EP1001237A1 - Procédé de chauffage d'un four à chargement continu notamment pour produits sidérurgiques, et four de chauffage à chargement continu - Google Patents

Procédé de chauffage d'un four à chargement continu notamment pour produits sidérurgiques, et four de chauffage à chargement continu Download PDF

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EP1001237A1
EP1001237A1 EP99402559A EP99402559A EP1001237A1 EP 1001237 A1 EP1001237 A1 EP 1001237A1 EP 99402559 A EP99402559 A EP 99402559A EP 99402559 A EP99402559 A EP 99402559A EP 1001237 A1 EP1001237 A1 EP 1001237A1
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EP
European Patent Office
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oxygen
zone
air
fuel
smoke
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP99402559A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Gérard Le Gouefflec
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
Publication of EP1001237A1 publication Critical patent/EP1001237A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F27B9/3005—Details, accessories, or equipment peculiar to furnaces of these types arrangements for circulating gases
    • F27B9/3011—Details, accessories, or equipment peculiar to furnaces of these types arrangements for circulating gases arrangements for circulating gases transversally
    • 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
    • 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
    • C21D9/0056—Furnaces through which the charge is moved in a horizontal straight path
    • 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
    • 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
    • F27B9/40—Arrangements of controlling or monitoring 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

Definitions

  • the invention relates to the heating of continuous loading, and in particular a method of heating ovens intended to bring to high temperature, most uniformly possible, steel products can be strong section, for example slabs, billets, blooms or ingots, as well as such a heating furnace (or reheating).
  • the ovens for which this process is intended can be spar ovens, push ovens, rotating floor, in particular.
  • the invention also relates, for example, to furnaces for heat treatment ⁇ in the parade ⁇ especially for semi-finished or finished products (strips, tubes, wires, parts various).
  • an efficient oven is an oven delivering practically uniform temperature with good productivity, forming little scale (or oxides) on the surface, because the scale is removed just before rolling corresponds to a significant loss of matter, and no scale adherent, avoiding the phenomena of ure tapure ⁇ or burning of products, and producing little nitrogen oxide and carbon dioxide.
  • Continuous loading ovens affected by the invention generally extend longitudinally between one end of the product loading and one end of discharge, the products being transported from one end to the other to scroll all along the internal space from the oven.
  • these ovens include in succession zones presenting different functions, sometimes immediately identifiable as a result of the existence of internal walls or particular vault profiles, but sometimes without clear physical separation.
  • the section provided with burners thus comprises one or more several heating zones, for example from upstream to downstream a preheating zone, a proper heating zone said, and an equalization area near the end of charging where the reheated products are directed to a rolling plant for example; the developed flames by the burners allow heating directly products in the oven or indirectly as a result of the heat from the oven wall.
  • the essential mode of transmission heat is of the radiative type in the areas of heating and equalization (over 90%).
  • the ratio air / fuel is adjusted in slight excess of air to ensure total combustion and thus avoid any formation unburnt, and secondly that the temperature in the area without burner known as smoke recovery or exhaustion is significantly lower (900 ° C to 1000 ° C) than in the rest of the oven, which means that the share of heating convective in this area ceases to be negligible (approximately 30%) ; the temperature in this area can hardly the current time be increased because energy losses would be unacceptable.
  • the object of the invention is to remedy this drawback and for this purpose consists of a heating process for carrying high temperature steel products, in a continuous loading type oven in which one scrolls products from one end of the oven to one end in the oven, this oven having at least one zone heater fitted with air / fuel burners that we possibly dope with oxygen but whose combustion gives off a large volume of typical smoke from combustion with air, on the side of the end of charging, and a so-called recovery or exhaustion zone smoke, on the side of the charging end in the region from which smoke is evacuated, characterized process in that at least one combustible body is incorporated into the fumes in the gaseous state and oxygen gas is introduced in upstream of the possibly doped air / fuel burner which is the most upstream when we refer to the direction in which we scroll through the products, and we burn at least part of the combustible body in the gaseous state and so we raise the temperature in the recovery zone.
  • the invention also consists of a heating oven to bring steel products to high temperature, of the continuous loading type, in which the products pass from a charging end to a charging end, and having at least one heating zone fitted with air / fuel burners if necessary doped with oxygen, the combustion of which gives off a volume important smoke typical of combustion with air, on the side of the feed end, and an area known as recovery or exhaustion of smoke, on the side of the charging end in the region of which the smoke is evacuated, oven characterized in that it comprises devices for incorporating at least one body into the smoke fuel in gaseous state, and devices introduction of oxygen gas upstream of the burner air / fuel possibly doped which is furthest upstream when we refer to the direction of scrolling of the products, to burn at least part of the combustible body to the gaseous state and thus raise the temperature in the area of recovery.
  • This internal space includes a heating zone 4, fitted with symbolized air / fuel heating burners at 41, on the discharge end side, burners at which, as a result of combustion, are released high temperature fumes (around 1200 ° VS) ; the heating zone 4 can itself be subdivided in several zones such as, from upstream to downstream, a zone of preheating, an actual heating zone, and a equalization area.
  • the internal space of the oven also includes a burner-free zone called recovery or exhaustion 5, in which the fumes have circulated heat released at the burners to recover part of their energy before recovering it themselves out of the oven in the end region charging 2 to heat the air sent to the burners.
