EP1322900A1 - Procede de rechauffage de produits metallurgiques - Google Patents

Procede de rechauffage de produits metallurgiques

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EP1322900A1
EP1322900A1 EP01967440A EP01967440A EP1322900A1 EP 1322900 A1 EP1322900 A1 EP 1322900A1 EP 01967440 A EP01967440 A EP 01967440A EP 01967440 A EP01967440 A EP 01967440A EP 1322900 A1 EP1322900 A1 EP 1322900A1
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EP
European Patent Office
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oven
products
oxy
burners
burner
Prior art date
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EP01967440A
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German (de)
English (en)
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EP1322900B1 (fr
Inventor
Olivier Delabroy
Rémi Tsiava
Gérard Le Gouefflec
Fouad Ammouri
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
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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Publication date
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Publication of EP1322900A1 publication Critical patent/EP1322900A1/fr
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    • 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
    • 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 specially adapted for furnaces of these types
    • F27B9/3005—Details, accessories or equipment specially adapted for furnaces of these types arrangements for circulating gases
    • 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 specially adapted for furnaces of these types
    • F27B9/36—Arrangements of heating devices

Definitions

  • the present invention relates to a process for heating metallurgical products in which solid products, in particular steel, are heated to bring them from a temperature below substantially 400 ° C. to a temperature of at least approximately 1000 ° C. passage through an oven comprising an upstream zone in which said products are preheated and a downstream zone in which said products are brought to their final temperature at exit from the oven, the downstream zone of the oven being equipped with burners, at least some of which operate with an oxidizer which is air, the fumes generated by these burners circulating against the current of the products and coming to preheat them in the upstream preheating zone.
  • Reheating furnaces in the steel industry are used to reheat steel products originating in particular from continuous casting and bring them to the rolling temperature which is of the order of 1000 to 1300 ° C.
  • Ovens of this type usually consist of several successive zones. Starting with the charging (in the direction of scrolling of the products in the oven), these successive zones are the upstream zone known as exhaustion of smoke (or recovery) in which the thermal energy of the smoke produced downstream is recovered. from the oven and circulating against the current of the products to be heated, to start preheating these products.
  • This preheating zone being followed by one or more heating zones, and the furnace ending in a so-called equalization zone which serves to ensure the temperature uniformity of the product at the outlet of the furnace.
  • Burners can preferably be installed on either side of the product which circulates from the preheating zone until the end of the heating zone or zones. Such burners can also be placed in the roof of the oven (in the case of radiant arches) or in niches depending on the width of the oven.
  • FIG. 1 shows the curve of the evolution of the temperature difference ⁇ T (defined below) during the heating of the product.
  • the temperature difference ⁇ T will be the difference between the temperature of the upper surface of the product exposed to radiation from the oven and the temperature of the lower surface of the product in contact with the floor.
  • the temperature difference ⁇ T will be the difference between the surface temperature and the temperature at the heart of the product.
  • the position of the product in the oven is shown on the abscissa and the value of ⁇ T on the ordinate.
  • ( ⁇ T i ⁇ i t ) can be zero, when the product is put in the oven at room temperature, or non-zero in the case of products whose temperature has not yet become homogeneous, for example in the case of treatment of metallurgical products little time after their development.
  • X represents the position of the product in the oven, the abscissa 0 being the point for placing products in the oven, while X B is the abscissa for charging or leaving the oven.
  • the curve (C) of variation of ⁇ T as a function of X in FIG. 1 comprises a point A where the parameter ⁇ T reaches a maximum ( ⁇ Tmax), a point D where the parameter ⁇ T has a value ⁇ Tini t . which is the value of ⁇ T when the product is placed in the oven and a point B or the parameter ⁇ T has a value ⁇ Tfj na ⁇ , when the product is removed from the oven (racking).
  • the temperature difference ⁇ T reaches its maximum ( ⁇ Tm ax ).
  • This value ⁇ Tm ax must be as small as possible, because a large difference in temperature is equivalent to deformations of the product (buckling) which can cause a deterioration of the product or an impossibility of operation of the oven or an impossibility of rolling the product at the outlet. from the oven.
