EP0383687B1 - Système de tubes radiants pour fours de chauffage - Google Patents

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EP0383687B1
EP0383687B1 EP90400409A EP90400409A EP0383687B1 EP 0383687 B1 EP0383687 B1 EP 0383687B1 EP 90400409 A EP90400409 A EP 90400409A EP 90400409 A EP90400409 A EP 90400409A EP 0383687 B1 EP0383687 B1 EP 0383687B1
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EP
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bend
tubes
cold
tube
burner
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EP90400409A
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German (de)
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Bernard Dubreuil
Gérard Jodet
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Fives Stein SA
Original Assignee
Stein Heurtey SA
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C3/00—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber
    • F23C3/002—Combustion apparatus characterised by the shape of the combustion chamber the chamber having an elongated tubular form, e.g. for a radiant tube
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B9/00—Furnaces through which the charge is moved mechanically, e.g. of tunnel type; Similar furnaces in which the charge moves by gravity
    • F27B9/06—Furnaces through which the charge is moved mechanically, e.g. of tunnel type; Similar furnaces in which the charge moves by gravity heated without contact between combustion gases and charge; electrically heated
    • F27B9/068—Furnaces through which the charge is moved mechanically, e.g. of tunnel type; Similar furnaces in which the charge moves by gravity heated without contact between combustion gases and charge; electrically heated heated by radiant tubes, the tube being heated by a hot medium, e.g. hot gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/007—Auxiliary supports for elements
    • F28F9/013—Auxiliary supports for elements for tubes or tube-assemblies

Definitions

  • the present invention relates to improvements made to the systems of radiant tubes used in particular in the furnaces for heating strips of metal products during parade.
  • radiant tubes generally having a W configuration, also called a double pin, are generally used, these tubes ensuring the thermal transfer between the combustion gases emitted by a burner and the product to be heated, in particular a metal strip. continuously moving. The heat transfer takes place by radiation between the radiant tube system and the product to be heated and by convection / radiation inside the radiant tubes.
  • the combustion gases at the outlet of the radiant tube system have a temperature of around 1000 ° C while the temperature of the radiant tubes is on average 950 ° C with a local maximum of the order of 1050 ° C.
  • the present licensee has carried out an in-depth study of deformations by thermal expansion as well as the stress network associated with these expansions, these constraints. appearing during heating of the radiant tubes and during operation in stabilized mode or not.
  • the aim of this study was to find the means making it possible to optimize the distribution of the stresses by taking into account the creep resistance of the materials which constitute the system of radiant tubes, this creep resistance varying strongly as a function of the temperature.
  • the present invention therefore relates to a system of radiant tubes which has been improved by taking account of the results of said study.
  • the simple support which supports the cold elbow is produced in the form of a console on which the cold elbow rests, before heating up the radiant tube, the cold elbow lifting up to leave this support as soon as heating.
  • the cold elbow and the hot elbow are connected by means of brackets respectively from the foundry with its respective elbow, these brackets being connected together using a key or the like.
  • the means ensuring the connection on the burner side between the intermediate elbow and the lower tube is produced using a leg from the foundry with this intermediate elbow on which is welded a stirrup-shaped part which can come '' press on the lower tube, an intermediate clearance being provided between the stirrup and the lower tube, the distribution of the stresses of the radiant tube being a function of the value of this intermediate clearance, and the resumption of the force generated by the intermediate elbow being provided by the lower tube in the part where it is the coldest.
  • the heating furnace is used for the heat treatment of strips, in particular of metal strips 12, 12 ′ moving continuously in the furnace (process on parade).
  • the heating is carried out using radiant tubes whose system has been designated as a whole by the reference 10, this system having as known a configuration in W or double pin.
  • a burner 14 is provided outside the enclosure of the furnace and the combustion gases emitted by this burner pass through the system of radiant tubes 10 before escaping to the atmosphere.
  • the radiant tubes therefore provide heat transfer between the combustion gases emitted by the burner 14 and the product 12, 12 ′ to be heated.
  • the burner 14 is positioned on the lower branch of the system of radiant tubes, that is to say at the end of the lower tube 16 which constitutes the hot tube.
  • the elbow 18 which extends the hot tube 16 constitutes the hot elbow of the system 10.
