EP0994302B1 - Brûleur à combustible fluide notamment pour fours de réchauffage de produits sidérurgiques - Google Patents

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EP0994302B1
EP0994302B1 EP19990402320 EP99402320A EP0994302B1 EP 0994302 B1 EP0994302 B1 EP 0994302B1 EP 19990402320 EP19990402320 EP 19990402320 EP 99402320 A EP99402320 A EP 99402320A EP 0994302 B1 EP0994302 B1 EP 0994302B1
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EP
European Patent Office
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plane
burner
products
burners
fuel
Prior art date
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Application number
EP19990402320
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German (de)
English (en)
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EP0994302A1 (fr
Inventor
Patrick Giraud
Jean-Claude Montgermont
François Pahmer
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Fives Stein SA
Original Assignee
Stein Heurtey SA
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Publication date
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Publication of EP0994302A1 publication Critical patent/EP0994302A1/fr
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F27D99/0001—Heating elements or systems
    • F27D99/0033—Heating elements or systems using burners
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0006—Details, accessories not peculiar to any of the following furnaces
    • 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 
    • F23C5/00—Disposition of burners with respect to the combustion chamber or to one another; Mounting of burners in combustion apparatus
    • F23C5/08—Disposition of burners
    • F23C5/14—Disposition of burners to obtain a single flame of concentrated or substantially planar form, e.g. pencil or sheet flame
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/20—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone
    • F23D14/22—Non-premix gas burners, i.e. in which gaseous fuel is mixed with combustion air on arrival at the combustion zone with separate air and gas feed ducts, e.g. with ducts running parallel or crossing each other
    • 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
    • F27B9/30—Details, accessories, or equipment peculiar to furnaces of these types
    • F27B9/36—Arrangements of heating devices
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/34—Methods of heating
    • C21D1/52—Methods of heating with flames
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/00012—Liquid or gas fuel burners with flames spread over a flat surface, either premix or non-premix type, e.g. "Flächenbrenner"
    • F23D2900/00013—Liquid or gas fuel burners with flames spread over a flat surface, either premix or non-premix type, e.g. "Flächenbrenner" with means for spreading the flame in a fan or fishtail shape over a melting bath
    • 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
    • F27B9/14—Furnaces through which the charge is moved mechanically, e.g. of tunnel type; Similar furnaces in which the charge moves by gravity characterised by the path of the charge during treatment; characterised by the means by which the charge is moved during treatment
    • F27B9/20—Furnaces through which the charge is moved mechanically, e.g. of tunnel type; Similar furnaces in which the charge moves by gravity characterised by the path of the charge during treatment; characterised by the means by which the charge is moved during treatment the charge moving in a substantially straight path tunnel furnace
    • F27B9/201—Furnaces through which the charge is moved mechanically, e.g. of tunnel type; Similar furnaces in which the charge moves by gravity characterised by the path of the charge during treatment; characterised by the means by which the charge is moved during treatment the charge moving in a substantially straight path tunnel furnace walking beam furnace
    • F27B9/202—Conveyor mechanisms therefor
    • F27B9/203—Conveyor mechanisms therefor having ramps

Definitions

  • the present invention relates to a fluid fuel burner in particular for furnaces for heating steel products.
  • the purpose of this invention is design of a spread flame burner which improves the distribution of heat fluxes generated by said flame, in order to reduce the heterogeneity of temperature induced in the products to be heated.
  • heat treatment furnaces in particular reheating, hold are intended to carry products, including slabs, blooms and similar, at temperatures required for example for rolling or for obtaining a given metallurgical structure.
  • the level of average temperature is obtained by passing the products through so-called zones which are characterized by a significant thermal input in a relatively short time, which generates great thermal heterogeneity in reheated products.
  • the products leaving the heating zones pass through an equalization zone in which the heat input is very low, which provides equalization of temperatures within products.
  • the products to be heated are supported and transported inside the oven by a system of beams fixed 2 and mobile 3, the mobile side rails 3 being moved by actions combined with a travel chassis 4 and a lifting chassis 5 giving the products 1 a mit's movement so as to lead them from the entrance to the oven outlet.
  • This is a system well known to those skilled in the art, which does not is not part of the present invention and therefore need not be described in detail.
  • the oven consists of a heat-insulated enclosure 6, comprising respectively heating zones and equalization zones and on which are arranged upper 7 and lower 7 'heating burners as well as burners equalization 8 installed in the oven roof as can be clearly seen on the Figure 1.
