Modelliing of transport phenomena for improved steel quality in a delta shaped four strand tundish

• Main Author: Chattopadhyay, Kinnor
• Other Authors: Mihaiela Isac (Internal/Cosupervisor2)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2011
• Subjects: Engineering - Metallurgy
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=104793

Physical and mathematical modelling studies were performed, in order to analyze various transport phenomena occurring during steel making tundish operations. Their effects on liquid metal quality were reported. A full-scale water model of a twelve tonne, delta shaped, four strand, billet caster tundish was used for physical modelling. The commercial code ANSYS FLUENT 12 was used for carrying out mathematical modelling. The tundish used in the present study is a full scale replica of that operated at the RTIT/QIT plant in Sorel Tracy, Canada and is located at MMPC's water modelling laboratory at McGill University. It is a long lasting fact that the flow pattern within a tundish greatly affects the output metal quality. As such the insertion of flow modifiers in a tundish is a common practice. In the present study, eighteen different arrangements of flow modifier systems (combinations of impact pad and dams) were considered, and mathematical modelling was performed to predict the inclusion removal efficiency for each tundish configuration. A new dimensionless number (Gu) has been proposed, which is a good measure of steel cleanliness. During melt transfer from the ladle to the tundish, inert gas is injected into the ladle shroud, just below the slide gate, so as to prevent aspiration of ambient air. The effect of inert gas shrouding on the fluid flow patterns and slag movements have been numerically predicted by using a 3D mathematical model, and then validated with water model experiments. The effect of the alignment of the ladle shroud during melt transfer was also studied, using a 3D mathematical model, supported by subsequent water model experiments. It was demonstrated that a slight bias from the vertical can be very detrimental to steel quality. Remedial measures have been suggested. During typical steelmaking tundish operations, conditions are generally non-isothermal. Variable heat losses take place from the free surface and from the walls of the tundish. Similarly, during a ladle change, the steel poured in from the new ladle will tend to be at a higher temperature than the liquid steel remaining in the tundish. Flow patterns change under non-isothermal conditions and hence affect output steel quality. A thorough study has been performed to visualize the effect of thermal gradients on fluid flow patterns, and temperature distributions generated within the delta shaped tundish. === Dans la présente étude, la modélisation physique et numérique fut utilisée pour analyser l'effet sur la qualité du métal liquide de différents phénomènes de transports ayant lieu dans un panier répartiteur durant les opérations de coulée d'acier. Un modèle physique pleine échelle d'un panier répartiteur de forme triangulaire d'une capacité de douze tonnes comprenant quatre jets pour la coulée de billettes ainsi qu'un modèle mathématique utilisant le logiciel ANSYS FLUENT 12 fut utilisé. Le panier utilisant l'eau comme fluide plutôt que l'acier est une réplique de celui utilisé à l'aciérie RTIT/QIT de Sorel Tracy, Canada. Il est bien connu que les patrons d'écoulement qui se développent dans le panier affectent grandement la qualité du métal à la sortie et, en conséquence, l'insertion de modificateurs d'écoulements est pratique courante. Dans la présente étude, dix huit arrangements différents de modificateurs d'écoulements (panneaux d'impacts et digues) furent considérés et furent numériquement modélisés pour prédire l'efficacité à limiter l'entrainement d'inclusion lors de la coulée. Durant le transfert de l'acier de la poche de coulée vers le panier répartiteur, du gaz inerte est injecté dans le jet immédiatement en dessous de la valve coulissante pour prévenir l'aspiration d'air ambiant. L'effet de l'injection du gaz sur le patron d'écoulement et sur les mouvements du laitier de surface a été estimé grâce à un modèle mathématique en volume (3D) et les résultats furent validés expérimentalement en utilisant le modèle physique à l'eau contenant un laitier de microbilles de verre creuses flottantes. L'effet de l'alignement du jet provenant de la poche de coulée qui alimente le panier répartiteur fut aussi étudié par modélisation mathématique en trois dimensions et subséquemment, par des tests physiques avec l'eau. Il fut prouvé que les conséquences d'un léger désalignement vertical du jet est catastrophique et des solutions correctrices sont proposées.Durant les opérations réelles de coulées de l'acier avec panier répartiteur, les conditions ne sont pas isothermes. Il y a des pertes calorifiques provenant de la surface et des côtés du panier. Durant les opérations de changement de poche de coulée, l'acier provenant de la nouvelle poche peut aussi être plus chaud que le restant du panier provenant de la poche précédente. Les patrons d'écoulement change donc sous ces effets non isothermes et affectent aussi la qualité de l'acier sortant. Une étude poussée fut menée pour illustrer l'effet des gradients thermiques sur les patrons d'écoulements et sur la distribution de température dans le panier triangulaire.