Datos del proyecto
Referencia proyecto MTM2015-68275-R
Título Proyecto DESARROLLO DE METODOLOGÍAS MATEMÁTICAS PARA EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO TERMO-MECÁNICO DE LAS RUTAS DE
ARRABIO Y ESCORIA DE HORNOS ALTOS Investigador Principal PEREGRINA QUINTELA ESTÉVEZ
IP Researcher ID: L-5297-2014 Código Orcid: 0000-0003-2717-8936
Entidad UNIVERSIDADE DE SANTIAGO DE COMPOSTELA
Centro FACULTADE DE MATEMÁTICAS
Fecha de inicio 01/01/2016 Fecha final 31/06/2020
Equipo de investigación
CARLOS MORENO GONZÁLEZ. Universidad Nacional de Educación a Distancia.
PATRICIA BARRAL RODIÑO. Universidade de Santiago de Compostela.
M.ª CRISTINA NAYA RIVEIRO. Universidade da Coruña.
Equipo de Trabajo
M.ª TERESA CAO RIAL. Universidade da Coruña
DIETMAR HÓEMBERG. Weierstrass Institute for Applied Analysis and Stochastics (WIAS) CRISTINA LAUSÍN GONZÁLEZ. ArcelorMittal España SA
LUIS J. PÉREZ PÉREZ. Universidade de Santiago de Compostela.
BEGOÑA NICOLÁS ÁVILA. Universidade de Santiago de Compostela.
ALEJANDRO GARCIÁ-LENGOMÍN PIEIGA. ArcelorMittal España SA SARA VÁZQUEZ FERNÁNDEZ. Innvel2 Consulting SLL
Palabras clave:
MODELIZACIÓN, SIMULACIÓN, MECÁNICA, SÓLIDOS, FLUIDOS, CALOR, ACOPLAMIENTO, EROSIÓN, DAÑO, GRIETAS
Key words:
MODELING, SIMULATION, MECHANICS, SOLIDS, FLUIDS, HEAT, COUPLING, EROSION, DAMAGE, CRACKS
Resumen:
Este proyecto se centra en la modelización matemática y en la simulación numérica de procesos de transferencia de calor, termomecánicos, de daño y erosión que suceden en la zona del canal (o ruta) principal de arrabio y escoria en Hornos Altos. En particular, se trata de estudiar:
• El comportamiento térmico 3D de la parte del canal en la que el arrabio y la escoria ya están separados.
• Utilizar los resultados del modelo previo para analizar el comportamiento termomecánico 3D de la misma parte del canal. En este modelo se considerarán las
propiedades del material dependientes de la temperatura. Además, se incorporará una variable interna de daño para tener en cuenta el efecto de las altas temperaturas.
También se realizará un análisis de la relación entre el daño del material y la velocidad de propagación de ondas supersónicas en el material; este análisis se realizará combinando experimentación en laboratorio y experimentación numérica.
• Se considerará también un modelo de erosión en la zona inicial del canal en la que impacta la mezcla arrabio/escoria al caer desde la piquera. En particular, se trata de justificar la ecuación de Beltaos y Rajaratnam para modelar la erosión por penetración.
También se llevará a cabo la simulación numérica de la evolución del fluido junto con las partículas desprendidas en la fase inicial, utilizando un modelo de turbulencia que incorpora el arrastre de las partículas en el fluido.
El estudio de la degradación de los refractarios del canal principal del horno alto va a permitir minimizar la frecuencia de las reparaciones, incrementar la seguridad de la planta de colada, hacer un mejor uso de las materias primas utilizadas en la producción de acero y prolongar la vida útil de la instalación. Por todo ello está directamente relacionado con el Reto 5: Acción sobre el cambio climático y
eficiencia en la utilización de recursos y materias primas. Además, también está relacionado con el Reto 3, ya que permitirá un uso más eficiente de la energía necesaria en el proceso. En efecto, el proyecto permitirá tener un mejor conocimiento de un proceso muy complejo y muy extendido en la fabricación de aceros, por lo cual el análisis en el postproceso de si la temperatura de colada puede reducirse en unos grados tendrá unas repercusiones energéticas y económicas enormes.
Se trata de un proyecto de investigación en una temática de aplicación nueva para el grupo de investigación, si bien, en un área de investigación muy relacionada con la especialización del grupo, y con trabajos previos realizados por el mismo.
