Optimization of furnace residence time and ingots positioning during the heat treatment process of large size forged ingots

Résumé

Les pièces forgées de grande taille sont communément utilisées dans les industries de l’énergie et du transport (arbres de turbines, trains d’atterrissage, etc.). Ces pièces acquièrent leurs propriétés mécaniques supérieures (par exemple, la dureté) grâce à un processus de traitement thermique appelé trempe et revenu. Le processus de revenu (incluant le chauffage et le maintien en chauffe) a lieu dans des fours à gaz et a un impact direct sur les propriétés finales du produit en raison des modifications microstructurales majeures induites par l’effet de la température. Une fois que les paramètres de revenu sont contrôlés (temps et température) les propriétés des matériaux peuvent être généralement optimisées. Distribution non uniforme de la température autour des pièces qui résulte des interactions thermiques à l'intérieur du four ou du positionnement des brames, peut causer une variation dans les propriétés mécaniques d'une extrémité à l'autre de la pièce, une modification de la microstructure ou même initier des fissurations. Par contre, une optimisation du temps de séjour dans le four de traitement thermique peut réduire la consommation d’énergie et éviter les changements microstructuraux indésirables. Cependant, la production industrielle repose principalement sur des corrélations empiriques qui ne sont pas toujours fiables. La prédiction précise de la température en fonction du temps des pièces forgées de grande taille dans les fours de traitement thermique à gaz nécessite un examen quantitatif exhaustif de l'échauffement par la compréhension des interactions thermiques conjuguées complexes à l'intérieur du four. Les limites des études analytiques et la complexité et le coût des expérimentations ont rendu les simulations numériques une solution efficace pour analyser les problèmes de la dynamique des fluides (CFD) dans ce domaine d'étude. Cependant, parmi les études publiées sur les fours à gaz, les fours à petite échelle ou ceux avec un temps de fonctionnement plus court ont été principalement considérés (en utilisant différentes simplifications comme les calculs à l'état stationnaire) et ce principalement en raison de la complexité des phénomènes et des temps de calcul élevés. Par la suite, très peu d’études ont été consacrées à l’amélioration des modèles de chargement des pièces de grande taille dans les fours à gaz et à l’optimisation de leur temps de résidence. De plus, peu d’information est disponible dans la littérature sur les limites et particularités des différentes approches numériques permettant de calculer les interactions thermiques dans le flux réactif turbulent des fours de grande taille chauffés au gaz. À cet égard, l'objectif principal de ce projet est de fournir une analyse quantitative complète de la période transitoire du chauffage et une compréhension des interactions thermiques à l'intérieur du four afin d'optimiser, le temps de séjour et l'uniformité de la température pendant le traitement thermique. Pour atteindre cet objectif, les étapes ci-après ont été suivies: La première partie de cette étude, fournit une analyse transitoire complète des caractéristiques de chauffage des pièces forgées de grande taille dans un four à gaz, en utilisant des températures mesurées expérimentalement et des simulations CFD. Un modèle CFD 3D du four à gaz a été généré, incluant, la chambre de traitement thermique, et les brûleurs à gaz. Les interactions entre la chaleur et l’écoulement du fluide, incluant la turbulence, la radiation et la combustion, ont été simultanément considérées dans le modèle en utilisant respectivement les modèles DO et EDM. En outre, l'applicabilité du modèle de radiation S2S a été évaluée pour quantifier l'effet du produit de combustion dans le four et le facteur de forme dû à la radiation durant le transfert de chaleur. Des mesures de températures ont été réalisées à plusieurs endroits grâce à l’instrumentation d’un bloc forgé de grande taille et l'intérieur du four, pour l'analyse expérimentale du processus de chauffage et aussi pour la validation du modèle CFD. Un bon accord a été obtenu avec une erreur maximale d’environ 7% entre les prédictions numériques et les mesures expérimentales. Les résultats ont montré qu'en dépit de l'uniformité de la température du four sans chargement, chaque surface du bloc présentait des vitesses de chauffage différentes après le chargement (chargement simple) ; des différences de température allant jusqu’à 200 k. L’analyse des résultats a également révélée la fiabilité du modèle S2S et a mis en évidence l’importance du facteur de forme du rayonnement pour des besoins d’optimisation pour cette application. Les