BE1021965B1

BE1021965B1 - Procede et dispositif de traitement thermique de fils metalliques

Info

Publication number: BE1021965B1
Application number: BE2013/0501A
Authority: BE
Inventors: Erdinç Sezgin; René Branders
Original assignee: Fib Belgium
Priority date: 2013-07-19
Filing date: 2013-07-19
Publication date: 2016-01-29
Also published as: EP3022324B1; KR20160030528A; EP3022324A1; WO2015007876A1; CN105431559A; CN105431559B; KR102344056B1

Abstract

Procédé de traitement thermique d'au moins un fil métallique, comprenant un défilement de celui-ci dans un four le long d'une direction de défilement, dans un sens d'avance entre une extrémité amont et une extrémité aval du four, une injection de gaz chauds dans le four par des brûleurs (10), et une évacuation de ceux-ci hors du four en amont des brûleurs, ainsi qu'un chauffage par convection didit au moins un fil métallique en défilement par les gaz chauds injectés, qui sont amenés en circulation forcée dans le four en contresens du sens d'avance dudit au moins un fil métallique, ladite injection des gaz chauds ayant lieu suivant une direction qui, par rapport à un plan (13) perpendiculaire à la direction de défilement (F), est inclinée vers l'extrémité aval du four.

Description

Procédé et dispositif de traitement thermique de fils métalliques

Le traitement thermique de fils métalliques requiert des opérations de chauffage de ceux-ci à des températures entre 450 et 1200°C selon la nature des fils à traiter.

Sont concernés en particulier par ces procédés : l’austénitisation, le recuit, et les traitements thermiques de détensionnement.

Classiquement, la chauffe de fil ou de la nappe de fils se réalise soit dans des fours à feu nu, soit dans des fours à tubes ou encore par l’intermédiaire de lits fluidisés. La présente invention est plus particulièrement relative aux fours à feu nu. Elle concerne un procédé de traitement thermique d’au moins un fil métallique, comprenant une introduction dudit au moins un fil métallique dans un four à une extrémité amont de celui-ci, une sortie dudit au moins un fil métallique à une extrémité aval du four après défilement le long d’une direction de défilement, dans un sens d’avance allant de l’extrémité amont à l’extrémité aval, une injection de gaz chauds dans le four par l’intermédiaire de brûleurs, une évacuation des gaz chauds hors du four en amont desdits brûleurs de façon que les gaz chauds injectés soient amenés en circulation forcée dans le four en contresens du sens d’avance précité dudit au moins un fil métallique, et un chauffage par convection dudit au moins un fil métallique en défilement par les gaz chauds injectés.

Cette circulation forcée en contresens présente une vitesse principale de fumée ayant une composante transversale perturbée par le flux longitudinal dans le sens inverse de défilement.

Un tel procédé de traitement de fils métalliques et les fours pour sa mise en oeuvre sont connus depuis longtemps. Ils sont décrits par exemple dans le brevet français FR-1234334.

Pour être chauffés, les fils défilent à l’intérieur d’un four constitué de plusieurs zones successives, chacune ayant une température spécifique et une atmosphère spécifique. Chaque zone est chauffée par des brûleurs fonctionnant au gaz. Préférentiellement, mais de manière non limitative, une technologie de combustion basée sur le mélange préalable de l’air de combustion et du gaz avec un rapport air-gaz prédéfini est utilisée dans ce type de four. En effet, l’avantage de cette technique est d’obtenir une vitesse de sortie des fumées de combustion importante au niveau de chaque ouvreau des brûleurs. De par leur conception, ce type de brûleur permet d’obtenir en sortie d’ouvreau des gaz totalement brûlés, ce qui a pour conséquence d’avoir un contrôle parfait de l’atmosphère dans la zone. Les gaz brûlés sortant ainsi des brûleurs créent un mouvement convectif de fumées chaudes autour des fils. Des techniques de brûleurs à air-gaz séparés sont également utilisées pour ce type de chauffage en direct combinant parfois le préchauffage de l’air de combustion.