  • the burners of the heating zones 7 and 7 ' which are located on the side walls of the oven are flame burners axisymmetric, with axial development.
  • the products to be treated are placed in a horizontal plane parallel to the axes of the burners. These can be implanted either in a plane situated above the plane of the product bed (upper burners 7), either in a plane located below the plane of the product bed (lower burners 7 ').
  • the height of the oven enclosure 6 is defined by the distance between the plane of the products 1 of the oven floor and by the distance separating the plane of said products from the vault of the oven. This height is determined according to the characteristics and flame dimensions of burners 7 and 7 ′ located in the side walls of the oven.
  • FIG. 2 of the accompanying drawings there is shown schematically, the distribution of the heat flux produced by the burners 7, 7 'with axisymmetric flames with axial development.
  • the reference B designates a burner
  • P the plane of the product bed
  • I the image of the heat flows transmitted.
  • the flow thermal has heterogeneities in the perpendicular vertical planes and parallel to the axis of the flame. These heterogeneities are caused by the gradual development of combustion at the root of the flame or by the presence of hot zones in this flame, characteristics of this type of known burner.
  • the oven also includes burners 8 located on the roof of the oven in the equalization areas of the latter. It's about flame burners with low axial impulse and high rotation of the flame (important "swirl").
  • the heat flow transmitted to the products to be heated is constant over a certain diameter, in a plane perpendicular to the axis of the burner 8 and parallel to the bed of products 1.
  • These burners generate limited thermal heterogeneities in these products, however the surface homogeneous radiative exchange created by each burner is limited to a low unit area, which requires the installation of a large number of burners such as 8 to ensure uniform heating of the entire surface of the products.
  • FIG 3 Schematically shown in Figure 3, the location of the burners 8 in the vault of the oven.
  • the reference Z designates the main area of heating of each burner 8 on the roof of the furnace
  • Pv designates the plane of the roof of the furnace
  • Ip denotes the image of the heat fluxes transmitted on the plane of the bed products.
  • the lower burners 7 ′ which are located under the plane of the products 1 do not can be replaced by burners with low axial impulse and high setting flame rotation because their implantation in the oven bottom is impossible in reason for the presence of product and fall support equipment of part of the oxides that form during reheating on the surface of these products.
  • Lower burners such as 7 'equalization zones cannot so be that axisymmetric flame burners, with axial development, despite the thermal flow distribution defects inherent in this type of burner.
  • WO 90/02907 describes a burner with a fuel / oxidizer nose mixture enriched so as to obtain a high luminosity flame.
  • This burner has a combustion tunnel, equipped with oxidant and fuel injection ports evenly distributed around the geometric axis of the burner so that the flame produced will have a shape of revolution around the geometric axis, and not a spread out shape.
  • This type of burner is used for cracking products injected with combustion air at very high temperatures for example, to purify them.
  • US-A-5,725,367 describes a burner with a single oxidizer inlet channel and a single fuel inlet channel. We do not find a layout with channels injection lines distributed around the axis of the burner.
  • US-A-3,676,048 relates to a burner in which the admission of oxidant, to air, is provided by a single duct generally constituting a slit annular in shape and not by injection orifices distributed around the axis of the burner.
  • the pilot flame of this burner is generated by injections of fuel and oxidizer in the combustion tunnel and not by a special arrangement of injectors inducing a difference in the distribution of products of combustion and a recirculation of smoke at the nose of the tunnel combustion.
  • the present invention proposes to provide a burner limiting the heterogeneities of distribution of the heat flow in planes vertical parallel and perpendicular to the flame axis, spreading the surface of exchange between the flame and the plane of the bed of the products to be treated.
  • FIG. 4 represents the distribution of the heat flux of the flame of a burner produced in accordance with the provisions of this invention.
  • reference B designates the burner
  • reference P designates the bed of the products
  • the reference I the image of the heat flows transmitted.
  • This Figure 4 clearly shows that the burner according to the invention develops a flame spread parallel to the bed of products and whose flow is preferably in the plane of the major axis of symmetry of the tunnel, parallel to the product plan.
  • a comparison between this figure 4 and figure 2 commented above clearly shows the technical progress brought by the invention vis-à-vis the burners according to the prior art.
  • a burner according to the present invention which is equipped with a combustion tunnel and oxidant injection channels and fuel distributed around the axis of the burner, and characterized in that the tunnel combustion has an enlarged shape of dimensions L and H with a UH ratio greater than 1, with a major axis of symmetry included in a PS plane and arranged substantially parallel to the plane P of the products to be treated, the axes of the channels of oxidant injection are substantially parallel to the plane PS and are inclined relative to the axis of the burner, so as to create a difference in the distribution of combustion products and fumes, producing a spread flame ensuring a homogeneous distribution of the heat flow parallel to the PS plane.
