriamiento en el molde y temperaturas de entrada
y salida de agua.
Intensidad de flujo del agua de enfriamiento para cada banco de aspersores en la
zona de enfriamiento secundario.
Presiones de los rodillos extractores.
Indicador de la temperatura del producto a la salida del enfriamiento secundario.
Control automático de la velocidad de llenado del molde con instrumentos que
indiquen que se está operando satisfactoriamente.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
12 SPM&DF
2.2 EL DISTRIBUIDOR
En la máquina de colada continua el distribuidor se encuentra entre la olla y los moldes. Es un
recipiente que recibe el acero fundido desde la olla y lo mantiene, lo distribuye uniformemente y
con flujo constante a cada boquilla llevando la cantidad apropiada de acero a cada molde en forma
continua, en la figura 2.3 se muestran los componentes del distribuidor.
Figura 2.3. Componentes de un distribuidor.
En este trabajo de investigación nos enfocaremos al distribuidor tipo DELTA también conocido
como tipo V (un distribuidor de cuatro salidas). Este distribuidor se usa generalmente para
máquinas donde la olla se vacía por sifón, su ventaja es que el chorro de acero no golpea
directamente sobre el fondo, minimizando así el desgaste del refractario.
Se usa en máquinas de poca capacidad aún cuando en ocasiones también se usa en máquinas de alta
producción de planchón (de una o dos salidas).
Presenta mayores dificultades en cuanto a colocación y armado de las paredes refractarias, debido a
que cada esquina tiene diferente ángulo, lo que origina su complejidad. En la figura 2.4 se muestran
los cuatro diferentes tipos de distribuidores en colada continua. (4)
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
13 SPM&DF
El cuerpo del distribuidor es de una construcción sencilla que consiste de un casco externo de placa
de acero revestido interiormente con tabique refractario del apropiado. Como la forma y la
capacidad del distribuidor afectan las funciones de los controles principales durante la operación de
colada son diseñados de acuerdo con los resultados del modelo de flujo experimentado.
Para 1 línea Para 2 líneaPara 3 líneas
Para 4 líneas
Figura 2.4. Tipos de distribuidores.
Es muy común que en los distribuidores se utilicen placas de material aislante que se colocan en las
paredes, con lo cual se elimina el precalentamiento de dichos distribuidores, con eso se consigue
una mayor seguridad en la operación de la colada continua secuencial y aumenta considerablemente
la duración del refractario, en la tabla 2.1 se muestran materiales de revestimiento para
distribuidores de colada continua.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
14 SPM&DF
Tabla 2.1. Materiales de revestimiento para distribuidores.
Usado en Tipo de producto
sugerido
Características
Paredes Concreto
90 % Al2O3
Protector de mezcla MgO 75 % MgO
Paredes de partición Concretos básicos 55-65 % de MgO o por encima del
85 % de MgO
Mejora la resistencia
Placa de impacto MgO-C Mejoría mecánica
Resistente
Boquillas del distribuidor Bicerámicos con 93 % zirconio
montura de concreto
La capacidad del distribuidor es determinada de tal manera que la columna del metal fundido sea
mantenida a una altura de 0.4 a 0.8 m. Para obtener una condición de buen flujo y que el tiempo de
colado sea el suficiente para esperar la siguiente olla para realizar la colada continua secuencial del
proceso. (5)
2.2.1 EFICAZ IMPORTANCIA DEL FLUJO DE FLUIDOS EN EL DISTRIBUIDOR DE
COLADA CONTINUA
El distribuidor siempre a, tenido una gran importancia desde el vaciado de la olla hasta el vaciado
de los moldes o lingotes, ya que es un reactor refinador continuo de acero líquido, el cual
proporciona aceros de alta calidad.
Existen tres factores fundamentales que involucran la calidad del acero, y estos son: el tipo de
escoria, las características del flujo y la temperatura del acero líquido. Dependiendo del tipo de
acero que se fabrique se diseñan escorias con la finalidad de refinar al acero, atrapar a las
inclusiones y proteger al acero líquido de la reoxidación producida por el contacto con el oxígeno
del aire.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
15 SPM&DF
La calidad del acero se mejora cuando el comportamiento del flujo tiene una adecuada orientación
hacia las boquillas de salida mejorando la uniformidad del comportamiento del líquido a diferentes
velocidades de colada y cuando la turbulencia superficial del líquido disminuye, esta disminución
de turbulencia evita que se abra la escoria que protege al acero líquido del contacto del aire.
También, el comportamiento del flujo debe ser tal que se evite el atrapamiento de la escoria en el
acero líquido y que se dirijan las inclusiones hacia la superficie del baño líquido. (5)
Las variables consideradas en la optimización del flujo de fluidos en el distribuidor son las
siguientes:
• Tiempo de residencia.
• Volumen pistón.
• Volumen de mezclado.
• Volumen muerto.
• Comportamiento del fluido.
• Turbulencia en la superficie del líquido.
• Salpicadura de acero.
• Formación de vórtices.
• Cambio de olla.
El comportamiento de flujo de fluidos ejerce influencia sobre:
1. La habilidad para remover inclusiones no metálicas desde el metal a la escoria.
2. El grado de reoxidación, el que ocurre por el contacto de la atmósfera durante la intensidad
de turbulencia en la superficie del acero líquido.
3. El funcionamiento adecuado de la olla, el distribuidor y el molde.
Los parámetros que se consideran para la optimización del flujo de acero líquido durante el proceso
de colada continua son: la temperatura, la composición química y el flujo de fluidos además de la
velocidad, el comportamiento del flujo y la intensidad de turbulencia que nos permite estudiar por
medio de la modelación física.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
16 SPM&DF
La remoción de inclusiones no metálicas y la disminución del grado de reoxidación son factores que
dependen del comportamiento del flujo para proporcionar una alta calidad de acero. Se conocen dos
tipos de inclusiones que son originados por los factores antes mencionados y son los siguientes:
1) Inclusiones endógenas que se deben a la reacción del oxígeno disuelto en el acero líquido con el
desoxidante (Al, Ca, Mg, Mn, Si).
2) Inclusiones exógenas se forman debido al atrapamiento de la escoria o por erosión del refractario
ocasionada por la turbulencia del acero al entrar al distribuidor.
Por la formación de inclusiones metálicas y no metálicas surgen serios defectos de superficie y
grietas en la capa solidificada del planchón. El problema se vuelve más grave cuando se arrastra
escoria desde el distribuidor al molde, y cuando hay reoxidación del acero resultando la formación
de alúmina y otras partículas de óxido. (7, 21)
El efecto de las inclusiones en las propiedades del acero repercute en la calidad del producto final
originando un efecto negativo en la resistencia a la fractura por fatiga de aceros de alta resistencia.
La iniciación de las grietas depende de su tamaño y forma, pero es independiente a su composición.
Existe un tamaño crítico mínimo para la nucleación de grietas. Las inclusiones esféricas de óxidos
mayores de 20 µm, embebidas o cerca de la superficie del planchón son fuentes potenciales de
nucleación para grietas. Las inclusiones más pequeñas son poco importantes para la nucleación pero
pueden contribuir a la propagación de la grieta y se ha documentado que la velocidad de
propagación decrece cuando la limpieza del acero es mayor. (22)
2.2.2 COMPORTAMIENTO DEL FLUJO EN DISTRIBUIDORES DE COLADA
CONTINUA
Los diferentes comportamientos del flujo de fluidos en los distribuidores de colada continua son
considerablemente ideales en sistemas reales presentando el flujo pistón y el de mezcla completa.
El flujo pistón: Se caracteriza por el comportamiento ordenado del fluido, sin que ningún
elemento del mismo sobrepase o se mezcle con cualquier otro elemento situado antes o después; en
realidad en este tipo de flujo puede haber mezcla lateral del fluido, pero nunca debe de existir
mezcla o difusión a lo largo de la trayectoria del flujo.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
17 SPM&DF
La condición necesaria y suficiente para que exista flujo pistón es que el tiempo de residencia en el
distribuidor debe ser el mismo para todos los elementos del fluido. (6) El valor de la dispersión axial
del tiempo promedio de los elementos contenidos en el distribuidor que presentan un flujo pistón, es
muy pequeño, mientras que el caso de un flujo de 100 % pistón, el valor llega a ser cero. En la
figura 2.5 se representa la curva C en recipientes cerrados.
0 0 0.5 1.0 1.5 2.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.0=uLD
Dispersión grande
025.0=uLD
Dispersión intermedia
002.0=uLD
Dispersión pequeña
0=uLD
Flujo en pistón
∞=uLD
Flujo en mezcla completa
C
θ Figura 2.5. Representación de las curvas C en recipientes cerrados para distintas intensidades de retromezcla predichas por el modelo de dispersión. El flujo de mezcla completa: Se presenta cuando el contenido del distribuidor está
perfectamente agitado, y su composición en cada instante es la misma en todos los puntos del
distribuidor. Por consiguiente, la corriente de salida del distribuidor tiene la misma composición
que la del flujo contenido en el mismo. El valor de la dispersión axial del tiempo promedio de los
elementos contenidos en el distribuidor cuando presenta un flujo de mezcla completa, es muy
grande. En un flujo 100 % de mezcla completa, el valor de la dispersión axial tiende al infinito. (6, 7)
Como se muestra en la figura 2.5.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
18 SPM&DF
En la figura 2.6 se representan los tres tipos de flujos continuos los cuales únicamente hasta la fecha
se han adoptado los reactores de flujo pistón y el de mezcla completa.
Reactivos + productos
Reactivos Productos
Reactivos
Productos
Reactor discontinuo Reactor de flujo en pistón
Reactor en mezcla completa
Figura 2.6. Esquema representativo de los reactores ideales.
La influencia del flujo no ideal en el distribuidor y el efecto sobre la calidad del producto son las
siguientes:
El retromezclado.- Se presenta en el distribuidor lo cual implica diferencia en la velocidad axial del
fluido, por consiguiente un comportamiento de flujo de mezcla completa. Este tipo de flujo no
permite flotar libremente a las inclusiones porque en lugar de ascender en el baño líquido, quedan
atrapadas en las trayectorias indefinidas del fluido. El comportamiento del flujo se relaciona con la
amplitud de las curvas DTR.
Las canalizaciones de flujo o circuitos cortos.- Reducen el tiempo que toma el trazador en salir por
primera vez por las boquillas (tiempo mínimo de residencia) y puede causar el arrastre de grandes
inclusiones al molde. En lugar de usar el volumen completo del distribuidor, este flujo viaja
directamente a las boquillas de salida. Este circuito corto del flujo, reduce a las inclusiones de
cualquier oportunidad de flotar del baño líquido a la escoria.
Vortex.- Es un remolino que es provocado por la turbulencia del acero, debido a este fenómeno
tenemos contaminación en el acero, por arrastre de escoria hacia el molde.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
19 SPM&DF
Zonas estancadas o volumen muerto.- Se le denomina al flujo que se mueve lentamente en el
distribuidor y permanece más de dos veces del tiempo promedio de residencia, la cantidad de acero
que permanece en esta zona pierde temperatura con el tiempo por lo que puede llegar a solidificarse
y ocasionar taponamiento en las salidas del distribuidor. Un buen comportamiento del distribuidor
será aquel donde el porcentaje de volumen muerto sea menor. En la figura 2.7 se muestran los
reactores de flujo no ideal.
Circuitos cortos
Zonas estancadas
Circuitos muy cortos y bypass
Figura 2.7. Esquema representativo del flujo no ideal en los reactores.
El comportamiento real en el distribuidor nunca se ajusta exactamente a situaciones idealizadas, en
muchos casos se aproxima tanto a estas condiciones que podemos admitir este comportamiento
ideal sin incurrir en error apreciable, sin embargo, en otros casos las desviaciones pueden ser muy
grandes y originarse por formación de canalizaciones del flujo, por recirculación del fluido, o como
mencionamos anteriormente por la influencia del flujo no ideal en el distribuidor. En la figura 2.8 se
representan algunos casos de flujo no ideal que se presentan en el distribuidor. (7) Estas desviaciones
no deben ocurrir, ya que originan una disminución en la eficiencia del sistema.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
20 SPM&DF
0
0
0.5
1.0
1.5
2.0
(a)
(b) (c)
1
2 3
4
CIRCUITOS CORTOSVOLUMEN MUERTO
RETROMEZCLADO
(b)
(c)
(a) C
θ
Figura 2.8. Tipos de flujo no ideal que se presentan en el distribuidor de colada continua y los efectos que surgen en las curvas DTR. La condición necesaria se deduce directamente a partir de la definición de flujo en pistón, pero la
condición suficiente (que los mismos tiempos de residencia impliquen flujo en pistón) se puede
establecer solamente a partir del segundo principio de la termodinámica.
2.3 DISTRIBUCIÓN DEL TIEMPO DE RESIDENCIA (DTR)
Al parecer, la idea de usar la distribución de tiempos de residencia en el análisis del desempeño de
reactores se propuso por primera vez en un trabajo pionero de MacMullin y Weber. (8) Sin embargo,
parece ser que el concepto no se aplicó antes del principio de la década de 1950, cuando
Danckwents. (9) Estructuró y organizó el tema definiendo la mayor parte de las distribuciones de
interés. El cada vez más amplio acervo de trabajos sobre el tema que se ha acumulado desde
entonces se ha ajustado en general a la nomenclatura de Danckwents.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
21 SPM&DF
Si supiéramos exactamente lo que sucede en el interior del distribuidor, es decir si supiéramos
exactamente de una representación completa de la distribución de velocidades del fluido, podríamos
predecir el comportamiento del distribuidor. Simplemente necesitamos saber cuánto tiempo
permanece cada una de las moléculas en el recipiente, o más exactamente la distribución de tiempos
de residencia de la corriente del fluido. Esta información puede determinarse de manera fácil y
directa por un método de investigación empleado ampliamente: el método experimental
estímulo-respuesta. (6) Las curvas DTR, del fluido en un distribuidor se utilizan para caracterizar las
diferentes características de tipos de flujos como son: volumen pistón, volumen de mezclado y
volumen muerto, y es estudiada por el estimulo de un una inyección de trazador (colorante rojo tipo
vegetal) en la corriente de entrada del distribuidor y monitoreando su concentración a la salida. (7)
Curva E: La distribución de estos tiempos en la corriente del fluido que sale del recipiente se
denomina distribución de la edad a la salida E, o distribución DTR del fluido. (6) En la figura 2.9.a
se representa la curva de distribución de edad a la salida E para el fluido que pasa a través de un
recipiente. La corriente en la distribución del reactor puede ser afectada por los parámetros del
diseño y las variables de operación.
Curva F: Cuando la corriente del fluido que entra al distribuidor no contiene trazador alguno,
y le imponemos una señal trazadora en escalón, de concentración C0 en la corriente de fluido que
entra al distribuidor, se denomina curva F a la curva representativa de la concentración del trazador
a la salida del recipiente (midiendo esta concentración a la salida en función de su concentración a
la entrada, C/C0) frente al tiempo. En la figura 2.9.b se representa esta curva y se observa que
siempre es ascendente desde 0 hasta 1.
Curva C: Cuando la corriente del fluido que entra al distribuidor no contiene trazador alguno, y le
imponemos una señal en impulso idealizada de trazador (señal trazadora que se inyecta de modo
virtualmente instantáneo y que frecuentemente se conoce con el nombre delta o pulsación) se
denomina curva C a la respuesta normalizada del trazador en la corriente de salida frente al tiempo.