Le transfert de chaleur vers les fils est une combinaison du transfert de chaleur par rayonnement (dû à la température élevée régnant dans la zone) et par convection. Le transfert par convection est directement lié à la vitesse de circulation des fumées brûlées dans l’enceinte du four. Ce dernier mécanisme de transfert de chaleur est prépondérant en particulier dans les premières zones du four où plus de puissance est développée, les fils étant encore froids. Vers la fin du four, la puissance injectée est plus faible. D’une manière générale, dans ces fours selon l’état de la technique, qui ont une disposition de tunnel, l’agencement des brûleurs est perpendiculaire aux parois latérales du four et ceci pour des raisons pratiques de construction. Ils sont orientés généralement parallèlement à la nappe de fils, parfois de façon parallèle à la voûte. La disposition de la nappe des fils est surélevée en général d’une hauteur de 100 à 150 mm par rapport à la sole du four.

Ainsi, les fils qui traversent le four subissent des flux répétés de courants convectifs complexes de fumées chaudes. Ce phénomène convectif contribue à élever la température du produit traité.

Dans la plupart des fours à chauffage par convection, les fumées circulent de zone en zone en contresens des produits qui y défilent et ceci pour des raisons d’optimalisation de l’atmosphère. En effet, la plupart des procédés nécessitent la protection des fils contre une oxydation trop importante à haute température ; on travaille ainsi en fin de four en conditions réductrices alors qu’en zone d’entrée l’utilisation d’une atmosphère neutre ou légèrement oxydante ne pose aucun problème pour la surface des fils.

En faisant circuler les atmosphères en contresens par rapport au défilement des fils, on récupère de la sorte le potentiel calorifique des zones riches en monoxyde de carbone par sa combustion à l’entrée du four dans les zones oxydantes. Par ce mouvement des gaz brûlés de l’aval vers l’amont du four, il se fait qu’au fur et à mesure que l’on se rapproche de l’entrée de ce dernier, le volume de fumées devient de plus en plus important.

Les brûleurs étant perpendiculaires aux parois, le flux de chaleur est à priori perpendiculaire au niveau de la nappe des fils. Cependant, l’arrivée du flux de gaz brûlés depuis les zones aval du four fait que les jets sortant des brûleurs sont déviés sensiblement vers l’amont par rapport à l’axe des brûleurs.

Il faut aussi noter que la tendance générale due à des phénomènes physico-chimiques est que, dans chaque zone du four, les fumées chaudes vont s’accumuler au sommet de la voûte et dès lors ne sont plus en contact intime avec la nappe de fils, ce qui détériore les échanges thermiques avec les produits à traiter.

Pour éviter ce genre de problèmes, on a déjà prévu de brasser l’atmosphère régnant dans le four par des ventilateurs (voir demande de brevet internationale WO 2011/094775). L’introduction de moto-ventilateurs a pour résultat une forte consommation d’énergie électrique. Brasser des fumées à des températures extrêmement élevées et souvent en conditions réductrices soumet les pales des ventilateurs à des conditions thermiques et chimiques très agressives.

La présente invention a pour objet de mettre au point un procédé et un dispositif de traitement thermique de fils métalliques qui permettent d’améliorer le transfert thermique par convection dans un four à feu nu, en particulier sans devoir augmenter la puissance ou la longueur de celui-ci. Elle a également pour objet de stabiliser la composition des atmosphères dans les différentes zones du four, tout en favorisant un transfert thermique par convection amélioré.

On résout ces problèmes suivant l’invention par un procédé tel qu’indiqué au début, dans lequel ladite injection des gaz chauds dans le four par au moins plusieurs desdits brûleurs a lieu suivant une direction d’injection qui, par rapport à un plan perpendiculaire à ladite direction de défilement, est inclinée en direction de l’extrémité aval du four, les gaz chauds étant ainsi primitivement injectés dans le four en cocourant dudit au moins un fil métallique en défilement avant leur amenée susdite en circulation forcée dans le four en contresens du sens d’avance précité dudit au moins un fil métallique. Par une injection des gaz brûlés dans le four non pas dans un plan perpendiculaire à la direction de défilement du ou des fils, mais au contraire de façon dirigée vers l’extrémité aval du four, c’est-à-dire en co-courant du ou des fils métalliques à chauffer, on obtient en effet une amélioration notable du transfert convectif de chaleur vers les fils, ainsi qu’une amélioration de la répartition du transfert thermique vers ces fils. Les fumées injectées par un brûleur, au lieu d’être déviées directement vers l’amont du four, à la sortie du brûleur, par le flux des gaz brûlés circulant de manière forcée à contresens des fils, sont à présent injectées vers l’aval du four. Elles ne sont ramenées en circulation forcée vers l’amont du four qu’à la suite de ce mouvement vers l’aval, ce qui améliore fondamentalement et de manière simple le rendement du four.

