Campo de fluxo em um funil de fundição contínua com um novo aquecedor de indução única

¹ RESUMO:Tundish comaquecimento por induçãoeletrodoméstico tem atraído cada vez mais atenções no processo siderúrgico nos últimos anos.O aquecedor de dupla indução ocupará uma grande capacidade de distribuição, o que consequentemente diminuirá a produção da siderúrgica.Uma tecnologia de tundish aquecedor de indução única foi apresentada no presente trabalho.Sua característica de fluxo é estudada por modelagem de água considerando as situações de serviço não isotérmico e isotérmico, e comparada com aquela do aquecedor de indução dupla.Os resultados mostram que a consistência do escoamento entre os diferentes fios é um pouco mais fraca com o aquecedor de indução simples do que com o aquecedor de indução dupla.Apesar disso, a caixa otimizada pode atender completamente aos requisitos industriais com sua fração de volume morto de 15% e o tempo mínimo de pausa de 92s.

PALAVRAS-CHAVE:Tundish com aquecimento por indução tipo canal;Aquecedor de indução simples;Campo de fluxo;

1Introdução

Tundish é um importante vaso metalúrgico no processo de lingotamento contínuo para distribuição de aço fundido entre a panela e o molde, promovendo a remoção de inclusões não metálicas e consequentemente melhorando a superfície e qualidade interna das peças fundidas [1-6].No entanto, com o processo de fundição, a temperatura do aço fundido cairá notavelmente tanto na concha quanto no distribuidor devido à perda de calor, o que levará a uma mudança na velocidade de fundição para operação suave e à instabilidade do fluxo de fluido no distribuidor e molde.Para manter a fundição estável sob uma dada temperatura constante, a tecnologia de aquecimento do aço fundido por pistola de plasma ou canal de indução no reservatório tem recebido cada vez mais atenção nos últimos anos.Sob esta situação, tanto a qualidade da superfície quanto uma qualidade interna consistente podem ser alcançadas para produtos de fundição.No entanto, devido à instalação do aquecedor de indução, o volume efetivo de um distribuidor será deduzido e as características de fluxo do fluido irão variar, em comparação com um distribuidor convencional.

Um distribuidor de corrente de 7 fios com canal de aquecimento por indução simétrico está em serviço em uma usina siderúrgica da China, que é usado para produzir rolamentos de alta qualidade e aços para molas.No entanto, as trilhas industriais constataram que as inclusões não metálicas nos tarugos de strand2 e strand6 são mais do que outras vertentes, o que se suspeitou ser o resultado de estrutura de distribuição irracional ao adotar o canal de indução.Portanto, uma otimização estrutural foi conduzida por nós e um caso otimizado foi fornecido com base no aquecedor de dupla indução.Em comparação com a estrutura do protótipo, a fração de volume da zona morta do caso otimizado foi diminuída em 30,16%, e o tempo médio de residência é prolongado em 278 s.Para ampliar o volume efetivo do distribuidor e aumentar a eficiência da produção, espera-se que um aquecedor de indução simples seja adotado nesta siderúrgica.Portanto, no presente trabalho, a estrutura deste distribuidor de 7 fios com aquecedor de indução única será otimizada por modelo físico, e as características de fluxo e comportamentos do fluido nele serão revelados, o que é benéfico para a melhor aplicação deste navio inovador na indústria.

Seu esquema é mostrado na Figura 1. A câmara de vazamento e a câmara de descarga são conectadas pelos canais de aquecimento par, e dois aquecedores estão ao redor dos canais.O aço fundido flui da câmara de vazamento para a câmara de descarga apenas através dos canais.

Figura 1.Esquema do distribuidor [8]

3. Resultados e discussões

3.1Para nexperimento isotérmico

Na operação industrial, quando o aço fundido flui através do canal de indução, ele será aquecido.Diferentes potências elétricas irão gerar vários efeitos de aquecimento.Para observar os efeitos do aquecimento por indução no fluxo de líquido, experimentos não isotérmicos com várias diferenças de temperatura (= 0, 5, 10, 20, 30 ° C) de fluido foram realizados em primeiro lugar para o distribuidor de protótipo com aquecedor de indução única (5º de inclinação do canal para cima, 300 mm da exportação do canal para a superfície inferior do distribuidor).O esquema estrutural é mostrado na Figura 2. Adotando a temperatura ambiente da água para modelar o aço fundido sem aquecimento fora do canal, várias temperaturas de água quente foram injetadas da entrada do canal.O esquema experimental está listado na Tabela 1.

