ES2445466A2 - Procedure for optimizing the length of cutting of mixing levels in sequential collars of steels of different quality. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
Procedimiento de optimización de la longitud de corte de palanquillas de mezcla en coladas secuenciales de aceros de diferente calidad. 5 Procedure for optimizing the cutting length of mixing billets in sequential castings of steels of different quality. 5
Objeto de la invención Object of the invention
La presente invención se refiere a un procedimiento de optimización de la longitud de corte de palanquillas de mezcla resultantes en la práctica de coladas secuenciales de diferente calidad (SDC) en colada continua, donde dicho procedimiento tiene aplicación en el sector de la industria siderúrgica. The present invention relates to a process for optimizing the cutting length of mixing billets resulting in the practice of sequential casting of different quality (SDC) in continuous casting, where said method has application in the steel industry sector.
Este procedimiento tiene como finalidad la estimación de la longitud de una palanquilla que comprende la mezcla entre una pareja de aceros de diferente calidad, la cual está destinada a ser cortada como material de desecho y, por tanto, cuanta mayor sea la exactitud de corte, menor es el desaprovechamiento de material, así como This procedure has the purpose of estimating the length of a billet comprising the mixture between a pair of steels of different quality, which is intended to be cut as waste material and, therefore, the greater the cutting accuracy, minor is the waste of material, as well as
15 menores demoras en la preparación y entrega de palanquillas a los respectivos clientes. El procedimiento objeto de invención permite estimar la longitud de la palanquilla de mezcla a través de una serie de etapas y formulación de fácil aplicación. 15 minor delays in the preparation and delivery of billets to the respective customers. The process object of the invention allows estimating the length of the mixing billet through a series of steps and easy application formulation.
Antecedentes de la invención Background of the invention
En el proceso de colada continua existe una práctica denominada colada secuencial de aceros de diferente calidad, SDC, donde al terminar de colar una primera cuchara, se interrumpe la aportación de un primer acero, descendiendo el nivel de acero en una artesa hasta un nivel preestablecido. Es justo en ese momento cuando se procede a abrir una segunda cuchara y, en ese instante, se comienza a verter un segundo acero colándose en el In the continuous casting process there is a practice called sequential casting of steels of different quality, SDC, where after finishing a first spoon, the contribution of a first steel is interrupted, lowering the level of steel in a trough to a pre-established level . It is just at that moment when a second spoon is opened and, at that moment, a second steel starts pouring into the
25 molde un acero con una composición mezcla. 25 molds a steel with a mixed composition.
Un factor clave en el proceso, atendiendo a las necesidades de calidad y optimización de productividad, es la determinación de la longitud de la palanquilla de mezcla resultante, cuya composición química no corresponde a ninguna de las deseadas por los clientes. De este modo, los requerimientos de calidad exigen que la composición química sea uniforme a lo largo de toda la barra, y es por ello que las zonas de transición, deben de ser eliminadas mediante lo que se conoce como despuntes (deshechos de la colada continua). A key factor in the process, taking into account the needs of quality and productivity optimization, is the determination of the length of the resulting mixing billet, whose chemical composition does not correspond to any of those desired by customers. In this way, the quality requirements require that the chemical composition be uniform throughout the entire bar, and that is why the transition zones must be eliminated by what is known as spikes (continuous casting wastes ).
A raíz de dicha problemática se recalca la importancia de la determinación exacta de esta zona de mezcla, ya que la realización de SDC’s permite aumentar considerablemente la secuencialidad y producir un ahorro As a result of this problem, the importance of the exact determination of this mixing zone is stressed, since the realization of SDC’s allows to increase sequentiality considerably and produce savings
35 importante de pérdidas metálicas 35 important metal losses
Sin embargo, la determinación exacta de la longitud de las zonas de mezcla generadas es una labor extremadamente complicada, lo cual ha sido motivo de estudio durante los últimos años: However, the exact determination of the length of the mixing zones generated is an extremely complicated task, which has been the subject of study in recent years:
En este sentido cabe destacar estudios que datan de 1993, donde debido al desconocimiento de la longitud exacta de mezcla, e independientemente de las condiciones de colada, el despunte aplicado en todos los casos se tomaba como longitud constante. Esta metodología es inviable actualmente, ya que la elevada gama de aceros producidos comprenden composiciones muy variables y, por tanto, dan lugar a longitudes de mezcla muy diferentes para cada caso,; lo que hace indispensable el aplicar un cálculo matemático previamente establecido In this sense, it is worth noting studies dating from 1993, where due to ignorance of the exact length of the mixture, and regardless of the casting conditions, the spike applied in all cases was taken as constant length. This methodology is currently unfeasible, since the high range of steels produced comprises very variable compositions and, therefore, gives rise to very different mixing lengths for each case; what makes it essential to apply a previously established mathematical calculation
45 para la determinación de la longitud de dichos despuntes. 45 for the determination of the length of said spikes.
