Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02286407 1999-10-07
Brûleur à combustible fluide notamment pour fours de réchauffage de produits
sidérurgiques
io La présente invention concerne un brûleur à combustible fluide notamment
pour
fours de réchauffage de produits sidérurgiques. Le but de cette invention est
la
conception d'un brûleur à flamme étalée grâce auquel on améliore la
répartition des
flux thermiques générés par ladite flamme, afin de réduire l'hétérogénéité de
température induite dans les produits à réchauffer.
On sait que les fours de traitement thermique, notamment de réchauffage, de
maintien sont destinés à porter des produits, notamment des brames, blooms et
similaires, aux températures requises par exemple pour un laminage ou en vue
de
l'obtention d'une structure métallurgique donnée.
Il est également connu que la qualité du traitement d'un produit, par exemple
un
laminage ou un traitement thermique, exige une température précise et homogène
à
l'intérieur du produit, cette température dépendant du type de traitement
souhaité ou
de la composition chimique du produit à traiter.
Par exemple, dans les fours de réchauffage de produits métallurgiques, le
niveau de
température moyen est obtenu en faisant passer les produits dans des zones
dites
de chauffage qui sont caractérisées par un apport thermique important dans un
temps relativement court, ce qui engendre une grande hétérogénéité thermique
dans les produits réchauffés. Afin d'obtenir une homogénéité de température
requise
pour leur traitement ultérieur, les produits sortant des zones de chauffage
traversent
une zone d'égalisation dans laquelle l'apport de chaleur est très faible, ce
qui
permet d'obtenir une égalisation des températures au sein des produits.
Sur la figure 1 des dessins annexés, on a représenté de façon schématique, en
élévation latérale et en coupe verticale, un exemple de réalisation d'un four
de
CA 02286407 1999-10-07
7
réchauffage de produits sidérurgiques de type connu. Ce four est du type à
chauffage inférieur et supérieur.
Comme on le voit sur la figure 1, les produits à réchauffer, désignés par la
référence
1 sont supportés et transportés à l'intérieur du four par un système de
longerons
fixes 2 et mobiles 3, les longerons mobiles 3 étant déplacés grâce aux actions
combinées d'un châssis de translation 4 et d'un châssis de levage 5 conférant
aux
produits 1 un mouvement à pas de pèlerin de manière à les entraîner de
l'entrée
vers la sortie du four. Il s'agit là d'un système bien connu de l'homme de
l'art, qui ne
lo fait pas partie de la présente invention et qu'il est donc inutile de
décrire en détail.
Le four est constitué d'une enceinte calorifugée 6, comportant respectivement
des
zones de chauffage et des zones d'égalisation et sur laquelle sont disposés
des
brûleurs de chauffage supérieurs 7 et inférieurs 7' ainsi que des brûleurs
d'égalisation 8 implantés dans la voûte du four ainsi qu'on le voit clairement
sur la
figure 1. Dans cet exemple de réalisation, les brûleurs des zones de chauffage
7 et
7' qui sont implantés sur les parois latérales du four sont des brûleurs à
flammes
axisymétriques, à développement axial. Les produits à traiter sont placés dans
un
plan horizontal parallèle aux axes des brûleurs. Ces derniers peuvent être
implantés
soit dans un plan situé au-dessus du plan du lit des produits (brûleurs
supérieurs 7),
soit dans un plan situé en dessous du plan du lit des produits (brûleurs
inférieurs 7').
La hauteur de l'enceinte 6 du four est définie par la distance séparant le
plan des
produits 1 de la sole du four et par la distance séparant le plan desdits
produits de la
voûte du four. Cette hauteur est déterminée en fonction des caractéristiques
et des
dimensions de la flamme des brûleurs 7 et 7' implantés dans les parois
latérales du
four.
Sur la figure 2 des dessins annexés, on a représenté de façon schématique, la
répartition du flux thermique produit par les brûleurs 7, 7' à flammes
axisymétriques
à développement axial. Sur cette figure, la référence B désigne un brûleur, P
le plan
du lit de produits et I l'image des flux thermiques transmis. On voit que le
flux
thermique présente des hétérogénéités dans les plans verticaux
perpendiculaires et
parallèles à l'axe de la flamme. Ces hétérogénéités sont provoquées par le
CA 02286407 1999-10-07
3
développement progressif de la combustion à la racine de la flamme ou par la
présence de zones chaude dans cette flamme, caractéristiques de ce type de
brûleur connu.