En la figura 2.9.c se muestra la curva C.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
22 SPM&DF
Curva DTR o curva E
Área total = 1
Fracción de la corriente de salida contiempo de residencia >
t0
0
E
a) Representación de la distribución del tiempo de residencia o DTR
t1
t1
Señal de entrada en escalón
Señal de salida del trazador o curva F
t0
0
1
F
b) Señal característica aguas abajo, denominada curca Ft
Señal de salida del trazador o curva C
Área = 1
Señal de entrada en impulso ideal
0
0
C
tt
c) Señal característica aguas abajo, denominada curva C
Figura 2.9. Representación gráfica de los diferentes métodos de curvas DTR. a) Representación de la distribución del tiempo de residencia o DTR, b) Señal característica aguas abajo, denominada curva F, c) Señal característica aguas abajo, denominada curva C.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
23 SPM&DF
2.3.1 TÉCNICA EMPLEADA PARA EL ANÁLISIS DE CURVAS DTR
La técnica empleada para el análisis de las curvas DTR es una adaptación de los diferentes métodos
que existen en literatura para caracterizar el comportamiento de los distribuidores. La DTR se
determina experimentalmente inyectando una sustancia, molécula o átomo inerte trazador, en el
distribuidor en algún instante t=0 y midiendo después la concentración del trazador, C, en la
corriente del efluente en función del tiempo. Además de ser una especie no reactiva fácil de
detectar, el trazador debe tener propiedades físicas similares a las de la mezcla de reacción y debe
ser totalmente soluble en la mezcla. Además, el trazador no debe adsorberse en las paredes ni otras
superficies del distribuidor. Estos últimos requisitos, son necesarios para que el comportamiento del
trazador refleje fielmente el del material que fluye a través del distribuidor. (10) En la figura 2.10 se
muestra la secuencia de alimentación experimental en un distribuidor de colada continua.
Distribuidor
Alimentación
Inyección
Efluente
Detección Figura 2.10. Diagrama de la alimentación experimental en el distribuidor. (10)
Con la finalidad de caracterizar el grado de flujo no ideal en el distribuidor es necesario recurrir a
una serie de técnicas experimentales que se engloban en la denominación general de técnica:
estímulo-respuesta. (6) Este método experimental consiste en estimular al sistema mediante una
perturbación y analizar la respuesta a este estímulo.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
24 SPM&DF
El estímulo es una inyección de un trazador (Colorante rojo) en el flujo que entra al distribuidor,
mientras que la respuesta es una representación del trazador a la salida del distribuidor frente al
tiempo. Puede emplearse como trazador cualquier sustancia que pueda detectar y que no perturbe el
tipo de flujo en el recipiente, y cualquier tipo de señal de entrada: una señal al azar, una señal
periódica, una señal en escalón, o una señal en impulso. En la figura 2.9 se representan estas
señales, así como sus respuestas características. (6) El análisis con elementos trazadores es utilizado
para medir la distribución del tiempo de residencia (DTR), el cual provee datos necesarios para
comparar el flujo del acero líquido en diferentes diseños de distribuidores.
1.- CÁLCULO DEL TIEMPO PROMEDIO DE RESIDENCIA (TPR)
Esta es la medida más importante cuando se caracteriza una distribución de tiempos de residencia
en el distribuidor, también se le denomina media o centroide de la distribución. Un buen diseño del
distribuidor, será aquel en donde el tiempo promedio de residencia sea el mayor ya que el fluido
permanece más tiempo en el distribuidor para permitir la flotación de las inclusiones.
∫
∫∞
∞
=
0
0
dtc
dtctt [2-1]
2.- CÁLCULO DEL NÚMERO DE DISPERSIÓN ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛uLD
Después del tiempo promedio de residencia, la siguiente magnitud descriptiva, en orden de
importancia, es la amplitud de la distribución de tiempo de residencia que se mide por la varianza
que se define por la ecuación [2-3].
tt
dtc
dtc2
0
0
2
2
−=
∫
∫∞
∞
σ [2-2]
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
25 SPM&DF
t 2
22 σσ θ= [2-3]
El grupo adimensional ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛uLD (6) es conocido como módulo de dispersión del distribuidor, este
parámetro mide el grado de dispersión axial de la velocidad en el sistema, y se calcula de la
siguiente manera.
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛=
DuL
uLD
uLD exp122
22σ θ
[2-4]
0→⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
uLD (dispersión despreciable), se tiende a flujo pistón.
∞→⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
uLD (dispersión grande), se tiende a flujo en mezcla completa.
En general, este modelo presenta satisfactoriamente el flujo cuando no se desvía demasiado del
flujo en pistón, por ejemplo en lechos de relleno y en tuberías (largas si el flujo es laminar). En la
figura 2.5 se muestran los valores del modulo de dispersión de acuerdo a la forma de la curva DTR.
3.- CÁLCULO DEL TIEMPO ADIMENSIONAL (θ)
Para el estudio de los distintos arreglos usados en el distribuidor, es conveniente medir el tiempo en
función del tiempo promedio de residencia calculado, dando una medida adimensional:
tt i
i=θ [2-5]
El subíndice i se refiere a que este tratamiento se le debe aplicar a todos los datos registrados en el
experimento.
Tiempo adimensional (θ). (6)
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
26 SPM&DF
4.- CÁLCULO DE LA CONCENTRACIÓN ADIMENSIONAL (C)
Se denomina curva C o curva DTR a la respuesta normalizada del trazador en la corriente de salida
con respecto al tiempo adimensional.
La normalización se lleva acabo dividiendo la concentración entre el área (A) bajo la curva
concentración-tiempo (cantidad de trazador que sale del distribuidor en la boquilla de análisis).
∫∞
=0
θdcA [2-6]
∫∞
=0
1 θdC [2-7]
10
=∫∞
θdAc [2-8]
AcC i
i= [2-9]
El subíndice i se refiere a que este tratamiento se le debe aplicar a todos los datos registrados en el
experimento.
Concentración adimensional (C). (6)
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
27 SPM&DF
5.- CÁLCULO DEL VOLUMEN MUERTO (Vd)
Es la fracción del fluido que permanece en el distribuidor en un tiempo mayor a dos del tiempo
adimensional y se calcula con la siguiente ecuación.
∫
∫∫−= 2
0
2
02
0
1
θ
θθ
dC
dCdC
VV d [2-10]
6.- CÁLCULO DEL VOLUMEN PISTÓN (Vp)
Se considera cuando el 1% del total de colorante inyectado ha salido por las boquillas.
01.0 0
=∫VVp
dC θ [2-11]
7.- CÁLCULO DEL VOLUMEN DE MEZCLADO (Vm)
Esta fracción se calcula utilizando la siguiente ecuación.
VV
VV
VV dpm −−=1 [2-12]
Mediante los diferentes cálculos se puede analizar los diferentes volúmenes que se presentan en el
distribuidor de colada continua.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
28 SPM&DF
2.4 MODELACIÓN FÍSICA DEL MODELO DE AGUA
Los procesos metalúrgicos reales en la industria, son difíciles de estudiar por las elevadas
temperaturas del acero lo que hace imposible el análisis del comportamiento del flujo de fluidos
dentro del distribuidor, esto ha sido objeto de estudios extensivos en los años recientes del
comportamiento del flujo de fluidos en sistemas de producción de acero. Las técnicas más usadas
recientemente han incluido modelos matemáticos, estudios de trazador reactivo y modelos de agua.
La predicción matemática del modelo de flujo es una técnica que ha tenido resultados mejorados en
los procesos de colada continua en los años recientes con el desarrollo de modelos matemáticos,
modelos de turbulencia mejorados y equipos de alta tecnología más eficientes. El cual nos da un
trabajo experimental más adecuado en la simulación matemática, consecuentemente para dar una
explicación de los resultados experimentales obtenidos más exactos, además de proporcionar
nuevas líneas de investigación en el diseño experimental.
La modelación física es una herramienta empleada para simular el proceso real sustituyendo la
escala, así como sus propiedades físicas en cuanto a números adimensionales se refiere para
estudiar los fenómenos que ocurren en los sistemas de colada continua. Las investigaciones se han
orientado a áreas de diseño de boquillas, comportamiento de la corriente, tipo de flujo en el molde
y tipo de flujo en el distribuidor. El estudio de modelos físicos, en el comportamiento de flujo de
fluidos, han hecho una revisión sobre, los principales trabajos desarrollados en el distribuidor de
colada continua. Los métodos para el modelado físico, intervienen con tanta frecuencia estudios
ingenieriles en mecánica de fluidos. Usando un modelo de agua de tamaño real con un modelo a
escala similar al del prototipo (industrial), asociado con los criterios de Reynolds y Froude pueden
cumplirse mediante la siguiente regla:
Si se construye un modelo físico a escala del prototipo industrial, y los factores de escala son tales
que los números de Froude y Reynolds son iguales para ambos, los dos sistemas están descritos por
idénticas ecuaciones diferenciales adimensionales. Si además las condiciones adimensionales inicial
y límite son las mismas (lo cual sólo es posible si los sistemas son geométricamente semejantes),
los sistemas son matemáticamente idénticos; es decir, que la distribución de la velocidad
adimensional (v) y la distribución de presión adimensional (p) son las mismas en cada uno de ellos.
Se dice entonces que tales sistemas son “dinámicamente semejantes”. Para describir
apropiadamente el comportamiento del sistema real. (12,19)
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
29 SPM&DF
2.4.1 CRITERIOS DE SIMILITUD
La modelación física a escala del prototipo industrial, nos permite en un modelo de agua estudiar
los diferentes fenómenos que ocurren en el prototipo real, lo cual deben satisfacer los principales
criterios de similitud, para el desplazamiento del fluido el cual deben cumplir los siguientes criterios
de similitud:
1.- Similitud geométrica (dimensiones). Se refiere a la similitud en la forma y dimensión para un
sistema. Dos sistemas son geométricamente similares, si la relación entre la longitud de un sistema
y su correspondiente longitud en el otro sistema es la misma en cualquier sitio. La relación es
llamada factor de escala.
2.- Similitud cinemática (movimiento del(los) fluido(s)). Representa similitud del movimiento del
fluido. Las corrientes en un sistema deben ser geométricamente similares a las corrientes en otro
sistema.
3.- Similitud dinámica (fuerzas). Representa similitud de fuerzas. Se observa similitud dinámica
entre dos sistemas cuando las magnitudes de las fuerzas en puntos correspondientes en cada sistema
se encuentran en relación fija.
Los principales números adimensionales que se involucran en los criterios de similitud geométrica,
cinemática y dinámica en el modelo físico en estudio son los siguientes:
Número de Froude: [2-13]
Número de Reynolds: [2-14]
Número de Weber: [2-15]
lesavitacionaFuerzas grercialesFuerzas in
gLvN fr ==
2
scosasFuerzas viercialesFuerzas inLvN ==
μρ
Re
uperficial tensión sFuerzas deercialesFuerzas inLvNWe ==
σρ2
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
30 SPM&DF
2.4.2 DISEÑO DEL MODELO FÍSICO RELACIONADO CON EL NÚMERO DE FROUDE
Para relacionar el número de Froude con la similitud del modelo de agua debe mantenerse la
semejanza en relación con el escalamiento entre el modelo físico y el del prototipo real, el cual el
número de Froude es uno de los parámetros más adecuados ya que predominan las fuerzas
inerciales y de gravedad para la reproductibilidad en el modelo de agua de los fenómenos de interés
que ocurren en el prototipo. (6)
En la simulación de un flujo conducido por la fuerza de gravedad en un sistema de colada continua,
requiere:
FrFr pm=
Donde:
m = modelo, p = prototipo
Por lo tanto:
gLv
gLv
p
p
m
m
22
=
Arreglando términos.
vv
LL
p
m
p
m2
2
= [2-16]
Si se define a la relación como el factor de escala de longitud y a la relación como el
factor de escala de velocidad y se sustituye en la ecuación [2-16], se tiene:
LL
p
m
vv
p
mL f
v f
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
31 SPM&DF
vL ff
2= [2-17]
La velocidad del fluido en el orificio de la salida del distribuidor depende de la presión debido a la
altura del fluido de acuerdo a la siguiente ecuación:
ghv 2= [2-18]
La ecuación [2-18] se puede escribir tanto para el modelo como para el prototipo como:
ghv mm 22 = [2-19]
ghv pp 22 = [2-20]
Dividiendo la ecuación [2-19] entre la ecuación [2-20] y sustituyendo a la relación por el
factor de escala de altura , se tiene:
hv ff =2 [2-21]
De la ecuación [2-17] y [2-21], se tiene que:
Lh ff = [2-22]
La ecuación [2-22] muestra que la altura hidráulica y la dimensión lineal deben ser escaladas en la
misma relación.
El factor de escala para el tiempo puede obtenerse con la ayuda de la siguiente relación:
vLt
f
ff tiempodelescaladefactor == ) (
hh
p
m
h f
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
32 SPM&DF
Este factor de escala puede ser escrito en términos del factor de longitud después de la sustitución
en la ecuación [2-17].
Lt ff = [2-23]
De la misma manera, se puede derivar un factor de escala para la velocidad de flujo Q , a partir de
los factores de longitud y tiempo:
tLQ
f
f
f
3
=
El cual puede ser escrito en términos del factor de longitud después de sustituir en la ecuación
[2-23].
LQ ff25
= [2-24]
QLQ pfm
5.2= [2-25]
El flujo a través de un orificio de área A está dada por:
vAQ = [2-26]
De la ecuación [2-26] se obtiene la relación de flujo volumétrico entre el modelo y prototipo donde
se considera el diámetro del orificio (d) para el cálculo del área, se tiene que:
dvdv
pf
mm
p
m2
2
= [2-27]
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
33 SPM&DF
La ecuación [2-27] puede ser arreglada considerando el factor de escala lineal después de la
substitución en las ecuaciones [2-17] y [2-24]:
Ld ff = [2-28]
La escala de la boquilla se reduce, de acuerdo con la dimensión lineal.
El desarrollo anterior demuestra que para flujos en donde el comportamiento del fluido depende de
las fuerzas gravitacionales, la equivalencia del número de Froude se cumplirá si todas las
dimensiones (tamaño del distribuidor, áreas de los orificios y altura hidráulica) son escaladas de
acuerdo a un simple factor de escala.
El modelado con una escala reducida de acuerdo a un simple factor es apropiado para el estudio del
comportamiento del fluido y este comportamiento está relacionado a la formación de vórtices y
distribución de tiempos de residencia del fluido. Demostrando que el agua puede simular al acero
líquido debido a que la viscosidad cinemática del acero y del agua son prácticamente iguales a la
temperatura de trabajo, en la tabla 2.2 se dan las propiedades físicas del agua y del acero líquido,
demostrando que es una herramienta que simula el proceso real sustituyendo las escalas y
materiales de operación por otros.
Tabla 2.2. Herramienta que simula el proceso real sustituyendo las escalas y materiales de operación por otros.
PROPIEDAD
AGUA (20°C)
ACERO (1600°C)
Viscosidad absoluta (µ) (Kg/ms)
0.001 0.0064
Densidad (ρ) (Kg/m3) 1000 7014
Viscosidad Cinemática (v) (m2/s) 1.0x10-6 0.913x10-6
Tensión superficial (σ), N/m 0.073 1.6
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
34 SPM&DF
2.5 FABRICACIÓN Y TIPOS DE BOQUILLAS
En la figura 2.11 se muestran varios tipos de boquillas; las que se colocan y se sujetan desde el
interior del distribuidor y las que se colocan por la parte externa del mismo. Las boquillas abiertas
(a), se utilizan principalmente para colar palanquillas y tochos, en tanto que las boquillas
sumergidas (b y c), se utilizan para colar tochos grandes y planchones. Estas boquillas se
seleccionan apropiadamente de acuerdo con las dimensiones del producto a colar, clase de acero y
de lubricante, por ejemplo aceite o polvo.
a) b)
c)
Figura 2.11. Tipos de boquillas para el distribuidor. a) Boquillas abiertas, b y c) Boquillas sumergidas. Las boquillas se fabrican de silicato de zirconio (ZrSiO4), por su alta refractariedad y elevada
resistencia a la erosión, la cual es provocada por el tiempo prolongado de colado (colada continua
secuencial). También se pueden fabricar de grafito (C), o de sílice (SiO2), fundida sobre todo las
boquillas sumergidas.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
35 SPM&DF
2.6 DISEÑO DEL DISTRIBUIDOR
El distribuidor ha sido diseñado para ser capaz de realizar los movimientos siguientes:
• Balanceo: Para eliminar el metal fundido sobrante, escoria, etc. Para una acción de
emergencia.
