Tesis Julio Cesar Huerta Orozco

INSTITUTO TECNOLGICO DE MORELIA

Jos Mara Morelos y Pavn

DIVISIN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIN EN MAESTRA

EN CIENCIAS EN METALURGIA

MODELACIN FSICA DEL EFECTO DE LA

PROFUNDIDAD DE INMERSIN DE LA BUZA SOBRE

LA OSCILACIN DE LOS CHORROS DE DESCARGA Y

MENISCO

TESIS:

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:

MAESTRO EN CIENCIAS EN METALURGIA

PRESENTA: ING. JULIO CSAR HUERTA OROZCO

ASESOR: DR. ENRIQUE TORRES ALONSO

CO-ASESOR: DR. JOS NGEL RAMOS BALDERAS

MORELIA. MICH. JUNIO DE 2014

ii

DEDICATORIA

A mi padre Alfredo por siempre darme los nimos, el apoyo, los valores y la confianza

que siempre me tuvo para lograr mis metas personales y profesionales.

A mi madre Ana Laura porque desde donde ella se encuentre siempre estuvo en mi

pensamiento dndome nimos para seguir adelante.

iii

NDICE

NOMBRE PG.

RESUMEN v

ABSTRACT vi

LISTA DE TABLAS vii

LISTA DE FIGURAS vii

CAPTULO I. PRESENTACIN 1

1.1 INTRODUCCIN 2

1.2 OBJETIVO GENERAL 4

1.3 OBJETIVOS ESPECFICOS 4

1.4 JUSTIFICACIN 5

CAPTULO II. ANLISIS TERICO 6

2.1 ANTECEDENTES 7

2.2 COLADA CONTINUA 13

2.3 MOLDE DE COLADA CONTINUA 14

2.4 BUZA DE ALIMENTACIN SUMERGIDA 15

2.4.1 PROFUNDIDAD DE INMERSIN DE LA BUZA DE ALIMENTACIN 16

2.4.2 VELOCIDAD DE COLADA 17

2.5 MODELACIN FSICA 17

2.5.1 PARMETROS DE SIMILITUD 17

2.5.1.1 SIMILITUD GEOMTRICA 17

2.5.1.2 SIMILITUD CINEMTICA 18

2.5.1.3 SIMILITUD DINMICA 18

2.5.1.4 SIMILITUD TRMICA 19

2.5.2 ELECCIN DE LA ESCALA 20

2.5.3 DISEO DEL MODELO CONSIDERANDO EL NMERO DE FROUDE 21

2.5.4 TEORA Y DISEO DE MODELOS CON AGUA 22

CAPTULO III. DESARROLLO EXPERIMENTAL 23

3.1 MODELACIN FSICA 24

3.1.1 CONSTRUCCIN DEL MOLDE 24

iv

3.1.2 CLCULO DE LAS DIMENSIONES DEL MOLDE 26

3.1.3 BUZA UTILIZADA 26

3.1.4 INSTALACIN DEL CIRCUITO HIDRULICO 27

3.1.5 CONDICIONES Y VARIABLES DE LA EXPERIMENTACIN 29

3.1.6 METODOLOGA DE LA EXPERIMENTACIN 29

CAPTULO IV. RESULTADOS 33

4.1 CINTICA DE MEZCLADO DE TRAZADOR 34

4.2 MEDICIN DE LAS OSCILACIONES EN LA INTERFASE AGUA-AIRE 44

4.3 EFECTO DE LOS CHORROS DE DESCARGA SOBRE LA SUPERFICIE LIBRE 83

CAPTULO V. ANLISIS DE RESULTADOS . 110

5.1 DINMICA DE FLUJO EN EL INTERIOR DEL MOLDE . 111

5.2 OSCILACIONES EN LA INTERFASE AGUA-AIRE 115

5.3 EFECTO DE LOS CHORROS DE DESCARGA SOBRE LA SUPERFICIE LIBRE

. 121

CONCLUSIONES 126

REFERENCIAS 130

v

RESUMEN

En el presente trabajo de investigacin se estudi el efecto de la profundidad

de inmersin de la buza sobre la oscilacin de los chorros de descarga en un

molde para colar panchn de acero, mediante la utilizacin de un modelo fsico

con agua a escala 1:1. Se utiliz una velocidad de colada de 1 m/min as como

tres profundidades de inmersin de la buza de: 200, 150 y 100 mm. El molde

fue construido con material de acrlico trasparente con el fin de poder observar

la dinmica de flujo en el interior, as mismo fue montado sobre un contenedor

de aluminio con la finalidad de mantener el nivel del fluido. Se utiliz una buza

de uso industrial con dos puertos de 70 mm de dimetro c/u, con un ngulo de

inclinacin de los puertos de 15 . Para la experimentacin se utiliz colorante

trazador color azul con el objetivo de poder observar el patrn de flujo en el

interior del molde, papel milimtrico y software para poder determinar las

mediciones de las oscilaciones en la superficie libre, aceite vegetal con el fin de

simular la capa de escoria en la superficie libre. Dentro de los resultados se

observ que la superficie libre se mantiene ms inestable a medida que la

profundidad de inmersin de la buza disminuye, las recirculaciones en el

interior del molde son asimtricas la mayor parte del tiempo, los chorros de

descarga presentan deformaciones para cualquier profundidad, el ngulo de

inclinacin de los chorros a la salida de la buza es diferente para cualquier

profundidad de inmersin de la buza, mientras que el punto de impacto sobre

las caras angostas del molde es mayor a medida que la profundidad de

inmersin de la buza aumenta. Para 200 mm de profundidad de inmersin de la

buza la superficie libre oscila paralelamente al nivel de referencia, a 150 mm se

da la presencia de pequeas ondulaciones senoidales sobre la superficie libre,

mientras que a 100 mm la superficie libre presenta mucha inestabilidad y ondas

con valles y crestas asimtricos as como deformaciones en el menisco. A

menor profundidad de inmersin de la buza se generan mayor nmero de

vrtices con ms tiempo de permanencia y longitud cerca de la buza. El

nmero de periodos que generan los flujos de recirculacin que impactan la

superficie libre son mayores a medida que aumenta la profundidad de

inmersin de la buza mientras que los ciclos disminuyen.

vi

ABSTRACT

In the present research work the effect of the SEN immersion depth on the

oscillations of the discharging steel jets in a slab mold was studied using a 1:1

scale physical water model. Three different SEN depth immersions were

studied 200, 150 and 100 mm and the casting speed was 1 m/min. In order to

observe the dynamics of the internal flow, the mold was constructed using

transparent acrylic material and mounted on an aluminum container to keep the

fluid level. An industrial SEN was used with two 70 mm diameter ports and an

inclination angle of 15 degrees. For the experiments a blue colour tracer was

used with the objective to observe the flow patterns inside the mold, millimetric

paper and software (Ulead video estudio 6, IMAQ Vision Builder y Microsoft

Office Excel 2007) to determine the measurements of the free surface

oscillations, vegetal oil to simulate the slag layer on the free surface. The results

show that the free surface is more unstable as the SEN depth immersion is

reduced, the recirculations in the mold interior are non-symmetrical most of the

time, the discharging jets show deformations for any of the depths, the jet

inclination angle at the port outlets is different for any of the SEN depths and the

impact point on the mold narrow faces is bigger as the immersion depth gets

bigger. For the 200 mm SEN immersion depth the free surface oscillate parallel

to the reference level, at 150 small synondial ondulations are present on the

free surface, and at 100 mm the free surface show high instability with non-

symmetric waves and valleys and meniscus deformations. At a minor

immersion depth higher number of vortices are generated near the SEN with

longer permanence time and length. It was also determined that the period

number generated by the recirculating flows that impact the free surface are

higher, as the SEN immersion depth increases the cycles gets lower.

vii

LISTA DE TABLAS

Pg.

Tabla 2.1 Amplitudes de fluctuaciones de nivel del lquido en el molde, expresadas en mm

10

Tabla 2.2. Nmeros adimensionales [14]

21

Tabla 2.3. Propiedades Fsicas del agua y del acero [28]

22

Tabla 5.1 Punto de impacto de los chorros de descarga 113

Tabla 5.2 Amplitud de oscilacin de la superficie libre , promedio y deviacin estndar

para las tres profundidades

116

Tabla 5.3 Tiempo y nmero de periodos presentados para cada profundidad de

inmersin de la buza

121

Tabla 5.4 Tiempo y nmero de ciclos presentados para cada profundidad de inmersin

de la buza

124

LISTA DE FIGURAS

Pg.