  • air / fuel burners non means no only conventional air / fuel burners, but also air / fuel burners that we boost oxygen but releasing however a significant volume of fumes typical of combustion with air.
  • the oven shown very schematically in Figure 2 has in addition, in the recovery or exhaustion zone 5 of fumes, oxygen introduction devices 51. Thanks to the fact that we introduce oxygen, we can works a delayed combustion, by which we raise the temperature in this area; to do this, we dose the gases that we introduce at the air / fuel burners 41 (which we possibly doped with oxygen) in the area heating 4 so that the air / fuel ratio either at a sub-stoichiometric level, so that the fumes products that are brought into the recovery zone contain unburnt products which may react with oxygen.
  • the setting of the burners air / fuel 41 at a sub-stoichiometric air / fuel ratio is just one example of ways to incorporating a combustible body in the gaseous state into the fumes (here unburnt), and which can alternatively be provided and set one or more oxy-fuel burner (s) in the heating zone at a sub-stoichiometric oxygen / fuel ratio or inject fuel using a fuel injector in the heating zone or at the inlet recovery zone (in the direction of traffic fumes).
  • oxygen can be introduced by devices of introduction of oxygen 51 as here clearly in the smoke recovery zone 5, or at the entrance to this zone 5 (if we consider the direction of movement of fumes, which come from the heating zone 4), or even close to it, that is, more generally, upstream of the air / heating fuel burner 41 of the heating zone 4 which is furthest upstream when refers to the direction of movement of the products 1 in the oven (from the charging end 2 at the charging end 3).
  • the devices for introducing oxygen and / or fuel for example by means of air, nitrogen or water.
  • the ratio air / fuel at a corresponding sub-stoichiometric level at a value in the range of 0.95 to 0.99.
  • the pressure is adjusted to a very low level, possibly slightly depressed (a few millimeters in column water).
  • the oven is provided a control device (not shown); this equipment includes at least one probe by means of which measures the oxygen and / or oxide content of the smoke carbon leaving the oven, for example in a duct and a regulating device by means of which one regulates one of the air / gas ratios of the burners or the ratio oxygen / delayed combustion gas.
  • Wall losses can be considered as being identical.
  • the energy transferred to the product therefore slightly decreased in heating and equalization zones.
  • the term (1-x) E2 corresponds precisely reduction of the energy lost by the fumes as a result reduction in the volume of smoke leaving the oven.
  • the surplus energy can be harnessed by reducing the consumption of combustible gas or by increasing the rate of production.
  • G production (1-x) E2 / (W1 + W2) * 100 (value expressed in%).
  • the emission of oxides is reduced of nitrogen because the production of these in a flame is essentially related to the temperature of the flame and its stoichiometry; however, in the technique used, as a work with a sub-stoichiometric flame, we reduce slightly the flame temperature, and, due to the character flame reducer, production is greatly disadvantaged nitrogen oxides; moreover, in the recovery zone, temperatures are not raised enough to generate nitrogen oxides. As a result, this technique clearly differs from conventional doping techniques by which emissions of nitrogen oxides are generated relatively large.
  • the semi-finished products enter the heating zone at a uniform temperature of 500 ° C. and reach the temperature of 1050 ° C. at mid-thickness after 2450 seconds, while in an equivalent oven fitted out according to the invention, semi-finished products enter the heating zone at around 600 ° C and, thanks to the thermal recovery of the recovery zone, reach the temperature of 1050 ° C at mid-thickness after 1780 seconds.
  • the loss on ignition of the products is also considerably reduced by surface oxidation.
  • This loss can be between 0.5% and 1.5%; the oxidation which causes it is essentially linked to the oxidizing species present in the furnace, namely O 2 and CO 2 in particular; this oxidation is all the more important as the product is hot.
  • the technique according to the invention makes it possible to carry out a reducing adjustment in the hot zones, and to supplement with oxidizing oxygen up to stoichiometry when the product is not yet very hot; the scale formed is therefore reduced because the product during a large part of the cycle is in contact with a less aggressive atmosphere in terms of oxidation.
  • the reduction setting is made possible by delayed combustion with oxygen, use in the recovery zone making it possible to carry out an additional heat transfer to the charge as mentioned above; on the other hand, delayed combustion in air would result in increased smoke losses. It can be noted that this technique differs from traditional doping techniques (global do-page or by lance) that could be envisaged in such ovens, which do not modify the atmosphere in contact with the product.

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Abstract

Les produits (1) défilent d'une extrémité d'enfournement (2) à une extrémité de défournement (3) ; le four présente, du côté de l'extrémité de défournement, une zone de chauffage (4) équipée de brûleurs air/combustible (41) éventuellement dopés à l'oxygène, et, du côté de l'extrémité d'enfournement, une zone de récupération ou épuisement (5) des fumées, dans laquelle les fumées sont évacuées. Au moins un corps combustible à l'état gazeux est incorporé aux fumées, et de l'oxygène est introduit en amont du brûleur air/combustible (41) éventuellement dopé qui est le plus en amont lorsque l'on se réfère au sens de défilement des produits (1), pour brûler le corps combustible gazeux et ainsi élever la température dans la zone de récupération (5). Utilisation possible pour chauffer des produits sidérurgiques préalablement au laminage. <IMAGE>

Description

L'invention concerne le chauffage des fours à chargement continu, et notamment un procédé de chauffage de fours destinés à porter à haute température, le plus uniformément possible, des produits sidérurgiques pouvant être de forte section, par exemple des brames, des billettes, des blooms ou des lingots, ainsi qu'un tel four de chauffage (ou de réchauffage).
