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« Procédé pour améliorer la dualité métallurgique de produits traités dans un
four »
L'invention concerne un procédé pour améliorer la qualité
métallurgique de produits traités dans un four et notamment un four de
réchauffage. Cette invention s'applique à tout type de produit mais plus
particulièrement aux produits traités dans un four de réchauffage tel que, par
exemple, des billettes, des ébauches ou des brames ou tout autre matériau
utilisé par les sidérurgistes dans leur ligne de production (telles que les
tôles,
les tubes, etc .). L'invention se rapporte plus particulièrement à un procédé
de
traitement d'un produit métallurgique dans un four, dans lequel le produit à
traiter est introduit dans le four, puis soumis au traitement souhaité, puis
retiré
du four, le four comportant des moyens de chauffage et notamment des
brûleurs permettant de porter à une température variable les diffërentes
zones du four, l'atmosphère dans ces différentes zones pouvant avoir une
composition identique ou différente selon les zones considérées dudit four.
L'environnement d'un acier (ou tout autre produit, notamment un
produit métallique ou sidérurgique), lorsqu'il est porté à une température
élevée lors d'un traitement thermique, est souvent une atmosphère oxydante
vis-à-vis du métal. Cette situation peut conduire, d'une part, à l'oxydation
du
métal avec formation d'une couche superficielle de calamine et, d'autre part,
à
une décarburation de l'acier avec création d'un gradient de teneur en carbone
au voisinage de la surface de la pièce.
La zone altérée à la surface de ces pièces se compose
essentiellement de deux parties (voir Fig 1 ), l'une située du côté de
l'atmosphère (calamine supérieure), et l'autre au voisinage du métal ( zone
mixte).
La parue supérieure comporte généralement trois couches compactes
d'oxydes : une couche d'oxydes Fe203 (hématite), très mince (quelques
microns d'épaisseur), une couche de magnétite (Fe304) (4% de la calamine
totale environ) et une couche d'oxyde épaisse Fe0 (wustite) (95% de la
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calamine totale environ) plus ou moins poreuse selon la durée et la
température du réchauffage.
La croissance de cette calamine, qui adopte une allure parabolique, est
contrôlée par la diffusion des ions Fe2+ dans la wustite et la magnétite, et
par
la diffusion de l'oxygène 02 dans l'hématite.
La partie inférieure, zone mixte, est plus ou moins grande selon la nature de
l'acier. Elle est située à l'interface mëtallcalamine, constituée d'un mélange
Fe0 et des produits de réaction de Fe0 avec les oxydes de certains éléments
d'alliage. Cette partie inférieure comporte également une zone de métal
altérée par divers phénomènes comme la décarburation ou l'oxydation
interne. La décarburation est un phénomène de diffusion à l'état solide du
carbone qui réagit avec la calamine Fe0 (et/ou H20). La perméabilité de la
calamine industrielle aux produits gazeux de l'oxydation du carbone
(notamment le CO) rend cette oxydation pratiquement immédiate à la surface
du métal. La décarburation est donc limitée par la diffusion du carbone à la
température du traitement et est favorisée par l'aptitude des gaz formés (CO)
à s'échapper de l'interface calamine-acier.
Selon le profil thermique imposé et la composition de l'atmosphère
(notamment la teneur en 02, H20, C02), les produits sidérurgiques peuvent
être oxydés (calamine) et décarburés (et ce d'autânt plus pour les aciers à
haut carbone). Dans les deux cas, le sidérurgiste devra faire subir à ses
pièces une opération supplëmentaire visant à s'affranchir de ces défauts de
surface. Alors que la couche d'oxyde peut être enlevée par différentes
techniques de décalaminage, la couche de décarburation, qui fait partie
intégrante de la pièce, ne peut pas être aisément « gommée » : la surface du
produit est démunie d'une partie de ses atomes de carbone, ce qui engendre
une perte des propriétés mécaniques en surface du produit (longévité,
dureté ...).
L'oxydation ou la décarburation de l'acier en four de réchauffage
entraîne ainsi une perte de matière première qu'on appelle perte au feu et
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une dégradation des propriétés de surface de produits qui sont préjudiciables
au sidérurgiste.
