DOI: 10.1522/030109345
OCLC: 781773786
Le recyclage de l'aluminium a de multiples effets positifs sur l'économie et l'environnement. Il aide à conserver les ressources, réduire les dépenses d'énergie de 95% et le coût de l'aluminium. Aujourd'hui, le recyclage est une composante majeure de l'industrie de raluminium. Les canettes de boisson constituent la catégorie de recyclables la plus importante en quantité et en qualité. En général, on effectue la refonte des canettes dans les fours à puits latéral.
L'industrie du recyclage croît très rapidement, et pour demeurer compétitive, elle doit optimiser son efficacité en diminuant les coûts d'énergie et maximisant la productivité. Dans cette optique, un projet a été entrepris pour le développement des modèles du four à puits latéral. À l'aide de ces modèles, on peut améliorer et optimiser le design et l'opération de ces fours. L'objectif du projet est de développer des outils pour les travaux d'amélioration et d'optimisation requis des fours à puits latéral :
Le four est composé de deux parties : un puits latéral dans lequel les copeaux de canettes déchiquetées sont alimentés et une chambre principale dans laquelle la chaleur est introduite. Des arches d'entrée et de sortie assurent la circulation du métal entre ces deux parties à travers le mur de séparation. Dans le puits latéral, on installe une hélice pour submerger les copeaux, à laquelle on adjoint un muret pour favoriser la circulation du métal chaud. Certaines usines ajoutent une pompe à injection de métal dans la chambre principale pour obtenir un meilleur brassage dans le bain de métal liquide.
La performance d'un four de refonte peut être caractérisée par le rendement énergétique et le taux de refonte. Ces paramètres dépendent du transfert effectif de la chaleur entre la chambre de combustion où elle est générée et les points d'utilisation. La chaleur est requise pour maintenir le métal liquide à une certaine température et pour fondre les copeaux introduits dans le puits latéral et le métal solide admis dans la chambre principale.
Le projet consiste en quatre parties. La première partie est le développement d'un modèle en 3D pour le calcul de l'écoulement isotherme dans le bain de métal. On solutionne les équations différentielles de la continuité, de la quantité de mouvement en trois directions, et de la turbulence en utilisant le logiciel CFX. Un grand nombre de simulations ont été effectuées pour étudier l'effet des paramètres sur l'écoulement. À partir des résultats, on a optimisé les positions de l'hélice et de la pompe, la longueur et le type du muret, les grandeurs des arches, la largeur du puits, et la géométrie de la chambre principale pour obtenir la meilleure circulation du métal liquide dans le bain.
La deuxième partie est la modélisation de la chambre de combustion. Un modèle à une zone de gaz est développé pour calculer le transfert de chaleur au métal (aussi aux réfractaires) par rayonnement et par convection. Ce modèle ne donne pas tous les détails concernant les distributions de la température et de la densité de flux de chaleur, mais il est simple et il tient compte de tous les phénomènes importants. De plus, le temps de calcul est très court. Une étude paramétrique a été déjà effectuée pour déterminer les effets des différents facteurs sur le transfert de chaleur au métal. Les résultats montrent qu'on peut améliorer le transfert de chaleur au métal en augmentant le débit du carburant et la température de l'air de combustion. Le débit du carburant a un impact significatif, mais le rendement du four diminue avec une augmentation du débit. La température de l'air de combustion est le paramètre le plus important et le plus facile à ajuster. Le préchauffage de l'air augmente le transfert de chaleur ainsi que le rendement du four. Aussi, il est important de mélanger le bain de métal pour maintenir la température de la surface la plus basse possible pour que le transfert de chaleur au métal soit favorisé.
La troisième partie est la modélisation globale du four en 3D. Étant donné le caractère transitoire du procédé, le transfert de chaleur dans le métal liquide est aussi incorporé dans lé modèle du bain de métal, et il est couplé avec le modèle de la chambre de combustion. Pour optimiser le temps de calcul, le champ de vitesse est déterminé en régime établi, et ce champ de vitesse est utilisé pour solutionner l'enthalpie en régime transitoire. Les résultats montrent que l'écoulement forcé est le facteur le plus important. Le gradient de température diminue avec la circulation du métal à travers les arches et le brassage dans la chambre principale. On voit que le gradient moyen de la température dans la chambre principale diminue de 50% (d'environ 80°C à 40°C) en ajoutant un muret et de 80-90% (d'environ 80°C à 10°C) avec un muret et une pompe.
La quatrième partie est le développement du modèle dynamique du four pour améliorer le contrôle du procédé. Le four à puits latéral est un système très dynamique et tout varie en fonction du temps. Pour étudier l'aspect d'opération, il faut un modèle dynamique. La modélisation est faite de façon modulaire en deux parties représentant le métal et la chambre de combustion. Les deux parties sont construites séparément puis sont couplées ensemble afin d'obtenir un outil intégré. L'interface pour le couplage est la surface du bain de métal. C'est un modèle simplifié, mais il tient compte de tous les phénomènes et tous les événements du procédé. Ce modèle sert comme un four virtuel. Un émulateur de contrôle est ajouté et un simulateur pour fours à puits latéral est ainsi obtenu. Le simulateur qui est utilisé à partir d'une interface-usager est transféré à l'industrie pour des applications. Plusieurs études ont été déjà effectuées en utilisant ce simulateur. On a étudié les effets des positions des thermocouples d'opération (contrôle), de la température maximale des réfractaires permise, des préchauffages des métaux alimentés et de l'air de combustion sur la performance du four. Les améliorations ont été apportées au procédé à partir des résultats obtenus.