Une telle élévation de température des produits sidérurgiques est pratiquée par exemple en vue du laminage de ces produits, car à haute température l'acier est plus malléable et se prête mieux à l'opération.
Les fours auxquels est destiné ce procédé peuvent être des fours à longerons, des fours poussants, des fours à sole tournante, notamment.
L'invention concerne également par exemple les fours pour traitement thermique 〈〈 au défilé 〉〉 notamment pour des produits demi-finis ou finis (bandes, tubes, fils, pièces diverses).
Idéalement, un four performant est un four délivrant une température pratiquement uniforme avec une bonne productivité, formant peu de calamine (ou d'oxydes) en surface, car la calamine étant éliminée juste avant le laminage correspond à une perte de matière importante, et pas de calamine adhérente, évitant les phénomènes de 〈〈 tapure 〉〉 ou de brûlure des produits, et produisant peu d'oxyde d'azote et de gaz carbonique.
Les fours à chargement continu concernés par l'invention s'étendent généralement longitudinalement entre une extrémité d'enfournement des produits et une extrémité de défournement, les produits étant transportés d'une extrémité à l'autre pour défiler tout le long de l'espace interne du four.
Le long de cet espace interne, ces fours comportent en succession des zones présentant des fonctions différentes, parfois identifiables immédiatement par suite de l'existence de murs internes ou de profils de voûte particuliers, mais parfois sans séparation physique nette.
Plus précisément, en partant de l'extrémité d'enfournement, les fours conventionnels de ce type comportent tout d'abord un tronçon qui n'est pas muni de brûleurs, puis un tronçon muni de brûleurs air/combustible s'étendant approximativement jusqu'à l'extrémité de défournement.
Le tronçon muni de brûleurs comprend ainsi une ou plusieurs zones de chauffage, par exemple d'amont en aval une zone de préchauffage, une zone de chauffage proprement dit, et une zone d'égalisation à proximité de l'extrémité de défournement d'où les produits réchauffés sont dirigés vers une installation de laminage par exemple ; les flammes développées par les brûleurs permettent le chauffage directement des produits dans le four ou indirectement par suite de la chaleur de la paroi du four. Le mode essentiel de transmission de la chaleur est de type radiatif dans les zones de chauffage et d'égalisation (à plus de 90%).
C'est parce que la combustion au niveau des brûleurs avec un comburant tel que l'air dégage un volume de fumées important à une température élevée (environ 1200° C), qu'il a été jugé avantageux de prévoir du côté de l'extrémité d'enfournement une zone sans brûleur dans laquelle les fumées sont mises en circulation en direction de l'extrémité d'enfournement en vue d'être évacuées, après s'être en principe largement 〈〈 épuisées 〉〉 sur les produits froids entrants. Cependant, quoique le tronçon sans brûleur permette d'utiliser une partie importante de l'énergie des fumées, il reste encore intéressant de récupérer celles-ci afin d'utiliser une partie de leur énergie pour le préchauffage de l'air de combustion au moyen d'un appareillage de récupération approprié.
On peut noter d'une part que le ratio air/combustible est réglé en léger excès d'air pour assurer une combustion totale et ainsi éviter toute formation d'imbrûlés, et d'autre part que la température dans la zone sans brûleur dite de récupération ou d'épuisement des fumées est nettement moins élevée (900° C à 1000° C) que dans le reste du four, ce qui entraíne que la part du chauffage convectif dans cette zone cesse d'être négligeable (environ 30%) ; la température dans cette zone ne peut guère à l'heure actuelle être augmentée car les pertes énergétiques seraient rédhibitoires.
L'invention a pour but de remédier à cet inconvénient et consiste à cette fin en un procédé de chauffage pour porter à haute température des produits sidérurgiques, dans un four du type à chargement continu dans lequel on fait défiler les produits d'une extrémité d'enfournement à une extrémité de défournement, ce four présentant au moins une zone de chauffage équipée de brûleurs air/combustible de chauffage que l'on dope éventuellement à l'oxygène mais dont la combustion dégage un volume important de fumées typique d'une combustion avec de l'air, du côté de l'extrémité de défournement, et une zone dite de récupération ou épuisement des fumées, du côté de l'extrémité d'enfournement dans la région de laquelle on évacue les fumées, procédé caractérisé en ce que l'on incorpore aux fumées au moins un corps combustible à l'état gazeux et on introduit du gaz oxygène en amont du brûleur air/combustible éventuellement dopé qui est le plus en amont lorsque l'on se réfère au sens dans lequel on fait défiler les produits, et on brûle au moins une partie du corps combustible à l'état gazeux et ainsi on élève la température dans la zone de récupération.
Grâce à ces caractéristiques, on obtient un déplacement des flux thermiques dans le four en faveur de la zone de récupération et, notamment, une réduction du volume d'air de combustion, une réduction de l'énergie développée dans les zones de chauffage et d'égalisation, l'apport d'un complément d'énergie développé en zone de récupération, une réduction des flux volumiques des fumées et notamment des fumées sortant du four, une réduction de la formation des oxydes d'azote grâce à la diminution des pressions partielles d'oxygène et d'azote et de la température dans les zones de chauffage et d'égalisation, et une meilleure homogénéité de la température dans les produits à la sortie de la zone de chauffage.
