Optimización de la geometría de núcleos de lanzas metalúrgicas para minimizar estrés térmico

Abstract

[ES] Las lanzas metalúrgicas son una herramienta ampliamente utilizada en la industria siderúrgica para el tratamiento químico y el removido del metal fundido. La lanza se compone principalmente de un núcleo de acero a través del cual se inyectan gas y polvo, y la cubierta refractaria que protege el núcleo. Debido a las condiciones extremas en las que operan las lanzas, el material refractario que cubre el núcleo de acero falla después de ciertos ciclos. Para los fabricantes de lanzas, una mejora de la vida útil de la lanza significaría una mejor competitividad en el mercado. También supondría una disminución en el ritmo de disposición de las lanzas por parte de los clientes, lo que implicaría una menor huella de carbono.

En este trabajo, se estudia el impacto de la carga térmica en los materiales de la lanza mediante análisis de elementos finitos. Los resultados obtenidos se utilizan para proponer y explicar posibles mecanismos de falla en la lanza, así como para determinar qué características de geometría podrían modificarse para reducir la falla del material refractario. También se presenta una propuesta de geometría del núcleo parametrizada que podría mejorar el rango de rendimiento.

[EN] Metallurgical lances are a widely used tool in the steel making industry for the chemical treatment and stirring of the molten metal. The lance is mainly composed of a steel core through which gas and powder are injected, and the refractory cover which protects the core. Due to the extreme conditions in which lances operate, the refractory material covering the steel core fails after certain cycles. For the lance manufacturers, an improvement of the useful life of the lance would mean better competitivity on the market. It would also bring a decrease on disposal of the lances by part of the costumers which would imply lesser carbon footprint.

In this work, the impact of the thermal load in the materials of the lance are studied by means of finite element analysis. The obtained results are used to propose and explain possible failure mechanisms on the lance, as well as to determine which geometry features could be modified to reduce the failure of the refractory material. A proposal of a parametrized geometry that could improve the performance range is also presented.