Efecto de los frenos electromagnéticos aplicados en la Zona B.

Figura 5.12. Caso sin EMBr, plano al centro del molde, a) Contornos de velocidad y b)

Vectores de velocidad de longitud fija.

5.5. Efecto de los frenos electromagnéticos sobre los patrones de flujo en el molde

5.5.1. Efecto de los frenos electromagnéticos aplicados en la Zona B.

Al aplicar las diferentes intensidades de campo magnético en la Zona B, los resultados obtenidos fueron muy favorables y acordes a lo reportado en literatura pero referido a moldes rectos. Para poder observar cómo la dinámica del flujo se vio modificada por los campos magnéticos, se requirió de varias figuras considerando los 4 casos que se analizaron en todo el trabajo: a) molde sin EMBr, b) molde con EMBr a 0.1T, c) molde con EMBr a 0.3T y d) molde con EMBr a 0.5T. Las primeras tres figuras que se emplearon para el análisis fueron: Vectores de velocidad al centro del molde (Figura 5.13 incisos a)-d)), Vectores de velocidad de longitud fija de los chorros en 3D mostrados en una vista de planta (Figura 5.14 incisos a)- d)) y datos de velocidad medidos en una línea que sigue la trayectoria del eje central del chorro derecho (Figura 5.15).

M.C. Saúl García Hernández 57 Como se explicó con anterioridad, cuando no se aplican los campos magnéticos los patrones de flujo presentan un comportamiento asimétrico al tenerse un desequilibrio entre ambos chorros (Figuras 5.13 y 5.14 incisos a)) y se tienen velocidades en las zonas donde los chorros tocan las paredes del molde entre 0.3 y 0.4 m/s (Figura 5.15). Cuando se aplican los frenos magnéticos se logra disminuir paulatinamente la velocidad del acero conforme se incrementa la intensidad de flujo magnético y consecuentemente se alcanza un mejor control del flujo de fluidos.

A una intensidad de campo magnético de 0.1T, Figuras 5.13 y 5.14 incisos b), se consiguió que los patrones de flujo adquirieran una muy buena simetría, no obstante la velocidad no se vio considerablemente afectada, puesto que el acero de los chorros continua alcanzando las caras del molde a 0.3 m/s, como se puede apreciar en la Figura 5.15. Por lo cual se prosiguió a incrementar la magnitud del campo a 0.3T, Figuras 5.13 y 5.14 incisos c). En estas figuras, las fuerzas de Lorentz mostraron un claro efecto de frenado sobre la magnitud de la velocidad en los chorros y por ende en todo el molde. Esta disminución fue de aproximadamente un 30% de la velocidad original como se puede apreciar en la Figura 5.15. También se observó que la forma de los chorros fue ligeramente afectada, puesto que la punta de los mismos se observa adelgazada mientras que la base del chorro en el puerto de la buza muestra un engrosamiento (Figura 5.14 inciso c)). Este comportamiento se debe obviamente a la fuerza de Lorentz que actúa en sentido opuesto al chorro y que produce que este abra su envergadura en la zona de mayor influencia, que corresponde a la Zona B en la base de los chorros. Este hecho produjo que la velocidad con la que los chorros alcanzan las caras del molde fuera casi completamente disminuida a valores inferiores a la arriba mencionada, Figura 5.15. Adicionalmente, se encontró que el acero que alimenta las recirculaciones superiores se desplaza a una velocidad bastante reducida, provocando que las recirculaciones superiores reduzcan por igual en intensidad y tamaño y que todo el fluido por arriba de los chorros se mueva consecuentemente a menor velocidad, con excepción de una zona muy cercana a los puertos en la parte superior del chorro, donde el acero muestra un ligero incremento de velocidad en dirección al retro- flujo. Las Figuras 5.13 y 5.14 incisos d), muestran los resultados de aplicar una intensidad de campo magnético igual a 0.5T. Es más que evidente que las fuerzas de frenado actúan con mucha mayor intensidad que en cualquiera de los casos anteriormente analizados. El fluido del

