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Procédé pour améliorer le profil de température d'un four
La présente invention concerne un procédé pour améliorer le profil
de température d'un four et notamment le profil de température d'un four de
réchauffage ou de recuit de produits, plus particulièrement de produits
sidérurgiques tels que des brames ou des billettes ou des produits plats.
Les fours de réchauffage et/ou de maintien en température sont
généralement utilisés dans l'industrie sidérurgique, notamment dans le cycle
de coulée continue, dans lequel le métal liquide est coulé pour former des
produits intermédiaires qui, avant leur passage dans le laminoir en fin de
chaîne de coulée continue, passent dans au moins un four dit de réchauffage,
dans lequel le produit intermédiaire est amené ou maintenu à une température
adéquate, la plus uniforme possible,. afin d'être ensuite laminé dans les
meilleures conditions.
Un four de réchauffage de ce type et son procédé d'utilisation est
décrit, par exemple, dans EP-A-0 370 916.
Dans un four de réchauffage, il existe généralement, au moins une
zone équipée de moyens de chauffage, par exemple des brûleurs, afin
d'apporter l'énergie nécessaire au réchauffage ou au maintien en température
des produits métallurgiques. On distingue souvent trois zones principales dans
un four, notamment de réchauffage, caractérisées par des modes de transfert
thermique différents .
La zone de chauffe ou de plein feu proprement dite où se développe la
combustion (brûleurs, plasmas, chauffage auxiliaires, etc.) où la
température d'ambiance ou du produit est contrôlée et éventuellement
régulée. Cette zone se caractérise par le fait que la chaleur est produite
in-situ , cette chaleur produite étant un moyen direct du contrôle et/ou de
la régulation de la température dans cette zone.
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- La zone d'épuisement des fumées aussi appelée zone morte, où les fumées
ou l'atmosphère provenant de la zone de chauffe perdent au profit du
produit sidérurgique entrant dans le four une partie de leur énergie. Cette
zone contribue à l'optimisation du rendement thermique du procédé.
- La zone dite de récupération comportant un système de récupération qui
permet de transférer une partie de l'énergie encore présente dans les
fumées ou dans l'atmosphère qui sort du four, au comburant nécessaire à la
combustion (préchauffage du comburant). Par recyclage, cette énergie est
réintroduite dans le four, ce qui optimise plus encore le bilan énergétique
global.
Les systèmes actuels de régulation permettent, sauf limitations
extérieures, de faire travailler la zone de chauffe et le récupérateur à leur
fonctionnement nominal par simple action sur des paramètres directs de
régulation de ces zones (Puissance des brûleurs, énergies auxiliaires, échange
thermique dans le récupérateur, etc...).
Par contre, la zone morte d'un four n'est pas régulée car ies
échanges thermiques sont totalement dépendants des paramètres de
fonctionnement de la zone de chauffe et éventuellement du récupérateur. En
particulier, les profils thermiques dans ladite zone ne sont pas optimisés car
ils
dépendent des conditions de flux de matière (fumées et produits
métallurgiques) dans le four et de leurs conditions de température.
La seule contrainte qui est généralement imposée par l'utilisateur
du four est l'épuisement des fumées (échange thermique optimal entre les
fumées et les produits ou le four) dans cette zone afin de respecter la
limitation
de la température de sortie des fumées de cette zone afin de ne pas
endommager le système de récupération des fumées et de limiter les pertes
thermiques par les fumées si celles-ci ne sont pas récupérées.
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Lors de la construction du four, cette zone est donc dimensionnée
pour assurer un refroidissement suffisant des fumées provenant de la zone de
chauffe.
La figure 1 permet de mieux expliquer le fonctionnement d'un four
de réchauffage de type connu et les problèmes à résoudre pour améliorer son
fonctionnement.
Sur la figure 1, le four de réchauffage 1 est représenté
schématiquement avec les produits métallurgiques 5 avançant (grâce à un
système de longerons 14 et des moyens d'entraînement non représentés sur la
figure 1) de la droite vers la gauche, le sens d'avancement de ces produits
étant représenté par les flèches 7.