Une contrainte importante qui va également influencer la qualité finale
du produit à l'issue du procédé de réchauffage est la température finale du
produit et de son homogénéité thermique, et ce quel que soit l'historique de
la
chauffe ayant eu lieu dans le four (temps passé à certains niveaux de
température, ralentissement de la cadence suite à un incident laminoir
etc...),. Tout défaut d'homogénéité thermique entraînera des défauts de
structure et a posteriori des fragilités mécaniques des produits finis. Ces
,10 défauts peuvent également provoquer des arrêts voire des casses de
certaines parties du laminoir (notamment des cages de laminoir).
Toute optimisation de la qualité métallurgique du produit devra
respecter cette contrainte sur l'homogénéité thermique du produit. Lors de la
conduite du four par l'opérateur, le contrôle et le respect de la montée en
température du produit vont ëtre déterminant pour assurer au final le respect
de la contrainte sur l'homogénéité thermique.
II est connu de l'homme de métier que pour éviter la décarburation et
l'oxydation, il est recommandé de travailler sous atmosphère protectrice par
combustion sous-stoechiométrique (mélange riche en combustible engendrant
une atmosphère neutre, voire réductrice pour l'acier). Cette méthode est
mise en oeuvre dans les procédés de galvanisation ( voir par exemple
Galvanisation et aluminiage en continu, E. Buscarlet, Technique de
l'ingénieur, 7996).
II est également connu de US-A-4,415,415 de traiter les produits dans
~5 une atmosphère contenant au moins 3% d'oxygène en volume, et ce sur
toute la longueur du four, ce qui entraîne inexorablement la formation de
calamine mais qui permet de contrôler la qualité de calamine qui devient dans
ces conditions non adhérente et qui s' élimine facilement.
Le brevet EP-A-0767353 propose également d'intervenir sur
l'atmosphère du four en pratiquant un zonage du four, c'est à dire en isolant
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le four en plusieurs enceintes au sein desquelles une atmosphère fortement
oxydante est préconisée afin de pouvoir contrôler formation et qualité de la
calamine. Dans ce cas, la perte au feu n'est pas diminuée mais au contraire
augmentée, seul un contrôle de la qualité de calamine est assuré.
Les différentes méthodes connues de l'art antérieur suggèrent donc de
traiter les produits soit dans une atmosphère oxydante, soit dans une
atmosphère réductrice.
La mise en oeuvre de ces différentes méthodes présente en outre un
inconvénient supplémentaire pour le traitement de produits sidérurgiques. En
effet, il est important de pouvoir mesurer le caractère oxydant ou réducteur
des atmosphères mises en jeu. La seule information disponible lors de la
mise en oeuvre de ces procédés est fournie par des sondes de mesure
situées, soit dans la voûte c'est à dire loin de la surface des produits, soit
dans la cheminée du four. Ces mesures ne sont donc pas représentatives de
la composition de l'atmosphère qui interagit directement avec le produit. En
général, le seul paramètre mesurable de l'atmosphère est la teneur en
oxygène. Cette information est gënéralement insuffisante : en effet, ce n'est
pas parce que la quantité d'oxygène dans les fumées qui sortent du four est
nulle que l'atmosphère du four au contact des pièces métalliques est
2o nécessairement réductrice pour l'acier (voir par exemple, Combustion
Engineering and Gas Utilisation, Ed. British Gas, '1992, page 23). Les
espèces H20 et C02 ont aussi selon la Demanderesse un rôle d'oxydant sur
la charge et interviennent dans les réactions de formation de calamine et
dans les mécanismes de décarburation. A l'heure actuelle, on ne sait pas
mesurer ces espèces de façon simple et rapide.
Pour effectuer la conduite du four et respecter la contrainte finale de
l'homogénëité thermique du produit, l'opérateur suit un profil initial de
température du produit donné pour un four donné, en fonction du type de
charge et de production. Ce profil est soit connu de l'opérateur grâce à son
savoir faire, soit calculé à partir d'abaques, soit encore calculé à l'aide
d'un
logiciel adapté.