Numerosos autores han desarrollado modelos de simulación enfocados al conocimiento del flujo de acero líquido en el interior de la artesa, donde la mayor parte de los trabajos están centrados en el desarrollo de modelos físicos, basados en modelos de agua. Numerous authors have developed simulation models focused on the knowledge of the flow of liquid steel inside the trough, where most of the work is focused on the development of physical models, based on water models.
Este tipo de ensayos otorgan un muy valioso aporte con respecto al comportamiento de fluidos en reactores metalúrgicos, y permiten evaluar de forma rápida y económica fenómenos como la distribución del tiempo de residencia, tipo de flujo y zonas muertas o cortocircuitos de mezclas, mediante la inyección de trazadores en la corriente fluida. These types of tests provide a very valuable contribution with respect to the behavior of fluids in metallurgical reactors, and allow to quickly and economically evaluate phenomena such as the distribution of residence time, type of flow and dead zones or short circuits of mixtures, by injection of tracers in the fluid stream.
55 Con este tipo de ensayos se puede adquirir un conocimiento cualitativo de las condiciones que minimizan la mezcla en la zona de transición; sin embargo la estimación de la longitud de corte de las palanquillas de mezcla mediante la aplicación de simulaciones de modelos de agua no tiene una elevada precisión, estando por tanto restringidos a estudios a nivel de laboratorio y de difícil validación industrial. 55 With this type of test, qualitative knowledge of the conditions that minimize mixing in the transition zone can be acquired; However, the estimation of the cutting length of the mixing billets through the application of simulations of water models does not have high precision, therefore being restricted to laboratory level studies and difficult industrial validation.
Asimismo, se conoce la existencia de numerosos artículos que contemplan la resolución de modelos matemáticos, los cuales son más precisos que los modelos de agua, como en el modelo anteriormente descrito y donde dichos modelos matemáticos están basados en la resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes. Este tipo de metodología aporta un conocimiento cuantitativo de la longitud de mezcla teórica a aplicar en los Likewise, the existence of numerous articles that contemplate the resolution of mathematical models is known, which are more precise than water models, as in the model described above and where said mathematical models are based on the resolution of Navier's equations. Stokes This type of methodology provides a quantitative knowledge of the theoretical mix length to apply in the
65 despuntes (o palanquilla de mezcla), si bien tiene el inconveniente de que son modelos matemáticos extremadamente complejos, cuya resolución del conjunto de ecuaciones conlleva un elevado tiempo de cálculo. 65 spikes (or mixing billet), although it has the disadvantage that they are extremely complex mathematical models, whose resolution of the set of equations entails a high calculation time.
Por otro lado, en la práctica de coladas secuenciales de diferente calidad se requiere modelizar situaciones correspondientes al estado transitorio, donde el volumen de la artesa varía significativamente, no siendo tales modelizaciones habituales en los documentos encontrados. Para este fin se pueden emplear los dos métodos On the other hand, in the practice of sequential casting of different quality, it is necessary to model situations corresponding to the transitory state, where the volume of the trough varies significantly, not being such usual modeling in the documents found. For this purpose the two methods can be used
5 anteriormente descritos, es decir, tanto la modelización física a través de modelos de agua, como la modelización matemática a través de las ecuaciones de Navier-Stokes, pero son las condiciones transitorias en cuanto a tonelaje en la artesa lo que dificulta mucho la labor de simulación, además de los inconvenientes previamente mencionados. 5 described above, that is, both the physical modeling through water models, and the mathematical modeling through the Navier-Stokes equations, but it is the transitory conditions in terms of tonnage in the trough that makes labor very difficult of simulation, in addition to the previously mentioned drawbacks.