• Moviendo hacia arriba y hacia abajo: para una acción de emergencia. Para el manejo de las
boquillas sumergidas.
• Giro: Para el manejo de las boquillas sumergidas. Para centrar la boquilla en el molde. Para
trasladarlo a la estación de precalentamiento. Para el cambio de distribuidor.
• Transversal: Para centrar la boquilla en el molde. Para trasladarlo a la estación de
precalentamiento. Para el cambio de distribuidor.
El número de distribuidores por máquina de colada continua varía de 8 a 12. El área de
revestimiento, reparación y secado de los distribuidores debe estar en la misma nave, donde se
encuentra la máquina. Todo esto facilita la operación y la mantiene sincronizada entre los hornos y
la máquina.
Desde los primeros días de la colada continua, el distribuidor ha servido como tal, distribuyendo el
acero fundido, que le llega desde la olla hacia uno o más moldes. Durante este proceso de transporte
del metal, hay una considerable oportunidad para interacciones entre el acero fundido y otras tres
fases:
1. Gas.
2. Escoria.
3. Refractarios.
De aquí que el distribuidor se convierte en un reactor metalúrgico continuo en lugar de un simple
recipiente de transporte que podía ser considerado como químicamente inerte. De esta manera el
acero se enfrenta con el reto, así como con la oportunidad, de asegurar que las reacciones que tienen
lugar durante la operación de transporte mejoren la calidad del acero.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
36 SPM&DF
2.6.1 EL DISTRIBUIDOR EN LA PLANATA SIDERÚRGICA
Dentro del sistema de aceración el distribuidor cumple tres papeles muy importantes:
1. Como un eslabón crítico en la cadena de aceración de calidad.
2. Como un refinador metalúrgico continuo.
3. Como transmisor de señales metalúrgicas. (Señales eléctricas, Señales ópticas, Señales
vibratorias, señales sónicas y ultrasónicas).
El sistema para la producción exitosa de acero de alta calidad puede ser visto como una “cadena de
calidad” que consiste de un cierto número de reactores metalúrgicos eslabonados por medio de una
serie de operaciones de transporte (Figura 2.12). Además del horno primario de fusión, otros
recipientes de reacción incluyen a la olla, el distribuidor y el molde. Las operaciones de transporte
entre uno y otro reactor deben ser controladas cuidadosamente de otra manera se convierten en
“eslabones débiles”, en la “cadena de calidad”. Para la producción de aceros de calidad, el objetivo
debe ser mejorar continuamente la calidad conforme el metal pasa desde un reactor al siguiente. En
cada caso el reactor puede ser diseñado para incluir una serie de operaciones que incluyen el control
químico, físico y térmico ordenados de tal manera que el distribuidor y el molde sirvan como
refinadores continuos en lugar de contaminadores continuos. En metalurgia es importante el estudio
del distribuidor, así como el del molde.
Distribuidor
Olla
Molde
Buza
Figura 2.12. El distribuidor.- Un reactor continuo, eslabonado a la olla que es un reactor por carga, con los moldes que son unos reactores continuos.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
37 SPM&DF
Muchos acereros ya han estado optimizando el diseño de los distribuidores para controlar el flujo
del metal y así aprovechar la ventaja del tiempo de residencia utilizable para la eliminación del
acero fundido de los productos de la reacción en suspensión (Figura 2.13). Como una consecuencia
de este acercamiento, los productores de acero, ahora están en posición de considerar otras medidas
que pueden ser tomadas para el mejoramiento máximo de la calidad cuando el distribuidor es
utilizado como un refinador continuo. Esto pone al descubierto nuevas áreas y oportunidades para
desempeñar funciones metalúrgicas adicionales en el distribuidor. Con la evolución de la colada
continua secuencial, el incremento en las velocidades de colada y la exigencia de una calidad
mejorada, ha habido un avance hacia los distribuidores con mayor capacidad. Esto ha tenido un
efecto benéfico significativo sobre la separación de las inclusiones.
INHIBIDOR
Figura 2.13. Control de flujo en el distribuidor para optimizar la distribución del tiempo de residencia para cada línea y mejorar la flotación de las inclusiones mediante la eliminación de los circuitos cortos.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
38 SPM&DF
Transmisores de señales metalúrgicas.
• Señales eléctricas: El método LIMCA (Liquid Metal Cleanlines Analysis) para la
medición de las inclusiones no metálicas en términos de distribución en número,
densidad y tamaño.
• Señales ópticas: Un sistema para la detección de escoria en un chorro contenido
dentro de una atmósfera protectora.
• Señales vibratorias: debido a una diferencia significativa en la densidad entre el metal
y la escoria, hay un cambio en el momentum de transporte a una boquilla refractaria
sumergida desde el acero fundido cuando la escoria penetra al chorro.
• Señales sónicas y ultrasónicas: Tecnología por medio de la cual es posible monitorear
en forma continua la velocidad de desulfuración del acero fundido durante la
inyección de reactivos apropiados mediante la detección de vibraciones acústicas
causadas por la oscilación de las burbujas presentes en el acero fundido turbulento.
2.6.2 El MOLDE
El molde es una de las partes más importantes de la máquina de colada continua. Las funciones
principales son recibir el acero desde el distribuidor y el enfriamiento primario del acero debido al
cual se forma rápidamente una cáscara o costra solidificada de metal, lo suficientemente gruesa para
resistir el esfuerzo de tracción que ejercen los rodillos extractores, para llevar el producto en
solidificación a la zona de enfriamiento por regaderas o aspersores (enfriamiento secundario).
Durante la solidificación primaria se presenta la mayoría de los problemas de la colada continua,
como lo es tanto para la calidad del producto que se está colando, algunas veces le causa fallas
internas, superficie defectuosa, fracturas por deformación, etc. Como para la máquina limita la
máxima velocidad de colada utilizable para colar sin roturas.
Los moldes más ampliamente utilizados son fabricados de placa de cobre puro o de una aleación
especial de cobre por su alta conductividad del calor, suficiente resistencia a la tensión térmica y al
desgaste. El molde en sí, se enmarca en un revestimiento de placas de acero. Entre las placas de
cobre y las de acero hay un espacio, a través del cual se hace circular el agua en volumen y
velocidad necesarios para conseguir el grado de enfriamiento necesario.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
39 SPM&DF
Aproximadamente el 10 % del calor del producto o barra se elimina en el molde mientras el acero
pasa a través de él.
Las dimensiones de la cavidad del molde, corresponde aproximadamente a las del producto por
colar. Las dimensiones internas del molde presentan una ligera conicidad de aproximadamente
0.8 m. La parte superior es ligeramente mayor que la parte inferior. Estas dimensiones han sido
determinadas de tal manera que aún con la contracción del acero y el efecto normal de rolado de los
rodillos extractores, la barra conserva la sección geométrica deseada.
La longitud o altura de los moldes varían entre 0.61 a 1 m. Se considera que la altura más apropiada
es de 0.9 m.
Con el objeto de incrementar la duración del molde se emplean placas de cobre cromadas en su
cara interior. Los moldes rectos duran más que los curvos.
El molde tiene un mecanismo de oscilación que se acciona durante todo el tiempo que dura la
colada, la carrera del movimiento oscilatorio es de aproximadamente 0.025 m, con una frecuencia
máxima de 120 golpes por minuto (en las máquinas modernas es de 160 a 180).
Con el objeto de que el acero fundido no esté en contacto directo con las paredes del molde y, se
deterioren rápidamente, la máquina de colada continua cuenta con un sistema de lubricación
mediante aceite o polvos escorificantes. Estos polvos forman una cubierta sobre la superficie del
metal en el molde, que protege al metal contra la oxidación.
La velocidad de colada para un molde dimensionalmente estable con un enfriamiento eficaz y con
una conicidad apropiada y una oscilación en el arco correcto de la máquina fue posible incrementar
la velocidad de colada.
La velocidad máxima de colada para cualquier tamaño de producto dado es directamente
proporcional a la longitud del soporte proporcionado a la cara de la cáscara solidificada e
indirectamente proporcional al ancho de dicha cara.
Las investigaciones han mostrado que la fórmula siguiente proporciona una estimación razonable
sobre la velocidad máxima de colada para cualquier tamaño de producto:
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
40 SPM&DF
DV MC
L5.23=
En donde:
VC = velocidad de colada (ton/min)
L = longitud de soporte (m)
DM = ancho del producto (m)
También se tiene una correlación razonable entre la velocidad de colada y la longitud del molde.
Para velocidades más altas de colada se necesita una mayor cantidad de agua en los aspersores. El
incremento mínimo es, relativamente, proporcional al incremento de la velocidad de colada. Para
controlar la temperatura de la costra o cáscara solidificada con un pequeño recalentamiento para
disminuir la longitud metalúrgica igualmente se necesitará más agua. En la tabla 2.3 se muestran las
características de aspersores durante el enfriamiento de acero a diferentes velocidades de colada. (5)
Tabla 2.3. La velocidad de colada para un molde proporcionara un enfriamiento eficaz del acero. Esta tabla está basada en la colada de un cuadrado de 0.15 m. Si el agua de los aspersores solo se incrementa de una manera directamente proporcional a la velocidad de colada entonces la longitud metalúrgica se incrementará. Si se requiere de la máxima velocidad de colada posible entonces, igualmente se necesitará más agua y se debe permitir un aumento en la longitud metalúrgica.
VELOCIDAD
DE COLADA
AGUA TOTAL EN
LOS ASPERSORES
AGUA EN LOS
ASPERSORES
LONGITUD DE LA
ZONA
DE ASPERSORES
LONGITUD DEL
CENTRO LÍQUIDO
ton/min
l/min
l/min
m
m
2.5
725
1.64
3.3
15.8
2.8
810
1.64
3.3
18.3
2.8
1094
2.2
6.3
16.0
3.4
1610
2.6
10.3
18.4
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
41 SPM&DF
2.6.3 VACIADO DE LINGOTES Y COLADA CONTINUA
La pérdida de temperatura ocurre del contenido de acero fundido en el vaciado de la olla y el
distribuidor durante el proceso de colada continua (Figura 2.14.a). Esto tiene que ser reducido, ya
que diferencias pequeñas de temperatura pueden afectar considerablemente la calidad de
planchones o palanquillas que son producidos.
En parte la perdida de temperatura es por la conducción a través de las paredes laterales y el
interior más bajo de una olla, y en consecuencia como un resultado de convección y radiación de la
superficie. Estas últimas pérdidas son reducidas por el uso de una capa de escoria de, 0.05 m o más
gruesa de espesor, en la superficie del acero. Por lo que la escoria actúa como una eficaz capa
térmica. Por otra parte, una olla puede utilizar una tapa para mantener la temperatura adecuada del
acero.
La solidificación de colada continua de planchones o de lingotes, es también un claro ejemplo de un
proceso de transferencia de calor. Dentro de esto, la velocidad de solidificación del metal repercute
en la cantidad de calor extraído a través de las paredes del molde. Por ejemplo, para apropiados
ajustes de velocidades de enfriamiento en la sección superior de moldes estáticos (Ejemplo., por uso
de compuestos en las superficies y materiales aislantes), los rendimientos de lingotes pueden ser
enormemente mejorados por anulación (o limitación) de la profundidad de tubería comúnmente
formado como un resultado de contracción de metal durante el enfriamiento (Figura 2.14.b).
El fenómeno de transferencia de masa en un lingote en el proceso de colada son percatadas como
importantes, aunque menos obvias. Por lo tanto, dependiendo sobre el tipo y calidad de acero
deseado (Ejemplo., un acero sin rebaba), la abundante existencia de oxígeno contenido en el acero
es mejorado a fin de que, durante el posterior enfriamiento en el molde, la disminución en
solubilidad de oxígeno entre el acero líquido y sólido puedan precipitarse añadiendo porciones de
FeO, así aumenta la concentración local del producto de oxígeno y carbono disuelto.
Como un resultado de, las presiones parciales excedido del monóxido de carbono, la presión
hidrostática (o ferrostática) en el líquido exactamente delante de la interface de enfriamiento, de ese
modo generando burbujas de CO por nucleación.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
42 SPM&DF
La intención es para comparar el desarrollo de velocidad de burbujas del monóxido de carbono con
la velocidad de contracción del metal durante el enfriamiento, para eliminar cavidades en reducción
de grosor en un lingote y remplazarlos con pequeñas vacantes dispersadas. Estas vacantes son
fáciles de soldar durante subsiguientes operaciones de laminación.
Algunos estudios de flujo del chorro de acero se presentan en el proceso de colada continua los
cuales tienen que ser transportados por compañías de acero independientes, para determinar el
camino óptimo en el cual un patrón de flujo recirculante puede ser ajustado para mantener reducida
a la escoria y para favorecer aglomeraciones y flotaciones de impurezas de tamaño-micrómetrico
(Ejemplo., productos de acero de reoxidación de silicato de manganeso).
Para abordar tales problemas, un entendimiento del fenómeno del flujo de fluidos y las
interacciones partícula-líquido es también de importancia para los procesos metalúrgicos. (14, 23)
ACERO LÍQUIDO
Molde del lingote
Base del lingote
Boquilla deentrada deslizable
(b)
Placas aislantes
Chorro de acero
DISTRIBUIDOR
Flotación de inclusiones
Rociador de agua
Enfriamiento
Salida de planchones
Boquilla de entrada sumergida
Escoria
(a)
Películade escoria (sólido y líquido)
Figura 2.14. Proceso del vaciado de acero en lingotes y colada continua. a) Ilustración de un típico proceso de colada continua, b) Ilustración de un típico proceso de colada de lingotes.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
43 SPM&DF
2.7 FUNDENTES UTILIZADOS EN EL DISTRIBUIDOR
Sería imposible realizar operación alguna de fusión sin escoria por ende la escoria es de tal
importancia en el acero líquido. La escoria es el medio que flota sobre la superficie del acero
líquido y actúa como receptor líquido para las impurezas, excepto las que escapan como gases. (20)
Tradicionalmente el material más ampliamente utilizado como escoria en el distribuidor, ha sido la
cáscara del arroz. Este material contiene más de 80 % de sílice y es muy apropiado para
proporcionar un aislamiento térmico del acero fundido. Sin embargo, como las funciones del
distribuidor se han ampliado; de un simple recipiente de transvase a un refinador metalúrgico
continuo, los requerimientos para el fundente para el distribuidor también se han ampliado. Bajo
estas circunstancias las escorias para el distribuidor tienen tres funciones importantes:
1. Proporcionan un aislamiento térmico de tal manera que el grado de sobrecalentamiento del
metal pueda ser controlado con precisión. Esto tiene implicaciones importantes para el
consumo de energía, duración del refractario, características químicas y físicas del producto
colado.
2. Sirven como un depresor químico para la absorción de los productos no metálicos de la
reacción tales como los óxidos y los sulfuros, así como escoria o partículas de refractario
arrastradas desde la olla las cuales, de otra manera, terminarían como inclusiones en el
acero solidificado.
3. Proporcionan una barrera contra la contaminación del acero por oxígeno, nitrógeno e
hidrógeno desde la atmósfera que lo rodea.
Mientras que el aislamiento es proporcionado mejor por una cobertura de escoria en polvo, por
ejemplo algún material sólido con un alto grado de porosidad, las otras funciones necesitan de una
escoria líquida. El grado con que una escoria cumplirá cualquier función específica es influenciado
por las propiedades químicas y físicas de dicha escoria las cuales dependen de la estructura de la
misma y la que es controlada directamente por la composición de la escoria. Además debe
disminuirse al máximo el ataque del refractario por la escoria, así como la posible contaminación
del acero por los componentes presentes en la misma.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
44 SPM&DF
En vista de estas consideraciones hay necesidad de diseñar escorias que sean más apropiadas para la
metalurgia del distribuidor que la cáscara de arroz rica en sílice. Esto se vuelve cada vez más
importante cuando se han hecho pruebas para producir un acero más limpio mediante la utilización,
de refractarios básicos en el distribuidor y por medio del diseño de sistemas de flujo de fluidos para
mejorar la separación de los no metálicos. Se requieren escorias sintéticas que tengan la capacidad
de absorber las inclusiones no metálicas y aún, sobre una fluctuación de cambios de composición
para mantener sus características químicas y físicas. Por ejemplo, si la escoria es demasiado viscosa
y su capacidad de absorber de la sílice es limitada, la eliminación de inclusiones desde un acero
desoxidado con silicio, también es limitada. Por otro lado si la escoria es demasiado fluida puede
más fácilmente penetrar y ser arrastrada desde el distribuidor y penetrar en el molde.
