Influenza dell’Offset della Submerged Entry shroud (SES) sul Campo di Flusso nella Colata Continua

1. Introduzione

Nella moderna colata continua dell’acciaio, la Submerged Entry Nozzle (SEN) svolge un ruolo fondamentale nel controllo del trasferimento dell’acciaio liquido dal tundish alla lingottiera. Oltre alla composizione dei materiali e alla geometria dei fori, la precisione di posizionamento della SEN rispetto all’asse della lingottiera ha un’influenza determinante sul campo di flusso in lingottiera, sul trasferimento di calore, sul comportamento delle inclusioni e sulla qualità superficiale del prodotto colato.

Uno dei parametri più spesso sottovalutati, ma altamente influente, è l’offset della SEN, definito come la deviazione laterale o angolare dell’ugello rispetto all’allineamento centrale ideale. Anche piccoli offset, dell’ordine di pochi millimetri, possono modificare in modo significativo il campo di flusso all’interno della lingottiera. Questo articolo analizza in modo approfondito l’influenza dell’offset della SEN sul campo di flusso, discutendo i meccanismi fluidodinamici, le conseguenze metallurgiche, le cause operative e le strategie di mitigazione.

2. Definizione e Tipologie di Offset della SEN

2.1 Cos’è l’Offset della SEN?

Per offset della SEN si intende la deviazione dell’asse del foro o dei porti di uscita dell’ugello rispetto all’asse geometrico della lingottiera. In condizioni ideali, la SEN è perfettamente allineata in senso verticale e orizzontale, garantendo un flusso simmetrico dell’acciaio liquido.

Nelle condizioni industriali reali, tuttavia, possono verificarsi offset a causa di:

• tolleranze meccaniche dei sistemi di montaggio;

• dilatazioni termiche dei refrattari;

• usura o deformazione della SEN;

• installazione o centraggio non corretti;

• vibrazioni durante la colata e oscillazione della lingottiera.

2.2 Tipologie di Offset

L’offset della SEN può essere classificato in diverse categorie:

1. Offset Laterale
   Spostamento orizzontale della SEN rispetto all’asse della lingottiera.

2. Offset Angolare (Inclinazione)
   Deviazione dell’asse della SEN rispetto alla verticale.

3. Asimmetria dei Porti
   Erosione o parziale intasamento che altera la direzione effettiva dei getti.

4. Offset Dinamico
   Spostamento variabile nel tempo dovuto a vibrazioni, usura o deformazioni termiche.

Ciascun tipo di offset influisce sul campo di flusso in modo specifico.

3. Caratteristiche del Campo di Flusso nella Lingottiera

3.1 Campo di Flusso Ideale e Simmetrico

In presenza di una SEN perfettamente allineata, il campo di flusso è caratterizzato da:

• strutture di ricircolo simmetriche a doppio o singolo vortice;

• impatto bilanciato dei getti sulle pareti della lingottiera;

• distribuzione uniforme delle velocità in prossimità del menisco;

• stabilità dello strato di scoria in superficie.

Questo tipo di flusso riduce l’intrappolamento delle inclusioni e favorisce una solidificazione uniforme.

3.2 Parametri del Campo di Flusso Influenzati dall’Offset

• angolo e profondità di penetrazione del getto;

• intensità della turbolenza;

• distribuzione delle velocità al menisco;

• simmetria delle zone di ricircolo;

• sforzi di taglio al fronte di solidificazione.

Anche piccoli disallineamenti possono alterare significativamente questi parametri.

4. Influenza dell’Offset Laterale sul Campo di Flusso

4.1 Deviazione del Getto e Flusso Asimmetrico

Un offset laterale provoca distanze diverse tra i porti della SEN e le pareti della lingottiera, determinando:

• impatto del getto più vicino a una faccia stretta;

• maggiore quantità di moto su un lato;

• flusso indebolito sul lato opposto.

Ne deriva una struttura di flusso a doppio vortice sbilanciata, con un circuito di ricircolo dominante.

4.2 Squilibrio delle Velocità al Menisco

L’aumento della velocità del flusso sul lato più vicino comporta:

• assottigliamento locale dello strato di scoria;

• maggiore rischio di trascinamento della scoria;

• incremento della turbolenza superficiale.

Sul lato opposto possono invece formarsi zone stagnanti, aumentando il rischio di congelamento superficiale e formazione di difetti a gancio (hook).

4.3 Trasporto e Intrappolamento delle Inclusioni

Il flusso asimmetrico influenza il moto delle inclusioni:

• concentrazione delle inclusioni su un lato della lingottiera;

• maggiore cattura delle inclusioni vicino al getto ad alta velocità;

• ridotta efficienza di flottazione sul lato a bassa velocità.

Ciò porta a una distribuzione non uniforme della pulizia metallurgica nella sezione colata.

5. Influenza dell’Offset Angolare (Inclinazione)

5.1 Effetti dell’Inclinazione Verso il Basso o l’Alto

Un offset angolare modifica l’angolo effettivo del getto:

• inclinazione verso il basso: maggiore profondità di penetrazione e rafforzamento del ricircolo inferiore;

• inclinazione verso l’alto: aumento della turbolenza al menisco e dell’interazione scoria-metallo.

