Modélisation thermomécanique d'un creuset de haut fourneau

par Jérôme Brulin

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Alain Gasser.

Le président du jury était Christian Geindreau.

Le jury était composé de Alain Gasser, Christian Geindreau, Djimédo Kondo, Nicolas Schmitt, Amna Rekik, Frédéric Roulet, Aron Gabor.

Les rapporteurs étaient Djimédo Kondo, Nicolas Schmitt.


  • Résumé

    Le creuset est une structure majoritairement composée de matériaux réfractaires destinés à supporter de fortes sollicitations thermomécaniques, dues au contact direct de ses parois internes avec la fonte à 1500°C. L’objectif de cette thèse est de développer un modèle thermomécanique de creuset capable de localiser les zones sensibles de la structure et d’estimer les contraintes. Des blocs de carbone, des structures maçonnées (briques avec mortier) et un pisé carboné sont les principaux constituants du creuset. Afin d’identifier leur comportement, des essais de caractérisation ont été développés pour des températures atteignant les 1500°C. Un modèle de type Cam-Clay modifié est proposé pour modéliser le comportement compactant du pisé. L’influence de la température et des fortes pressions est prise en compte. Une bonne corrélation est obtenue entre les résultats expérimentaux et numériques. Les structures maçonnées, en contact direct avec la fonte, sont fortement sollicitées, ce qui peut conduire à l’ouverture des joints de mortier. La modélisation proposée pour ces structures est basée sur une approche micro-macro où les briques et le mortier sont remplacés par un matériau homogène équivalent, et ce pour différents états d’ouverture de joints. La non-linéarité du comportement est reproduite grâce à un critère d’ouverture en contrainte, qui permet le passage d’un état à un autre. Les propriétés homogénéisées sont obtenues par homogénéisation périodique en s’appuyant sur une approche énergétique. La modélisation d’un essai de la littérature permet la validation du modèle. La modélisation finale du creuset est confrontée aux résultats de l’instrumentation d’un creuset. Une bonne concordance entre ces résultats est obtenue.

  • Titre traduit

    Thermomechanical modelling of a blast furnace hearth


  • Résumé

    The blast furnace hearth is mainly composed of refractory materials to support strong thermo-mechanical loads. Indeed, there is a direct contact between its internal walls and the molten pig iron at 1500°C. The objective of this thesis is to develop a thermo-mechanical model able to locate the sensitive areas and to estimate the stress fields. Carbon blocks, masonries (bricks and mortars) and a carbon ramming mix are the main constituents of the hearth. In order to identify their behaviours, characterization tests have been developed for temperatures up to 1500°C. A modified Cam-Clay model is proposed in order to reproduce the hardening behaviour of the ramming mix. The influences of temperature and pressure are taken into account. Experimental and numerical results are in good agreement. Masonries, submitted to high temperature gradients are highly stressed, which can lead to the opening of the mortar joints. The proposed masonry modelling is based on a micro-macro approach where bricks and mortars are replaced by an equivalent homogenous material for different joint states. The non-linearity of the behaviour is reproduced thanks to a stress criterion, allowing the transition from one state to another. Homogenized properties are obtained by periodic homogenization with an energetic approach. The modeling of a shear test available in the literature allows the validation of this model. The final modelling of a hearth is compared with in-situ instrumentation results. A good agreement is reached between these results.


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