Afin de répondre aux besoins du marché de l’acier, le procédé de cokéfaction du charbon doit s’adapter. Cependant, changer les paramètres de cokéfaction du charbon, tels que la température du four, le temps de cuisson ou la composition de la pâte à coke enfournée, peut générer un endommagement prématuré de la maçonnerie des fours. En effet, la transformation du charbon en coke s’accompagne d’une poussée sur les parois du four fortement dépendantes d’un grand nombre de paramètres. Afin d’anticiper ce problème, un projet européen nommé « Swelling PRessure In a coke oven, Transmission on oven walls and COnsequences on wall » a été mis en place. Cette thèse s’inscrit dans ce programme et vise à déterminer la poussée maximale pouvant être admise par un piédroit de cokerie lors de la pyrolyse du charbon. Pour modéliser ces structures composées de plusieurs centaines de milliers de briques, le point de vue macroscopique est le plus approprié. La maçonnerie est remplacée par un matériau homogène équivalent dont le comportement varie en fonction de l’état d’endommagement de la maçonnerie, ramené localement à un état d’ouverture des joints de mortier. Afin de détecter ces ouvertures, un critère de type Mohr-Coulomb en contraintes est utilisé. Il repose sur la comparaison des limites à rupture d’un sandwich brique-Mortier déterminé expérimentalement à haute température avec les contraintes mésoscopiques issues de la simulation. Un protocole expérimental novateur a été développé pour caractériser la tenue en traction du sandwich brique / mortier / brique jusqu’à 1000°C. Les limites à rupture issues de cet essai de traction directe ont été comparées à celles obtenues par des essais de fendage réalisés à l’université de Leoben. Les résultats sont concordants et confirment l’importance de l’état de surface avant maçonnage. Selon l’état d’endommagement considéré, les contraintes mésoscopiques sont obtenues grâce à un tenseur de localisation ou grâce à une sous-Structuration. Cette étape de sous-Structuration consiste à simuler localement une cellule à l’échelle mésoscopique en lui appliquant le champ de déplacement macroscopique obtenu grâce à la simulation. L’outil numérique a été validé par confrontation avec un cas test de référence. Pour finir, l’outil numérique développé a été utilisé pour caractériser l’influence de différents paramètres tels que la prise en compte de la thermique, la mise en compression de la structure…. Enfin, la simulation de cuissons sur des piédroits complets (sains ou initialement endommagés) a été réalisée. L’importance de l’endommagement initial est clairement soulignée par les résultats. Enfin, un nouveau modèle, appelé « deux carneaux avec poutres», est proposé pour réduire le coût de calcul. Plus complet que le modèle « deux carneaux » utilisé au CPM, il donne accès à de très bons résultats pour un coût nettement moindre que celui du piédroit complet avec homogénéisation et sous-Structuration. / To face coke and steel market requirements, the coking process has to be more flexible. Changing process parameters such as coking temperature, blend composition and cooking time can damaged coke oven battery heating wall. Indeed, the coking process generates a swelling pressure on wall which depends on a lot of parameters. To study this point, a European project named « Swelling PRessure In a coke oven, Transmission on oven walls and COnsequences on wall » has been set up. This work is a part of it and aims to determine the admissible pushing pressure for the coke oven heating walls to prevent crack formation. To model large masonries composed of numerous bricks, a mesoscopic point of view is more appropriate. Bricks and mortar are replaced by a Homogeneous Equivalent Material (HEM) whose behaviour depends on the joint state. In order to represent joint opening mechanism, a Mohr-Coulomb criterion in stress is used. This criterion compares the level of stress to the ultimate tensile or shear stress at mesoscopic scale. Ultimate stresses are obtained thanks to an experimental campaign using a new protocol developed at PRISME Laboratory. The brick-Mortar behaviour is experimentally characterised at high temperature (20°C to 1000°C). To validate the tensile test developed, a second experimental campaign using “wedge splitting tests” has been done at Leoben University. Results are similar and confirm the importance of the brick surface state. Depending on the initial damage of the structures, mesoscopic stresses are obtained by localization tensor or by sub-Modelling. The sub-Modelling step aims to simulate a local part of the masonry at the mesoscopic scale. This step aims to simulate with a mesoscopic point of view a local part of the global model. This numerical tool has been validated thanks to a literature test. Finally, the numerical tool has been used to characterise the influence of some parameters (thermal, force due to the cross tie rod,..). Next, the simulation of the whole coke oven heating wall has been performed (undamaged or initially damaged masonry). These FE simulations show the influence of initial damage on the final masonry damage. Finally, a two flues model with beams is proposed to take into account compression due to cross tie rod and to limit computational cost. It permits to obtain better results than the existing two flues model used at CPM with a lower cost compared to the whole coke oven heating wall model.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:theses.fr/2014ORLE2032 |
| Date | 30 September 2014 |
| Creators | Gallienne, Nicolas |
| Contributors | Orléans, Gasser, Alain |
| Source Sets | Dépôt national des thèses électroniques françaises |
| Language | French |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation, Text |
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