Physical and Mathematical Modelling of Inert Gas Shrouded Ladle Nozzles, and their Role ion Fluid Flow Patterns and Slag Behaviour in a Four Strand Billet Caster Tundish

Abstract

In the present study inert gas shrouding practices were simulated using a full scale, four strand, water model of a 12 tonne delta shaped tundish. Compressed air was aspirated into the ladle shroud, so as to model volumetric flow rates ranging between 2% and 10% of steel entry flows. Bubble trajectories, slag layer movements, and flow fields, were visualized. Flow fields were visualised using Particle Image Velocimetry (PIV). A numerical model was also developed using Discrete Phase Modelling (DPM), along with the standard K-£ turbulence model with two way turbulence coupling. Predicted flow fields and bubble trajectories were in good agreement with the water model experiments. From both the physical and mathematical modelling results it was evident that reversed flows were generated within the tundish in the vicinity of the ladle shroudwhich swept away the protective layer of slag and thereby created an exposed 'eye' of steel. The area of this exposed 'eye' increased with increasing amount of shroud gasDans la présente étude, la technologie d'injection de gaz inerte fut simulée à l'aide d'un modèle pleine grandeur de panier répartiteur d'une capacité de 12 tonnes, en forme delta et possédant quatre drains de coulée. De l'air comprimé fut aspiré dans le jet de coulée du creuset de façon à modéliser des débits volumiques de gaz variant entre 2% et 6% du volume d'acier entrant. Les trajectoires des bulles, les mouvements du laitier, et les champs vectoriels des écoulements furent observés. Les champs d'écoulement furent rendu visibles à l'aide d'un « Particle Image Velocimeter (PlV). Un modèle numérique fut aussi développé en utilisant la modélisation biphasée (Discrète Phase Modelling, DPM) et le modèle standard K-E de turbulence avec couplage bidirectionnel (des bulles au fluide et du fluide aux bulles). Les champs d'écoulement et les trajectoires des bulles prévues concordent bien avec les expérimentations sur le modèle réelle utilisant l'eau. À partir des résultats obtenus des deux modèles, mathématique et physique, il est évident que des écoulements inverses sont formés dans le panier répartiteur autour du jet principal par le gaz injecté. Ces écoulements inverses dispersent la couche protectrice de laitier créant ainsi une zone en forme d'œil exposé à l'air. La surface de cet œil augmente avec le débit de gaz