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AVERTISSEMENT Ce document est le fruit d'un long travail approuvé par le jury de soutenance et mis à disposition de l'ensemble de la communauté universitaire élargie. Il est soumis à la propriété intellectuelle de l'auteur. Ceci implique une obligation de citation et de référencement lors de l’utilisation de ce document. D'autre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction illicite encourt une poursuite pénale. Contact : ddoc-theses-contact@univ-lorraine.fr LIENS Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 122. 4 Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10 http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm 1 Modélisation systémique des filières sidérurgiques en vue de leur optimisation énergétique et environnementale THESE Soutenue publiquement le 19 Décembre 2014 Pour l’obtention du grade de Docteur de l’Université de Lorraine (Science des Matériaux et Métallurgie) Ecole Doctorale : Energie Mécanique et Matériaux par Khalid AFANGA Ingénieur Civil des Mines Composition du jury : Rapporteurs Mme. Michèle Pijolat (Professeur, Ecole des Mines de Saint-Etienne) M. Hervé Duval (Maître de Conférences, HDR, Ecole Centrale Paris) Examinateurs Mme. Sabine Denis (Professeur, Université de Lorraine) M. Eric Hess (Chef de département, ArcelorMittal Research) M. Fabrice Patisson (Professeur, Université de Lorraine) M. Olivier Mirgaux (Maître de Conférences, Université de Lorraine) 2 3 A ma mère Naïma ! 4 5 Remerciements Cette thèse a été effectuée au sein de l’équipe Procédés d’élaboration de l’Institut Jean Lamour à Nancy. Le travail n’aurait pas abouti sans le soutien précieux et permanent de plusieurs personnes que je tiens à remercier. Mes chaleureux remerciements vont à mes deux encadrants, Fabrice Patisson, professeur et directeur de thèse, Olivier Mirgaux, maître de conférences et co-directeur pour leur encadrement pendant cette thèse, leur patience, leur humanité, leurs précieuses aides et remarques de grandes utilités et la confiance qu’ils m’ont faite tout au long de mon séjour au laboratoire. Mes sincères remerciements vont à Mme Michèle Pijolat, professeur des universités, M. Hervé Duval, maître de conférences, Mme Sabine Denis, professeur des universités et M. Eric Hess, chef de département à ArcelorMittal pour leur aimable participation au jury de thèse. Je tiens à remercier très profondément, Denis Ablitzer, professeur des universités qui m’a été tout au long de mon séjour à Nancy (8 ans déjà !) d’une immense aide et non seulement un professeur mais aussi un mentor. Son humanité m’a beaucoup touché. Je voudrais également assurer mon amitié à l’ensemble du personnel de Laboratoire, les chercheurs, le corps administratif ainsi que les techniciens, bien que je ne fusse pas amené à travailler avec eux. Finalement, je voudrais évidemment remercier tous les doctorants et personnes que j’ai pu rencontrer pendant ma présence l’Institut et à Nancy en général. Naturellement, je dédie ce travail à ma famille qui a su me donner le soutien et la liberté pour poursuivre ma passion et être à mes côtés tout au long de cette formation. Grand Merci à tous ! 6 7 Table des Matières Introduction Générale ..................................................................................................... 11 L’aĐieƌ et soŶ iŵpoƌtaŶĐe .................................................................................................................. 13 Contexte économique ....................................................................................................................... 14 La production mondiale ................................................................................................................ 14 Pƌiǆ de la toŶŶe d’aĐieƌ .................................................................................................................. 15 Prix de la tonne de ferraille ........................................................................................................... 15 Perspectives....................................................................................................................................... 16 Les diffĠƌeŶts pƌoĐĠdĠs d’ĠlaďoƌatioŶ .............................................................................................. 16 Contexte environnemental ............................................................................................................... 17 OďjeĐtifs de l’Ġtude et plaŶ du ŵaŶusĐƌit ......................................................................................... 18 Partie A : Haut fourneau et Haut Fourneau à Recyclage ................................................... 21 I - Le haut fourneau conventionnel .................................................................................. 23 I -1 Introduction ................................................................................................................................. 23 I – 2 Description du haut fourneau ................................................................................................... 24 I – 3 Description physico-chimique du haut fourneau classique ...................................................... 25 La droite opératoire....................................................................................................................... 28 I – 4 Description de la démarche suivie ............................................................................................. 32 a) Le Modèle Mathématique du Haut Fourneau (MMHF) ........................................................ 32 b) Le logiciel ASPEN Plus ............................................................................................................ 35 I – 5 Le modèle ASPEN Plus du haut fourneau. ................................................................................. 36 a) Entrées – sorties du modèle .................................................................................................. 