Es por ello que, a la vista de los antecedentes mencionados, y de los inconvenientes que presentan los procedimientos descritos anteriormente, se hace necesario la aparición de un nuevo procedimiento de optimización que permita subsanar tales desventajas, de forma que sea lo suficientemente sencillo y simple para obtener la longitud de la palanquilla de mezcla, minimizando los metros desechados y generando un ahorro económico mediante la reducción de pérdidas metálicas. That is why, in view of the aforementioned background, and the inconveniences presented by the procedures described above, it is necessary the appearance of a new optimization procedure that allows to overcome such disadvantages, so that it is simple and simple enough to obtain the length of the mixing billet, minimizing the discarded meters and generating economic savings by reducing metal losses.
Descripción de la invención Description of the invention
La presente invención se refiere a un procedimiento de optimización de la longitud de corte de la palanquilla de mezcla en la práctica de coladas secuenciales de diferente calidad (SDC), la cual está destinada a ser cortada como material de desecho, donde en el comienzo de dicho procedimiento, definido como tiempo cero en el estudio, se encuentra diluido, en una artesa, una cantidad inicial de un primer acero, con una composición del elemento i constituyente del acero: y0 (Tn) en un volumen definido como V0 (m3). The present invention relates to a method of optimizing the cutting length of the mixing billet in the practice of sequential casting of different quality (SDC), which is intended to be cut as waste material, where at the beginning of This procedure, defined as zero time in the study, is diluted, in a trough, an initial amount of a first steel, with a composition of the constituent element i of the steel: y0 (Tn) in a volume defined as V0 (m3) .
Donde dicho procedimiento objeto de invención comprende las siguientes etapas: 25 a) evacuar dicho primer volumen de acero con un caudal de salida definido como Qs (m3/min), el cual viene dado por la velocidad de colada, número de líneas de colada, formato final de la palanquilla; Where said process object of the invention comprises the following steps: a) evacuate said first volume of steel with an output flow defined as Qs (m3 / min), which is given by the casting speed, number of casting lines, final format of the billet;
b) alimentar, a partir de la etapa a), dicha artesa con un segundo acero con que comprende una segunda composición química; comprende una concentración determinada del elemento i definida como Ce (Tn i/Tn) y comprende un caudal de entrada máximo definido como Qe (m3/min), correspondiente a una situación donde una corredera de paso está completamente abierta; b) feeding, from step a), said trough with a second steel with which it comprises a second chemical composition; it comprises a certain concentration of the element i defined as Ce (Tn i / Tn) and comprises a maximum input flow defined as Qe (m3 / min), corresponding to a situation where a passageway is completely open;
c) plantear un balance global a la artesa donde el caudal de entrada es igual al caudal de salida, más un 35 término de acumulación definido como dV/dt; donde V es el volumen en la artesa, y el balance viene definido como: c) propose a global balance to the trough where the input flow is equal to the output flow, plus an accumulation term defined as dV / dt; where V is the volume in the trough, and the balance is defined as:
v (m3) = va +(Qe -Qs)( m3 v (m3) = va + (Qe-Qs) (m3
min).t(min) min) .t (min)
d) plantear un balance por componentes a través de una ecuación diferencial, definida como: d) propose a balance by components through a differential equation, defined as:
y(t)(Tn) t + -y y (t) (Tn) t + -y
Ce (Tn min)=Qs Ce (Tn min) = Qs
Tn).ve( Tn . Tn) .ve (Tn.
va+(Qe-Qs) . -t goes + (Qe-Qs). -t
e) resolver dicha ecuación diferencial determinando la evolución de la concentración de los elementos e) solve said differential equation by determining the evolution of the concentration of the elements
45 constituyentes de cada tipo de acero, a lo largo de dicha palanquilla de mezcla, en función del peso remanente en la artesa, formato a fabricar y composiciones objetivo de las coladas. 45 constituents of each type of steel, along said mixing billet, depending on the weight remaining in the trough, format to be manufactured and objective compositions of the castings.