Le four 1 comporte ici une zone de chauffe 2 dans laquelle la
température varie entre 1200 C et 1400 C, cette zone 2 étant équipée de
brûleurs et comportant une ou plusieurs zones de régulation. Les brûleurs ne
sont pas représentés sur cette figure. Seul le circuit d'air chaud est
sommairement représenté (13). Le four comporte également une zone morte 3,
qui est généralement le chemin de passage préférentiel des fumées, dans
laquelle la température des fumées est généralement de l'ordre de 900 C à
1100 C, ce qui est suffisant pour préchauffer et échanger thermiquement de
façon efficace avec les produits sidérurgiques et enfin une zone sous-
chauffée 4 qui fait partie de la zone morte 3,' située généralement à
proximité
de l'entrée des produits sidérurgiques et généralement au-dessus de ceux-ci
(en particulier si la canalisation de récupération des fumées 8 est située
sous
le niveau d'entrée des produits sidérurgiques) et dont la température varie
entre 600 C et 900 C : cette température est généralement trop basse pour
préchauffer efficacement les produits sidérurgiques.
Les fumées servent à préchauffer l'air (comburant) issu du
générateur de comburant 11 via la canalisation 10, dans le récupérateur 9 d'où
le comburant sort préchauffé dans la canalisation 12 qui alimente les brûleurs
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13 en comburant (les canalisations de combustible des brûleurs ne sont pas
représentées sur la figure 1).
Dans un tel mode de fonctionnement, la zone morte 3 est peu
chauffée pendant toute la durée de la production et il existe en fait la
possibilité pour avoir, au moins pendant une partie du temps de production,
une température plus élevée dans cette zone afin d'avoir un meilleur
préchauffage des produits sidérurgiques.
Cependant, cette augmentation de température dans la zone morte
ne doit pas se traduire par une augmentation corrélative de la température des
fumées à la sortie du four. En effet, si l'on est capable d'augmenter la
température de la zone morte (et donc des fumées) d'environ 200 C, par
exemple, le problème qui se pose est que l'on ne veut pas que ces fumées
sortent du four à une température qui soit supérieure de 200 C à leur
température de,sortie habituelle. En effet, s'il n'existe pas de récupérateur
en
sortie de four, la température des fumées étant plus élevée de 200 C, c'est
toute l'énergie thermique correspondante qui est perdue et le bilan thermique
(donc financier) du four devient inacceptable. De même, s'il existe un
récupérateur (comme décrit sur la figure 1), celui-ci travaillant
habituellement à
une température proche de sa température maximale (autrement dit, la
température des fumées entrant dans le récupérateur est proche de la
température maximale que peut supporter le récupérateur sans subir de
dommages), il n'est pas possible de l'alimenter avec des fumées dont la
température aurait été augmentée de 200 C. Par conséquent, l'homme de
métier est confronté au problème de l'augmentation substantielle de la
température de la zone morte du four, et notamment sa température de voûte
sans augmentation substantielle corrélative de la température des fumées à la
sortie du four.
L'invention permet de résoudre le problème technique ainsi posé.
Dans ce but l'invention prévoit d'utiliser des moyens de chauffe
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complémentaires, placés dans la zone morte (3) du four (ou ayant une action
thermique sur la zone morte du four), sans création substantielle de fumées
additionnelles, de manière à éviter ainsi tout transfert substantiel
d'énergie, et
notamment l'énergie engendrée par ces moyens de chauffe complémentaires,
5 par l'intermédiaire des fumées (et notamment des fumées additionnelles).
Par création substantielle de fumées additionnelles, on entend, selon
l'invention, la création d'au moins 10% en volume de fumées additionnelles,
par rapport au volume des fumées créées dans le four en l'absence des moyens
de chauffe complémentaires.
Par conséquent, selon l'invention, les moyens de chauffe complé-
mentaires seront dimensionnés de manière à ne pas créer plus de 10% vol. des
fumées additionnelles, et de préférence pas plus de 5% vol. de fumées addi-
tionnelles, par rapport au volume de fumées crées par les autres brûleurs du
four, en l'absence de ces moyens de chauffe complémentaires (les autres
brûleurs du four fonctionnant de manière identique dans les deux cas, aux fins
de comparaison de volumes de fumées). L'énergie produite par ces moyens
complémentaires pourra représenter jusqu'à 20 % de l'énergie totale fournie
(ou
encore jusqu'à 25 % de la puissance initiale installée).