Summary:
This project focuses on mathematical modeling and numerical simulation of heat transfer processes, thermomechanical effects, damage, and erosion phenomena arising in the runner during the casting of pig iron and slag in blast furnaces. In particular, the main objectives are:
• The 3D thermal behavior of the runner portion where the pig iron and slag are already separated.
• Using the results of the previous model, the analysis of the 3D thermo-mechanical behavior of the same part of the runner. In this model the material properties are considered to be dependent of the temperature. Furthermore, an internal variable of damage will be incorporated to take into account the effect of the high temperatures during the casting process. An analysis of the relationship between damage and the propagation velocity of ultrasonic waves in the material will be also carried out; this analysis will combine laboratory experimentation and numerical trials.
• An erosion model will also be considered in the initial area of the channel where the mixture of pig iron and slag impacts on the runner. In particular, it seeks to justify the equation of Beltaos and Rajaratnam to model the penetration. The numerical simulation of the evolution of the fluid along the runner will also be carried out using a turbulence model. The ejected particles in the initial phase will be incorporated to take into account the drag phenomena.
The study of the degradation of the main runner of the blast furnace will allow to minimize the frequency of repairs, increase plant safety during casting, make better use of the raw materials used in steel production and prolong life time of the installation. Therefore it is directly related to Challenge 5: Action on climate change and efficient use of resources and raw materials. In addition, it is also related to the Challenge 3, since it will allow a more efficient use of the energy needed in the process. Indeed, the project will give a better understanding of a very complex and widespread technology in the steelmaking process. If the post-processing analysis allows the casting temperature to be reduced by a few degrees it will have a huge economic and energetic impact.
This is a research project on a topic about a new application for the research group, although their research area is closely related to the targets of the project.
Objetivos
• Objetivo 1: Recopilación de los modelos matemáticos considerados en la bibliografía para la modelización termomecánica, del daño y de la erosión en hormigones refractarios.
• Objetivo 2: Búsqueda bibliográfica de los parámetros termo-mecánicos y de erosión disponibles en la literatura para los hormigones refractarios utilizados.
• Objetivo 3: Recopilación de los paquetes de software libre disponibles en ámbitos de aplicación con exigencias similares.
• Objetivo 4: Diseño y realización de experimentos viables que permitan
determinar los parámetros no encontrados en la bibliografía y necesarios para definir las distintas leyes de comportamiento.
• Objetivo 5: Diseño de experiencias numéricas viables que permitan el cálculo indirecto de alguno de los parámetros a partir de experimentos en planta o laboratorio.
• Objetivo 6: Justificación matemática a partir de leyes de conservación de la mecánica del continuo y en base a técnicas de homogeneización de los modelos implicados en el proceso.
• Objetivo 7: Modelo térmico 3D: elección del modelo, simulación numérica y validación del modelo.
• Objetivo 8: Modelo termomecánico básico: elección del modelo de fluencia, simulación del modelo termomecánico considerando las temperaturas
calculadas. Análisis comparativo de los resultados utilizando software comercial y libre.
• Objetivo 9: Modelo termomecánico con daño: elección del modelo de daño e incorporación al modelo termomecánico básico. Simulación del modelo. Análisis comparativo de los resultados utilizando software comercial y libre.
• Objetivo 10: Validación del modelo termomecánico con daño: Análisis de errores.
• Objetivo 11: Detección del daño: simulación de ondas de Rayleigh. Obtención indirecta de los parámetros del material dañado. Comparación con resultados experimentales. Correlación entre la variable daño calculada y la velocidad supersónica del material dañado.
• Objetivo 12: Evolución de grietas: tasa de liberación de energía para materiales no lineales e influencia de la temperatura en la misma. Recuperación de la J- integral. Deducción de la expresión analítica para los campos de tensiones y desplazamientos cerca del vértice de una grieta. Implementación del contacto entre los labios de la grieta utilizando XFEM.
• Objetivo 13: Modelo de perforación: Definición del modelo. Cálculo de la
velocidad de impacto y de la tensión cortante del chorro en el canal. Cálculo de la tasa de erosión.