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Les seules informations disponibles pour l'opérateur et/ou les logiciels
de conduite de four, sont les mesures délivrées par un ou plusieurs
thermocouples situés dans la voûte du four. Ces thermocouples sont
disposés loin de la charge et ne sont pas représentatifs du flux thermique
5 reçu par la charge, sous tes brüleurs. Une estimation de la relation reliant
la
température de voüte (mesurée) et la température de la charge (information
utile) est donc nécessaire. Cette relation est soit empirique (basé sur le
savoir
faire des opérateurs) soit calculée par les logiciels de conduite de four.
Non seulement, cette mesure n'est qu'une mesure indirecte de
l'information nécessaire, mais la relation estimée peut se révéler de plus en
plus inexacte lors du vieillissement du four, des caractéristiques thermiques
des différentes charges et de la variation du type de combustible utilisé.
Enfin, cette mesure est une mesure ponctuelle habituellement située
sur l'axe du four et qui ne rend pas compte des éventuelles variations dudit
paramètre sur toute la largeur du four.
Le fait de ne pas disposer de mesures au plus près du produit a pour
conséquence une connaissance inexacte des temps caractéristiques du
processus de chauffe de ces produits . Or on a constaté que ces
caractéristiques avaient une forte influence sur les cinétiques d'oxydation et
de décarburation de ceux-ci, une estimation incorrecte de ces temps pouvant
avoir des conséquences graves sur la qualité finale métallurgique du produit.
Le but de la présente invention est de fournir un procédé de conduite
d'un four (température, composition de l'atmosphère) et un procédé de
contrôle associé, permettant d'optimiser à la fois la qualité métallurgique
d'un
produit, la perte au feu et le rendement thermique d'un four
Le procédé selon l'invention permet d'éviter les inconvénients précités
et de remplir le but visé ci-dessus.
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Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que le produit à
traiter a une température qui augmente entre le moment où il est introduit et
le moment où il est retiré du four, la courbe de montée en température ayant
une pente qui augmente dans un premier intervalle de temps compris entre
l'instant to d'introduction du produit dans le four et l'instant t1 auquel le
produït
atteint une température de surface de 650°C, une pente sensiblement
constante entre l'instant t1 et l'instant t2 auquel le produit atteint une
température d'environ 15 % inférieure à la température de surface finale
souhaitée pour le produit à traiter lorsqu'il sort du four, puis une pente qui
diminue entre l'instant t2 et l'instant t3 auquel le produit à traiter sort du
four,
procédé dans lequel on augmente la puissance de chauffe du four par rapport
à sa puissance lorsque seuls des brûleurs aéro-combustibles sont utilisés de
manière à augmenter la pente de la courbe de montée en température du
produit à traiter, au moins pendant certaines périodes de traitement du
produit
dans le four entre les instants t1 et t2, ce qui engendre une diminution de la
durée du traitement du produit à traiter et une diminution corrélative de
l'épaisseur de la couche décarburée et/ou de la couche de calamine formée à
la surface du produit.
De préférence, l'augmentation de la puissance de chauffe du four est
obtenue à l'aide de brûleurs oxy-combustibles qui constituent au moins une
partie des moyens de chauffe du four, notamment une partie des moyens de
chauffe du four correspondant à la zone atteinte par le produit entre les
instants t~ et t2. II est possible également de placer ce ou ces brûleurs) oxy-
combustible(s) dans une zone adjacente à la zone susnommée, qui
permettrait indirectement d'obtenir la même augmentation de puissance
(dans ladite zone atteinte entre les instants t1 et t2, par le produit).
D'une manière générale, le comburant fourni aux brûleurs oxy-
combustibles constituant une partie au moins des moyens de chauffe du four,
comporte au moins 88 % d'oxygène et de préférence plus de 90
d'oxygène, encore plus préférentiellement plus de 95 % d'oxygène.
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On constate en général que le temps de traitement du produit entre les
températures de 700°C et de 800°C atteintes pour la surface du
produit, est
diminué de 15% à 50% de sa valeur de référence, de préférence de 20 à 35%
de sa valeur, tandis que le temps de traitement entre les températures de
700°C et la température finale de la surface du produit, est diminué
entre 3 et
25% de sa valeur de référence, de préférence entre 7 et 15% de sa valeur de
référence.
