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Submitted on 19 Jul 2010
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Modélisation thermomécanique d’un piédroit de four à coke
Matthieu Landreau
To cite this version:
Matthieu Landreau. Modélisation thermomécanique d’un piédroit de four à coke. Autre. Université
d’Orléans, 2009. Français. �NNT : 2009ORLE2057�. �tel-00503876�
ÉCOLE DOCTORALE SCIENCES ET
TECHNOLOGIES
Institut PRISME - Équipe MMH
THÈSE présentéepar :
Matthieu LANDREAU
soutenue le : 4 déembre 2009
pour obtenirle grade de : Doteur de l'Université d'Orléans
Disipline/ Spéialité: Génie Méanique
MODÉLISATION THERMOMÉCANIQUE D'UN
PIÉDROIT DE FOUR À COKE
THÈSE dirigée par :
Alain GASSER Professeur, Université d'Orléans
RAPPORTEURS :
Thierry CHOTARD Professeur, Université de Limoges
Frédéri LEBON Professeur, Université d'Aix-Marseille
JURY :
Niolas SCHMITT Professeur, Université Val-de-Marne (Paris 12)
Président du jury
Éri BLOND Maître de Conférene, Université d'Orléans
Thierry CHOTARD Professeur, Université de Limoges
Alain GASSER Professeur, Université d'Orléans
Daniel ISLER Responsable de Reherhe, Centre de Pyrolysede Marienau
Frédéri LEBON Professeur, Université d'Aix-Marseille
Cette thèse a été réalisée dansle adre d'un projet européen en ollaboration ave le
Centre depyrolysede Marienau et l'InstitutPRISME.
Mes remeriements s'adressent tout d'abord à Alain Gasser pour m'avoir oert un
sujetdethèseriheetpassionnant.Jeremerie aussiDanielIsleret Jean-PaulGailletpour
m'avoiraordé leuronaneet pour m'avoir faitproter deleurs grandes onnaissanes
dumonde sidérurgique.
JetienségalementàremerierMonsieurNiolasShmittpouravoiraeptédeprésider
monjurydethèse,MessieursChotardThierryetLebonFrédéripourm'avoirfaitl'honneur
d'être rapporteur demon travail.La pertinene deleurs remarques et suggestions, lorsde
laleturedemonmanusritetdelasoutenane,m'ontpermisd'apporterdesaméliorations
menant à laqualitéde e dernier.
JeremerietoutpartiulièrementÉriBlond,quiasuorientermestravauxparsonaide
et sa préieuse ollaboration, et ainsi ontribuer à l'aboutissement de ette étude. Meri
pour ta disponibilité ainsiqu'à ta femme ettes enfants pour leurpatiene et enore meri
dem'avoir aompagné toutau longde ette thèse,et e même àdistane!
J'exprimeaussimagratitudeàl'équipeduCentredePyrolysedeMarienaupourm'avoir
aueilli et aompagné surdiérentes batteries de fours à oke.Mes remeriements vont
également versl'équipe MMHet notamment JLD pour m'avoiraidé àdompter un luster
réalitrant!! Meri aussi à Marie-Laure et Pasal de m'avoir fait goûter aux joies de
l'expérimental!
Je remerie également tousmes ollègues de bureaunotamment Olivier,Manu, Hanh,
pour nosmomentsdedétente, noséquipéessportivesetpourlabonne ambianedetravail
qu'ilsont su réer.Un meritout partiulierà :
Jérme,poursaapaitéd'éouteet l'attentiondont ilafaitpreuve lorsdelareleture
dee manusrit
et à Guillaume,poursontat et sonamour delapoésie...
Ennj'adresse mesremeriements lesplustendresà mesparentsetmas÷ur pourleur
soutiensansdéfaut maisaussiàAudrey-Claire poursonenthousiasmeà toute épreuve!!
