Optimization of furnace residence time and ingots positioning during the heat treatment process of large size forged ingots

Bohlooli Arkhazloo, Nima (2020). Optimization of furnace residence time and ingots positioning during the heat treatment process of large size forged ingots. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

High-strength large size forgings which are widely used in the energy and transportation industries (e.g., turbine shaft, landing gears etc.) acquire significant mechanical properties (e.g., hardness) through a sequence of heat treatment processes, called Quench and Temper (Q&T). The heating process (tempering) that takes place inside gas-fired furnaces has a direct impact on the final properties of the product due to several major microstructural changes taking place at this step. Therefore, material properties are usually optimized by controlling the tempering process parameters such as time and temperature. A non-uniform temperature distribution around parts, as a result of thermal interactions inside the furnace or loading pattern, may result in the parts property variations from one end to another, changes in microstructure or even cracking. On the other hand, improvement of large products residence time inside the heat treatment furnace can minimize energy consumption and avoid undesirable microstructural changes. However, at the present time, the industrial production is mainly based on available empirical correlations which are costly and not always reliable. Accurate time-dependent temperature prediction of the large size forgings within gas-fired heat treatment furnaces requires a comprehensive quantitative examination of the heating process and an in-depth understanding of complex conjugate thermal interactions inside the furnace. Limitations in analytical studies and complexity and cost of experimentations have made numerical simulations such as computational fluid dynamics (CFD), effective methods in this field of study. However, among the rarely found studies on gas-fired furnaces, smallscale furnaces or those with shorter operation times were mainly considered (using different simplifications like steady-state calculations) because of complexity of the phenomena and large calculation times. Subsequently, there are very few studies on the improvement of the loading patterns of large-size steel parts inside the gas-fired furnaces and their relevant residence time optimization. Moreover, the limitation and strength of different numerical approaches to calculate thermal interactions in the turbulent reactive flow of the large size gas-fired batch type furnaces were addressed by few researchers in the literature. In this regard, the main objective of the present thesis is to provide a comprehensive quantitative analysis of transient heating and an understanding of thermal interactions inside the furnace so as to optimize the residence time and temperature uniformity of large size products during the heat treatment process. To attain this objective, the following milestones are pursued.

The first part of this study provides a comprehensive unsteady analysis of large size forgings heating characteristics in a gas-fired heat treatment furnace employing experimentally measured temperatures and CFD simulations. A three-dimensional CFD model of the gasfired furnace, including heat treating chamber and high momentum natural gas burners, was generated. The interactions between heat and fluid flow consisting of turbulence, combustion and radiation were simultaneously considered using the k -ε , EDM and DO models, respectively. The applicability of S2S radiation model to quantify the effect of participating medium and radiation view factor in the radiation heat transfer was also assessed. Temperature measurements at several locations of an instrumented large size forged block and within the heating chamber of the furnace were performed for experimental analysis of the heating process and validation of the CFD model. Good agreement with a maximum deviation of about 7% was obtained between the numerical predictions and the experimental measurements. The results showed that despite the temperature uniformity of the unloaded furnace, each surface of the product experienced different heating rates after loading (single loading) resulting in temperature differences of up to 200 K. Analysis of the results also revealed the reliability of the S2S model and highlighted the importance of radiation view factor for the optimization purposes in this application. Findings were correlated with the geometry of the furnace, formation of vortical structures and fluid flow circulations around the workpiece. The experimental data and CFD model predictions could directly be employed for optimization of the heat treatment process of large size steel components.

The second part of this study aims to determine the effect of loading pattern (in the multiple loading configurations) on the temperature distribution of large size forgings during the heat treatment process within a gas-fired furnace to attain more temperature uniformity and consequently homogenous mechanical properties. This part also focuses on the improvement of residence time of large size forged ingots within a tempering furnace proposing a novel hybrid methodology combining CFD numerical simulations and a series of experimental measurements with high-resolution dilatometer. Transient 3D CFD simulations validated by experimental temperature measurements were employed to assess the impact of loading patterns and skids on the temperature uniformity and residence time of heavy forgings within the furnace. Comprehensive transient analysis of forgings heating characteristics (including heat transfer modes analysis) at four different loading patterns allowed quantifying the impact of skids and their dimensions on the temperature distribution uniformity as well as products residence time. Results showed that temperature non-uniformities of up to 331 K persist for non-optimum conventional loading pattern. The positive influence of skids and spacers applications was approved and quantified using the developed approach. It was possible to reduce the identified non-uniformities of up to 32 % through changing the loading pattern inside the heat treatment furnace. This hybrid approach allowed to determine an optimum residence time of large size slabs improving by almost 15.5 % in comparison with the conventional non-optimized configuration. This approach was validated and it could be directly applied to the optimization of different heat treatment cycles of large size forgings.