  • operators must limit the power of the oven and / or the production of the oven to avoid the appearance of too large temperature differences ⁇ T, which is a major drawback for an industrialist.
  • FIG. 2 illustrates the relationship between the temperature difference ⁇ T and the deflection, that is to say the vertical deformation of the product during its passage through the oven.
  • ⁇ Tfj na ⁇ at the outlet of the oven.
  • ⁇ T fl nai should be zero at the oven outlet (racking).
  • ⁇ T fj na ⁇ which should not exceed about 100 ° C for billets and 200 ° C for slabs and blooms.
  • a significant temperature difference in fact causes rolling difficulties which can go as far as mechanical incidents in certain stands of the rolling mill.
  • any unevenness in temperature results in a drop in quality on the finished product. It is also an object of the present invention to reduce ⁇ T ⁇ na ⁇ of a product leaving a reheating oven without increasing the energy consumption in the oven.
  • the process according to the invention consists in installing burners whose oxygen percentage in the oxidizer is greater than 21% vol. and less than or equal to 100% vol. (hereinafter referred to as "oxy-burner”), these burners being installed in the oven so that they are the first burners "seen” by the products to be treated during their progress in the oven, after they have been placed in the oven.
  • the preheating zone constituted by these oxy-burners is therefore the first preheating zone of the oven.
  • the invention therefore consists in placing oxy-burners in the zone of the furnace where the first burners must be placed (“first” with regard to the direction of travel in the furnace of the metallurgical product).
  • the method according to the invention is characterized in that there is at least one burner in the upstream preheating zone of the oven, this burner being supplied by an oxidizer and a fuel, the oxidant containing more than 21% and preferably more 30% by volume of oxygen.
  • Combustion and fuel can be supplied to the burner either by separate injection (from the injectors opening into the furnace) or by coaxial injection (burner coaxial multitubes)), either by oxidizer and fuel premix before injection into the burner and then the oven.
  • the invention may include two alternative embodiments.
  • the first variant consists in the creation of a new oven zone comprising oxy-burners.
  • the oxy-burners are installed in an area of the oven which did not initially have one.
  • this may consist of the installation of oxy-fuel burners at the end of the so-called recovery furnace zone, just before the first heating zone (which normally includes aero fuel burners).
  • the second variant consists in converting an existing zone, that is to say all or part of the air fuel burners are removed from an existing preheating zone in order to replace them with oxy-burners installed in the same zone.
  • the method according to the invention is characterized in that the proportion of oxygen in the oxidizer injected into said oxy-fuel burner is a function of the preheating temperature of existing air-fuel burners, the proportion of oxygen being chosen so that the thermal efficiency of said oxy-fuel burner is greater than the thermal efficiency of existing air-fuel burners.
  • the method according to the invention is characterized in that the proportion of oxygen in the oxidizer injected into said burner is greater than or equal to 88% vol., Preferably greater than or equal to 95% vol.
  • the method according to the invention is characterized in that the oxidant supplied to said at least one burner is a mixture of industrially pure oxygen and air.
  • the method according to the invention is characterized in that the oxidant supplied to said at least one burner is a mixture oxygen from a VSA (Vacuum Sewing Adsorption System, well known to those skilled in the art) and air.
  • VSA Vauum Sewing Adsorption System
  • the method according to the invention is characterized in that the oxidizer injected into said at least one burner comprises from 1 to 5% of argon in flight.
  • the molar mass and the density of argon being higher than those of oxygen respectively, the presence of argon in the oxidizer containing oxygen makes it possible to increase the momentum of the flame. This increase in momentum will give a more stable flame, less sensitive to transverse flows, closer to the metallurgical product to be heated and will therefore result in more efficient and more homogeneous heating of the product to be heated.
  • FIG. 3 an example of implementation of the invention on a billet heating furnace.
  • Figure 4 an example of implementation of the invention on a slab reheating oven.
  • FIG. 5 an exemplary embodiment of the invention while maintaining a constant hourly production, showing a reduction in fuel consumption.
  • FIG. 6 an exemplary embodiment of the invention in which the production of the furnace is increased while retaining the same temperature differences ⁇ T as during operation before implementation of the invention.