38 b) Principe général du calcul...................................................................................................... 39 I – 6 Validation du modèle ................................................................................................................ 39 a) Travaux antérieurs ................................................................................................................. 39 b) Nouvelle validation ................................................................................................................ 39 I – 7 Conclusion ................................................................................................................................. 43 II – Haut fourneau à recyclage ......................................................................................... 44 II – 1 Introduction .............................................................................................................................. 44 II – 2 Intérêt de la technologie du recyclage ..................................................................................... 45 II – 3 Campagnes au haut fourneau pilote de Lulea .......................................................................... 46 8 II – 4 Etude bibliographique du haut fourneau à recyclage .............................................................. 49 a) Travaux ULCOS ...................................................................................................................... 49 b) Etude de Nogami et al. (2005) ............................................................................................... 50 c) Etude de Wu et al. (2011) ...................................................................................................... 52 d) Etude Zhang et al. (2010) ...................................................................................................... 55 II – 5 Modélisation du haut fourneau à recyclage sous Aspen Plus .................................................. 56 a) Traitement et recyclage du gaz ............................................................................................. 56 b) FoŶĐtioŶŶeŵeŶt à l’oǆǇgğŶe puƌ .......................................................................................... 57 c) Hypothèses pour les simulations........................................................................................... 58 II – 6 Résultats et discussion .............................................................................................................. 60 a) Vérification préliminaire : influence du débit de gaz recyclé sur la mise au mille coke ....... 60 b) Simulations de validation ...................................................................................................... 61 c) Résultats : comparaison simulations et expériences ............................................................ 62 d) Tauǆ de ƌeĐǇĐlage et ƋuaŶtitĠ d’ageŶts ƌĠduĐteuƌs .............................................................. 64 e) Etudes théoriques ................................................................................................................. 67 III – Conclusions .............................................................................................................. 70 Partie B : Filière Sidérurgique Globale ............................................................................. 71 I – Introduction ............................................................................................................... 73 II – Les procédés composants la filière sidérurgique classique ......................................... 77 Introduction ................................................................................................................................... 77 II - 1 L’aggloŵĠƌatioŶ ........................................................................................................................ 78 a) Présentation .......................................................................................................................... 78 b) Phénomènes physiques ......................................................................................................... 79 c) DoŶŶĠes d’eŶtƌĠes-sorties .................................................................................................... 82 II – 2 La cokerie .................................................................................................................................. 84 a) Introduction ........................................................................................................................... 84 b) Modélisation .......................................................................................................................... 86 c) DoŶŶĠes d’eŶtƌĠes-sorties du modèle Cokerie ..................................................................... 87 II – 3 Le haut fourneau ...................................................................................................................... 87 II – 4 Le Convertisseur ....................................................................................................................... 88 a) Introduction ........................................................................................................................... 88 b) Modèle du convertisseur sous Aspen Plus ............................................................................ 90 c) DoŶŶĠes d’eŶtƌĠes-sorties du modèle du convertisseur ...................................................... 92 9 III – DĠŵaƌĐhe suivie pouƌ le dĠveloppeŵeŶt du ŵodğle gloďal de l’usiŶe sidĠƌuƌgiƋue intégrée classique ........................................................................................................... 93 III – 1 Introduction ............................................................................................................................. 