État de l’art dans la modélisation des fours de cuisson d’anodes

Depuis le début des années 80, différents travaux sur la modélisation des fours de cuisson d’anodes ont vu le jour. Les premiers modèles étaient assez simples dans leur représentation du four, mais capables de donner un aperçu des profils de température dans chacune de ses parties, de voir la distribution du gradient de pression le long du feu, de reproduire la courbe de cuisson et faire le bilan énergétique de la cuisson des anodes. Ces modèles sont appelés modèles de procédé. L’approche utilisée est de considérer un élément discret (un axe ou un plan) de la géométrie et de résoudre quelques équations phénoménologiques dans une ou deux dimensions. L’opération est refaite pour plusieurs éléments de la section, ainsi tout le feu est parcouru.

Les modèle de contrôle et de procédé

Dans le but de montrer l’importance de la modélisation dans les applications industrielles comme celui de la cuisson des anodes, Bui (1997) [93] a parcouru la modélisation des différents phénomènes thermo-physiques de la cuisson et des fours en général dans l’industrie des métaux légers, à savoir l’industrie de l’aluminium primaire. Un aperçu général sur les travaux de modélisation de la cuisson a été donné, notamment sur les fours de type vertical ou de type fermé. Quelques travaux avaient été réalisés durant les années 70, dans le but d’améliorer les performances thermiques du four horizontal. À titre d’exemple, on peut citer le travail de Racunas (1979) [101] qui a fait la description du bilan énergétique d’un four de ce type. La consommation énergétique a aussi fait l’objet d’une étude afin de la réduire [102], et l’utilisation de coke de garnissage a été traitée comme un lit fluidisé. La corrélation entre l’utilisation de ce dernier et la qualité des anodes produites a aussi été étudiée [62].

Parmi les premiers modèles mathématiques simplifiés du four de cuisson horizontal dont celui qui a été développé par Furman et al. (1980) [103], la méthode des différences finies a été utilisée. Le transfert de chaleur dans la partie solide a été résolu en 2D, tandis que du côté des gaz, seulement des bilans de masse et d’énergie ont été calculés. Due à la symétrie, le modèle a été appliqué au quart d’une alvéole. L’influence du pas de temps et des propriétés des différents matériaux impliqués a été analysée. La variation des propriétés thermiques des différents matériaux en fonction de la température n’a pas été considérée dans ce modèle. Avec la même approche, Fernandez et al. (1982) [84] ont développé le même genre de modèle mais pour un four de type vertical. Des mesures sur le four en opération ont été faites pour valider ce modèle.

Un modèle de procédé d’un four horizontal de cuisson d’anodes a été développé en plusieurs étapes par Bui et al. (1984) [104-106]. Un bilan d’énergie et de masse est appliqué à un domaine simplifié qui représente les différentes parties du four. Le débit des gaz à l’intérieur de la cloison est ajusté par les gradients de pressions appliqués à différentes positions sur toute la longueur du feu et par l’infiltration de l’air ambiant à cause de la dépression. Le bilan d’énergie inclut la chaleur de la combustion du carburant et celle de matières volatile. Le modèle prend en considération les pertes de la chaleur du four vers le haut et le bas. Le modèle a été testé jusqu’à la détermination des paramètres pour reproduire des conditions opérationnelles existantes d’un four. Ce modèle de procédé avait permis de tester différents paramètres et donner des idées pour améliorer les pratiques de la cuisson des anodes en carbone.

Un modèle simplifié de procédé d’un four de type vertical a été conçu par Gundersen et al. (1995) [107]. La géométrie change entre le four horizontal et le four vertical, mais dans la pratique, les mêmes phénomènes se passent de la même manière dans les deux types de four durant la cuisson des anodes. Comme dans le cas des modèles précédents, la résolution du problème du transfert de chaleur dans les anodes est résolue en trois dimensions, et la volatilisation a été prise en compte dans les solides. Vu la symétrie, la moitié du four seulement a été considérée. Pour les gaz, un modèle stationnaire est considéré avec un bilan de chaleur simple pour éviter toute complication due à la limitation des outils de calculs disponibles à ce moment-là. Les résultats obtenus avec ce modèle ont été comparés avec des observations faites sur un four industriel et le modèle semblait donner une description quantitative correcte des opérations de base du four de cuisson. Le modèle ne prend pas en considération la variation des propriétés thermiques en fonction de la température, ce qui est en soit une source importante d’incertitudes. Ainsi le modèle reste limité dans la reproduction complète des phénomènes se produisant lors de la cuisson des anodes en carbone dans les fours annulaires.

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Table des matières

CHAPITRE 1 INTRODUCTION GENERALE
1-1. Introduction
1-2. Problématique
1-3. Objectifs de l’étude
1-4. Méthodologie
1-5. Originalité de la thèse
1-7. Contenu de la thèse
CHAPITRE 2 RECHERCHE BIBLIOGRAPHIQUE
2-1. Introduction
2-2. Les fours de cuisson d’anodes en carbone
2-2-1. Les différents types de fours de cuisson d’anodes
2-2-2. Procédé de cuisson des anodes en carbone
2-3. La modélisation des fours de cuisson d’anodes
2-4. État de l’art dans la modélisation des fours de cuisson d’anodes
2-4-1. Les modèle de contrôle et de procédé
2-4-2. Les modèle de design
2-5. Le design des fours horizontaux de cuisson d’anodes
2-5-1. Design des différentes parties constituant le four de cuisson
2-5-2. Design de l’ensemble du feu de cuisson
2-6. Conclusions
CHAPITRE 3 MODÉLISATION MATHÉMATIQUE ET RÉSOLUTION NUMÉRIQUE DU PROCÉDÉ DE CUISSON
3-1. Introduction
3-2. Phénomènes régissant le fonctionnement du four
3-3. Formulation mathématique du modèle 3D
3-3-1. Le sous-modèle de la cloison
3-3-2. Le sous-modèle des solides
3-3-3. Pertes thermiques
3-4. Stratégie de résolution
3-4-1. Méthodes de résolution
3-3-2. Le couplage des deux sous-modèles
3-5. Conditions aux limites et propriétés thermophysiques
3-5-1. Conditions aux limites des gaz
3-5-2. Conditions aux limites des solides
3-5-3. Propriétés thermophysiques
3-5-4. L’interaction entre les sections d’un four
3-6. Modèle mathématique transitoire 3D
3-6-1. Présentation du modèle global
3-6-2. Organigramme du modèle global
3-7. Conclusions
CHAPITRE 4 DÉTERMINATION DES PARAMÈTRES NUMÉRIQUE ET VALIDATION DU MODÈLE DU FOUR
4-1. Introduction
4-2. Détermination des paramètres numériques du modèle
4-2-1. Choix de la taille du maillage
4-2-2. Choix du pas de temps
4-3. Investigations sur l’écoulement dans la cloison
4-3-1. Écoulement à travers toutes les cloisons du feu
4-3-2. Bilan de masse pour le débit de l’air du refroidissement
4-4. Compagnes de mesure et validation du modèle
4-4-1. Différentes méthodes de validation d’un modèle mathématique
4-4-2. Compagne de mesure
4-4-3. Validation du modèle
CONCLUSION