• Objetivo 14: Modelo de erosión: Simulación numérica de la evolución de la colada en el canal en zonas próximas al impacto. Cálculo de la erosión producida por arrastre y aplastamiento.
• Objetivo 15: Modelo hidrodinámico 3D: elección del modelo, simulación numérica.
• Objetivo 16: Nuevas técnicas de integración numérica en el entorno de singularidades.
Publicaciones científico-técnicas (SCI)
[1] P. Barral, M.C. Naya-Riveiro y P. Quintela, Regularity of a thermoelastic problem with variable parameters. European Journal of Applied Mathematics 27, 213–232, 2016. DOI:
10.1017/S0956792515000509
[2] M.T. Cao-Rial, C. Moreno y P. Quintela, A new methodology for element partition and integration procedures for XFEM. Finite Elements in Analysis and Design, 113, 1-13, 2016. DOI:
10.1016/j.finel.2015.12.012
[3] Á. Rodríguez-Arós, M. T. Cao-Rial y M. Sofonea. A contact model for piezoelectric beams. IFIP Advances in Information and Communication Technology. 2016 | book chapter. DOI:
10.1007/978-3-319-55795-3_42.
[4] A. Cano y C. Moreno. Transformation methods for the numerical integration of three-dimensional singular functions. Journal of Scientific Computing. 71(2), 571-593, 2017.
[5] P. Barral, B. Nicolás y P. Quintela. Numerical Simulation of a Jet Impact during Casting Process in a Blast Furnace. Libro de Comunicaciones Definitivas presentadas en CEDYA + CMA 2017, 543- 550, 2017.
[6] P. Barral, L. Pérez y P. Quintela, Numerical Simulation of a Thermo-Hydrodynamical Problem in a Blast Furnace Route, Libro de Comunicaciones Definitivas presentadas en CEDYA + CMA 2017, 599- 606, 2017.
[7] M.T. Cao, C. Moreno y P. Quintela, A Numerical-Experimental Non Destructive Technique for Material Characterisation, Libro de Comunicaciones Definitivas presentadas en CEDYA + CMA 2017, 142- 147, 2017.
[8] P. Barral, B. Nicolás, L. J. Pérez-Pérez, and P. Quintela, Numerical simulation of wear-related problems in a blast furnace runner, Recent Advances in Differential Equations and Applications, SEMA-SIMAI Springer Series, 405 (2019), 229-244
[9] P. Barral – L. Pérez – P. Quintela. Equivalent thermo-mechanical model for ceramic cups. A case study of 139 ESGI. What is Industrial Mathematics? Case Studies from MI-NET. Booklet, Mathematics for Industry Network (MI-NET), Editors: I. Griffiths – K. Kaouri – T. Myers – H.
Ockendon, (2019).
[10] S. Vázquez-Fernández - A. García-Lengomín Pieiga - C. Lausín-Gónzalez - P. Quintela.
Mathematical modelling and numerical simulation of the heat transfer in a trough of a blast furnace. Int. J. Therm. Sci., 139, (2019), 365-374.
[11] P. Barral, M. Fanjul, L.J. Pérez-Pérez, P. Quintela and M.T. Sánchez, Equivalent thermo- mechanical model for ceramic cups. Proceedings 139 European Study Group with Industry, 2019, 85-101. WEB site: http://www.math-in.net/139esgi/
[12] M.T. Cao-Rial, C. Moreno and P. Quintela. Determination of Young Modulus by using Rayleigh Waves. Appl. Math. Model., 77, (2020), 439–455.
[13] M. Seoane, Modelización de fenómenos térmicos que afectan al canal principal del horno alto, Trabajo Fin de Máster del Máster en Matemática Industrial, 2016. Universidade de Santiago de Compostela. Dirigido por P. Quintela y A. Lengomín.
[14] B. Nicolás, Simulación numérica de fenómenos de desgaste que afectan al canal principal del horno alto, Trabajo Fin de Máster del Máster en Matemática Industrial, 2017. Universidade de Santiago de Compostela. Dirigido por P. Barral y A. Lengomín.
[15] I. Martínez, Simulación numérica del daño producido sobre el canal principal de un horno alto.
Trabajo Fin de Máster del Máster en Matemática Industrial, 2019. Universidade de Santiago de Compostela. Dirigido por P. Barral y A. Lengomín.