Un aspecto del desempeño de la escoria que tienen, una relación directa con todas las funciones
previamente mencionadas, es su comportamiento durante la fusión. De esta manera la composición
química de la escoria puede ser relacionada directamente a las propiedades de la misma que a
cambio puede ser correlacionada con el funcionamiento de la escoria en la práctica. También se han
realizado experimentos en que los aceros fundidos con y sin cubierta de escoria han sido expuestos
a atmósferas húmedas. Los resultados mostraron que:
• A medida que aumenta la basicidad en la escoria, se incrementa su capacidad de
absorción de la humedad de la atmósfera.
• A medida que aumenta la basicidad de la escoria, se incrementa la velocidad de
difusión del hidrógeno a través de la interface escoria-metal.
• La velocidad de absorción del hidrógeno por el metal, desde una escoria básica
expuesta a una atmósfera húmeda es mayor que la velocidad de absorción por dicho
metal cuando está expuesto directamente a la atmósfera, esto es, en ausencia de la
fase escoria.
La última observación es atribuible a la rápida reoxidación que tiene lugar cuando el metal es
expuesto directamente al aire. Las altas concentraciones de oxígeno en la interface acero-gas actúan
así como una barrera para disminuir la velocidad de absorción del hidrógeno. Está protección no se
obtiene cuando el metal está cubierto con escoria que en efecto actúa como una «tubería de gas»
para transportar el hidrógeno desde la atmósfera del metal.
CAPÍTULO 2 GENERALIDADES SOBRE COLADA CONTINUA
45 SPM&DF
Las escorias básicas son ventajosas para la eliminación de silicatos de manganeso, aluminatos,
alúmina y los productos de la reacción de desulfuración. Sin embargo, pueden ser nocivas desde el
punto de vista de la absorción de hidrógeno si la basicidad es excesiva. En la tabla 2.4 se en listan
las escorias utilizadas en distribuidores de colada continua.
Tabla 2.4. Lista de composiciones químicas típicas de escorias en el distribuidor. (13)
COMPOSICIÓN
QUÍMICA
DE ESCORIA
DESEADA
(%EN PESO)
REAL
REAL
REAL
Agitación con
Ar
(% en peso)
Inyección de
CaSi
(% en peso)
Alto
Al
(% en peso)
CaO 28 18 24 36
SiO2 5 20 24 5
Al2O3 15 20 15 26
MgO 15 12 20 8
FeO ---- 6 ---- ----
MnO ---- 14 4 1
CaF2 36 8 10 22
Otros 1 2 1 3
Los contenidos de FeO y MnO en las escorias del distribuidor han marcado efecto sobre la
capacidad de dicha escoria de absorber el azufre. (5)
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
46 SPM&DF
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
3.1 MODELO FÍSICO
En modelación física por medio de un modelo físico se comprendieron como regular una diversidad
de fenómenos del flujo de fluidos de transporte mediante, la operación del distribuidor de acero
líquido.
Con la finalidad de estudiar y comprender los diferentes fenómenos en la distribución del fluido que
ocurren durante la operación de un distribuidor de acero líquido, fundamentalmente nos basamos en
la relación de la simulación física con los respectivos modelos físicos que se estudiaron a partir de
sus criterios de similitud, ya que tienen una semejanza tal, que para su estudio de investigación ha
tenido una excelente respuesta, para analizar los diferentes tipos de flujo y condiciones de operación
que se presentan en el distribuidor de colada continua.
Para efectuar los respectivos estudios del comportamiento del flujo, es necesario representar un
sistema real, con los mencionados criterios de similitud en relación con los valores, materiales,
variables y condiciones en el modelo y en el distribuidor prototipo de la planta industrial durante su
operación. Para obtener resultados mejorados durante las experimentaciones realizadas en el
laboratorio de simulación física de la ESIQIE-IPN.
En el presente trabajo de investigación, se construyó un modelo de acrílico a una escala de 1/2, el
cual represento al distribuidor prototipo de la planta industrial ubicada en Tlaxcala. De acuerdo a
los criterios de escalamiento, este modelo físico satisface los requisitos establecidos para su
secuencia de experimentación. Para realizar la experimentación en el modelo de agua se utilizó el
método estimulo-respuesta, donde utilizamos la técnica de inyección por pulso, la cual consiste en
una entrada por pulso en la que una cierta, cantidad de trazador (t=0), se inyecta repentinamente, en
una sola ocasión en la corriente de alimentación que ingresa en el modelo de agua, tardando lo
menos posible en hacerlo. Luego se mide la concentración a la salida en función del tiempo para
obtener las curvas de distribución del tiempo de residencia (DTR).
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
47 SPM&DF
Para calcular los parámetros de experimentación se utilizó el criterio de similitud de Froude (13) y se
define por la siguiente ecuación:
QfQ pm
5.2=
Donde:
Qm es el flujo de agua en el modelo
Qp es el flujo de acero en el prototipo
f es el factor de escala = 2.5
3.1.1 CONDICIONES DE OPERACIÓN EN EL MODELO FÍSICO
Un modelo físico a escala del modelo real nos permite fijar los parámetros físicos del agua y del
acero, por las características de tener una similitud en viscosidad cinemática en ambos modelos, lo
cual nos permitió estudiar el control y comportamiento de la corriente del flujo de fluidos en el
proceso industrial del distribuidor de colada continua. El distribuidor en la planta industrial tiene
una capacidad de 18 toneladas y opera con un flujo de acero de 1.13, 1.50 y 2.00 ton/min (velocidad
de colada continua). En la tabla 3.1 se muestran los parámetros físicos del agua y del acero en
condiciones de operación en el modelo de agua y el prototipo.
Tabla 3.1. Parámetros físicos en el modelo físico y modelo real (agua-acero).
DESCRIPCIÓN
MODELO
REAL
MODELO
FÍSICO
CAPACIDAD DEL DISTRIBUIDOR DE COLADA
CONTINUA
18 TONELADAS 407.97 Lt.
MÍNIMO DE VELOCIDAD DE COLADA 1.13 ton/min 161 l/min
NORMAL DE VELOCIDAD DE COLADA 1.50 ton/min 214 l/min
MÁXIMO DE VELOCIDAD DE COLADA 2.00 ton/min 285 l/min
DISTANCIA DEL PISO A LA BUZA LARGA 0.26 m 0.13 m
DISTANCIA DEL PISO A LA BUZA CORTA 0.40 m 0.20 m
ALTURA DEL BAÑO 0.80 m 0.40 m
ESPESOR DE CAPA DE ESCORIA 0.15 m 0.03 m
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
48 SPM&DF
3.2 DIMENSIONES GEOMÉTRICAS DEL DISTRIBUIDOR
En la investigación experimental, se usó como modelo de agua un distribuidor de acrílico
transparente con paredes inclinadas. El distribuidor utilizado era del tipo DELTA, el cual contaba
con cuatro boquillas de salida las que se colocaron en el interior y exterior del piso del mismo, con
el propósito de satisfacer con la similitud dinámica de ambos modelos, lo que fue posible efectuar
determinados experimentos ocurridos durante el flujo de fluidos del distribuidor de colada continua.
En la figura 3.1 se muestran las dimensiones geométricas del modelo físico, donde se observa el
IFH, que funciona en planta el cual fue nuestro inicio de experimentaciones.
0.55 0.55 0.550.10
5
0.07
6
0.02
5
0.52
a)
1.87
1.995
0.16
8
0.28
70.9975 =
0.63
0.49
0.564
0.111
0.04
75
0.75
8
0.245
0.23
25
ø ø ø ø
b) Figura 3.1. Dimensiones geométricas del modelo físico a 1/2 de la escala del prototipo en estudio, unidades en m. a) Vista frontal. b) Vista de planta.
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
49 SPM&DF
En la figura 3.2 se muestran las buzas en estudio de diferente altura, buza larga (Distancia del piso a
la buza 0.13 m), buza corta (Distancia del piso a la buza 0.20 m), utilizadas en las diferentes
configuraciones en estudio, ya que fue un factor importante para mejorar la turbulencia en la
superficie y comportamiento del acero en estado líquido.
0.13
a)
0.20
b)
Figura 3.2. Dimensiones geométricas de altura de dos diferentes buzas en el modelo físico en estudio, unidades en m. a) Buza larga, b) Buza corta.
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
50 SPM&DF
En la figura 3.3 se muestran las dimensiones geométricas de la barra tapón, la cual se encuentra
ubicada, a una distancia del piso a la barra tapón de 0.01 m, en las cuatro boquillas de salida. La
finalidad es evitar que se formen vórtices durante el drenado del acero líquido permitiendo producir
un acero más limpio en el proceso operativo en la planta industrial.
0.
025
.
0.04
.
0.05
Ref
.
0.05Ø .
0.00
7Ø
.
0.6
.
0.05
.
0.06Ø .
Glaze G 0.048 External
0.0215Ø
Cross Pin.
0.06Ø .
R0.05
R0.062
R0.013
0.07
5 R
ef.
Figura 3.3. Dimensiones geométricas de la barra tapón en el modelo físico, unidades en m.
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
51 SPM&DF
En la figura 3.4 se muestran las dimensiones del inhibidor de forma hexagonal (IFH), utilizado en la
planta industrial. El propósito de este modelo fue estudiar el comportamiento del flujo de fluidos,
detectando la eficiencia del inhibidor con la finalidad de resolver los diferentes problemas del
distribuidor de colada continua.
a)
0.09905
0.097050.095050.093
0.0910.089
R0.0125
R0.0044
0.0378
0.046550.0553
0.06405
0.0749
0.195= =
R0.0065
0.04
450.
0575
0.07
05
0.08
35
0.09
65
0.10
95
0.12
25
0.12
9
R0.0066(TIP)
b)
0.13
50.23
5
= =
0.245
0.1975
R0.0125
40°
0.18
5
0.10
750.
024
Figura 3.4. Dimensiones geométricas del IFH, en el modelo físico, unidades en m. a) Vista frontal, b) Vista de planta.
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
52 SPM&DF
3.2.1 CASOS DE ESTUDIO
En la figura 3.5-3.7 se muestran las diferentes configuraciones de estudio que se presentan en este
trabajo de investigación. En este capituló se dará la explicación del proceso operativo de cada caso
de estudio.
Las configuraciones VI y VII, fueron otras alternativas propuestas que permitieron establecer la
eficiencia de los inhibidores de forma rectangular (IFR) y de forma octagonal (IFO), con respecto al
desempeño de los prototipos controladores de flujo que fueron utilizados en las configuraciones III,
IV y V en el funcionamiento del distribuidor de tipo DELTA, el cual no fue necesario tomar datos
de los estudios con arreglo de inhibidores de forma rectangular y de forma octagonal por lo que
únicamente se realizó una prueba de arranque para su observación estableciendo que estos
prototipos tienen un menor desempeño en el sistema, este estudio se analizó con la finalidad de
proporcionarle a la industria un menor gasto en la instalación y mejorar la calidad del acero
mediante la detección de los diferentes problemas que generan los prototipos ya existentes en el
distribuidor de colada continua por medio de un análisis y caracterización del flujo de fluidos
utilizando la modelación física para detectar el problema y eliminarlo mediante el arreglo de
diferentes prototipos controladores de flujo que se instalan en su interior del distribuidor para
realizar su análisis respectivo para mejorar el comportamiento del fluido y por consiguiente mejorar
la calidad del acero. En la figura 3.10 se muestran las dimensiones geométricas de los inhibidores
de forma rectangular y de forma pentagonal.
Cabe mencionar al piso falso de forma rectangular (PFR) y de forma triangular (PFT), sus
dimensiones se muestran en la figura 3.11 estos prototipos tuvieron un buen desempeño en el
funcionamiento del distribuidor, sin embargo no se utilizaran en planta por varias razones que
afectaría a la misma, y esto es por los altos costos de inversión, mencionando a continuación
algunos de ellos: mantenimiento, construcción y fabricación del prototipo, también se llevaría
mucho tiempo en montar el prototipo en el distribuidor lo que indica un costo alto en la inversión de
una modificación de este tipo además, en el proceso de colada continua se tendría que parar la
producción de acero por lo que afectaría la economía de la planta industrial. En las
experimentaciones realizadas en el modelo de agua, se utilizó una solución trazadora para visualizar
el control y comportamiento dinámico del flujo de fluidos y una capa de aceite de 0.03 m de espesor
para simular a la escoria en la superficie del acero en estado líquido.
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
53 SPM&DF
Salida Interna
Salida Externa
Salida Interna
Salida Externa
Barra Tapón
a)
Buza Larga
Salida Interna
Salida Externa
Salida Interna
Salida Externa
IFH
Barra Tapón
Buza larga
b)
Figura 3.5. Diseños de las configuraciones del distribuidor real en funcionamiento en planta. a) Distribuidor sin accesorios, b) Distribuidor con inhibidor hexagonal IFH.
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
54 SPM&DF
Barras Tapón
Salida Interna
Salida Externa
Salida Interna
Salida Externa
Buza Larga
IFP
PFR
PFT c)
Barras Tapón
Salida interna
Salida externa
Salida interna
Salida externa
IFP
PFR
d)
Buza larga y corta (m)
0.13 0.20
Barras Tapón
Salida Interna
Salida Externa
Salida Interna
Salida Externa
Buza Larga
IFP
e)
Figura 3.6. Diseños de las configuraciones del distribuidor con diferentes arreglos de prototipos controladores de flujo. c) Distribuidor con IFP + PFR + PFT, d) Distribuidor con IFP + PFR, e) Distribuidor con IFP.
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
55 SPM&DF
Barras Tapón
Salida Interna
Salida Externa
Salida Interna
Salida Externa
Buza Larga
IFR
PFR
f)
Barras Tapón
Salida Interna
Salida Externa
Salida Interna
Salida Externa
Buza Larga
IFO
PFR
g)
Figura 3.7. Diseños de las diferentes configuraciones como propuestas adicionales. f) Distribuidor con IFR + PFR, g) Distribuidor con IFO + PFR. Configuración I. Este diseño en estudio corresponde al diseño original del distribuidor industrial sin
inhibidor de flujo. Este estudio se analizó con la finalidad de identificar la eficiencia en el
funcionamiento del distribuidor, de manera que los resultados obtenidos por el análisis del flujo de
fluidos se proporcionan como referencia para sus respectivas comparaciones con los diferentes
prototipos controladores de flujo de las diferentes configuraciones en estudio (Figura 3.5.a).
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
56 SPM&DF
Configuración II. Este arreglo consiste del diseño original con el inhibidor de forma hexagonal
(IFH), que funciona en la planta industrial. Este estudio se analizó con la finalidad de identificar las
ventajas y desventajas sobre el funcionamiento del distribuidor con el propósito de verificar la
eficiencia del IFH, con respecto a los diferentes prototipos controladores de flujo de las diferentes
configuraciones en estudio mediante la modelación física para modificar las diferentes
características de tipos de flujos y condiciones de operación en el distribuidor de colada continua
(Figura 3.5.b).
Configuración III. Este diseño corresponde a un arreglo en el interior del distribuidor que consiste
de un piso falso conformado de tres bloques de forma rectangular (PFR), un par de bloques de
forma triangular (PFT), y un inhibidor de flujo de forma pentagonal (IFP), propuesto por el equipo
de simulación física, en la figura 3.9.a se muestra la dimensión geométrica de la posición del IFP,
en el modelo físico. Este inhibidor disminuye la turbulencia superficial del baño líquido ocasionada
por la entrada del fluido al distribuidor. El piso falso es una pared que tiene la función de retener
más tiempo las partículas del trazador adecuando la uniformidad y orientación del flujo de fluidos
hacia las salidas del distribuidor. El inhibidor de turbulencia está acompañado del piso falso con la
finalidad de generar un incremento del tiempo mínimo de residencia y la de remover inclusiones
(Figura 3.6.c).
