Planification stratégique de l'implantation d'une aciérie pour une productivité optimale

La conception de l'implantation générale d'une aciérie consiste en un mécanisme requérant la connaissance des besoins en espace des installations et leur agencement optimal pour assurer un flux continu et stable du cycle de production. L'implantation générale contribue largement à la productivité et à l'efficacité de l'usine.

Enjeux critiques de la conception

Concevoir l'implantation est une activité cruciale exigeant la plus haute attention : une fois la construction achevée, la nature fondamentale de l'implantation ne peut être modifiée durant toute la vie de l'usine. Toute modification ultérieure est non seulement difficile mais entraîne des dépenses d'investissement majeures. La performance de l'aciérie dépend largement de son implantation. Les erreurs d'implantation étant permanentes et coûteuses, il est essentiel d'y consacrer temps et efforts durant l'ingénierie pour aboutir à la meilleure implantation possible. La figure 1 montre une implantation type (usine Bethlehem Steel).

Figure 1 : Implantation générale type d'une aciérie

Définition et périmètre de l'implantation générale

Le terme « implantation générale » désigne l'agencement physique des diverses installations de l'usine, nécessaires à la production des produits finis à partir des matières premières :

• Réception de tous matériaux nécessaires
• Installations de production selon exigences technologiques
• Installations de support à la production
• Circulation et communication hommes/matériaux
• Expédition produits
• Stockages divers matériaux et produits
• Administration
• Bien-être personnel
• Protection environnement
• Sûreté et sécurité

L'implantation générale est l'agencement physique des installations de production et support : ateliers, équipements, machines, bâtiments, réseaux route/rail/tuyauterie. Elle détermine la façon dont matériaux et autres intrants (information, etc.) traversent l'opération. Elle doit être planifiée pour un flux technologique fluide avec manutention minimale, de la réception matières premières à l'expédition produits finis. Implique un agencement judicieux de toutes installations pour production fluide. Une planification défectueuse mène à inefficacité, rigidité, stocks importants, encours élevés, coûts d'exploitation élevés.

Objectif global du concepteur

Concevoir un agencement physique allouant espace et installations pour répondre aux exigences du produit final (qualité et quantité) tout en assurant une production économique.

Données prérequises pour une implantation réussie

Le concepteur doit disposer de :

• Limitations du site
• Plan de site : routes extérieures, voisinage, limites foncières
• Caractéristiques sols et courbes de niveau
• Disponibilité eau, électricité, autres fluides
• Alignement routes/rails extérieurs, sens trafic entrant/sortant, alignement ligne haute tension et conduite eau entrante
• Connaissances de base : technologies, processus, équipements sélectionnés
• Capacités usine et extensions futures planifiées
• Exigences réglementaires

L'implantation vise à : (i) exploiter au mieux conditions naturelles locales + usage rationnel foncier, (ii) agencement systématique unités pour créer synergies, (iii) minimiser efforts pour activités diverses, (iv) assurer protection environnement efficace.

Méthodes de conception d'implantation

Plusieurs méthodes : (i) Planification systématique d'implantation (SLP), (ii) Algorithmes, (iii) Simulation Arena. La méthode SLP est la mieux adaptée aux aciéries.

Définitions de l'implantation d'usine

• Moore : « Plan ou acte de planification, arrangement optimal d'installations : personnel, équipements exploitation, espaces stockage, manutention, services support + conception meilleure structure pour les accueillir. »
• Riggs : « Objectif global : concevoir agencement physique répondant le plus économiquement aux exigences quantité/qualité de production. »
• J.L. Zundi : « Implantation = allocation espace + agencement équipements minimisant coûts d'exploitation globaux. »
• Dr. M.N. Dastur : « Implantation générale d'une aciérie intégrée = exercice d'agencement rationnel unités principales production, réseaux énergie, ateliers auxiliaires, dans limites site sélectionné. »

Huit principes de conception d'implantation

1. Principe du déplacement minimal : minimiser déplacements hommes/matériaux → gain temps, réduction pertes matières.
2. Principe de séquence/flux : unités production agencées selon flux process technologique → évite mouvements inutiles aller-retour.
3. Principe d'usage : besoins espace basés sur utilisation optimale.
4. Principe de compacité : tous facteurs significatifs pleinement intégrés/correlés → implantation bien intégrée.
5. Principe sécurité/satisfaction : provisions sécurité installations/équipements/personnel ; confort/commodité travailleurs pour satisfaction ; conformité réglementaire ; inclut sécurité incendie et sûreté.
6. Principe de flexibilité : permet améliorations difficulté/coût minimes ; prévoit extensions futures.
7. Principe d'interdépendance : unités interdépendantes en proximité rapprochée.
8. Principe d'investissement minimal : investissement fixe réduit sans ignorer installations requises, usage efficace/optimal installations disponibles.