Introdution 6
1 Étude des piédroits de okerie 9
1.1 Laokerie ausein de lalièrefonte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.1 Élaboration de l'aier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.2 Fontionnement d'uneokerie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.2.1 L'enfournement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.2.2 La uisson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.2.3 Le défournement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.2.4 L'extintion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.1.2.5 Le riblage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.3 Cokéfation duharbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.3.1 Méanismes deformation duoke . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.3.2 Chauage desfoursà oke . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2 Matériauxutilisés danslesfours àoke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.1 Propriétés de lasilie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.2 Lesréfrataires desilie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3 Revuedessolliitationset desdégradations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.1 Lessolliitationsthermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.2 Lessolliitationsméaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3.2.1 Les poids morts et vivants . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3.2.2 Le serrage destirants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3.2.3 La poussée duharbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3.2.4 Eorts lorsdu défournement . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.3 Lesdégradations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.4 Prinipaux modèles existants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.1 Modèles analytiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.1.1 Ahlers, 1959 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.1.2 Suga, 1970 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.4.1.3 Romasko,1994 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.4.1.4 Bilan desmodèles analytiques . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.2 Modèles numériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.4.2.1 MDermott, 1990 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.4.2.2 Merhof, 1995 et Unkenbold, 1996 . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.5 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2 Modélisation des strutures maçonnées 31
2.1 L'approhe mirosopique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.1.1 Approhedisrète . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.1.2 Approheontinue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.1.3 Bilande lamodélisationmirosopique . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2 L'approhe marosopique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.1 L'approhe phénoménologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.2 L'approhe miroméanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.2.1 Prinipe de l'homogénéisation. . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.2.2 Modèles élastiques linéaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.2.3 Modèles non-linéaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2.3 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3 Modèle àétats de joints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3.1 VolumeÉlémentaire Représentatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.2 Étatsde lamaçonnerie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.2.1 Conditions auxlimites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3.2.2 Identiation inverse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.3 Transition entreles diérentsétats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3.3.1 Critère d'ouverture loal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3.3.2 Passage duloalauglobal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.4 Validation à partir d'essaisissusde lalittérature . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.4.1 Propriétés desmatériaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.4.2 Essaideisaillement surunmur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.4.3 Flexiond'unepoutreépaisse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.5 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3 Modélisation thermoméanique d'unpiédroit de okerie 64 3.1 Comportement thermoméaniquedesréfrataires de silie . . . . . . . . . . 64
3.1.1 Briquesdesilie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.1.1.1 Essais de ompressionuniaxiale. . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.1.1.2 Dilatation thermique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.1.1.3 Propriétés thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.1.2 Mortier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.1.2.1 Composition et mirostruture . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.2.2 Essais de ompressionuniaxiale. . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1.2.3 Dilatation thermique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.1.2.4 Propriétés thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.1.3 Tenue del'interfae brique/mortier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.1.3.1 Contrainte ultimeen isaillement . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.1.3.2 Contrainte ultimeen tration . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2 MatériauxHomogènes Equivalentspour lepiédroit . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.1 Dénitiondesellules élémentaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2.2 Homogénéisation despropriétés méaniques . . . . . . . . . . . . . . 79
3.2.3 Homogénéisation des propriétés thermiques et de ouplage thermo- méanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.2.3.1 Coeientsde dilatation thermique . . . . . . . . . . . . . 82
3.2.3.2 Propriétés thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.3 Simulation du piédroit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.3.1 Géométrieet maillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.3.2 Conditionsauxlimites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.3.2.1 Solliitations thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.3.2.2 Solliitations méaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.3.3 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.3.3.1 Modèlethermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.3.3.2 Modèles thermoméaniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.4 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Conlusionet Perspetives 105
Bibliographie 107
A Algorithme d'identiation inverse 115
B Mirographies de setions polies 117
C Synthèse des propriétés thermoméaniques de la silie KD 119
D Synthèse des propriétés thermoméaniques du mortier KS-94 120
E Matériaux Homogènes Équivalents 121
Le développement industriel mondial entraîne une onsommation roissante d'aier.
Ainsi,depuis 2004, laprodution mondialeannuelle s'élève à plusd'un milliard detonnes
selon la World Steel Assoiation, assoiation qui regroupe 85% des produteurs d'aier
dans le monde [Les,2009 ℄. Une des premières étapes, avant l'élaboration de l'aier par
la lière, onsiste à la prodution de oke pour les hauts fourneaux dans les batteries de
fours. En Europe, les besoins en oke sont supérieurs aux apaités de prodution, 'est
pourquoi desimports de oke provenant prinipalement de la Chine doivent être opérés.