Figura 2.1. Efecto de la profundidad de inmersin sobre la amplitud de las oscilaciones,

dimetro de los puertos de 20 mm, ngulo de los puertos 0 y una relacin del ancho

contra el largo del molde de 1:4. [5]

7

Figura 2.2 Oscilacin con 50 mm de profundidad de inmersin [7]

8

Figura 2.3 Comparacin de profundidades de inmersin a) 150 mm y b) 50 mm [7]

9

Figura 2.4 Relacin entre la velocidad de colada y la fluctuacin de nivel en el molde [9]

11

Figura 2.5 Contornos de las lneas de flujo en el molde [10]

12

Figura 2.6 Perfiles en la superficie libre para cada caso [11]

12

Figura 2.7 Dimensiones comerciales del planchn de colada continua [2]

13

Figura 2.8 Esquema de la Colada Continua [13]

14

Figura 2.9 Estructura del flujo dentro del molde [6]

16

Figura 3.1 Cuerpo del molde: a) Parte frontal, b) Parte lateral, c) Parte posterior 24

Figura 3.2 Vista lateral del arreglo propuesto 25

Figura 3.3 Modelo del molde de acrlico con refuerzos 25

Figura 3.4 Dimensiones de la buza 27

Figura 3.5 Accesorios utilizados en la instalacin hidrulica, a) Flujmetro tipo propela y

bomba hidrulica de desage, b) Vlvula de globo PVC, c) Lnea hidrulica, d) Refuerzos con ngulo y solera, e) Tanque de almacenamiento de agua y bomba hidrulica sumergida, f) Estructura metlica de aluminio

28

Figura 3.6 Esquema del circuito hidrulico 28

Figura 3.7 Esquema de la Profundidad de inmersin de la buza 29

Figura 3.8 Diagrama de flujo de la experimentacin 29

viii

Figura 3.9 Esquema descriptivo utilizado para pruebas con trazador sobre la cara ancha

del molde

31

Figura 3.10. Esquema descriptivo para medir el ngulo de los chorros de descarga a la

salida de la buza

31

Figura 3.11 Esquema descriptivo de la ubicacin de cada zona sobre la cara ancha del

molde

32

Figura 3.12 Esquema descriptivo utilizado para la experimentacin con aceite 32

Figura 4.1 Cintica de mezclado del trazador en el molde a 200 mm de profundidad de inmersin de la buza, a) 1s, b) 2s, c) 4s, d) 7s, e) 15s, f) 25s

35

Figura 4.2 Cintica de mezclado del trazador en el molde a 150 mm de profundidad de

inmersin de la buza, a) 1s, b) 2s, c) 4s, d) 7s, e) 15s, f) 23s

39



43

Figura 4.4 Oscilacin de la interfase en la zona 1 a 200 mm de profundidad de inmersin

de la buza

45


de la buza

46


de la buza

48


de la buza

49


de la buza

50


de la buza

52

Figura 4.10 Oscilacin de la interfase en la zona 1 a 150 mm de profundidad de

inmersin de la buza

53


inmersin de la buza

55


inmersin de la buza

56


inmersin de la buza

58


inmersin de la buza

59


inmersin de la buza

61


inmersin de la buza

63

ix


inmersin de la buza

64


inmersin de la buza

66


inmersin de la buza

67


inmersin de la buza

69


inmersin de la buza.

71

Figura 4.22 Variacin de nivel respecto a su longitud para 200 mm de profundidad de

inmersin de la buza en la zona 1

72



73



74



75



76



76



77



78



78



79



79



80



81



81

x



81



82



82



82

Figura 4.40 Dinmica del comportamiento de la capa de aceite que cubre la superficie

libre del agua dentro del molde para 200 mm de profundidad de inmersin de la buza, a y

b) 0.05 min, c y d) 0.43 min, e y f) 1.05 min, g y h) 2.07 min, i y j) 2.26 min

84

Figura 4.41. Dinmica del comportamiento de la capa de aceite que cubre la superficie


b) 3.02 min, c y d) 3.48 min, e y f) 4.04 min, g y h) 4.36 min, i y j) 4.50 min

87



b) 1.01 min, c y d) 1.39 min, e y f) 2.01 min, g y h) 2.19 min

90




91




94

Figura 4.45 Dinmica del ciclo de oscilacin de los chorros de descarga y su efecto

sobre la estabilidad de la capa de aceite para 200 mm de profundidad de inmersin de la

buza, a y b) 0.16 min, c y d) 0.17 min, e y f) 0.20 min, g y h) 0.37 min

96




98



buza, a y b) 0.04 min, c y d) 0.19 min, e y f) 0.28 min, g y h) 1.00 min, i y j) 2.08 min

100



buza, a y b) 2.27 min, c y d) 2.49 min, e y f) 3.22 min, g y h) 3.38 min, i y j) 4.34 min

102




104

xi




106




109

Figura 5.1 Esquema del patrn de flujo dentro del molde a diferentes tiempos [6]

112

Figura 5.2 Comparacin de colorante para los tres casos de profundidad de inmersin

de la buza a 7 segundos despus de la salida del colorante, a) 200 mm, b) 150 mm, c)

100 mm

114

Figura 5.3 Comportamiento esquemtico de la superficie libre a 200 mm de profundidad

de inmersin de la buza

118



119



120

Figura 5.6 Comparacion de vortices para los tres casos, a) caso 1, b) caso 2, c) caso 3. 120

Figura 5.6 Esquema de la aparicin de los vrtices en las cercanas de la buza

121

MODELACIN FSICA DEL EFECTO DE LA PROFUNDIDAD DE INMERSIN DE LA BUZA

SOBRE LA OSCILACIN DE LOS CHORROS DE DESCARGA Y MENISCO

1

CAPTULO I. PRESENTACIN



2

1.1 INTRODUCCIN

El proceso de colada continua ha tenido un fuerte impacto en la industria de la

produccin de acero en todo el mundo. De todas las tecnologas desarrolladas

y aplicadas en sta industria, la colada continua ha logrado el mayor efecto en

la mejora de la eficiencia y en la productividad [1].

Actualmente cerca del 95% de la produccin de acero a nivel mundial se

realiza mediante el proceso de colada continua. Pero, debido a los desarrollos

e innovaciones en este proceso, este se ha transformado en uno de los

procesos sofisticados de mayor uso, incluyendo aceros al carbono, aleaciones

y aceros inoxidables [2].

Beneficios significativos en cuanto a la calidad se refiere, tambin pueden ser

alcanzados mediante el uso de ste proceso. Las modernas mquinas de

colada continua, han llegado a ser mquinas sofisticadas y automatizadas

capaces de procesar casi todos los grados de acero con una alta calidad en los

productos obtenidos [3]. Sin embargo, la operacin eficiente de una mquina de

colada continua, necesita la implementacin de complejas estrategias de

programacin y de control que demandan una operacin altamente calificada.

Una problemtica en comn que tienen tanto productores de acero como

investigadores del ramo es la falta de conocimientos o de metodologas que

permiten prever las consecuencias, benficas o dainas, que tendrn los

cambios de los parmetros de operacin durante la colada. Por lo cual, se

deben de realizar estudios particulares para cada planta y para cada cambio de

parmetros para conocer los efectos sobre la calidad y/o la productividad. En

esta investigacin en particular se lleva a cabo una modelacin fsica de la

dinmica de flujo en el interior del molde debido a la variacin de profundidad

de inmersin de la buza para una velocidad de colada constante, utilizando

agua para modelar al acero liquido y aceite para modelar a la escoria. Especial

nfasis se da a los fenmenos de oscilacin de los chorros de descarga

generados por los puertos de la buza y los fenmenos que estos producen en

la superficie libre como son: distribucin de flujo asimtrica, aparicin de

remolinos, oscilacin y turbulencia en la superficie libre; cabe mencionar que



3

todos y cada uno de estos problemas son igualmente importantes para el

proceso.