Méthode SLP de conception d'implantation

La méthode SLP est très populaire, utilisée non seulement pour l'implantation générale mais aussi pour l'implantation détaillée des ateliers de production et de diverses installations.

Avant de concevoir, il est essentiel d'étudier le diagramme des vents (rose des vents) du secteur : directions et fréquences des vents annuels. Autres études importantes : (i) niveaux de terrain dans limites foncières, (ii) accès routes/rails pour raccordement réseaux extérieurs, (iii) accès conduite eau entrante, (iv) accès ligne haute tension pour raccordement réseau électrique, (v) zones évacuation déchets solides/liquides. Le terrassement est coûteux ; utiliser le relief naturel lors de la finalisation de l'implantation réduit les coûts.

Il faut d'abord considérer la relation entre processus de production (selon technologie) et flux matériaux (solides, liquides, gaz). Pratique courante : établir bilan matière et diagramme de flux. Calculs besoins matières (premières, auxiliaires, combustibles, intermédiaires) selon rendements et recyclage. Diagrammes requis : bilan eau, bilan énergie, etc. Finalement, relation globale après pondération activités. Figures 2 et 3 : bilans matière et eau types.

Figure 2 : Diagramme de flux de bilan matière type

Figure 3 : Diagramme de bilan eau type

Étape suivante : diviser surface usine en blocs/unités selon flux process avant d'y localiser les installations. Produit le plan de masse. Priorité : localisation ateliers principaux selon flux production, puis installations support. Résultat = implantation par blocs (block layout).

Une fois l'implantation par blocs satisfaisante, localiser les installations dans chaque bloc selon technologie de production et besoins en espace. Respecter distances minimales entre installations (exigences réglementaires, manutention matériaux, ex. angle convoyeur à bande).

Décision localisation installations stockage et flux matières : réception sources externes, expédition produits. À cette étape : réseaux tuyauterie, électricité, route/rail. Attention : réseau plus long = investissement plus élevé + pertes transport plus élevées. Respecter distances réglementaires minimales.

Planifier une bonne implantation dans un projet

La décision d'implantation engage à long terme. Si la relation production/surface/process technologique n'est pas optimale, l'exploitation en pâtit à vie. Normes techniques pour bonne implantation :

• Intégration : étroite intégration hommes, matériaux, équipements, services support → rendement optimal ressources.
• Utilisation espace (sol) : exploitation rationnelle espaces horizontal et vertical ; hauteur et longueur installations optimisées ; surface usine utilisée économiquement.
• Distance : déplacements minimaux hommes/matériaux ; distance totale minimisée ; mouvements en ligne droite privilégiés.
• Implantation unités production : agencées pour flux hommes, matériaux, produits intermédiaires/finis vers étape finale selon flux technologique.
• Coordination : entrée/sortie chaque département planifiée pour commodité départements expéditeur/récepteur ; implantation considérée dans son ensemble.
• Flexibilité : provisions suffisantes pour modifications lors extensions futures.
• Accessibilité : toutes zones usine aisément accessibles → facilite production et maintenance.
• Sécurité : considération méthodes sécurité industrielle ; conformité sécurité hommes/installations, routes, gaz, électricité, incendie/explosion.
• Manutention : réduction au minimum ; manutention excessive affecte temps exploitation et coûts production.

Autres points de base pour bonne implantation : (i) faciliter process production + besoins opérationnels, (ii) réception fluide matières premières, stockage, expédition produits finis, (iii) flux/stockage fluides produits intermédiaires, (iv) flux fluide tous matériaux, (v) flexibilité exploitation, (vi) flux technologique fluide, (vii) confort/commodité personnel + bien-être/santé au travail, (viii) efficacité/encadrement/contrôle employés, (ix) conformité réglementaire, (x) espace extensions futures, (xi) minimisation coûts investissement et exploitation.

Une implantation subit révisions successives de sa création au coulage des dernières fondations. Le « plan final » est nécessairement un compromis entre critères souhaités et contraintes imposées. Mais si le concepteur a la vision conceptuelle pour voir au-delà des besoins immédiats et difficultés, l'implantation résultante aura logique, flexibilité et capacité à délivrer la performance opérationnelle requise malgré conditions changeantes.

Figures 4 et 5 : implantations générales des usines Fukuyama et Kurashiki (Japon) et Visakhapatnam (capacité 3 Mt/an).

Figure 4 : Implantations générales des usines Fukuyama et Kurashiki

Figure 5 : Implantation générale de l'usine Visakhapatnam