BE1017683A3 - Procede, dispositif et systeme de traitement thermique d'une bande metallique en defilement. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de traitement thermique d'une bande métallique 5 en défilement, comprend: - un chauffage 2a, 2b de la bande 5, - un refroidissement 3 de la bande 5 chauffée, et - un transfert de chaleur par conduction d'au moins un segment 5b de la bande 5 en cours de refroidissement vers au moins un segment 5a de la bande 5 en cours de chauffage, de matière à effectuer au moins une partie de chacun desdits refroidissement 3 et chauffage 2a, 2b de la bande 5. L'invention concerne aussi un dispositif de transmission de chaleur 6 pour effectuer ledit procédé et comportant au moins un élément solide conducteur de chaleur, comme par exemple un rouleau 13, ainsi qu'un système de traitement thermique d'une bande métallique 5 en défilement incorporant un tel dispositif 6.

Description

“Procédé, dispositif et système de traitement thermique d'une bande métallique en défilement”

La présente invention se rapporte à un procédé, un dispositif et un système de traitement thermique d’une bande métallique en défilement.

Dans le domaine métallurgique, il est généralement connu de l’homme du métier de traiter thermiquement des bandes métalliques afin, par exemple, de modifier la structure cristalline du métal pour améliorer ses caractéristiques mécaniques ou autres. D’une manière particulièrement avantageuse, un tel procédé peut être effectué de manière continue, en faisant circuler la bande métallique à travers une pluralité de zones à différentes températures. Ceci permet, par exemple, d’intégrer le traitement thermique de la bande métallique dans une ligne de production continue, avec des avantages certains d’efficacité économique.

Un type de procédé de traitement thermique est celui dit de recuit. Dans un procédé de recuit le métal est chauffé pour atteindre des températures allant, par exemple, de 500°C à 1100°C et ensuite refroidi afin de modifier la structure cristalline du métal. Un inconvénient d’un tel procédé, ainsi que d’autres procédés de traitement thermique, est sa grande consommation énergétique. Dans la production d'acier, il est fréquent de devoir recuire des tôles après un refroidissement préalable, par exemple dans le cas d'un laminage à froid. Dans des installations de recuit continu classiques, le chauffage de la tôle est obtenu par défilement de celle-ci devant des tubes radiants dans lesquels circulent des gaz de fumée provenant de la combustion d'un combustible et d'air. Dans ces installations, on a déjà prévu une récupération de la chaleur des fumées sortant des tubes radiants pour préchauffer l'air de combustion. Toutefois, étant donné les pertes de chaleur par les fumées et les fuites dans l'enceinte de l'installation de recuit, la chaleur consommée vaut, malgré cette récupération, de l'ordre de 1,7 fois la chaleur retrouvée dans la tôle, ce qui correspond à un rendement de 60 %.

Typiquement, pour un recuit à 800° C, il est produit 50 kg de C02/t d’acier, si le gaz combustible est du méthane. Etant donné que, après le cycle thermique, la température de l'acier revient à sa température initiale, c'est-à-dire celle d'avant recuit, la chaleur consommée se retrouve en totalité dans l'atmosphère, et/ou dans l'agent de refroidissement.

Si l'isolation des parties chaudes de l'installation et l'amélioration de l'efficacité des récupérateurs sur les fumées permettent d'améliorer le rendement global, il est extrêmement difficile de réduire radicalement la consommation énergétique, sans toucher au fondement même du système de chauffage et de refroidissement.

On a également prévu d'améliorer le rendement du refroidissement d'objets en acier, tels que des tubes, soumis à un recuit continu puis à un refroidissement en plusieurs étapes. Pour ce faire, le gaz de refroidissement est soufflé en cascade sur les tubes, d'une étape de refroidissement à la précédente, tel que décrit dans la demande internationale de brevet WO 00/25076. Ce procédé, bien que performant en théorie, ne permet pas une mise en pratique industrielle sur des lignes de recuit de tôles à forte capacité de chauffe, de l'ordre de plus de 40 t/h. Il est en effet impossible de collecter de manière efficace les flux de gaz réchauffés et refroidis successivement dans les différentes sections de la cascade.

Pour cette raison, il a été aussi proposé d’utiliser des procédés régénératifs, où au moins une partie de la chaleur retirée de la bande métallique pendant son refroidissement est utilisée pour la préchauffer. Un tel procédé régénératif, décrit dans la demande internationale WO 2004/063402 et formant l’état de la technique le plus proche, comporte un chauffage de la bande, un refroidissement de la bande chauffée, et un transfert de chaleur d’au moins un segment de la bande en cours de refroidissement vers au moins un segment de la bande en cours de chauffage, de manière à effectuer au moins une partie de chacun deidits refroidissement et chauffage de la bande.