  • said combustion tunnel has a shape rectangular, oval, or any combination of these two shapes.
  • the axes of the injection orifices of the oxidizer and / or fuel are located in planes substantially parallel to the plan of the products to be treated.
  • the injection channels open into the tunnel through the orifices fuel injection or, in the case where the invention is applied to burners with separate fuel injection pipes, fuel injection channels and ports fuel are located in the injection pipe.
  • the burner includes modulation means of the surface on which the burner flame is distributed, these means being able be made by delivering the oxidant and / or fuel in at least two groups separated.
  • the invention also relates to an oven provided with burners having the characteristics defined above, in particular an oven for heating steel products.
  • This oven may have a radiant wall or exchange wall, arranged substantially parallel to the plan of the products to be treated, opposite the plan of spreading of burner flames. These burners are arranged so that the spreading plane flame is substantially parallel to one of the walls of the furnace.
  • the burners can be installed on the side walls of the oven, on one at less of these front walls, above and / or below the plane of the products to treat.
  • FIGS 5 and 6 illustrate a first embodiment of a burner according to the present invention.
  • this burner has a tunnel of combustion 10, of enlarged shape, rectangular in the exemplary embodiment not limiting illustrated by these figures, of dimensions L and H and whose major axis of symmetry included in the plane PS is arranged substantially parallel to the plane P of products 1 to be treated.
  • the combustion tunnel 10 can be made according to any other enlarged shape, such as for example oval or any combination of an oval and a rectangular shape with an L / H ratio greater than 1.
  • the walls of the combustion tunnel 10 can be flared to the depth F as illustrated in figure 5.
  • the supply of fuel is connected to the burner at 12, this fuel being injected via orifices 14.
  • the supply of oxidant is connected to the burner at 11, the injection by oxidant being effected by through holes 13.
  • the fuel injection and oxidizer channels are distributed around the axis of the burner. Their axes are arranged in planes substantially parallel to the plane PS in order to ensure a privileged distribution of each fluid which causes spreading the flame in a plane substantially parallel to the PS and P planes.
  • the burner thus produces at the exit of the tunnel 10, a spread flame with a homogeneous distribution of heat flow in a plane substantially parallel to the plane PS.
  • the distribution of the heat flux obtained is consistent with the representation of the figure 4.
  • the burner can be provided devices for modulating the surface on which the heat flux is distributed of the flame of this burner.
  • An embodiment of such a device is illustrated by figure 7.
  • the oxidizer is delivered in two separate groups 11A and 11B respectively supplying two groups of channels injection lines 13A and 13B, the axes of the injection channels 13A and 13B are substantially parallel to the PS plane.
  • the two groups of channels can be inclined with respect to the axis of the burner, in the same or different way.
  • Modulation of the ratio of flow rates and pressures of the two oxidant flows passing through the two groups of injection channels 13A and 13B makes it possible to modulate the surface on which the flame spreads.
  • the same arrangement can be adopted with regard to the fuel supply, which may be also carried out in separate groups in order to control and modulate the surface on which the thermal flow of the burner is distributed.
  • the burner object of the present invention and described above can equip in particular an oven for reheating steel products, a holding oven or a heat treatment oven, it being understood that these application examples have not no limiting character.
  • the burners are arranged in these ovens so that the flame spreading plan is substantially parallel to one of the walls of the oven in order to obtain a radiant wall substantially parallel to the plane of the products treat.
  • the burners which are the subject of the present invention can be installed on the walls sides of an oven as shown in Figure 1, above and below of the plan P of the products as illustrated in 7 and 7 ′ in this figure 1, in order to heat up said products homogeneously on their upper and lower faces.
  • the burners according to the invention can also be arranged on at least one front walls of the oven, above and / or below the plane P of the products to treat.
  • FIG. 8 illustrates several known examples of frontal implantation of burners in a reheating oven of the type according to figure 1.
  • the burners 15 can be installed on the end walls of the oven, above or below of the plane P of the products, the burners 16 can be installed at any point of the length of the oven, below the plane P of the products and the burners 17 can be located at all points along the length of the oven, above the plane P of the products.
  • the burner object of the present invention can be implanted in plans located either above or below the products as seen above with reference to Figure 1.