Existe evidencia en investigaciones [5-11] publicadas anteriormente de la

importancia de la variacin de la profundidad de inmersin y est comprobado

que para posiciones profundas de la buza se presenta una superficie libre

bastante estable y que por el contrario para posiciones superficiales o poco

profundas la superficie libre es preferentemente turbulenta, deformada,

oscilante, presenta remolinos, etc., y como se mencion anteriormente no

existe una teora aceptable que permita predecir dichos fenmenos o que

explique su naturaleza, su origen y las condiciones especificas bajo las cuales

se presentan. Por lo anteriormente expuesto en este trabajo se pretende variar

dicha profundidad con el fin de observar el comportamiento y lo que ocurre en

la superficie libre para definir los fenmenos que dan origen a estos problemas

en el molde para poder disminuirlos y evitar que generen problemas graves de

calidad en el producto.



4

1.2 OBJETIVO GENERAL

Estudiar el efecto de la profundidad de inmersin de la buza sobre el fenmeno

de oscilacin de los chorros de descarga y determinar los mecanismos que

generan las distintas condiciones de la superficie libre, utilizando un diseo

nico de una buza tpica.

1.3 OBJETIVOS ESPECFICOS

Disear y construir el modelo a escala 1:1 del molde de colada continua

de planchn convencional.

Obtener mediciones de las oscilaciones de la superficie libre agua-aire

mediante un modelo fsico.

Utilizando una capa de aceite sobre la superficie libre observar la

apertura de la misma bajo tres diferentes profundidades de inmersin de

la buza.



5

1.4 JUSTIFICACIN

Los grandes consumidores de acero demandan continuamente productos de

mejor calidad y libres de defectos internos y externos.

Los fenmenos que impiden lograr aceros de alta calidad desde el punto de

vista fluidinmico son: el arrastre de partculas extraas al seno del acero

lquido, una superficie libre inestable, oscilacin de los chorros de descarga,

velocidad de colada alta, etc., as tambin como parmetros de operacin tales

como la geometra del molde, geometra de la buza y profundidad de inmersin

de la buza.

En todas las empresas siderrgicas es una prctica operativa comn y

cotidiana el cambiar la profundidad de inmersin de la buza de alimentacin

con el fin de evitar el desgaste de refractario de las paredes de la buza, lo cual

generalmente es decidido por el encargado de la mquina de colada continua o

incluso por los operadores, de manera arbitraria o sin el sustento tcnico o

acadmico que permita predecir las implicaciones o efectos que dichos

cambios provocan sobre la dinmica de flujo de acero al interior del molde.

Esto la mayora de las veces genera problemas de limpieza y calidad en el

acero y en no pocos casos, rechazos por parte de los clientes. Existe pues una

falta de conocimientos sobre los mecanismos de los distintos fenmenos que

se presentan tanto en los chorros de descarga como en la superficie libre

debido a dichos cambios de profundidad, lo cual hace necesario e

indispensable realizar una investigacin con la finalidad de dar respuesta a

estos requerimientos.

Este estudio se enfoca en determinar los mecanismos por los cuales aparecen

los distintos tipos de oscilaciones en la superficie libre, esto con la finalidad de

incrementar los conocimientos existentes acerca de los fenmenos

ocasionados en el interior del molde. Se consideran tres profundidades de

inmersin de la buza (200, 150 y 100 mm) y una velocidad de colada nica de

1 m/min.



6

CAPTULO II. ANLISIS TEORICO



7

2.1 ANTECEDENTES

Gupta y Lahiri [5] utilizaron un modelo fsico con agua para realizar una

investigacin y caracterizar las perturbaciones de la superficie libre en el molde

de colada continua de planchn. Utilizaron tres profundidades de inmersin:

100, 150 y 200 mm, variando la velocidad de colada de 0.9 a 2.5 m/min.

Encontraron que la amplitud promedio de las oscilaciones se incrementa

conforme disminuye la profundidad de inmersin. Conforme la profundidad de

inmersin se reduce el tamao de las zonas de recirculacin superiores

tambin disminuyen y debido a esto el flujo alcanza la superficie libre con un

mayor impulso y como resultado se tiene mayor amplitud de las oscilaciones

presentes como se muestra en la figura 2.1.

Figura 2.1. Efecto de la profundidad de inmersin sobre la amplitud de las oscilaciones,

dimetro de los puertos de 20 mm, ngulo de los puertos 0 y una relacin del ancho

contra el largo del molde de 1:4. [5]

Concluyeron que el perfil del menisco se mantiene en oscilacin para cualquier

valor de flujo, haciendo notoria la existencia de 4 recirculaciones principales.

En otra investigacin Gupta y Lahiri [6] estudiaron la asimetra del flujo dentro

del molde de colada continua mediante dos configuraciones de modelos con

agua, utilizando varias longitudes de molde y diferentes proporciones entre el

ancho y longitud. Utilizaron buzas con tres dimetros de puerto; 20, 25.4 y 30

mm, as como tres ngulos de inclinacin de: -25, 0, 15 grados, la profundidad

de inmersin fue de 50 y 200 mm, con velocidad de colada de 0.5 a 2.5 m/min.

Concluyeron que el patrn de flujo es asimtrico para cualquier valor de flujo.



8

Adems establecen que los chorros no son estacionarios, su posicin parece

cambiar de forma aleatoria y la direccin de la rotacin de los chorros no es la

misma todo el tiempo.

Anagnostopoulos y Bergeles [7] realizaron la modelacin matemtica del efecto

del flujo en la superficie de un molde de colada continua, su estudio fue

enfocado al desarrollo de una tcnica 3D del flujo de fluidos. Variaron la

profundidad de inmersin de la buza de 50 a 150 mm y la velocidad de colada

de 0.89 a 1.56 m/s.

La figura 2.2 muestra las oscilaciones que ocurren en la superficie libre con una

inmersin de la buza de 50 mm. Se observa que tiene un rango se oscilacin

de -0.013 hasta 0.015 m en un tiempo de 9.5 s.

Figura 2.2 Oscilacin con 50 mm de profundidad de inmersin. [7]

La figura 2.3 muestra los campos de flujo para una velocidad de colada de 1.34

m/s a las dos profundidades de inmersin a) 150 mm y b) 50 mm de la buza,

donde se observa que a la profundidad de 150 mm los vectores de velocidad

impactan con menos fuerza la superficie libre, as como tambin los chorros de

descarga impactan a una altura menor del molde comparada con la

profundidad de 50 mm; tambin es evidente que a la profundidad de 50 mm se

observa una oscilacin mayor en la superficie libre.



9

Figura 2.3. Comparacin de profundidades de inmersin a) 150 mm y b) 50 mm. [7]

Concluyeron que la amplitud de onda de la superficie libre aumenta a medida

que la inmersin de la buza disminuye, la altura de la onda aumenta tambin

cuando la velocidad de colada es mayor. El diseo particular de la buza

utilizada en el estudio, la cual gener retroflujo en la parte superior de los

puertos, que atribuyeron al diseo de los mismos, provoc la disminucin de la

fraccin de rea efectiva de salida en los puertos.

Chiapparoli [8] y colaboradores estudiaron el efecto del ancho del molde de la

velocidad de colada y de la profundidad de inmersin de la buza mediante un

modelo con agua. Para su estudio utilizaron un modelo del sistema buza-molde

en escala 1:1, una buza con puertos rectangulares de 64 x 48 mm, un ngulo

de salida de -15 grados y utilizaron keroseno para visualizar la distribucin de

flujo.

La tabla 2.1 muestra las condiciones de sus experimentos as como las

mediciones de las fluctuaciones del nivel en el molde para todas las

condiciones de variables ensayadas. Se realizaron mediciones de variacin de

nivel en cinco puntos sobre una cara ancha, registrndose el mximo valor de

amplitud observado en un periodo de 30 segundos.



10

Tabla 2.1 Amplitudes de fluctuaciones de nivel del lquido en el molde, expresadas en

mm. [8]

Observaron una mayor amplitud de la variacin de nivel a medida que

disminuye la profundidad de inmersin. Para cualquiera de las profundidades

ensayadas, los valores son mayores al aumentar la velocidad de colada;

adems las fluctuaciones fueron mayores en la zona central cercana a la buza,

en la mayora de los casos. En cuanto a la formacin de vrtices, observaron

un aumento cuando mayor es de velocidad colada en el molde de 1200 mm,

mientras que para una profundidad de inmersin de 80 mm los valores

obtenidos son iguales. Para ambas velocidades, disminuye la formacin de

vrtices cuando aumenta la profundidad de inmersin.

La figura 2.4 muestra las curvas de la fluctuacin del nivel obtenidas por

Thesima [9] y colaboradores en un molde de 1250 mm contra la profundidad de

inmersin, para distintas velocidades de colada. Y se observa, en concordancia

con los datos obtenidos en el modelo, que para incrementos de la velocidad

asociados a una mayor inmersin de la buza, son ms pronunciadas las

fluctuaciones de nivel.