LaChine,ave 50,7millionsdetonnesd'aierissuesdeseshautsfourneauxenjuillet2009,
représente désormaispresque 50%dela produtionmondiale [Les,2009 ℄.Ces produtions
et onsommations roissantes laissent envisager une baisse de l'exportation du oke an
de pouvoir alimenter ses propres hauts fourneaux. L'objetif des groupes sidérurgiques
européensestdond'aroîtreladuréedeviedesbatteriesde10anstoutenonservantun
tauxde produtionélevé,danslebut d'assurer àterme laprodutionde oke enEurope .
Lanéessitédeproduireunequantitéroissantedeokeonduitlesresponsablesdeo-
keriesàdiminuersaduréedeuisson,etdonàaugmenterlatempératuredesbatteriesainsi
quelenombrededéfournements,maiségalementàutiliserdesharbonsditsdangereux.
Lesbatteriesdefoursàoke,etprinipalementelles onçuesave desgrandsfours(supé-
rieurs à 6 m), peuvent alors sourir de hargements inadéquats, e qui les endommagent
très rapidement. Des opérations de maintenane et de réparation, très onéreuses, doivent
être alors opérées. L'objetif du projet européen Coke Oven Operating Limits (COOL),
danslequels'insrit ette thèse,est de onnaîtreles hargements limites aeptables pour
les fours à oke. Ce projet s'artiule autour d'une nouvelle approhe de modélisation des
parois de foursà oke (appelées piédroits), alimentée par des données expérimentalesex-
traites de diverses instrumentations thermiques et méaniques. Les modèles de piédroits
existants à e jour présentent tous de nombreuses simpliations, soit géométriques, soit
dehargements, soitdenonpriseenompte desjoints.Detelleshypothèsesnepermettent
pas de reproduire dèlement le omportement non-linéaire du piédroit. Pour répondre à
toutes esontraintes, un modèle 3Dprenant en ompte leomportement desjointsmais
aussilesdiversessolliitationsthermoméaniques aétédéveloppé.Cemodèle s'appuiesur
la géométrie du piédroit 305 de la batterie 3 de l'usine de Fos-sur-Mer appartenant au
groupe ArelorMittal.
La onnaissane dufontionnement d'uneokerie estl'une deslefspermettant l'iden-
tiationdessouresde dégradationde ette struturemaçonnée. Lepremier hapitre est
ainsionsaréàl'étudedufontionnement d'uneokerieet àl'analysebibliographique des
modèlesdepiédroits.Cettepartievolontairement desriptivemetenexerguelespointsim-
portantsàonsidérerpourmodélisernementunpiédroiteteiàquatreéhelles:l'éhelle
du four, l'éhelle du piédroit, l'éhelle de la panneresse et enn l'éhelle desmatériaux et
deleur interfae.
L'objetduseondhapitre intituléModélisationdesstruturesmaçonnéesonsiste
àrépondreauxproblèmes quiseposent àl'éhelle de lapanneresse et desmatériaux.Une
maçonnerie est un matériau omposite qui présente des propriétés d'anisotropie induites
par les joints qui agissent omme des plans de faiblesse. La représentation numérique de
sonomportementpeutseonentrersurlamiro-modélisationdesdiérentsomposants,
à savoir, des unités (briques, blos, et.) et du mortier ou sur la maro-modélisation de
la maçonnerie omme un matériau homogène. Une revue du hamp d'appliations de es
méthodes estbrièvement présentée danslapremière partie de e hapitre. Au ours de la
seondepartie,unmodèleàétatsdejointsestproposé.Cemodèles'appuiesurlestravaux
réentsdeNguyen[Nguyen etal., 2009℄dansleadredesmaçonneriesàjointssansmortier.
Le modèleest nalement validé par omparaison ave desessais extraitsde lalittérature.
L'étude réalisée sur des maçonneries simples est ensuite transposée au piédroit dans
le hapitre 3. Les phénomènes sedéployant à l'éhelle du piédroit et des fours sont alors
onsidérés.Lepiédroitestmodéliséen3Denintégrant leshargementsthermoméaniques
présentés dans le hapitre 1. Le modèle est alimenté par les résultats de l'instrumenta-
tion du piédroit 305 mais aussi par des essais méaniques et thermiques menés à ICAR
et au laboratoire Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation
(CEMHTI). Les premières simulations thermoméaniques réalisées à l'éhelle du piédroit
sont misesen parallèle ave lesdégradations observées lors d'inspetionsde foursà oke.