Es decir, para llegar a formular matemáticamente el procedimiento descrito, se simula una situación correspondiente al estado transitorio, donde el volumen de una artesa varía significativamente desde un volumen mínimo, viable desde el punto de vista operacional, hasta el volumen habitual de colada. Para ese fin se procede a resolver un conjunto de ecuaciones diferenciales basadas en la aplicación conjunta de los balances globales e individuales en dicha artesa. That is, to get to formulate the described procedure mathematically, a situation corresponding to the transitional state is simulated, where the volume of a trough varies significantly from a minimum volume, viable from the operational point of view, to the usual casting volume. To this end, a set of differential equations based on the joint application of global and individual balances in said trough is resolved.
De este modo se procede a plantear el balance global en la artesa, donde el caudal de entrada es igual al caudal In this way we proceed to raise the overall balance in the trough, where the input flow is equal to the flow
55 de salida, más el término de acumulación definido como “dV/dt”, y por tanto la variación de volumen en la artesa, “V”, viene definido como: 55, plus the accumulation term defined as “dV / dt”, and therefore the volume variation in the trough, “V”, is defined as:
v= vo +(Qe-Qs) .t v = vo + (Qe-Qs) .t
De la misma manera se plantean los balances individuales a cada uno de los elementos constituyentes de cada tipo de acero especial según: In the same way, the individual balances are presented to each of the constituent elements of each type of special steel according to:
y(t)-yCe.ve = Qs. and (t) -yCe.ve = Qs.
va+(Qe-Qs).t + -t goes + (Qe-Qs) .t + -t
5 Donde dicha ecuación se corresponde a una ecuación diferencial lineal de primer orden inhomogenea cuya solución viene definida por la siguiente expresión matemática: 5 Where this equation corresponds to an inhomogeneous first-order linear differential equation whose solution is defined by the following mathematical expression:
y(t) = F(t) .[f F(t) .r(t)-t + K] y (t) = F (t). [f F (t) .r (t) -t + K]
Siendo: Being:
Qs.dt (Vo+ (Qe Qs) .t Qs.dt (Vo + (Qe Qs) .t
- --
- F(t) = ef F (t) = ef
15 -r(t)= Ve .Ce 15 -r (t) = Ve. Ce
- --
- K es la respuesta a las condiciones iniciales; K is the answer to the initial conditions;
- --
- t es el tiempo; t is the time;
- --
- Ve el caudal de entrada del segundo acero expresado en unidades de masa; See the inlet flow of the second steel expressed in units of mass;
- --
- Ce la composición de entrada del elemento i constituyente del segundo acero; Ce the input composition of the constituent element i of the second steel;
20 De este modo, la resolución de dicha ecuación permite determinar la evolución de la concentración de los elementos constituyentes de cada tipo de acero, a lo largo de dicha palanquilla de mezcla, en función del peso remanente en la artesa, formato a fabricar y composiciones objetivo de las coladas. 20 Thus, the resolution of said equation allows to determine the evolution of the concentration of the constituent elements of each type of steel, along said mixing billet, depending on the weight remaining in the trough, format to be manufactured and compositions objective of the laundry.
25 A partir del conocimiento de la evolución de la concentración de los elementos constituyentes de cada tipo de acero a lo largo de dicha palanquilla de mezcla, puede estimarse una longitud teórica de corte de la palanquilla de mezcla, la cual viene definida como un compromiso entre los metros necesarios para alcanzar la composición objetivo de la segunda colada según las ecuaciones descritas anteriormente, y las horquillas de fabricación permisibles por el cliente. Describiéndose por tanto una última etapa como: 25 From the knowledge of the evolution of the concentration of the constituent elements of each type of steel along said mixing billet, a theoretical cutting length of the mixing billet can be estimated, which is defined as a compromise between the meters necessary to achieve the objective composition of the second casting according to the equations described above, and the manufacturing forks allowed by the customer. Describing therefore a last stage as:
30 f) Calcular la longitud teórica de corte como un compromiso entre la longitud necesaria para alcanzar la composición objetivo de la segunda colada de dicho segundo acero según las ecuaciones de diseño establecidas, y unas horquillas de fabricación fijadas y permisibles por el cliente. 30 f) Calculate the theoretical cutting length as a compromise between the length necessary to achieve the objective composition of the second casting of said second steel according to the established design equations, and manufacturing forks fixed and permissible by the customer.
