Une forte agglomération de poussière (illustrée ici), des temps d’arrêt prolongés pour maintenance et une stagnation des bénéfices ont poussé une entreprise sidérurgique à rechercher une meilleure solution pour son four à oxygène de base (BOF). En raison des conditions dangereuses et des risques liés aux essais physiques, l’entreprise a fait appel à nos services de CFD afin d’optimiser cette application.
La sidérurgie : les principes de base
Dans le processus de fabrication de l’acier, un four à oxygène (BOF) transforme la fonte brute en acier. Ce processus comporte généralement plusieurs étapes, mais commence par l’introduction de ferraille et de fonte brute dans un haut fourneau. Ce processus génère d’importantes quantités de cendres, de suie et d’autres polluants, qui pénètrent ensuite dans la tour de refroidissement par évaporation du BOF via un conduit. Dans la tour de refroidissement par évaporation, le gaz entre par le sommet de la tour où il est rapidement et puissamment refroidi par une pulvérisation.
Les poussières polluées, entraînées par le gaz, retombent ensuite à la base de la tour où elles sont incinérées. Toutefois, si la disposition des lances de pulvérisation est défectueuse, comme c’était le cas chez ce client, un agglomérat important de poussière se forme. Cela signifie que le jet qui entre en collision avec le gaz entrant, mais qui ne s’évapore pas, adhère aux parois et accumule de la poussière, comme illustré ci-dessous. La zone rouge correspond à l’eau qui ne s’est pas évaporée et qui, collée aux parois, accumule de la poussière.
Si ce processus se poursuit sans interruption pour nettoyer la poussière des parois de la tour, le jet continue de s’accumuler sur la poussière collante et d’attirer de plus en plus de poussière. Finalement, l’entreprise est contrainte d’interrompre le processus pour effectuer des opérations de maintenance. Ce temps d’arrêt entraîne des problèmes de santé pour les travailleurs, une perte de bénéfices et des pratiques commerciales non durables.
Optimisation du procédé à l’aide de la CFD
Notre mission consistait à concevoir une disposition optimale des buses, de sorte que le jet rencontre le gaz à l’entrée de la tour et s’évapore complètement, permettant ainsi à la poussière de tomber au fond de la tour où elle serait incinérée de manière appropriée. Nous devions y parvenir en minimisant le mouillage des parois et en tenant compte de contraintes de temps et d’espace restreintes.
Dans ce processus, les configurations classiques de buses prévoient six injecteurs espacés de manière régulière le long de la paroi circulaire de la tour de refroidissement, juste à l’endroit où le gaz pénètre dans la tour. Plutôt que de suivre l’approche conventionnelle, qui causait manifestement de graves problèmes à notre client, nous avons cherché à répondre à des questions telles que : Comment devons-nous disposer les buses ? À quelle profondeur doivent-elles être insérées pour cette tour en particulier ? Existe-t-il un angle d’injection et de pulvérisation optimal ?
Pour y répondre, nous avons tout d’abord maillé l’ensemble de la tour, les conduits d’entrée et de sortie, ainsi que les lances à buses. Cela a permis à notre logiciel de CFD d’effectuer des calculs avancés de mécanique des fluides en des points finis de petite taille répartis sur l’ensemble de l’application. Nous avons ainsi pu évaluer à la fois ce qui se passait pendant le processus actuel et la configuration des buses qui permettrait d’optimiser le fonctionnement de la tour de refroidissement par évaporation.
Lorsque nous avons visualisé le panache de pulvérisation coloré en fonction des gradients de température, comme illustré ci-dessous, nous avons constaté que six lances à buses situées à intervalles rapprochés, directement en face de l’entrée de gaz, évaporaient efficacement le jet et empêchaient le mouillage des parois. De plus, cette disposition des buses a considérablement réduit l’agglomération de poussière dans toute la tour.
Retour sur investissement et amélioration continue
Grâce à ces résultats, cette entreprise a bénéficié d’une réduction des temps d’arrêt pour maintenance, d’un rendement accru et d’une sécurité renforcée pour ses employés. Dans des environnements comme celui-ci, où les essais physiques sont impossibles, nos services de CFD offrent une solution inégalée par les autres logiciels de modélisation.
Le four à oxygène de base n’est qu’un exemple parmi d’autres où la CFD s’est avérée utile pour ce client. Compte tenu des environnements dangereux de la plupart des aciéries, nous mettons en œuvre des solutions de tests et de CFD pour nos clients dans un large éventail d’applications sidérurgiques et tout au long du processus de fabrication de l’acier.
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