M.C. Saúl García Hernández 58 chorro ha perdido aproximadamente un 50% de su velocidad sin campo magnético como se aprecia en la Figura 5.15. Esta disminución tan drástica de velocidad produjo que el fluido en todo el molde se desplace a velocidades muy bajas y que las recirculaciones superiores desaparecieran por completo. Este fenómeno se debe a que el acero ya no cuenta con la velocidad suficiente para impactarse con las paredes angostas del molde (Figura 5.14 inciso d)) y dividirse en los dos típicos flujos que alimentan y producen las recirculaciones superiores e inferiores. Sin embargo las recirculaciones inferiores permanecen porque el fluido continúa su trayectoria descendente y su respectiva recirculación (Figura 5.13 inciso d)). Al desaparecer la recirculación superior el acero en la parte alta del molde se mueve a tan baja velocidad como una zona estancada. Con la excepción de la zona cercana al retro-flujo, donde el acero que a 0.3 T mostraba un pequeño incremento de velocidad ahora se ha convertido en una recirculación que alimenta la parte superior del puerto y este al no poder entrar a la buza asciende por la parte externa de la misma en dirección al menisco.

Después de comparar estos resultados podemos decir que, aun a 0.5 T no se logra eliminar por completo el efecto de la válvula deslizante, puesto que el chorro derecho continua saliendo a mayor velocidad que el izquierdo y a pesar del fuerte frenado que sufren ambos, no se logra que ambos tengan la misma magnitud como se puede observa en la Figura 5.14 inciso d), donde el chorro derecho continua siendo más largo que el izquierdo. Sin embargo, se logra obtener una simetría en los patrones de flujo en todo el molde de aproximadamente el 90%. Es importante mencionar que al igual que a 0.3T, a 0.5T la velocidad de impacto de los chorros con las paredes angostas del molde es definitivamente inferior a 0.3 m/s.

M.C. Saúl García Hernández 59 Figura 5.13. Vectores de velocidad al centro del molde, aplicando el EMBr en la Zona B, a) 0

M.C. Saúl García Hernández 60 Figura 5.14. Vectores de velocidad de ambos chorros en 3D en vista de planta, aplicando el

EMBr en la Zona B, a) 0 T, b) 0.1 T, c) 0.3 T y d) 0.5 T. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 V e lo c id a d (m /s )

Longitud del Jet (m)

0T 0.1T 0.3T 0.5T

Figura 5.15. Velocidad del chorro derecho considerando diferentes intensidades de campo magnético y medida sobre una línea que sigue la trayectoria del chorro en su eje central.

M.C. Saúl García Hernández 61 Hasta este punto nos fue claro que entre más intenso fuese el campo magnético aplicado, mayor sería el efecto de frenado de las fuerzas de Lorentz sobre la velocidad de los chorros y esto a su vez se vería reflejado en la simetría del flujo de fluidos al interior del molde. Sin embargo, hasta ahora solo se analizaron los patrones de flujo al centro del molde y no hay que olvidar que al ser este curvo, la dinámica en sus radios posterior y frontal deberá ser definitivamente diferente, por tal motivo y para poder analizar la fluidinámica en estas, se trazo un plano cercano a cada una y se obtuvieron vectores de velocidad, los cuales se muestran en las Figuras 5.16 y 5.17.

Existen varios puntos a considerar en estas imágenes, primero, el software no permite trazar planos curvos, por lo cual, los planos trazados en estas caras fueron inclinados y lo más cercano posible a cada uno de los radios. Para ambos planos se tomo como referencia el tamaño del molde, de tal manera que la mayor distancia de separación del plano con respecto a la pared del molde fue de 10 mm y 5 mm representaría la distancia más corta. La primera distancia se alcanzo en la Figura 5.16 al centro del molde y en los extremos del plano la segunda distancia; para la Figura 5.17 estas condiciones son inversas. De tal manera que se puede considerar que los planos se trazaron a aproximadamente 10 mm de la pared del molde. Considerando lo anterior, se prosiguió al análisis de las imágenes.