Dans cet exemple de réalisation, le four comporte également des brûleurs 8
implantés sur la voûte du four dans les zones d'égalisation de ce dernier. Il
s'agit de
brûleurs à flammes à faible impulsion axiale et à forte mise en rotation de la
flamme
(c< swirl important). Le flux thermique transmis aux produits à réchauffer
est
constant sur un certain diamètre, dans un plan perpendiculaire à l'axe du
brûleur 8
io et parallèle au lit de produits 1. Ces brûleurs génèrent des hétérogénéités
thermiques limitées dans ces produits, cependant la surface d'échange radiatif
homogène créée par chaque brûleur se limite à une faible surface unitaire, ce
qui
nécessite la mise en place d'un nombre important de brûleurs tels que 8 pour
assurer un réchauffage homogène de toute la surface des produits. On a
schématisé
sur la figure 3, l'implantation des brûleurs 8 dans la voûte du four. Sur
cette figure,
la référence Z désigne la zone principale de chauffage de chaque brûleur 8 sur
la
voûte du four, Pv désigne le plan de la voûte du four et Ip désigne l'image
des flux
thermiques transmis sur le plan du lit de produits.
Enfin, les brûleurs inférieurs 7' qui sont implantés sous le plan des produits
1 ne
peuvent être remplacés par des brûleurs à faible impulsion axiale et forte
mise en
rotation de la flamme car leur implantation dans la sole du four est
impossible en
raison de la présence des équipements de supportage des produits et des chutes
d'une partie des oxydes qui se forment lors du réchauffage à la surface de ces
produits. Les brûleurs inférieurs tels que 7' des zones d'égalisation ne
peuvent
donc être que des brûleurs à flammes axisymétriques, à développement axial,
malgré les défauts de répartition de flux thermiques inhérents à ce type de
brûleur.
Il résulte clairement de ce qui précède que l'obtention d'une bonne
homogénéité de
température des produits réchauffés dans un four de réchauffage de produits
métallurgiques ou dans un four de traitement thermique, est limitée par la
technologie actuelle des brûleurs du type à flammes axisymétriques à
développement axial, ou qu'elle n'est possible que partiellement par la mise
en
CA 02286407 1999-10-07
4
place, complexe et coûteuse, d'un nombre important de brûleurs du type à
faible
impulsion axiale et à fort mouvement rotatif de la flamme sur la voûte du
four.
Partant de cet état de la technique, la présente invention se propose
d'apporter un
brûleur limitant les hétérogénéités de distribution du flux thermique dans des
plans
verticaux parallèles et perpendiculaires à l'axe de la flamme, en étalant la
surface
d'échange entre la flamme et le plan du lit des produits à traiter.
Afin de bien faire comprendre le résultat rendu possible par la présente
invention, on
to se réfère à la figure 4 qui représente la répartition du flux thermique de
la flamme
d'un brûleur réalisée conformément aux dispositions de la présente invention.
Comme sur la figure 2, la référence B désigne le brûleur, la référence P
désigne le
plan du lit dés produits et la référence I l'image des flux thermiques
transmis. Cette
figure 4 fait clairement apparaître que le brûleur selon l'invention développe
une
is flamme étalée parallèlement au lit des produits et dont le flux est
préférentiellement
dans le plan du grand axe de symétrie du tunnel, parallèle au plan des
produits. Une
comparaison entre cette figure 4 et la figure 2 commentée ci-dessus fait
clairement
apparaître le progrès technique apporté par l'invention vis-à-vis des brûleurs
selon
la technique antérieure.
Le résultat ainsi illustré est atteint par un brûleur selon la présente
invention qui est
essentiellement caractérisé en ce qu'il est muni d'un tunnel de combustion
présentant une forme élargie, muni d'orifices d'injection de comburant et de
carburant, sensiblement parallèles au grand axe de symétrie dudit tunnel, la
forme
intérieure de ce dernier ainsi que l'orientation des orifices d'injection en
carburant et
en comburant étant choisies de manière à créer une différence de répartition
des
produits de combustion et des fumées recyclées, produisant une flamme étalée
assurant une répartition homogène du flux thermique.
Selon la présente invention, ledit tunnel de combustion présente une forme
rectangulaire, ovale, ou toute combinaison de ces deux formes.
CA 02286407 1999-10-07
Selon une autre caractéristique de l'invention, les axes des orifices
d'injection du
comburant et/ou du carburant sont situés dans des plans sensiblement
parallèles au
plan des produits à traiter.
5 Selon un mode de réalisation non limitatif de l'invention, le brûleur
comporte :
- d'une part, une alimentation en comburant munie de canaux d'injection
débouchant
dans le tunnel de combustion par l'intermédiaire desdits orifices d'injection,
ces
derniers étant répartis autour de l'axe du brûleur et ayant des axes qui sont
situés
dans des plans sensiblement parallèles au plan des produits à traiter et,
lo - d'autre part, une alimentation en carburant disposée centralement et
munie de
canaux d'injection qui sont répartis autour de l'axe du brûleur, leurs axes
étant
situés dans des plans sensiblement parallèles au plan des produits.