En accord avec l'invention, on prévoit donc un procédé pour
augmenter de façon permanente ou temporaire la productivité et/ou la qualité
du produit réchauffé en améliorant le profil de température d'un four de
réchauffage de produits, ledit four comportant au moins une première zone dite
zone morte, dans laquelle les produits introduits dans le four sont réchauffés
au
contact des fumées issues d'une deuxième zone, située en aval de la première
dans le sens de défilement des produits dans le four, cette deuxième zone
comportant des moyens de chauffage principaux, engendrant une puissance
initiale installée, généralement du type brûleurs air-combustible, où des
moyens de chauffe complémentaires, dimensionnés de manière à fournir au
moins 10 % de la puissance initiale installée et jusqu'à 25 % de celle-ci sont
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installés dans la zone morte du four, lesdits moyens de chauffe
complémentaires créant au plus 10% en volume de fumées additionnelles par
rapport au volume de fumées créées dans la zone de chauffe par les moyens de
chauffage principaux en l'absence de moyens de chauffe complémentaires dans
la zone morte.
Aussi en accord avec l'invention, on prévoit un four de chauffage de
produits comportant une première zone équipée de moyens de chauffe
complémentaires classés parmi les brûleurs oxycombustible, les résistances
électriques chauffantes et les brûleurs régénératifs et une deuxième zone
comportant au moins un brûleur aérocombustible, et des moyens de chauffe
complémentaires, dimensionnés de manière à fournir au moins 10 % de la
puissance initiale installée et jusqu'à 25 % de celle-ci étant installés dans
la
zone morte du four, lesdits moyens de chauffe complémentaires créant au plus
10% en volume de fumées additionnelles par rapport au volume de fumées
créées dans la zone de chauffe par les moyens de chauffage principaux en
l'absence de moyens de chauffe complémentaires dans la zone morte.
Les moyens de chauffe complémentaires, selon l'invention, seront de
préférence des brûleurs dont le comburant de l'un au moins de ces brûleurs est
enrichi à l'oxygène (plus de 21% Os dans l'oxygène), de préférence des
brûleurs dont le comburant comporte plus de 88% vol. d'oxygène (par exemple,
de l'oxygène fourni par un appareil de séparation des gaz de l'air par
adsorption
de type VSA , bien connu de l'homme de l'art) et plus préférentiellement de
l'oxygène industriellement pur à plus de 95% d'oxygène en volume, le
complément étant de préférence, essentiellement de l'argon et de l'azote. Le
comburant pourra comporter de 1 % à 10 % en volume d'argon et/ou de 0,1 % à
10 % en volume d'azote. Bien entendu, un comburant contenant 100%
d'oxygène convient parfaitement.
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D'autres moyens de chauffe que les brûleurs à oxygène peuvent
convenir, notamment ceux qui n'engendrent aucune fumée supplémentaire
comme les panneaux radiants (résistances électriques chauffantes), les
brûleurs radiants ou encore les brûleurs de type régénératifs qui ne génèrent
pratiquement que très peu de fumées additionnelles dans le circuit normal des
fumées car ils sont prévus pour aspirer l'air extérieur, le préchauffer par
échange thermique avec un volume de fumées équivalent lui aussi aspiré dans
le four, rejeter les fumées hors du four dans un circuit de fumées spécifique
après épuisement thermique de celles-ci et utilisation de l'air ainsi
préchauffé comme (au moins une partie du) comburant dans le brûleur.
Les moyens de chauffe complémentaires seront généralement
disposés dans la zone morte, à l'opposé du conduit d'évacuation des fumées
vers le récupérateur, (lorsqu'il existe un tel récupérateur). L'évacuation des
fumées étant souvent en partie basse du four, les moyens de chauffe
complémentaires seront donc de préférence placés dans la partie haute (vers
la voûte) du four. La situation inverse reste cependant possible.
