structural analysis of molten steel ladles of tamsa
Contents
1. Espa ola de Cer mica y Vidrio Vol 32 N 5 1993 pags 371 378 Gast n A y M Medina Precalentamiento y enfriamiento de cucharas de acer a Abacos de Operaci n Mec nica Computacional Vol 14 1994 p gs 392 403 Gast n A y M Medina Thermal Modeling of Casting Ladles High Alumina dolomite magnesite and magnesia graphite refractories Iron and Steelmaker January 1996 pags 29 35 Gaston R Laura y M Medina Model for predicting steel temperature and thermal state of casting tundishes Ironmaking and Steelmaking vol 18 No 5 pp 370 373 1991 G S nchez Sarmiento y A Gast n An lisis de tensiones termomec nicas en los refractarios de cucharas de acero l quido de SIDERAR S A en las zonas de mu ones de soporte Informe T cnico de SOFT ING para Refractarios Argentinos S A Junio de 1998 G S nchez Sarmiento A Gast n R Topolevsky J Mad as S Sylvestre Begnis PC Bast as Estudios de la evoluci n de la temperatura y de las tensiones t rmicas en los refractarios y carcaza de cucharas de acer a de SIDERAR SAIC Informe T cnico de KB Engineering N 001 1999 Enero de 1999 G S nchez Sarmiento J L Otegui R Topolevsky M Mizdrahi M Pizzi M J A Solari W Agnese y J Usart An lisis estructural de las cucharas de acer a de SIDERAR con dise os alternativos de refuerzos superiores Informe T cnico de KB Engineering N 001 2001 Enero de 2001 M J A Solari y G S2. n de la Norma AISE N 9 como de los resultados del an lisis estructural por elementos finitos surge que ambas alternativas son factibles bajo el punto de vista estructural Se presenta en el Informe de Ref 3 una pormenorizada descripci n de resultados de tensiones y de deformaciones en toda la carcaza que pueden emplearse en posteriores an lisis para la evaluaci n de nuevas configuraciones de refractarios y de modificaciones del dise o mec nico de algunos detalles estructurales Los resultados dan indicaciones b sicas sobre las cuestiones m s importantes que deben tenerse en cuenta para tales modificaciones En este trabajo se hace una somera revisi n de los resultados m s importantes descriptos en ref 3 2 MODELOS DE ELEMENTOS FINITOS DESARROLLADOS Una vista completa del modelo desarrollado para la geometr a original de la cuchara se observa en la figura 1 y en la figura 2 su discretizaci n en elementos finitos s lidos tridimensionales y de tipo c scara Detalles de las dos alternativas de dise o para la parte superior de la carcaza se aprecian en las figuras 3 y 4 5 KB Engineering SRL Florida 274 Of 35 1005 Buenos Aires Argentina sanchezsarmiento O arnet com ar 6 Universidad de Buenos Aires Facultad de Ingenier a Av P Col n 850 Buenos Aires Argentina 7 INTEMA Universidad Nacional de Mar del Plata Av J B Justo 4300 Mar del Plata Argentina 8 TAMSA Tenaris Group Km 433 7 Carr M xico Vera
3. 03 a 12 22 p m Termograf a 2 A la entrada al Carro Morgan d a 20 01 03 a 12 23 p m Termograf a 3 A la salida del L F d a 20 01 03 a 01 26 p m Termograf a 4 A la salida del L F d a 20 01 03 a 01 26 p m Termograf a 5 A la salida del M C C d a 20 01 03 a 3 24 p m Termograf a 6 A la salida del M C C Torreta d a 20 01 03 a 3 27 p m Termograf a 7 A la entrada del quemador horizontal d a 20 01 03 a 3 38 p m Termograf a 8 A la entrada del quemador horizontal d a 20 01 03 a 3 40 p m De la Cuchara 2 Termograf a 9 A la salida del quemador horizontal d a 24 01 03 a 10 35 a m Termograf a 10 A la entrada al Carro Morgan dia 24 01 03 a 10 36 p m Termograf a 11 A la salida del L F d a 24 01 03 a 12 03 p m Termograf a 12 A la salida del V D d a 24 01 03 a 12 36 p m Termograf a 13 A la llegada al M C C d a 24 01 03 a 12 45 p m Termograf a 14 A la salida del M C C Torreta d a 24 01 03 a 2 10 p m Termograf a 15 A la entrada del quemador horizontal d a 24 01 03 a 2 24 p m Termograf a 16 A la entrada del quemador horizontal d a 24 01 03 a 2 25 p m De la Cuchara 3 Termograf a 17 A la salida del quemador horizontal d a 25 01 03 a 8 22 a m Termograf a 18 A la entrada al Carro Morgan d a 25 01 03 a 8 23 a m Termograf a 19 A la salida del L F d a 25 01 03 a 9 34 a m Termograf a 20 A la salida del L F d a 25 01 03 a 9 33 a m Termograf a 21 A la llegada al M C C d a