Configuración IV. En la figura 3.6.d corresponde al diseño con arreglo de tres bloques de forma
rectangular (PFR), y un inhibidor de flujo de forma pentagonal (IFP), sus dimensiones
corresponden a las de la configuración III, este diseño es el segundo caso más factible que modifica
el flujo de fluidos. La dimensión geométrica de la posición del inhibidor de turbulencia en el
distribuidor se muestra en la figura 3.9.a.
Configuración V. En la figura 3.6.e se muestra el diseño que modifica el flujo de fluidos y consiste
del arreglo con un inhibidor de flujo de forma pentagonal (IFP), sus dimensiones corresponden a las
de la configuración III. En la figura 3.9.a se muestra la dimensión geométrica de la posición del
inhibidor de turbulencia en el distribuidor.
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
57 SPM&DF
Configuración VI. En este análisis se utilizó un piso falso de forma rectangular (PFR), y un
inhibidor de forma rectangular (IFR), (Figura 3.9.b se muestra la posición del inhibidor en el
modelo físico), este diseño fue analizado con la finalidad de observar si tenía un mejor desempeño
en el distribuidor con respecto a las diferentes configuraciones estudiadas con el propósito de
verificar si otro inhibidor de flujo podía mejorar el comportamiento del flujo de fluidos (Figura
3.7.f).
Configuración VII. En este diseño se utilizó un piso falso de forma rectangular (PFR), y un
inhibidor de forma octagonal (IFO), (Figura 3.9.c se muestra la posición del inhibidor en el modelo
físico), el cual fue analizado de igual manera que en la configuración VI, (Figura 3.7.g). En la figura
3.8-3.11 se muestran las dimensiones geométricas de los prototipos controladores de flujo utilizados
en las configuraciones III, IV, V, VI y VII.
0.0925 0.035
R 0.01
D 0.045 0.055
+
D 0.035
0.0375
+
0.250 0.200 0.290
0.1025
0.0425
0.300
0.220
0.185 0.140
12o
0.02
0.020.0225
0.0225
0.0225
R 0.02
R 0.02
0.0175
0.02
0.02
Figura 3.8. Dimensiones geométricas del IFP, en el modelo físico. Utilizado en las configuraciones III, IV y V, unidades en m.
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
58 SPM&DF
0.05
a)
0.07
b)
0.07
c)
Figura 3.9. Dimensiones de la posición de los inhibidores de turbulencia en el modelo físico de las configuraciones III, IV, V, VI y VII, unidades en m. a) IFP, b) IFR, c) IFO.
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
59 SPM&DF
0.24
0.10
40.05
2
0.02
0.01
20.
04
0.240.02
0.01750.
206
0.17
0.20.165
0.16
8
0.104
0.0520.04
0.20
6
0.17
0.012
a)
0.275715
0.075
0.25
0.035
0.04
0.014
0.01
40.04
9°
9° b)
Figura 3.10. Dimensiones geométricas de los inhibidores empleados en las configuraciones VI y VII, como una propuesta adicional en el modelo físico, unidades en m. a) IFR, b) IFO.
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
60 SPM&DF
BLOQUE RECTANGULAR (PFR)
0.05
0.39 a)
0.20
8
0.05
0.347
0.067
BLOQUE TRIANGULAR (PFT)
b)
Figura 3.11. Dimensiones geométricas del piso falso en el modelo físico, utilizados en las configuraciones III, IV, VI y VII, unidades en m. a) Bloque (PFR), b) Bloque (PFT).
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
61 SPM&DF
3.3 DESARROLLO DEL ANÁLISIS EXPERIMENTAL
Para realizar un estudio correcto necesitamos tener un desarrollo adecuado mediante un diagrama
de bloques que nos permitirá tener una secuencia específica de nuestros estudios experimentales en
esta investigación. En la figura 3.12 se presenta el diagrama esquemático para nuestros estudios de
este trabajo de investigación.
MODELACIÓN FÍSICA
OBTENCIÓN DE CURVAS DTR
ANÁLISIS DEL FLUJO DE FLUIDOS
ESTUDIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS (HIDRODINÁMICA)
CONFIGURACIÓN I DISTRIBUIDOR SIN
ACCESORIOS
CONFIGURACIÓN II DISTRIBUIDOR CON
(IFH)
CONFIGURACIÓN III DISTRIBUIDOR CON
(IFP + PFR + PFT)
CONFIGURACIÓN IV DISTRIBUIDOR CON
(IFP + PFR)
CONFIGURACIÓN V DISTRIBUIDOR CON
(IFP)
CONFIGURACIÓN VI DISTRIBUIDOR CON
(IFR + PFR)
CONFIGURACIÓN VII DISTRIBUIDOR CON
(IFO + PFR)
Figura 3.12. Desarrollo del análisis experimental empleado en esta investigación, para determinar el mejor comportamiento del flujo mediante la obtención de curvas DTR.
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
62 SPM&DF
Los estudios experimentales se realizaron mediante la modelación física, donde primeramente se
llevaron acabó los estudios en las dos primeras configuraciones con la finalidad de analizar y
caracterizar la eficiencia en el funcionamiento del distribuidor ya existente en la planta industrial
del distribuidor sin inhibidor de flujo (configuración I), y el distribuidor con inhibidor de forma
hexagonal (IFH), (configuración II). Mediante los resultados del análisis realizado, a las
configuraciones I y II, se procedió a diseñar nuevos prototipos controladores de flujo en el
distribuidor de colada continua para resolver los problemas que generan la contaminación del acero
y eliminar la fuente generadora de inclusiones para la obtención de aceros de alta calidad.
Los resultados que se obtienen en estos análisis de estudio con la ayuda de la modelación física son:
• Curvas de distribución de tiempos de residencia (DTR).
• Comportamiento del flujo de fluidos: a) Volumen pistón. b) Volumen de mezclado. c)
Volumen muerto. d) Varianza (σ2). e) Tiempo mínimo de residencia (Tmin).
• Hidrodinámica: a) Cambio de olla. b) Turbulencia del líquido superficial (TLS).
c) Velocidad de colada.
3.3.1 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO EXPERIMENTAL Se muestra en la figura 3.13 el esquema del equipo experimental empleado en el laboratorio de
simulación física para la obtención de las curvas DTR, mediante una secuencia de
experimentaciones, que consiste de dos tanques, uno de ellos tiene una capacidad de 1100 litros de
agua que es el principal tanque que permite abastecer al distribuidor de acrílico transparente a 1/2
del modelo real; el cual tiene una capacidad de 18 toneladas lo que equivale a 407.97 litros de agua
en el modelo físico, el tanque de reserva con capacidad de 700 litros de agua se utiliza tanto para
abastecer a los modelos físicos como para enviar el agua en caso de un derrame en la secuencia de
experimentación. Para medir la cantidad de flujo volumétrico de agua que se conduce a través del
distribuidor, se instaló un flujómetro electrónico en la boquilla de salida, ya que nos permite tener
resultados más exactos.
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
63 SPM&DF
1
23
4 5 6 7
8 9
10 11
12
14
15
16
17 18
19
21
13
20
1.- Tanque de alimentación 2.- Buza 3.- Inyección del trazador (Estímulo) 4, 5, 6 y 7.- Boquillas de salida 8 y 9.- Tinas de desague 10.- Bomba peristática 11.- Colorímetro
12.- PC 13.- Alimentador de energía 14 y 15.- Cámaras de video 16, 17 y 18.- Válvulas 19.- Bomba centrífuga 20.- Tanque de reserva 21.-Drenaje
Figura 3.13. Diagrama del equipo experimental utilizando un modelo físico de un distribuidor tipo DELTA, de 18 toneladas de acero.
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
64 SPM&DF
También se utiliza un colorímetro, para monitorear la concentración del trazador a las salidas de las
boquillas del distribuidor, una bomba peristática, es utilizada para absorber muestras de líquido a la
salida de la boquilla, de manera que la concentración pueda registrarse en el colorímetro, ya que los
valores de concentración (absorbancia), registrados son enviados a una PC para obtener los datos
requeridos por la experimentación. Durante el proceso de operación las tinas son utilizadas para el
drenado del distribuidor ya que esta agua será desalojada por medio de un sistema de bombeo.
3.4 ANÁLISIS Y CARACTERIZACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE PROTOTIPOS
CONTROLADORES DE FLUJO EN EL DISTRIBUIDOR, UTILIZANDO CURVAS DTR
Considerando los prototipos controladores de flujo en los diferentes estudios del fluido en el
funcionamiento del distribuidor, nos permitió establecer un control más adecuado de flujo de
fluidos mediante la optimización de la distribución del tiempo de residencia (DTR), para cada
boquilla de salida estableciendo modificaciones en las condiciones del comportamiento del flujo,
mejorando la flotación y separación de las inclusiones no metálicas en la industria de aceración,
obteniendo excelentes aceros más limpios y de alta calidad por medio de la eliminación de los
circuitos cortos en el distribuidor de colada continua.
La modelación matemática y física ha sido con gran éxito un factor importante para la realización
de estudios de dinámica de fluidos. En este trabajo de investigación consideramos únicamente la
modelación física para realizar los estudios experimentales del flujo de fluidos mediante curvas
DTR, utilizando el método estímulo-respuesta, donde la señal (trazador) de entrada es por pulso y la
señal (concentración) de salida es continua. Esta secuencia es utilizada para analizar y caracterizar
al distribuidor para una mejor optimización en las condiciones de flujo considerando términos de,
volumen pistón, volumen de mezclado, volumen muerto, varianza (σ2) y tiempo mínimo de
residencia (Tmin). La solución utilizada como trazador es colorante rojo vegetal con agua a una
concentración de 35 g/l. En la figura 3.14 se observa la secuencia experimental empleado para el
análisis y caracterización del tipo de flujo que se presenta en el distribuidor.
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
65 SPM&DF
Para realizar la secuencia experimental durante el proceso de operación en el distribuidor se realizó
el procedimiento siguiente:
1. Se calibra el caudal de alimentación llevado a cabo por la tobera simulando la alimentación
del baño líquido de la olla y las salidas del distribuidor a diferentes velocidades de colada:
1.13, 1.50 y 2.00 ton/min (equivalente a 161, 214 y 285 l/min en el modelo físico) a una
altura constante del líquido en el distribuidor de 0.40 m hasta obtener un estado estacionario
con un tiempo de 10 minutos. El tiempo establecido de 10 minutos se toma de acuerdo al
tiempo que tarda en abandonar el trazador inyectado en el distribuidor y es
aproximadamente 7 minutos, en este caso se deja un determinado tiempo de 3 minutos para
mejores resultados en el análisis experimental.
2. Ya que se tiene un estado estacionario en el distribuidor, se inyecta el trazador por pulso
usando una jeringa de 20 ml en la tobera de entrada. La inyección se hace en un tiempo
cero dando inicio a la captura de datos en el colorímetro.
ESTADO ESTACIONARIO
t=0 INYECCIÓN DEL TRAZADOR
t=m1+3 s
t, abs
t≤600 s
FINALIZA
CALIBRAR VELOCIDAD DE COLADA Y VACIADO
Figura 3.14. Secuencia experimental para el análisis y caracterización del distribuidor.
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
66 SPM&DF
3. Con la ayuda de una bomba peristática cada 3 segundos se extraen muestras del líquido,
hasta terminar la experimentación (10 min), estas muestras son llevadas a la celda del
colorímetro mediante las cuales se registra la concentración de colorante (en términos de
absorbancia), estos datos registrados de absorbancia son enviados a una PC para la
adquisición de datos para obtener las curvas DTR, de concentración (C) contra tiempo (θ)
adimensionales para cada línea de salida del distribuidor.
4. Considerando los valores obtenidos de concentración (C) contra el tiempo (θ) se lleva
acabó un cálculo matemático para obtener los diferentes volúmenes que ocurren en el
distribuidor considerando las ecuaciones [2-1] – [2-12].
3.4.1 ANÁLISIS Y CARACTERIZACIÓN DE CAMBIOS DE OLLA
Un cambio de olla se refiere a una práctica operativa en la industria del acero en la cual el
material fundido que se encuentra en la olla de colada que alimenta al distribuidor se ha agotado
siendo requerida una nueva carga de acero, en esta secuencia operativa no se detiene el flujo en las
salidas del distribuidor por lo que el nivel del mismo baja de acuerdo al caudal de calibración de
cada una de las mismas. El estudio es realizado para determinar el nivel mínimo aceptable que
puede alcanzar el distribuidor siendo así posible determinar el tiempo máximo en el que se puede
recomenzar el vertido de una nueva carga por parte de la olla de alimentación.
Para realizar la secuencia experimental para cambio de olla en el proceso de colada continua se
realizó el procedimiento siguiente:
1. Ya que se tiene instalado todo el equipo y accesorios se prepara la jeringa que contiene la
cantidad de trazador (una preparación de colorante vegetal con agua 35 g/l) requerido para
el estudio; en este caso para el modelo se cargaron 20 ml de trazador.
2. Se calibra el caudal de alimentación (llevado a cabo por la tobera simulando la alimentación
de la olla) así como las salidas del distribuidor.
3. De acuerdo a los datos proporcionados por la industria se marcan los niveles máximo y
mínimo de 18, 16 ó 14 toneladas en el modelo utilizados en el distribuidor original.
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
67 SPM&DF
4. Se procede a llenar el distribuidor con agua hasta la marca del nivel máximo de trabajo.
5. Alcanzada esta marca se cierran las salidas del distribuidor (no se deja que baje el nivel), y
se colorea al líquido con 3 inyecciones de colorante, se mezcla al líquido perfectamente
hasta obtener el color adecuado que simula al acero líquido, dejando en reposo al líquido
durante 10 minutos hasta obtener un estado estacionario.
6. Ya establecido al líquido en estado estacionario se simula el cambio de olla se abren las
salidas del distribuidor, con lo que se deja bajar el nivel del líquido hasta el mínimo
marcado y se alimenta agua a un flujo de llenado de 5.00 ton/min a la velocidad de colada
requerida para mejorar el comportamiento del fluido para mejorar la calidad del acero.
7. Conjuntamente se pone en funcionamiento a la bomba peristática y al colorímetro. Este
equipo cuenta con una manguera de toma de muestras introducida en una de las salidas del
distribuidor; la toma de muestra es llevada a cabo mediante el bombeo de pequeñas
cantidades de fluido hacia la celda del colorímetro, el cual registra los datos de absorbancia
obtenidos cada 3 segundos. Estos datos son registrados en la computadora y posteriormente
graficados como: concentración (C) contra tiempo (θ) adimensionales, para obtener las
curvas DTR representativas del modelo para esa salida. Adicionalmente al registro de los
datos del colorímetro se graba un video de la distribución del colorante en el modelo.
8. El nivel del agua se controla durante todo el experimento para que no sobrepase la marca
máxima. Cuando el color en todo el distribuidor ha desaparecido por completo se da por
terminada la recolección de datos del colorímetro.
9. Dependiendo del número de salidas presentes en el distribuidor se repetirán los pasos del 4
al 7 colocando la manguera de toma de muestra en la salida respectiva. Para que el
experimento tenga validez se repite de dos a tres veces en cada una de las salidas.
10. De acuerdo a los resultados obtenidos en el video se hace la consideración si el nivel
estudiado es el adecuado o si es necesario cambiarlo. Cabe destacar que si los cambios del
nivel no dan buenos resultados se debe proceder a modificar los accesorios internos del
modelo.