Figura 2 Esquemas estruturais do distribuidor com aquecedor de indução única

Tabela 1. Esquema do experimento não isotérmico.

Os parâmetros característicos do fluido para diferentes casos são mostrados na Tabela 2 e as curvas de RTD são ilustradas na Figura 3.

Mesa2.Parâmetros característicos de casos de experimentos não isotérmicos.

Figura 3.Curvas de RTD de experimento não isotérmico em diferentesΔT: (a) caso P0,ΔT= 0° C;(b) P1, 5 ° C;(c) P2, 10 ° C;(d) P3, 20 ° C;(e) P4, 30 ° C.

Da Tabela 2, para o caso P0 (= 0 ° C),é de apenas 35 s, a fração de volume morto chega a 54,58%, o que significa que metade do fluido do distribuidor flui lentamente.A razão pode ser explicada pelas curvas de RTD da Figura 3 (a) da seguinte forma: as concentrações de picoC / C₀dos fios 2 e 6, no caso de P0, ambos excederem 5,0 e apresentarem formas agudas, o que sugere que a maior parte do traçador flui diretamente para a saída2 e saída6, formando \\"fluxo de curto-circuito \\".Comparando o caso P0 com o protótipo do aquecedor de indução dupla caso A0 da referência [8], a zona morta do primeiro, e os desvios padrãoesão todos maiores do que o último, indicando que não importa o protótipo do aquecedor de indução dupla ou aquecedor de indução única, seus campos de fluxo são irracionais sob a condição sem diferença de temperatura.

Para o caso P1 (= 5 ° C), o totalé de 45 se odos 2^WLa fita tem 44 s.Além disso, há uma grande diferença entre as curvas de RTD das diferentes vertentes.No entanto, a fração da zona morta de todo o distribuidor é de apenas 3,66%, muito menor do que o caso P0.Com o aumento da diferença de temperatura, o tempo mínimo de pausa e o tempo de pico dos casos P2 a P4 são obviamente estendidos e a zona morta desaparece.

Comparando os casos P1 a P4, as curvas RTD de sete vertentes tornam-se mais consistentes com o aumento de, e os desvios padrão (S) na Tabela 2 são geralmente decrescentes.

Para explicar os fenômenos acima, a trajetória da tinta dos casos P0 e P3 foi ilustrada nas Figuras 4 e 5, respectivamente.

Figura 4.Trajetória de dispersão de tinta no caso P0

Figura 5.Trajetória de dispersão de tinta no caso P3

Para o caso P0, a tinta preta primeiro flui ao longo do canal inclinado (Figuras 4a).Aos 78 s, parte da tinta se dispersa na superfície do banho, enquanto a outra flui diretamente para a saída2, formando um \\"fluxo de curto-circuito \\".Nesta situação, as inclusões não metálicas neste fio não terão tempo suficiente para flutuar e remover.Nas Figuras 4 (c) e (d), a tinta quase não podia fluir para perto da saída4, enquanto a maioria se concentrava em ambos os lados do distribuidor, sugerindo que a região próxima à saída4 é a principal fonte de zona morta.Da Tabela 2, ochega a 54,58%, respondendo por mais da metade do volume do distribuidor.Além disso, oerespectivamente exibem 122,40 e 101,94, o que indica uma grande diferença na característica de escoamento entre os diferentes fios.Portanto, otimizando a estrutura interna do distribuidor protótipo com aquecedor de indução única sob a condição de= 0 é extremamente necessário.

Na Figura 5, a trajetória da tinta no caso P3 é muito distinta do caso P0, ela primeiro flui para a superfície do banho com a água quente do canal (Figura 5 (a)) por causa da flutuabilidade térmica, e então se acumula para todo o distribuidor superfície (Figura 5 (b)), nenhum fluxo de curto-circuito é gerado neste caso.Depois disso, o fluxo quente desce gradualmente para todas as saídas.À medida que se passa muito tempo da superfície ao fundo do distribuidor, o tempo de residência do líquido aumenta consideravelmente.Além disso, o fluxo quente afunda totalmente, assim o volume morto desta caixa desaparece.