Selon l'invention, les canaux d'injection débouchent dans le tunnel par les
orifices
d'injection de carburant ou, dans le cas où l'invention est appliquée à des
brûleurs à
cannes d'injection de carburant séparées, les canaux et les orifices
d'injection de
carburant sont situés dans la canne d'injection.
Grâce à ces caractéristiques, on obtient une mise en rotation faible ou nulle
des gaz
ce qui assure une répartition du flux thermique sur une surface importante (ou
inversement), la flamme, à la sortie du tunnel de combustion se développant
préférentiellement dans le plan du grand axe de symétrie du tunnel,
sensiblement
parallèlement au plan des produits.
Selon un autre mode de réalisation, le brûleur comporte des moyens de
modulation
de la surface sur laquelle est répartie la flamme du brûleur, ces moyens
pouvant
ëtre réalisés en délivrant le comburant et/ou le carburant en au moins deux
groupes
séparés.
L'invention vise également un four muni de brûleurs présentant les
caractéristiques
définies ci-dessus, notamment un four de réchauffage de produits
sidérurgiques. Ce
four peut comporter une paroi radiante ou paroi d'échange, disposée
sensiblement
parallèlement au plan des produits à traiter, en regard du plan d'étalement
des
CA 02286407 1999-10-07
6
flammes des brûleurs. Ces brûleurs sont disposés de façon que le plan
d'étalement
de la flamme soit sensiblement parallèle à l'une des parois du four. Selon
l'invention,
les brûleurs peuvent être implantés sur les parois latérales du four, sur
l'une au
moins de ces parois frontales, au dessus et/ou au dessous du plan des produits
à
traiter.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront
de la
description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui en illustrent
des
exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif.
Sur les dessins
- La figure 1, qui a été discutée ci-dessus, représente en élévation latérale
et coupe
verticale, un exemple de réalisation d'un four auquel peut s'appliquer la
présente
invention ;
- La figure 2 illustre la répartition du flux thermique produit par des
brûleurs
actuellement connus, du type discuté ci-dessus ;
- La figure 3, discutée ci-dessus, est un schéma illustrant la répartition des
brûleurs
de voûte prévus dans les zones d'égalisation du four connu illustré par la
figure 1;
- La figure 4 représente la répartition du flux thermique de la flamme d'un
brûleur
selon la présente invention ,
- La figure 5 est une vue schématique du brûleur selon un premier exemple de
réalisation de l'invention, en coupe par un plan parallèle aux plans P et PS
de la
figure 6 ;
- La figure 6 est une vue de ce même brûleur, depuis l'intérieur du four et,
- La figure 7 est une vue similaire à la figure 5 illustrant un second exemple
de
réalisation du brûleur, objet de la présente invention.
CA 02286407 1999-10-07
7
On se réfère aux figures 5 et 6 qui illustrent un premier exemple de
réalisation d'un
brûleur selon la présente invention. On voit que ce brûleur comporte un tunnel
de
combustion 10, de forme élargie, rectangulaire dans l'exemple de réalisation
non
limitatif illustré par ces figures, de dimensions L et H et dont le grand axe
de
symétrie compris dans le plan PS est disposé sensiblement parallèlement au
plan
P des produits 1 à traiter. Bien entendu, il ne s'agit là que d'une forme de
réalisation
qui ne présente aucun caractère limitatif, le tunnel de combustion 10 pouvant
être
réalisé suivant toute autre forme élargie, telle que par exemple ovale ou
toute
combinaison d'une forme ovale et d'une forme rectangulaire avec un rapport UH
supérieur à 1.
Les parois du tunnel de combustion 10 peuvent être évasées sur la profondeur F
comme illustré par la figure 5.
L'alimentation en carburant, du gaz dans cet exemple de réalisation non
limitatif, est
raccordée au brûleur en 12, ce carburant étant injecté par l'intermédiaire
d'orifices 14. L'alimentation en comburant, de l'air dans cet exemple de
réalisation
non limitatif, est raccordée au brûleur en 11, l'injection en comburant
s'effectuant par
l'intermédiaire d'orifices 13.
Les canaux d'injection de carburant et de comburant sont répartis autour de
l'axe du
brûleur. Leurs axes sont disposés dans des plans sensiblement parallèles au
plan
PS afin d'assurer une distribution privilégiée de chaque fluide qui provoque
l'étalement de la flamme dans un plan sensiblement parallèle aux plans PS et
P.
Le brûleur produit ainsi à la sortie du tunnel 10, une flamme étalée avec une
répartition homogène du flux thermique dans un plan sensiblement parallèle au
plan
PS. La répartition du flux thermique obtenue est conforme à la représentation
de la
figure 4.
Selon une autre caractéristique de la présente invention, le brûleur peut être
muni
de dispositifs de modulation de la surface sur laquelle est réparti le flux
thermique
CA 02286407 1999-10-07
8
de la flamme de ce brûleur. Un exemple de réalisation d'un tel dispositif est
illustré
par la figure 7.