Le procédé peut de plus présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • pour incorporer aux fumées au moins un corps combustible à l'état gazeux, on règle au moins un brûleur air/combustible à un ratio air/combustible sous-stoechiométrique et on produit dans le four des fumées contenant des imbrûlés ;
  • pour incorporer aux fumées au moins un corps combustible à l'état gazeux, on règle au moins un brûleur oxycombustible à un ratio oxygène/combustible sous-stoechiométrique et on produit dans le four des fumées contenant des imbrûlés ;
  • pour incorporer aux fumées au moins un corps combustible à l'état gazeux, on injecte ce corps combustible séparément ou conjointement à une injection d'oxygène en zone de chauffage ou en entrée de zone de récupération (dans le sens de circulation des fumées) ;
  • on introduit de l'oxygène par au moins un moyen choisi dans le groupe de moyens suivants : on injecte au moins un jet d'oxygène en lui imprimant une forte impulsion perpendiculaire à la direction générale du parcours des fumées dans la zone de récupération ou d'épuisement des fumées, on injecte une série de petits jets d'oxygène que l'on répartit uniformément sur une section du four, on injecte une série de petits jets d'oxygène que l'on répartit uniformément le long de la zone de récupération ou épuisement, on injecte au moins un jet d'oxygène que l'on fait tourbillonner, on règle au moins un brûleur oxygaz d'appoint de manière sur-stoechiométrique ;
  • on introduit de l'oxygène à l'entrée de la zone de récupération ;
  • on introduit de l'oxygène dans la zone de récupération ;
  • on introduit de l'air et du combustible au niveau des brûleurs de la zone de chauffage avec un ratio air/combustible sous-stoechométrique, correspondant à une valeur comprise dans la gamme de 0,95 à 0,99 ;
  • on ajuste le ratio air/combustible au niveau des brûleurs de la zone de chauffage de telle sorte qu'il n'y ait pas d'imbrûlés sortant par des ouvertures du four ;
  • on règle la pression à un niveau bas, de préférence en dépression de quelques millimètres de colonne d'eau ;
  • on régule le débit d'oxygène en fonction du débit total de combustible introduit dans le four et de rapports de combustion choisis ;
  • on mesure dans un conduit d'évacuation des fumées ou à l'entrée de celui-ci, la teneur en au moins un gaz composant des fumées, et on régule le débit d'au moins l'un des gaz introduits dans le four, en réponse à la mesure de la teneur en gaz composant des fumées ;
  • on mesure la teneur des fumées en oxygène ;
  • on mesure la teneur des fumées en oxyde de carbone ;
  • on régule le ratio air/gaz des brûleurs ;
  • on régule le ratio oxygène/gaz de combustion retardée;
  • on refroidit par un courant de fluide, de l'oxygène et/ou du combustible que l'on introduit.
L'invention consiste également en un four de chauffage pour porter à haute température des produits sidérurgiques, du type à chargement continu, dans lequel les produits défilent d'une extrémité d'enfournement à une extrémité de défournement, et présentant au moins une zone de chauffage équipée de brûleurs air/combustible de chauffage éventuellement dopés à l'oxygène dont la combustion dégage un volume important de fumées typique d'une combustion avec de l'air, du côté de l'extrémité de défournement, et une zone dite de récupération ou épuisement des fumées, du côté de l'extrémité d'enfournement dans la région de laquelle les fumées sont évacuées, four caractérisé en ce qu'il comporte des dispositifs pour incorporer aux fumées au moins un corps combustible à l'état gazeux, et des dispositifs d'introduction de gaz oxygène en amont du brûleur air/combustible éventuellement dopé qui est le plus en amont lorsque l'on se réfère au sens de défilement des produits, pour brûler au moins une partie du corps combustible à l'état gazeux et ainsi élever la température dans la zone de récupération.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, de modes et de formes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs, et des dessins joints dans lesquels :
  • la figure 1 illustre le bilan thermique dans un four conventionnel représenté très schématiquement en section longitudinale, et
  • la figure 2 illustre le bilan thermique dans un four selon l'invention représenté très schématiquement en section longitudinale.
Le four conventionnel de réchauffage à chargement continu représenté très schématiquement sur la figure 1, au moyen duquel on porte à haute température des produits sidérurgiques, comporte un espace interne dans lequel on fait défiler des produits sidérurgiques 1 d'une extrémité d'enfournement 2 à une extrémité de défournement 3.
Cet espace interne comporte une zone de chauffage 4, équipée de brûleurs air/combustible de chauffage symbolisés en 41, du côté de l'extrémité de défournement, brûleurs au niveau desquels, par suite de la combustion, sont dégagées des fumées à haute température (de l'ordre de 1200° C) ; la zone de chauffage 4 peut être elle-même subdivisée en plusieurs zones telles que, d'amont en aval, une zone de préchauffage, une zone de chauffage proprement dit, et une zone d'égalisation. L'espace interne du four comporte également une zone sans brûleur dite de récupération ou d'épuisement 5, dans laquelle ont met en circulation les fumées chaudes dégagées au niveau des brûleurs afin de récupérer une partie de leur énergie avant de les récupérer ellesmêmes à leur sortie du four dans la région de l'extrémité d'enfournement 2 de celui-ci pour réchauffer l'air envoyé aux brûleurs.