Asistencia a congresos, conferencias o workshops relacionados con el proyecto
[1] The 19th European Conference on Mathematics for Industry (ECMI 2016). 13-17 de junio de 2016, Santiago de Compostela. Organización del minisimposio “Effective solutions for industry using mathematical technology”, J. Durany, W. González, P. Quintela, J. de Uña, y C. Vázquez.
[2] The 19th European Conference on Mathematics for Industry (ECMI 2016). 13-17 de junio de 2016, Santiago de Compostela. Organización del minisimposio “EU-MATHS-IN: success stories of mathematical technologies in societal challenges and industry”, en colaboración con el coordinador de la red italiana Sportello Matemática. P. Quintela y A. Sgalambro.
[3] Workshop Models, Simulation, Optimization: Mathematical Technologies for Industrial Innovation in Europe. P. Quintela. Organización del evento celebrado del 19 al 21 de diciembre de 2016 en Roma, en colaboración con el Comité de Dirección de la Stichting European Service Network of Mathematics for Industry and Innovation (EU-MATHS-IN).
[4] Workshop on mathematical solutions for industry: succes stories and perspectives. 27 y 28 de octubre de 2016, ICMAT, Madrid. P. Quintela. Invitada a la mesa redonda: Strategies to boost the mathematical technology transfer to industry.
[5] IV Jornadas sobre Seguridad, Defensa, Tecnologías Matemáticas y Computacionales. 3 y 4 de noviembre de 2016. A Coruña. P. Quintela. Invitación a la mesa redonda: TICs, matemáticas y computación en el ámbito de la ciberseguridad.
[6] 125th European Study Group with Industry | 1st Study Group with Industry in Cyprus. 5-9 diciembre 2016, Cyprus University of Technology. P. Quintela. Miembro del Comité Científico [7] XXV Congreso de Ecuaciones Diferenciales y Aplicaciones (CEDYA), XV Congreso de
Matemática Aplicada (CMA), 26-30 de junio de 2017, Cartagena. Comunicación oral. P. Barral, L. Pérez y P. Quintela. Numerical Simulation of a Thermo-Hydrodynamical Problem in a Blast Furnace Route.
[8] XXV Congreso de Ecuaciones Diferenciales y Aplicaciones (CEDYA), XV Congreso de Matemática Aplicada (CMA), 26-30 de junio de 2017, Cartagena. Comunicación oral. P. Barral, B. Nicolás y P. Quintela. Numerical Simulation of a Jet Impact during Casting Process in a Blast Furnace.
[9] XXV Congreso de Ecuaciones Diferenciales y Aplicaciones (CEDYA), XV Congreso de Matemática Aplicada (CMA), 26-30 de junio de 2017, Cartagena. Comunicación oral. M.T. Cao- Rial, C. Moreno, P. Quintela, A Numerical-Experimental Non Destructive Technique for Material Characterisation.
[10] XXV Congreso de Ecuaciones Diferenciales y Aplicaciones (CEDYA), XV Congreso de Matemática Aplicada (CMA), 26-30 de junio de 2017, Cartagena. Organización del minisimposio La tecnología matemática como herramienta clave para la Industria 4.0: algunos casos de éxito.
P. Quintela.
[11] International Workshop on Industrial Mathematics (IWIMATH 2017). 18 y 19 de mayo de 2017, Valencia. P. Quintela. Conferencia invitada: Spanish Network for Mathematics & Industry (math-in): an infrastructure fostering successuful Academia-Industry collaboration.
[12] Xornadas de Divulgación en Investigación en Matemáticas, organizadas por el Instituto de Matemáticas de la Universidad de Santiago de Compostela, marzo de 2017. Comunicación
oral. P. Barral. Modelización, análisis matemático y simulación numérica de coladas.
[13] III Jornadas sobre la Difusión y la Internacionalización de la Investigación en Matemática Aplicada e Industrial. 12 de septiembre de 2017, Málaga. P. Quintela. Participación en el debate y la reflexión.
[14] Future and Emerging Mathematical Technologies in Europe, Leiden (Netherland), 2017.
P. Barral –B. Nicolás - L.J. Pérez-Pérez - P. Quintela. Numerical Simulation of some Thermo- Hydrodynamic Problems arising in a Blast Furnace Runner.