11

Figura 2.4 Relacin entre la velocidad de colada y la fluctuacin de nivel en el molde. [9]

Concluyeron que el aumento del ancho del molde, de la velocidad de colada y

la disminucin de la profundidad de inmersin de la buza provocan un

incremento de las fluctuaciones, generndose de esta manera una mayor

posibilidad de atrapamiento de polvo lubricante.

Miranda [10] y colaboradores realizaron un estudio acerca del comportamiento

de las oscilaciones en el menisco usando simulacin fsica y matemtica, para

su estudio utilizaron una escala de 1/3, una buza con dos puertos de salida de

0.02 m, un orificio de entrada con un dimetro de 0.0254 m, y una altura de

0.20 m, el ngulo de puerto de salida de 15 , velocidad de colada de 0.9 a 2.5

m/min, profundidad de inmersin de la buza de 0.05 a 0.09 m y el tipo de

arreglo de salida del molde que utilizaron fue el de un orificio con un dimetro

de 10 cm. Para la simulacin matemtica emplearon un modelo en 2D.

La figura 2.5 muestra una imagen obtenida en el programa Fluent donde se

observan las cuatro recirculaciones tpicas en un molde de colada continua, los

chorros de salida de la buza forman un ngulo de 15 grados, y se bifurcan justo

antes de las paredes estrechas del molde, en la parte superior del molde se

forman dos recirculaciones, y dos recirculaciones en la parte inferior del molde,

adems se observan las lneas de flujo hacia los puertos de salida situada en la

parte inferior del molde.



12

Figura 2.5 Contornos de las lneas de flujo en el molde. [10]

Concluyeron que a altas velocidades de colada y con poca profundidad de

inmersin de la buza se produce una gran perturbacin en la interfase acero-

aire, por lo que tambin se ve afectado el menisco.

En un trabajo posterior Miranda [11] y colaboradores estudiaron la superficie libre

mediante un anlisis experimental con agua y uno numrico en un molde de

colada continua de planchn, para este estudio variaron la velocidad de colada

de 0.9 a 2.5 m/min, as como el flujo volumtrico, usaron un modelo a escala

1/3, variaron la profundidad de inmersin de la buza de 0.05, 0.07, 0.09 m,

usaron sensores ultrasnicos para medir las oscilaciones en la superficie libre.

La buza utilizada fue de 2 puertos de salida circulares.

La figura 2.6 muestra los perfiles de cada caso en la superficie libre.

Figura 2.6 Perfiles en la superficie libre para cada caso. [11]



13

Cuando la profundidad de la buza se mantiene constante, la amplitud de las

ondas en la superficie libre incrementa cuando la velocidad a la salida del

puerto de la buza incrementa. Cuando la velocidad a la salida de la buza se

mantiene constante, el perfil en la superficie libre disminuye cuando la

profundidad de inmersin de la buza incrementa.

La desviacin estndar aumenta con una velocidad de colada mayor.

Concluyeron que el espectro de la densidad de potencia en la superficie libre

en un modelo con agua para molde de planchn est compuesto por varios

componentes peridicos, los ms importantes son de 1.2, 1.8 y 2.1 Hz. Para

profundidades de inmersin de la buza por debajo de un valor crtico, la

contribucin de altas frecuencias con el comportamiento dinmico de la

superficie libre disminuye a medida que la profundidad de la buza aumenta.

Para profundidades de inmersin por encima de este valor crtico se observa

un comportamiento opuesto.

2.2 COLADA CONTINUA

La colada continua es bsicamente un proceso de extraccin de calor por

medio del cual el acero lquido es solidificado y transformado en productos

semi-terminados cuyas dimensiones son muy cercanas a las de los productos

finales que la empresa genera.

Para el caso especfico del planchn las dimensiones pueden variar para la

seccin transversal, pero siempre se conserva una relacin de tamao mucho

mayor entre el ancho y el espesor (ver Figura 2.7).

Figura 2.7 Dimensiones comerciales del planchn de colada continua. [2]



14

Este proceso se compone de 7 etapas [2] (ver Figura 2.8):

1. Vaciado de la olla al distribuidor.

2. Distribucin y vaciado a los moldes mediante una buza de alimentacin

sumergida.

3. Enfriamiento primario en el molde.

4. Enfriamiento secundario mediante rociadores de agua.

5. Extraccin del subproducto mediante rodillos de traccin.

6. Mecanismo de corte (Oxicorte).

7. Sistema de extraccin.

Figura 2.8 Esquema de la Colada Continua. [13]

La mquina de colada continua consta de una olla que contiene el acero lquido

y de la cual es vertido haca un reactor conocido como distribuidor y

posteriormente pasa de forma continua y sin interrupciones a uno o ms

moldes de cobre sin fondo y refrigerados con agua, cuyo hueco central tiene el

mismo perfil que se desea obtener; que para el caso del presente trabajo se

trata de planchn convencional.

2.3 MOLDE DE COLADA CONTINUA

El molde es la parte ms importante de una mquina de colada continua,

debido a que en su interior se lleva a cabo la extraccin de calor y posterior

solidificacin del acero [18]. Aqu se presenta la ltima posibilidad de obtener un

acero limpio de impurezas y de defectos. Mediante un buen control de flujo del

acero lquido y de una extraccin de calor adecuada, se podr alcanzar una

buena calidad tanto interna como superficial.



15

La capa solidificada es extrada por la parte inferior del molde, al inicio por

medio de la barra falsa y una vez que se logra el flujo estacionario y continuo,

por gravedad. Esto genera fuerzas de friccin entre dicha capa y las paredes

internas del molde lo cual puede generar las condiciones para que dicha capa

se adhiera a las paredes, interrumpiendo la continuidad del proceso. Para

impedir que esto suceda es necesario hacer uso de polvo lubricante y de un

sistema de oscilacin vertical del molde, el polvo lubricante se adiciona sobre la

superficie lquida del acero en el interior del molde generando una capa de

unos cuantos centmetros de espesor. Este polvo se infiltra, en sus distintas

fases, en el hueco entre la capa solidificada y las paredes del molde

cumpliendo as con su funcin de lubricacin. Las mquinas de colada continua

para planchn convencional producen planchn con espesores del orden de

150 a 350 mm y anchos de 850 a 2300 mm. Debido a la importancia que tiene

esta parte del proceso, se describir de manera breve los parmetros que se

han de tener en cuenta en el funcionamiento del molde y los problemas que se

pueden presentar.

2.4 BUZA DE ALIMENTACIN SUMERGIDA

Ya que la buza es el elemento por el cual se suministra el acero al molde, tiene

una importancia vital en el proceso de colada y especialmente en lo que

respecta a la dinmica de flujo, ya que esta ltima se define segn la cantidad

de puertos, su forma y en general en todas las caractersticas geomtricas de

la buza [23].

La salida del acero lquido desde los puertos de la buza forma una serie de

estructuras de flujo bsicas reportadas en varios trabajos [5,6,7] (ver Figura 2.9).

Estas estructuras son importantes ya que de ellas depende la estabilidad del

menisco formado, as como el perfil de temperaturas dentro del molde y en

consecuencia el perfil de solidificacin, al igual que el flujo de calor en el

sistema molde-acero.



16

Figura 2.9 Estructura del flujo dentro del molde. [6]

2.4.1 Profundidad de inmersin de la buza de alimentacin

La profundidad de inmersin de la buza se cambia durante el proceso, esto se

lleva a cabo para minimizar la erosin de la buza en la interfase metal-escoria-

cermico. Incrementando la profundidad de inmersin se cambia el patrn de

flujo ascendente, disminuyendo el ascenso del chorro hacia la interfase y

disminuyendo tambin la intensidad de las velocidades en la superficie del

bao. Esto disminuye la amplitud de las ondas superficiales, tambin disminuye

la inestabilidad y la fluctuacin de la interfase metal-escoria. As, posiciones

ms profundas de la buza disminuyen el atrapamiento de escoria. Una

inmersin muy profunda puede mandar partculas dentro de las zonas de

recirculacin, donde una gran cantidad quedaran atrapadas. Esto es perjudicial,

puesto que las inclusiones pueden quedar atrapadas como defectos

permanentes en el producto final.