Tous les modèles sont validés en utilisant les données expérimentales disponibles du laboratoire et des usines. Tous les résultats du modèle mathématique sont confirmés par les observations en usine.
Aluminum recycling has many positive effects on economy and environment. It helps conserve the natural resources, decrease the energy consumption by 95%, and reduces the cost of aluminum. Today, recycling is a major component of the aluminum industry. The beverage cans constitute the most important category of recycled material in quantity and quality. In general, the shredded cans are melted in sidewell furnaces.
Recycling industry is growing very rapidly. To remain competitive, the industry has to optimize its performance by lowering the energy costs and maximizing the productivity. For this reason, a project has been undertaken for the development of models for sidewell furnaces. Using these models, the parameters affecting the operation and design of these furnaces can be studied. Thus, the objective of the current project is to develop tools that could be used to improve and optimize the sidewell furnaces. These tools are:
The furnace consists of two parts: a side well where the decoated and shredded chips of cans are fed and a main hearth where the heat is provided for the system. The inlet and outlet arches provide the metal circulation between these two sections. In the side well, an impeller is installed for quick submergence of shreds. A baffle is located next to the impeller to increase the metal circulation. In some plants, a jet pump is also installed in the main hearth to provide good mixing in the liquid metal.
The performance of a melting furnace can be characterized by energy efficiency and melt rate. These parameters depend strongly on the effective transfer of heat from the combustion chamber where it is generated to the point of utilization. The heat is required to maintain the liquid metal at a certain temperature as well as to melt the shred fed to the side well and the solid metal charged to the main hearth.
The project consists of four parts. The first part is the development of a 3D model to calculate the isothermal flow field in the liquid metal. The partial differential equations of continuity, momentum in three directions, and the turbulence are solved using the commercial code CFX. A large number of simulations were carried out to study the effects of different parameters on metal flow. Based on the results, the pump and impeller positions, the type and length of the baffle, the arch dimensions, the width of the side well, and the dimensions of the main hearth were optimized so as to provide an improved circulation in the liquid metal.
The second part is the modelling of the combustion chamber. A one-gas-zone model was developed to calculate the heat transfer to metal surface (as well as to refractories) by radiation and convection. This model does not give detailed temperature and heat flux distributions; however, it is simple and accounts for all the important phenomena in the combustion chamber. Also, the computation time is very short. A parametric study has already been carried out to determine the effects of different factors on the heat transfer to metal. The results show that the heat transfer to metal surface can be improved by increasing the fuel flow rate or the combustion air temperature. The fuel flow rate has a significant impact, but the furnace efficiency decreases with increasing fuel flow rate. The preheating of the combustion air, however, increases the heat transfer as well as the furnace efficiency. It is also important to provide appropriate mixing in the metal bath to maintain as low a surface temperature as possible to improve the heat transfer to metal.
The third part is the global modelling of the furnace in 3D. Due to the dynamic character of the process, transient heat transfer in the liquid metal is also incorporated into the metal bath model of the first part. Then the model is coupled with the combustion chamber model of the second part. In order to run the model in a reasonable time, the isothermal flow field calculated in the first part is imposed and only the transient enthalpy equation is solved in the metal bath. The results indicate that the forced convection is a very important factor. The temperature gradient decreases with increasing flow through the arches and circulation in the main hearth. The average gradient is reduced by 50 % (from about 80°C to 40°C) by adding the baffle, and by 80-90% (from about 80°C to 10°C) with the addition of a baffle and a pump.
The fourth part of the project is the development of a dynamic model to improve the control and the process itself. The sidewell furnace is a highly dynamic system, and everything varies with time. To study the actual operation, a dynamic model is necessary. The model is constructed based on a modular structure in two parts: one for the metal and one for the combustion chamber. The two parts are built separately and then coupled resulting in the global model. The interface between the models is located on the metal surface. It is a simplified model, but it accounts for all the important phenomena and all the events taking place in the furnace. This model serves as a virtual furnace. A control emulator is added, and a simulator for the sidewell furnaces is thus created. A user-interface is also constructed to facilitate the use of the simulator, and it is transferred to industry for different applications. Many studies have already been carried out. The effects on the furnace performance have been studied for the thermocouple position, maximum allowable refractory temperature, preheating of the metal charged and the combustion air. The improvements obtained from the results of these studies have been, or are being, implemented in the plants.
All the models have been validated using the experimental data from the laboratory and the plants. All the model predictions have been confirmed by plant observations or data.