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Description

La présente invention concerne un brûleur à combustible fluide notamment pour fours de réchauffage de produits sidérurgiques. Le but de cette invention est la conception d'un brûleur à flamme étalée grâce auquel on améliore la répartition des flux thermiques générés par ladite flamme, afin de réduire l'hétérogénéité de température induite dans les produits à réchauffer.
On sait que les fours de traitement thermique, notamment de réchauffage, de maintien sont destinés à porter des produits, notamment des brames, blooms et similaires, aux températures requises par exemple pour un laminage ou en vue de l'obtention d'une structure métallurgique donnée.
Il est également connu que la qualité du traitement d'un produit, par exemple un laminage ou un traitement thermique, exige une température précise et homogène à l'intérieur du produit, cette température dépendant du type de traitement souhaité ou de la composition chimique du produit à traiter.
Par exemple, dans les fours de réchauffage de produits métallurgiques, le niveau de température moyen est obtenu en faisant passer les produits dans des zones dites de chauffage qui sont caractérisées par un apport thermique important dans un temps relativement court, ce qui engendre une grande hétérogénéité thermique dans les produits réchauffés. Afin d'obtenir une homogénéité de température requise pour leur traitement ultérieur, les produits sortant des zones de chauffage traversent une zone d'égalisation dans laquelle l'apport de chaleur est très faible, ce qui permet d'obtenir une égalisation des températures au sein des produits.
Sur la figure 1 des dessins annexés, on a représenté de façon schématique, en élévation latérale et en coupe verticale, un exemple de réalisation d'un four de réchauffage de produits sidérurgiques de type connu. Ce four est du type à chauffage inférieur et supérieur.
Comme on le voit sur la figure 1, les produits à réchauffer, désignés par la référence 1 sont supportés et transportés à l'intérieur du four par un système de longerons fixes 2 et mobiles 3, les longerons mobiles 3 étant déplacés grâce aux actions combinées d'un châssis de translation 4 et d'un châssis de levage 5 conférant aux produits 1 un mouvement à pas de pèlerin de manière à les entraíner de l'entrée vers la sortie du four. Il s'agit là d'un système bien connu de l'homme de l'art, qui ne fait pas partie de la présente invention et qu'il est donc inutile de décrire en détail.
Le four est constitué d'une enceinte calorifugée 6, comportant respectivement des zones de chauffage et des zones d'égalisation et sur laquelle sont disposés des brûleurs de chauffage supérieurs 7 et inférieurs 7' ainsi que des brûleurs d'égalisation 8 implantés dans la voûte du four ainsi qu'on le voit clairement sur la figure 1. Dans cet exemple de réalisation, les brûleurs des zones de chauffage 7 et 7' qui sont implantés sur les parois latérales du four sont des brûleurs à flammes axisymétriques, à développement axial. Les produits à traiter sont placés dans un plan horizontal parallèle aux axes des brûleurs. Ces derniers peuvent être implantés soit dans un plan situé au-dessus du plan du lit des produits (brûleurs supérieurs 7), soit dans un plan situé en dessous du plan du lit des produits (brûleurs inférieurs 7'). La hauteur de l'enceinte 6 du four est définie par la distance séparant le plan des produits 1 de la sole du four et par la distance séparant le plan desdits produits de la voûte du four. Cette hauteur est déterminée en fonction des caractéristiques et des dimensions de la flamme des brûleurs 7 et 7' implantés dans les parois latérales du four.
Sur la figure 2 des dessins annexés, on a représenté de façon schématique, la répartition du flux thermique produit par les brûleurs 7, 7' à flammes axisymétriques à développement axial. Sur cette figure, la référence B désigne un brûleur, P le plan du lit de produits et I l'image des flux thermiques transmis. On voit que le flux thermique présente des hétérogénéités dans les plans verticaux perpendiculaires et parallèles à l'axe de la flamme. Ces hétérogénéités sont provoquées par le développement progressif de la combustion à la racine de la flamme ou par la présence de zones chaude dans cette flamme, caractéristiques de ce type de brûleur connu.
Dans cet exemple de réalisation, le four comporte également des brûleurs 8 implantés sur la voûte du four dans les zones d'égalisation de ce dernier. Il s'agit de brûleurs à flammes à faible impulsion axiale et à forte mise en rotation de la flamme (« swirl » important). Le flux thermique transmis aux produits à réchauffer est constant sur un certain diamètre, dans un plan perpendiculaire à l'axe du brûleur 8 et parallèle au lit de produits 1. Ces brûleurs génèrent des hétérogénéités thermiques limitées dans ces produits, cependant la surface d'échange radiatif homogène créée par chaque brûleur se limite à une faible surface unitaire, ce qui nécessite la mise en place d'un nombre important de brûleurs tels que 8 pour assurer un réchauffage homogène de toute la surface des produits. On a schématisé sur la figure 3, l'implantation des brûleurs 8 dans la voûte du four. Sur cette figure, la référence Z désigne la zone principale de chauffage de chaque brûleur 8 sur la voûte du four, Pv désigne le plan de la voûte du four et Ip désigne l'image des flux thermiques transmis sur le plan du lit de produits.