Con una inmersin muy profunda, el metal que fluye dentro del molde se vuelve

ms lento y fro; esto produce un mezclado insuficiente ocasionando defectos

tales como fracturas longitudinales y transversales. Por el contrario, al disminuir

la profundidad de inmersin en demasa, el acero sube hacia la interfase con

altas velocidades, ocasionando fuertes oscilaciones y formacin de vrtices,

haciendo ms factible el arrastre de escoria hacia el seno lquido [24].



17

2.4.2 Velocidad de Colada

El incremento de la velocidad de colada tiende a incrementar las fluctuaciones

y tambin se produce asimetra en el patrn de flujo, en consecuencia, se

provoca una turbulencia superficial y fluctuacin del nivel del acero, lo cual es

un problema de proceso. Al incrementar la velocidad de colada se incrementa

la altura de las ondas en la superficie, pudiendo provocar la ruptura de la capa

de escoria y permitir una reoxidacin del bao metlico. Los problemas de

calidad superficiales asociados con altas velocidades de colada pueden ser

disminuidos con un ajuste en la geometra de la buza, incrementando la

profundidad de inmersin de la buza o aplicando fuerzas electromagnticas

esto para disminuir la intensidad del flujo dirigido a la superficie.

2.5 MODELACIN FSICA

En la modelacin fsica, un modelo de un molde a escala real o reducida puede

ser diseado basado en los criterios de similitud, el flujo de acero lquido es

simulado por el flujo del agua.

2.5.1 Parmetros de similitud

Para obtener una representacin real del flujo en el modelo de un molde, debe

haber una relacin constante entre las cantidades correspondientes al modelo

y al prototipo. Los estados de similitud normalmente incluyen similitudes

geomtricas, cinemtica, dinmica y trmica. [28]

2.5.1.1 Similitud Geomtrica

El molde real y su modelo deben ser geomtricamente escalables. Todas las

dimensiones de longitud del modelo deben tener una relacin constante con las

dimensiones de longitud correspondientes al prototipo.

Cada dimensin de longitud debe obtenerse por la siguiente ecuacin:

pmLL (2-1)

Donde los subndices m y p se refieren al modelo y al prototipo,

respectivamente y es un factor de escala de longitud.



18

2.5.1.2 Similitud Cinemtica

Esta similitud dicta que cada elemento de fluido correspondiente en los dos

sistemas debe seguir un camino geomtricamente similar y los intervalos de

tiempo entre los eventos correspondientes deben tener una relacin constante.

Est relacin es conocida como un factor de escala de tiempo.

2.5.1.3 Similitud Dinmica

Esta similitud trata las fuerzas presentes en los dos sistemas las cuales

aceleran o retardan el movimiento del mismo. De acuerdo a esta similitud, las

fuerzas presentes a un tiempo y en una ubicacin correspondiente en un

modelo deben tener una relacin fija con las fuerzas en el prototipo.

Las fuerzas ms importantes que gobiernan el flujo del lquido en el molde son:

inerciales, viscosas, gravitacionales y son expresadas a continuacin:

Fuerzas inerciales 22LFi (2-2)

Fuerzas viscosas LF (2-3)

Fuerza gravitacionales 3gLFg (2-4)

Por lo tanto, en los puntos y a los tiempos correspondientes en el modelo y en

un prototipo son:

f

pg

mg

p

m

pi

mitecons

F

F

F

F

F

F

,tan

,

,

,

,

,

, (2-5)

Teniendo en cuenta los dos primeros trminos de la relacin anterior conducir

a la relacin de las fuerzas de inerciales y viscosas en el modelo y prototipo:

p

m

pi

mi

F

F

F

F

,

,

,

,

(2-6)

pmL

L

L

L

2222 (2-7)

pmReRe (2-8)



19

De igual forma, la relacin entre las fuerzas inerciales y gravitacionales en el

modelo y prototipo es dada por el nmero de Froude:

pg

mg

pi

mi

F

F

F

F

,

,

,

, (2-9)

pmgLgL

22 (2-10)

pmFrFr (2-11)

2.5.1.4 Similitud Trmica

Esta similitud dicta que las diferencias de temperatura deben tener la misma

relacin en el modelo y en el prototipo. La similitud trmica tambin requiere

que la relacin de transferencia de calor por conduccin, conveccin y

radiacin en un punto y a un tiempo dado en el modelo debe tener una relacin

constante con las prdidas de calor en el prototipo.

Manteniendo el nmero de Reynolds y Froude similares entre el modelo y el

prototipo se puede tener una relacin constante de fuerzas inerciales, viscosas

y gravitacionales en el flujo del fluido en los dos moldes. Puesto que la

viscosidad cinemtica (/) del agua a temperatura ambiente y la del acero

lquido a 1600oC es aproximadamente igual (diferencia del 10%), se puede

considerar que:

pm VV

1 (2-12)

Donde es el factor de escala de longitud. La similitud entre el nmero de

Froude del modelo y el prototipo implica que:

pmgL

V

gL

V

22 (2-13)

Por lo tanto: pm

VV (2-14)



20

Satisfacer los criterios de similitud Reynolds y Froude al mismo tiempo, a

temperatura ambiente para un modelo de agua, solamente es posible con el

uso de un modelo a escala real manteniendo la misma velocidad en el modelo

y en el prototipo. En un modelo a escala reducida solamente es posible cumplir

con uno de los dos criterios.

La similitud cinemtica entre el sistema real y el modelo se logra siempre que

exista similitud geomtrica y dinmica. Y las principales fuerzas que se

consideran para obtener la similitud en un sistema de colada continua son: las

fuerzas inerciales, fuerza gravitacional, fuerzas viscosas y fuerzas de tensin

superficial.

(2-15)

2.5.2 Eleccin de la escala

La propagacin del fluido es representada con gran exactitud por medio de un

modelo a escala real, es decir, despreciando la influencia de la tensin

superficial y considerando un flujo homogneo (sin arrastre de aire o inyeccin

de gas), es suficiente pues cumplir con los criterios de similitud de Reynolds y

Froude para obtener una buena modelacin del flujo de fluidos en el molde de

colada continua.

La tabla 2.2 nos muestra la comparacin de los nmeros adimensionales de

Re, Fr y We.



21

Tabla 2.2 Nmeros adimensionales. [14]

Acero Agua

Escala geomtrica 1/1 1/1

Numero de Fr 1.93 1.93

Numero de Re 1.63X105 1.63X105

Numero de We 1.10 2.01

Utilizando un modelo a escala 1:1 y agua como fluido de modelado se puede

comprobar la similitud de los nmeros de Reynolds y Froude tanto en el acero

como en el modelo de la siguiente manera:

(2-16)

(2-17)

Debido a que por definicin, la viscosidad cinemtica y las longitudes son

idnticas para ambos sistemas. La relacin entre la velocidad correspondiente

a cada sistema es:

(2-18)

(2-19)

Una velocidad en el modelo es pues aproximadamente igual a una velocidad

en el sistema real.

2.5.3 Diseo del modelo considerando el nmero de froude

El nmero de froude es el parmetro adimensional de semejanza en problemas

donde predomina la fuerza de gravedad, cuanto mayor es el numero de froude

mayor es la importancia de la gravedad.

Heasplip [14] demostr que el nmero de froude se puede satisfacer a cualquier

escala con un modelo de agua, el correspondiente proceso simulado, siempre y



22

cuando todas las medidas de los orificios utilizados y las alturas hidrulicas en

el sistema sean variadas de acuerdo con un solo parmetro de escala.

Y de la misma forma:

(2-20)

(2-21)

Es obvio que la relacin entre la velocidad correspondiente a cada sistema es:

(2-22)

Por lo tanto una velocidad en el modelo es exactamente igual a una velocidad

en el prototipo.

2.5.4 Teora y diseo de modelos con agua

Desde hace varias dcadas es una prctica ampliamente aceptada y

documentada la utilizacin de agua como fluido de modelado en la

investigacin del flujo de acero lquido, particularmente en sistemas de colada

continua, debido a que es un material fcil de obtener, fcil de manejar y

principalmente porque su viscosidad cinemtica a temperatura ambiente es

comparable a la del acero liquido. La tabla 2.3 muestra las propiedades fsicas

del agua a 20 C y del acero a 1600 C.