Diverses dispositions de ces moyens de chauffe additionnels sont
possibles. Par exemple, un ou plusieurs brûleurs (ou équivalent) dans la paroi
(fig. 2) du four, juste au-dessus de la zone d'entrée des produits dans le
20 four ou bien un ou plusieurs brûleurs dans un bloc (ou une niche) de
traverse
21 (fig. 2) placé dans la voûte ou encore sur la paroi frontale au chargement
22, de préférence à la limite aval de la zone morte (dans le sens de
défilement du produit) avec des flammes orientées soit vers l'entrée du
produit
dans le four (dans le sens des fumées), soit vers la sortie'des produits du
four
(à contre courant des fumées) ou une combinaison des deux ou bien un ou
plusieurs brûleurs dans au moins une des parois latérales du four, au niveau
des produits, dans la zone morte ou bien une combinaison de ces différentes
options.
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Pour l'installation des moyens de chauffe complémentaires selon
l'invention dans un four, on peut distinguer généralement trois situations
différentes, notamment dans le cas des fours de réchauffage :
La première, dans laquelle la puissance délivrée par les brûleurs
dans la zone de chauffe est importante et l'on atteint la limite maximale de
température de voûte du four, tandis que les fumées sont évacuées du four
après passage dans la zone morte à une température qui est assez éloignée
de la température maximale d'entrée des fumées dans le récupérateur. Dans
ce type, de configuration, il n'est pas possible de chauffer plus, en amont,
(dans
la zone de chauffe) avec les brûleurs existants, même si les températures des
parois et de la voûte en zone morte sont trop faibles pour assurer un bon
préchauffage des produits sidérurgiques.
La seconde, dans laquelle, contrairement à la précédente, la
température des fumées en sortie de zone morte est maximale, tandis que la
température de la voûte dans la zone de chauffe est nettement inférieure à la
température maximale que peut supporter cette voûte. Dans cette
configuration, on ne peut augmenter la puissance en zone de chauffe, sous
peine d'endommager la voûte dans la zone morte et/ou le récupérateur.
Enfin la troisième, dans laquelle ni la température en zone de
chauffe, ni la température des fumées en zone morte, n'atteignent leurs
valeurs maximums, ce qui se traduit par des températures de voûte inférieures
aux maxima à la fois dans la zone de chauffe et dans la zone morte.
La présente invention consiste en la mise en oeuvre d'un moyen de
chauffe complémentaire qui permet d'augmenter les transferts thermiques au
produit dans la zone morte sans engendrer de transfert d'énergie important
vers l'évacuation des fumées au four. Dans ce but, ce moyen de chauffage
additionnel permet notamment de porter tout ou partie de la zone morte à sa
température maximale admissible TR,ax Voûte, cette température dépendant
généralement de la géométrie et des éléments constitutifs du four, le choix
des
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moyens additionnels de chauffage et de la vitesse, notamment, de circulation
des fumées étant tel que la température desdites fumées ne dépasse pas la
température maximale admissible Tmax Fumées.
Ce reprofilage de température apportera le transfert thermique
maximal possible dans cette portion du four.
Dans les espaces où la température est nettement inférieure aux
limitations réelles de l'installation ou aux limites des pertes thermiques
acceptables, les transferts thermiques aux produits sont très largement
inférieurs au potentiel (quasi-absence de transferts radiatifs et faibles
transferts
convectifs).
La limite maximale de température au niveau du récupérateur est
généralement de l'ordre de 900 C. Selon un autre aspect de l'invention, il est
donc nécessaire de contrôler la température des fumées en sortie de four de
manière à maintenir celle-ci en dessous de la valeur limite (par exemple 900 C
dans l'exemple ci-dessus), par exemple en régulant le moyen de chauffe
complémentaire grâce à la mesure de la température des fumées en sortie de
four.
En pratique, on a constaté par la mise en oeuvre de l'invention
décrite ci-dessus que la puissance totale délivrée dans le four est supérieure
de 5 à 20% de la puissance initiale. Le profil de température en entrée de
four
est plus élevé (900 C à 1200 C), notamment dans des zones très peu
valorisées auparavant (600 C-900 C). L'augmentation de production
engendrée se situe entre 5% et 25%, suivant les puissances installées. La
perte d'énergie dans ces conditions reste inférieure à 5 %.