4. La temperatura de colado en la MCC var a dependiendo del grado y tipo de acero y puede tomar un valor desde 1500 hasta 1570 C Los tiempos de colado son en promedio de 77 min para el calibre 215 73 min para el calibre 270 71 min para el calibre 310 y de 68 min para los calibres 330 y 370 Durante la etapa de colado y durante los traslados de una estaci n a otra la cuchara se encuentra con tapa 5 Etapa de enfriamiento Al terminar de colar la cuchara es destapada y se manda a eliminaci n de los residuos de acero y escoria Figura 5 Evoluci n de la temperatura de la cara caliente de los refractarios de la cuchara Figura 6 Evoluci n de la temperatura de la cara caliente de los refractarios de la cuchara durante las opciones b y c de secado Figure 6 Temperature evolution of the laddle refractories hot face during options a and b of drying Posteriormente en una mampara la cuchara pasa a limpieza del orificio de vaciado revisi n y limpieza de 4 ANALISIS ESTRUCTURAL REALIZADO 5 1 Metodolog a de c lculo Siguiendo una metodolog a desarrollada por los autores junto con la Dra Anal a Gast n con programas computacionales desarrollados por los mismos 4 16 y con la experiencia de varios an lisis similares 17 18 se ha realizado el presente an lisis siguiendo las siguientes etapas 2 FA Aplicaci n de la Norma AISE N 9 Simulaci n de la transferencia de calor en la carcaza y en los refractario
5. geometric aternatives are adequate under a structural point of view A detailed description of the results of strain and stresses at the complete ladle shell are presented in the report of ref 1 They can be used for later analysis for the evaluation of new distributions of refractories and for modifications of the mechanical design of some structural details The results give basic indications about the most important aspects that must be taken into account for these modifications A brief review of the results are presented in this paper 1 KB Engineering SRL Florida 274 Of 35 1005 Buenos Aires Argentina sanchezsarmiento arnet com ar 2 Universidad de Buenos Aires Facultad de Ingenier a Av P Col n 850 Buenos Aires Argentina 3 INTEMA Universidad Nacional de Mar del Plata Av J B Justo 4300 Mar del Plata Argentina 4 TAMSA Tenaris Group Km 433 7 Carr M xico Veracruz M xico EXTENSION DE VIDA RESIDUAL DE CUCHARAS DE COLADA DE ACERO G S nchez Sarmiento 7 J L Otegui A Cisilino M J Mizdrahi M Pizzi Y R Espinosa R D az L Ferro 1 INTRODUCCI N Se describe en este trabajo el dise o de dos alternativas diferentes para el aumento de la capacidad de las cucharas de acer a de TAMSA M xico y un an lisis estructural por elementos finitos de las cucharas tanto en su conformaci n actual como as tambi n con ambas alternativas con la finalidad de verificar que tales d
6. los fines de comparar la cuchara original con los dos dise os propuestos de extensi n superior Se observa en la figura 15 derecha que las mayores tensiones en la carcaza que llegan a 90 MPa se registran en la zona inferior Esos niveles se disminuyen considerablemente con las cartelas de refuerzo vertical en esa zona que se ven en las termograf as En el modelo esos refuerzos no se incluyeron pues no figuraban en los planos En la figura 16 se observa que el mayor nivel de tensi n equivalente se registra en el borde interior del tope superior 180 MPa 6 COMPARACIONES DE NIVELES DE TENSIONES Y CONCLUSIONES En la siguiente tabla se resumen los valores m ximos de tensiones calculados en las zonas de inter s Zona inferior de la pared lateral con mayores tensiones 130 130 Zona considerada en la Caso de Cuchara original Cuchara con exten Cuchara con exten carcaza carga si n c nica si n cil ndrica Borde interior del tope superior Zona de la carcaza por encima del anillo de refuerzo superior con mayores tensiones Tabla 3 Resumen de valores m ximos de tensiones en MPa calculados en las tres zonas de mayor inter s Tabla 3 Main maximum values of stresses in MPa calculated at the three zones of major interest Actualmente las cucharas est n dise adas para alojar 170 Tm de acero l quido teniendo la l nea de acero a 524 mm de la brida superior menos 200 mm de la capa de escoria de lo cual resulta un bord