Sur cette figure, on retrouve les différentes parties constitutives du brûleur
selon
l'invention tel que décrit ci-dessus en référence aux figures 5 et 6. Dans
cette
variante qui ne présente aucun caractère limitatif, le comburant est délivré
en deux
groupes séparés 11A et 11 B alimentant respectivement deux groupes de canaux
d'injection séparés 13A et 13B, les axes des canaux d'injection 13A et 13B
sont
sensiblement parallèles au plan PS. Les deux groupes de canaux peuvent être
io inclinés par rapport à l'axe du brûleur, de façon identique ou différente.
La modulation du rapport des débits et des pressions des deux flux de
comburant
passant par les deux groupes de canaux d'injection 13A et 13B permet de
moduler
la surface sur laquelle s'étale la flamme. Bien entendu, la même disposition
peut
is être adoptée en ce qui concerne l'alimentation en carburant, celle-ci
pouvant être
réalisée également en groupes séparés afin de contrôler et de moduler la
surface
sur laquelle est distribué le flux thermique du brûleur.
Le brûleur objet de la présente invention et décrit ci-dessus peut équiper
20 notamment un four de réchauffage de produits sidérurgiques, un four de
maintien ou
un four de traitement thermique étant entendu que ces exemples d'application
n'ont
aucun caractère limitatif. Les brûleurs sont disposés dans ces fours de
manière que
le plan d'étalement de leur flamme soit sensiblement parallèle à l'une des
parois du
four afin d'obtenir une paroi rayonnante sensiblement parallèle au plan des
produits
25 à traiter.
Les brûleurs objet de la présente invention peuvent être implantés sur les
parois
latérales d'un four tels que représentés sur la figure 1, au dessus et ou en
dessous
du plan P des produits tel qu'illustré en 7 et 7' sur cette figure 1, afin de
réchauffer
30 lesdits produits de façon homogène sur leurs faces supérieures et
inférieures.
Les brûleurs selon l'invention peuvent également être disposés sur l'une au
moins
des parois frontales du four, au dessus et/ou en dessous du plan P des
produits à
CA 02286407 1999-10-07
9
traiter. La figure 8 illustre plusieurs exemples connus d'implantation
frontale de
brûleurs dans un four de réchauffage du type selon la figure 1. Les brûleurs
15
peuvent être implantés sur les parois d'extrémités du four, au dessus ou au
dessous
du plan P des produits, les brûleurs 16 peuvent être implantés en tous points
de la
longueur du four, au dessous du plan P des produits et les brûleurs 17 peuvent
être
implantés en tous points de la longueur du four, au dessus du plan P des
produits.
Ainsi qu'on le comprend, la présente invention apporte un brûleur à flamme
étalée
io permettant de limiter le gradient de température à la surface des produits
qui sont
positionnés dans le four muni de tels brûleurs et, par conséquent, dans leur
masse,
à quantité de chaleur transmise identique. La diminution des hétérogénéités de
distribution du flux thermique dans des plans verticaux parallèles et
perpendiculaires
à l'axe de la flamme, obtenue par l'étalement de la surface d'échange entre la
flamme et le plan du lit des produits permet notamment :
= de réduire la durée de la phase d'égalisation des températures des produits,
donc
la longueur de la zone des fours de réchauffage dans laquelle cette
égalisation
de température est opérée.
= de limiter les risques de surchauffe localisée du produit grâce à l'absence
de
zone chaude ou de point chaud dans la flamme. Cette caractéristique permet
l'amélioration de l'état métallurgique final du produit traité.
= de répartir la combustion sur une surface plus importante, ce qui permet de
mieux
contrôler le mélange de ces fluides donc la composition de l'atmosphère du
four
et des fumées. Ceci réduit les émissions de polluants générés par la
combustion
et réduit la formation d'oxydes à la surface des produits réchauffés.
= de réduire la hauteur du laboratoire du four grâce à la réduction de la
dimension
de la flamme perpendiculairement au plan des produits ou à la réduction du
nombre de brûleurs.
3o = de remplacer un nombre important de brûleurs implantés sur la voûte du
four par
un nombre plus réduit de brûleurs implantés sur les parois du four. Le circuit
de
distribution de carburant et de comburant est plus réduit et il est réalisé
pour un
coût plus faible.
CA 02286407 1999-10-07
Les avantages mentionnés ci-dessus concernent les faces supérieure et
inférieure du produit, le brûleur objet de la présente invention pouvant être
implanté dans des plans situés soit au dessus, soit au dessous des produits
comme on l'a vu ci-dessus en référence à la figure 1.
Il demeure bien entendu que la présente invention n'est pas limitée aux
exemples
de réalisation décrits et/ou représentés ici mais qu'elle en englobe toutes
les
variantes.