  • the elbow 20 will be designated hereinafter intermediate elbow and the upper elbow 22 will be designated by cold elbow, this elbow opening onto the upper tube 24 which constitutes the tube cold radiant tube system 10.
  • the cold elbow is provided with a support device the function of which boils down to a simple press.
  • this simple support is produced in the form of a console 28 on which a support plate 26 can come to rest, made integral by any appropriate means with the cold elbow 22.
  • the elbow associated with the support is the cold elbow 22 in which the most significant stresses are acceptable.
  • FIG. 3 the variation in the temperature of the tube system 10 is shown as a function of its length, and the position of the respective elbows 18, 20, 22 is plotted on the abscissa.
  • FIG. 4 the variation in the admissible creep stress as a function of the temperature of the tube system 10. This curve shows although the allowable stresses in the cold elbow region are much higher than those acceptable in the hot elbow. Such an arrangement is essential for the optimization of the constraint network.
  • connection system between the hot elbow 18 and the cold elbow 22, this connection system being essentially characterized by the fact that it does not comprise any intermediate part (link).
  • the elbow 18 is provided with a square 32 coming directly from the foundry with this hot elbow 18 and likewise the cold elbow 22 is provided with a similar square 30 also come directly from foundry with this cold elbow 22.
  • the brackets 30 and 32 are obtained directly during the casting of the elbows of which they are respectively part. In no case should these brackets be added by welding to the elbows since such welds generate stress concentrations and risks of microcracking at locations where the stresses are maximum during operation.
  • brackets 30 and 32 are connected by means of a connecting piece which can be produced in the form of a key such as 34, the design being such that the games allow relative movements of the hot 18 and cold 22 elbows when warming up, during operation of the oven in stabilized mode and during transients (power variation of the system of radiant tubes 10).
  • the improved radiant tube system according to the present invention also comprises a connection between the intermediate elbow 20 and the hot lower tube 16, burner side 14.
  • a connection between the intermediate elbow 20 and the hot lower tube 16, burner side 14. Such a system visible in FIG. 1 and shown in more detail in FIGS. 7 and 8 is essential for optimizing the distribution of system constraints 10.
  • this connection system comprises a piece 36 in the shape of a tab, coming directly from the foundry with the intermediate bend 20 (any welding between the bend 20 and a connection piece such as 36 being prohibited for reasons indicated above with respect to the brackets 30 and 32) and a piece 38 in the shape of a stirrup which can be mounted on the lug 36 by welding since this lug does not support any constraint.
  • connection by welding between the tab 36 and the part 38 in the shape of a stirrup is carried out after checking the intermediate clearance "j" between the stirrup 38 and the hot lower tube 16.
  • the subsequent distribution of the components of the system of radiant tubes 10 depends on the value of this infill. In fact, when the oven is warming up, the intermediate bend 20 approaches the lower tube 16 up to the intermediate clearance "j" produced when cold and its movement is thus limited. This situation corresponds to a mapping of the distribution of the particular constraints for each infill set.
  • connection of the lower 16 and upper 24 tubes with the sheet metal of the furnace can be carried out by any suitable means and in particular by any conventional technique. It will however be noted that the use of expansion bellows on one of the branches of the system of radiant tubes 10, as is provided in certain conventional embodiments, brings here more drawbacks than advantages and under these conditions the invention plans to carry out the connection between the lower and upper tubes and the sheet metal of the furnace without using expansion bellows.

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Description

  • La présente invention a pour objet des perfectionnements apportés aux systèmes de tubes radiants utilisés notamment dans les fours de chauffage de bandes de produits métalliques au défilé.
  • On sait que dans de telles installations de chauffage on utilise généralement des tubes radiants présentant une configuration en W, encore appelée double épingle, ces tubes assurant le transfert thermique entre les gaz de combustion émis par un brûleur et le produit à chauffer notamment une bande métallique en déplacement continu. Le transfert thermique s'opère par rayonnement entre le système de tubes radiants et le produit à chauffer et par convection/rayonnement à l'intérieur des tubes radiants. Les gaz de combustion à la sortie du système de tubes radiants présentent une température qui avoisine 1000° C alors que la température des tubes radiants est en moyenne de 950° C avec un maximum local de l'ordre de 1050° C.
  • Un exemple de réalisation de système à tubes radiants a été décrit dans le brevet luxembourgeois N° 84040.