  • FIG. 9 illustrates the implementation of the invention according to FIG. 3.
  • the invention can be applied to different types of oven, whether these are new ovens on which the process of the invention can be directly installed or existing ovens which are then modified.
  • one of the important parameters of the process according to the invention is to use as an oxidant in at least certain burners of the furnace, oxygen-enriched air, the oxygen percentage of which can vary depending on the desired goal.
  • oxygen-enriched air the oxygen percentage of which can vary depending on the desired goal.
  • the percentage of oxygen in the oxidizer may vary by more than 21% vol. at 100% vol.
  • FIG. 7 represents the evolution of the yield and the volume of the fumes as a function of parameters such as the air preheating temperature, on the one hand, and the percentage of oxygen, on the other hand.
  • the air preheating temperature when using air as oxidant, it is possible to find a percentage of oxygen in the oxidant which gives a better yield than 'with combustion in air. For example, if the preheating temperature of Pair is 300 ° C, any oxidizer whose% O2 is greater than 30% vol. (from Figure 7) will give better thermal efficiency, synonymous with energy savings.
  • FIG. 8 represents the evolution of the smoke volume (in Nm3 / h per kW of fuel) as a function of the percentage of oxygen in the oxidizer.
  • the volume of smoke when using air (“aero reference” in Figure 8) is valid regardless of the air preheating temperature.
  • the use of pure oxygen as an oxidizer makes it possible to reduce the volume of smoke from 10.6 to 3 Nm3 / h, ie a reduction by a factor of 3.5. This reduction in the volume of smoke allows better operation of the recuperator which therefore allows the increase in the "draw" of the oven, as explained below.
  • the volume of smoke in the oven is directly linked to the pressure in the oven (which must remain minimal): increasing the thermal power delivered to the oven by keeping the air as oxidizer would effectively mean an increase in the volume of smoke in the oven and therefore an increase in the pressure in the furnace which would generate risks of deterioration of the furnace, up to and including its destruction.
  • the implementation of the invention can be carried out in different ways, according to the aim to be obtained, which will be explained below:
  • the use of the invention with the same draw is achieved by installing oxy-burners in the area concerned by operating these oxy-burners at a given power (P oxy ) while reducing the power of the air gas burners of other heating zones with a power at least equal to the power of the P oxy oxy- burners but less than twice the P oxy power (P oxy ⁇ power reduction ⁇ 2P oxy .)
  • the power of the aero-gas burners in the modified oven is then equal to the initial aero-gas power (before modification of the oven, i.e. P a ero ref ) minus ocPoxy, with 1 ⁇ ⁇ 2
  • FIG. 5 which shows the theoretical variations of ⁇ T between an all aero combustion and a combustion, in the same oven, where certain burners have been replaced by burners with pure oxygen, it is noted that the two problems linked to the difference ⁇ T temperature are resolved.
  • Hourly production can be increased by maintaining the values of DT and ax ⁇ Tfi na ⁇ e as they are in the furnace using a combustion in air only. This increase in hourly production can take place in two ways: increasing the rate of charging while keeping the size of the product warmed or keeping the rate of charging and increasing the size of the heated product.
  • the implementation of the invention makes it possible to reduce ⁇ Tm ax and ⁇ Tfj na ⁇ and therefore again allows the increase in pull.
  • the values ⁇ T ma ⁇ and ⁇ Tfi na ⁇ will return to their initial value, but the hourly production will have been increased, and this without additional energy consumption.
  • Curve G represents the case of 100% air combustion (existing oven)
  • curve H represents the same oven equipped with oxy-fuel burners allowing the increase in production
  • curve I represents the same oven equipped with oxy-fuel burners allowing keep production constant but lower ⁇ T ma x and ⁇ Tfi ⁇ a ⁇ .
  • FIG. 3 there is shown the implementation of the invention on a billet oven 1 with side members, the oven having a power of about 30 MW, a draw of 92 t / h.
  • the oven consists of an upstream zone 5 constituting the first half of the oven and a downstream zone 6 occupying the second half of the oven.