En plus de l'augmentation de production et/ou de productivité
engendrée par l'invention, celle-ci permet également des gains opératoires
multiples et notamment :
amélioration de l'uniformité en température du produit,
amélioration de la qualité de surface du produit,
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réduction des déformations de produits.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de l'exemple de réalisation
suivant, mis en oeuvre sur un four de réchauffage, conjointement avec la fig.2
qui représente une mise en oeuvre de l'invention.
On a installé des brûleurs oxycombustibles dans la zone morte
d'un four dont la puissance représente environ 10% de la puissance
aérocombustible existant sur le four.
En l'absence de ces brûleurs oxycombustibles, la température dans
la zone morte du four testé était typiquement d'environ 650 C et la
température
en tête de récupérateur était d'environ 820 C (inférieure à 850 C).
Après installation de brûleurs oxycombustibles utilisant de
l'oxygène du type VSA (l'oxygène fourni pour le comburant comporte plus
de 88 % 02, de préférence plus de 95 % vol. 02, le complément étant de l'azote
et de l'argon) et une température de régulation portée à 900 C dans la zone
morte, il n'y a pas d'augmentation notable de la température en tête de
récupérateur. Le reprofilage de la température de voûte engendre une
augmentation de production de 5%, pour une augmentation de la puissance de
5%.
La même configuration aérocombustible engendrerait une
augmentation de la température des fumées de 20 C, ce qui ne serait pas
compatible avec un fonctionnement du récupérateur en toute sécurité ( la
température maximale étant atteinte).
Selon l'invention, quand la régulation de température à une valeur
de consigne a été portée à 1100 c dans la même zone (3) dite morte avant
ajout des moyens d'oxycombustion), on a noté une augmentation de production
qui atteint 10% et une augmentation de température au niveau du
récupérateur qui reste limitée à moins. de 20 C. Ce fonctionnement optimisé
permet d'obtenir le meilleur profil de température de voûte du four sans
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engendrer de perte thermique inutile et sans risque notamment pour le
récupérateur.
Par comparaison, un fonctionnement similaire mais avec des
brûleurs aéro-combustible rajoutés dans la zone morte engendre des
5 pertes supplémentaires dues à cette zone morte ainsi chauffée, quatre fois
supérieures (approximativement le ratio des fumées aérocombustibles / fumées
oxycombustibles), la température en tête de récupérateur augmentant de
100 C, fonctionnement non autorisé par sécurité pour le récupérateur.
Sur la figure 2, les mêmes éléments que ceux de la figure 1 portent
10 les mêmes références. On a schématisé au-dessus de la zone morte 4 les
canalisations 16, 17 d'arrivée d'oxygène issu du générateur d'oxygène 18,
alimentant trois brûleurs oxycombustibles (20) placés dans une paroi latérale
du four 1 (on retrouve les mêmes brûleurs dans la paroi opposée à celle-ci).
Le repère 21 représente une autre implantation possible des
brûleurs (supplémentaires) oxycombustibles dans la voûte du four pour le
chauffage complémentaire de la zone morte 3. Les brûleurs supplémentaires
peuvent également être implantés dans la zone 4 (partie de la zone 3) peu
chauffée du four, par exemple à l'emplacement du repère 22 sur la figure 2. La
figure 2a qui est un agrandissement d'une partie de la zone morte 3 du four,
montre l'implantation possible de ces différents brûleurs 20 et/ou 21 et/ou 22
et
leurs flammes respectives 23, 24 d'une part pour les brûleurs 21 et 25 d'autre
part pour le brûleur 22. Comme expliqué ci-avant, on peut ne choisir qu'une
seule flamme 23 ou 24,ou éventuellement les deux (une à contre-courant des
fumées, l'autre dans le sens des fumées).
Le procédé selon l'invention apporte aussi une flexibilité aux
moyens de production d'un utilisateur de fours, car les moyens additionnels ou
complémentaires peuvent être arrêtés ou mis en puissance (arrêt ou marche)
selon les besoins de production/productivité du four.
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Il s'ensuit que le four fonctionnera, selon l'invention, avec une
température dans la zone dite de récupération et/ou épuisement des fumées
qui peut très nettement être supérieure à la température limite du
récupérateur.