7. trabajo figura 6 c La cuchara ha sido reparada parcialmente normalmente cambio de l nea de escoria adem s de blocks porta tap n y porta b za ver figura 6 En cualquiera de las tres situaciones la cuchara interrumpe su secado en el quemador vertical y se pasa al precalentador horizontal donde termina su ciclo de secado mientras se acondiciona para la operaci n lo cual incluye instalaci n de los tapones porosos la v lvula Flo Con boquillas y placas de vaciado etc 2 Etapa de llenado tapping De la etapa de secado se pasa a la adici n de arena de taponamiento y posteriormente a un quemador vertical donde se espera a que el horno solicite cuchara para vaciar Cuando esto ocurre pasa al carro de vaciado donde recibe el acero a una temperatura que oscila entre 1600 y 1620 C 3 Etapa de transporte La cuchara pasa al LF en donde del proceso depende de si va a ir al VD o no Cuando la cuchara no va a VD el proceso toma 30 minutos como m nimo y luego 10 min de flotaci n saliendo posteriormente a una temperatura de 1570 1590 C En el caso de ir al VD el proceso toma 30 minutos como m nimo en LF y 50 min m s en el VD saliendo del LF al VD a una temperatura entre 1610 C y 1650 C dependiendo del grado de acero y de la temperatura del equipo VD 4 Etapa de vaciado Sin importar su procedencia LF o VD las coladas deben llegar a una temperatura entre 1560 C y 1590 C dependiendo del grado del acero a elaborar
8. 25 01 03 a 9 47 p m Termograf a 22 A la salida del M C C Torreta d a 25 01 03 a 11 05 p m Termograf a 23 A la entrada del quemador horizontal d a 25 01 03 a 11 14 am Termograf a 24 A la entrada del quemador horizontal d a 25 01 03 a 11 23 am 5 5 C lculos de la distribuci n de temperatura en toda la carcaza Ajuste de coieficientes de transerencia t rmica La distribuci n de temperatura en toda la extensi n de la carcaza es obtenida resolviendo mediante el m todo de elementos finitos con el Sistema ABAQUS la ecuaci n de conducci n de calor con condiciones de contorno tipo convectivas en todas sus superficies e imponiendo conductancias conocidas entre la carcaza y los refuerzos los mu ones y las patas inferiores La soluci n depende fuertemente de los coeficientes de las condiciones de contorno convectivas y de dichas conductancias los cuales son par metros que deben ajustarse convenientemente de manera que los c lculos coincidan de la mejor manera posible con las mediciones efectuadas de la temperatura A partir de las termograf as listadas en el punto anterior se han ajustado dichos coeficientes del modelo de cuchara con geometr a original A modo de ejemplo algunos resultados se observan en las figuras 9 10 y 11 contrast ndose las termograf as mostradas a la izquierda de cada figura con los resultados del modelo a la derecha de las mismas Los acuerdos alcanzados en la mayor a de los casos son ampliamente sat
9. STRUCTURAL ANALYSIS OF MOLTEN STEEL LADLES OF TAMSA G S nchez Sarmiento J L Otegui A Cisilino M J Mizdrahi M Pizzi Y R Espinosa R D az L Ferro ABSTRACT The design and the finite element analysis of two different alternatives for the increment of capacity of molten steel ladles of TAMSA M xico are described in this paper Initially these ladles was designed for hosting 170 tons of liquid steel With the present study we get an increment of the ladles height in 200 mm which corresponds to an increment of the theoretical capacity in 10 to 11 tons carrying it to a value of 163 tons Two alternative ways has been study for this capacity increment a mantaining the conicity of the shell in the zone of the extension and b the shell extension with cilindrical geometry The design has been verified by means of the application of Standard AISE N 9 and also by finite element analysis for the original geometry as well as both alternatives proposed using the system ABAQUS Standard The three finite element models have been developed by means of ABAQUS CAE the Pre and Post processor of ABAQUS The heat transfer models for calculating the thermal loads over the structure has been adjusted by thermographies performed in plant obtaining good agreements between the models and the measurements By the application of the Standard AISE N 9 as well as the finite element analysis one can conclude that both