  • the products 8 enter the oven 1 through the inlet 2 and move from right to left in the figure, towards the outlet 3.
  • the air-fuel burners of the downstream area 6 have been preserved, while several oxy-fuel burners 11 were installed on approximately half of the upstream zone 5 (half closest to the downstream zone 6).
  • the fumes circulate from the outlet to the inlet, against the flow of products 8 which are thus preheated on contact.
  • the fumes are evacuated through the chimney 4. The following results were obtained on this oven
  • Example 2
  • FIG. 4 represents another example of implementation of the invention with a slab reheating oven.
  • the same elements as those in FIG. 3 have the same references.
  • the upstream zone 5 of the oven already has a heating zone
  • FIG. 4a By replacing the burners 10 (fig. 4a) with the burners 11 (fig. 4b), there is again a decrease in the ⁇ T of the products of around 30% for an increase in the draft of up to 50% if the total power consumption is retained.
  • the arrangement of the burners 11 follows the rules set out above for the installation of the oxy-fuel burners.

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Description

Procédé de réchauffage de produits métallurgiques
La présente invention concerne un procédé de réchauffage de produits métallurgiques dans lequel on procède au réchauffage de produits solides, notamment en acier afin de les amener d'une température inférieure à sensiblement 400°C à une température d'au moins environ 1000°C par passage dans un four comportant une zone amont dans laquelle lesdits produits sont préchauffés et une zone aval dans laquelle lesdits produits sont amenés à leur température finale de sortie du four, la zone aval du four étant équipée de brûleurs dont certains au moins fonctionnent avec un comburant qui est de l'air, les fumées engendrées par ces brûleurs circulant à contre courant des produits et venant préchauffer ceux-ci dans la zone amont de préchauffage.
Les fours de réchauffages en sidérurgie sont utilisés pour réchauffer des produits en acier issus notamment de la coulée continue et les amener à la température de laminage qui est de l'ordre de 1000 à 1300°C.
Les fours de ce type sont habituellement constitués de plusieurs zones successives. En commençant par l'enfournement (dans le sens de défilement des produits dans le four), ces zones successives sont la zone amont dite d'épuisement des fumées (ou de récupération) dans laquelle on récupère l'énergie thermique des fumées produites en aval du four et qui circulent à contre courant des produits à réchauffer, pour commencer à préchauffer ces produits.
Cette zone de préchauffage étant suivie d'une ou plusieurs zones de chauffage, et le four se terminant par une zone dite d'égalisation qui sert à assurer l'homogénéité de température du produit à la sortie du four. Des brûleurs peuvent être installés de préférence de part et d'autre du produit qui circule depuis la zone de préchauffage jusqu'à la fin de la ou des zone(s) de chauffage. De tels brûleurs peuvent également être placés dans la voûte du four (cas des voûtes radiantes) ou encore dans des niches suivant la largeur du four.
Lors du passage des produits dans les différentes zones successives du four de réchauffage, la température du produit à la surface et à l'intérieur de celui-ci va progressivement augmenter. Compte tenu des temps caractéristiques de la conduction thermique notamment de l'acier, il existe une différence de température entre la face supérieure du produit et la face inférieure ou encore entre la face supérieure du produit et le cœur du produit. La maîtrise de ces inhomogénéités thermiques est un aspect important de l'invention.
Ce problème d'homogénéité de la température du produit est d'autant plus important que la puissance thermique que l'on peut injecter dans un four de réchauffage est limitée. Cette limitation peut être d'origine multiple : volume des fumées limité, température d'une ou plusieurs zones du four au maximum, température à l'entrée du récupérateur d'énergie au maximum, etc. Dans tous les cas, la limitation de la puissance thermique injectée conduit à une limitation de l'énergie transmise au produit et donc à une apparition ou un renforcement des inhomogénéités thermiques dans la masse du produit. Afin de mieux expliciter le problème posé à l'homme de métier, on a représenté sur la figure 1 la courbe de l'évolution de la différence de température ΔT (définie ci-après) lors du réchauffage du produit.
