Modélisation dynamique et supervision des fours de réchauffage continus de la siderurgie

Dynamic modeling and supervision continious steel reheating furnage

• Auteur / Autrice : Diala Abdo
• Direction : Denis Clodic
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Énergétique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Paris, ENMP

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fours métallurgiques

Sidérurgie

Mots clés libres

Transferts thermiques

Représentation nodale

Résumé

Ce travail porte sur la modélisation dynamique des fours de réchauffage en continu de la sidérurgie en développant une logique de supervision en ligne. Le premier axe présente l'élaboration d'un modèle dynamique global d’un four de réchauffage où seules l’équation de l’énergie et l’équation de continuité sont appliquées en utilisant et perfectionnant le logiciel Thermette du Centre Energétique et Procédés (CEP). Le modèle est applicable à tous les types de fours grâce à l’interface de l’outil SAFIR-4D développé pour la société Stein-Heurtey. A l'aide de cette interface, un four quelconque est décrit et le modèle dynamique est généré automatiquement après avoir calculé les facteurs de transferts radiatifs du four étudié. Les facteurs de transferts sont calculés par la méthode « Damier », méthode de calcul rapide des facteurs de transferts radiatifs développée dans cette thèse, couplée au logiciel MODRAY du CEP. La validation numérique de la méthode « Damier » est effectuée afin d'en démontrer son exactitude avec ce qu’elle apporte comme gain considérable en temps de calcul. La validation expérimentale, basée sur une brame instrumentée circulant dans un four, montre la cohérence du modèle dynamique global mis en place et couplé aux facteurs de transferts radiatifs issus de la méthode « Damier ». Les résultats obtenus de températures, de débits de produits et de bilan thermique sont en bon accord avec les mesures. Le second grand axe de ce travail porte sur la supervision en ligne d’un four de réchauffage. Le modèle dynamique développé dans la première partie sert d'analogue de four réel et donc de fournisseur de données pour le fonctionnement en ligne du four. Le travail de supervision est une combinaison d’algorithmes de prévision et d’optimisation. La prévision rapide et en ligne des températures des brames permet d’obtenir les données nécessaires à l’optimisation dont la fonction est de mettre à jour les consignes du four afin de vérifier le critère technico-économique de production. La supervision est ensuite validée en comparant les résultats des tests menés à ceux obtenus lors d’une supervision classique où les consignes des zones ont des valeurs constantes. Les résultats sont satisfaisants du point de vue consommation énergétique et critère de températures sur les différentes brames.

The work consists of dynamic modeling of continuous steel reheating furnaces and of the development of an on-line control logic. The first part presents the elaboration of a global dynamic model of a reheating furnace where only the energy equation and the continuity equation are applied through the use and the improvement of Thermette a software developed by the Centre for Energy and Processes (CEP). The model is valid for all types of furnaces thanks to the interface of SAFIR-4D a computational tool developed for Stein-Heurtey. Using this interface, the description of any furnace generates automatically the dynamic model after calculation of the radiative transfer factors of the said furnace. Transfer factors are calculated by the « Check » method, which allows fast calculation of radiative transfer factors developed in this thesis, coupled to MODRAY a software of the CEP. The numerical validation of the « Check » method allows to demonstrate its precision and its advantages in terms of significant savings of calculation time. The experimental validation, based on one instrumented slab circulating in a furnace, shows the consistency of the global dynamic model coupled to the radiative transfer factors obtained by the « Check » method. The calculated temperatures, mass flow rates of products and the thermal balance are in good agreement with measurements. The second part of the work covers the on-line supervision of a reheating furnace. The dynamic model developed in the first part is used as an analog of a real furnace and so provides data for the on-line operation of the furnace. The control development combines prevision and optimization algorithms. The fast and on-online prevision of the slab temperatures allows to obtain data necessary to the optimization, which function is to update the data sets of the furnace in order to verify the technical-economical criterion of production. The control is then validated by comparison between the results of tests and those obtained by a classical control with constant data sets. Results in terms of energy consumption and temperature criteria on various slabs are satisfactory.