Tabla 2.3 Propiedades Fsicas del agua y del acero. [28]

Propiedad

Agua

(20oC )

Acero

(1600oC)

Viscosidad absoluta () (kg/ms) 0.001 0.0064

Densidad ( ) (kg/m3) 1000 7014

Viscosidad cinemtica (v) (m2/s) 1.0X10

-6 0.913X10

-6

Tensin Superficial () (N/m) 0.073 1.6



23

CAPTULO III. DESARROLLO

EXPERIMENTAL



24

La experimentacin fsica se realiz mediante el uso de un modelo a escala

real (1:1) del molde de colada continua para planchn convencional, utilizando

agua a 20C para modelar el acero lquido a 1600C.

3.1 MODELACIN FSICA

La finalidad de emplear un modelo fsico es la observacin directa del patrn de

flujo del fluido al interior del molde as como las oscilaciones en la superficie

libre, mediante el ojo humano y cmaras de video convencional.

3.1.1 Construccin del molde

Se construy un modelo de planchn convencional a escala 1:1 utilizando

lminas de acrlico transparente con un espesor de 9 mm el cual fue unido con

pegamento para acrlico y silicn. Dicho modelo satisface por completo los

nmeros adimensionales de Reynolds y Froude, de esta forma se asegura que

se cumple con los criterios adimensionales de similitud entre el modelo fsico

con agua y el prototipo. En la Figura 3.1, se muestran las dimensiones del

modelo en mm.

Figura 3.1. Cuerpo del molde: a) Parte frontal, b) Parte lateral, c) Parte posterior.

El modelo se mont en una estructura metlica de aluminio de 3 mm de

espesor y un metro de altura, esto con la doble funcin de recibir el flujo de

agua y a su vez mantener el nivel del fluido. En el interior de dicho contenedor

de aluminio hay tres cmaras, la primera de las cuales se encuentra abierta (es

aquella en la cual se fij y posicion el molde de acrlico) y las dos restantes se

a) b

)

c)

2000

1518 250

2000

1750

1518



25

encuentran cerradas. Estas segunda y tercera cmaras estn separadas por

medio de dos presas con la finalidad de evitar el efecto directo del flujo de

succin, generado por una bomba sumergida localizada ms adelante por el

flujo principal que viene desde el tanque de almacenamiento de agua.

La figura 3.2 muestra la configuracin del molde mencionada, y se observa que

la descarga de fluido se lleva a cabo a travs de la totalidad de la seccin

transversal de la salida del molde, la primera es el molde de inters, la segunda

cmara tiene la finalidad de mantener constante el nivel del menisco en la

primera cmara y por ltimo la tercera cmara acta como reserva.

Figura 3.2. Vista lateral del arreglo propuesto.

La figura 3.3 muestra una imagen fsica del molde ya montado en la cual se

puede apreciar cmo fueron colocadas las camisas de refuerzo as como la

posicin de la buza.

Figura 3.3. Modelo del molde de acrlico con refuerzos.

Contenedor de aluminio

Molde de acrlico



26

El contenedor de aluminio se conect mediante tubera a un depsito principal

de agua el cual tiene una capacidad de 1500 litros. En el interior de este

depsito hay una bomba sumergida con una fuerza de 4 hp, la cual enva el

flujo de agua a travs de tubera hacia la buza.

3.1.2 Clculo de las dimensiones del molde

Seccin transversal del molde:

, , ,

rea trasversal del molde:

; ;

Volumen del molde:

;

El nivel de llenado del molde es de 1.9 m, por esta razn el volumen se calcula

con esta longitud y no con la de 2 m.

;

Flujo volumtrico:

1. Se conoce el rea transversal del molde (A= m2) y la velocidad de

colada (1 m/min).

2. Ahora conocemos la siguiente frmula:

3. Se convierte la velocidad de colada (1 m/min) que se encuentra en

metros por minuto a metros por segundo:

4. Por ltimo solo se aplica la frmula para obtener el flujo volumtrico:

En litros se tiene 375 L/min o 6.25 l/seg.

3.1.3 Buza utilizada

La buza de alimentacin que se utiliz en este trabajo es una buza de dos

salidas. El diseo de dicha buza es tpico de la fabricacin de planchn



27

convencional, se construy con un material plstico transparente (acrlico). La

geometra y dimensiones de dicha buza se muestran en la figura 3.4.

Figura 3.4. Dimensiones de la buza

3.1.4 Instalacin del circuito hidrulico

Para la tubera, la cual transporta el flujo de agua desde el depsito principal

hasta el molde, se realiz una instalacin hidrulica que requera un flujo de

6.25 litros de agua por segundo, para lograr una velocidad de colada de 1

metro por minuto, a lo largo de dicha instalacin hay diversos accesorios entre

los cuales se destacan una vlvula de globo de PVC por medio de la cual se

controla el flujo de agua en el sistema, un flujmetro tipo propla para medir el

flujo de agua con una capacidad de 25 litros por segundo y con el cual se

puede tener un control lo ms aproximado posible al flujo requerido en la

experimentacin.

Despus de dichos accesorios la tubera se prolonga hasta el techo del

laboratorio y por medio de una curvatura en U, generada por medio de codos

a 90 desciende hasta la buza. La tubera PVC fue ajustada para asegurar la

estabilidad mecnica y resistencia por medio de varias abrazaderas localizadas

sobre el concreto del laboratorio a lo largo de la instalacin. La tubera y la

buza se acoplan y sujetan por medio de una unin roscada, en la cual la

tubera obtiene el lado cncavo y la buza convexo. La buza fue sujetada por

medio de una brida y pernos roscados en la parte superior del molde para

evitar cualquier movimiento generado por la vibracin mecnica que aparece



28

durante el paso del agua. La figura 3.5, muestra algunas imgenes de los

accesorios utilizados de manera general en la instalacin.

Figura 3.5 Accesorios utilizados en la instalacin hidrulica, a) Flujmetro tipo propela y

bomba hidrulica de desage, b) Vlvula de globo PVC, c) Lnea hidrulica, d) Tanque de

almacenamiento de agua y bomba hidrulica sumergida, e) Estructura metlica de

aluminio, f) Refuerzos con ngulo y solera.

La figura 3.6, muestra el arreglo experimental descrito del sistema del circuito

hidrulico completo, la cual presenta esquemticamente los componentes

instalados desde el tanque de almacenamiento de agua hasta el modelo

propuesto.

Figura 3.6. Esquema del circuito hidrulico.

Flujometro

Bomba

sumergida

Depsito

de agua Contenedor de

aluminio

Molde

Buza

Vlvula de globo PVC

Inyeccin de

Trazador

Lnea de flujo

a) b) c)

d) e) f)



29

3.1.5 Condiciones y variables de la experimentacin

Los experimentos se realizaron bajo condiciones isotrmicas, a una velocidad

de colada de 1 m/min con tres profundidades de inmersin que son: 200, 150 y

100 mm, dichas profundidades fueron medidas desde el nivel de agua

(superficie libre) hasta el inicio de los puertos de salida de la buza. Para el nivel

requerido de llenado se requieren dejar 100 mm de la superficie libre hasta el

final del molde, dichas condiciones se muestra en la figura 3.7.

Figura 3.7. Esquema de la Profundidad de inmersin de la buza.

3.1.6 Metodologa de la experimentacin.

La figura 3.8, muestra mediante un diagrama de flujo, los diferentes pasos que

se llevaron a cabo para realizar cada experimento con el modelo con agua. En

los siguientes prrafos se describe de manera secuencial la forma en la que

fueron realizados cada uno de ellos.

Arranque del sistema Llenar el depsito de

agua y el molde

Inicio de inyeccin

del fluido de la buza

al molde

Tomas de video

convencional

Inyeccin de

colorante trazador

Estabilizar el nivel

requerido



30

Figura 3.8. Diagrama de flujo de la experimentacin.

Primeramente antes de arrancar el sistema se asegura que la buza este

colocada y alineada correctamente, despus se llena el sistema experimental

con agua, el sistema fue purgado por medio de un par de orificios que se

encuentran en la tercera cmara sobre la parte superior del contenedor de

aluminio con la finalidad de extraer el aire dentro del contenedor.

Al lograr el nivel de agua deseado en el molde se encendi la bomba hidrulica

sumergida que alimenta a la buza, se control el flujo hasta alcanzar los 6.25

lt/s.

El nivel fue estabilizado hasta lograr las condiciones de estado estable para la

experimentacin, lo que tard un tiempo promedio de 15 minutos. Ya que el

agua es trasparente es muy difcil observar los patrones de flujo a simple vista

en el interior del modelo, debido a esto se decidi llevar a cabo la inyeccin de

un colorante artificial azul como trazador a una concentracin de 10 gr/ lt con la

finalidad de hacer visible la dinmica de flujo dentro del molde.