The third part of the study addresses the details of the numerical simulation of heat treatment process of large size forgings within real scale gas-fired furnaces. Specifically, assessment of chemical equilibrium non-premix combustion model for accurate temperature prediction of heavy forgings, as well as performance of six different RANS based turbulence models for predictions of turbulent phenomenon were discussed in this context. In this regard, thermal interactions at different locations of the forged block as well as critical regions such as burner area, stagnation and wake region were performed using a one-third periodic 3D model of the furnace and validated by experimental measurements. Results showed that the one-third periodic model with chemical equilibrium non-premix combustion is reliable for the thermal analysis of the heat treatment process with a maximum deviation of about 3% with respect to the experimental measurements. It was also revealed that the choice of the turbulence model has a significant effect on the prediction of combustion and heat transfer around the block. Prediction of ɛ/k ratio by different turbulence models showed a significant relation to the turbulent combustion (such as burner flame length) and block temperature predictions, around the stagnation region. Standard and realizable k - ɛ models, due to an unrealistic over prediction of turbulence kinetic energy (under-prediction of ɛ/k ratio), resulted in shorter flame length and under-prediction on the temperature of the forged block around the stagnation region; While, SST k - w model showed reasonable predictions in this region. RSM model was found as the most reliable turbulence model compared to the experimental measurements. Meanwhile, realizable k − ɛ model apart from some under-prediction on the stagnation region and flame length could effectively predict the overall temperature of the heavy forgings with reasonable accuracy with respect to the experimental data and RSM predictions.

Titre traduit

Optimisation du temps de résidence dans le four ainsi que le positionnement de lingots forgés de grande taille lors du processus de traitement thermique

Résumé traduit

Les pièces forgées de grande taille sont communément utilisées dans les industries de l’énergie et du transport (arbres de turbines, trains d’atterrissage, etc.). Ces pièces acquièrent leurs propriétés mécaniques supérieures (par exemple, la dureté) grâce à un processus de traitement thermique appelé trempe et revenu. Le processus de revenu (incluant le chauffage et le maintien en chauffe) a lieu dans des fours à gaz et a un impact direct sur les propriétés finales du produit en raison des modifications microstructurales majeures induites par l’effet de la température. Une fois que les paramètres de revenu sont contrôlés (temps et température) les propriétés des matériaux peuvent être généralement optimisées. Distribution non uniforme de la température autour des pièces qui résulte des interactions thermiques à l'intérieur du four ou du positionnement des brames, peut causer une variation dans les propriétés mécaniques d'une extrémité à l'autre de la pièce, une modification de la microstructure ou même initier des fissurations. Par contre, une optimisation du temps de séjour dans le four de traitement thermique peut réduire la consommation d’énergie et éviter les changements microstructuraux indésirables. Cependant, la production industrielle repose principalement sur des corrélations empiriques qui ne sont pas toujours fiables. La prédiction précise de la température en fonction du temps des pièces forgées de grande taille dans les fours de traitement thermique à gaz nécessite un examen quantitatif exhaustif de l'échauffement par la compréhension des interactions thermiques conjuguées complexes à l'intérieur du four. Les limites des études analytiques et la complexité et le coût des expérimentations ont rendu les simulations numériques une solution efficace pour analyser les problèmes de la dynamique des fluides (CFD) dans ce domaine d'étude. Cependant, parmi les études publiées sur les fours à gaz, les fours à petite échelle ou ceux avec un temps de fonctionnement plus court ont été principalement considérés (en utilisant différentes simplifications comme les calculs à l'état stationnaire) et ce principalement en raison de la complexité des phénomènes et des temps de calcul élevés. Par la suite, très peu d’études ont été consacrées à l’amélioration des modèles de chargement des pièces de grande taille dans les fours à gaz et à l’optimisation de leur temps de résidence. De plus, peu d’information est disponible dans la littérature sur les limites et particularités des différentes approches numériques permettant de calculer les interactions thermiques dans le flux réactif turbulent des fours de grande taille chauffés au gaz. À cet égard, l'objectif principal de ce projet est de fournir une analyse quantitative complète de la période transitoire du chauffage et une compréhension des interactions thermiques à l'intérieur du four afin d'optimiser, le temps de séjour et l'uniformité de la température pendant le traitement thermique. Pour atteindre cet objectif, les étapes ci-après ont été suivies:

La première partie de cette étude, fournit une analyse transitoire complète des caractéristiques de chauffage des pièces forgées de grande taille dans un four à gaz, en utilisant des températures mesurées expérimentalement et des simulations CFD. Un modèle CFD 3D du four à gaz a été généré, incluant, la chambre de traitement thermique, et les brûleurs à gaz. Les interactions entre la chaleur et l’écoulement du fluide, incluant la turbulence, la radiation et la combustion, ont été simultanément considérées dans le modèle en utilisant respectivement les modèles DO et EDM. En outre, l'applicabilité du modèle de radiation S2S a été évaluée pour quantifier l'effet du produit de combustion dans le four et le facteur de forme dû à la radiation durant le transfert de chaleur. Des mesures de températures ont été réalisées à plusieurs endroits grâce à l’instrumentation d’un bloc forgé de grande taille et l'intérieur du four, pour l'analyse expérimentale du processus de chauffage et aussi pour la validation du modèle CFD. Un bon accord a été obtenu avec une erreur maximale d’environ 7% entre les prédictions numériques et les mesures expérimentales. Les résultats ont montré qu'en dépit de l'uniformité de la température du four sans chargement, chaque surface du bloc présentait des vitesses de chauffage différentes après le chargement (chargement simple) ; des différences de température allant jusqu’à 200 k. L’analyse des résultats a également révélée la fiabilité du modèle S2S et a mis en évidence l’importance du facteur de forme du rayonnement pour des besoins d’optimisation pour cette application. Les résultats ont été corrélés avec la géométrie du four, la formation de structures tourbillonnaires et les circulations du fluide autour de la pièce. Les données expérimentales et les prévisions du modèle CFD pourraient être directement utilisées pour l’optimisation du processus de traitement thermique forgées de grande taille.