Uno de los primeros fenómenos observados y que va acorde a lo ya discutido con anterioridad, es que el fluido de los chorros alcanza ambas paredes a velocidades superiores a los 0.3 m/s y no es hasta que se aplica una intensidad de campo de 0.5 T que se logra controlar este problema. También se observó otro fenómeno muy interesante, a pesar de que sin campo magnético ambos chorros se inclinan hacia el radio posterior, los vectores de velocidad nos muestran que el chorro derecho proporciona más fluido por el radio posterior que el izquierdo y que en el radio frontal este suceso se observa igualmente pero en sentido opuesto. Este fenómeno se ve reflejado por la magnitud y forma de las recirculaciones, en la Figura 5.16 inciso a) se observa como la recirculación izquierda es mas angosta y el pico del fluido ascendente apunta al chorro izquierdo y en la Figura 5.17 inciso a) se ve en sentido opuesto. Esta diferencia en la forma de alimentar el fluido de los chorros es la que genera toda la asimetría en el molde y solo se logró disminuirla con la implementación de campos iguales o

M.C. Saúl García Hernández 62 mayores a 0.3 T. Se menciona disminuir puesto que, a pesar de que se logró que ambos radios presenten aproximadamente el mismo perfil, uno de los chorros continuó alimentando siempre a mayor intensidad por efecto de la válvula deslizante, siendo este el derecho como se puede observar en la Figura 5.14.

Figura 5.16. Vectores de velocidad en un plano a 10 mm del radio posterior, aplicando el EMBr en la Zona B, a) 0 T, b) 0.1 T, c) 0.3 T, d) 0.5 T.

M.C. Saúl García Hernández 63 Figura 5.17. Vectores de velocidad en un plano a 10 mm del radio frontal, aplicando el EMBr

en la Zona B, a) 0 T, b) 0.1 T, c) 0.3 T, d) 0.5 T.

Finalmente, como una última zona de análisis de los efectos de aplicar los frenos magnéticos en la Zona B, se estudió el comportamiento del menisco. No hay que olvidar que al final de la sección 5.2 se estableció el efecto que ejercen la curvatura del molde y la válvula deslizante sobre la asimetría en el menisco, por lo cual la siguiente discusión se verá enfocada a establecer el efecto de la implementación de los campo magnético en la Zona B sobre la dinámica en el mismo; para esto se obtuvieron contornos y vectores de velocidad de longitud fija del menisco, que se muestran en la Figura 5.18 incisos a)-f).

Como ya se discutió con anterioridad, el menisco está directamente relacionado con el comportamiento del los chorros de acero, por ello es de esperarse que conforme se logra un control en estos, el menisco muestre igualmente un comportamiento más regular. Basta observar la Figura 5.18 para darnos cuenta que esto es muy cierto, que a 0 T el menisco es

M.C. Saúl García Hernández 64 muy irregular pero conforme se incrementa la intensidad del campo magnético se obtiene paulatinamente la simetría buscada.

A 0T y a 0.1T (incisos a)-d)), el menisco mostró ser alimentado con acero a mayor velocidad por la parte izquierda del molde, este fenómeno está estrechamente ligado al comportamiento de los chorros, si estos fuesen simétricos la velocidad de alimentación por las caras angostas seria aproximadamente la misma, sin embargo la válvula deslizante genera que el chorro derecho penetre mas en el lecho de acero que el izquierdo, lo que conlleva que alimenten al menisco a velocidades diferentes (Figura 5.13 incisos a)-b)). Como el chorro izquierdo profundiza menos, es normal que alimente al menisco a velocidades superiores al derecho que penetra más y es por ello que el fluido se desplaza de izquierda a derecha. A pesar de que a 0.3T se logró eliminar en un 80 % la variación de las velocidades ascendentes (Figura 5.13 inciso c)), no se pudo lograr la simetría en el menisco. No fue hasta que se utilizó una intensidad de campo igual a 0.5T cuando finalmente se eliminó el fenómeno arriba descrito y se logró que el menisco fuera completamente simétrico como se puede observar en la Figura 5.18 incisos g) y h).