Tambin se observ la altura de impacto de los chorros de descarga sobre las

paredes angostas del molde, utilizando una medida de separacin de 5 cm

cerca de las caras angostas del molde, se llevaron a cabo grabaciones de

video digital convencional sobre la cara ancha del molde como se observa en la

figura 3.9.

Medicin de las

oscilaciones en la

superficie libre

Apagar la bomba de

alimentacin

Agregar la capa de

aceite sobre la

superficie libre

Vaciar el agua sucia Limpiar el molde y

volver iniciar

Tomas de video

sobre la superficie

libre



31

Figura 3.9. Esquema descriptivo utilizado para pruebas con trazador sobre la cara ancha

del molde.

Otro punto importante que se realiz fue medir el ngulo de los chorros de

descarga a la salida del puerto de la buza para lo cual la siguiente figura 3.10

indica de que manera fueron medidos dichos ngulos.

Figura 3.10. Esquema descriptivo para medir el ngulo de los chorros de descarga a la

salida de la buza.

Despus se procedi a medir las oscilaciones en la superficie libre, para lo cual

se utilizaron seis zonas de 25 cm sobre la cara ancha del molde, donde la zona

1,2,3 indican el lado izquierdo del molde y las zonas 4,5,6 el lado derecho, las

mediciones del nivel se llevaron a cabo utilizando un papel milimtrico de 5 mm

de separacin como patrn de medida, se colocaron cmaras de video sobre

cada zona con el fin de observar el movimiento en la superficie libre, cada una

de las grabaciones en las distintas zonas se realiz por un periodo de tiempo

de 3 min, la figura 3.11 muestra un esquema que nos indica la posicin de cada

zona.

Lnea de 5 cm de

separacin

Cmara de video

digital

Nivel de superficie libre

Buza

Lnea de referencia

Chorros de

descarga

Angulo negativo Angulo positivo



32

Figura 3.11 Esquema descriptivo de la ubicacin de cada zona sobre la cara ancha del

molde.

Despus se estudi el comportamiento de los chorros de descarga sobre la

superficie libre con la finalidad de observar los ciclos, periodos y movimiento

del flujo, para lo cual se coloc una capa de aceite de 1.5 cm sobre la

superficie libre, se utilizaron 2 cmaras de video digital de tal forma que la

cmara 1 grabara el lado izquierdo del molde y la cmara 2 el derecho, se tomo

un tiempo de grabacin de 5 minutos para el caso de 200 y 150 mm, mientras

que en el caso de 100 mm hubo un tiempo mayor de grabacin ya que es muy

difcil apreciar los periodos en menos de 5 min, una vez obtenidos los videos

fueron analizados capturando as las imgenes de inters para su estudio. La

figura 3.12 muestra una representacin esquemtica de cmo fueron colocadas

las cmaras de video as como la capa de aceite sobre la superficie libre.

Figura 3.12 Esquema descriptivo utilizado para la experimentacin con aceite.

Una vez realizadas las pruebas se procede a apagar la bomba, por ltimo el

agua es expulsada hasta vaciar por completo el sistema. Se repitieron los

pasos descritos anteriormente variando la profundidad de inmersin de la buza.

Papel milimtrico de

5 mm de separacin

entre las lneas

25 cm

Zona 1 Zona 2 Zona 3 Zona 4 Zona 5 Zona 6

Cmaras de

video

Capa de aceite



33

CAPITULO IV. RESULTADOS



34

En este captulo se muestran los diferentes resultados obtenidos mediante el

desarrollo experimental descrito en el captulo anterior, para lo cual; los mismos

se mostraran siguiendo el orden correspondiente al captulo anterior.

4.1 CINTICA DE MEZCLADO DEL TRAZADOR

En los prrafos siguientes se presentan los diferentes patrones de flujo

visualizados en el interior del molde de planchn convencional para una

velocidad de colada de 1 m/min a las diferentes profundidades de inmersin de

la buza de alimentacin.

La figura 4.1 muestra la dinmica de flujo, en una vista longitudinal,

correspondiente al caso 1 para los tiempos de 1, 2, 4, 7, 15 y 23 segundos

tomando como tiempo cero el instante en el cual el colorante comienza a salir

de los puertos de la buza. En la figura 4.1a, se observa como el trazador sale

por los dos puertos de la buza, ambos chorros han recorrido prcticamente la

misma distancia correspondiente a tres cuartas partes de la distancia del puerto

de la buza a la pared estrecha del molde. El chorro del lado derecho muestra

un flujo de corriente regular en la primera mitad de su longitud para despus

expandirse debido a la difusin del colorante en el agua. Por otra parte el

chorro del lado izquierdo presenta un flujo de corriente ms delgado y con

mayor inclinacin inmediatamente a la salida del puerto (como se muestra con

la flecha), para despus expandirse y mostrar un dimetro de flujo de corriente

similar a su contraparte izquierda. Se observa que an cuando el ngulo de

inclinacin de los puertos es de 15 grados los chorros salen de la buza con una

mayor inclinacin, el izquierdo muestra una inclinacin de 65 con respecto a la

horizontal mientras que el derecho es de -57 (ver figura 3.10). Aparentemente

el chorro del lado izquierdo presenta una deformacin en forma ondulatoria,

mientras que el derecho se presenta recto. Por ltimo se observa que en la

parte superior del chorro del lado izquierdo inmediatamente a la salida del

puerto, existe una zona sin colorear indicada con la flecha.



35



La figura 4.1b, muestra que ambos chorros han recorrido prcticamente la

misma distancia, haciendo contacto con las paredes angostas del molde, el



36

chorro del lado izquierdo impacta la cara angosta del molde a una altura de 50

cm y el derecho a una altura de 45 cm tomando una medida de referencia con

respecto a la superficie libre, el chorro del lado izquierdo presenta mayor

difusin de colorante hacia la superficie libre cerca de la cara angosta del

molde. De igual manera debido a la difusin de colorante se observa que

ambos chorros presentan un flujo de corriente con mayor grosor y salen de los

puertos ocupando por completo todo el dimetro de la zona de salida.

Aparentemente el chorro del lado derecho se presenta recto desde la salida del

puerto hasta la mitad de su longitud total, mientras que el izquierdo sigue

teniendo deformacin en forma ondulatoria a la mitad de su longitud como se

indica con la flecha. A la salida de los puertos de ambos lados se observa una

mayor concentracin de colorante hacia la superficie libre, comparada con la

figura anterior, mientras que el chorro del lado izquierdo sigue teniendo una

zona sin colorear en la parte superior inmediatamente a la salida del puerto

indicada con la flecha. La figura 4.1c, muestra que los chorros de descarga que

impactan con las paredes angostas del molde se dividen en dos

recirculaciones, una que asciende en direccin hacia la superficie libre y otra

que se dirige hacia el fondo del molde, ambas cerca de las caras angostas, se

observa que la recirculacin superior derecha impacta primero la superficie

libre alimentando el menisco con una mayor velocidad ocupando cerca de 50 %

del rea por encima del chorro como se indica con el nmero 1, mientras que la

recirculacin superior izquierda an no hace contacto con la superficie libre,

esto debido a que el chorro de descarga del lado izquierdo tiene un mayor

ngulo de inclinacin a la salida por lo cual tiende a tardar ms en llegar hacia

la superficie libre. Los chorros continan sin alteraciones, la recirculacin

inferior izquierda presenta un mayor flujo de corriente ocupando el 50 % de su

rea total por debajo del chorro, mientras que la recirculacin inferior derecha

ocupa un 1/3 de su rea. Ambos chorros a la salida de los puertos se

presentan aparentemente simtricos, el izquierdo presenta mayor difusin de

colorante en la parte inferior hacia el centro del molde como se indica con la

flecha, mientras que en el derecho se observa que su direccin es recta a la

salida del puerto. La figura 4.1d, muestra que ambas recirculaciones superiores

hacen contacto con la superficie libre, por lo que se puede apreciar que la



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recirculacin izquierda ha ocupado 2/3 de su rea indicado con el nmero 2,

mientras que la derecha ya ha hecho contacto con las paredes de la buza y ha

ocupado el 100 % de su rea indicado con el nmero 3. Las recirculaciones

inferiores continan dirigindose hacia el fondo del molde, del lado izquierdo se

presenta un flujo de corriente ms grueso el cual presenta una pequea

recirculacin hacia la punta de la buza como se indica con la flecha. Por otro

lado se observan zonas muertas las cuales se localizan por debajo de la buza

como se indica con el nmero 4. Se puede apreciar que ambos chorros de

descarga presentan ngulos de mayor inclinacin, el izquierdo presenta un

ngulo de inclinacin de 68 y el derecho un ngulo de -72 y su direccin es

recta a la salida de los puertos en ambos lados. Por ltimo se puede observar

que el flujo inferior derecho presenta una pequea deformacin cerca de la

mitad de su longitud como se indica con la flecha. La figura 4.1e, muestra que

las recirculaciones superiores ya han ocupado el total de su rea, mientras que

la recirculacin inferior izquierda ha recorrido 3/4 de su longitud total hacia la

punta de la buza como indica la flecha ocupando ms del 100 % de su rea e

induciendo a la recirculacin inferior derecha a ser ms delgada, mientras que

este a su vez continua dirigindose hacia el fondo del molde sin alteraciones.