Toutefois, dans cet état de la technique, ledit transfert de chaleur s’effectue par circulation d’un gaz caloporteur. Ceci présente les inconvénients de n’offrir qu’un taux réduit de transfert de chaleur et d’exiger un apport énergétique supplémentaire pour actionner la circulation du gaz caloporteur. En augmentant le taux de circulation du gaz au delà d’un certain point, tout gain en transfert de chaleur est plus que compensé par le travail additionnel nécessaire pour faire circuler le gaz plus vite.

Le problème à résoudre est donc la réduction de la consommation énergétique dans un procédé de traitement thermique d’une bande métallique en défilement.

Dans la présente invention, ce problème est résolu en effectuant ledit transfert de chaleur principalement par conduction. De cette manière, la chaleur est transmise de manière très efficace sans nécessité d’un apport énergétique supplémentaire important en forme de travail. Le transfert de chaleur par conduction est la forme de transfert de chaleur la plus efficace.

De préférence, ledit transfert de chaleur est effectué d’une pluralité de segments de la bande en cours de chauffage vers une pluralité de .segments de la bande en cours de refroidissement en ordre inversé dans le sens de défilement de la bande. De cette manière il est possible d’effectuer un transfert de chaleur important tout en maintenant des gradients de température modérés, et donc en évitant des tensions internes et des déformations de la bande métallique.

De préférence, dans ladite étape de chauffage de la bande, la bande est chauffée en outre par une source de chaleur externe à la bande. De cette manière un différentiel thermique servant à impulser ledit transfert de chaleur est crée entre la bande en cours de refroidissement et la bande en cours de chauffage.

De préférence, ledit transfert de chaleur est opéré par l’intermédiaire d’au moins un élément solide conducteur de chaleur en contact avec un segment de la bande en cours de chauffage et un segment de la bande en cours de refroidissement. De cette manière, la conduction de chaleur entre le segment de la bande en cours de chauffage et le segment de la bande en cours de refroidissement est assurée par ledit élément solide.

De préférence, ledit au moins un élément solide conducteur de chaleur est en forme de rouleau, de préférence métallique. Un tel rouleau peut assurer un contact continu, et donc une bonne conduction de chaleur, avec les deux segments de la bande en défilement.

De préférence, le segment de la bande en cours de refroidissement est en contact avec ledit rouleau sous un angle de contact d’au moins 20°, de préférence d’au moins 30°. Avec un tel angle de contact, il est possible d’offrir une bonne surface de contact entre rouleau et bande, et donc un bon transfert thermique.

De préférence, le segment de la bande en cours de chauffage est en contact avec ledit rouleau sous un angle de contact d’au moins 20°, de préférence d’au moins 30°.

De préférence, la différence de température entre un segment de bande métallique en cours de refroidissement et un segment de bande en cours de chauffage entre lesquels a lieu au moins une partie dudit transfert de chaleur par conduction est d’au moins 200°C et/ou au dessous de 500°C. Une telle différence de température permettrait un transfert de chaleur efficace, sans provoquer un choc thermique excessif dans la bande métallique.

La présente invention se rapporte aussi à un dispositif de transmission de chaleur pour simultanément chauffer une bande métallique en défilement en amont d’une zone de chauffage additionnel et la refroidir en aval de ladite zone de chauffage additionnel. Afin d’effectuer un transfert de chaleur efficient sans nécessité d’apport énergétique significatif en forme de travail, le dispositif comporte au moins un élément solide conducteur de chaleur destiné à être en contact avec ladite bande métallique tant en amont qu’en aval de la zone de chauffage principal, de manière à transférer de la chaleur par conduction entre au moins un segment de la bande métallique en aval et au moins un segment de la bande métallique en amont.

De préférence, le dispositif comporte une série de plusieurs éléments solides conducteurs de chaleur, par exemple cinq, pour successivement contacter ladite bande métallique tant en amont que, en ordre inversé dans le sens de défilement de la bande, en aval de la zone de chauffage principal, de manière à transférer de la chaleur par conduction entre des segments de la bande métallique en aval et des segments de la bande métallique en amont. De cette manière il est possible d’assurer un chauffage progressif de la bande en cours de chauffage et un refroidissement tout aussi progressif de la bande en cours de refroidissement, afin d’éviter les chocs thermiques tout en assurant un transfert significatif de chaleur.