Pour un four où les produits reposent sur la sole, la différence de température ΔT sera la différence entre la température de la surface supérieure du produit exposé au rayonnement du four et la température de la surface inférieure du produit en contact avec la sole.
Pour un four à longerons aériens, c'est à dire dans lequel les gaz chauds du four circulent tout autour du produit, la différence de température ΔT sera la différence entre la température de surface et la température au cœur du produit. Sur la figure 1 , on a représenté en abscisses la position du produit dans le four et en ordonnées la valeur de ΔT. La différence de température initiale
(ΔT iπit) peut être nulle, lorsque le produit est enfourné à température ambiante, ou non-nulle dans le cas de produits dont la température n'est pas encore redevenue homogène, par exemple dans le cas de traitement des produits métallurgiques peu de temps après leur élaboration. Sur la figure 1, X représente la position du produit dans le four, l'abscisse 0 étant le point d'enfournement des produits dans le four, tandis que XB est l'abscisse de défournement ou de sortie du four.
La courbe (C) de variation de ΔT en fonction de X sur la figure 1 comporte un point A où le paramètre ΔT atteint un maximum (ΔTmax), un point D où le paramètre ΔT à une valeur ΔTinit. qui est la valeur de ΔT à l'enfournement du produit et un point B ou le paramètre ΔT a une valeur ΔTfjnaι, à la sortie du produit du four (défournement).
Quelque part au milieu du four, au point d' abscisse XA, l'écart de température ΔT atteint son maximum (ΔTmax). Cette valeur ΔTmax doit être la plus faible possible, car un écart important en température équivaut à des déformations du produit (flambage) qui peuvent engendrer une détérioration du produit ou une impossibilité de fonctionnement du four ou une impossibilité de laminage du produit à la sortie du four. Ainsi, sur certains fours, les opérateurs doivent limiter la puissance du four et/ou la production du four pour éviter l'apparition de différences de température ΔT trop importantes , ce qui est un inconvénient majeur pour un industriel.
C'est donc un premier objet de la présente invention que d'éviter l'apparition de différences de températures trop importantes dans le produit pendant toute la durée de son passage dans le four. La figure 2 illustre la relation entre la différence de température ΔT et la flèche c'est à dire la déformation verticale du produit lors de son passage dans le four.
Sur cette figure 2, on a représenté la courbe (C) comme sur la figure 1 et une courbe (F) qui représente la déformation verticale du produit en fonction de X. On a constaté que le maximum de la déformation correspondait sensiblement au maximum de ΔT (ΔTmax pour une abscisse X = XA).
Par ailleurs, on a mis en évidence un autre paramètre important constitué par l'écart de température ΔTfjnaι en sortie de four. Idéalement, ΔTflnai devrait être nul en sortie de four (défournement). En pratique, on tolère un certain écart de température ΔTfjnaι qui ne doit pas dépasser environ 100°C pour les billettes et 200°C pour les brames et blooms. Un écart de température important provoque en effet des difficultés de laminage qui peuvent aller jusqu'à des incidents mécaniques dans certaines cages du laminoir. De plus, toute inégalité en température se traduit par une baisse de qualité sur le produit fini. C'est également un objet de la présente invention que de réduire ΔTπnaι d'un produit sortant d'un four de réchauffage sans augmenter la consommation d'énergie dans le four.
L'article intitulé "Efficient opération of continuous reheat furnaces through oxygen optimization of combustion System" par G. GITMAN, T.WECHLER et B. LEVINSON, publié dans la revue Industrial Heating .décrit différents systèmes de réchauffage de produits métallurgiques et suggère d'utiliser des brûleurs oxy-combustibles à la place des brûleurs aéro-combustibles habituels, de manière à augmenter le transfert d'énergie aux dits produits et maintenir ou même augmenter le ΔTmaχ de ces produits, comme illustré sur figure 7 de cet article.