Enfin, les brûleurs inférieurs 7' qui sont implantés sous le plan des produits 1 ne peuvent être remplacés par des brûleurs à faible impulsion axiale et forte mise en rotation de la flamme car leur implantation dans la sole du four est impossible en raison de la présence des équipements de supportage des produits et des chutes d'une partie des oxydes qui se forment lors du réchauffage à la surface de ces produits. Les brûleurs inférieurs tels que 7' des zones d'égalisation ne peuvent donc être que des brûleurs à flammes axisymétriques, à développement axial, malgré les défauts de répartition de flux thermiques inhérents à ce type de brûleur.
WO 90/02907 décrit un brûleur avec mélange au nez combustible/comburant enrichi de façon à obtenir une flamme à haute luminosité. Ce brûleur comporte un tunnel de combustion, muni d'orifices d'injection de comburant et de carburant répartis régulièrement autour de l'axe géométrique du brûleur de sorte que la flamme produite aura une forme de révolution autour de l'axe géométrique, et non une forme étalée. Ce type de brûleur est utilisé pour le cracking de produits injectés avec l'air de combustion à très haute température en vue, par exemple, de les épurer.
US-A-5 725 367 décrit un brûleur avec un seul canal d'arrivée de comburant et un seul canal d'arrivée de carburant. On ne retrouve pas une disposition avec canaux d'injection répartis autour de l'axe du brûleur.
US-A-3 676 048 concerne un brûleur dans lequel l'admission de comburant, à savoir de l'air, est assuré par un seul conduit constituant une fente généralement de forme annulaire et non par des orifices d'injection répartis autour de l'axe du brûleur. La flamme pilote de ce brûleur est générée par des injections de combustible et de comburant dans le tunnel de combustion et non par une disposition particulière d'injecteurs induisant une différence de répartition des produits de combustion et une recirculation des fumées au nez de tunnel de combustion.
Il résulte clairement de ce qui précède que l'obtention d'une bonne homogénéité de température des produits réchauffés dans un four de réchauffage de produits métallurgiques ou dans un four de traitement thermique, est limitée par la technologie actuelle des brûleurs du type à flammes axisymétriques à développement axial, ou qu'elle n'est possible que partiellement par la mise en place, complexe et coûteuse, d'un nombre important de brûleurs du type à faible impulsion axiale et à fort mouvement rotatif de la flamme sur la voûte du four.
Partant de cet état de la technique, la présente invention se propose d'apporter un brûleur limitant les hétérogénéités de distribution du flux thermique dans des plans verticaux parallèles et perpendiculaires à l'axe de la flamme, en étalant la surface d'échange entre la flamme et le plan du lit des produits à traiter.
Afin de bien faire comprendre le résultat rendu possible par la présente invention, on se réfère à la figure 4 qui représente la répartition du flux thermique de la flamme d'un brûleur réalisé conformément aux dispositions de la présente invention. Comme sur la figure 2, la référence B désigne le brûleur, la référence P désigne le plan du lit des produits et la référence I l'image des flux thermiques transmis. Cette figure 4 fait clairement apparaítre que le brûleur selon l'invention développe une flamme étalée parallèlement au lit des produits et dont le flux est préférentiellement dans le plan du grand axe de symétrie du tunnel, parallèle au plan des produits. Une comparaison entre cette figure 4 et la figure 2 commentée ci-dessus fait clairement apparaítre le progrès technique apporté par l'invention vis-à-vis des brûleurs selon la technique antérieure.
Le résultat ainsi illustré est atteint par un brûleur selon la présente invention qui est muni d'un tunnel de combustion et de canaux d'injection de comburant et de carburant répartis autour de l'axe du brûleur, et caractérisé en ce que le tunnel de combustion présente une forme élargie de dimensions L et H avec un rapport UH supérieur à 1, avec un grand axe de symétrie compris dans un plan PS et disposé sensiblement parallèlement au plan P des produits à traiter, les axes des canaux d'injection de comburant sont sensiblement parallèles au plan PS et sont inclinés par rapport à l'axe du brûleur, de manière à créer une différence de répartition des produits de combustion et des fumées, produisant une flamme étalée assurant une répartition homogène du flux thermique parallèlement au plan PS.
