Campo de flujo en una artesa de colada continua con un novedoso calentador de inducción simple

¹ ABSTRACTO:Tundish concalentamiento por inducciónaparato ha atraído cada vez más atención en el proceso de fabricación de acero en los últimos años.El calentador de doble inducción ocupará una gran capacidad de artesa, lo que en consecuencia disminuirá la producción de la planta de acero.En el presente trabajo se ha propuesto una tecnología de artesa con calentador de inducción única.Su característica de flujo se estudia mediante modelos de agua considerando situaciones de servicio no isotérmicas e isotérmicas, y se compara con la del calentador de doble inducción.Los resultados muestran que la consistencia de flujo entre diferentes hilos es un poco más débil con calentador de inducción simple que con calentador de inducción doble.A pesar de esto, la carcasa optimizada puede cumplir completamente con los requisitos industriales con su fracción de volumen muerto del 15% y el tiempo de interrupción mínimo de 92 s.

PALABRAS CLAVE:Artesa con calentamiento por inducción tipo canal;Calentador de inducción simple;Campo de flujo;

1.Introducción

La artesa es un recipiente metalúrgico importante en el proceso de colada continua para distribuir el acero fundido entre la cuchara y el molde, promoviendo la eliminación de inclusiones no metálicas y, en consecuencia, mejorando la calidad superficial e interna de las piezas fundidas [1-6].Sin embargo, con el proceso de fundición, la temperatura del acero fundido descenderá notablemente tanto en la cuchara como en la artesa debido a la pérdida de calor, lo que provocará un cambio en la velocidad de fundición para un funcionamiento suave y la inestabilidad del flujo de fluido en la artesa y el molde.Para mantener la colada estable a una temperatura constante dada, la tecnología de calentamiento del acero fundido mediante pistola de plasma o canal de inducción en artesa ha recibido cada vez más atención en los últimos años.En esta situación, se puede esperar que se logre tanto la calidad de la superficie como una calidad interna constante para los productos de fundición.Sin embargo, debido a la instalación del calentador de inducción, el volumen efectivo de una artesa se deducirá y las características de flujo del fluido variarán, en comparación con una artesa convencional.

Una artesa de 7 hebras con canal de calentamiento por inducción simétrico ha estado en servicio en una planta de acero de China, que se utiliza para producir aceros para cojinetes y resortes de alta calidad.Sin embargo, los rastros industriales encontraron que las inclusiones no metálicas en los tochos de strand2 y strand6 son más que otras hebras, lo que se sospechaba que era el resultado de una estructura de artesa irracional al adoptar el canal de inducción.Por lo tanto, realizamos una optimización estructural y proporcionamos una carcasa optimizada basada en el calentador de doble inducción.En comparación con la estructura del prototipo, la fracción de volumen de la zona muerta del caso optimizado se redujo en un 30,16% y el tiempo de residencia medio se prolongó en 278 s.Para aumentar el volumen efectivo de la artesa y aumentar la eficiencia de producción, se espera que se adopte un calentador de inducción simple en esta planta de acero.Por lo tanto, en el presente trabajo se optimizará la estructura de esta artesa de 7 hilos con calentador de inducción simple mediante modelo físico, y se revelarán las características de flujo y comportamientos del fluido en el mismo, lo cual es beneficioso para la mejor aplicación de este. buque innovador en la industria.

Su esquema se muestra en la Figura 1. La cámara de vertido y la cámara de descarga están conectadas por el par de canales de calentamiento, y dos calentadores están alrededor de los canales.El acero fundido fluye desde la cámara de vertido a la cámara de descarga solo a través de los canales.

Figura 1.Esquema de la artesa [8]

3. Resultados y debates

3.1Para nexperimento en isoterma

En la operación industrial, cuando el acero fundido fluye a través del canal de inducción, se calienta.Diferentes potencias eléctricas generarán varios efectos de calentamiento.Para observar los efectos del calentamiento por inducción en el flujo de líquido, experimentos no isotérmicos con varias diferencias de temperatura (= 0, 5, 10, 20, 30 ° C) de fluido se realizaron en primer lugar para el prototipo de artesa con calentador de inducción simple (5º de inclinación del canal hacia arriba, 300 mm desde la exportación del canal hasta la superficie del fondo de la artesa).El esquema estructural se muestra en la Figura 2. Adoptando el agua a temperatura ambiente para modelar el acero fundido sin calentar fuera del canal, se inyectaron varias temperaturas de agua caliente desde la entrada del canal.El esquema experimental se enumera en la Tabla 1.