Avantageusement, ladite direction d’injection forme, vers l’extrémité aval du four, un angle de 5 à 30° par rapport audit plan perpendiculaire à ladite direction de défilement. De préférence cet angle aura une valeur de 8 à 15°, en particulier de 10°. D’une manière générale, le procédé suivant l’invention comprend un défilement d’une nappe de fils métalliques dans un plan de défilement. Ladite injection en co-courant a lieu avantageusement pardessus ladite nappe de fils, parallèlement à celle-ci à une distance de 40 mm à 150 mm, et préférentiellement de 45 à 55 mm, avantageusement de 50 mm.

Suivant un mode préférentiel de procédé suivant l’invention, ladite circulation forcée en contresens des gaz chauds injectés a lieu avec passages répétés et forcés des gaz chauds à travers la nappe de fils métalliques. Pour éviter une accumulation des gaz chauds, en particulier des fumées chaudes, au sommet de la voûte du four ou un parcours prolongé de ces fumées en dessous de la nappe de fils lorsque ces gaz ou fumées passent d’une zone à l’autre du four, il est souhaitable de forcer les fumées chaudes à traverser successivement la nappe de fils, du haut vers le bas, puis du bas vers le haut, et ainsi de suite de manière répétée, ce qui améliore notoirement le transfert thermique par convection.

Avantageusement, le procédé comprend, avant ladite étape d’injection, une étape de préchauffe de la nappe de fils métalliques par lesdits gaz chauds injectés en aval et amenés en contresens. Dans cette étape, mise en œuvre à l’entrée du four, la récupération de l’enthalpie des fumées sortantes a un très grand intérêt pour améliorer le rendement énergétique du traitement thermique. Dans cette zone de préchauffe, le rayonnement est faible et il n’y a plus de brûleurs à disposition. La contribution du chauffage des fils par effet convectif doit donc être prépondérante. Comme dans le reste du four, avantageusement les gaz chauds amenés en contresens dans l’étape de préchauffe passent dans cette étape de manière répétée et forcée à travers la nappe de fils métalliques. L’invention concerne également un four de traitement thermique d’au moins un fil métallique, comprenant - une entrée pour ledit au moins un fil métallique à une extrémité amont du four, - une sortie pour ledit au moins un fil métallique à une extrémité aval du four, - des moyens d’entraînement qui entraînent ledit au moins un fil métallique dans le four le long d’une direction de défilement, dans un sens d’avance entre ladite entrée et ladite sortie, - des brûleurs qui injectent des gaz chauds dans le four, et - au moins une ouverture d’évacuation des gaz chauds située en amont desdits brûleurs.

Suivant l’invention, plusieurs desdits brûleurs présentent un ouvreau ayant un axe qui, par rapport à un plan perpendiculaire à ladite direction de défilement, est incliné en direction de l’extrémité aval du four. Cet axe incliné forme de préférence un angle de 5 à 30° par rapport audit plan perpendiculaire à la direction de défilement, avantageusement de 8 à 15°, en particulier de 10°. De préférence, les brûleurs sont disposés latéralement de part et d’autre dudit au moins un fil métallique et en quinconce par rapport à celui-ci.

Suivant une forme de réalisation de l’invention les moyens d’entraînement entraînent une nappe de fils métalliques dans le four et l’axe des ouvreaux des brûleurs s’étend dans un plan parallèle à la nappe, surélevé par rapport à celle-ci, à une distance de 40 mm à 150 mm, de préférence de 45 à 55 mm et préférentiellement de 50 mm.

