Study of the cooling of steel mills lamination coils

Resumen

En los procesos de producción de acero laminado en caliente el control del enfriamiento después de terminar el laminado juega un papel importante en la microestructura final y en las propiedades mecánicas del producto. La bobina de acero producida en una planta de acero después de la laminación debe ser enfriada desde una temperatura alta hasta la temperatura ambiente, para ser transportada y vendida. El enfriamiento de la bobina dura entre cuatro y seis días, dependiendo de las condiciones climáticas. Normalmente, la bobina se almacenará en una nave industrial hasta que alcance la temperatura ambiente. En este trabajo se ha desarrollado una nueva metodología para obtener la ley de enfriamiento de las bobinas. Se utilizaron modelos numéricos para simular y estudiar la velocidad de enfriamiento de la bobina y calcular los valores de los parámetros involucrados en la ley de enfriamiento. La geometría de la bobina consiste en un cilindro con una altura entre 1,6 m y 1,8 m, y un diámetro exterior de 0,9 m. Las bobinas también tienen un hueco coaxial de pequeño diámetro. Las simulaciones del proceso de enfriamiento de la bobina se realizaron mediante técnicas de CFD con el software ANSYS FLUENT en condiciones de régimen transitorio para geometrías 2D (bidimensionales) y 3D (tridimensionales) para obtener la tasa óptima de disminución de la temperatura. Se simularon diferentes geometrías correspondientes a una única bobina en posiciones horizontal y vertical, y sus combinaciones en grupos de varios niveles de altura. Específicamente, se utilizaron modelos 2D de simetría axisimétrica y 3D para estudiar el enfriamiento natural de las bobinas de acero. Ambos modelos son consistentes y los resultados obtenidos son bastante similares. Se tarda cinco días en que una bobina de acero se enfríe desde 673,15 K a temperatura ambiente, y la función que relaciona la temperatura promedio de las bobinas con el tiempo es prácticamente idéntica para ambas posiciones de la bobina. También se estudió el efecto de la capacidad calorífica específica variable y de la conductividad térmica Cilíndrico-ortotrópica con diferentes temperaturas y presiones entre capas.. Finalmente, se obtuvo una ecuación (ley de enfriamiento) basada en términos logarítmicos y arctangentes para cada uno de los casos estudiados. Esta ecuación describe los efectos de conducción, convección y radiación y se ha definido y verificado teniendo en cuenta las restricciones límite del problema. In the hot-rolled steel production processes the cooling control after finishing rolling plays an important role on the final microstructure and mechanical properties of the product. Steel coil produced at a steel mill after the lamination must be cooled from a high temperature to the ambient temperature, to be transported and sold. Coil cooling takes between four and six days depending on weather conditions. Usually, the coil will be stored in a warehouse until it reaches the ambient temperature. In this work, a new methodology to obtain the coils cooling law has been developed. Numerical models were used to simulate and study the rate of the coil cooling and to calculate the values of the parameters involved in the cooling law. The geometry of the coil is a cylinder with a height between 1.6 m and 1.8 m and an outer diameter of 0.9 m. The coils also have a coaxial hollow of small diameter. The simulations of the coil cooling process were performed by using CFD techniques with ANSYS FLUENT software in transient conditions for 2D (two-dimensional) and 3D (three-dimensional) geometries to obtain the optimal rate of temperature decrease. Different geometries corresponding to a single coil in horizontal and vertical positions and their combinations in groups of various height levels were simulated. Specifically, 2D axisymmetric and 3D simulation models were used to study the steel coils natural cooling. Both models are consistent and the results obtained are quite similar. It takes five days for a steel coil become cooled from 673.15 K to ambient temperature, and the relationship between average coils temperature and time is nearly equal. The effect of variable specific heat capacity and Cyl-orthotropic thermal conductivity with different interlayer pressures and temperatures was also studied. Besides, an equation (cooling law) based on logarithmic and arctangent terms was obtained for all cases. This equation describes conduction, convection and radiations effects and has been defined and verified considering the boundary restrictions of the problem.