10. anas en la zona de los mu ones Se supone tambi n que el espacio entre los refractarios y la carcaza es nulo a temperatura ambiente La temperatura en el espesor de la carcaza puede considerarse uniforme Por su parte aproximando el perfil de temperatura en el refractario de trabajo por una variaci n lineal en la direcci n del espesor se distinguen dos componentes de dicha variaci n que tienen efectos bien diferenciados 1 La temperatura promedio en el espesor del refractario Esta es la componente de la variaci n de la variaci n de la temperatura que provoca las fuerzas de dilataci n La fuerza de dilataci n del refractario Fz de compresi n ser equilibrada por la fuerza de dilataci n de la carcaza Fs de tracci n La dilataci n de la carcaza crea una tensi n uniforme Sc 2 Un gradiente de temperatura constante en el espesor del refractario Esta componente es la responsable de un momento t rmico M7 en el refractario y no tiene influencia sobre las fuerzas de dilataci n Fz o Fs Sin embargo el momento t rmico crea tensiones en el refractario Dicha tensi n t rmica S es de compresi n sobre la cara caliente del refractario y se suma a la tensi n de compresi n Sc resultando una tensi n total Sc Sc Sc Por su parte sobre la cara fr a del refractario Sc es una tensi n de tracci n que hace disminuir la tensi n de compresi n Sc Se detalla en el Informe de ref 3 la aplicaci n
11. cruz M xico Figura 1 Modelo geom trico desarrollado para el dise o original de las cucharas Figure 1 Geometric model developed for the original design of the ladles Viewport AA kentes e a E ODE cucharatl odb BAQU ra est de Sudam rica E 2003 Step Step 1 Increment 1 Step Time 1 000 Figura 2 Discretizaci n en elementos finitos Figure 2 Finite element mesh Viewport 1 ODB C MBAQUSchente sf AMSA sicucharat 1 13032003 0db Figura 3 Detalle superior para la alternativa 1 de modificaci n geom trica Figure 3 Detail of the upper zone for the alternative 1 of geometric modification Viewport 1 ODB C MBAQUSIchentesT AMS AL sicucharat 2 20032003 0db Figura 4 Detalle superior para la alternativa 2 de modificaci n geom trica Figure 4 Detail of the upper zone for the alternative 2 of geometric modification 3 ETAPAS DE LAS CUCHARAS EN SERVICIO El an lisis estructural de las cucharas debe contemplar todas las cargas mec nicas y t rmicas que soportan las mismas en sus condiciones m s desfavorables A tal efecto debe tenerse en cuenta todas las solicitaciones duran te su ciclo de servicio el cual est constitu do por las siguientes cinco etapas sucesivas 1 Etapa de precalentamiento 0 de secado Para el secado de la cuchara se presentan tres opciones a considerar a La cuchara es completamente nueva incluyendo la seguridad figura 5 b La cuchara tiene completo el revestimiento de
12. cuchara por encima del nivel de acero l quido se considera intercambio de calor por radiaci n en forma acoplada con la conducci n en la cuchara Se simula un nivel de acero l quido que ocupa un espacio variable dentro de la cuchara definido por la variaci n temporal del nivel del mismo por encima del fondo de aquella De esta manera se simulan indistintamente las sucesivas operaciones realizadas con la cuchara como casos particulares del mismo marco algor tmico La evoluci n temporal de la temperatura del metal l quido resulta de un balance t rmico acoplado con la determinaci n de la distribuci n de la temperatura en los materiales refractarios y en la tapa en la cual se consideran los efectos de adiciones arbitrarias de minerales durante la colada Como ejemplo de aplicaci n del Sistema TEMALC al presente estudio en la figura 8 se muestran resultados obtenidos durante la etapa de precalentamiento para la opci n a Una distribuci n de isotermas a las 17 hs de iniciado el precalentamiento se grafica en la parte izquierda mientras que a la derecha se muestra la variaci n temporal de la temperatura en varios puntos a trav s del espesor del refractario 5 4 Termograf as obtenidas en TAMSA Personal de TAMSA ha obtenido termografias de tres cucharas de vaciado durante su proceso de trabajo espec ficamente en las etapas que se listan a continuaci n De la Cuchara 1 Termograf a 1 A la salida del quemador horizontal d a 20 01