Par 〈〈 brûleurs air/combustible 〉〉 on entend non seulement des brûleurs air/combustible conventionnels, mais également des brûleurs air/combustible que l'on dope à l'oxygène mais dégageant cependant un volume important de fumées typique d'une combustion avec de l'air.
Les énergies mises en jeu dans le four et symbolisées sur la figure 1 par des flèches épaisses sont définies comme suit :
  • E = énergie entrant au niveau des brûleurs 41,
  • W1 = énergie transmise aux produits 1 dans la zone de chauffage 4,
  • E1 = énergie transmise dans la zone de récupération 5,
  • W2 = énergie transmise aux produits 1 dans la zone de récupération 5,
  • P1 = énergie perdue par les parois dans la zone de chauffage 4,
  • P2 = énergie perdue par les parois dans la zone de récupération 5,
  • E2 = énergie évacuée dans les fumées.
    • En vertu des lois de conservation de l'énergie : E - E1 = W1 + P1, E1-E2 = W2 + P2, E-E2 = (W1+W2) + (P1+P2).
    Selon l'invention, le four représenté très schématiquement sur la figure 2 (où les mêmes éléments que ceux de la figure 1 portent les mêmes repères numériques) comporte de plus, dans la zone de récupération ou épuisement 5 des fumées, des dispositifs d'introduction d'oxygène 51. Grâce au fait que l'on introduit de l'oxygène, on peut mettre en oeuvre une combustion retardée, par laquelle on élève la température dans cette zone ; à cette fin, on dose les gaz que l'on introduit au niveau des brûleurs air/combustible 41 (que l'on a éventuellement dopés à l'oxygène) dans la zone de chauffage 4 de telle sorte que le ratio air/combustible soit à un niveau sous-stoechiométrique, afin que les fumées produites que l'on fait pénétrer dans la zone de récupération contiennent des imbrûlés susceptibles de réagir avec l'oxygène.
    Il faut noter que le réglage des brûleurs air/combustible 41 à un ratio air/combustible sous-stoechiométrique ne constitue qu'un exemple de moyens pour incorporer aux fumées un corps combustible à l'état gazeux (ici des imbrûlés), et que l'on peut en variante prévoir et régler en zone de chauffage un ou plusieurs brûleur(s) oxycombustible à un ratio oxygène/combustible sous-stoechiométrique ou encore injecter un combustible au moyen d'un injecteur de combustible en zone de chauffage ou en entrée de zone de récupération (dans le sens de circulation des fumées).
    De même, on peut introduire l'oxygène par des dispositifs d'introduction d'oxygène 51 comme ici nettement dans la zone de récupération 5 des fumées, ou à l'entrée de cette zone 5 (si l'on considère le sens de déplacement des fumées, qui proviennent de la zone de chauffage 4), ou même à proximité de celle-ci, c'est-à-dire, le plus généralement, en amont du brûleur air/combustible de chauffage 41 de la zone de chauffage 4 qui est le plus en amont lorsque l'on se réfère au sens de défilement des produits 1 dans le four (de l'extrémité d'enfournement 2 à l'extrémité de défournement 3).
    En fonction des conditions dans le four, et notamment de l'exposition au rayonnement dans celui-ci, on peut refroidir les dispositifs d'introduction d'oxygène et/ou de combustible par exemple au moyen d'air, d'azote ou d'eau.
    Ici, de préférence, on règle le ratio air/combustible à un niveau sous-stoechiométrique correspondant à une valeur comprise dans la gamme de 0,95 à 0,99. On ajuste ce ratio sur chaque four, de telle sorte qu'il n'y ait pas d'imbrûlés sortant par les ouvertures de celui-ci. On règle la pression à un niveau très faible, éventuellement légèrement en dépression (de quelques millimètres de colonne d'eau).
    On régule le débit d'oxygène lui-même en fonction du débit total de gaz combustible que l'on désire injecter dans le four et des rapports de combustion choisis.
    A cet égard, avantageusement, le four est muni d'un appareillage de régulation (non représenté) ; cet appareillage comporte au moins une sonde au moyen de laquelle on mesure la teneur des fumées en oxygène et/ou en oxyde de carbone en sortie du four, par exemple dans un conduit d'évacuation, et un dispositif de régulation au moyen duquel on régule l'un des ratios air/gaz des brûleurs ou le ratio oxygène/gaz de combustion retardée.
    Grâce à cette optimisation, qui assure en définitive la combustion totale des imbrûlés, on évite une trop forte oxydation du produit, et/ou une consommation excessive d'oxygène.