Un four à feu nu, tel que décrit, comporte une voûte et une sole. Suivant une forme de réalisation de l’invention, la voûte est interrompue par des voûtes surbaissées qui séparent le four en zones successives et rabattent vers le bas au travers de la nappe de fils métalliques les gaz chauds circulant vers l’ouverture d’évacuation, et le four comporte en outre des supports qui supportent la nappe de fils métalliques à distance de la sole et qui sont agencés pour forcer un rebond vers le haut au travers de la nappe de fils métalliques des gaz chauds rabattus vers le bas par les voûtes surbaissées. Les voûtes surbaissées provoquent localement un brassage limitant la libre circulation des fumées au niveau de la voûte et elles rabattent de ce fait les fumées chaudes vers le bas. Celles-ci sont ainsi forcées de passer à travers la nappe de fils à traiter. Ces voûtes surbaissées sont généralement agencées de manière à séparer le four en zones successives dont les atmosphères peuvent être différentes. Elles stabilisent donc la composition des atmosphères dans chaque zone du four.

Les supports maintiennent la nappe de fils à distance de la sole. Suivant l’invention ils sont agencés de manière à permettre le rebond du flux convectif des fumées après leur passage sous une voûte surbaissée. Les fumées qui viennent d’être rabattues vers le bas par celle-ci rebondissent sur un support agencé de cette manière et repassent vers le haut au travers de la nappe de fils.

Un agencement semblable peut être prévu pour la zone de préchauffe qui est dépourvue de brûleurs et qui est située en amont de ceux-ci.

Avantageusement, lesdits supports supportent la nappe de fils métalliques à une distance de la sole comprise entre 100 mm et 250 mm, avantageusement de 210 à 230 mm, et préférentiellement de 220 mm. L’invention va à présent être décrite de manière plus détaillée à l’aide des figures annexées.

La figure 1 représente une vue en coupe transversale schématique d’un four de traitement thermique de fils métalliques suivant l’invention.

La figure 2 est une vue en coupe, suivant la ligne ll-ll, du four illustré sur la figure 1.

La figure 3 est une vue en coupe, suivant la ligne lll-lll, du four illustré sur la figure 1.

Sur les différents dessins, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes références.

Le dispositif de traitement de fils métalliques illustré sur les dessins est un four à feu nu 1. Ce four comprend une sole 2 et une voûte 3 qui sont assemblées de manière à former entre elles un tunnel 4.

Ainsi qu’il ressort en particulier de la figure 3, ce four comporte une entrée 5 pour une nappe de fils métalliques 6, qui est située à une extrémité amont du four, et une sortie 7 pour cette nappe, qui est située à une extrémité aval du four. Des moyens d’entraînement classiques 8 et 9, représentés de manière schématique, entraînent la nappe de fils 6 dans le four, le long d’une direction de défilement, dans le sens d’avance illustré par la flèche F.

Des brûleurs 10 sont disposés dans le four latéralement par rapport à la nappe de fils 6 en défilement. Ils injectent dans le four des gaz brûlés très chauds au-dessus de la nappe.

Une ouverture d’évacuation des gaz chauds 21 est située à l’extrémité amont du four, et donc largement en amont des brûleurs 10. L’extrémité aval du four n’offre pas de sortie pour les gaz chauds provenant des brûleurs et par conséquent ceux-ci sont amenés de manière forcée à circuler à contresens du sens d’avance F de la nappe de fils métalliques 6, vers l’ouverture d’évacuation 21.

Les brûleurs 10 comportent chacun un ouvreau 11 présentant un axe 12, ainsi qu’il ressort en particulier de la figure 2. Par rapport à un plan perpendiculaire à la direction de défilement, qui est illustré de manière schématique pour un de ces ouvreaux par le trait interrompu 13, l’axe 12 est, suivant l’invention, incliné vers l’extrémité aval du four. De préférence, l’axe 12 forme un angle a de 5 à 30° par rapport au plan 13. Dans l’exemple illustré cet angle a une valeur d’environ 10°. Avantageusement, l’axe 12 des ouvreaux 11 s’étend dans un plan parallèle à la nappe de fils 6, au-dessus de celle-ci, en particulier à une distance préférentielle de 50 mm. La nappe elle-même défile dans le four à une distance préférentielle de la sole 2 de 220 mm.