De préférence, le dispositif comporte en outre au moins un rouleau déflecteur afin de définir un angle de contact, de préférence d’au moins 20°, entre ladite bande métallique en amont et/ou en aval du four et ledit élément solide conducteur de chaleur en forme de rouleau.

La présente invention se rapporte aussi à un système de traitement thermique, en particulier de recuit, en continu d’une bande métallique en défilement comportant une zone de chauffage principal et un dispositif de transmission de chaleur suivant l’invention.

Des détails concernant l'invention sont décrits ci-après, de manière illustrative, mais non restrictive, faisant référence aux dessins.

La figure 1 montre un schéma d’un procédé antérieur, la figure 2 montre un schéma d’un procédé suivant un mode de réalisation de l'invention, la figure 3 montre un système de traitement thermique suivant un mode de réalisation de l’invention, la figure 4 montre un système de traitement thermique suivant un mode de réalisation alternatif de l’invention, la figure 5 montre un dispositif de transmission de chaleur suivant un mode de réalisation de l’invention, et la figure 6 montre des courbes de chauffage et de refroidissement de la bande métallique qui peuvent être obtenues avec le dispositif de transmission de chaleur de la figure 5.

Dans la figure 1, un procédé conventionnel de recuit en continu d’une bande d’acier en défilement est schématiquement illustré. Après un nettoyage 1 de la bande, celle-ci est chauffée de 30°C à 800°C dans une étape de chauffage 2 dans un four à tubes radiants. Ceci précise un apport énergétique Q de 210 kW par tonne d’acier, sous forme de gaz naturel, produisant par sa combustion 50 kg de CO2 et 80 mg de NOx par tonne d’acier.

Ensuite, pour évacuer une chaleur Q’ dans le refroidissement 3 de la bande jusqu’à 450°C, on précise de 2 m3 d’eau par tonne d’acier, ainsi que d’un apport énergétique supplémentaire W sous forme d’électricité de 20 kW par tonne d’acier afin de faire circuler le ou les fluides de refroidissement.

Le coût ainsi que l’impact environnemental de ce procédé conventionnel ne sont donc pas négligeables.

Dans la figure 2, un mode de réalisation du procédé de la présente invention est représenté schématiquement. Comme dans le procédé conventionnel de la figure 1, la bande d’acier est chauffée après un nettoyage 1. Toutefois, dans ce procédé, le chauffage est divisé dans une étape de préchauffage 2a dans laquelle la bande d’acier est préchauffée de 30°C à 450°C, et une étape de chauffage principal 2b dans un four à tubes radiants, dans laquelle la bande est chauffée de 450°C à 800°C. La chaleur Q’ transférée à la bande dans l’étape de préchauffage 2a provient du refroidissement 3 de la même bande de 800°C à 450°C et est transmise par conduction. Avec ce procédé, il suffit d’un apport énergétique Q-Q’ dans le four à tubes radiants, réduisant la consommation de gaz naturel à un équivalent de 120 kW par tonne d’acier, ne produisant de cette manière que 30 kg de CO2 et 45 mg de NOx par tonne d’acier. Par ailleurs, le refroidissement peut s’effectuer sans consommation d’eau et sans nécessité d’effectuer un travail pour faire circuler un fluide de refroidissement. Le coût et l’impact environnemental de ce procédé suivant l’invention sont donc sensiblement moindres.

La figure 3 représente un système 4 de recuit en continu d’une bande d’acier 5 en défilement, suivant un mode de réalisation de l’invention. Ce système 4 comporte un dispositif 6 de transmission de chaleur par conduction pour le préchauffage 2a et le refroidissement 3 de la bande 5, et un four 7 à tubes radiants 8 pour le chauffage additionnel 2b de la bande 5. Dans le mode de réalisation représenté dans cette figure 3, le four 7 à tubes radiants 8 est du type vertical. Toutefois, on peut aussi considérer, comme illustré dans la figure 4, l’alternative d’un arrangement horizontal du four 7 à tubes radiants 8.

Le dispositif 6 de transmission de chaleur est illustré en plus grand détail dans la figure 5. La bande 5 entre dans le dispositif 6 par l’ouverture d’entrée 9 et traverse ledit dispositif 6 dans le sens 10 jusqu’au four 7 en se préchauffant. Après le chauffage principal 2b, la bande 5 ressort du four et traverse le dispositif 6 dans le sens opposé 11 jusqu’à l’ouverture de sortie 12 en se refroidissant.