Los incrementos de velocidad que se observan en las cercanías de la buza se deben a las recirculaciones ahí presentes, las cuales estrangulan el fluido contra las paredes generando esas pequeñas intensificaciones. Es importante mencionar que las pequeñas variaciones que se notan en los vectores son generadas por las recirculaciones temporales que se forman en el menisco y las cuales desaparecen y reaparecen periódicamente.

Por lo anteriormente discutido se concluyó que, para lograr una buena regularidad en el menisco se necesita una intensidad mínima de campo de 0.3 T y que solo a 0.5 T se obtiene un menisco simétrico.

M.C. Saúl García Hernández 65 Figura 5.18. Contornos y Vectores de velocidad de longitud fija medidos en el menisco,

M.C. Saúl García Hernández 66 5.5.2. Efecto de los frenos electromagnéticos aplicados en la Zona C.

Para aplicar el campo electromagnético en la Zona C, se tomó como caso inicial los resultados expuestos en la sección 5.4. Donde el flujo había sido simulado durante 300 segundos sin considerar campo magnético en ninguna zona. Partiendo de estas condiciones iniciales, se simuló durante otros 300 segundos el campo de flujo de fluidos afectado por diferentes intensidades de campo electromagnético, lo cual representa el mismo procedimiento seguido para obtener los resultados expuestos en la sección 5.5.1

En la sección 5.3 se estudió el efecto del campo magnético aplicado en la posición de los puertos sobre los patrones de flujo al interior de la buza, concluyéndose que sin importar la intensidad de campo este no afectara dichos patrones y que por lo tanto los posteriores resultados serían enfocados solamente a las variaciones de flujo al interior del molde. Esta conclusión también será aplicada a la discusión de resultados en esta sección y más aun debido a que el campo magnético en la Zona C se encuentra localizado por debajo de la buza.

Considerando lo anteriormente mencionado, se prosiguió a analizar el efecto de la intensidad del campo magnético sobre los patrones de flujo al interior del molde. Para ello se adquirieron: vectores de velocidad en un plano al centro del molde siguiendo la curvatura del mismo (Figura 5.19), vectores de velocidad de longitud fija de los chorros en 3D mostrados en vista de planta (Figura 5.20) y datos de la velocidad medidos en una línea que sigue la trayectoria del chorro derecho (Figura 5.21). En estas tres figuras se consideraron cuatro casos de la siguiente manera: a) molde sin EMBr, b) molde con EMBr a 0.1T, c) molde con EMBr a 0.3T y d) molde con EMBr a 0.5T.

Siguiendo la misma mecánica expuesta en la sección 5.5.1, la primera intensidad de campo magnético aplicado fue de 0.1 T. Aun siendo una intensidad de campo tan baja, se produjo un frenado en la velocidad de los chorros, lo cual dio como resultado que el acero impactase las paredes angostas del molde a menor intensidad. Esto a su vez produjo que el acero que alimenta las recirculaciones superiores se viera menguado en fuerza, induciendo a estas a disminuir ligeramente su magnitud, mostrar un patrón elíptico y a alejarse de las caras

M.C. Saúl García Hernández 67 angostas del molde, como se puede observar en la Figura 2.19 incisos a)-b). Para poder determinar si el frenado de los chorros es lo suficientemente intenso como para lograr que el acero no impacte las paredes del molde a velocidades de 0.3 m/s o mayores, debemos observar la Figura 5.20 inciso b). En esta figura es claro que sí existe un decremento en la velocidad de los chorros principalmente en las puntas de los mismos, pero también se observó que no es lo suficientemente grande, puesto que los chorros continúan alcanzando las caras angostas a velocidades de 0.3 m/s. Adicionalmente, la Figura 5.21 muestra que en realidad la disminución de velocidad no es solo al final del chorro para 0.1T, sino que aproximadamente después de un metro de longitud del mismo es donde inicia dicho decremento.