De manière préférentielle selon l'invention, utilisée seule ou en
combinaison avec les autres variantes de l'invention, l'atmosphère du four
1o varie le long du four en fonction de la température de peau du produit
métallique.
Selon une première variante de l'invention, utilisée seule ou en
combinaison avec les autres variantes de l'invention, l'atmosphère du four au
contact du produit à traiter comporte environ 0,5 % vol à 5 % d'oxygène et de
préférence entre 1,5 vol à 4 % vol d'oxygène quand la température de peau T
à la surface du produit traitë est supérieure ou égale à la température
d'égalisation Tegai, qui est égale à 85 % de la température à la surface du
produit (température de défournement) à la sortie du four. De préférence, la
température d'égalisation Te9ai est égale à 90 % de la température de
défournement.
Selon une autre variante de l'invention, utilisée seule ou en
combinaison avec les précédentes, l'atmosphère au contact du produit à
traiter comporte une concentration en oxygène inférieure à quelques
centaines de ppm et une concentration en CO comprise entre 0,1 % et 15 %,
de préférence 0,5 % à 5 % vol lorsque la température de peau T à la surface
du produit est supérieure à 700°C et inférieure à la température
d'égalisation
du produit, définie comme étant égale à 90 % de la température de peau du
produit à la sortie du four.
Selon encore une autre variante de l'invention utilisée seule ou en
combinaison avec les précédentes, l'atmosphère au contact du produit à
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traiter comporte une concentration en oxygène comprise entre 0,5 % et 4
vol et de préférence entre 2 % et 3 % vol lorsque la température de peau T à
la surface du produit à traiter est inférieure à 700 ° C
L'invention permet une optimisation de la qualité métallurgique des
produits grâce à l'optimisation du profil de chauffe dans le four et un
contrôle
amélioré du profil de la composition de l'atmosphère du four. Ce contrôle suit
de manière continue les teneurs en 02 et/ou H20 et/ou C02 de l'atmosphère
dans les différentes zones du four, et/ou la température à la surface des
produits à traiter, sera réalisé préférentiellement à l'aide d'une diode laser
.
Ce système de diode laser appelé TDL pour « Tunable Diode Laser » en
anglais) permet en effet de mesurer la moyenne des concentrations
d'espèces gazeuses sur la longueur du chemin optique du faisceau laser.
Pour plus de détails sur les diode laser et en particulier les diode laser de
type
TDL, on pourra se reporter à l'article de Mark G. Allen intitulé « Diode Laser
Absorption Sensors for Gas Dynamic and Combustion Flows », Mes. Sci.
Technology, 9, 1998, pages 545 à 562, et incorporé dans le présent texte à
titre de référence. D'une manière générale, ces diodes laser sont des
sources de rayonnement laser dont certaines opèrent à température
ambiante alors que d'autres doivent être refroidies. Le faisceau laser émis
est en générale ajustable dans un domaine de longueur d'ondes en faisant
variér le courant d'injection dans la source laser. II suffit alors de choisir
des
sources de faisceau laser ajustables dans des domaines de longueurs
d'ondes qui correspondent à l'une au moins des raies caractéristiques du
spectre d'absorption de l'espèce pue l'on veut détecter. La diode laser sera
de préférence placée à proximité de la surface des produits, à une distance
variant entre 1 mm et 15cm, préférentiellement entre 2cm et 6cm. C'est aux
environs de la surface du produit que les valeurs de pressions partielles en
02, H20 et C02 ainsi de la température interviennent dans les mécanismes
décrits plus haut : calamine et décarburation. Ce contrôle au plus près de la
surface permet également le développement d'outils prédictifs et la bonne
mise en oeuvre de la méthode proposée.
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L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation
suivants, donnés à titre non limitatifs, conjointement avec les figures, qui
représentent
La figure 2 décrit une courbe caractéristique d'évolution de la
température du produit en fonction du temps, contrôlée selon le procédé de
l'invention.
La figure 3, décrit l'application de l'invention au four de réchauffage.
La figure 4, décrit le contrôle de la montée en température du produit,
selon l'invention.
La figure 5, décrit une courbe de température dans un four de
réchauffage en fonction du temps.
