Batch-type 재가열로 내 고부가가치강 온도 분포 예측 및 가열 시간 예측을 위한 CFD 해석

Abstract

피팅 파이프는 최근에 철강산업에서 생산하는 고부가가치 제품 중 하나이며 조선, 석유 화학 플랜트에서 석유 및 천연가스를 수송하는데 사용된다. 양질의 석유와 천연가스가 급속히 고갈되면서 유전 깊이가 깊어지고 원유 품질이 낮아짐에 따라 이 제품은 수소 유기 균열을 견딜 수 있는 고강도, 저온인성 등의 기계적 특성이 요구된다. 현업에서는 재가열을 통해 제품을 오스테나이트화 온도까지 상승시킴으로써 용접 과정에서 생긴 불확실성을 낮추고 퀜칭(Quenching)을 통해 기계적 특성을 강화시킨다. 지금까지의 재가열로의 수치해석 연구는 Walking beam-type 재가열로 에서 일정한 형태를 가지는 빌릿이나 슬래브의 온도 분포 및 가열로 효율에 대한 연구가 주로 수행되었다. 그러나 다양한 형상을 가지는 피팅 파이프는Batch-type 재가열로에 대한 연구는 미비하다. 기존에는 경험적인 방법으로 Batch-type 재가열로 내에 피팅 파이프를 배치하고 가열하지만, 각 피팅 파이프의 열처리 효과는 예측하기 어렵다. 이것은 가열로의 열처리 시간이 매우 길고, 가열로 내에서 전도, 대류 및 열 복사 현상이 동시에 일어나기 때문이다. 현업에서는 제한적인 실험 및 경험적인 방법을 통해 최적의 열처리 방법을 찾고자 하지만 가열로 내부의 온도 및 피팅 파이프의 온도 변화를 명확히 파악하기에는 한계가 있다. 본 연구에서는 CFD(Computer Fluid Dynamics, CFD) 해석을 이용하여 재가열로 내부의 가열 환경을 모사하고, 이를 통해 피팅 파이프의 온도 특성을 분석하였다. 해석 모델의 타당성을 검증하기 위해, 실험으로부터 계측한 재가열로 내의 분위기 온도를 참고하여 동일한 온도 분포의 가열 환경을 수치적으로 모사하였다. CFD해석을 통해 피팅 파이프의 위치, 두께 및 규격에 따른 열처리 과정에서 피팅 파이프의 온도 변화를 분석하였다. 각 피팅 파이프가 목표 온도에 도달한 비율을 비교분석하고, 목표 온도 도달 시간을 예측함으로써 열처리 과정의 변수에 따른 가열 현상에 대하여 연구를 수행하였다. 이는 CFD해석을 통해 기존의 요구 비용 없이 효율적인 방식으로 가열로 내 피팅 파이프 장입 시 최적의 배치 및 가열 조건을 찾는데 활용 될 수 있을 것이라 사료된다. |Recently, fitting pipes are one of the high value-added products produced in the steel industry. This product is used to transport petroleum and natural gas in shipbuilding and petrochemical plants. As high-quality oil and natural gas are rapidly depleted, the oil depth deepens and crude oil quality decreases. This product requires mechanical properties such as high strength and low temperature toughness that can prevent hydrogen induced cracking. In the field, by heating the product to the austenitic temperature through reheating, the uncertainty generated during the welding process is reduced and mechanical properties are strengthened through quenching. Until now, numerical analysis studies on reheating furnace have mainly been conducted on the temperature distribution and heating efficiency of billets or slabs having a certain shape in the Walking beam-type reheating. However, studies on batch-type reheating furnace are insufficient for fitting pipes with various shapes. Conventionally, the fitting pipe is placed and heated in a batch-type reheating furnace by an empirical method. However, the heat treatment effect of each fitting pipe is difficult to predict. This is because the heat treatment time of the furnace is very long, and conduction, convection and thermal radiation occur simultaneously in the furnace. In this study, the heating environment inside the reheating furnace was simulated using CFD (Computer Fluid Dynamics, CFD) analysis, and the temperature characteristics of the fitting pipe were analyzed. In order to verify the validity of the analysis model, the ambient temperature in the reheating furnace measured from the experiment was referred to. And the heating environment of the same temperature distribution was simulated numerically. Through CFD analysis, the temperature characteristics of the fitting pipe were analyzed during the heat treatment process according to the location, thickness, and specifications of the fitting pipe. By comparing and analyzing the rate at which each fitting pipe reached the target temperature and predicting the time to reach the target temperature, a study was conducted on the heating phenomenon according to the variables of the heat treatment process. It is thought that this can be utilized to find the optimal arrangement and heating conditions when charging the fitting pipe in the heating furnace in an efficient way without the existing required cost through CFD analysis.