Al incrementar la intensidad de campo magnético a 0.3 T se observó un efecto tremendamente drástico sobre el flujo de fluidos, Figura 5.19 inciso c). Las fuerzas de Lorentz actuaron con tal intensidad que el acero que sale del campo magnético se desplaza hacia abajo del molde a una velocidad muy cercana a la velocidad de colada, eliminando por completo las recirculaciones inferiores del molde. Sin embargo, una parte del acero proveniente de la parte inferior de los chorros es re-direccionado a muy baja velocidad hacia la punta de la buza, pero sin formar ningún tipo de recirculación. Contrario a lo observado en la parte inferior del molde, en la parte superior del mismo el acero muestra un ligero incremento en el perfil de velocidades. Las recirculaciones superiores, que ya presentaban variaciones a 0.1 T, acentúan un comportamiento elíptico y dejan de ser un fenómeno inducido por el impacto del acero con las paredes angostas del molde; ahora son provocadas por efecto del campo magnético, el cual una vez que frena al chorro produce que la punta del mismo se dirija hacia arriba eliminando la recirculación por impacto y generando una nueva por efecto del fluido re-direccionado. En este punto podemos decir que el campo magnético está ejerciendo su mayor efecto en la parte final de los chorros y que a esta intensidad se logra que el acero no alcance más las paredes del molde a velocidades de 0.3 m/s. No obstante, para tener una seguridad total de esto, es necesario complementar dicha afirmación con lo mostrado en la Figura 5.20 inciso c). Donde se observa con claridad como los chorros en efecto no tocan ninguna de las paredes el molde a velocidades de 0.3 m/s o mayores. Se debe hacer notar que las puntas de los chorros mostraron un ensanchamiento en la zona donde el campo lo está afectando y que dicho fenómeno no se observó latente a 0.1 T. Este ensanchamiento induce al acero de las partes laterales de los

M.C. Saúl García Hernández 68 chorros con velocidades de 0.3 m/s a acercarse un poco a las paredes anchas del molde pero sin alcanzarlas. Al observar las Figuras 5.19 y 5.20 incisos c) encontramos que se ha logrado una muy buena simetría en los patrones de flujo en todo el molde y en la trayectoria y magnitud de los chorros. Finalmente, para poder determinar que tan intenso fue el frenado de los chorros se necesitó de la Figura 5.21, donde se encontró que nuevamente a partir de aproximadamente un metro de longitud del chorro es donde el campo magnético ejerce su mayor influencia y que la velocidad del mismo se vio disminuida en un 50 % aproximadamente. Por otra parte, se determinó que la sección final del chorro alcanza la pared angosta del molde a una velocidad inferior a 0.1 m/s. Se puede establecer que a 0.3 T se logran los objetivos buscados: eliminar la asimetría de los patrones de flujo y evitar que el acero impacte las paredes del molde a velocidades de 0.3 m/s o mayores.

Al intensificar el campo electromagnético a 0.5 T, los patrones de flujo resultantes presentan la misma dinámica que a una intensidad de 0.3 T, pero con algunas variantes, Figura 5.19 inciso d). Una de estas fue la longitud final de las puntas de los chorros, la cual se vio ligeramente acortada promoviendo que las recirculaciones superiores (descritas en el párrafo anterior) se vieran desplazadas en dirección a la buza. Otra variación es que, el acero de la parte inferior de los chorros que está siendo re-direccionado hacia la punta de la buza, sufrió de un ligero incremento de velocidad y produjo la formación de pequeñas recirculaciones en una zona muy cercana a la punta de la buza. También se encontró que el ensanchamiento de la parte final de los chorros (descrito a 0.3 T) se vio intensificado, de tal forma que ahora las partes externas finales de los chorros alcanzan las paredes anchas del molde a velocidades cercanas a 0.3 m/s, lo cual representaría un riesgo en lugar de una solución, Figura 5.20 inciso d). Al analizar el frenado del chorro derecho a 0.5 T en la Figura 5.21, se encontró que la disminución de velocidad alcanzada es equivalente a la lograda con 0.3 T. De igual manera