résultats ont été corrélés avec la géométrie du four, la formation de structures tourbillonnaires et les circulations du fluide autour de la pièce. Les données expérimentales et les prévisions du modèle CFD pourraient être directement utilisées pour l’optimisation du processus de traitement thermique forgées de grande taille. La deuxième partie de cette étude vise à déterminer l’effet de la configuration du chargement (configuration des chargements multiples) sur la distribution de la température des pièces forgées lors du traitement thermique, afin d’obtenir une meilleure uniformité de température; qui par la suite favorise l’obtention de propriétés mécaniques homogènes. Cette partie vise également l’optimisation du temps de séjour des lingots forgés de grande taille dans un four de revenu, proposant une nouvelle méthodologie hybride combinant des simulations numériques CFD et une série de mesures expérimentales à base d’un dilatomètre à haute résolution. Des simulations transitoires CFD 3D validées par des mesures expérimentales de températures ont été utilisées pour évaluer l’impact des modèles de chargement et du calage (positionnement des cales) sur l’uniformité de la température et le temps de résidence des pièces forgées dans le four. Une analyse transitoire complète des caractéristiques de chauffage des pièces forgées (y compris une analyse des modes de transfert de chaleur) en utilisant quatre configurations de chargement différents a permis de quantifier l’impact des calages et leurs dimensions sur l’uniformité de la répartition de la température ainsi que sur le temps de séjour des produits. Les résultats ont montré que la non-uniformité de température peut aller jusqu'à 331 K pour un modèle de chargement conventionnel (non optimisé). L'influence positive de l'utilisation des cales et des espaceurs (cales entre les brames) a été approuvée et quantifiée à l'aide de l'approche développée. Il a été possible de réduire les non-uniformités identifiées jusqu'à 32% en modifiant la configuration du chargement à l'intérieur du four de traitement thermique. Cette approche hybride a permis de déterminer le temps de séjour optimal pour les lingots, et aussi permettre son amélioration jusqu’à peu près de 15,5% par rapport à la configuration classique (non optimisée). Cette approche a été validée et pourrait s’appliquer directement à l’optimisation de différents cycles de traitement thermique de pièces forgées de grande taille. Enfin, la troisième partie de l'étude aborde les détails de la simulation numérique du procédé de traitement thermique de pièces forgées de grande taille dans des fours à gaz à échelle réelle. Plus précisément, l'évaluation du modèle de combustion non-premix avec l'équilibre chimique pour prévision précise de la température des pièces forgées, ainsi que les performances de six modèles de turbulence différents de RANS pour les projections d'analyse thermique sont discutés. À cet égard, les interactions thermiques à différents endroits du bloc forgé et dans des régions critiques telles que la région du brûleur, la stagnation et la région de sillage ont été réalisées à l'aide d'un modèle 3D périodique du four puis validé par des mesures expérimentales. Les résultats ont montré que le modèle périodique avec combustion non-premix est fiable pour l'analyse thermique du processus de traitement thermique avec un écart maximal d'environ 3% par rapport aux mesures expérimentales. Il a également été révélé que le choix du modèle de turbulence avait un effet significatif sur la prévision de la combustion et du transfert de chaleur autour du bloc. La prédiction du rapport ɛ/k par différents modèles de turbulence a montré une relation significative avec la combustion turbulente (telle que la longueur de la flamme du brûleur) et les prévisions de température du bloc, autour de la région de stagnation. Les modèles k − ɛ Standard et réalisable en raison d'une prévision irréaliste de l'énergie cinétique de turbulence (sous-prévision du rapport ɛ/k) ont entraîné une longueur de flamme plus courte et une sous-prévision de la température du bloc forgé autour de la région de stagnation. En suite, le modèle SST k − w a montré des prévisions raisonnables dans cette région. Le modèle RSM s'est révélé être le modèle de turbulence le plus fiable par rapport aux mesures expérimentales. De plus, un modèle k − ɛ réalisable, mis à part une sous-prédiction sur la région de stagnation et la longueur de la flamme, pourrait efficacement prédire la température globale des pièces forgées lourdes avec une précision comparable à celle des données expérimentales et des prévisions du RSM.

Date	28 janv. 2020
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Mohammad Jahazi (Directeur(-trice)) & Farzad Bazdidi-Tehrani (Codirecteur(-trice))