  • La présente titulaire a réalisé une étude approfondie des déformations par dilatations thermiques ainsi que du réseau de contraintes associé à ces dilatations, ces contraintes apparaîssant lors de la mise en chauffe des tubes radiants et lors du fonctionnement en marche stabilisée ou non . Le but de cette étude était de trouver les moyens permettant d'optimiser la répartition des contraintes en tenant compte de la résistance au fluage des matériaux qui constituent le système de tubes radiants, cette résistance au fluage variant fortement en fonction de la température. La présente invention concerne donc un système de tubes radiants qui a été perfectionné en tenant compte des résultats de ladite étude.
  • En conséquence l'invention concerne un système de tubes radiants du type à double épingle ou en W utilisé dans des fours de chauffage, notamment dans des fours de chauffage de bandes métalliques au défilé, pour réaliser le transfert thermique entre les gaz de combustion émis par un brûleur et les produits à chauffer caractérisé en ce que :
    • le brûleur est positionné dans la branche inférieure desdits tubes ;
    • le dispositif de support du coude froid, en partie supérieure des tubes est réalisée sous la forme d'un appui simple ;
    • le coude froid et le coude chaud sont reliés l'un à l'autre sans pièce intermédiaire du type biellette et,
    • le coude intermédiaire et le tube inférieur sont reliés l'un à l'autre avec un jeu réglable entre ces deux éléments.
  • Selon une caractéristique de cette invention l'appui simple qui supporte le coude froid est réalisé sous la forme d'une console sur laquelle vient reposer le coude froid, avant mise en chauffe du tube radiant, le coude froid se soulevant pour quitter cet appui dès la mise en chauffe.
  • Selon une autre caractéristique de cette invention le coude froid et le coude chaud sont reliés par l'intermédiaire d'équerres venues respectivement de fonderie avec son coude respectif, ces équerres étant reliées entre elles à l'aide d'une clavette ou similaire.
  • Selon l'invention le moyen assurant la liaison côté brûleur entre le coude intermédiaire et le tube inférieur est réalisé à l'aide d'une patte venue de fonderie avec ce coude intermédiaire sur laquelle est soudée une pièce en forme d'étrier pouvant venir s'appuyer sur le tube inférieur, un jeu intercalaire étant prévu entre l'étrier et le tube inférieur, la répartition des contraintes du tube radiant étant fonction de la valeur de ce jeu intercalaire, et la reprise de l'effort engendré par le coude intermédiaire étant assurée par le tube inférieur dans la partie où celui-ci est le plus froid.
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les dessins :
    • la figure 1 est une vue schématique en élévation latérale représentant partiellement un four de traitement thermique de bandes au défilé pourvu d'un système de tubes radiants perfectionné selon la présente invention ;
    • la figure 2 est une vue schématique en coupe verticale de la figure 1 ;
    • la figure 3 représente la courbe de répartition des températures du tubes radiants sur la longueur de ces tubes ;
    • la figure 4 montre la variation du taux de fluage, c'est-à-dire de la contrainte qui occasionne une même déformation du tube radiant en fonction de sa température ;
    • la figure 5 est une vue schématique à plus grande échelle montrant le détail de la liaison entre le coude froid et le coude chaud du système de tubes radiants selon l'invention ;
    • la figure 6 est une coupe verticale représentant le détail de la liaison entre les coudes froid et chaud conformément à la figure 5;
    • la figure 7 est une vue schématique à plus grande échelle représentant le détail de la liaison entre le coude intermédiaire et le tube chaud inférieur du système de tubes radiants et,
    • la figure 8 est une vue en coupe verticale de la figure 7.
  • En se référant aux dessins on voit que le four de chauffage est utilisé pour le traitement thermique de bandes, notamment de bandes métalliques 12, 12′ se déplaçant en continu dans le four (traitement au défilé). Le chauffage est réalisé à l'aide de tubes radiants dont le système a été désigné dans son ensemble par la référence 10, ce système présentant comme connu une configuration en W ou double épingle. Un brûleur 14 est prévu à l'extérieur de l'enceinte du four et les gaz de combustion émis par ce brûleur parcourent le système de tubes radiants 10 avant de s'échapper vers l'atmosphère. Les tubes radiants assurent donc le transfert thermique entre les gaz de combustion émis par le brûleur 14 et le produit 12, 12′ à chauffer.