Contrairement au procédé décrit dans l'article ci-dessus, le procédé selon l'invention consiste en l'installation de brûleurs dont le pourcentage en oxygène du comburant est supérieur à 21% vol. et inférieur ou égale à 100% vol. (ci-après désigné par « oxybrûleur »), ces brûleurs étant installés dans le four de manière à ce qu'ils soient les premiers brûleurs « vus » par les produits à traiter lors de leur progression dans le four, après leur enfournement. La zone de préchauffage constituée par ces oxybrûleurs est donc la première zone de préchauffage du four. Dans le cas de fours neufs, l'invention consiste donc à placer des oxybrûleurs dans la zone du four où doivent être placés les premiers brûleurs (« premiers » au regard du sens de défilement dans le four du produit métallurgique).
Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'on dispose au moins un brûleur dans la zone amont de préchauffage du four, ce brûleur étant alimenté par un comburant et un combustible, le comburant contenant plus de 21% et de préférence plus de 30% en volume d'oxygène. L'alimentation en comburant et combustible du brûleur peut se faire soit par injection séparée (des injecteurs débouchant dans le four), soit par injection coaxiale (brûleur multitubes coaxiaux)), soit par prémélange comburant et combustible avant injection dans le brûleur puis le four. Ces différentes techniques d'injections sont en soi bien connues de l'homme de métier.
Dans le cas d'une modification d'un four existant, l'invention peut comporter deux variantes de réalisation.
La première variante consiste en la création d'une nouvelle zone de four comportant des oxybrûleurs.
Pour cela on installe les oxybrûleurs dans une zone du four qui n'en comportait pas initialement. A titre d'exemple, cela peut consister en l'installation d'oxybrûleurs en fin de la zone du four dite de récupération, juste avant la première zone de chauffe (qui comporte normalement des brûleurs aéro combustible).
La seconde variante consiste à la conversion d'une zone existante, c'est à dire que l'on retire tout ou partie des brûleurs aérocombustibles d'une zone de préchauffage existante pour leur substituer des oxybrûleurs installés dans la même zone.
Les deux variantes de la solution ci-dessus dans les fours existants, peuvent être mises en œuvre séparément ou en combinaison.
Selon une troisième variante, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que la proportion d'oxygène dans le comburant injecté dans ledit brûleur oxycombustible est fonction de la température de préchauffage des brûleurs aéro-combustibles existants, la proportion d'oxygène étant choisie de telle sorte que le rendement thermique dudit brûleur oxycombustible soit supérieur au rendement thermique des brûleurs aéro-combustibles existants. Selon une quatrième variante, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que la proportion d'oxygène dans le comburant injecté dans ledit brûleur est supérieure ou égale à 88% vol., de préférence supérieure ou égale à 95% vol.
Selon une cinquième variante, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que le comburant fourni audit au moins un brûleur est un mélange d'oxygène industriellement pur et d'air.
Selon une sixième variante, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que le comburant fourni audit au moins un brûleur est un mélange d'oxygène issu d'un VSA (Système « Vacuum Sewing Adsorption », bien connu de l'homme de métier) et d'air.
Enfin, selon un autre aspect de l'invention, le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que le comburant injecté dans ledit au moins un brûleur comporte de 1 à 5% d'argon en vol. La masse molaire et la masse volumique de l'argon étant plus élevée que respectivement celles de l'oxygène, la présence d'argon dans le comburant contenant de l'oxygène permet d'augmenter la quantité de mouvement de la flamme. Cette augmentation de quantité de mouvement donnera une flamme plus stable, moins sensible aux écoulements transverses, plus proche du produit métallurgique à réchauffer et aura donc pour conséquence un chauffage plus efficace et plus homogène du produit à réchauffer.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation suivants, conjointement avec les figures qui représentent : La figure 3, un exemple de mise en œuvre de l'invention sur un four de réchauffage de billettes.
La figure 4, un exemple de mise en œuvre de l'invention sur un four de réchauffage de brames.
La figure 5, un exemple de réalisation de l'invention en conservant une production horaire constante, montrant une réduction de la consommation de combustible.
La figure 6, un exemple de réalisation de l'invention dans lequel on augmente la production du four tout en conservant les mêmes écarts de température ΔT que lors du fonctionnement avant mise en œuvre de l'invention.
Les figures 7 et 8, une comparaison de l'utilisation de l'air et de l'oxygène.
La figure 9 illustre la mise en œuvre de l'invention selon la figure 3.
