Simulación numérica de la formación de óxido en palanquillas de acero durante el proceso de recalentamiento en un horno tipo empujador

Abstract

The process of reheating by direct contact between the combustion gases and billets, in pusher furnaces is complex, which has a series of transport effects coupled with its analysis a great challenge. In this doctoral thesis the oxidation kinetics or formation of the scale during the reheating process of steel billets is studied, using the tool, the simulation of computational fluid dynamics with the FluentR software based on the finite volume method , solving in a coupled manner; the phenomena of transport, the movement of billets and the formation of the oxide layer. To model the movement of fluids, the model k-" realizable was used, in the combustion phenomena the species model (eddy dissipation) and for the radiation model P-1. On the other hand, to generate the scale growth model, user defined functions for the UDF (User defined functions) were used assigning the oxidation kinetic parameters on the surfaces of the billets; studying the heating rate with and without scale formation. In the simulation of thermo-physical properties such as thermal conductivity and specific capacity, they were modeled in a polynomial manner as a function of temperature. First, a vertical electric furnace was built on a laboratory scale and a cubic metal block of 5 cm side was machined in 304 stainless steel, which was instrumented and displaced through the furnace in an ascending way, to obtain its thermal profile measured with thermocouples type K. The experimental heating profile was used to verify the simulation using dynamic meshes by layers, using as thermal condiction of the temperature measurements in the wall of the experimental furnace.

El proceso de recalentamiento por contacto directo entre los gases de combustión y palanquillas, en hornos empujadores es complejo, ya que se presentan una serie de fenómenos de transporte acoplados (transferencia de calor, transporte de especies y transporte de momentum) lo que actualmente hace de su análisis un gran desafío. En la presente tesis de doctorado se estudia la cinética de oxidación o formación de la cascarilla durante el proceso de recalentamiento de palanquillas de acero, utilizando como herramienta, la simulación de dinámica de fluidos computacional con el software Fluent R basado en el método de volumen finito, solucionando de forma acoplada; los fenómenos de transporte, el movimiento de las palanquillas y la formación de la capa de óxido. Para modelar el movimiento de fluidos, se utilizó el modelo k-" realizable, en los fenómenos de combustión el modelo de especies eddy dissipation y para la radiación el modelo P-1. Por otro lado, para generar el modelo de crecimiento de cascarilla, se utilizaron funciones definidas por el usuario UDF (User Defined Functions) asignando los paramentos cinéticos de oxidación en las superficies de las palanquillas; estudiando la velocidad de calentamiento con y sin formación de cascarilla. En la simulación las propiedades termo-físicas como la conductividad térmica y capacidad específica fueron modeladas de forma polinomial en función de temperatura. Primeramente, se construyó un horno eléctrico vertical a escala laboratorio y se maquinó un bloque metálico cúbico de 5 cm de lado en acero inoxidable 304, el cual fue instrumentado y desplazado a través del horno de forma ascendente, para obtener su perfil térmico medido con termopares tipo K. El perfil de calentamiento experimental se utilizó para verificar la simulación utilizando mallas dinámicas por capas (layering), usando como frontera térmica las mediciones de temperatura en la pared del horno experimental.