Le dispositif 6 comporte un alignement de sept rouleaux conducteurs de chaleur 13 et deux alignements de six rouleaux déflecteurs 14, un de chaque côté de l’alignement de rouleaux conducteurs 13. Dans le mode de réalisation illustré, tant les rouleaux conducteurs 13 que les rouleaux déflecteurs 14 ont un diamètre de 800 mm. Toutefois, des diamètres alternatifs pour chaque rouleau, ainsi que des arrangements avec des dispositions et nombres différents de rouleaux pourraient être envisagés par l’homme du métier selon les circonstances. Les rouleaux conducteurs 13 doivent avoir un diamètre capable d’assurer une bonne surface de contact avec la bande 5 avec une vitesse de rotation comparativement réduite, tout en évitant une déformation plastique de la bande 5. Les rouleaux déflecteurs 14 doivent aussi avoir un diamètre évitant une déformation plastique de la bande 5. Selon les paramètres géométriques et mécaniques de la bande 5, les rouleaux conducteurs 13 et déflecteurs 14 peuvent donc avoir des diamètres se trouvant, par exemple, dans une plage entre les 400 et les 1600 mm.

À cause de la dilatation thermique de la bande 5, la vitesse de la bande 5 en cours de refroidissement est normalement supérieure à sa vitesse en cours de chauffage. Plusieurs solutions sont envisageables par l’homme du métier pour éviter un glissement partiel de la bande 5 sur un rouleau conducteur 13. Par exemple, le rouleau conducteur 13 pourrait avoir un rayon angulairement variable permettant d’ajuster le rayon effectif du rouleau conducteur 13 à la vitesse de la bande 5 de chaque côté du rouleau conducteur 13. Une autre solution envisageable est que le rouleau conducteur 13 soit divisé en segments radiaux, présentant une certaine liberté de mouvement angulaire relativement les uns aux autres.

Quand une bande 5 traverse le dispositif 6 tant en cours de préchauffage qu’en cours de refroidissement, les rouleaux déflecteurs 14 maintiennent des segments 5a de la bande 5 en cours de préchauffage et des segments 5b de la bande 5 en cours de refroidissement simultanément en contact avec les rouleaux conducteurs 13 sous des angles de contact a. Des différents angles de contact a sont envisageables par l’homme du métier selon les circonstances. Chaque rouleau conducteur 13 transfère ainsi de la chaleur par conduction d’un segment 5b de la bande 5 en cours de refroidissement à un segment 5a de la bande en cours de chauffage. Comme la bande 5 traverse le dispositif 6 dans des sens opposés 10,11 en cours de préchauffage et en cours de refroidissement, la bande 5 contacte les rouleaux conducteurs 13 en ordre inversé dans son défilement en cours de chauffage et en cours de refroidissement. Cette conduction de chaleur sera donc effectuée entre le dernier segment 5b de la bande 5 en cours de refroidissement et le premier segment 5a de la bande 5 en cours de préchauffage, entre l’avant-dernier segment 5b de la bande 5 en cours de refroidissement et le deuxième segment 5a de la bande 5 en cours de préchauffage, et ainsi de suite. De cette manière, les températures de la bande 5 en cours de refroidissement et en cours de préchauffage suivent, respectivement, les courbes 15 et 16 le long du dispositif 6, telles qu’illustrées sur la figure 6. Comme on peut apprécier dans cette figure, cette configuration permet un préchauffage et un refroidissement progressifs de la bande 5. Les paliers 17 correspondent aux températures des rouleaux conducteurs 13, chacune d’entre elles étant intermédiaire de celles des segments 5a et 5b avec lesquels le rouleau conducteur 13 respectif est en contact.

Le tableau 1 présente les paramètres d’un mode de réalisation du procédé de traitement thermique de l’invention dans le dispositif 6 décrit ci-dessus avec une bande 5 avec 1 mm de grosseur, 1500 mm de largeur et un vitesse de défilement de 150 m/min pour une production de 106 tonnes par heure.

Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l’invention telle que définie par les revendications. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

REFERENCES DES FIGURES

1 Nettoyage 2 Chauffage 2a Préchauffage 2b Chauffage principal 3 Refroidissement 4 Système de recuit en continu 5 Bande d’acier 5a Segment de la bande en cours de préchauffage 5b Segment de la bande en cours de refroidissement 6 Dispositif de transmission de chaleur 7 Four à tubes radiants 8 Tubes radiants 9 Ouverture d’entrée 10 Sens de défilement de la bande en cours de préchauffage 11 Sens de défilement de la bande en cours de refroidissement 12 Ouverture de sortie 13 Rouleau conducteur 14 Rouleau déflecteur 15 Courbe de préchauffage 16 Courbe de refroidissement 17 Températures des rouleaux conducteurs

Table 1 : Paramètres de fonctionnement du dispositif 6

Claims (14)

1. Un procédé de traitement thermique d’une bande (5) métallique en défilement, comprenant : - un chauffage (2a,2b) de la bande (5), - un refroidissement (3) de la bande (5) chauffée, et - un transfert de chaleur d’au moins un segment (5b) de la bande (5) en cours de refroidissement vers au moins un segment (5a) de la bande (5) en cours de chauffage, de manière à effectuer au moins une partie de chacun desdits refroidissement et chauffage (3 ; 2a,2b) de la bande, et caractérisé en ce que ledit transfert de chaleur s’effectue principalement par conduction.

2. Un procédé suivant la revendication précédente, dans lequel ledit transfert de chaleur est effectué d’une pluralité de segments (5a) de la bande (5) en cours de chauffage vers une pluralité de segments (5b) de la bande (5) en cours de refroidissement en ordre inversé dans le sens de défilement de la bande (5).

3. Un procédé suivant la revendication 1, dans lequel, dans ladite étape de chauffage (2a,2b) de la bande, la bande est chauffée en outre par une source de chaleur externe à la bande.

4. Un procédé suivant l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit transfert de chaleur est opéré par l’intermédiaire d’au moins un élément solide conducteur de chaleur en contact avec un segment (5a) de la bande (5) en cours de chauffage et un segment (5b) de la bande (5) en cours de refroidissement.

5. Un procédé suivant la revendication 4, dans lequel ledit au moins un élément solide conducteur de chaleur est en forme de rouleau (13), de préférence métallique.

6. Un procédé suivant la revendication 5, dans lequel le segment (5b) de la bande (5) en cours de refroidissement est en contact avec ledit rouleau (13) sous un angle de contact d’au moins 20°, de préférence au moins 30°.

7. Un procédé suivant l’une quelconque des revendications 5 ou 6, dans lequel le segment (5a) de la bande (5) en cours de chauffage est en contact avec ledit rouleau (13) sous un angle de contact d’au moins 20°, de préférence au moins 30°.

8. Un procédé suivant l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la différence de température entre un segment (5b) de bande métallique (5) en cours de refroidissement et un segment (5a) de bande (5) en cours de chauffage entre lesquels a lieu au moins une partie dudit transfert de chaleur par conduction est d’au moins 200°C.

9. Un procédé suivant l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la différence de température entre un segment (5b) de bande métallique (5) en cours de refroidissement et un segment (5a) de bande (5) en cours de chauffage entre lesquels a lieu au moins une partie dudit transfert de chaleur par conduction est au dessous de 500°C

10. Un dispositif de transmission de chaleur (6) pour simultanément chauffer une bande métallique (5) en défilement en amont d’une zone de chauffage principal (7) et la refroidir en aval de ladite zone de chauffage principal (7), caractérisé en ce qu’il comporte au moins un élément solide conducteur de chaleur qui est en contact avec ladite bande métallique (5) tant en amont qu’en aval de la zone de chauffage principal (7), de manière à transférer de la chaleur par conduction entre au moins un segment (5b) de la bande métallique (5) en aval et au moins un segment (5a) de la bande métallique (5) en amont.

11. Un dispositif (6) suivant la revendication 10, comportant une série de plusieurs éléments solides conducteurs de chaleur, pour successivement contacter ladite bande métallique (5) tant en amont que, en ordre inversé dans le sens de défilement de la bande (5), en aval de la zone de chauffage principal (7), de manière à transférer de la chaleur par conduction entre des segments (5b) de la bande métallique (5) en aval et des segments (5a) de la bande métallique (5) en amont.

12. Un dispositif (6) suivant l’une des revendications 10 ou 11, dans lequel ledit au moins un élément solide conducteur de chaleur est en forme de rouleau (13), de préférence métallique.

13. Un dispositif (6) suivant l’une quelconque des revendications 10 à 12, comportant en outre au moins un rouleau déflecteur (14) afin de définir un angle de contact entre ladite bande métallique (5) en amont et/ou en aval de la zone de chauffage principal (7) et ledit élément solide conducteur de chaleur en forme de rouleau (13).

14. Un système de traitement thermique, en particulier de recuit, en continu d’une bande métallique (5) en défilement comportant une zone de chauffage principal (7) et un dispositif de transmission de chaleur (6) suivant lune des revendications 10 à 13.