Selon la présente invention, ledit tunnel de combustion présente une forme rectangulaire, ovale, ou toute combinaison de ces deux formes.
Selon une autre caractéristique de l'invention, les axes des orifices d'injection du comburant et/ou du carburant sont situés dans des plans sensiblement parallèles au plan des produits à traiter.
Selon un mode de réalisation non limitatif de l'invention, le brûleur comporte :
  • d'une part, une alimentation en comburant munie de canaux d'injection débouchant dans le tunnel de combustion par l'intermédiaire desdits orifices d'injection, ces derniers étant répartis autour de l'axe du brûleur et ayant des axes qui sont situés dans des plans sensiblement parallèles au plan des produits à traiter et,
  • d'autre part, une alimentation en carburant disposée centralement et munie de canaux d'injection qui sont répartis autour de l'axe du brûleur, leurs axes étant situés dans des plans sensiblement parallèles au plan des produits.
Selon l'invention, les canaux d'injection débouchent dans le tunnel par les orifices d'injection de carburant ou, dans le cas où l'invention est appliquée à des brûleurs à cannes d'injection de carburant séparées, les canaux et les orifices d'injection de carburant sont situés dans la canne d'injection.
Grâce à ces caractéristiques, on obtient une mise en rotation faible ou nulle des gaz ce qui assure une répartition du flux thermique sur une surface importante (ou inversement), la flamme, à la sortie du tunnel de combustion se développant préférentiellement dans le plan du grand axe de symétrie du tunnel, sensiblement parallèlement au plan des produits.
Selon un autre mode de réalisation, le brûleur comporte des moyens de modulation de la surface sur laquelle est répartie la flamme du brûleur, ces moyens pouvant être réalisés en délivrant le comburant et/ou le carburant en au moins deux groupes séparés.
L'invention vise également un four muni de brûleurs présentant les caractéristiques définies ci-dessus, notamment un four de réchauffage de produits sidérurgiques. Ce four peut comporter une paroi radiante ou paroi d'échange, disposée sensiblement parallèlement au plan des produits à traiter, en regard du plan d'étalement des flammes des brûleurs. Ces brûleurs sont disposés de façon que le plan d'étalement de la flamme soit sensiblement parallèle à l'une des parois du four. Selon l'invention, les brûleurs peuvent être implantés sur les parois latérales du four, sur l'une au moins de ces parois frontales, au dessus et/ou au dessous du plan des produits à traiter.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui en illustrent des exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif.
Sur les dessins :
  • La figure 1, qui a été discutée ci-dessus, représente en élévation latérale et coupe verticale, un exemple de réalisation d'un four auquel peut s'appliquer la présente invention ;
  • La figure 2 illustre la répartition du flux thermique produit par des brûleurs actuellement connus, du type discuté ci-dessus ;
  • La figure 3, discutée ci-dessus, est un schéma illustrant la répartition des brûleurs de voûte prévus dans les zones d'égalisation du four connu illustré par la figure 1 ;
  • La figure 4 représente la répartition du flux thermique de la flamme d'un brûleur selon la présente invention,
  • La figure 5 est une vue schématique du brûleur selon un premier exemple de réalisation de l'invention, en coupe par un plan parallèle aux plans P et PS de la figure 6 ;
  • La figure 6 est une vue de ce même brûleur, depuis l'intérieur du four et,
  • La figure 7 est une vue similaire à la figure 5 illustrant un second exemple de réalisation du brûleur, objet de la présente invention.
On se réfère aux figures 5 et 6 qui illustrent un premier exemple de réalisation d'un brûleur selon la présente invention. On voit que ce brûleur comporte un tunnel de combustion 10, de forme élargie, rectangulaire dans l'exemple de réalisation non limitatif illustré par ces figures, de dimensions L et H et dont le grand axe de symétrie compris dans le plan PS est disposé sensiblement parallèlement au plan P des produits 1 à traiter. Bien entendu, il ne s'agit là que d'une forme de réalisation qui ne présente aucun caractère limitatif, le tunnel de combustion 10 pouvant être réalisé suivant toute autre forme élargie, telle que par exemple ovale ou toute combinaison d'une forme ovale et d'une forme rectangulaire avec un rapport L/H supérieur à 1.
