Title

Mapeamento de Fluxo de Calor em Dutos de Exaustão de BOF via CFD para Engenharia de Manutenção

Heat Flux Mapping in BOF off-gas Ducts via CFD for Maintenance Engineering

Authorship

OLIVEIRA, DIESTÉFANO SOUZA; SCHAEFFER, ANTOINE; REBÓN, LORENA; HALTY, VIRGINIA; CARLONI, MARIA GEMA; GALIAZZI, CRISTIANE VILMA ROCHA

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HALTY, VIRGINIA

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CARLONI, MARIA GEMA

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GALIAZZI, CRISTIANE VILMA ROCHA

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DOI

10.5151/2594-5327-43554

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Abstract

O sistema de exaustão de gases de convertedores a oxigênio (BOF) opera sob condições térmicas extremas. A infiltração de ar atmosférico promove a combustão secundária turbulenta do monóxido de carbono, gerando frentes de chama assimétricas que impõem fadiga termomecânica precoce aos painéis tubulares de água. Este trabalho apresenta um modelo computacional termofluidodinâmico desenvolvido para mapear o fluxo de calor no equipamento e subsidiar a engenharia de manutenção. A simulação foi resolvida em regime estacionário (STAR-CCM+), utilizando o modelo k-ω SST para turbulência, Eddy Break-Up (EBU) para a cinética de reação e Ordenadas Discretas (DO) acoplado ao WSGG para a radiação térmica. A complexidade estrutural foi simplificada através de uma casca lisa, equalizada termicamente por um coeficiente convectivo efetivo (heff). Assumindo um cenário conservador de máxima liberação energética, o solver radiativo reproduziu a intensa remoção de calor para as paredes, estabilizando a temperatura média de saída em 806 °C. O modelo demonstrou boa aderência com os dados operacionais, com adesão superior a 97% na predição de frações molares em relação aos dados de campo. O mapeamento da carga térmica (Boundary Heat Flux) identificou zonas potenciais de short-term overheating nas paredes inferiores do duto. A metodologia indica um caminho para o direcionamento tático de inspeções e viabiliza futuras predições de falha estrutural por ciclagem térmica.

The off-gas system of Basic Oxygen Furnaces (BOF) operates under extreme thermal conditions. Atmospheric air infiltration promotes the turbulent secondary combustion of carbon monoxide, generating asymmetric flame fronts that impose premature thermomechanical fatigue on the water-tube panels. This work presents a computational thermofluid dynamic model developed to map the heat flux within the equipment and support maintenance engineering. The simulation was solved in steady-state (STAR-CCM+), using the k-ω SST model for turbulence, Eddy Break-Up (EBU) for reaction kinetics, and Discrete Ordinates (DO) coupled with the WSGG model for thermal radiation. Structural complexity was simplified through a smooth shell, thermally equalized by an effective convective heat transfer coefficient (heff). Assuming a conservative scenario of maximum energy release, the radiative solver reproduced the intense heat removal to the walls, stabilizing the average outlet temperature at 806 °C. The model demonstrated good agreement with operational data, achieving over 97% accuracy in predicting molar fractions compared to field measurements. The thermal load mapping (Boundary Heat Flux) identified potential short-term overheating zones on the lower duct walls. The methodology indicates a path for the tactical targeting of inspections and enables future predictions of structural failure due to thermal cycling.

Keywords

CFD, Convertedor BOF, Combustão Secundária, Carga Térmica, Manutenção Preditiva

CFD, Basic Oxygen Furnace, Secondary Combustion, Thermal Load, Predictive Maintenance