La figure 6, une courbe de variation de la .quantité de calamine en
fonction du temps.
La figure 7, un autre exemple d'une courbe de variation de la quantité
de la calamine en fonction du temps.
Sur la Fig. 2, la courbe (21) représente la courbe de chauffe du produit,
par exemple la température de peau d'une billette ou d'une brame en four de
réchauffage. Selon cette courbe, on peut définir les temps to, t1, t2 et t3
correspondant respectivement au temps to d'enfournement du produit, au
temps t1 pour lequel la température de peau atteint 650 °C, au temps t2
pour
lequel la température de peau est égale à 85 % de la température finale (ou
de défournement) Tout de la peau du produit , et enfin au temps t3 de
défournement du produit à sa température finale Tout. On définit ainsi un
intervalle de temps 01 correspondant au temps que passe la surface du
produit entre t1 et t2. On peut également définir un temps D2 correspondant au
temps passé par le produit entre t7 et t3.
Le procédé selon l'invention consiste à réduire le temps ~i de 8 % à
40% environ de sa valeur de référence et de manière préférentielle de 10
à 30% environ de sa valeur de rëférence. Ceci permet de diminuer
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l'épaisseur de la couche décarburée d'au moins 20% selon la teneur en
éléments d'alliage et spécifiquement la teneur en carbone, par rapport au
procédé de l'art antérieur utilisant soit la conduite empirique du four par un
homme de métier expérimenté soit la conduite du four par des abaques de
5 température ou un logiciel adapté. C'est en particulier la réduction du
temps
~i se traduisant par une augmentation de la pente de la courbe 52 par
rapport à la pente de la courbe 51 entre les instants t1 et t2 correspondant
aux
températures de 650° C et de 85 % de la température de peau à la sortie
du
four qui est fondamentale selon le procédé de l'invention, car on a mis en
10 évidence que c'est dans ces zones de température qu'il fallait augmenter la
pente de la courbe de chauffe du produit si l'on voulait obtenir les gains
espérés.
De la même façon, l'invention permet la réduction du temps O2 entre
5 % et 30% de sa valeur de référence et de manière préférentielle entre 7 et
15% de sa valeur de référence. Ceci permet de diminuer la masse de la
calamine entre 5 et 30% selon la nature de l'acier.
Cette réduction des temps 01 et 02 est réalisée, selon l'invention, en
augmentant l'énergie transférëe au produit pendant toute la durée de son
séjour dans le four. Cela peut être réalisé en augmentant l'énergie disponible
(ajout d'une source d'ënergie, par des brûleurs à flamme nue, des tubes
radiants ou encore des résistances électriques ou du chauffage par induction)
ou en augmentant le rendement de l'énergie disponible (enrichissement de
l'air de combustion par de l'oxygène par exemple, jusqu'à 100% de puretë),
de préférence au-delà de 90% 02 vol.
La réduction maximum de 02 est fixée par le respect de la contrainte
d'homogénéité thermique du produit en sortie de four, elle-même gouvernée
par la conduction thermique au sein du produit.
Par rapport à une situation de référence donnée (four donné,
production horaire donc vitesse de défilement des produits donnés), la
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réduction des temps Oj et 02 correspond soit à un raccourcissement du four,
soit à une accélération de la vitesse de défilement des produits.
Un deuxième aspect de l'invention consiste à contrôler le profil de
compositions des espèces de l'atmosphère dans le four et tout au long de la
traversée du four par le produit.
En effet, la composition de l'atmosphère, c'est à dire notamment la
teneur en éléments oxydants dans l'atmosphère (02, H20, C02) est un
paramètre qui intervient dans la qualité métallurgique du produit. Ainsi, pour
un profil thermique donné, on peut optimiser la qualité du produit en
maintenant une teneur en oxygène plus ou moins élevée selon la zone du
four dans laquelle on se situera.
Sur la Fig. 3 qui représente un four de réchauffage, le sens de
circulation des produits (35) ainsi que celui des fumées est indiqué. La
'courbe
(30) représente la courbe de montée en température du produit.
