Slabs are heated up to the temperature between 1000℃ and 1300℃ in a reheating furnace and then transported to a rolling mill. The second largest energy is consumed to reheat slabs in a hot strip mill, while the largest energy is consumed in the process of melting ore. A great deal of attention is needed to reduce this huge amount of energy consumption and increase the performance of furnace. Thermal efficiency is also correlated with environmental issues. Decrease in energy consumption can directly reduce the generation of carbon dioxide - greenhouse gases. Reduction of other pollutants such as NOx, particulates, and unburned hydrocarbon is also another concern of a reheating furnace.
An analysis of thermal efficiency of a furnace requires a precise investigation of combustion phenomena and flow characteristics. Especially the feature of hot gas flow field has a deterministic role in heating slabs. Burners are positioned slightly slanted with respect to furnace axial direction to allow more hot gas flow to reach the slabs. Sometimes walls - called dam - are inserted to the furnace to block the main flow and keep the main flow longer in the furnace. But these are not all the factors to determine heating efficiency. There exist other factors such as type of fuel, location and property of slabs, and geometry of slab supporting system. Skid posts and skid beams act like obstacles in heating slabs by intercepting radiation between hot gas and slabs. Since it is well known that slabs are mostly heated by radiation, heating efficiency is lowered by reduction of radiation from hot gas to slabs due to existence of the structures.
A code is developed to simulate the transient heating characteristics of slabs in a POSCO reheating furnace. The code takes into account the movement of slabs which can not be easily treated by most commercial codes. Also the effects of skid posts and skid beams are considered in the calculation of combusting flow field. The code adopts SIMPLE algorithm, structured curvilinear grid, the standard k-ε model for turbulence, the eddy-dissipation model for combustion, and FVM method for radiation. The code was verified by comparing its numerical results with experimental ones. And the code was parallelized to run on clustered PCs. The parallelization of the code makes it possible to overcome deficiency of physical memory as well as to save computing time. A grid used by the code is created with the developed grid generation program. The grid generation program can easily and quickly create a grid of which generation needs a lot of time and effort with most commercial grid generation programs.
A numerical analysis of a POSCO reheating furnace has been successfully performed with the developed code. When slabs are heated in the furnace, the corners of a slab are heated faster than any other regions because the corners have larger thermal resistivity than the other regions - edges and plain surfaces. It was found that over 90% of the total heat transfer from hot gas to slab occurred by radiation. Therefore, a very accurate method is necessary in solving the radiative transfer equation. In this respect, the finite volume method for radiation turned out to be very suitable for the simulation of a reheating furnace by comparing calculation with experiment. It was found that the slabs satisfy the slab requirement when they exit into rolling mill under the given operating condition in the real scale reheating furnace.
가열로 내에서 슬랩은 1000℃ 에서 1300℃ 로 가열된 뒤 압연기로 방출된다. 전체 제철과정 중 이 가열 과정에서 두 번째로 많은 에너지가 소비되기 때문에 가열로 효율을 높임으로써 에너지 절감을 실현하기 위해서는 많은 관심을 기울일 필요가 있다. 참고로 제철 과정 중 철광석을 녹이는 제선 과정에서 가장 많은 에너지가 소비된다. 열효율의 향상은 환경적 측면하고도 관련이 있다. 에너지 소비의 감소는 바로 온실효과를 유발하는 이산화탄소 발생량의 저감과 직접적으로 관련이 있기 때문이다. 환경적 측면에서NOx, 분진, 미연분등 또한 가열로 연구에 있어 관심의 대상이 되고 있다. 가열로의 열효율을 해석하기 위해서는 가열로 내 유동 특성과 연소 특성을 알아야 한다. 고온 연소가스 흐름의 특성은 슬랩을 가열하는 데 있어 결정적인 역할을 한다. 버너들은 가열로 축 방향에 대해서 약간 기울인 상태로 운전이 되는데 이는 고온 연소가스가 좀더 슬랩 쪽을 향하도록 하기 위함이다. 종종Dam이라 부르는 장벽이 가열로 내에 삽입되기도 하는데 이는 가열로 내에서 주 흐름을 좀더 체류시키기 위함이다. 가열로의 열효율을 결정하는 요인은 이뿐만이 아니라 연료의 조성, 슬랩의 물성치, 그리고 슬랩 지지 시스템의 형상 등이 있다.
이중 슬랩의 지지와 이동을 담당하는 Skid posts와 skid beam은 고온 가스에서 슬랩으로 일어나는 복사 열속을 중간에서 차단함으로써 슬랩의 가열을 방해한다. 가열로 내에서 슬랩의 가열이 대부분 복사에 의해서 일어나기 때문에 이들에 의한 복사 간섭은 열효율의 저하를 불러온다. POSCO 가열로에 대한 슬랩의 비정상 가열 특성을 해석하기 위한 코드가 개발되었다.
코드는 상용코드로 처리가 까다로운 슬랩의 이동이 고려하였으며 Skid posts와 skid beams의 영향 또한 연소 유동 해석에 고려 되었다. 코드는 SIMPLE 알고리즘, 정렬 격자, 표준 k-ε 모델, 그리고 eddy-dissipation 모델을 적용하여 개발 되었다. 복사 해석을 위해서는 FVM 복사 해석법이 사용되었다. 코드의 신뢰성 확보를 위해서 계산결과와 실험 결과의 비교를 통하여 코드를 검증하였다. 또한 코드는 cluster PC 상에서 구동이 되도록 병렬화 되었는데 이를 통하여 메모리 부족 해결과 계산 시간 단축을 달성할 수 있었다. 그리고 쉽고 빠르게 격자를 생성할 수 있도록 자체 격자 생성 프로그램을 개발하여 코드에 사용 하였다.
개발된 코드를 이용하여 POSCO 가열로에 대한 해석을 수행하였다. 해석을 통하여 슬랩이 가열될 때는 슬랩의 코너부분이 가장 먼저 가열되는 것을 알 수 있었다. 이는 코너 부분에서는 세 면으로부터 열이 침투하기 때문이다. 그리고 연소가스에 의한 슬랩의 가열은 90% 이상이 복사에 의해서 일어남을 알 수 있었다. 따라서 슬랩 가열 해석의 신뢰성 확보를 위해서는 정확한 복사 해석법이 요구됨을 알 수 있다. 이점에서 본 개발 코드에 적용된 FVM복사 해석법은 가열로 해석에 적합한 복사 해석법임을 알 수 있었다. 해석 결과, 주어진 운전조건하에서, 슬랩은 슬랩 요구 조건을 만족한 채로 가열로를 빠져 나가는 것으로 드러났다.