    Sur le plan pratique, les dispositifs d'introduction 51 par lesquels on introduit l'oxygène doivent être conçus pour que l'on puisse faire réagir l'oxygène rapidement avec les espèces imbrûlées de l'atmosphère du four. Ces dispositifs d'introduction peuvent être constitués par un ou plusieurs appareils similaires ou différents, tels que :
    • une ou plusieurs lances par lesquelles on injecte au moins un jet d'oxygène en lui imprimant une forte impulsion perpendiculaire au flux général des fumées (direction générale des fumées dans le zone de récupération),
    • une série de petites lances par lesquelles on injecte une série de petits jets d'oxygène que l'on répartit uniformément sur une section du four,
    • une série de petites lances par lesquelles on injecte une série de petits jets d'oxygène que l'on répartit uniformément dans la chambre de récupération, le long de celle-ci,
    • une ou plusieurs lances par lesquelles on injecte un petit jet d'oxygène que l'on fait tourbillonner (dites lances à effet de 〈〈swirl〉〉 ),
    • un ou plusieurs brûleurs oxygaz d'appoint à forte impulsion, que l'on règle de manière très largement sur-stoechiométrique, par lesquels on apporte un complément d'oxygène et un complément énergétique peu générateurs de fumées, que l'on dispose dans les parois latérales ou dans la voûte du four.
    Si l'on compare le four de la figure 2 à celui de la figure 1, par analogie avec des fours d'autres domaines techniques, on peut faire valablement un certain nombre d'approximations et d'hypothèses.
    En première approximation, on peut estimer que la température des fumées que l'on évacue en sortie de four est quasi-identique. En effet, ces fumées sont légèrement plus chaudes, par suite de la combustion à l'oxygène, mais ont un temps de résidence allongé (réduction des volumes de fumées) ; aux températures d'ambiance de cette zone, on conserve une prédominance des échanges radiatifs, donc un épuisement des fumées proportionnel à ce temps ; on peut appliquer cette hypothèse aussi aux fumées sortant des zones équipées de brûleurs.
    Les pertes par les parois peuvent être considérées comme étant identiques.
    Si l'on applique au four de la figure 2 la même technique de bilan énergétique et les mêmes notations que pour la figure 1, et si x est le rapport de combustion choisi pour les zones équipées de brûleurs (x = 1 étant le rapport stoechiométrique parfait), les énergies que l'on met en jeu sont définies comme suit :
  • xE = énergie entrant au niveau des brûleurs 41,
  • W1' = énergie transmise aux produits 1 dans la zone de chauffage 4,
  • E1' = xE1 = énergie transmise dans la zone de récupération 5,
  • W2' = énergie transmise aux produits 1 dans la zone de récupération 5,
  • P1' = P1 = énergie perdue par les parois dans la zone de chauffage 4,
  • P2' = P2 = énergie perdue par les parois dans la zone de récupération 5,
  • E' = (1 - x) E = énergie restituée par la combustion de l'oxygène provenant des moyens d'introduction 51 dans la zone de récupération 5,
  • E2' = xE2 = énergie évacuée dans les fumées.
    • Compte tenu de ce qui précède, l'équation de conservation de l'énergie en zone de récupération s'écrit donc : xE1 + (1-x)E - xE2 = W2' + P2,    au lieu, dans le premier cas, de : E1 - E2 = W2 + P2 ;    on obtient donc par soustraction : W2' - W2 = (1-x) [E-(E1-E2)].
    Ainsi, on a augmenté l'énergie transférée au produit en zone de récupération d'énergie.
    L'équation en zone de chauffage s'écrit : xE - xE1 = W1' + P1,    au lieu, dans le cas de 100 % d'air, de : E - E1 = W1 + P1.
    Par soustraction : W1' - W1 = (1-x) [E-E1].
    L'énergie transférée au produit a donc légèrement diminué en zones de chauffage et d'égalisation.
    L'énergie globale transférée au produit est : (W1' + W2') - (W1 + W2) = (1-x) E2.
    Ce résultat est conforme à la théorie des combustions à l'oxygène : le terme (1-x)E2 correspond précisément à la réduction de l'énergie perdue par les fumées par suite de la réduction du volume des fumées en sortie de four. Le surplus d'énergie peut être mis à profit en réduisant la consommation de gaz combustible ou en augmentant la cadence de production.
    On répartit donc ainsi l'énergie dans le four de manière fondamentalement différente, et on modifie notablement les propriétés physico-chimiques de l'atmosphère.
    En zone de combustion, comme on réalise un réglage sous-stoechiométrique :
    • on génère des fumées sans oxygène mais au contraire contenant des espèces réductrices (CO, H2) notamment),
    • on réduit légèrement la température de flamme,
    • on maintient un potentiel énergétique résiduel dans les fumées.
    En sortie des zones de chauffage ou directement en zone de récupération, on consomme les imbrûlés par combustion retardée à l'oxygène, et ainsi on réalise un meilleur transfert d'énergie au produit dans cette zone, sans provoquer une augmentation de la température de sortie. Grâce au fait que l'on réduit le volume des fumées, on réduit également l'énergie perdue au niveau de celles-ci.
    De plus, on chauffe le produit beaucoup plus tôt, et comme on l'a vu, grâce à la réduction du volume des fumées, on rend disponible un complément d'énergie au moyen duquel on peut augmenter la production ou réduire la consommation d'énergie.
    Il en résulte nombre d'avantages techniques dont certains peuvent être quantifiés.
    Ainsi, on peut améliorer la productivité du four ; en effet, si l'on utilise le potentiel d'énergie (1-x)E2 pour réduire l'énergie gaz-combustible entrante, le gain de productivité est : Gproductivité = 1 -[E - (1-x)E2]/E Gproductivité = (1-x)E2/E*100 (valeur exprimée en %).