Figura 2 Esquemas estructurales de artesa con calentador de inducción simple

Tabla 1. Esquema del experimento no isotérmico.

Los parámetros característicos del fluido para diferentes casos se muestran en la Tabla 2, y las curvas RTD se ilustran en la Figura 3.

Mesa2.Parámetros característicos de casos experimentales no isotérmicos.

Figura 3.Curvas RTD del experimento no isotérmico en diferentesΔT: (a) caso P0,ΔT= 0° C;(b) P1, 5 ° C;(c) P2, 10ºC;(d) P3, 20 ° C;(e) P4, 30ºC.

De la Tabla 2, para el caso P0 (= 0 ° C),es de sólo 35 s, la fracción de volumen muerto alcanza el 54,58%, lo que significa que la mitad del fluido de la artesa fluye lentamente.La razón puede explicarse por las curvas de RTD de la Figura 3 (a) de la siguiente manera: las concentraciones máximasC / C₀de las hebras 2 y 6 en caso de que P0 exceda 5.0, y muestren formas afiladas, lo que sugiere que la mayoría del trazador fluye directamente hacia la salida2 y la salida6, formando un \\"flujo de cortocircuito \\".Comparando el caso P0 con el prototipo del calentador de doble inducción A0 de la referencia [8], la zona muerta del primero, y las desviaciones estándaryson todos más grandes que el último, lo que indica que no importa el prototipo de calentador de inducción doble o calentador de inducción simple, sus campos de flujo son irracionales bajo la condición sin diferencia de temperatura.

Para el caso P1 (= 5 ° C), el totales de 45 sy elde los 2^{Dakota del Norte}hebra es de 44 s.Además, existe una gran diferencia entre las curvas RTD de diferentes hebras.Sin embargo, la fracción de la zona muerta de toda la artesa es sólo el 3,66%, mucho menor que el caso P0.Con el aumento de la diferencia de temperatura, el tiempo mínimo de interrupción y el tiempo pico de los casos P2 a P4 se amplían obviamente y la zona muerta desaparece.

Comparando los casos P1 a P4, las curvas RTD de siete hebras se vuelven más consistentes con el aumento en, y las desviaciones estándar (S) en la Tabla 2 generalmente están disminuyendo.

Para explicar los fenómenos anteriores, la trayectoria de la tinta de los casos P0 y P3 se ilustró en las Figuras 4 y 5, respectivamente.

Figura 4.Trayectoria de dispersión de tinta en el caso P0

Figura 5.Trayectoria de dispersión de tinta en el caso P3

Para el caso P0, la tinta negra fluye primero a lo largo del canal inclinado (Figuras 4a).A los 78 s, parte de la tinta se dispersa hacia la superficie del baño, mientras que la otra fluye directamente hacia la salida2, formando un \\"flujo de cortocircuito \\".En esta situación, las inclusiones no metálicas de esta hebra no tendrán tiempo suficiente para flotar y eliminarse.De las Figuras 4 (c) y (d), la tinta casi no podía fluir hasta cerca de la salida4, mientras que la más concentrada en ambos lados de la artesa, sugiriendo que la región cerca de la salida4 es la principal fuente de zona muerta.De la Tabla 2, elalcanza el 54,58%, lo que representa más de la mitad del volumen de artesa.además, elyexhiben respectivamente 122.40 y 101.94, en los que se indica una gran diferencia en la característica de flujo entre diferentes hebras.Por lo tanto, optimizar la estructura interna del prototipo de artesa con calentador de inducción simple bajo la condición de= 0 es muy necesario.

De la Figura 5, la trayectoria de la tinta en el caso P3 es muy distinta del caso P0, primero fluye hacia la superficie del baño con el agua caliente del canal (Figura 5 (a)) debido a la flotabilidad térmica, y luego se acumula en toda la artesa. superficie (Figura 5 (b)), no se genera flujo de cortocircuito en este caso.Después de eso, el flujo caliente desciende gradualmente a cada salida.Como se pasa mucho tiempo desde la superficie hasta el fondo de la artesa, el tiempo de residencia del líquido aumenta considerablemente.Además, el flujo caliente se hunde por completo, por lo que desaparece el volumen muerto de esta caja.