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
68 SPM&DF
En la figura 3.15 se observa la secuencia experimental que se empleó en el estudio de cambio de
olla en el distribuidor. Este estudio en base al mínimo de acero fundido que ha quedado en el
distribuidor se hace con la finalidad de reducir las impurezas a mínimos niveles en el distribuidor y
para determinar donde es recomendable hacer un cambio de olla durante el proceso de colada
continua. Para realizar esta experimentación se utilizó agua coloreada, el cual simula al acero
líquido, también se utilizó una bomba peristática y un colorímetro para monitorear la variación en
términos adimensionales de concentración con respecto al tiempo.
SE DEJA LA ALTURA ESTABLECIDA DEL LÍQUIDO (18, 16 ó 14 TON)
SE COLOREA AL LÍQUIDO CON3 INYECCIONES DE TRAZADOR
SE MEZCLA PERFECTAMENTE EL LÍQUIDO HASTA OBTENER EL COLOR ADECUADO QUE SIMULA AL ACERO
LÍQUIDO
SE ESTABLECE EN ESTADO ESTACIONARIO
t=0 SE ABREN LAS VÁLVULAS DE SALIDA, SE BAJA EL NIVEL DE AGUA HASTA EL MÍNIMO MARCADO Y SE ALIMENTA AGUA AL DISTRIBUIDOR A UN FLUJO DE LLENADO DE 5.00 TON/MIN A UNA MÁXIMA VELOCIDAD DE COLADA
t=m1+3 s
t, abs
t≤600 s
FINALIZA
SE ESTABLECE LA ALTURA DEL NIVEL MÁXIMO DE ESTUDIO EN EL
DISTRIBUIDOR
Figura 3.15. Secuencia experimental utilizado para un cambio de olla en el distribuidor.
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
69 SPM&DF
En este estudio también se realizaron experimentaciones con aceite para evaluar el arrastre de
escoria con la finalidad de demostrar donde es recomendable hacer un cambio de olla con ayuda de
la experimentación mencionada anteriormente, ya que es más factible determinar mejores resultados
por medio de diferentes análisis como se ha realizado en este estudio. Se utilizó una capa de aceite
coloreado de 0.03 m de espesor para simular a la escoria. Estos resultados se obtienen directamente
de las experimentaciones realizadas del estudio de mecánica de fluidos (hidrodinámica), mediante
la modelación física.
3.4.2 ESTUDIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS
Por lo general se aplica al estudio del comportamiento de los fluidos tanto en reposo como en
movimiento. Dichos principios son los de la conservación de la materia y la energía, y las leyes del
movimiento de Newton. Debe aclararse que dentro del estudio de fluidos compresibles se aplican
también algunas leyes de la termodinámica. Con las leyes que resultan del estudio de la mecánica
de fluidos, mediante el análisis matemático y la experimentación, se está en posibilidad de explicar
los fenómenos observados y predecir, por lo menos de manera aproximada, el comportamiento de
los fluidos bajo una serie de condiciones especificadas.
En este trabajo de investigación solamente nos enfocaremos al estudio de la hidrodinámica ya que
forma una rama de la mecánica de fluidos, por lo tanto damos una omisión de algunas propiedades
de los fluidos como la viscosidad el cual dio lugar al llamado flujo ideal. (16)
Hidrodinámica.
En la hidrodinámica se tomara en cuenta el movimiento de un fluido. El flujo de un fluido puede ser
extremadamente complejo, como se puede ver en la corriente de un río “crecido” en el movimiento,
ó en el movimiento de una flama de una vela, a pesar de esto, algunas situaciones se pueden
presentar por medios idealizados relativamente simples. Un fluido ideal es un fluido cuyo flujo es
incompresible y no tiene fricción interna o viscosidad. La suposición de incompresibilidad
usualmente es una buena aproximación para líquidos y puede aplicarse a gases siempre y cuando la
diferencia de presión de una región a otra no sea grande. Cuando se desprecia la viscosidad, no se
toman en cuenta los esfuerzos cortantes producidos por fuerzas de fricción internas, de capas
adyacentes del fluido que se mueven una relativa a la otra.
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
70 SPM&DF
La trayectoria de una partícula en el fluido en movimiento se conoce como línea de flujo. Si toda la
configuración del flujo no cambia con el tiempo se le conoce como flujo estacionario. En un flujo
estacionario, cualquier elemento que pasa a través de un punto dado seguirá la misma línea de flujo.
Las líneas de flujo que pasan de un extremo a otro del borde de un elemento de área imaginario A
formarán un tubo llamado tubo de flujo (Figura 3.16). Si dichas líneas son siempre equidistantes, se
dice que el flujo es incompresible.
Figura 3.16. Un tubo de flujo limitado por líneas flujo. (17)
Cuando las capas adyacentes de un fluido resbalan suavemente sin producir esfuerzos cortantes, se
dice que el flujo es laminar. De lo contrario, si los cambios en el fluido son suficientemente
grandes, o la superficie de frontera producen cambios de velocidad, el flujo se hace irregular y
caótico; éste es llamado flujo turbulento. La transición del flujo laminar al turbulento es uno de los
tópicos más sofisticados de la hidrodinámica por sus múltiples aplicaciones. Es un ejemplo típico de
una transición de fase fuera de equilibrio y su formulación matemática precisa sigue siendo, hasta
hoy, un problema abierto.
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
71 SPM&DF
En este estudio se analiza el comportamiento del fluido en términos de: turbulencia en la superficie
del líquido. Estos resultados se obtienen directamente de la experimentación ya que este factor es de
gran importancia para la producción de aceros de alta calidad. Estos experimentos y resultados se
tienen en un, videocasete para aclaraciones o dudas del estudio.
Para evaluar la turbulencia en la superficie del líquido se realizó a una velocidad máxima de colada
de 285 l/min en el modelo a escala. Usando una capa de aceite mineral coloreado de 0.03 m de
espesor que simula a la escoria del proceso industrial para observar el comportamiento del fluido en
la superficie del acero líquido.
3.5 REPRESENTACIÓN DE MODELOS PARA MEJORAR LA EFICIENCIA DEL FLUJO
EN EL DISTRIBUIDOR
La figura 3.17 muestra la secuencia de estudios realizados con el modelo y prototipos controladores
de flujo durante las experimentaciones de las configuraciones IV y V. Estos modelos finales son los
sistemas más eficientes que garantizan un mejor desempeño en el distribuidor.
Cuando hablamos de un buen desempeño tenemos que hacer un amplio estudio durante el drenado
del flujo de fluidos así obtendremos la eficiencia del distribuidor, el cual nos permitirá mejorar el
comportamiento de flujo de fluidos eficientemente de los diferentes fenómenos de transporte que
suceden en el distribuidor de colada continua para mejorar la composición y la de reducir la
cantidad de inclusiones para mejorar la calidad del acero de manera que el proceso mejore en todo
el funcionamiento del interior del distribuidor para mejorar el proceso de operación en la práctica
industrial de colada continua de acero.
Estos estudios serian imposibles realizarse en la práctica real ya que sería complicado y con un alto
costo por lo que en modelación física es una alternativa más práctica y fácil de realizar y con un
bajo costo ya que es más fácil identificar las variables que afectan las condiciones del flujo de
fluidos es por esto que en este trabajo de investigación se analizan las condiciones de operación que
se presentan en el proceso industrial de colada continua de planchón de la planta industrial.
CAPÍTULO 3 DESARROLLO EXPERIMENTAL
72 SPM&DF
INICIO
MODELOS CON PROTOTIPOS CONTROLADORES DE FLUJO DE LAS CONFIGURACIONES DEL MEJOR
DESEMPEÑO EN EL DISTRIBUIDOR
IV(IFP + PFR)
V(IFP)
ANÁLISIS Y CARACTERIZACIÓN DEL DISTRIBUIDOR CONSIDERANDO LA SECUENCIA DE LA FIGURA
(3.14)
Vp, CONFIGURACIÓN IV Y V > Vp, CONFIGURACIÓN I Y II
Vm, CONFIGURACIÓN IV Y V < Vm, CONFIGURACIÓN I Y II
Vd, CONFIGURACIÓN IV Y V < Vd, CONFIGURACIÓN I Y II
VARIANZA, CONFIGURACIÓN IV Y V < VARIANZA, CONFIGURACIÓN I Y II
Tmin, CONFIGURACIÓN IV Y V > Tmin, CONFIGURACIÓN I Y II
ESTUDIO DE MECÁNICA DE FLUIDOS(HIDRODINÁMICA)
TLS, CONFIGURACIÓN IV Y V < TLS, CONFIGURACIÓN I Y II
CAMBIO DE OLLA MÁS EFICIENTE
FINALIZA
Figura 3.17. Principal secuencia de experimentación para la optimización del flujo de fluidos en un distribuidor de 18 toneladas de acero líquido.
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
73
SPM&DF
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTDOS Y SU DISCUSIÓN 4.1 RESULTADOS DE LA MODELACIÓN FÍSICA
En este capítulo se presentan los resultados de las curvas DTR, para las diferentes configuraciones
de estudio mediante la modelación física, presentando la comparación de los mejores diseños
propuestos en el laboratorio (configuración III, IV y V), con respecto al diseño original
(configuración I y II), utilizando el procedimiento de la figura 3.14. Los resultados de las
características y comportamiento del fluido se presentan en términos adimensionales con la
finalidad de realizar su posterior análisis cualitativo.
4.1.1 SECUENCIA PARA ADIMENSIONAR LA CURVA C
Para determinar los resultados adimensionales de las experimentaciones de concentración contra
tiempo se utilizaron las siguientes ecuaciones:
tiempo de permanencia = tiempo promedio de residencia = tiempo espacial [2-29]
Donde:
V = volumen del reactor
v = caudal volumétrico de alimentación
Si se considera flujo de fluido en estado estacionario y densidad constante.
Tiempo adimensional tt i
i=θ [2-30]
Donde es el tiempo registrado actual y es el tiempo de residencia promedio del flujo de
fluidos.
De la secuencia anterior se obtienen las curvas DTR de acuerdo a la sección 2.3, determinando la
curva C, se aprecia en la figura 2.9.c.
t i t
==vVt
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
74
SPM&DF
4.2 MODELO SIN ACCESORIOS (2.00 TON/MIN)
La figura 4.1 muestra el comportamiento del fluido en el distribuidor utilizando trazador para la
configuración I, en estado estacionario a una máxima velocidad de colada. Se observó que el fluido
se expandía rápidamente a los costados laterales de la buza originado por la zona turbulenta en la
superficie del líquido abarcando inmediatamente toda la superficie y parcialmente casi todo el
distribuidor de manera inmediata.
A 10 segundos
A 20 segundos
Figura 4.1. Comportamiento del flujo en el distribuidor de la configuración I, sin accesorios a dos diferentes tiempos de haberse inyectado el trazador.
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
75
SPM&DF
4.2.1 MODELO CON INHIBIDOR DE FLUJO DE FORMA HEXAGONAL (IFH),
(2.00 TON/MIN)
En la configuración II (Figura 4.2), en estado estacionario y a una máxima velocidad de colada se
observó una zona turbulenta en la superficie del líquido que se originó alrededor de la buza, el
fluido al hacer contacto con el inhibidor de flujo se expande hacia la superficie del baño provocando
una dispersión hacia abajo y paredes laterales del distribuidor a una menor velocidad a la que se
expandía en el estudio de la configuración I. Cuando utilizamos aceite vegetal (Figura 4.3), se
observa una turbulencia alrededor de la buza originando ondas que se expanden por toda la
superficie del líquido. En los cambios de olla (Figura 4.4), se observó una zona abierta de aceite
originada alrededor de la buza mostrando que el flujo de fluidos que entra durante los cambios de
olla arrastra al aceite que cubre la superficie del líquido provocando que el aceite se habrá hacia los
extremos del distribuidor, por esto, durante todo el tiempo del cambio de olla el líquido se expone
al contacto del aire.
A 10 segundos
A 20 segundos
Figura 4.2. Comportamiento del flujo en el distribuidor de la configuración II con IFH, a dos diferentes tiempos de haberse inyectado el trazador.
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
76
SPM&DF
Figura 4.3. Comportamiento del flujo en la superficie de acero de la configuración II con IFH.
Figura 4.4. Comportamiento del flujo en la superficie de acero de la configuración II con IFH, durante un cambio de olla de 14 toneladas.
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
77
SPM&DF
4.2.2 MODELO CON ARREGLO DE INHIBIDOR DE FLUJO DE FORMA PENTAGONAL
(IFP), CON PISO FALSO RECTANGULAR (PFR), Y PISO FALSO TRIANGULAR (PFT),
(2.00 TON/MIN)
En la configuración III, el estudio se llevo acabó en estado estacionario y a una máxima velocidad
de colada donde se observa una zona de turbulencia originada al redor de la buza ocasionando
ondas que se extienden por toda la superficie del líquido. La dispersión del fluido al bajar choca
entre el piso falso extendiéndose hacia el centro y dirigiendo el fluido hacia las paredes laterales del
distribuidor originando que el fluido sea estable y tranquilo obteniendo un drenado adecuado en
cada una de las boquillas de salida del distribuidor. En la figura 4.5 se muestra un esquema
representativo de los tipos de flujo que presenta este arreglo. En este estudio no fue necesario hacer
una grabación del análisis experimental, por la simple justificación de que está modificación del
sistema causaría elevados costos en la planta industrial y otra razón, es por los paros de producción
que causaría montar esta modificación el cual a la planta no le sería factible hacer esta modificación
en el proceso real, hacemos de referencia este estudio con la finalidad de validar un mejor resultado
con un menor costo que beneficie a la industria reduciendo los problemas que generan la
contaminación del acero así como de su producción. En la figura 4.6 se observan fotografías del
modelo con los diferentes prototipos controladores de flujo.
VmVp TLS
Figura 4.5. Perfil de la configuración III, donde se observan los diferentes fenómenos que suceden en el comportamiento del fluido en el distribuidor.
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
78
SPM&DF
Figura 4.6. Fotografías del modelo de la configuración III, con los diferentes prototipos controladores de flujo. 4.2.3 MODELO CON ARREGLO DE INHIBIDOR DE FLUJO DE FORMA PENTAGONAL
(IFP), CON PISO FALSO RECTANGULAR (PFR), (2.00 TON/MIN)
En la configuración IV, a una máxima velocidad de colada (Figura 4.7 y 4.8), en estado estacionario
y utilizando buza corta (0.20 m) y larga (0.13 m), el fluido tiene un comportamiento ordenado y
estable dirigiendo el flujo de fluidos hacia las paredes laterales del distribuidor. Cuando se utiliza
aceite mineral (Figura 4.9 y 4.10), se observa una turbulencia tranquila y en forma de ondas que se
extienden al rededor de la buza, al principio y final se tiene un incremento en la turbulencia. Al
iniciar el cambio de olla el aceite se abre en la superficie del líquido alrededor de la buza, sin
embargo se vuelve a cubrir la capa de aceite en tiempos cortos en el transcurso del cambio de olla y
al finalizar se vuelve a cubrir la capa de aceite completamente en la superficie del líquido, el acero
se expone al contacto del oxígeno en un tiempo menor, en la figura 4.11 se observan las imágenes.
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
79
SPM&DF
Buza corta a 10 segundos Buza corta a 20 segundos
Buza corta a 50 segundos Buza corta a 100 segundos Figura 4.7. Comportamiento del flujo de la configuración IV con IFP + PFR, a diferentes tiempos de haberse inyectado el trazador, utilizando una buza corta (0.20 m).
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
80
SPM&DF
Buza larga a 10 segundos Buza larga 20 segundos
Buza larga a 40 segundos Buza larga a 100 segundos
Figura 4.8. Comportamiento del flujo de la configuración IV con IFP + PFR, a diferentes tiempos de haberse inyectado el trazador, utilizando una buza larga (0.13 m).
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
81
SPM&DF
Figura 4.9. Comportamiento del flujo en la superficie de acero de la configuración IV con IFP + PFR, utilizando una buza corta (0.20 m).
Figura 4.10. Comportamiento del flujo en la superficie de acero de la configuración IV con IFP + PFR, utilizando una buza larga (0.13 m).