La deuxième partie de cette étude vise à déterminer l’effet de la configuration du chargement (configuration des chargements multiples) sur la distribution de la température des pièces forgées lors du traitement thermique, afin d’obtenir une meilleure uniformité de température; qui par la suite favorise l’obtention de propriétés mécaniques homogènes. Cette partie vise également l’optimisation du temps de séjour des lingots forgés de grande taille dans un four de revenu, proposant une nouvelle méthodologie hybride combinant des simulations numériques CFD et une série de mesures expérimentales à base d’un dilatomètre à haute résolution. Des simulations transitoires CFD 3D validées par des mesures expérimentales de températures ont été utilisées pour évaluer l’impact des modèles de chargement et du calage (positionnement des cales) sur l’uniformité de la température et le temps de résidence des pièces forgées dans le four. Une analyse transitoire complète des caractéristiques de chauffage des pièces forgées (y compris une analyse des modes de transfert de chaleur) en utilisant quatre configurations de chargement différents a permis de quantifier l’impact des calages et leurs dimensions sur l’uniformité de la répartition de la température ainsi que sur le temps de séjour des produits. Les résultats ont montré que la non-uniformité de température peut aller jusqu'à 331 K pour un modèle de chargement conventionnel (non optimisé). L'influence positive de l'utilisation des cales et des espaceurs (cales entre les brames) a été approuvée et quantifiée à l'aide de l'approche développée. Il a été possible de réduire les non-uniformités identifiées jusqu'à 32% en modifiant la configuration du chargement à l'intérieur du four de traitement thermique. Cette approche hybride a permis de déterminer le temps de séjour optimal pour les lingots, et aussi permettre son amélioration jusqu’à peu près de 15,5% par rapport à la configuration classique (non optimisée). Cette approche a été validée et pourrait s’appliquer directement à l’optimisation de différents cycles de traitement thermique de pièces forgées de grande taille.

Enfin, la troisième partie de l'étude aborde les détails de la simulation numérique du procédé de traitement thermique de pièces forgées de grande taille dans des fours à gaz à échelle réelle. Plus précisément, l'évaluation du modèle de combustion non-premix avec l'équilibre chimique pour prévision précise de la température des pièces forgées, ainsi que les performances de six modèles de turbulence différents de RANS pour les projections d'analyse thermique sont discutés. À cet égard, les interactions thermiques à différents endroits du bloc forgé et dans des régions critiques telles que la région du brûleur, la stagnation et la région de sillage ont été réalisées à l'aide d'un modèle 3D périodique du four puis validé par des mesures expérimentales. Les résultats ont montré que le modèle périodique avec combustion non-premix est fiable pour l'analyse thermique du processus de traitement thermique avec un écart maximal d'environ 3% par rapport aux mesures expérimentales. Il a également été révélé que le choix du modèle de turbulence avait un effet significatif sur la prévision de la combustion et du transfert de chaleur autour du bloc. La prédiction du rapport ɛ/k par différents modèles de turbulence a montré une relation significative avec la combustion turbulente (telle que la longueur de la flamme du brûleur) et les prévisions de température du bloc, autour de la région de stagnation. Les modèles k − ɛ Standard et réalisable en raison d'une prévision irréaliste de l'énergie cinétique de turbulence (sous-prévision du rapport ɛ/k) ont entraîné une longueur de flamme plus courte et une sous-prévision de la température du bloc forgé autour de la région de stagnation. En suite, le modèle SST k − w a montré des prévisions raisonnables dans cette région. Le modèle RSM s'est révélé être le modèle de turbulence le plus fiable par rapport aux mesures expérimentales. De plus, un modèle k − ɛ réalisable, mis à part une sous-prédiction sur la région de stagnation et la longueur de la flamme, pourrait efficacement prédire la température globale des pièces forgées lourdes avec une précision comparable à celle des données expérimentales et des prévisions du RSM.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 157-167).
Mots-clés libres:	traitement thermique, simulation CFD, four à gaz, mesure de température, uniformité de la température, modélisation du rayonnement, configuration du chargement, temps de résidence, mesures expérimentales, approche hybride, modélisation de la turbulence, modélisation de la combustion
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Jahazi, Mohammad
Codirecteur:	Codirecteur Bazdidi-Tehrani, Farzad
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	08 juin 2020 15:14
Dernière modification:	08 juin 2020 15:14
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2477

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