Les parois du tunnel de combustion 10 peuvent être évasées sur la profondeur F comme illustré par la figure 5.
L'alimentation en carburant, du gaz dans cet exemple de réalisation non limitatif, est raccordée au brûleur en 12, ce carburant étant injecté par l'intermédiaire d'orifices 14. L'alimentation en comburant, de l'air dans cet exemple de réalisation non limitatif, est raccordée au brûleur en 11, l'injection en comburant s'effectuant par l'intermédiaire d'orifices 13.
Les canaux d'injection de carburant et de comburant sont répartis autour de l'axe du brûleur. Leurs axes sont disposés dans des plans sensiblement parallèles au plan PS afin d'assurer une distribution privilégiée de chaque fluide qui provoque l'étalement de la flamme dans un plan sensiblement parallèle aux plans PS et P.
Le brûleur produit ainsi à la sortie du tunnel 10, une flamme étalée avec une répartition homogène du flux thermique dans un plan sensiblement parallèle au plan PS. La répartition du flux thermique obtenue est conforme à la représentation de la figure 4.
Selon une autre caractéristique de la présente invention, le brûleur peut être muni de dispositifs de modulation de la surface sur laquelle est réparti le flux thermique de la flamme de ce brûleur. Un exemple de réalisation d'un tel dispositif est illustré par la figure 7.
Sur cette figure, on retrouve les différentes parties constitutives du brûleur selon l'invention tel que décrit ci-dessus en référence aux figures 5 et 6. Dans cette variante qui ne présente aucun caractère limitatif, le comburant est délivré en deux groupes séparés 11A et 11B alimentant respectivement deux groupes de canaux d'injection séparés 13A et 13B, les axes des canaux d'injection 13A et 13B sont sensiblement parallèles au plan PS. Les deux groupes de canaux peuvent être inclinés par rapport à l'axe du brûleur, de façon identique ou différente.
La modulation du rapport des débits et des pressions des deux flux de comburant passant par les deux groupes de canaux d'injection 13A et 13B permet de moduler la surface sur laquelle s'étale la flamme. Bien entendu, la même disposition peut être adoptée en ce qui concerne l'alimentation en carburant, celle-ci pouvant être réalisée également en groupes séparés afin de contrôler et de moduler la surface sur laquelle est distribué le flux thermique du brûleur.
Le brûleur objet de la présente invention et décrit ci-dessus peut équiper notamment un four de réchauffage de produits sidérurgiques, un four de maintien ou un four de traitement thermique étant entendu que ces exemples d'application n'ont aucun caractère limitatif. Les brûleurs sont disposés dans ces fours de manière que le plan d'étalement de leur flamme soit sensiblement parallèle à l'une des parois du four afin d'obtenir une paroi rayonnante sensiblement parallèle au plan des produits à traiter.
Les brûleurs objet de la présente invention peuvent être implantés sur les parois latérales d'un four tels que représentés sur la figure 1, au dessus et ou en dessous du plan P des produits tel qu'illustré en 7 et 7' sur cette figure 1, afin de réchauffer lesdits produits de façon homogène sur leurs faces supérieures et inférieures.
Les brûleurs selon l'invention peuvent également être disposés sur l'une au moins des parois frontales du four, au dessus et/ou en dessous du plan P des produits à traiter. La figure 8 illustre plusieurs exemples connus d'implantation frontale de brûleurs dans un four de réchauffage du type selon la figure 1. Les brûleurs 15 peuvent être implantés sur les parois d'extrémités du four, au dessus ou au dessous du plan P des produits, les brûleurs 16 peuvent être implantés en tous points de la longueur du four, au dessous du plan P des produits et les brûleurs 17 peuvent être implantés en tous points de la longueur du four, au dessus du plan P des produits.
Ainsi qu'on le comprend, la présente invention apporte un brûleur à flamme étalée permettant de limiter le gradient de température à la surface des produits qui sont positionnés dans le four muni de tels brûleurs et, par conséquent, dans leur masse, à quantité de chaleur transmise identique. La diminution des hétérogénéités de distribution du flux thermique dans des plans verticaux parallèles et perpendiculaires à l'axe de la flamme, obtenue par l'étalement de la surface d'échange entre la flamme et le plan du lit des produits permet notamment :
  • de réduire la durée de la phase d'égalisation des températures des produits, donc la longueur de la zone des fours de réchauffage dans laquelle cette égalisation de température est opérée.
  • de limiter les risques de surchauffe localisée du produit grâce à l'absence de zone chaude ou de point chaud dans la flamme. Cette caractéristique permet l'amélioration de l'état métallurgique final du produit traité.