Entrambe le condizioni possono compromettere la stabilità del flusso.

5.2 Scarico Asimmetrico dai Porti

Quando la SEN è inclinata, anche porti geometricamente simmetrici generano getti con angoli effettivi diversi, causando:

• punti di impatto non uniformi;

• distorsione delle zone di ricircolo;

• incremento degli sforzi di taglio su un lato del guscio solidificato.

Questo fenomeno favorisce la formazione di cricche longitudinali e difetti interni.

6. Turbolenza e Dissipazione di Energia

6.1 Incremento Locale della Turbolenza

Le condizioni di offset aumentano generalmente l’intensità della turbolenza:

• numeri di Reynolds più elevati vicino a un getto;

• forti gradienti di velocità;

• maggiore dissipazione di energia cinetica.

Una turbolenza eccessiva vicino al menisco favorisce il trascinamento della scoria e l’emulsione della polvere di colata.

6.2 Impatto sulla Stabilità del Flusso

Un campo di flusso instabile può manifestarsi con:

• oscillazioni del menisco;

• transizioni tra flusso a singolo e doppio vortice;

• asimmetrie periodiche nella crescita del guscio.

Questa instabilità rende più complesso il controllo del processo e la costanza qualitativa.

7. Conseguenze Termiche e di Solidificazione

7.1 Trasferimento di Calore Non Uniforme

L’offset della SEN porta a una distribuzione non uniforme del flusso termico:

• maggiore convezione e raffreddamento vicino al getto dominante;

• minore estrazione di calore sul lato opposto.

Il risultato è uno spessore del guscio solidificato asimmetrico, con aumento del rischio di breakout.

7.2 Crescita del Guscio e Formazione di Cricche

Flusso e raffreddamento non uniformi causano:

• fronti di solidificazione irregolari;

• elevati sforzi di trazione nel guscio;

• maggiore suscettibilità a cricche longitudinali e trasversali.

8. Cause Operative dell’Offset della SEN

8.1 Errori di Installazione e Allineamento

Le cause più comuni includono:

• montaggio impreciso del tundish o della lingottiera;

• disallineamento dello stopper rod o dei sistemi a saracinesca;

• dispositivi di centraggio usurati.

8.2 Usura e Deformazione dei Refrattari

Durante la colata:

• l’erosione della SEN modifica la geometria dei porti;

• l’intasamento asimmetrico riduce l’area effettiva di flusso;

• la dilatazione termica provoca spostamenti progressivi.

Questi fenomeni portano a un offset crescente nel corso della sequenza di colata.

9. Rilevamento e Diagnosi dell’Offset della SEN

9.1 Tecniche di Monitoraggio Online

• analisi delle fluttuazioni del livello in lingottiera;

• mappatura del flusso termico con termocoppie;

• sensori elettromagnetici di flusso.

9.2 Modellazione CFD e Modelli Fisici

La Computational Fluid Dynamics (CFD) e i modelli ad acqua sono ampiamente utilizzati per:

• quantificare l’asimmetria del flusso;

• valutare la sensibilità all’offset;

• ottimizzare il posizionamento della SEN.

10. Strategie di Mitigazione e Migliori Pratiche

10.1 Controllo dell’Allineamento Meccanico

• strumenti di allineamento di precisione durante l’installazione;

• ispezione periodica dei sistemi di centraggio;

• tolleranze dimensionali rigorose per i refrattari.

10.2 Ottimizzazione del Design della SEN

• geometria dei porti bilanciata;

• design del foro anti-clogging;

• materiali resistenti all’usura per mantenere la simmetria.

10.3 Misure di Controllo di Processo

• ottimizzazione della velocità di colata;

• controllo della portata di argon;

• sistemi adattivi di controllo del livello in lingottiera.

11. Implicazioni Industriali e Casi Applicativi

Studi industriali dimostrano che la riduzione dell’offset della SEN da 5 mm a meno di 1 mm può:

• ridurre i difetti superficiali di oltre il 30%;

• migliorare l’uniformità della distribuzione delle inclusioni;

• aumentare la stabilità della colata e la durata delle sequenze.

Questi risultati evidenziano l’impatto economico e qualitativo del corretto allineamento della SEN.

12. Conclusione

L’offset della Submerged Entry Nozzle è un parametro critico ma spesso sottovalutato nella colata continua. Anche piccole deviazioni dall’allineamento ideale possono alterare in modo significativo il campo di flusso in lingottiera, generando asimmetrie di ricircolo, aumento della turbolenza, trasferimento di calore non uniforme e incremento dei difetti.

Attraverso un corretto allineamento meccanico, un design robusto della SEN, sistemi di monitoraggio avanzati e ottimizzazione basata su CFD, è possibile controllare efficacemente l’offset e ottenere condizioni di flusso stabili, qualità superiore del prodotto e maggiore sicurezza operativa.