[15] European Conference on Mathematics for Industry (ECMI 2018), Budapest (Hungría). P.
Barral –L.J. Pérez-Pérez - P. Quintela, Numerical Simulation of Fluid Flow and Heat Transfer at a Blast Furnace Runner.
[16] P. Barral, M. Fanjul, L.J. Pérez-Pérez, P. Quintela, and M.T. Sánchez. Equivalent thermo-mechanical model forceramic cups. Proc. 139 Study Groups with Industry.
http://www.math-in.net/139esgi/, (2019).
[17] 1st Conference on Tranfer between Mathematics & Industry (CTMI 2019), Santiago de Compostela. Comunicación oral. P. Barral –L.J. Pérez-Pérez - P. Quintela. A transient thermal problem with non-local radiation arising in steelmaking industry.
[18] International Congress in Industrial and Applied Mathematics (ICIAM 2019), Valencia.
Comunicación oral. P. Barral –L.J. Pérez-Pérez - P. Quintela. Equivalent mechanical modelling for the ceramic cup of a blast furnace.
[19] Industry Day del International Congress in Industrial and Applied Mathematics (ICIAM 2019), Valencia. P. Quintela como Presidente de su Comité Organizador. WEB:
https://iciam2019.org/index.php/scientific-program/industry-day , 2019 (17-07).
[20] Mathematics in Industry 2019, Praga (Republica Checa). Asistencia de P. Quintela.WEB:
http://workshop.math.cas.cz/MathInIndustry2019/, 2019 (11-12).
Tesis doctorales finalizadas relacionadas con el proyecto
[1] Alfredo Cano. Dirigida por Carlos Moreno. Transformation methods for the integration of singular and near-singular functions in XFEM. 2017. Sobresaliente Cum Laude. Universidad Nacional de Eduación a Distancia (UNED).
Otras publicaciones derivadas de colaboraciones mantenidas durante la ejecución del proyecto
[1] L. Lucía Llópiz Domínguez, Modelo de homoxeneización para o analise térmico dun material poroso. Trabajo Fin de Grado de Matemáticas, 2016. Universidade de Santiago de Compostela.
Dirigido por P. Quintela.
[2] P. Quintela, P. Barral, D. Gómez, F.J. Pena, J. Rodríguez, P. Salgado, M.E. Vázquez-Méndez.
ECMI 2016. Book of Abstracts. Publicacións da Universidade de Santiago de Compostela.
Cursos e Congresos da Universidade de Santiago de Compostela, nº 235 (2016). DOI:
http://dx.doi.org/10.15304/cc.2016.968
[3] P. Quintela, P. Barral, D. Gómez, F.J. Pena, J. Rodríguez, P. Salgado, M.E. Vázquez-Méndez.
Progress in Industrial Mathematics at ECMI 2016. Colección Mathematics in Industry 26, Springer. 2017. ISBN 978-3-319-63082-3.
[4] P. Quintela, A. Sgalambro. EU-MATHS-IN: Success Stories of Mathematical Technologies in Societal Challenges and Industry. Progress in Industrial Mathematics at ECMI 2016, Mathematics in Industry 26, Springer, 2017. DOI: 10.1007/978-3-319-63082-3_28
[5] J. Durany, W. González, P. Quintela, J. De Uña, C. Vázquez. Effective Solutions for Industry Using Mathematical Technology Progress in Industrial Mathematics at ECMI 2016, Mathematics in Industry 26, Springer, 2017. DOI: 10.1007/978-3-319-63082-3_2
[6] Hector Martínez Vidal. Simulación numérica servotimón. Trabajo Fin de Máster del Máster en Matemática Industrial, 2017. Universidade de Santiago de Compostela. Dirigido por P. Quintela y Adrián Sarasquete.
[7] Luis Pérez. Simulación numérica del proceso de boil-off en depósitos de GNL. Trabajo Fin de Máster del Máster en Matemática Industrial, 2017. Universidade de Santiago de Compostela.
Dirigido por José Luis Ferrín (USC) y Eduardo Rodríguez (EnergyLab).
[8] A. Caderno Fernández, Cálculo analítico da solución de problemas de vibración en estructuras elementales. Trabajo Fin de Grado de Matemáticas, 2018. Universidade de Santiago de Compostela. Dirigido por P. Quintela.