35 Posteriormente dicha formulación tiene la gran ventaja de poder ser programada introduciendo variables de entrada como: 35 Subsequently, this formulation has the great advantage of being programmed by entering input variables such as:
- --
- Formato de fabricación; Manufacturing format;
- --
- Peso remanente en la artesa; 40 -Composiciones objetivo y horquillas de fabricación de las coladas. Weight remaining in the trough; 40 - Target compositions and forks for manufacturing laundry.
Y donde con tales entradas se calcula, a partir del procedimiento descrito objeto de invención, los metros pertenecientes a la palanquilla de mezcla y que han de ser suprimidos para chatarra. And where with such entries it is calculated, from the procedure described object of the invention, the meters belonging to the mixing billet and to be deleted for scrap.
45 Tales resultados de longitudes permiten disminuir las pérdidas metálicas al evitar despuntes, y adicionalmente permiten realizar un mejor aprovechamiento de las instalaciones prestando especial atención al caso donde una predicción de longitud de corte de la palanquilla de mezcla errónea, necesita realizar despuntes adicionales que implican una serie de operaciones no previstas y, por tanto, un retraso en la salida de las coladas, con el consecuente gasto que ello supone, así como un deterioro de la imagen de la compañía. 45 Such results of lengths allow to reduce metal losses by avoiding breakdowns, and additionally allow to make better use of the facilities, paying special attention to the case where a prediction of the cutting length of the erroneous mixing billet, needs to make additional splits that involve series of operations not foreseen and, therefore, a delay in the exit of the laundry, with the consequent expense that this implies, as well as a deterioration of the image of the company.
50 Y en el caso contrario, cuando la predicción de la longitud de corte de la palanquilla se realiza por exceso, da lugar a que unas ingentes cantidades de material metálico vayan a parar a la palanquilla de mezcla y se genere una mayor carga de chatarra de lo necesaria. 50 And in the opposite case, when the prediction of the length of cut of the billet is carried out in excess, it results in that enormous amounts of metallic material go to the mixing billet and generate a greater load of scrap metal. the necessary
55 Así pues, de acuerdo con la invención descrita, el procedimiento de optimización de la longitud de corte en coladas secuenciales de diferente calidad, objeto de invención, constituye una importante novedad en procedimientos de optimización pertenecientes al estado del arte, describiendo un proceso a seguir capaz de obtener una longitud de palanquilla exacta y, por tanto, poder ejecutar su corte sin el derroche de material útil. Thus, according to the described invention, the process of optimizing the cutting length in sequential castings of different quality, object of the invention, constitutes an important novelty in optimization procedures belonging to the state of the art, describing a process to be followed. capable of obtaining an exact billet length and, therefore, being able to execute its cut without wasting useful material.
Descripción de las figuras Description of the figures
En este caso, y debido a la no necesidad de complementar la descripción que se está realizando, no se In this case, and due to the need not to complement the description that is being made, it is not
5 acompaña como parte integrante de dicha descripción, ninguna serie de dibujos o figuras adicionales o explicativas acorde con la descripción realizada, al considerarse suficientemente clara y con las etapas correctamente descritas anteriormente. 5 accompanies as an integral part of said description, no series of additional or explanatory drawings or figures in accordance with the description made, being considered sufficiently clear and with the steps correctly described above.
