Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Le recyclage de l'aluminium a de multiples effets positifs sur l'économie et l'environnement. Il aide à conserver les ressources, réduire les dépenses d'énergie de 95% et le coût de l'aluminium. Aujourd'hui, le recyclage est une composante majeure de l'industrie de raluminium. Les canettes de boisson constituent la catégorie de recyclables la plus importante en quantité et en qualité. En général, on effectue la refonte des canettes dans les fours à puits latéral.

L'industrie du recyclage croît très rapidement, et pour demeurer compétitive, elle doit optimiser son efficacité en diminuant les coûts d'énergie et maximisant la productivité. Dans cette optique, un projet a été entrepris pour le développement des modèles du four à puits latéral. À l'aide de ces modèles, on peut améliorer et optimiser le design et l'opération de ces fours. L'objectif du projet est de développer des outils pour les travaux d'amélioration et d'optimisation requis des fours à puits latéral :

Un modèle mathématique général en 3D pour des études détaillées comme la meilleure géométrie du four, et la meilleure position de la pompe et de l'hélice pour optimiser la fusion et la circulation du métal,

Un modèle mathématique dynamique simplifié pour des études de contrôle et d'opération.

Le four est composé de deux parties : un puits latéral dans lequel les copeaux de canettes déchiquetées sont alimentés et une chambre principale dans laquelle la chaleur est introduite. Des arches d'entrée et de sortie assurent la circulation du métal entre ces deux parties à travers le mur de séparation. Dans le puits latéral, on installe une hélice pour submerger les copeaux, à laquelle on adjoint un muret pour favoriser la circulation du métal chaud. Certaines usines ajoutent une pompe à injection de métal dans la chambre principale pour obtenir un meilleur brassage dans le bain de métal liquide.

La performance d'un four de refonte peut être caractérisée par le rendement énergétique et le taux de refonte. Ces paramètres dépendent du transfert effectif de la chaleur entre la chambre de combustion où elle est générée et les points d'utilisation. La chaleur est requise pour maintenir le métal liquide à une certaine température et pour fondre les copeaux introduits dans le puits latéral et le métal solide admis dans la chambre principale.

Le projet consiste en quatre parties. La première partie est le développement d'un modèle en 3D pour le calcul de l'écoulement isotherme dans le bain de métal. On solutionne les équations différentielles de la continuité, de la quantité de mouvement en trois directions, et de la turbulence en utilisant le logiciel CFX. Un grand nombre de simulations ont été effectuées pour étudier l'effet des paramètres sur l'écoulement. À partir des résultats, on a optimisé les positions de l'hélice et de la pompe, la longueur et le type du muret, les grandeurs des arches, la largeur du puits, et la géométrie de la chambre principale pour obtenir la meilleure circulation du métal liquide dans le bain.

La deuxième partie est la modélisation de la chambre de combustion. Un modèle à une zone de gaz est développé pour calculer le transfert de chaleur au métal (aussi aux réfractaires) par rayonnement et par convection. Ce modèle ne donne pas tous les détails concernant les distributions de la température et de la densité de flux de chaleur, mais il est simple et il tient compte de tous les phénomènes importants. De plus, le temps de calcul est très court. Une étude paramétrique a été déjà effectuée pour déterminer les effets des différents facteurs sur le transfert de chaleur au métal. Les résultats montrent qu'on peut améliorer le transfert de chaleur au métal en augmentant le débit du carburant et la température de l'air de combustion. Le débit du carburant a un impact significatif, mais le rendement du four diminue avec une augmentation du débit. La température de l'air de combustion est le paramètre le plus important et le plus facile à ajuster. Le préchauffage de l'air augmente le transfert de chaleur ainsi que le rendement du four. Aussi, il est important de mélanger le bain de métal pour maintenir la température de la surface la plus basse possible pour que le transfert de chaleur au métal soit favorisé.

La troisième partie est la modélisation globale du four en 3D. Étant donné le caractère transitoire du procédé, le transfert de chaleur dans le métal liquide est aussi incorporé dans lé modèle du bain de métal, et il est couplé avec le modèle de la chambre de combustion. Pour optimiser le temps de calcul, le champ de vitesse est déterminé en régime établi, et ce champ de vitesse est utilisé pour solutionner l'enthalpie en régime transitoire. Les résultats montrent que l'écoulement forcé est le facteur le plus important. Le gradient de température diminue avec la circulation du métal à travers les arches et le brassage dans la chambre principale. On voit que le gradient moyen de la température dans la chambre principale diminue de 50% (d'environ 80°C à 40°C) en ajoutant un muret et de 80-90% (d'environ 80°C à 10°C) avec un muret et une pompe.

La quatrième partie est le développement du modèle dynamique du four pour améliorer le contrôle du procédé. Le four à puits latéral est un système très dynamique et tout varie en fonction du temps. Pour étudier l'aspect d'opération, il faut un modèle dynamique. La modélisation est faite de façon modulaire en deux parties représentant le métal et la chambre de combustion. Les deux parties sont construites séparément puis sont couplées ensemble afin d'obtenir un outil intégré. L'interface pour le couplage est la surface du bain de métal. C'est un modèle simplifié, mais il tient compte de tous les phénomènes et tous les événements du procédé. Ce modèle sert comme un four virtuel. Un émulateur de contrôle est ajouté et un simulateur pour fours à puits latéral est ainsi obtenu. Le simulateur qui est utilisé à partir d'une interface-usager est transféré à l'industrie pour des applications. Plusieurs études ont été déjà effectuées en utilisant ce simulateur. On a étudié les effets des positions des thermocouples d'opération (contrôle), de la température maximale des réfractaires permise, des préchauffages des métaux alimentés et de l'air de combustion sur la performance du four. Les améliorations ont été apportées au procédé à partir des résultats obtenus.

Tous les modèles sont validés en utilisant les données expérimentales disponibles du laboratoire et des usines. Tous les résultats du modèle mathématique sont confirmés par les observations en usine.