Lors de sa circulation dans le four de réchauffage, la charge (35) subit
une première montée en température dans la zone (32) . Ensuite, les
températures atteignent une température Td~carb~ Cette température est
typiquement de 700°C pour les aciers ~et la décarburation sera d'autant
plus
sensible à cette température que la teneur de l'acier en carbone est élevée.
Au-delà de Tdécarbs et en présence d'espèces oxydantes, les réactions de
décarburation et de formation de calamine s'accélèrent : la température à
laquelle la formation de calamine devient effective est d'environ 800°C
pour
les aciers. Le produit traverse la zone (33) puis entre dans la zone
d'égalisation (34) quand il est à la température Téga~isat~on (typiquement
1100°C). Cette zone à très haute tempërature amène le produit à sa
température finale (Tf;nai, typiquement 1200°C) et est particulièrement
critique
pour la formation de calamine.
Trois accès pour l'installation d'une diode laser sont prévus sur ce four.
L'accès (36) est situé dans la zone d'égalisation (34), l'accès (37) est situé
dans la zone de chauffe (33), l'accès (38) est situë dans la zone (32) qui
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contient la zone dite de récupération tandis que l'accès (39) est situé dans
la
cheminée (31 ).
Selon l'invention, la mesure de la concentration des espèces
oxydantes est effectuée par les accès (36), (37), (38), (39), chaque accès
recevant un faisceau laser (via une fibre optique) ou un émetteur de faisceau
laser, un récepteur étant prévu sur la paroi opposé du four (ou bien un miroir
qui renvoit le faisceau parallèlement au faisceau incident, le récepteur étant
placé à côté de l'ëmetteur).
Dans la zone (32) (température inférieure à Tdecarb)~ les débits de
combustible et comburant des brûleurs de la zone (32) devront être réglés,
selon l'invention, de manière à engendrer une teneur en oxygène dans
l'atmosphère dans cette zone (32), mesurée par la diode laser
correspondante, entre 0.5% et 4% en volume et de manière préférentielle
entre 2 et 3%.
Dans le cas où la zone (32) d'égalisation n'est pas équipée de
brûleurs, cette correction peut se faire par l'ajout de comburant par des
lances, par exemple des lances à oxygène, la quantité injectée étant
contrôlée par la mesure de teneur en oxygène de la diode laser.
La mesure est effectuée de préférence soit au plus près du produit,
dans cette zone (32) par l'accès (38), soit par l'accès (39), c'est à dire
dans le
conduit d'évacuation des fumées où la même teneur en oxygène va être
contrôlée. Si la mesure montre un défaut d'oxygène, la régulation des
brûleurs devra corriger ce défaut et augmenter le débit de comburant
(oxygène) aux brûleurs de la zone (32) ou de la zone précédente.
Dans la zone (32), une couche protectrice de Fe203 et Fe304 sera
formée et renforcée par la présence d'oxygène résiduel dans les fumées. Ces
oxydes seront formés au détriment des oxydes plus plastiques comme Fe0
ou FeSi04, qui conduisent dans ce cas à une forte adhérence de la calamine.
De plus, à faible température, le régime protecteur (stade parabolique de
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l'oxydation) s'établit plus rapidement pour les pressions partielles d'oxygène
comprises dans l'intervalle pré-cité (0,5% à 4% vol.).
Dans la zone (33) (température supérieure à Tdecarb et inférieure à
Tégarsation)~ les débits de combustible et comburant des brûleurs de la zone
(33) devront être réglés selon l'invention de manière à engendrer une teneur
en oxygène dans l'atmosphère voisine de zéro. L'atmosphère sera en défaut
d'oxygène, donc en excès de combustible et en particulier de CO. Grâce à la
mesure effectuée par l'accès (37), les brûleurs seront réglés de sorte que la
concentration en 02 voisine de zéro et la concentration en CO comprise entre
0,1 % et 15% de volume et de manière préférentielle entre 1 et 10%. Dans
cette zone à plus haute température, on cherche à limiter au maximum la
formation de calaminé et la décarburation en réduisant la concentration des
espèces oxydantes (02, C02, H2O).
