Título
Simulación numérica de la formación de óxido en palanquillas de acero durante el proceso de recalentamiento en un horno tipo empujador
Autor
Sixtos Antonio Arreola Villa
Colaborador
Gildardo Solorio Díaz (Asesor de tesis)
Héctor Javier Vergara Hernández (Asesor de tesis)
Nivel de Acceso
Acceso Abierto
Materias
Resumen o descripción
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. Using modeling of heat transfer by radiation P-1, results were obtained that show that the dynamic mesh method used in the simulation, estimated with an error of 2% the experimental temperature profile of the test piece moving to through the furnace. On the other hand, an embedded system was designed and built to determine the kinetics of oxidation at high temperature, using the Joule effect as heating for hollow cylindrical specimens with external diameter of 7 mm, internal diameter of 5 mm, length of 34 mm and machined with a central notch of 10 mm in length. The measurement of the oxide layer was performed in situ with a Mitutoyo laser equipment and a data acquisition system CompactRIO NI cRIO 9076 from National InstrumentR , working with a reading speed of one data per second. The Joule heating system was used with isothermal ramps, from 850 to 1050 _C, generating a kinetic parabolic oxidation model to estimate the activation energy. The experimental procedure for the measurement of oxide scale in situ (high temperature) in an isothermal state, using the Joule effect, allowed us to estimate the parabolic coefficient to be later coupled to the numerical model, to predict the thickness of the scale. oxide of a load VII of low carbon steel billets that move inside the 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 térmicos 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. Utilizando el modelado de la transferencia de calor por radiación P-1, se lograron resultados que muestran que el método de mallas dinámicas utilizado en la simulación, estima con un error del 2% el perfil experimental de temperatura de la probeta que se mueve a través del horno. Por otro lado, se diseñó y construyó un sistema embebido para determinar la cinética de oxidación a alta temperatura, utilizando el efecto Joule como calentamiento para probetas cilíndricas huecas con diámetro exterior de 7 mm, diámetro interior de 5 mm, longitud de 34 mm y maquinados con una muesca central de 10 mm de longitud. La medición de la capa de óxido se realizó in situ con un equipo láser Mitutoyo y un sistema de adquisición de datos CompactRIO NI cRIO 9076 de National Instrument R, trabajando con una velocidad de lectura de un dato por segundo. El sistema de calentamiento Joule fue utilizado con rampas isotérmicas, de 850 a 1050
Editor
Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo
Fecha de publicación
mayo de 2018
Tipo de publicación
Tesis de doctorado
Recurso de información
Formato
application/pdf
Idioma
Español
Repositorio Orígen
Repositorio Institucional de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo
Descargas
0