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
82
SPM&DF
a)
b)
c)
Figura 4.11. Comportamiento en la superficie de acero de la configuración IV, durante un cambio de olla de 14 toneladas, utilizando una buza corta (0.20 m). a) Inicio del cambio de olla, b) Transcurso del cambio de olla, c) Final del cambio de olla.
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
83
SPM&DF
4.2.4 MODELO CON ARREGLO DE INHIBIDOR DE FLUJO DE FORMA PENTAGONAL
(IFP), (2.00 TON/MIN)
En la configuración V, a una máxima velocidad de colada (Figura 4.12), en estado estacionario la
dispersión del fluido es tranquila y se extiende con una velocidad ordenada y estable hacia las
paredes laterales del distribuidor. En la superficie del líquido (Figura 4.13), no presenta abertura de
aceite, observando que la turbulencia decrece alrededor de la buza. En el cambio de olla al inicio se
presenta una pequeña abertura de aceite en la superficie, después decrece en el transcurso del
cambio de olla y al finalizar el aceite se vuelve abrir en un muy corto tiempo volviéndose a cubrir
la superficie del baño, el acero no se expone mucho tiempo al contacto del oxígeno (Figura 4.14).
En la figura 4.15 se muestra el mejor comportamiento en la superficie del acero líquido.
A 10 segundos A 20 segundos
A 40 segundos A 75 segundos Figura 4.12. Comportamiento del flujo a diferentes tiempos de haberse inyectado el trazador de la configuración V con IFP.
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
84
SPM&DF
En la figura 4.16 se muestran imágenes de las zonas de formación de volumen muerto en un tiempo
de 55 segundos de las configuraciones II, IV y V, donde se observa que en la configuración II, el
flujo se mueve más lento comparado con las configuraciones IV y V.
Figura 4.13. Comportamiento del flujo en la superficie de acero de la configuración V con IFP, utilizando una buza larga (0.13m).
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
85
SPM&DF
a)
b)
c)
Figura 4.14. Comportamiento en la superficie de acero de la configuración V, durante un cambio de olla de 14 toneladas, utilizando una buza larga (0.13 m). a) Inicio del cambio de olla, b) Transcurso del cambio de olla, c) Final del cambio de olla.
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
86
SPM&DF
a) b) Figura 4.15. Comportamiento en la superficie de acero de la configuración V. a) Buza corta (0.20 m) con IFP, b) Buza larga (0.13 m) con IFP. En las tablas 4.1-4.3 se muestran las características de flujo y análisis de las curvas DTR, a
diferentes velocidades de colada de la optimización del flujo del fluido lo que permite observar que
a una máxima velocidad de colada el distribuidor tiene un mejor desempeño.
El comportamiento mejorado de acuerdo a los prototipos diseñados fue la configuración IV, con
IFP + PFR y V, con IFP, utilizando una buza larga (0.13 m), donde se mejora la optimización del
comportamiento del fluido de las diferentes características de tipos de flujos, también se mejoran las
condiciones de operación y la intensidad de turbulencia en la superficie del acero líquido en estado
estacionario y durante los cambios de olla en el sistema de acuerdo a la figura 3.17. Las mejoras que
se obtuvieron en el funcionamiento del modelo físico fueron: mayor volumen pistón, menor
volumen de mezclado, menor volumen muerto, menor varianza, mayor tiempo mínimo de
residencia, menor turbulencia en la superficie del líquido y cambios de olla más eficientes a una
máxima velocidad de colada.
En las tablas 4.1-4.3 se muestran los resultados de las diferentes configuraciones de estudio donde
se observa que los mejores resultados del desempeño de las configuraciones corresponden al de la
configuración IV y V, estableciendo que los diseños propuestos y diseñados en el laboratorio de
simulación física dieron resultados mejorados, por lo tanto aceros más limpios de mejor calidad en,
el distribuidor de tipo DELTA.
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
87
SPM&DF
a)
b)
c)
Figura 4.16. Zonas de formación de volumen muerto en un tiempo de 55 s. a) Configuración II, con IFH, b) Configuración IV, con IFP + PFR, c) Configuración V, con IFP.
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
88
SPM&DF
Tabla 4.1. Características del flujo y análisis de las curvas DTR (Velocidad de colada 1.13 ton/min).
CONFIGURACIÓN
I
Vp
Vm
Vd
σ2
Tmin
SALIDA INTERIOR 6.43 56.00 37.57 0.7921 5.00
SALIDA EXTERIOR 15.90 62.00 22.10 0.4376 10.00
CONFIGURACIÓN
II
Vp
Vm
Vd
σ2
Tmin
SALIDA INTERIOR 12.80 54.45 32.75 0.6378 12.00
SALIDA EXTERIOR 26.90 63.77 9.32 0.2419 10.00
Tabla 4.2. Características del flujo y análisis de las curvas DTR (Velocidad de colada 1.50 ton/min).
CONFIGURACIÓN
I
Vp
Vm
Vd
σ2
Tmin
SALIDA INTERIOR 5.51 63.69 30.80 0.6189 5.00
SALIDA EXTERIOR 20.07 59.86 20.70 0.4196 12.00
CONFIGURACIÓN
II
Vp
Vm
Vd
σ2
Tmin
SALIDA INTERIOR 13.63 53.34 33.03 0.6951 10.00
SALIDA EXTERIOR 44.63 43.94 11.43 0.2319 20.00
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
89
SPM&DF
Tabla 4.3. Características del flujo y análisis de las curvas DTR (Velocidad de colada 2.00 ton/min).
CONFIGURACIÓN
I
Vp
Vm
Vd
σ2
Tmin
SALIDA INTERIOR 5.81 61.71 32.48 0.6388 5.00
SALIDA EXTERIOR 20.21 58.82 20.97 0.4221 10.00
CONFIGURACIÓN
II
Vp
Vm
Vd
σ2
Tmin
SALIDA INTERIOR 15.49 53.80 30.71 0.6195 12.00
SALIDA EXTERIOR 25.97 60.12 13.91 0.3073 5.00
CONFIGURACIÓN
III
Vp
Vm
Vd
σ2
Tmin
SALIDA INTERIOR 21.77 57.40 20.83 0.4421 15.00
SALIDA EXTERIOR 18.12 46.60 35.28 0.7131 20.00
CONFIGURACIÓN
IV
Vp
Vm
Vd
σ2
Tmin
SALIDA INTERIOR 28.67 46.86 24.47 0.5051 25.00
SALIDA EXTERIOR 29.11 47.20 23.69 0.5370 28.00
CONFIGURACIÓN
V
Vp
Vm
Vd
σ2
Tmin
SALIDA INTERIOR 31.54 42.66 25.80 0.4460 35.00
SALIDA EXTERIOR 32.94 42.50 24.56 0.4876 36.00
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
90
SPM&DF
Tabla 4.4. Relación de altura de cambios de olla en el modelo físico y modelo real (agua-acero).
ALTURA
MODELO REAL
ALTURA
MODELO FÍSICO
MODELO REAL
MODELO
FÍSICO
m m TONELADAS Lt.
0.08 0.04 2 45.32
0.14 0.07 3 67.98
0.24 0.12 6 135.96
0.36 0.18 8 181.28
0.44 0.22 10 226.61
0.52 0.26 12 271.95
0.64 0.32 14 317.29
0.74 0.37 16 362.63
0.8 0.4 18 407.97
0.
32
Figura 4.17. Altura del cambio de olla de 14 toneladas que mejora la calidad del acero en el modelo físico, unidades en m.
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
91
SPM&DF
4.3 COMPORTAMIENTO DE LAS CURVAS C DURANTE UN CAMBIO DE OLLA
Para establecer la calidad del acero en el distribuidor durante un cambio de olla se tienen que
considerar las principales características de las curvas C. En base al tipo y forma de la curva dará la
estabilidad y duración de la curva el cual nos indicara el nivel mínimo aceptable, así como el tiempo
máximo para recomenzar un cambio de olla.
La curva ascendente (Figura 4.18.a), es consistente cuando no sufre ninguna perturbación en el
comportamiento de la concentración con respecto al tiempo originando el incremento de la flotación
de inclusiones a la superficie del acero líquido, para determinar el nivel mínimo de acero aceptable
en el distribuidor así como determinar el tiempo máximo para un cambio de olla dejando el mínimo
porcentaje de impurezas en el acero para mejorar la calidad del mismo. Cuando la curva sufre
perturbaciones es no consistente (Figura 4.18.b), ocasionando recirculación y mezclado en el flujo
de fluidos el cual ocasionara que el flujo no permita flotar libremente a las inclusiones originando
un decremento de la flotación de inclusiones a la superficie del acero líquido, obteniendo un alto
nivel de contaminación en el acero durante la secuencia del cambio de olla. Para que resulte un
mejor comportamiento del fluido durante el drenado de una nueva olla se deben de minimizar estos
comportamientos del fluido mediante las propuestas de nuevos prototipos controladores de flujo de
fluidos.
% C
θ
% C
θ
RECIRCULACIÓN
MEZCLAMAX
MIN C2
C1
CI
C2 C1 < C2 t1 < t2
θ1 θ2
C1 > C2 t1 > t2
θ1 θ2
a) b) Figura 4.18. Comportamiento de las curvas que repercuten en la calidad del acero durante un cambio de olla. a) Calidad consistente, b) Calidad no consistente.
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
92
SPM&DF
4.4 CAMBIOS DE OLLA (2.00 TON/MIN)
En la figura 4.19 se muestran las curvas de cambios de olla en el distribuidor a un flujo de llenado
de 5.00 ton/min y a una máxima velocidad de colada, en el distribuidor de las configuraciones con
IFH, con arreglo de IFP + PFR y con IFP, en estado estacionario. Tomando en cuenta que en cada
cambio de olla, cuando se está terminando de vaciar acero líquido se tienen diferentes alturas
(18, 16 ó 14 toneladas). En la figura 3.15 se muestra la secuencia experimental para obtener los
resultados de las diferentes configuraciones mostrando que la gráfica indica el porcentaje del nuevo
acero con respecto al tiempo de la colada continua.
Figura 4.19. Curvas de cambios de olla en el distribuidor con IFH (Configuración II), con IFP + PFR (Configuración IV), y con IFP (Configuración V).
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
93
SPM&DF
4.5 ANÁLISIS Y SU DISCUSIÓN DE RESULTADOS DE LA MODELACIÓN FÍSICA
En esta sección se analizan los resultados obtenidos de los análisis experimentales de las diferentes
configuraciones en la modelación física, asimismo el comportamiento del fluido en el distribuidor
de colada continua es un factor importante sobre la calidad del acero. Por tal motivo es necesario
determinar la influencia del flujo de fluidos sobre la remoción de inclusiones, además de mejorar la
optimización del distribuidor durante el análisis utilizando curvas DTR.
La determinación de la calidad del acero es verificar el comportamiento del flujo de fluidos el cual
da una especificación más adecuada para determinar las características del funcionamiento del
distribuidor lo que dará un mejor desempeño del fluido para obtener la calidad del acero.
A continuación se dará una breve explicación de los resultados obtenidos de las diferentes
configuraciones de estudio de este trabajo de investigación, mostrando el desempeño de cada uno
de ellos determinando el mejor estudio el cual determinará la calidad del acero.
Un factor que es muy importante para mejorar la calidad del acero es el tiempo mínimo de
residencia (Tmin), el cual establece que para mejorar un sistema debe haber un mayor tiempo
mínimo de residencia del acero en el distribuidor para que el flujo de fluidos tenga el tiempo
suficiente para remover a las inclusiones metálicas.
Por tanto en los casos I y II, a una mínima y normal de velocidad de colada (Tabla 4.1 y 4.2),
presentan diferencia de resultados en cada uno de ellos con un decremento del tiempo mínimo de
residencia. En las figuras 4.20.a, b y 4.21.a, b se muestra el comportamiento de las curvas DTR.
En este trabajo mencionaremos la comparación de resultados de las diferentes configuraciones en
estudio a una máxima velocidad de colada, estableciendo que las mejoras de resultados del
comportamiento del fluido es cuando aumenta la velocidad de colada.
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
94
SPM&DF
El valor de la configuración I y II (Tabla 4.3), es de 5.00 (salida interior), 10.00 (salida exterior).
Para la segunda configuración presenta 12.00 (salida interior), 5.00 (salida exterior), presentan
resultados similares pero de forma inversa en las diferentes salidas lo que origina que las moléculas
permanezcan un menor tiempo en el distribuidor, en las figuras 4.20.c y 4.21.c se observa el
comportamiento adimensional de las curvas DTR, de concentración con respecto al tiempo de las
configuraciones I y II.
En la configuración V (Tabla 4.3), se presenta un incremento en el tiempo mínimo de residencia de
35.00 (salida interior) y 36.00 (salida exterior), estableciendo un mayor tiempo de las moléculas en
el distribuidor mejorando el comportamiento del fluido en la figura 4.22 se muestra la curva DTR.
El flujo pistón es uno de los principales factores que se relacionan directamente con el Tmin
considerando la ecuación [2-11], y se encarga de mejorar la calidad del acero en cuanto a la
remoción de inclusiones, donde se establece que los sistemas que tengan un flujo mayor tendrán un
mejor funcionamiento en cuanto a la remoción de inclusiones.
En la figura 4.20 y 4.21 se muestran las curvas DTR, del comportamiento del trazador para las
configuraciones I y II. Cabe mencionar que estos análisis fueron realizados para verificar el
desempeño del distribuidor de la planta industrial y así dar propuestas de diferentes prototipos
controladores de flujo para mejorar la optimización del comportamiento del fluido en el
distribuidor. El comportamiento de las curvas DTR, presentan relativamente comportamientos
similares presentando un flujo pistón menor.
Los resultados del flujo pistón que se presentan en la configuración I, son similares y cercanos en
el funcionamiento del distribuidor a diferentes velocidades de colada (Tablas 4.1-4.3), sin embargo
la configuración II, a diferentes velocidades de colada presentan diferencia de resultados
presentando a una mínima velocidad decolada de 12.80 (salida interior), 26.90 (salida exterior),
velocidad normal de 13.63 (salida interior), 44.63 (salida exterior), y a una máxima velocidad de
15.49 (salida interior), 25.97 (salida exterior). A una velocidad normal las moléculas permanecen
considerablemente más tiempo en la salida exterior del distribuidor lo que puede implicar que el
acero se solidifique ocasionando la obstrucción en las salidas del distribuidor, y por lo tanto paros
en la producción del proceso de colada continua. Cabe mencionar que cuando el flujo permanece
demasiado tiempo en el distribuidor ocasiona grandes problemas en la colada, cuando sucede esto
se debe cambiar el sistema mediante el estudio de nuevos prototipos controladores de flujo.
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
95
SPM&DF
SIN INHIBIDOR 1.13 TON/MIN
0 0.2 0.4 0.6 0.8
1 1.2 1.4 1.6 1.8
2 2.2 2.4 2.6 2.8
3 3.2 3.4
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 θ
C
Salida Exterior
Salida Interior
a)
SIN INHIBIDOR 1.50 TON/MIN
0 0.2 0.4 0.6 0.8
1 1.2 1.4 1.6 1.8
2 2.2 2.4 2.6 2.8
3 3.2 3.4
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 θ
C
Salida Exterior
Salida Interior
b)
SIN INHIBIDOR 2.00 TON/MIN
0 0.2 0.4 0.6 0.8
1 1.2 1.4 1.6 1.8
2 2.2 2.4 2.6 2.8
3 3.2 3.4
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 θ
C
Salida Exterior
Salida Interior
c) Figura 4.20. Curvas de DTR a diferentes velocidades de colada para la configuración I. a) Mínima velocidad de colada, b) Velocidad normal de colada, c) Máxima velocidad de colada.