13. de esta aproximaci n a las cucharas bajo estudio lleg ndose a los siguientes resultados En la cara fr a Sc S c S c 28 8 17 0 11 8 MPa En la cara caliente Sc S S 28 8 17 0 45 8 MPa Este ltimo valor es algo superior al valor estimado de 36 MPa de an lisis no lineal del comportamiento del refractario como tensi n extrema al comienzo del ciclo Extrapolando los dos ltimos resultados se adopta entonces el valor de 1 05 MPa para la presi n interna m xima que los refractarios ejercen sobre la carcaza Este valor de presi n interna m xima de 1 05 MPa tambi n se lo considera aplicable al revestimiento del barril de trabajo por debajo de la l nea de escoria 5 8 Estados de tensiones y deformaciones calculados en la cuchara original para el caso de carga 1 con la cuchara soportada de ambos mu ones Como ejemplo de los c lculos realizados se muestran resultados del c lculo de tensiones y deformaciones en la cuchara original para el caso de carga 1 es decir con la cuchara soportada de ambos mu ones Los diagramas de deformaci n resultantes con un factor de magnificaci n de deformaciones igual a 100 se observan en las figuras 14 y 15 izquierda desde las direcciones de los tres ejes coordenados x y z La distribuci n de la tensi n equivalente de von Mises en toda la carcaza se muestra en la figura 15 derecha y en la figura 16 se hace lo propio con el detalle de la zona superior a
14. e libre de 324 mm te ricos De acuerdo al dise o el espesor de los refractarios en las paredes era de 254 mm y fue modificado a 324 mm para incrementar la vida til de las cucharas en servicio Este cambio en los refractarios afecta directamente la capacidad te rica de las cucharas disminuyendo a 153 Vievport 1 ODB C MBAQUS ente si AMS A originalkcucharam_CC1odb Vievport 1 0DB C MBAQUS A entes A AMSAL onginalkucharam_CC1 0db Figura 14 Diagrama de deformaci n de la cuchara original para el Caso de Carga 1 apoyada en los mu ones Vistas desde el eje x izquierda y desde el eje y derecha Figure 14 Deformation diagrams of the original laddle for Load Case 1 supported by the trunnions Views from the x axis left and from the y axis right Viewport 1 ODB C ABAQUSichente sf AMSA originalkcucharam_CCLodb Viewport 1 ODB C ABAQUSichente si AMSA onginalkucharam_CC1 0db ODB cucharam CC1 odb i 0 l 4 S O 0DE cucharam CC1 odb 01 11 54 32 Hora est de Sudam rica E Step Step 1 Step Step 1 Increment 1 Step Time 00 j Increment 1 Step Time 1 000 Primary Var S Mises Deformed Var U Deformation Scale Fagtor 1 000e 02 Figura 15 Izquierda Diagrama de deformaci n de la cuchara original para el Caso de Carga 1 apoyada en los mu ones visto desde el eje z Derecha Distribuci n de la tensi n equivalente de von Mises en la cuchara original para el mismo Caso de Carga Figure 15 Left Deformation diagram o
15. f the original laddle for Load Case 1 supported by the trunnions Views from the z axis Right Distribution of the von Mises equivalent stress in the original laddle for the same load case Viewport 1 ODB C MBAQUSIchentes MT AMSA onginalkucharam_CC1 0db Figura 16 Distribuci n de la tensi n equivalente de von Mises en la cuchara original para el Caso de Carga 1 apoyada en los mu ones Figure 16 Distribution of the von Mises equivalent stress in the original laddle for Load Case I supported by the trunnions Con el presente estudio se busca incrementar la altura de la cuchara en 200 mm lo que se reflejar a en un incremento de la capacidad te rica en 10 a 11 Tm llevando la misma a un valor de 163 Tm Los an lisis t rmicos y de tensiones descriptos en el presente informe se inscriben en el marco de un proyecto de TAMSA concerniente a la evaluaci n de nuevos dise os de las cucharas de acer a para el aumento de su capacidad actualEl dise o ha sido verificado mediante la aplicaci n de la Norma AISE N 9 y sendos an lisis estructurales mediante elementos finitos tanto de la geometr a original como de ambas alternativas propuestas empleando el Sistema de elementos finitos ABAQUS Standard Se han analizado los tres modelos de cuchara tanto bajo la aplicaci n de la Norma AISE N 9 como de los resultados del an lisis estructural por elementos finitos surgiendo que ambas alternativas son factibles bajo el punto de vista estructura