Realización preferente de la invención Preferred Embodiment of the Invention
10 El procedimiento de optimización en colada continua de cálculo de la longitud de corte de palanquillas de mezcla en coladas secuenciales de diferente calidad comprende los siguientes pasos correlativos: 10 The method of optimization in continuous casting for calculating the cutting length of mixing billets in sequential castings of different quality comprises the following correlative steps:
1.- En el comienzo de la DSC, definido como tiempo cero en el estudio, en la artesa se encuentra diluido una 1.- At the beginning of the DSC, defined as zero time in the study, in the trough it is diluted a
15 cantidad inicial de un primer acero, con una composición del elemento i constituyente del acero, “y0 (Tn)” en un volumen definido como “V0 (m3)”. La artesa evacúa dicho primer acero con un caudal de salida definido como “Qs (m3/min)”, el cual viene dado por la velocidad de colada, número de líneas de colada y formato final de la palanquilla. The initial amount of a first steel, with a composition of the constituent element i of the steel, "y0 (Tn)" in a volume defined as "V0 (m3)". The trough evacuates said first steel with an output flow defined as "Qs (m3 / min)", which is given by the casting speed, number of casting lines and final format of the billet.
20 2.- Es en ese momento comienza a alimentarse, a dicha artesa, un segundo acero con una segunda composición química, y con una concentración determinada del elemento i definida como “Ce (Tn i/Tn)” y con un caudal de entrada máximo definido como “Qe (m3/min)”, correspondiente a una situación donde la corredera de paso está completamente abierta. 20 2.- It is at that moment that a second steel with a second chemical composition begins to be fed to said trough, and with a determined concentration of the element i defined as “Ce (Tn i / Tn)” and with an inlet flow maximum defined as “Qe (m3 / min)”, corresponding to a situation where the passage slide is completely open.
25 3.- En este instante se plantea un balance global a la artesa donde el caudal de entrada es igual al caudal de salida, más el término de acumulación definido como “dV/dt”; y por tanto la variación de volumen en la artesa, definido dicho volumen como “V”, viene definida como: 25 3.- At this moment a global balance is proposed to the trough where the input flow is equal to the output flow, plus the accumulation term defined as “dV / dt”; and therefore the variation of volume in the trough, defined said volume as "V", is defined as:
v (m3) = va+(Qe-Qs)( m3 v (m3) = va + (Qe-Qs) (m3
min).t(min) min) .t (min)
4.- Así mismo, al plantear un balance por componentes, se calcula la variación de la masa del componente i entre el primer y segundo acero, la cual viene definida como una ecuación diferencial inhomogenea: 4.- Likewise, when considering a component balance, the variation of the mass of component i between the first and second steel is calculated, which is defined as an inhomogeneous differential equation:
y(t)(Tn)-yy (t) (Tn) -y
Ce(Tn min)=Qs. Ce (Tn min) = Qs.
Tn).ve( Tn va+(Qe-Qs).t + -t Tn) .ve (Tn va + (Qe-Qs) .t + -t
5.- La resolución y combinación de dichas ecuaciones diferenciales permite determinar la evolución de la concentración de los elementos constituyentes de cada tipo de acero, a lo largo de dicha palanquilla de mezcla, en función del peso remanente en la artesa, formato a fabricar y composiciones objetivo de las coladas. La longitud teórica de corte viene definida como un compromiso entre los metros necesarios para 5.- The resolution and combination of said differential equations allows to determine the evolution of the concentration of the constituent elements of each type of steel, along said mixing billet, depending on the weight remaining in the trough, format to be manufactured and objective compositions of the washes. The theoretical length of cut is defined as a compromise between the necessary meters for
40 alcanzar la composición objetivo de la segunda colada del segundo acero, y las horquillas de fabricación permisibles por el cliente. 40 reach the target composition of the second wash of the second steel, and the manufacturing forks allowed by the customer.
A la vista de esta descripción el experto en la materia podrá entender que las realizaciones de la invención que se han descrito pueden ser combinadas de múltiples maneras dentro del objeto de la invención. La invención ha In view of this description, the person skilled in the art will understand that the embodiments of the invention that have been described can be combined in multiple ways within the scope of the invention. The invention has
45 sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero para el experto en la materia resultará evidente que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes sin exceder el objeto de la invención reivindicada. It has been described according to some preferred embodiments thereof, but it will be apparent to the person skilled in the art that multiple variations can be introduced in said preferred embodiments without exceeding the object of the claimed invention.
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