Par cet agencement, l’injection des gaz chauds dans le four par les brûleurs 10 a lieu en co-courant des fils de la nappe en défilement, suivant une direction d’injection correspondant à l’axe 12. Ce n’est qu’ensuite que ces gaz sont progressivement amenés en circulation forcée en contresens comme expliqué auparavant. Cette injection initiale en co-courant est illustrée en particulier à la figure 2, par un trait gras 14 en forme de flèche. Cette disposition améliore notablement le transfert convectif vers les fils par une distribution homogène et prolongée du flux de chaleur vers la nappe de fils.

La voûte 3 du four illustré est interrompue par quelques voûtes surbaissées 15 qui séparent le compartiment du four comportant les brûleurs 10 en zones successives dont les atmosphères neutres ou oxydantes en amont deviennent de plus en plus réductrices et dans lesquelles les fils atteignent une température de plus en plus élevée. Les gaz chauds circulant en contresens sont rabattus régulièrement vers le bas par ces voûtes surbaissées 15, au travers de la nappe de fils métalliques 6.

La sole 2 du four illustré comporte des supports 16 qui supportent la nappe de fils 6 à distance de la sole. Ils sont agencés en amont d’une voûte surbaissée 15 de manière à forcer un rebond vers le haut, à travers la nappe de fils métalliques, des gaz chauds qui viennent d’être rabattus vers le bas par les voûtes surbaissées 15. Une représentation schématique de ce passage forcé des fumées chaudes vers le bas et vers le haut, de manière répétée et forcée, au travers de la nappe de fils est fournie sur la figure 3 par la flèche en trait interrompu 17. On obtient de cette manière une amélioration substantielle du transfert convectif de chaleur des fumées aux fils.

Cette technique de disposition de supports de fils-voûtes surbaissées est exploitée dans l’exemple illustré dans le compartiment de préchauffe 18 des fils. Ce compartiment du four ne comporte pas de brûleurs et est donc situé en amont des brûleurs. Des voûtes surbaissées 19 et des supports 20 alternent judicieusement de manière à forcer à travers la nappe de fils 6 un passage successif et répété des gaz chauds provenant des brûleurs et se dirigeant vers l’ouverture d’évacuation 21. Une représentation schématique de cette circulation des gaz chauds dans le compartiment de préchauffe est fournie sur la figure 3 par la flèche en trait interrompu.

Il doit être entendu que la présente invention n’est en aucune façon limitée à la forme de réalisation illustrée et que bien des modifications peuvent y être apportées dans le cadre des revendications annexées.

Claims

REVENDICATIONS

1. Procédé de traitement thermique d’au moins un fil métallique, comprenant une introduction dudit au moins un fil métallique dans un four à une extrémité amont de celui-ci, une sortie dudit au moins un fil métallique à une extrémité aval du four après défilement le long d’une direction de défilement, dans un sens d’avance allant de l’extrémité amont à l’extrémité aval, une injection de gaz chauds dans le four par l’intermédiaire de brûleurs, une évacuation des gaz chauds hors du four en amont desdits brûleurs de façon que les gaz chauds injectés soient amenés en circulation forcée dans le four en contresens du sens d’avance précité dudit au moins un fil métallique, et un chauffage par convection dudit au moins un fil métallique en défilement par les gaz chauds injectés, caractérisé en ce que ladite injection des gaz chauds dans le four par au moins plusieurs desdits brûleurs a lieu suivant une direction d’injection qui, par rapport à un plan perpendiculaire à ladite direction de défilement, est inclinée en direction de l’extrémité aval du four, les gaz chauds étant ainsi primitivement injectés dans le four en co-courant dudit au moins un fil métallique en défilement avant leur amenée susdite en circulation forcée dans le four en contresens du sens d’avance précité dudit au moins un fil métallique.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite direction d’injection forme, vers l’extrémité aval du four, un angle de 5 à 30° par rapport audit plan perpendiculaire à ladite direction de défilement.
3. Procédé suivant l’une ou l’autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu’il comprend un défilement d’une nappe de fils métalliques dans un plan de défilement.