16. i n 5 5 2 3 Presi n ferrost tica correspondiente a 158 Tm de acero l quido para la cuchara original y 169 para las modificadas 2 4 Presi n sobre la carcaza ejercida por la dilataci n t rmica de los refractarios de 1 05 MPa seg n la estimaci n realizada en la Secci n 5 7 siguiente 5 7 Estimaci n de la presi n m xima sobre la carcaza ejercida por la dilataci n t rmica de los refractarios En t rminos generales dada la mayor dilataci n t rmica del refractario respecto de la dilataci n de la carcaza la porci n interna de la capa de refractario est sometida a una tensi n t rmica de compresi n mientras que la carcaza queda sometida a una tensi n t rmica de tracci n que equilibra a la primera Dado que el refractario tiene muy peque a o nula resistencia a la tracci n se desarrollar n fisuras radiales en el lado fr o de los ladrillos Debido a la restricci n que la carcaza impone a la dilataci n t rmica de los ladrillos refractarios estos ltimos ejercen sobre la carcaza una presi n interna que se superpone a la presi n ferrost tica Para la estimaci n de esta presi n adoptaremos una aproximaci n deducida por Schacht en ref 22 basada en ecuaciones de interferencia termoel stica que se describen suscintamente a continuaci n Se supone con suficiente aproximaci n que la cuchara posee paredes totalmente cil ndricas es decir se desprecian los efectos de conicidad de la misma y de las porciones pl
17. ideran tambi n las mismas cargas del estado anterior Viewport 1 ODB C 4BAQUS chente sf AMS Alcucharati odb 11 4 313e 02 3 449e 01 ODE cucharatl o 7 10 14 31 Hora est de Sudam rica E 2 Poo SALDALF LF Primary Y Var NT i Deformed Var not set Def n Scale Factor not set Figura 9 Termograf a izquierda y simulaci n con ABAQUS derecha de la Cuchara N 3 a la salida del LF Figure 9 Termography left and modelling with ABAQUS right of the Laddle N 3 at the exit of LF Viewpot1 ODB C 4BAQUSichente sA AMS Acucharti odb 11 OSOS 3 4490401 ODB cucharatl odb ENTRADA CUB OR HORIZONTAL o ON Figura 10 Termograf a izquierda y simulaci n con ABAQUS derecha de la Cuchara N 3 a la entrada del quemador horizontal Figure 10 Termography left and modelling with ABAQUS right of the Laddle N 3 at the inner of horizontal furnace 400 00 Viewport 1 ODB C ABAQUS chente sf AMS Alcucharat3 odb NT11 0 4 4 700e402 e e e 3 e 000e 8 100 Fe SALIDA LF Figura 11 Termograf a izquierda y simulaci n con ABAQUS derecha de la Cuchara N 1 a la salida del LF Figure 11 Termography left and modelling with ABAQUS right of the Laddle N 1 at the exit of LF 2 1 Peso propio de la cuchara y peso de los refractarios sobre el piso de la cuchara 2 2 Distribuci n espacial de temperatura calculada con el ajuste por termograf as descripto en la Secc
18. ido acoplada con la evoluci n de la temperatura del metal Informe T cnico de MECACOMP Octubre 1992 S nchez Sarmiento G A Gast n y U Bertezzolo TEMALC Modelo computacional de la transferencia de calor en cucharas de acero l quido Manual de Usuario Informe T cnico de Soft Ing N 011 2000 Octubre de 2000 Gast n A M todos num ricos en el an lisis de problemas de termotransferencia Aplicaciones a la Siderurgia Simulaci n de ciclos de operaci n de cucharas de acer a y repartidores de colada cont nua Tesis de Doctorado en F sica Facultad de C Exactas Ingenier a y Agrimensura Universidad Nacional de Rosario 1993 Gast n A R Laura y M Medina A model and numerical analysis for predicting the steel temperature of casting ladles Proc 6th Symposium on Automation in Mining Mineral and Metal Processing Industries Pergamon Press Vol 1 1990 p gs 231 235 Gast n A y M Medina Modelado del comportamiento termomec nico de refractarios en aplicaciones sider rgicas Mec nica Computacional Vol 15 1995 AMCA pags 555 564 Gast n A R Laura y M Medina Thermal cycle of continuous casting ladles a mathematical model for predicting the steel temperature during tapping and the filling period Latin American Applied Research Vol 3 1993 Gast n A y M Medina Comportamiento t rmico de cucharas de acer a Simulaci n Num rica de ciclos de operaci n Bol Soc
