Traitement thermique de grandes pièces forgées en four électrique
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À l’aide de simulations et d’essais à l’échelle réelle, nous avons étudié l’effet de divers schémas d’empilage pour obtenir plus d’uniformité thermique pendant le traitement de grandes pièces forgées dans un four électrique de grande taille. Nous avons créé un modèle 3D du four et effectué des mesures de température sur des blocs d’essai pour valider nos simulations. Ainsi, nous avons pu identifier des écarts thermiques sur les surfaces des blocs. Ces analyses nous ont amenés à proposer des ajustements qui pourraient réduire ces écarts de 24 % à 32 %. La validation à l’échelle industrielle de notre simulation à l’ÉTS nous a permis de démontrer les avantages de ces ajustements. Nous avons proposé des solutions pour une distribution thermique uniforme dans différents schémas d’empilage. Mots clés : four électrique ; schéma d’empilage ; uniformité thermique ; espaceur ; patin
Effet des schémas d’empilage dans les fours électriques
Les fours industriels à haute température, indispensables au traitement thermique de l’acier, consomment énormément d’énergie, et ce, dans les secteurs les plus énergivores. Optimiser leur utilisation énergétique permet non seulement de réduire leur impact sur l’environnement, mais aussi de diminuer les coûts de production. Les traitements thermiques comme la trempe et le revenu (quenching and tempering, Q&T) permettent d’atteindre des propriétés mécaniques supérieures nécessaires aux applications critiques, comme les arbres de turbine pour l’industrie des transports ou minière. Les propriétés mécaniques du produit (limite élastique et résistance à la rupture, dureté et résilience) dépendent fortement des paramètres du procédé de revenu, qui affectent directement les transformations métallurgiques des aciers. On a rapporté qu’une distribution thermique non uniforme peut causer des propriétés non uniformes des produits et, dans certains cas, le rejet de la pièce.
À l’heure actuelle, la plupart des fours de traitement thermique de l’industrie sidérurgique sont au gaz naturel, et des efforts considérables ont été consacrés à l’optimisation du procédé de trempe dans ces fours. Ces dernières années, les nouvelles réglementations sur la réduction des émissions mondiales de dioxyde de carbone et l’utilisation des combustibles fossiles ont engendrées des progrès importants dans le développement des fours électriques pour le traitement thermique de l’acier. Cependant, contrairement aux fours à gaz, il existe très peu de données sur les fours électriques, en particulier ceux de taille industrielle.
Par conséquent, la prévision et le contrôle précis de la répartition thermique et du transfert de chaleur aux produits dans les fours électriques visent à optimiser l’uniformité thermique et la circulation des fluides. L’optimisation devient encore plus complexe lorsque, en raison d’impératifs de production, de multiples schémas de chargement et configurations d’empilage doivent être considérés, car ils affectent grandement la distribution thermique autour des pièces.
Utilisation de la dynamique des fluides numérique
L’amélioration des pratiques actuelles, essentiellement empiriques, nécessite une analyse quantitative complète et systématique des interactions thermiques à l’intérieur du four. La complexité du champ thermique associé à la turbulence et au transfert de chaleur conjugué rendent nécessaires les outils d’analyse et de simulation numériques. En outre, les mesures expérimentales et l’acquisition de données sont très coûteuses et techniquement difficiles en raison des plages de température élevée, de la taille du four et du produit, de l’accès physique limité et des coûts élevés des instruments.
Récemment, la dynamique des fluides numérique (computational fluid dynamics, CFD), ou l’analyse simultanée de l’écoulement des fluides turbulents et du transfert de chaleur conjugué, a servi dans plusieurs études sur les analyses thermiques des fours industriels. Cependant, à ce jour, il y a peu d’informations sur l’influence des paramètres d’empilage des grandes pièces d’acier dans un four électrique. Alors que les recherches ont principalement porté sur les fours à gaz et les installations à échelle de laboratoire, des études récentes ont commencé à explorer l’application de la CFD à des fours électriques à échelle réelle.
Dans le domaine du traitement thermique industriel, un aspect important, mais encore peu exploré, concerne les schémas d’empilage dans les fours électriques. Les connaissances existantes dans ce domaine restent limitées, notamment en ce qui concerne l’effet des paramètres d’empilage, comme la taille des espaceurs et des patins, sur l’uniformité thermique des grandes pièces d’acier. Notre recherche comble cette lacune par une étude complète des schémas d’empilage et de leur influence complexe sur le procédé de traitement thermique.
Nous avons utilisé un modèle CFD 3D pour le four de traitement thermique (figure 1(a)). Les simulations numériques, comprenant les conditions initiales et limites, ont été méticuleusement détaillées au moyen de mesures expérimentales, et le partenaire industriel a fourni certaines des données associées. Nous avons validé les prévisions numériques à l’aide de mesures de température autour de grands blocs forgés de 29 tonnes métriques, instrumentés pendant le procédé de traitement thermique (figure 1(b)). Les résultats obtenus ont été analysés et interprétés en considérant les modes de transfert de chaleur conjugués et leurs interactions liées à la distribution de température des grands blocs par suite des modifications du modèle d’empilement.
Figure 1. a) Diagramme d’un domaine de calcul
Figure 1. b) Bloc forgé instrumenté à l’échelle réelle.
Effet des schémas d’empilement sur la distribution thermique
Nous avons fait une analyse numérique de l’effet du schéma d’empilage sur l’uniformité thermique des pièces en acier à haute résistance pendant le procédé de traitement thermique. Nous avons inclus les modes de transfert de chaleur par convection et par rayonnement dans un champ d’écoulement turbulent. Deux configurations différentes de pièces forgées empilées avec des blocs de différentes tailles ont été considérées (figure 2). Nous avons pu démontrer que l’utilisation d’espaceurs de différentes tailles pouvait affecter la distribution de la température à différents stades.
Figure 2. Contours de la distribution thermique à la section centrale des blocs, à t/tT = 0,1 (a) Config-1 et 2-S0 et (b) Config-1 et 2-S5.
La combinaison optimale entre l’espaceur et le patin (modèle B) a été déterminée pour chaque configuration. Les principales conclusions de l’étude sont résumées ci-dessous :
- Nous avons démontré que le modèle CFD 3D prédit L’évolution de la température avec une erreur moyenne maximale de 6,62 % par rapport aux mesures expérimentales.
- L’utilisation efficace d’espaceurs a permis de réduire les écarts dans la distribution thermique des blocs.
