Récupération de l'énergie des solides massifs : cas d'acier de la coulée continue

Energy recovery from solids-case of steel slab after the continuous casting

• Auteur / Autrice : Haytham Sayah
• Direction : Denis Clodic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique
• Date : Soutenance le 05/10/2012
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre énergétique et procédés (Paris ; Fontainebleau, Seine et Marne ; Sophia-Antipolis, Alpes Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Plourde
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Clodic, Maroun Nemer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abderrahmane Bairi, Michel Feidt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert radiatif

Transfert de chaleur

Exergie

Économies d'énergie

Industries métallurgiques

Métallurgie

Acier

Mots clés libres

Récupération d'énergie

Échangeur de conduction

Résistance de contact

Energy recovery

Conduction Heat exchanger

Thermal contact resistance

Résumé

La production d'acier fait partie des productions mondiales les plus consommatrices d'énergie. L'état de l'art montre que les brames, après la coulée continue, sont refroidies à l'air libre de 900 °C à la température ambiante. Durant ce processus 540 MJ/tonne d'acier sont perdues. Cette thèse a permis de définir une méthode et un équipement aptes à extraire de l'énergie à haute valeur exergétique lors du refroidissement.Deux voies de récupérations sont présentées. La première voie est via un cycle thermodynamique direct. Le cycle choisi pour cette voie est le cycle de Hirn avec resurchauffe ayant un rendement global de 30 % produisant 10 MW de puissance électrique. La deuxième voie est via un système indirect utilisant le SYLTHERM 800 comme fluide caloporteur entre la brame et un cycle ORC, fonctionnant avec du R-245fa et avec un rendement globale de 17,6 %. Dans les deux configurations, les transferts thermiques choisis sont la conduction et le rayonnementUn banc d'essais, dimensionné utilisant la technique de similitude, a permis d'étudier les transferts thermiques intervenant dans l'équipement de récupération. La variation de la résistance de contact à l'interface brame-sole est étudiée en fonction de la température ainsi que le comportement thermique de l'échangeur de conduction. L'étude thermodynamique ainsi que l'étude thermique ont permis d'effectuer un pré-dimensionnement de l'équipement de récupération pour les deux configurations étudiées.Un modèle numérique utilisant la méthode des réseaux de composants est élaboré. Ce modèle est capable de reproduire les mêmes phénomènes physiques que ceux intervenant dans l'équipement de récupération

Steel production industry is one of the most energy consuming sectors. The state-of-the-art indicates that steel slabs leaving the continuous casting process are cooled without energy recovery by radiating to the atmosphere and convection. Not only a large amount of energy is wasted but this type of cooling is time consuming. During the cooling process of steel slabs from an initial temperature of approximately 900°C to outdoor air temperature, 580 MJ per ton of steel are wasted. This study has defined a method and an equipment capable of extracting the energy at high exergy value during cooling.The energy could be recovered using two different systems. The first is a direct thermodynamic generation cycle. The selected direct cycle is the Hirn cycle with intermediate reheating having an overall efficiency of 30 % and producing about 10 MW electric power. The second is an indirect system using SYLTHERM 800 as an intermediate heat transfer fluid between the metal slabs and an organic Rankine cycle using R-245fa as a working fluid with 17.6 % efficiency and producing about 6 MW. In both systems the dominant heat transfers to recover heat are conduction for the floor heat exchanger and radiation for the ceiling heat exchanger.A test bench was mounted, using a similitude technique, to study heat transfers. The variation of the thermal contact resistance as a function of the contact temperature is studied as well as the thermal behaviour of the conduction heat exchanger. The thermodynamic and the thermal studies led to a preliminary design of the recovery equipment.A numerical model is developed using the component interaction network. This model can reproduce the same physical phenomena taking place in the recovery equipment.