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
96
SPM&DF
CON INHIBIDOR HEXAGONAL 1.13 TON/MIN
0 0.20.40.60.8
1 1.21.41.61.8
2 2.22.42.62.8
3 3.23.4
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5θ
C
Salida ExteriorSalida Interior
a)
CON INHIBIDOR HEXAGONAL 1.50 TON/MIN
0 0.2 0.4 0.6 0.8
1 1.2 1.4 1.6 1.8
2 2.2 2.4 2.6 2.8
3 3.2 3.4
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 θ
C
Salida ExteriorSalida Interior
b)
CON INHIBIDOR HEXAGONAL 2.00 TON/MIN
0 0.2 0.4 0.6 0.8
1 1.2 1.4 1.6 1.8
2 2.2 2.4 2.6 2.8
3 3.2 3.4
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 θ
C
Salida Exterior
Salida Interior
c) Figura 4.21. Curvas de DTR a diferentes velocidades de colada para la configuración II. a) Mínima velocidad de colada, b) Velocidad normal de colada, c) Máxima velocidad de colada.
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
97
SPM&DF
En la tabla 4.3 se observa que la configuración V, es la que presenta un mayor volumen pistón
(Figura 4.22), después sigue la configuración IV (Figura 4.23), y por último la configuración III
(figura 4.24), haciendo una comparación con la configuración V, se puede verificar que las
configuraciones I y II, tienen un flujo pistón menor. En la figuras 4.1 y 4.2 se muestran imágenes
del comportamiento del trazador en el distribuidor a una máxima velocidad de colada de las
configuraciones I y II, donde se observa que el trazador avanza más rápido en los distribuidores de
las configuraciones I y II, permitiendo que el trazador abandone más rápido al distribuidor, sin
embargo en la configuración V, el flujo tiene un comportamiento ordenado y estable permitiendo
que el trazador permanezca más tiempo en el distribuidor. Mediante estos análisis se establece que
cuando las moléculas del trazador abandonan más rápido al distribuidor se tiene un volumen pistón
menor obteniendo un mal desempeño del sistema y cuando las moléculas del trazador permanecen
más tiempo en el distribuidor se tiene un volumen pistón mayor obteniendo un mejor desempeño
del sistema en términos de eliminación de inclusiones.
CON IFP 2.00 TON/MIN
00.20.40.60.8
11.21.41.61.8
22.22.42.62.8
33.23.4
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5θ
C
Salida Exterior
Salida Interior
Figura 4.22. Curvas de DTR para la configuración V, a una máxima velocidad de colada.
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
98
SPM&DF
CON IFP + PFR 2.00 TON/MIN
00.20.40.60.8
11.21.41.61.8
22.22.42.62.8
33.23.4
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5θ
C
Salida ExteriorSalida Interior
Figura 4.23. Curvas de DTR para la configuración IV, a una máxima velocidad de colada.
CON IFP + PFR + PFT 2.00 TON/MIN
00.20.40.60.8
11.21.41.61.8
22.22.42.62.8
33.23.4
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 θ
C
Salida Exterior
Salida Interior
Figura 4.24. Curvas de DTR para la configuración III, a una máxima velocidad de colada.
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
99
SPM&DF
Otro factor importante en la modelación física es el volumen de mezclado las cuales se pueden
asociar con la amplitud de las curvas DTR, y se observan en las figuras 4.20 y 4.21 en ambas
situaciones la configuración I y II, tienen valores similares, observando la misma forma de la curva
y el porcentaje del volumen de mezclado se puede calcular por medio de la ecuación [2-12].
Las configuraciones I y II, presentan un volumen de mezclado mayor a una máxima velocidad de
colada de 61.71 (salida interior), 58.82 (salida exterior), y 53.80 (salida interior), 60.12 (salida
exterior), en los diferentes análisis de estudio el que presenta un menor volumen de mezclado es la
configuración V (Tabla 4.3), lo que origina un mejor desempeño del flujo de fluidos en el
distribuidor.
Así se verifica que el IFH, en función en planta no es muy adecuado si hablamos de calidad. Sin
embargo no es que este accesorio no funcione en otros distribuidores de colada continua, solamente
estamos validando este mal funcionamiento del inhibidor en el distribuidor de tipo DELTA, porque
repercute en las pérdidas de producción.
La varianza es un factor que se relaciona con el número de dispersión y se puede calcular con la
ecuación [2-3], aquí también repercute en la amplitud o dispersión de las curvas DTR, mostrando
que la configuración I y II, a una velocidad máxima presentan una varianza mayor de 0.6388 (salida
interior), 0.4221 (salida exterior), y 0.6195 (salida interior), 0.3073 (salida exterior), provocando un
retromezclado, lo que origina una diferencia de velocidad en el comportamiento del flujo
ocasionando que las inclusiones no floten libremente a la superficie del baño líquido quedando
atrapadas en las trayectorias del fluido afectando la calidad del acero. Para la configuración V, se
presenta una menor varianza en la salida interior de 0.4460 (salida interior), 0.4876 (salida exterior),
considerando que el porcentaje de las dos salidas del distribuidor son similares y cercanos
ajustándose a un mejor comportamiento del fluido en el distribuidor, (tabla 4.3).
El volumen muerto es un factor que se puede observar por la ultima parte de la curva DTR,
considerando volumen muerto cuando sobre pasa un tiempo igual a dos adimensional de la curva.
Este comportamiento es originado por un flujo lento que ocasiona que el acero se solidifique por la
pérdida de temperatura provocando taponamientos en las salidas del distribuidor y se calcula por la
ecuación [2-10], de acuerdo a lo antes mencionado el sistema que presente un menor volumen
muerto tendrá un mejor comportamiento del flujo de fluidos.
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
100
SPM&DF
Se toma como referencia la configuración IV, por lo que presenta el menor volumen muerto,
considerando que los valores de las dos salidas del distribuidor son más ajustables y constantes para
mejorar el comportamiento del fluido, después sigue la configuración V, y finalmente la
configuración III, de acuerdo a lo antes establecido se tiene que la configuración I y II, tienen un
volumen muerto mayor los valores de estas configuraciones se muestran en la tabla 4.3.
En la figura 4.16 se observan imágenes para las configuraciones II, IV y V, donde se muestran las
zonas de formación del volumen muerto, estas zonas por lo regular aparecen al finalizar cada uno
de los análisis experimentales y se pude apreciar en la parte final de las curvas DTR.
El estudio de mecánica de fluidos (hidrodinámica), es un análisis del comportamiento del flujo de
fluidos en la superficie del líquido para mejorar la calidad del acero. A continuación se presenta su
discusión de análisis del distribuidor.
En las configuraciones II, III, IV y V, utilizando una capa de aceite en estado estacionario y a una
máxima velocidad de colada se analizaron mediante el estudio de la hidrodinámica donde el
comportamiento de la superficie del flujo de fluidos de la configuración II, presento una turbulencia
mayor en forma de ondas que se dispersaban a lo largo de la superficie, en la figura 4.3 se observa
este comportamiento. En el estudio de la configuración III, mejora el comportamiento en la
superficie del flujo originando una turbulencia en forma de ondas más estables que se dispersan por
toda la superficie, en la figura 4.5 se aprecia el esquema representativo. Las configuraciones IV y V,
(Utilizando buza corta y larga), presentan el mejor comportamiento en la superficie del flujo
presentando una menor turbulencia en forma de ondas que se dispersan por toda la superficie del
líquido en las figuras 4.9, 4.10 y 4.13 se observa este comportamiento.
Sin embargo en las diferentes configuraciones que se estudiaron en estado estacionario el aceite no
presentó abertura en la superficie del acero líquido, esto indica que el flujo de fluidos no se expone
al contacto del oxigeno, por lo tanto, esto nos dice que el comportamiento en la superficie del fluido
es adecuado para mejorar la calidad del acero porque reduce el grado de reoxidación disminuyendo
la fuente generadora de inclusiones metálicas en el distribuidor de colada continua. En la figura
4.15.b se presenta el mejor comportamiento en la superficie del flujo, el cual lo establece la
configuración V, utilizando una buza larga.
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
101
SPM&DF
Otro aspecto importante de estudio es el cambio de olla donde los prototipos modificadores de flujo
tienen que ver con la principal secuencia del drenado de la olla al distribuidor y es de tal
importancia cada uno de ellos porque son los que modifican el comportamiento del fluido
presentando mejores resultados e importantes cambios de ollas. En la figura 4.19 se muestran las
curvas que representan la variación del nuevo acero con respecto al tiempo. Este estudio se analizó
con la finalidad de establecer el mínimo tonelaje de acero aceptable en el distribuidor y obtener el
máximo tiempo para recomenzar el vertido de una nueva carga de acero al distribuidor sin que el
baño líquido se exponga demasiado tiempo al contacto del oxígeno, por tal secuencia las pérdidas
de acero serán menores obteniendo una mejor producción y por lo tanto mayores ingresos
económicos.
En la figura 4.4 se observa el comportamiento del flujo de la configuración II, durante un cambio de
olla de 14 toneladas, utilizando una capa de aceite en estado estacionario y a una máxima velocidad
de colada. Mostrando al inicio del cambio de olla una abertura de aceite alrededor de la buza, este
comportamiento ocurrió durante todo el transcurso del estudio, exponiendo al líquido al contacto
del oxígeno. En la configuración IV, al inicio del cambio de olla se originó una abertura de aceite
alrededor de la buza decreciendo durante el transcurso del estudio y al finalizar la capa de aceite se
cubre por completo, en la figura 4.11 se muestran las imágenes. Los estudios de la configuración V,
es el mejor resultado durante un cambio de olla, donde se observó al inicio del estudio experimental
una abertura de aceite de menor grado alrededor de la buza decreciendo en poco tiempo hasta
cubrir de aceite la superficie y durante todo el transcurso del estudio, al finalizar se abre la capa de
aceite en un menor grado y se vuelve a cubrir la superficie del líquido, en la figura 4.14 se muestran
las imágenes.
En la configuración II (IFH), se tiene un tiempo de 980 s, se presenta turbulencia en la superficie
del baño líquido originando que la capa de escoria se habrá, lo que indica que el acero se expone al
contacto del oxígeno generando inclusiones y siempre se de evitar el mínimo contacto metal-
oxígeno, esto se puede evitar en ocasiones vaciando constantemente escoria en la superficie del
líquido pero cabe mencionar que este procedimiento se puede volver un problema más complicado
porque durante el paso del tiempo y por la generación de turbulencia en la superficie la escoria
puede ser atrapada por el líquido generando que el acero se contamine más y por el exceso de
turbulencia en la superficie puede haber erosión de refractario generando otra fuente de inclusiones.
CAPÍTULO 4 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN
102
SPM&DF
También presenta una curva no consistente que origina recirculación y mezclado, en la figura 4.19
se observa la curva que sufre perturbaciones originando un alto nivel de inclusiones en el acero
porque el fluido no permite flotar libremente a las inclusiones a la superficie del baño líquido,
cuando se presentan estas características, en la curva es recomendable hacer una modificación de
nuevos prototipo controladores de flujo en el interior del distribuidor para mejorar la calidad del
acero. La configuración IV (IFP + PFR), con un tiempo de 1000 s, se presenta una turbulencia
estable exponiéndose al contacto del oxígeno en periodos cortos de tiempo mejorando la calidad del
acero es una curva idónea para un cambio de olla (figura 4.19), no presenta recirculación y
mezclado por sus características de ser una curva consistente. En la figura 4.19 se muestra la curva
más idónea para un cambio de olla, lo establece la configuración V (IFP), obteniendo un tiempo
máximo de 1100 s, se presenta una turbulencia estable y uniforme así también se expone en muy
poco tiempo al contacto del oxígeno evitando un menor grado de generar inclusiones en un cambio
de olla de 14 toneladas en el distribuidor de tipo DELTA, obteniendo un acero más limpio por lo
que la cantidad de inclusiones es más controlada para obtener las propiedades adecuadas del acero.
En la Tabla 4.4 se muestran los parámetros físicos en relación de la altura del agua y del acero en un
cambio de olla en el modelo de agua y el prototipo y, en la figura 4.17 se muestra la altura en la que
el distribuidor es recomendable hacer un cambio de olla de acuerdo a los análisis de estudio en
modelación física, donde se mejora la calidad del acero y por tanto la producción de planchón en la
planta industrial.
La curva DTR , de la figura 4.22 es el resultado de la optimización que mejora el comportamiento
del fluido y lo establece la configuración V (IFP), donde se utilizó una buza larga (0.13 m), el cual
mejora el comportamiento del flujo de fluidos con un volumen pistón de 31.54 (salida interior),
32.94 (salida exterior), volumen mezclado de 42.66 (salida interior), 42.50 (salida exterior),
volumen muerto de 25.80 (salida interior), 24.56 (salida exterior), varianza de 0.4460 (salida
interior), 0.4876 (salida exterior), y un tiempo mínimo de residencia de 35.00 (salida interior), 36.00
(salida exterior). La curva más idónea para un cambio de olla se muestra en la figura 4.19 que
establece un tiempo de 1100 s mejorando la calidad del acero.
La curva DTR, de la configuración IV (IFP + PFR), de la figura 4.23 también presenta una mejora
en la optimización del fluido obteniendo resultados cercanos a la configuración V, cabe mencionar
que la configuración IV, se obtuvó un porcentaje menor de volumen muerto comparado con la
configuración V, a una máxima velocidad de colada los resultados se muestran en la tabla 4.3.
CAPÍTULO 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
103 SPM&DF
CAPÍTULO 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 CONCLUSIONES
En este trabajo se estudio la modelación física del flujo de fluidos en estado estacionario a
diferentes velocidades de colada, donde se mejora el comportamiento del fluido a una máxima
velocidad de colada obteniendo los resultados y curvas DTR de las diferentes configuraciones
estableciendo la realización de un análisis comparativo para establecer el arreglo más eficaz que
mejora la optimización del flujo de fluidos y por lo tanto la remoción de inclusiones, el cual se
concluye que:
1. La buza larga (0.13 m), modifica el comportamiento del flujo de fluidos orientando al acero
líquido que entra al distribuidor hacia la superficie del acero, promoviendo la remoción de
inclusiones y evita la generación de turbulencia en la superficie del acero.
2. El inhibidor de flujo pentagonal (IFP), modifica el comportamiento del fluido
disminuyendo la turbulencia en la superficie del acero líquido, evitando que el acero en la
superficie no se abra, por lo que se disminuye el contacto metal-oxígeno disminuyendo la
reoxidación en el acero, evita el atrapamiento de escoria y la erosión de refractario en el
distribuidor. También el flujo es orientado a la superficie del líquido promoviendo la
remoción de inclusiones.
3. Las barras tapón es un conducto que provoca que el comportamiento del fluido este más
estable a mínimos niveles del acero liquido, evitando el origen de vórtices, evita el
atrapamiento de escoria en el distribuidor.
4. El piso falso rectangular (PFR), y piso falso triangular (PFT), modifican el comportamiento
del fluido manteniendo un mayor tiempo al acero líquido en el interior del distribuidor,
permitiendo que las inclusiones tomen el tiempo necesario para ascender a la superficie del
acero.
5. La eficiencia de los prototipos controladores de flujo mantienen un mejor comportamiento
del acero líquido a una máxima velocidad de colada.
CAPÍTULO 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
104 SPM&DF
6. De las configuraciones de estudio, la configuración V (IFP), utilizando buza larga es la que
presenta la mejor optimización del flujo de fluidos así también el mejor tiempo para realizar
un nuevo cambio de olla disminuyendo el problema que generaba la contaminación del
acero al hacer un cambio de olla en el sistema.
7. La configuración IV (IFP + PFR), utilizando buza larga es el segundo caso más factible que
mejoro el comportamiento del fluido.
5.1.2 RECOMENDACIONES
Es recomendable hacer un estudio de las curvas DTR, mediante una simulación matemática para
establecer resultados más exactos y tomar en cuenta los diferentes prototipos en estudio ya que son
los que en realidad modifican el comportamiento del flujo de fluidos obteniendo la calidad del acero
requerida por las plantas siderúrgicas en la actualidad.
Es recomendable hacer un análisis de estudio del comportamiento térmico del acero de las
condiciones de operación del distribuidor tipo DELTA, de cuatro salidas para establecer que
parámetros de post-fusión afecta la calidad del acero.
BIBLIOGRAFÍA
105
SPM&DF
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