  • Selon l'invention le brûleur 14 est positionné sur la branche inférieure du système de tubes radiants c'est-à-dire à l'extrémité du tube inférieur 16 qui constitue le tube chaud. Le coude 18 qui prolonge le tube chaud 16 constitue le coude chaud du système 10. Le coude 20 sera désigné ci-après coude intermédiaire et le coude supérieur 22 sera désigné par coude froid, ce coude débouchant sur le tube supérieur 24 qui constitue le tube froid du système de tubes radiants 10.
  • A la partie supérieure du système 10 le coude froid est pourvu d'un dispositif de support dont la fonction se résume à un appui simple. Dans cet exemple de réalisation cet appui simple est réalisé sous la forme d'une console 28 sur laquelle peut venir reposer une plaque d'appui 26 rendue solidaire par tout moyen approprié du coude froid 22. Lors de la mise en chauffe du système de tubes radiants 10, par mise en service du brûleur 14, le tube froid 24 ainsi que le coude 22 se soulèvent et l'appui constitué par la plaque et la console 28 ne joue plus aucun rôle dans la répartition des contraintes dans le système de tubes 10. La conception de cet appui selon la présente invention ne doit donc pas engendrer de limitation dans les dilatations verticales et horizontales.
  • On comprend que le coude associé au support est le coude froid 22 dans lequel les contraintes les plus importantes sont acceptables. Sur la figure 3 on a représenté la variation de la température du système de tubes 10 en fonction de sa longueur et on a porté en abscisse la position des coudes respectifs 18, 20, 22. Sur la figure 4 on a représenté la variation de la contrainte de fluage admissible en fonction de la température du système de tubes 10. Cette courbe montre bien que les contraintes admissibles dans la région du coude froid sont beaucoup plus élevées que celles acceptables dans la coude chaud. Une telle disposition est primordiale pour l'optimisation du réseau de contraintes.
  • Selon l'invention on prévoit un système de liaison entre le coude chaud 18 et le coude froid 22, ce système de liaison étant caractérisé essentiellement par le fait qu'il ne comporte aucune pièce intermédiaire (biellette). Comme on le voit sur les figures 1, 5 et 6 le coude 18 est pourvu d'une équerre 32 venue directement de fonderie avec ce coude chaud 18 et de même le coude froid 22 est muni d'une équerre similaire 30 venue également directement de fonderie avec ce coude froid 22. Ainsi les équerres 30 et 32 sont obtenues directement lors de la coulée des coudes dont elles font respectivement partie. En aucun cas ces équerres ne doivent être rapportées par soudure sur les coudes étant donné que de telles soudures génèrent des concentrations de contraintes et des risques de microfissuration aux emplacements où les contraintes sont maximales lors du fonctionnement. Comme on le voit sur les figures 5 et 6 les équerres 30 et 32 sont reliées par l'intermédiaire d'une pièce de liaison pouvant être réalisée sous la forme d'une clavette telle que 34, la conception étant telle que les jeux permettent des mouvements relatifs des coudes chaud 18 et froid 22 lors de mises en température, lors du fonctionnement du four en marche stabilisée et lors des transitoires (variation de puissance du système de tubes radiants 10).
  • Ainsi le dispositif selon la présente invention n'engendre aucune contrainte supplémentaire.
  • Le système de tubes radiants perfectionné selon la présente invention comporte également une liaison entre le coude intermédiaire 20 et le tube inférieur chaud 16, côte brûleur 14. Un tel système visible sur la figure 1 et représenté plus en détail sur les figures 7 et 8 est essentiel pour optimiser la répartition des contraintes du système 10.
  • Ainsi qu'on le voit sur le dessin ce système de liaison comporte une pièce 36 en forme de patte, venue directement de fonderie avec le coude intermédiaire 20 (toute soudure entre le coude 20 et une pièce de liaison telle que 36 étant prohibée pour les raisons indiquées ci-dessus à propos des équerres 30 et 32) et une pièce 38 en forme d'étrier qui peut être montée sur la patte 36 par soudage étant donné que cette patte ne supporte aucune contrainte.