Dans la zone (34) (température supérieure à Tégarsation), les débits de
combustible et comburant des brûleurs de la zone (34) devront être réglés
selon l'invention de manière à engendrer une teneur en oxygène dans
l'atmosphère comprise entre 0.5% et 5% vol. et de manière préférentielle
entre 1.5 et 4% vol.. La mesure de cette concentration est effectuée au plus
près du produit entre 1 mm et 15 cm, par l'accès (36). Dans cette zone et en
présence d'oxygène, il y a une consommation de la couche décarburée par
oxydation qui sera accompagnée d'une augmentation de porosité de la
calamine, qui facilitera son élimination en sortie de four.
L'accès (39) permet de vérifier à tout moment la concentration en CO
et en 02 dans les fumées avant leur évacuation.
Lorsque l'on contrôle ainsi l'atmosphère, selon, l'invention, la réduction
de la masse de calamine obtenue est entre 5 et 25%, selon la nature de
l'acier.
De la même façon, on note en règle générale, une réduction de
l'épaisseur de la couche décarburée d'au moins 10%, selon la teneur en
éléments d'alliage et spécifiquement la teneur en carbone.
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Les gains obtenus avec le contrôle de l'atmosphère sont cumulables
avec les gains obtenus par réduction des temps ~1 et D2 décrits ci-dessus.
La figure 4 illustre le contrôle dé la montée en température du produit
selon l'invention. L'invention consiste à permettre le contrôle de la montée
en
température du produit et le réglage des brûleurs par une mesure locale, zone
par zone et à quelques cm au-dessus de la charge, de la température de
l'atmosphère du four grâce à un système de diode laser.
Sur la figure 4, le four (41) montre l'emplacement du produit (42) et du
thermocouple (48) selon la technique de l'art antérieur. La mesure du
thermocouple (48) donne une valeur de température dans l'axe du four et loin
du produit (42).
Selon l'invention on met en place une ou plusieurs diode laser pour
mesurer une valeur de température moyenne le long du chemin optique dans
la largeur du four.
Une telle disposition permet
- Une mesure moyenne le long du four, plus représentative du
produit qu'une mesure ponctuelle en voûte.
- Une mesure proche du produit donc directement liée à la
température de surface du produit qui est à l'équilibre avec la
température du gaz en contact avec la dite surface.
- Une quantification de la relation entre température de voûte et
températuré du produit qui était effectuée empiriquement dans l'état
de l'art (en conservant le thermocouple de voûte).
Sur la figure 4, le nombre de points de mesures a ici été limité à trois.
De préférence, on utilisera entre 1 et 10 points de mesure dans un four.
Le four (41 ) est équipé des accès (43, 44, 45) situés au dessus du
produit (42).
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L'opérateur du four doit respecter au maximum un profil de montée en
température du produit (47). Ce profil est fourni à l'opérateur, soit par son
expérience soit par une abaque, soit par un logiciel de conduite de four.
Pour contrôler la montée en température du produit (47), l'homme de
5 l'art ne disposait jusque là que de la courbe (46) décrivant la température
de
la voûte dans l'axe du four, dont, par exemple, le thermocouple (48) fournit
un
point de mesure, comme illustré sur la courbe. Selon l'invention, l'homme de
l'art a maintenant accès aux mesures situées sur la courbe (47) qui sont
directement liées à la température de surface du produit. L'opérateur peut
10 donc agir sur la puissance des brûleurs pour retrouver le niveau souhaité
de
température sur la courbe (47). Si la température mesurée est trop basse,
alors l'opérateur augmentera lajpuissance de chauffage dans la zone proche
du point de mesure. A l'inverse, si la température mesurée est trop haute,
alors l'opérateur réduira la puissance dans la zone proche du point de
15 mesure.
L'ïnvention prësente également l'avantage suivant
Certains fours utilisent un logiciel dit de « Niveau 2 » pour reproduire
quelles que soient les conditions de chauffe une montée en température du
produit, selon un profil initial donné. L'homme de métier ne disposait jusqu'à
ce jour d'aucune mesure pour valider en continu l'effet du logiciel. C'est un
autre aspect de l'invention que de coupler ce logiciel avec les mesures
directes du produit selon l'invention, ce qui permet d'avoir une vérification
systématique en temps réel de la température visée du produit.