    On peut aussi exploiter cette énergie par une augmentation de la production ; en effet, grâce à cette technologie d'injection, l'installation n'a pas de limite thermique particulière, car :
    • on n'augmente pas les débits de gaz combustible,
    • on n'affecte pas les températures du four les plus critiques (en zones très chaudes), et au contraire, on abaisse légèrement les températures de flamme,
    • comme on chauffe précocement les produits, on permet un meilleur transfert au coeur de ceux-ci et ainsi on réduit le temps passé en zone d'égalisation.
    L'augmentation de production peut être estimée à : Gproduction = (1-x)E2/(W1 + W2) *100 (valeur exprimée en %).
    De plus, on réduit la production de CO2, car si on se place à production constante, le gain de productivité Gproductivité précédemment calculé correspond à une réduction de la consommation d'énergie ramenée à la tonne d'acier, et la production de CO2 suit exactement la même loi : Cproductivité = Gproductivité.
    De la même manière, l'augmentation de production à consommation de combustible égale permet de calculer une réduction de CO2 émis à la tonne : Cproduction = 1/(1-Gproduction)-1 #Gproduction .
    Parallèlement, on diminue les émission d'oxydes d'azote, car la production de ceux-ci dans une flamme est essentiellement liée à la température de la flamme et à sa stoechiométrie ; or, dans la technique employée, comme ontravaille avec une flamme sous-stoechiométrique, on réduit légèrement la température de flamme, et, par suite du caractère réducteur de la flamme, on défavorise largement la production d'oxydes d'azote ; de plus, dans la zone de récupération, on n'élève pas les températures suffisamment pour générer des oxydes d'azote. Il en résulte que cette technique se distingue nettement des techniques de dopage classiques par lesquelles on génère des émissions d'oxydes d'azote relativement importantes.
    De plus, on obtient une uniformisation de la température des produits. Or, certaines nuances d'aciers ou certains formats sidérurgiques réclament une bonne uniformité de température du produit au défournement ; le chauffage précoce du produit est un facteur important de réalisation de cet objectif, car sur des demi-produits, l'épaisseur et la conductivité ne sont pas négligeables, et le 〈〈 coeur 〉〉 est souvent plus froid que la 〈〈 peau 〉〉 en sortie de four ; le procédé et le four selon l'invention favorisent un transfert thermique plus tôt lors du cycle de réchauffage, et la limitation par conduction du réchauffage est nettement réduite.
    Par exemple, dans un four dit 〈〈 poussant 〉〉 classique au fond duquel on met en circulation un lit de demi-produits en acier allié d'une douzaine de centimètres d'épaisseur auquel on applique un flux surfacique uniforme de 150 kw/m2, les demi-produits entrent dans la zone de chauffage à une température uniforme de 500°C et atteignent la température de 1050°C à mi-épaisseur au bout de 2450 secondes, tandis que dans un four équivalent aménagé selon l'invention, les demi-produits entrent dans la zone de chauffage vers 600°C et, grâce à la valorisation thermique de la zone de récupération, atteignent la température de 1050°C à mi-épaisseur au bout de 1780 secondes.
    On peut parvenir ainsi à une diminution des défauts des produits, car une partie des défauts métallurgiques constatés sur les produits réchauffés est due à des surchauffes locales, et par la technique de combustion retardée, on chauffe plus rêgulièrement les produits, et on diminue les contraintes thermiques tout au long du cycle de réchauffage ; de plus, comme on réduit la température des flammes, on réduit également le risque de surchauffe par des flammes trop proches du produit.
    Au moyen de l'invention on peut donc soit réduire les différences coeur-peau à production constante, soit réduire la durée de traitement dans le four.
    On réduit également notablement la perte au feu des produits par oxydation superficielle. Cette perte peut se situer entre 0,5% et 1,5%; l'oxydation qui la provoque est essentiellement liée aux espèces oxydantes présentes dans le four, à savoir O2 et CO2 notamment ; cette oxydation est d'autant plus importante que le produit est chaud. La technique selon l'invention permet d'effectuer un réglage réducteur dans les zones chaudes, et de compléter en oxygène comburant jusqu'à la stoechiométrie alors que le produit n'est pas encore très chaud ; la calamine formée est donc réduite car le produit pendant une grande partie du cycle est en contact avec une atmosphère moins agressive en termes d'oxydation. Le réglage réducteur est rendu possible par la combustion retardée à l'oxygène, l'utilisation en zone de récupération permettant de réaliser un transfert thermique supplémentaire à la charge tel que mentionné ci-dessus ; en revanche, une combustion retardée à l'air se traduirait par des pertes fumées accrues. On peut noter que cette technique se distingue des techniques traditionnelles de dopage (do-page global ou par lance) que l'on pourrait envisager dans de tels fours, qui, elles ne modifient pas l'atmosphère au contact du produit.
    Un autre problème posé par la calamine est d'éviter que celle-ci soit adhérente ; cette propriété se rencontre sur les produits fortement alliés, comme par exemple les aciers spéciaux ou les aciers inoxydables ; elle est due à la conjonction des migrations de certains éléments d'alliage entre la base métallique et la calamine, à l'épaisseur de calamine et à des surchauffes superficielles du produit ; localement, des mélanges eutectiques sont formés et sous l'action de la température ces mélanges deviennent fusibles ; il en résulte une adhérence forte de la calamine en ces points. Au moyen de l'invention on influe à la fois sur l'épaisseur de calamine et sur l'existence de points très chauds dus aux brûleurs. On réduit donc le risque de calamine adhérente.
