Modelo computacional de um forno de reaquecimento de tarugos

Abstract

Fornos de reaquecimento de tarugos são componentes indispensáveis mas grandes consumidores de energia em linhas de laminação a quente. A otimização desses equipamentos é, por isso, ao mesmo tempo essencial e crítica para o processo. Para o desenvolvimento de melhorias, precisa-se de uma modelagem realista desse equipamento. Objetiva-se neste trabalho a criação de um modelo computacional confiável desse tipo de forno, a aplicação de ferramentas teóricas representativas desse problema e o desenvolvimento de uma metodologia CFD (Computational Fluid Dynamics) viável, por meio do código comercial Fluent ANSYS 18.0. Simplificações estratégicas, principalmente a separação do problema entre transiente e estacionário, a modelagem de fenômenos físicos, como a turbulência e a radiação em meios participantes, e o estabelecimento de condições de contorno representativas do sistema, permitiram criar uma modelagem em CFD apropriada para o problema. Um estudo prévio de qualidade de malha foi feito para estabelecer dimensões ótimas para os elementos da malha. Duas simulações finais foram feitas para encontrar uma melhor estimativa para um parâmetro crítico da modelagem (temperatura de entrada dos gases dos queimadores), resultando na versão final do modelo. Os resultados finais foram analisados e constatou-se comportamentos térmicos consistentes com medições realizadas em um forno industrial. O modelo construído é uma ferramenta útil para análise de desempenho e otimização de fornos de requecimento.

Billet reheating furnaces are indispensable components but major energy consumer in hot rolling mills. The optimization of these equipment is therefore both essential and critical to the process. For the development of improvements, a realistic modeling of this equipment is necessary. The objective of this work is the creation of a reliable computational model of this type of furnace, the application of theoretical tools representative of this problem and the development of a feasible Computational Fluid Dynamics (CFD) methodology, using the Fluent ANSYS 18.0 commercial code. Strategic simplifications, mainly the separation of the problem between transient and stationary, the modeling of physical phenomena, such as turbulence and radiation in participating media, and the establishment of representative boundary conditions of the system, allowed to create an appropriate CFD model for the problem. A previous study of mesh quality was done to establish optimal dimensions for the elements of the mesh. Two final simulations were made to find a better estimate for a critical modeling parameter (temperature of the income gases from burners), resulting in the final version of the model. The final results were analyzed and thermal behavior consistent with measurements performed in an industrial furnace was verified. The built model is a useful tool for performance analysis and optimization of reheating furnaces.