  • de répartir la combustion sur une surface plus importante, ce qui permet de mieux contrôler le mélange de ces fluides donc la composition de l'atmosphère du four et des fumées. Ceci réduit les émissions de polluants générés par la combustion et réduit la formation d'oxydes à la surface des produits réchauffés.
  • de réduire la hauteur du laboratoire du four grâce à la réduction de la dimension de la flamme perpendiculairement au plan des produits ou à la réduction du nombre de brûleurs.
  • de remplacer un nombre important de brûleurs implantés sur la voûte du four par un nombre plus réduit de brûleurs implantés sur les parois du four. Le circuit de distribution de carburant et de comburant est plus réduit et il est réalisé pour un coût plus faible.
Les avantages mentionnés ci-dessus concernent les faces supérieure et inférieure du produit, le brûleur objet de la présente invention pouvant être implanté dans des plans situés soit au dessus, soit au dessous des produits comme on l'a vu ci-dessus en référence à la figure 1.

Claims (17)

  1. Brûleur à combustible fluide du type à flamme axisymétrique à développement axial muni d'un tunnel de combustion (10) et de canaux d'injection de comburant (13) et de carburant (14) répartis autour de l'axe du brûleur, caractérisé en ce que :
    le tunnel de combustion (10) présente une forme élargie de dimensions L et H avec un rapport L/H supérieur à 1, avec un grand axe de symétrie compris dans un plan PS et disposé sensiblement parallèlement au plan (P) des produits à traiter, les axes des canaux d'injection de comburant (13) sont sensiblement parallèles au plan (PS) et sont inclinés par rapport à l'axe du brûleur, de manière à créer une différence de répartition des produits de combustion et des fumées, produisant une flamme étalée assurant une répartition homogène du flux thermique parallèlement au plan (PS).
  2. Brûleur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est muni d'un tunnel de combustion (10) de forme rectangulaire.
  3. Brûleur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est muni d'un tunnel de combustion (10) de forme ovale.
  4. Brûleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que la forme du tunnel de combustion (10) est une combinaison quelconque des formes rectangulaire et ovale.
  5. Brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les axes des orifices d'injection de carburant (14) sont situés dans des plans sensiblement parallèles au plan (P) des produits à traiter (1).
  6. Brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une alimentation en carburant (12) disposée centralement et munie de canaux d'injection qui sont répartis autour de l'axe du brûleur, leurs axes étant situés dans des plans sensiblement parallèles au plan (P) des produits à traiter.
  7. Brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les canaux d'injection en carburant débouchent dans le tunnel de combustion (10) par lesdits orifices d'injection (14).
  8. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'il est du type à canne d'injection de carburant séparée, les canaux et les orifices d'injection de carburant étant situés dans la canne d'injection.
  9. Brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le comburant et/ou le carburant sont délivrés en au moins deux groupes séparés.
  10. Brûleur selon la revendication 9 caractérisé en ce que le comburant est délivré en deux groupes séparés (11A, 11B) alimentant respectivement deux groupes de canaux d'injection (13A, 13B), les axes desdits canaux d'injection étant sensiblement parallèles au plan (P) des produits.
  11. Brûleur selon la revendication 10 caractérisé en ce que les deux groupes de canaux d'injection sont inclinés par rapport à l'axe du brûleur, de façon identique ou différente.
  12. Brûleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les parois du tunnel de combustion (10) sont évasées sur sa profondeur (F).
  13. Four notamment de réchauffage de produits sidérurgiques caractérisé en ce qu'il est équipé de brûleurs selon l'une quelconque des revendications précédentes.
  14. Four selon la revendication 13 caractérisé en ce qu'il comporte une paroi radiante ou paroi d'échange, disposée sensiblement parallèlement au plan (PS) des produits à traiter, en regard du plan d'étalement des flammes desdits brûleurs.
  15. Four selon l'une des revendications 13 ou 14 caractérisé en ce que lesdits brûleurs sont disposés de manière que le plan d'étalement de la flamme soit sensiblement parallèle à l'une des parois du four.
  16. Four selon l'une quelconque des revendications 13 à 15 caractérisé en ce que les brûleurs sont implantés sur ses parois latérales, au dessus et/ou en dessous du plan (P) des produits à traiter.
  17. Four selon l'une quelconque des revendications 13 à 16 caractérisé en ce qu'il comporte également des brûleurs disposés sur l'une au moins de ses parois frontales, au dessus et/ou en dessous du plan (P) des produits à traiter.
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