93 III – 2 Méthode 1 : Utilisation de blocs hiérarchiques ....................................................................... 94 III – 3 Méthode 2 : UtilisatioŶ d’uŶ seul flowsheet ........................................................................... 95 IV – Etudes de cas ........................................................................................................... 96 Introduction ....................................................................................................................................... 96 IV – 1 Cas 1 : Filière classique ............................................................................................................ 96 IV – 2 Cas 2 : Filière avec haut fourneau à recyclage ........................................................................ 96 IV – 3 Cas 3 : Recyclage de sous-produits : Substitution de matières premières ............................. 96 IV – 4 Cas 4 : IŶflueŶĐe d’uŶ ĐoŵposaŶt ĐhiŵiƋue suƌ toute la filiğƌe : Fraction de Si dans la fonte sur le bilan thermique dans le HF et le convertisseur ....................................................................... 98 V – Résultats et discussion : filière globale ..................................................................... 100 V – 1 Cas 1 : filière sidérurgique classique ...................................................................................... 100 V – 2 Cas 2 : filière avec haut fourneau à recyclage ........................................................................ 103 Comparaison entre le cas 1 et cas 2 ............................................................................................ 105 V – 3 Cas 3 : filière sidérurgique avec substitution de matières premières .................................... 106 a) Comparaison entre filière classique et filière avec substitution de matières ..................... 109 b) Comparaison entre filières avec haut fourneau à recyclage avec et sans substitution de matières ....................................................................................................................................... 109 c) Comparaison entre filières classique et filière avec haut fourneau à recyclage avec substitution de matières ............................................................................................................. 110 V – 4 Cas 4: Influence de Si sur toute la filière. ............................................................................... 111 a) Filière classique ................................................................................................................... 111 Comparaison entre les trois cas pour une filière classique ......................................................... 115 b) Filière avec haut fourneau à recyclage ................................................................................ 116 Comparaison entre les trois cas pour une filière avec un haut fourneau à recyclage ................ 116 c) DisĐussioŶ suƌ l’iŶflueŶĐe du SiliĐiuŵ .................................................................................. 120 VI – Conclusion .............................................................................................................. 121 Conclusions et Perspectives ........................................................................................... 123 Conclusions ...................................................................................................................................... 125 Perspectives..................................................................................................................................... 127 Références ..................................................................................................................... 129 10 ANNEXES ....................................................................................................................... 137 ANNEXE I .......................................................................................................................................... 139 ANNEXE II ......................................................................................................................................... 141 Liste des Figures ............................................................................................................. 145 Liste des Tableaux .......................................................................................................... 148 11 Introduction Générale Introduction Ge ne rale 12 13 L’acier et son importance L’acier a occupé depuis la nuit des temps, et occupe encore, une place de plus en plus importante dans l’activité humaine. Son utilisation est témoin de l’évolution de l’Homme. Il est omniprésent, on le trouve dans tous les domaines économiques, médicaux, artistiques, etc. et est considéré comme un moyen pour mesurer le niveau d’avancement de pays ou de civilisations. Sa présence est indispensable pour de nombreuses utilisations qui vont de la construction de bâtiments, la fabrication de voitures, et celle des appareils électroménagers, des montres, des instruments médicaux ou encore des armes (figure 1). Il jouit également d’un statut de matière stratégique et la course à cette matière conduit parfois à des conflits surtout pour l’approvisionnement en minerai de fer, matière première essentielle à l’élaboration de l’acier avec le coke. L’acier est un alliage métallique constitué de plusieurs éléments chimiques principalement le fer Fe, le carbone C (dont la fraction massique ne dépassant pas les 2%), le soufre S, la silice Si, le phosphore P et bien d’autres éléments. Les principales matières premières à son élaboration sont le minerai de fer, le coke et le charbon pour des besoins énergétiques, du moins pour l’élaboration d’acier dit de première fusion, c’est-à-dire fabriqué à partir de minerai. Mais, notamment uploads/Litterature/ these-siderurgie-acier.pdf