19. ise os cumplan con las normas de c lculo Inicialmente las cucharas de acer a de TAMSA estaban dise adas para alojar 170 Tm de acero l quido Con el presente estudio se ha conseguido incrementar la altura de dichas cucharas en 200 mm lo que se refleja en un incremento de la capacidad te rica en 10 a 11 Tm llevando la misma a un valor de 163 Tm El incremento de capacidad propuesto ha consistido en aumentar la altura de la cuchara en su parte superior seg n dos alternativas diferentes 1 Con la extensi n manteniendo la conicidad de la carcaza 2 Con una geometr a cil ndrica de la extensi n de la carcaza El dise o ha sido verificado mediante la aplicaci n de la Norma AISE N 9 y sendos an lisis estructurales mediante elementos finitos tanto de la geometr a original como de ambas alternativas propuestas empleando el Sistema ABAQUS Standard Versi n 6 3 1 con el que se calcularon los estados de tensiones en la carcaza de las cucharlas ante tres estados b sicos de carga Los tres modelos de cuchara han sido desarrollados con ABAQUS CAE el M dulo Preprocesador de ABAQUS 2 Los modelos de transferencia de calor para calcular las cargas t rmicas sobre la estructura empleando el mismo Sistema ABAQUS Standard han sido ajustados con termograf as realizadas en planta obteni ndose acuerdos muy satisfactorios entre el modelo y tales mediciones lo que garantiza la correcta aplicaci n de dichas cargas Tanto de la aplicaci
20. isfactorios lo que garantiza la confiabilidad de los c lculos de tensiones t rmicas que se realizar n con el mismo sistema de c lculo superpuestas con las tensiones producidas por las solicitaciones mec nicas para las tres geometr as de olla a analizar 5 6 Casos de carga contemplados para el c lculo de tensiones Se han calculado los estados de tensiones en las carcazas de la cuchara original y de las dos alternativas propuestas de extensi n superior c nica y cil ndrica ante dos diferentes condiciones de sustentaci n 1 Estando la cuchara llena en su m xima capacidad con acero l quido la misma se encuentra soportada por sus dos mu ones laterales Se consideraron en este caso las siguientes cargas 1 1 Peso propio de la cuchara y peso de los refractarios sobre el piso de la cuchara 1 2 Distribuci n espacial de temperatura calculada con el ajuste por termograf as descripto en la Secci n 5 5 1 3 Presi n ferrost tica correspondiente a 158 Tm de acero l quido para la cuchara original y 169 para las modificadas 1 4 Presi n sobre la carcaza ejercida por la dilataci n t rmica de los refractarios de 1 05 MPa seg n la estimaci n realizada en la Secci n 5 7 siguiente 2 Estando la cuchara apoyada en su base inferior y partiendo de una temperatura inicial correspondiente al final de un ciclo t rmico colado cuchara llena vaciado y cuchara vac a se produce el colado de acero l quido en su interior Se cons
21. l y no difieren mayormente en los niveles de tensiones alcanzados Referencias 1 ABAQUS Inc ABAQUS Standard User s Manual Versi n 6 3 1 2003 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 ABAQUS Inc ABAQUS CAE User s Manual Versi n 6 3 1 2003 S nchez Sarmiento M Mizdrahi y M Pizzi An lisis estructural de cucharas de acer a de TAMSA con aumento de se capacidad Informe Final para TAMSA Informe T cnico de KB Engineering N 006 2003 26 de marzo de 2003 S nchez Sarmiento G A Gast n y R Topolevsky Transferencia de calor y tensiones t rmicas en una cuchara de acero Modelo TEMPCU G Etse y B Luccioni Comps MEC NICA COMPUTACIONAL Vol XVIL pp 197 208 1996 S nchez Sarmiento G y A Gast n TEMPCU An integrated system for the numerical simulation of the heat transfer and thermal stresses in casting ladles Proceedings of the Second International Symposium on Thermal Stressess and Related Topics Rochester New York U S A June 8 11 1997 G S nchez Sarmiento y A Gast n Thermal and stress analysis of casting ladles by an integrated FEM Code Proceedings of the Unified International Technical Conference on Refractories UNITECR 97 New Orleans LA U S A Nov 4 7 1997 Sanchez Sarmiento G H Reggiardo y H Madias IAS TCUCHARA Modelo computacional de la transferencia de calor en una cuchara con acero l qu
22. nchez Sarmiento An lisis estructural de cucharas de acer a de TAMSA Verificaci n del proyecto de modificaci n con la Norma AISE N 9 Informe T cnico de KB Engineering N 002 2003 Enero de 2003 AISE Technical Report N 9 Specification for Design and Use of Ladles AISE Agosto de 1991 M J A Solari y G S nchez Sarmiento Verificaci n de una cuchara de colada de 190 t con la Especificaci n AISE N 9 Informe T cnico de KB Engineering N 012 2000 Septiembre de 2000 C A Schacht Refractory Linings Thermomechanical Design and Applications Marcel Dekker Inc 1995