  • La solidarisation par soudage entre la patte 36 et la pièce 38 en forme d'étrier est réalisée après contrôle du jeu intercalaire "j" entre l'étrier 38 et le tube inférieur chaud 16. La répartition ultérieure des contriantes du système de tubes radiants 10 dépend de la valeur de ce jeu intercalaire. En effet, lors de la mise en température du four, le coude intermédiaire 20 se rapproche du tube inférieur 16 à concurrence du jeu intercalaire "j" réalisé à froid et son déplacement s'en trouve ainsi limité. Cette situation correspond à une cartographie de la répartition des contraintes particulières pour chaque jeu intercalaire.
  • On remarquera qu'il n'existe aucune liaison par soudure entre la pièce 38 en forme d'étrier et le tube inférieur chaud 16, ce qui est primordial étant donné que ce tube inférieur chaud 16 est soumis à des variations de température importantes lors du fonctionnement du brûleur 14. La reprise de l'effort engendré par le coude intermédiaire 20 (limitation du déplacement) est assurée par le tube inférieur chaud 16 dans la partie où il est le plus froid c'est-à-dire dans la partie où il résiste le mieux (côté brûleur).
  • Selon la présente invention la liaison des tubes inférieur 16 et supérieur 24 avec la tôlerie du four peut être réalisée par tout moyen approprié et notamment par toute technique conventionnelle. On notera toutefois que l'utilisation de soufflets de dilatation sur l'une des branches du système de tubes radiants 10, comme cela est prévu dans certaines réalisations classiques, amène ici plus d'inconvénients que d'avantages et dans ces conditions l'invention prévoit de réaliser la liaison entre les tubes inférieur et supérieur et la tôlerie du four sans utiliser de soufflets de dilatation.

Claims (5)

  1. Système de tubes radiants du type à double épingle ou en W utilisé dans des fours de chauffage, notamment dans des fours de chauffage de bandes métalliques au défilé, pour réaliser le transfert thermique entre les gaz de combustion émis par un brûleur et les produits à chauffer caractérisé en ce que :
    - le brûleur (14) est positionné dans la branche inférieure (16) desdits tubes (10) ;
    - le dispositif de support de coude froid (22), en partie supérieure des tubes est réalisé sous la forme d'un appui simple (26,28) ;
    - le coude froid (22) et le coude chaud (18)sont reliés l'un à l'autre sans pièce intermédiaire soudé et,
    - le coude intermédiaire (20) et le tune inférieur (16) sont reliés l'un à l'autre avec un jeu réglable entre ces deux éléments.
  2. Système de tubes radiants selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'appui simple qui supportant le coude froid (22) est réalisé sous la forme d'une console (28) sur laquelle vient reposer le coude froid, avant mise en chauffe du tube radiant (10), le coude froid se soulevant pour quitter cet appui dès la mise en chauffe.
  3. Système de tubes radiants selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le coude froid (22) et le coude chaud (18) sont reliés par l'intermédiaire d'équerres (30, 32), venues respectivement de fonderie avec son coude respectif, ces équerres étant reliées entre elles à l'aide d'une clavette (34).
  4. Système de tubes radiants selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le moyen de liaison entre le coude intermédiaire (20) et le tube inférieur (16) côté brûleur, est réalisé à l'aide d'une patte (36), venue de fonderie avec ledit coude intermédiaire, sur laquelle est soudée une pièce en forme d'étrier (38) pouvant venir s'appuyer sur ledit tube inférieur, un jeu intercalaire "j" étant prévu entre ledit étrier et le tube inférieur, la répartition des contraintes du tube radiant (10) étant fonction de la valeur de ce jeu, et la reprise de l'effort engendré par le coude intermédiaire étant assurée par le tube inférieur dans la partie où celui-ci est le plus froid.
  5. Système de tubes radiants selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la liaison de tubes inférieur (16) et supérieur (24) avec la tôlerie du four est réalisée par des moyens classiques, sans soufflet de dilatation.
EP90400409A 1989-02-17 1990-02-14 Système de tubes radiants pour fours de chauffage Expired - Lifetime EP0383687B1 (fr)

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EP0383687A1 EP0383687A1 (fr) 1990-08-22
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EP (1) EP0383687B1 (fr)
JP (1) JPH0674881B2 (fr)
AT (1) ATE107015T1 (fr)
DE (2) DE383687T1 (fr)
ES (1) ES2017061T3 (fr)
FR (1) FR2643447B1 (fr)
GR (1) GR900300158T1 (fr)
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