L'invention peut s'appliquer à différents types de four, qu'il s'agisse de fours neufs sur lesquels on peut installer directement le procédé de l'invention ou de fours existants qui sont alors modifiés.
Dans tous les cas, un des paramètres importants du procédé selon l'invention est d'utiliser comme comburant dans au moins certains brûleurs du four, de l'air enrichi en oxygène, dont le pourcentage en oxygène peut varier selon le but recherché. Ainsi le pourcentage en oxygène dans le comburant pourra varier de plus de 21% vol. à 100% vol.
Lorsqu'on augmente le pourcentage d'oxygène dans le comburant, ceci revient à augmenter le rendement thermique du brûleur utilisant ce comburant. Augmenter le rendement thermique d'un ou plusieurs brûleurs sur un four de réchauffage a des conséquences sur le four et son environnement en particulier en terme d'économie d'énergie. La figure 7 représente l'évolution du rendement et du volume des fumées en fonction de paramètres tels que la température de préchauffage de l'air, d'une part, et le pourcentage d'oxygène, d'autre part. Sur cette courbe, on voit que quelle que soit la température de préchauffage de l'air (lorsqu'on utilise de l'air comme comburant), il est possible de trouver un pourcentage d'oxygène dans le comburant qui donne un meilleur rendement qu'avec la combustion à l'air. Par exemple, si la température de préchauffage de Pair est de 300°C, tout comburant dont le %O2 est supérieure à 30% vol. (d'après la figure 7) donnera un meilleur rendement thermique, synonyme d'économie d'énergie.
Un autre avantage de l'invention est lié au volume de fumées dans le four. La figure 8 représente l'évolution du volume des fumées (en Nm3/h par kW de combustible) en fonction du pourcentage d'oxygène dans le comburant. Le volume de fumées lorsqu'on utilise de l'air (« référence aéro » sur la figure 8) est valable quelle que soit la température de préchauffage de l'air. A titre d'exemple, l'utilisation d'oxygène pur comme comburant permet de réduire le volume des fumées de 10.6 à 3 Nm3/h soit une réduction d'un facteur de 3.5. Cette réduction du volume des fumées permet un meilleur fonctionnement du récupérateur qui permet donc l'augmentation de la « tirée » du four, comme expliqué ci-après.
Le volume de fumées dans le four est directement lié à la pression dans le four (qui doit rester minimale): augmenter la puissance thermique délivrée dans le four en conservant l'air comme comburant signifierait effectivement une augmentation du volume des fumées dans le four et donc une augmentation de la pression dans le four ce qui engendrerait des risques de détérioration du four, pouvant aller jusqu'à sa destruction. La mise en œuvre de l'invention peut s'effectuer de différentes manières, selon le but à obtenir, qui vont être exposées ci-après :
Production horaire constante :
L'utilisation de l'invention avec la même tirée (production horaire constante de métal réchauffé) est réalisée grâce à l'installation d'oxybrûleurs dans la zone concernée en faisant fonctionner ces oxybrûleurs à une puissance donnée (P oxy) tout en réduisant la puissance des brûleurs aéro-gaz des autres zones de chauffe d'une puissance au moins égale à la puissance des oxybrûleurs P oxy mais inférieur à deux fois la puissance Poxy. (Poxy < réduction de puissance<2Poxy.)
La puissance des brûleurs aéro-gaz dans le four modifiée est alors égale à la puissance aéro-gaz initiale (avant modification du four, soit Paéro ref ) moins ocPoxy, avec 1 <α<2
Sur la figure 5 qui montre les variations théoriques de ΔT entre une combustion tout aéro et une combustion, dans le même four, où certains brûleurs ont été remplacés par des brûleurs à l'oxygène pur, on remarque que les deux problèmes liés à la différence ΔTde température sont résolus.
ΔTmax est abaissé tandis que ΔTfπai est également abaissé. Augmentation de la production horaire La figure 5 montre une autre conséquence de l'invention : on peut augmenter la production horaire en conservant les valeurs de ΔT ax et ΔTfinaιe telles qu'elles sont dans le four en utilisant une combustion à l'air uniquement. Cette augmentation de production horaire peut avoir lieu de deux manières : augmentation de la cadence de défournement en conservant la taille du produit réchauffé ou conservation de la cadence de défournement et augmentation de la taille du produit réchauffé.