23. s durante todo el ciclo t rmico con el sistema TEMALC Mediciones de la temperatura en la carcaza y refractarios de la cuchara mediante termograf a o termo cuplas C lculo por elementos finitos de la distribuci n espacial de la temperatura en toda la carcaza de la cuchara empleando el Sistema ABAQUS Standard Ajuste de coeficientes de transferencia t rmica Estimaci n de la presi n m xima sobre la carcaza ejercida por la dilataci n t rmica de los refractarios Eleccion de los casos de cargas mec nicas y t rmicas m s desfavorables An lisis por elementos finitos de las deformaciones y tensiones en toda la carcaza para los casos de cargas m s desfavorables 5 2 Aplicaci n de la Norma AISE N 9 En el Informe de ref 19 se describe la aplicaci n a las presentes cucharas de la Norma AISE N 9 Specification for Design and Use of Ladles 20 Se analizaron tanto el dise o original como las dos alternativas propuestas Para la geometr a original se determinaron las tensiones admisibles aplicables al dise o se verific la localizaci n del eje de los mu ones respecto del centro de gravedad de la cuchara y se verificaron detalles constructivos tratamientos t rmicos materiales soldaduras etc Finalmente se verificaron el conjunto placa pernos de los mu ones espesor de la envolvente y espesor de fondo Por su parte para las dos alternativas de aumento de la altura de la cuchara realizando el mismo an lisis
24. se comprob que el incremento de altura tiene los siguientes efectos sobre la integridad de la cuchara a Induce un incremento del espesor del fondo y de los refuerzos sin embargo el espesor actual es mayor que el espesor as incrementado b Cambia el centro de gravedad de la cuchara en una magnitud menor a la desviaci n admisible Por consiguiente para la Norma AISE N 9 son verificadas las dos alternativas de modificaci n de estas cucharas 5 3 Simulaci n de la transferencia de calor en todo el ciclo t rmico con el sistema TEMALC El Modelo Computacional TEMALC TEMperatura del Acero L quido en Cucharas ha sido desarrollado oportunamente para SIDERAR S A I C por SOFT ING Consultores con la colaboraci n del Instituto Argentino de Siderurgia IAS TEMALC tiene por objeto la determinaci n de la distribuci n espacial y temporal de la temperatura en una cuchara para colada de acero en forma acoplada con la evoluci n de la temperatura del metal l quido ante las sucesivas operaciones que se realizan en una planta de acer a 8 Para la simulaci n del colado inicialmente el programa calcula la variaci n de la temperatura en el chorro de acero l quido resolviendo por un esquema de Runge Kutta una ecuaci n diferencial ordinaria de primer orden El campo no estacionario de temperatura de la cuchara es resuelto a trav s de una formulaci n en elementos finitos bidimensionales axisim tricos y un esquema de diferencias finitas
25. tipo Crank Nicolson para la variable temporal La red de elementos finitos se genera autom ticamente en el programa en base a los par metros geom tricos de la TAMSA M jico TAMSA M jico 1250 Olla original f Olla original Materiales LWB Materiales LWB 1000 Geometr a Ri 1 750 R3 1 943 Hi 2 487 H3 0 303 ty Geometria R1 1 750 R3 1 943 H1 2 487 H3 0 303 Rango completo 750 TEMPERATURA DE NODOS ELEGIDOS Y CURVA DE ISOTERMAS PRECALENTAMIENTO Tiempo 17 000 Paso Ho 200 Tiempo 17 000 Paso Ho 200 Temp C 500 151 80 268 14 384 48 500 83 m 617 17 Temperatura C 1082 54 1198 89 TEMALC M dulo PRECAL 2 8 5 7 8 5 11 3 14 2 Tiempo hs TEMALC M dulo PRECAL SIDERAR Soft Ing SIDERAR Soft I oft Ing Figura Resultados obtenidos con el Programa TEMALC durante el proceso de precalentamiento para la opci n a Izquierda Distribuci n de isotermas a las 17 00 hs de iniciado el precalentamiento Derecha Evoluci n de la temperatura en varios puntos a trav s del espesor Figure 8 Results obtained by the Program TEMALC during the preheating process for option a Left Distribution of isoterms up to 17 00 hs of begining the preheating Right Temperature evolution at several points along the thickness cuchara En el interior de la
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