Exemple 1
Un premier exemple de mise en oeuvre est décrit à l'aide de la figure 5
qui représente la courbe de chauffe (51 ) associée à un four de réchauffage
de billettes de grande longueur. La combustion est réalisée avec des
brûleurs dont le combustible est du gaz naturel et le comburant de l'air
préchauffé, avant mise en place de l'invention. (Sur cette figure 5, les
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paramètres t1, ... et 0i, ... sont mis entre parenthèses lorsqu'ils concernent
la
courbe 51, selon l'art antérieur et sont notés sans parenthèses lorsqu'ils se
réfèrent à la courbe 52).
La mise en oeuvre de l'invention se caractérise par le remplacement
des brûleurs existants dont le comburant est de l'air, par des brûleurs dont
le
comburant a une concentration en oxygène supérieure à 21 % en volume, et
de préférence supérieure à 88%. Plus préférentiellement, le comburant sera
de l'oxygène industriellement pur. La courbe de chauffe associée est la
courbe (52). On remarque que les temps ~1 et D2 sont réduits respectivement
de 2100 à 1700 secondes et de 5300 à 4800 secondes. La qualité
métallurgique du procédé obtenu selon la courbe (52) sera nettement
améliorée, grâce au suivi de la courbe de chauffe de la fig. 5, avec
l'installation de diodes laser aux emplacements explicités en regard de la
fig.
3 et fig. 4, ou tout autre moyen de mesure permettant un contrôle convenable
de ce profil de chauffe.
La figure 6 représente la quantité de calamine produite avec la
méthode décrite ci-avant. La quantité de calamine (61) est associée à la
situation de référence, la courbe de calamine (62) est associée à la mise en
oeuvre de l'invention. Les deux courbes ont été normalisées par la valeur
maximum de l'épaisseur de calamine obtenue dans les conditions (61 ).
La mise en oeuvre du procédé selon l'invention, réduisant ~i de 19
et ~2 de 9.5 % permet de réduire la quantité de la calamine en moyenne de
8% (Fig. 6). Selon les expériences, l'épaisseur de la couche dëcarburée est
réduite entre 9 et 17%.
Exemple 2
L'exemple de réalisation ci-après a été mis en oeuvre dans un four de
réchauffage de billettes, de 33 MW de puissance et de 30m de long environ.
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Les brûleurs présents initialement sur le four sont des brüleurs dit aéro-
combustibles, l'air de combustion étant préchauffé à 300°C.
La figure 7 compare, pour un profil de chauffe identique, la quantité de
calamine produite par (courbe 71 ) en suivant une atmosphère de chauffe dont
la concentration d'oxygène dans les fumées humides est constante et égale à
3.5 % volumique, et la quantité de calamine produite (courbe 72) en suivant
une atmosphère de chauffe dont la concentration d'oxygène dans les fumées
humides varie de la manière suivante
~ environ 1.5% 02 (à 20 % près) quand la température de peau T
20 est supérieure à la température d'égalisation Tégaiisation (définie
comme étant comprise entre 85% et 90% de la température de
défournement),
~ environ 0% d'02 (jusqu'à quelques centaines de ppm) et une
concentration de CO entre environ 0.5% et 3% (à 20 % près) pour
Tdécarb < T < Tégalisation ~ Tdé~arb étant la température de début de la
d écarburation (700°C)
~ environ 2% d'02 (à 20 % près) quand fa température de peau T
est inférieure à Tdécarb
La concentration moyenne en 02 dans les fumées peut être mesurée par
une sonde à oxygène usuelle, mais il peut être préférable de mettre en
oeuvre une diode laser (de type dit « TDL ») dont le rayon passe à une
distance de moins de 6 cm environ du produit traité pour contrôler finement et
en temps réel une variation de concentration des espèces ci-dessus à la
surface du produit afin de mieux respecter le profil d'atmosphère imposé en
adéquation avec le profil de chauffe.
La mise en oeuvre selon l'invention, selon cet exemple 2, permet de
réduire l'épaisseur de la calamine de 11 % (Fig. 7). Selon les expériences,
l'épaisseur de la couche décarburée est réduite entre 12 et 20%.
