Simulazione dei forni per il trattamento termico degli acciai per l’ottimizzazione dei tempi di riscaldo. Analisi agli elementi finiti tramite software FORGE® NxT dei trattamenti termici dell’azienda Cogne Acciai Speciali = Simulation of steel heat treatment furnaces for heating time optimisation. Finite element analysis with the software FORGE® NxT of Cogne Acciai Speciali’s heat treatments

Il settore siderurgico ricopre un ruolo di primaria importanza all’interno del sistema produttivo italiano e mondiale. Oltre alla sua rilevanza da un punto di vista economico, questo è molto soggetto all’andamento dei prezzi delle materie prime, delle fonti energetiche come il metano, e dell’energia elettrica, necessarie per ottenere il prodotto finito. Diventa quindi fondamentale cercare di ridurre il più possibile i consumi di energia dei processi produttivi per ridurre i costi, aumentando la competitività sul mercato soprattutto rispetto ad altri produttori extraeuropei che hanno costi energetici inferiori, e non meno importante per ridurre le emissioni di CO2 che contribuiscono in maniera significativa al cambiamento climatico. Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello di andare a simulare tramite analisi agli elementi finiti FEM, utilizzando il software FORGE® NxT, i trattamenti termici degli acciai eseguiti all’interno dell’azienda Cogne Acciai Speciali. Il fine ultimo è di validare una procedura da utilizzare in seguito per la modifica dei cicli di trattamento termico con lo scopo di ridurre i tempi di permanenza in forno e quindi i consumi energetici, pur mantenendo inalterata la qualità del prodotto. All’interno della simulazione vengono calcolati tramite software gli scambi termici conduttivi e radiativi tra le pareti del forno, la suola, i calaggi e gli altri elementi della carica. In aggiunta, vengono considerati gli scambi termici per convezione impostandoli come condizione al contorno, in quanto il software non permette di considerare la presenza di gas e il loro effetto sulla convezione e l’irraggiamento. A causa di questo aspetto, il lavoro di validazione della procedura si è trasformato in un lavoro di ricerca dei coefficienti di scambio termico convettivo (HTC Heat Transfer Coefficient) corretti per poterli applicare in simulazioni successive. Si sono ricavati questi valori utilizzando i dati sperimentali ottenuti tramite la procedura di verifica di trattamento termico (HTV Heat Treatment Verification) svolta all’interno dell’azienda, dove sono disponibili le curve sperimentali rappresentanti l’andamento di temperatura del materiale all’interno del forno durante un determinato trattamento termico. Dai risultati ottenuti si nota una corrispondenza tra i valori di HTC in base al tipo di carica e alla temperatura, ma solamente fino a temperature inferiori ai 600°C. Sopra questa temperatura non è stato possibile approssimare la curva sperimentale anche impostando elevati valori di scambio termico convettivo, evidenziando la problematica del software di non poter considerare la presenza dei gas combusti all’interno del forno e quindi il loro contributo in termini non solo di scambio termico convettivo, ma anche di irraggiamento. Questo comporta anche la non completa attendibilità degli HTC trovati a temperature più basse, nonostante siano in accordo con i valori usati in lavori simili, siccome anche a basse temperature la temperatura dei gas è elevata (con conseguente elevato flusso termico radiativo), e la necessità di trovare una soluzione per applicare l’irraggiamento da parte dei gas di combustione all’interno delle simulazioni, usando sempre lo stesso software, per ottenere risultati più precisi. Nonostante la difficoltà di ottenere risultati affidabili tramite simulazione numerica, si è visto che, anche solo utilizzando i dati ottenuti delle HTV, si possono ottenere risultati interessanti in termini di riduzione dei tempi di permanenza in forno.