    Enfin, comme on utilise les brûleurs en sous-stoechiométrie, on réduit légèrement la température de flamme, et les difficultés d'exploitation dues à des points chauds sur le four sont par conséquent moins critiques.

    Claims (18)

    1. Procédé de chauffage pour porter à haute température des produits sidérurgiques, dans un four du type à chargement continu dans lequel on fait défiler les produits (1) d'une extrémité d'enfournement (2) à une extrémité de défournement (3) , ce four présentant au moins une zone de chauffage (4) équipée de brûleurs air/combustible (41) de chauffage que l'on dope éventuellement à l'oxygène mais dont la combustion dégage un volume important de fumées typique d'une combustion avec de l'air, du côté de l'extrémité de défournement, et une zone dite de récupération (5) ou épuisement des fumées, du côté de l'extrémité d'enfournement dans la région de laquelle on évacue les fumées, procédé caractérisé en ce que l'on incorpore aux fumées au moins un corps combustible à l'état gazeux et on introduit du gaz oxygène en amont du brûleur air/combustible (41) éventuellement dopé qui est le plus en amont lorsque l'on se réfère au sens dans lequel on fait défiler les produits (1), et on brûle au moins une partie du corps combustible à l'état gazeux et ainsi on élève la température dans la zone de récupération (5).
    2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour incorporer aux fumées au moins un corps combustible à l'état gazeux, on règle au moins un brûleur air/combustible (41) à un ratio air/combustible sous-stoechiométrique et on produit dans le four des fumées contenant des imbrûlés.
    3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour incorporer aux fumées au moins un corps combustible à l'état gazeux, on règle au moins un brûleur oxycombustible à un ratio oxygène/combustible sous-stoechiométrique et on produit dans le four des fumées contenant des imbrûlés.
    4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour incorporer aux fumées au moins un corps combustible à l'état gazeux, on injecte ce corps combustible séparément ou conjointement à une injection d'oxygène en zone de chauffage ou en entrée de zone de récupération (dans le sens de circulation des fumées).
    5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on introduit de l'oxygène par au moins un moyen choisi dans le groupe de moyens suivants : on injecte au moins un jet d'oxygène en lui imprimant une forte impulsion perpendiculaire à la direction générale du parcours des fumées dans la zone de récupération ou d'épuisement des fumées, on injecte une série de petits jet d'oxygène que l'on répartit uniformément sur une section du four, on injecte une série de petits jets d'oxygène que l'on répartit uniformément le long de la zone de récupération ou épuisement, on injecte au moins un jet d'oxygène que l'on fait tourbillonner, on règle au moins un brûleur oxygaz d'appoint de manière sur-stoechiométrique.
    6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on introduit de l'oxygène à l'entrée de la zone de récupération (5).
    7. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on introduit de l'oxygène dans la zone de récupération (5).
    8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on introduit de l'air et du combustible au niveau des brûleurs (41) de la zone de chauffage (4) avec un ratio air/combustible sous-stoechiométrique, correspondant à une valeur comprise dans la gamme de 0,95 à 0,99.
    9. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on ajuste le ratio air/combustible au niveau des brûleurs (41) de la zone de chauffage (4) de telle sorte qu'il n'y ait pas d'imbrûlés sortant par des ouvertures du four.
    10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on règle la pression à un niveau bas, de préférence en dépression de quelques millimètres de colonne d'eau.
    11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on régule le débit d'oxygène en fonction du débit total de combustible introduit dans le four et de rapports de combustion choisis.
    12. Procédé selon la revendication 1 pour un four comportant un conduit d'évacuation des fumées, caractérisé en ce que l'on mesure, dans ce conduit ou à l'entrée de celui-ci, la teneur en au moins un gaz composant des fumées, et on régule le débit d'au moins l'un des gaz introduits dans le four, en réponse à la mesure de la teneur en gaz composant des fumées.
    13. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on mesure la teneur des fumées en oxygène.
    14. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on mesure la teneur des fumées en oxyde de carbone.
    15. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on régule le ratio air/gaz des brûleurs (41).
    16. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on régule le ratio oxygène/gaz de combustion retardée.
    17. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on refroidit par un courant de fluide, de l'oxygène et/ou du combustible que l'on introduit.
    18. Four de chauffage pour porter à haute température des produits sidérurgiques, du type à chargement continu, dans lequel les produits (1) défilent d'une extrémité d'enfournement (2) à une extrémité de défournement (3), et présentant au moins une zone de chauffage (4) équipée de brûleurs air/combustible (41) de chauffage éventuellement dopés à l'oxygène dont la combustion dégage un volume important de fumées typique d'une combustion avec de l'air, du côté de l'extrémité de défournement, et une zone dite de récupération (5) ou épuisement des fumées, du côté de l'extrémité d'enfournement dans la région de laquelle les fumées sont évacuées, four caractérisé en ce qu'il comporte des dispositifs (41) pour incorporer aux fumées au moins un corps combustible à l'état gazeux, et des dispositifs d'introduction (51) de gaz oxygène en amont du brûleur air/combustible (41) éventuellement dopé qui est le plus en amont lorsque l'on se réfère au sens de défilement des produits (1), pour brûler au moins une partie du corps combustible à l'état gazeux et ainsi élever la température dans la zone de récupération (5).
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