3.2ParaExperimental isotérmico

Conforme descrito na referência [8], quando o aquecimento por indução do distribuidor é executado por um período de tempo, a diferença de temperatura do aço fundido dentro e fora do canal de indução vai diminuir até desaparecer.Nesse momento, o aço fundido no distribuidor se tornará um fluxo isotérmico.Além disso, a operação de aquecimento por indução é normalmente usada para alguns tipos de aço especial, como rolamentos e aços para molas, para consideração econômica.Para classes de aço normais, a função de aquecimento dos canais não funcionará.Nessa situação, o fluxo de aço fundido através do canal também é isotérmico.Portanto, para a otimização estrutural de um distribuidor com aquecimento por indução simples, é necessário o experimento isotérmico do modelo de água.

Com base nos resultados do aquecedor de indução dupla [8], o caso do aquecedor de indução simples é projetado da seguinte forma: o canal de indução é definido como horizontal e é elevado a 340 mm de distância da superfície inferior do distribuidor, as duas barragens em cada lado do distribuidor está distribuído simetricamente entre as saídas, dam1 está na posição 375 mm para a saída2, dam2 está a 240 mm para a saída3.As alturas das barragens estão dispostas respectivamente em 0, 340, 420 e 500 mm, e o esquema experimental está listado na Tabela 3. Os parâmetros de característica de fluxo são apresentados na Tabela 4 e suas curvas de RTD são mostradas na Figura 6.

Mesa3.Esquema do experimento isotérmico

Mesa4.Parâmetros característicos de fluxo em experimento isotérmico

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

Da Tabela 4, o tempo médio de residência do caso G1 é aumentado em 292 se a fração da zona morta é diminuída pela metade em comparação com o caso P0, indicando que a elevação do canal de indução é favorável para a melhoria do campo de fluxo.No entanto, o canal de indução não pode ser muito alto devido aos limites da superfície do líquido do distribuidor e do aço de residência.

Comparando os casos G2 a G4, o tempo médio de residência se prolonga, e a fração da zona morta e a concentração de pico diminuem com o aumento da altura da barragem, sugerindo que a barragem alta é benéfica para a otimização do campo de fluxo deste distribuidor.Isso ocorre porque o fluido flui para cima ao invés de diretamente para a saída2 e saída6 por causa da guia da barragem alta.Nessa situação, o fluxo de curta circulação é eliminado.Os parâmetros de fluxo do caso G3 são próximos aos do caso G4, portanto, o caso G3 é considerado ótimo, considerando a produção real e a quantidade de aço residual.

A partir das curvas RTD na Figura 6, a diferença entre os vários fios é relativamente grande, pois o conjunto de aquecedor de indução única torna o campo de fluxo assimétrico em ambos os lados da câmara de descarga do distribuidor.

4. Conclusões

As características de fluxo para um distribuidor inovador de fundição com aquecedor de indução único tipo canal são reveladas pelo método do modelo de água, com base nas condições de trabalho isotérmicas e não isotérmicas do distribuidor, e o projeto de controle de fluxo ideal é apresentado.As seguintes conclusões são tiradas:

Na situação não isotérmica, o fluido do canal de aquecimento flui para cima diretamente para a superfície do líquido, o que é potencialmente favorável para a remoção de inclusões não metálicas no aço.Quanto maior for a diferença de temperatura dentro e fora do canal de aquecimento, mais óbvio será o aumento do fluxo.Quando a diferença de temperatura atinge 10 ° C, a zona morta do distribuidor é totalmente eliminada, e o tempo mínimo de residência do fluido e o tempo médio de residência atingem 353 se 1067 s, respectivamente, muito mais do que sob a condição de não haver diferença de temperatura .

Na situação isotérmica, a elevação do canal de indução e o conjunto de barragens duplas no distribuidor podem reduzir a fração de zona morta, sendo que a barragem alta tem vantagem sobre a barragem baixa.A fração da zona morta dos casos G3 e G4 é diminuída de 45,57% no distribuidor protótipo e 54,58% no caso P0 para menos de 16%.Considerando a altura da superfície do líquido e a quantidade de aço residual no distribuidor, o caso G3 (altura do canal de indução 340 mm, altura de duas barragens 420 mm) pode ser considerado como a escolha ideal para uma produção real.

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