3.2ParaExperimental isotermo

Como se describió en la referencia [8], cuando el calentamiento por inducción de la artesa funciona durante un período de tiempo, la diferencia de temperatura del acero fundido dentro y fuera del canal de inducción se reducirá hasta desaparecer.En ese momento, el acero fundido en la artesa se convertirá en flujo isotérmico.Además, la operación de calentamiento por inducción se usa generalmente para algunos grados de acero especiales, como los aceros para cojinetes y resortes, por razones económicas.Para los grados de acero normales, la función de calentamiento de los canales no funcionará.En esta situación, el flujo de acero fundido a través del canal también es isotérmico.Por lo tanto, para la optimización estructural de una artesa con calentamiento por inducción simple, es necesario el experimento isotérmico del modelo de agua.

Basado en los resultados del calentador de inducción doble [8], la carcasa del calentador de inducción simple está diseñada de la siguiente manera: el canal de inducción se establece como horizontal y se eleva a 340 mm de la superficie inferior de la artesa, las dos presas en cada lado de la artesa están distribuidos simétricamente entre las salidas, la presa1 está en la posición de 375 mm a la salida2, la dam2 está a 240 mm de la salida3.Las alturas de las presas están dispuestas respectivamente como 0, 340, 420 y 500 mm, y el esquema experimental se enumera en la Tabla 3. Los parámetros característicos de flujo se presentan en la Tabla 4, y sus curvas RTD se muestran en la Figura 6.

Mesa3.Esquema del experimento isotérmico.

Mesa4.Parámetros característicos de flujo en experimento isotérmico

Figura 6Curvas RTD del experimento isotérmico en diferentes casos: (a) G1;(b) G2;(c) G3;(d) G4

De la Tabla 4, el tiempo de residencia promedio del caso G1 se incrementa en 292 sy la fracción de zona muerta se reduce a la mitad en comparación con el caso P0, lo que indica que la elevación del canal de inducción es favorable para la mejora del campo de flujo.Sin embargo, el canal de inducción no puede ser demasiado alto debido a los límites de la superficie líquida de la artesa y el acero de residencia.

Al comparar los casos G2 a G4, el tiempo de residencia promedio se prolonga y la fracción de zona muerta y la concentración máxima disminuyen con el aumento de la altura de la presa, lo que sugiere que la presa alta es beneficiosa para la optimización del campo de flujo de esta artesa.Esto se debe a que el fluido fluye hacia arriba en lugar de directamente hacia la salida2 y la salida6 debido a la guía de la presa alta.En esta situación, se elimina el flujo de circulación corta.Los parámetros de flujo del caso G3 son cercanos a los del caso G4, por lo que se cree que el caso G3 es óptimo, considerando la producción real y la cantidad de acero residual.

De las curvas de RTD en la Figura 6, la diferencia entre varios hilos es relativamente grande ya que el conjunto de calentador de inducción simple hace que el campo de flujo sea asimétrico en ambos lados de la cámara de descarga de la artesa.

4. Conclusiones

Las características de flujo para una artesa de fundición innovadora con calentador de inducción simple de tipo canal se revelan mediante el método de modelo de agua, basado en las condiciones de trabajo isotérmicas y no isotérmicas de la artesa, y se presenta el diseño de control de flujo óptimo.Se extraen las siguientes conclusiones:

En la situación no isotérmica, el fluido del canal de calentamiento fluye hacia arriba directamente a la superficie del líquido, lo que es potencialmente favorable para la eliminación de inclusiones no metálicas en el acero.Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura dentro y fuera del canal de calefacción, más obvio será el flujo ascendente.Cuando la diferencia de temperatura alcanza los 10 ° C, la zona muerta de la artesa se elimina por completo, y el tiempo de residencia mínimo del fluido y el tiempo de residencia promedio alcanzan 353 sy 1067 s, respectivamente, mucho más largo que en la condición de ausencia de diferencia de temperatura. .

En la situación isotérmica, la elevación del canal de inducción y el conjunto de presas dobles en la artesa pueden reducir la fracción de zona muerta, y la presa alta tiene ventaja sobre la presa baja.La fracción de zona muerta de los casos G3 y G4 se reduce del 45,57% en la artesa prototipo y del 54,58% en el caso P0 a menos del 16%.Teniendo en cuenta la altura de la superficie del líquido y la cantidad de acero residual en la artesa, la caja G3 (altura del canal de inducción 340 mm, altura de dos presas 420 mm) se puede considerar como la opción óptima para una producción real.

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