Por otro lado se observa que la recirculacin inferior derecha presenta una

pequea deformacin, la cual empieza a tomar direccin hacia la buza como se

indica con la flecha. Por ltimo se puede apreciar que ambos chorros de

descarga estn saliendo de la buza de manera asimtrica. En la figura 4.1f, se

muestra cuando el colorante ha alcanzado todas las zonas del molde.

La figura 4.2 muestra la cintica de mezclado del trazador correspondiente para

el caso 2, para efectos de comparacin las imgenes corresponden a los

mismos tiempos mencionados en la figura anterior.

La figura 4.2a, muestra como ambos chorros de descarga salen de la buza

recorriendo prcticamente la misma distancia, a primera vista parece que

ambos chorros son asimtricos, ocupando 2/3 de la distancia de la buza hacia

la pared estrecha del molde. Se observa que el chorro del lado izquierdo

presenta un flujo ms grueso que el del lado derecho, ambos chorros

presentan mayor turbulencia a la salida de los puertos comparado con el caso



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anterior, tambin se puede observar que el chorro del lado izquierdo sale del

puerto de la buza con un ngulo de inclinacin mayor que el del lado derecho,

a 64 y -61 respectivamente con respecto a la horizontal. A diferencia del caso

anterior se puede apreciar que el colorante en ambos chorros tiende a

disiparse ms hacia la superficie libre, por otro lado se puede visualizar que el

chorro del lado derecho pareciera como si presentara un movimiento

ondulatorio al final del tubo de flujo, ambos chorros tambin tienden a salir ms

gruesos comparado con el caso anterior, por ltimo se observa que el chorro

del lado derecho presenta una zona sin colorear en la parte inferior indicada

con la flecha. La figura 4.2b muestra que ambos chorros de descarga toman

direccin hacia las paredes estrechas del molde, el chorro del lado izquierdo

impacta la cara angosta a una altura de 50 cm, mientras que el derecho a una

altura de 43 cm respecto a la superficie libre, por lo cual los chorros no son

simtricos. Tambin se observa como la difusin del colorante de ambos

chorros sigue avanzando hacia la superficie libre y hacia el fondo del molde, el

chorro del lado derecho aparentemente presenta un movimiento ondulatorio por

lo cual se puede apreciar que la difusin del colorante no cubre de manera

simtrica, mientras que el izquierdo tiende a disipar mas el colorante hacia la

superficie libre cerca de la cara angosta del molde, por otra parte el chorro del

lado derecho presenta una pequea deformacin en la parte inferior como se

indica con la flecha, mientras que el izquierdo a simple vista se comporta recto

a la salida de la buza. La figura 4.2c, muestra que los chorros que impactan

con las paredes angostas del molde son divididos en dos recirculaciones, una

superior ascendiente hacia la superficie libre y otra inferior que desciende hacia

el interior del molde cerca de la cara angosta, se puede observar que la

recirculacin superior derecha es la primera en impactar la superficie libre

ocupando poco ms de 1/3 de su rea, mientras que las recirculaciones

inferiores aparentemente presentan el mismo flujo, tambin se puede apreciar

que el chorro del lado derecho se comporta de manera recta mientras que el

izquierdo presenta una discontinuidad de colorante en la parte inferior como se

indica con la flecha, la difusin de colorante sigue creciendo en ambos chorros

hacindolos cada vez ms gruesos, por ltimo se observa que el chorro del



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lado izquierdo tiene mayor difusin de colorante hacia la superficie libre en la

zona central de su longitud como se indica con la flecha.


inmersin de la buza, a) 1s, b) 2s, c) 4s, d) 7s, e) 15s, f) 23s.



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La figura 4.2d muestra como las recirculaciones superiores ya han hecho

contacto con la superficie libre y se mueven en direccin hacia la buza, la

recirculacin derecha es la primera en hacer contacto con las paredes de la

buza; por otro lado se puede apreciar que el lado izquierdo ha sido cubierto

aproximadamente el 85 % de su rea total mientras que la zona del lado

derecho presenta el 90 % esto es debido a que el chorro de descarga del lado

derecho penetra con un ngulo menor y por lo cual tiende a llegar ms rpido

hacia la superficie libre. Ahora bien las recirculaciones inferiores toman

direccin hacia la buza, se observa que la recirculacin izquierda tiende a llegar

ms rpido hacia la buza como se indica con la flecha mientras que la derecha

apenas comienza a tomar direccin hacia la buza como se indica con el

numero 1, por ltimo se puede apreciar que ambos chorros tienden a salir

rectos pero su ngulo de inclinacin ahora es menor comparado con la figura

5.2a, el izquierdo sale con un ngulo de inclinacin de 63 mientras que el

derecho sale con un ngulo de -60 con respecto a la horizontal. La figura 4.2e

muestra que ambas recirculaciones superiores ya han ocupado el 100 % de su

rea total y ahora las recirculaciones inferiores han tomado direccin hacia la

buza, se puede observar que la recirculacin inferior izquierda toma direccin

hacia la buza sobre la parte central del molde ocupando ms del 50% del rea

y dirigindose con una mayor velocidad hacia la buza, mientras que la derecha

sigue su trayectoria hacia el fondo del molde y aun no ha tomado direccin

hacia la buza, al igual que en el caso anterior se aprecia que la recirculacin

inferior izquierda es la primera en hacer contacto con las paredes de la buza,

mientras que la derecha aparentemente empieza a tomar direccin hacia la

buza haciendo una pequea recirculacin en la parte inferior del molde,

tambin se puede observar las zonas muertas por debajo de la buza como se

indica con el numero 2, por ltimo la recirculacin inferior derecha tiene una

pequea deformacin indicada con la flecha debido al flujo contrario del lado

izquierdo el cual hace que tenga un flujo de corriente ms delgado. La figura

4.2f muestra como el colorante ha alcanzado todas las zonas en el interior del

molde.



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Continuando con la dinmica de flujo la figura 4.3 muestra una vista frontal

correspondiente al caso 3 para los mismos tiempos de referencia a los casos

anteriores.

En la figura 4.3a se observa que el chorro del lado izquierdo es ms largo

ocupando aproximadamente el 70 % de su longitud total (distancia desde el

puerto de la buza hasta la pared angosta del molde), mientras que el chorro del

lado derecho ocupa el 57 % de su longitud total, el chorro del lado izquierdo

presenta una mayor difusin de colorante al final de su longitud como se indica

con la flecha, a simple vista ambos chorros muestran un flujo de corriente

similar a la salida del puerto de la buza, los chorros salen de la buza con una

mayor inclinacin; el izquierdo muestra una inclinacin de 65 mientras que el

derecho es de -59. Los chorros de ambos lados salen con un comportamiento

turbulento presentando un flujo de corriente mayor comparado con los casos

anteriores (1 y 2), se observa tambin como la difusin de colorante aumenta

en ambos chorros hacia la superficie libre, el lado izquierdo presenta una

mayor difusin cerca del puerto de la buza y al final de su longitud como se

indica con las flechas marcadas con el nmero 1, mientras que el derecho

presenta mayor difusin de colorante cerca del puerto de la buza y en las

inmediaciones de la longitud como indican las flechas marcadas con el nmero

2, por ltimo ambos chorros presentan una direccin recta a la salida de la

buza y se observa que debido a la difusin del colorante el izquierdo tiene un

Tesis Julio Cesar Huerta Orozco

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