3. Procédé suivant l’une ou l’autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu’il comprend un défilement d’une nappe de fils métalliques dans un plan de défilement.
4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que ladite injection a lieu par-dessus ladite nappe de fils, parallèlement à celle-ci à une distance de 40 mm à 150 mm.
5. Procédé suivant l’une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que ladite circulation forcée en contresens des gaz chauds injectés a lieu avec passages répétés et forcés des gaz chauds à travers la nappe de fils métalliques.
6. Procédé suivant l’une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu’il comprend, avant ladite étape d’injection, une étape de préchauffe de la nappe de fils métalliques par lesdits gaz chauds injectés en aval et amenés en contresens.
7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les gaz chauds amenés en contresens dans l’étape de préchauffe passent dans cette étape, de manière répétée et forcée, à travers la nappe de fils métalliques.
8. Four de traitement thermique (1) d’au moins un fil métallique (6), comprenant - une entrée (5) pour ledit au moins un fil métallique à une extrémité amont du four, - une sortie (7) pour ledit au moins un fil métallique à une extrémité aval du four, - des moyens d’entraînement (8, 9) qui entraînent ledit au moins un fil métallique dans le four le long d’une direction de défilement (F), dans un sens d’avance entre ladite entrée et ladite sortie, - des brûleurs (10) qui injectent des gaz chauds dans le four, et - au moins une ouverture d’évacuation (21) des gaz chauds située en amont desdits brûleurs (10), caractérisé en ce que plusieurs desdits brûleurs présentent un ouvreau (11) ayant un axe (12) qui, par rapport à un plan (13) perpendiculaire à ladite direction de défilement, est incliné en direction de l’extrémité aval du four.
9. Four suivant la revendication 8, caractérisé en ce que l’axe incliné (12) susdit forme un angle de 5 à 30° par rapport audit plan (13) perpendiculaire à la direction de défilement.
10. Four suivant l’une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que les moyens d’entraînement (8, 9) entraînent une nappe de fils métalliques (6) dans le four et en ce que l’axe (12) des ouvreaux (11) des brûleurs (10) s’étend dans un plan parallèle à la nappe, surélevé par rapport à celle-ci à une distance de 40 mm à 150 mm.
11. Four suivant la revendication 10, caractérisé en ce qu’il comporte une voûte (3) et une sole (2), en ce que la voûte (3) est interrompue par des voûtes surbaissées (15) qui séparent le four en zones successives et rabattent vers le bas au travers de la nappe de fils métalliques les gaz chauds circulant vers l’ouverture d’évacuation (21), et en ce que le four comporte en outre des supports (16) qui supportent la nappe de fils métalliques à distance de la sole (2) et qui sont agencés pour forcer un rebond vers le haut au travers de la nappe de fils métalliques des gaz chauds rabattus vers le bas par les voûtes surbaissées (15).
12. Four suivant l’une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce qu’il comprend en amont au moins un compartiment de préchauffe (18) sans brûleurs qui est divisé en zones successives par des voûtes surbaissées (19) qui rabattent vers le bas au travers de la nappe de fils métalliques les gaz chauds circulant vers l’ouverture d’évacuation (21) et qui comporte des supports (20) qui supportent la nappe de fils métalliques à distance de la sole (2), ces supports étant agencés pour forcer un rebond vers le haut au travers de la nappe de fils métalliques des gaz chauds rabattus vers le bas par les voûtes surbaissées (19).
13. Four suivant l’une des revendications 11 et 12, caractérisé en ce que lesdits supports (16, 20) supportent la nappe de fils métalliques à une distance de la sole (2) comprise entre 100 mm et 250 mm.
14. Four suivant l’une quelconque des revendications 8 à 13, caractérisé en ce que lesdits brûleurs sont disposés latéralement de part et d’autre dudit au moins un fil métallique et en quinconce par rapport à celui-ci.