Conservation de la taille du produit.
Pour un même produit, l'augmentation de tirée se traduirait par une augmentation de la cadence de défournement. Le temps de résidence dans le four est donc réduit et les températures du produit n'ont plus le temps de s'homogénéiser : ΔTmax et ΔTπnai augmentent ce qui rend impossible l'augmentation de tirée.
La mise en œuvre de l'invention permet de réduire ΔTmax et ΔTfjnaι et donc permet à nouveau l'augmentation de tirée. Les valeurs ΔTmaχ et ΔTfinaι vont revenir à leur valeur initiale, mais la production horaire aura été augmentée, et ce sans consommation supplémentaire d'énergie.
La figure 6 représente différents cas de figures possibles théoriques avec différentes courbes : ΔT = f (position du produit dans le four).
La courbe G représente le cas d'une combustion 100% air (four existant), la courbe H représente le même four équipé de brûleurs oxycombustibles permettant l'augmentation de production, et la courbe I représente le même four équipé de brûleurs oxycombustibles permettant de garder une production constante mais d'abaisser ΔTmax et ΔTfiπaι .
Augmentation de taille des produits Un autre moyen d'augmenter la production horaire est d'augmenter la taille des produits à cadence de défournement constante. Les conséquences sont identiques que celles décrites ci-avant. Quand la taille des produits augmente , le temps caractéristique de la conduction est modifié et les écarts de température vont donc se creuser ; ΔTmax et ΔTfjnaι augmentent si la combustion se fait uniquement à l'air. La mise en oeuvre de l'invention permet à nouveau de baisser dans un premier temps ces valeurs et donc de traiter (réchauffer) des produits de taille plus importante. Exemple 1 :
Sur La figure 3 on a représenté la mise en œuvre de l'invention sur un four 1 de billettes avec des longerons en sole, le four ayant une puissance d'environ 30 MW, une tirée de 92 t/h. Le four est constitué d'une zone amont 5 constituant la première moitié du four et d'une zone aval 6 occupant la deuxième moitié du four.
Les produits 8 entrent dans le four 1 par l'entrée 2 et se déplacent de la droite vers la gauche sur la figure, vers la sortie 3. Les brûleurs aérocombustibles de la zone aval 6 ont été conservés, tandis que plusieurs brûleurs oxycombustibles 11 ont été installés sur la moitié environ de la zone amont 5 (moitié la plus proche de la zone aval 6). Les fumées circulent de la sortie vers l'entrée, à contre courant des produits 8 qui sont ainsi préchauffés à leur contact. Les fumées sont évacuées par la cheminée 4. Les résultats suivants ont été obtenus sur ce four
Ainsi, à puissance consommée identique, avec quatre brûleurs oxycombustibles régulièrement espacés sur la moitié aval de la zone amont, moitié la plus proche de la première zone de chauffe aéro combustible existante (ou zone aval du four), on gagne 10% environ en tirée et on baisse de 50% le coefficient ΔT, tandis qu'une augmentation de 20% de la tirée permet malgré tout un abaissement de la valeur du coefficient ΔT des produits d'environ 20%. Par ailleurs, pour un coût total de production de 100 dans le cas de référence (air) pour une tirée de 92 tonnes/heure (incluant les coûts de réchauffage et de laminage du produit), on obtient pour le cas d'une tirée à l'oxygène de 110 t/h, un coût de 88, soit 12% de gain sur le prix total de la tonne de produits finis (par exemple des laminés marchands). En outre, les NOx émis par le four dans les fumées sont réduits de 10 à 20% selon les cas.
Sur la figure 9 est représenté une courbe expérimentale de ΔT = f (position dans le four) pour le four selon l'invention décrit ci-dessus. Cette figure 9 est tout à fait semblable à la figure 5. Exemple 2 :
La figure 4 représente un autre exemple de mise en œuvre de l'invention avec un four de réchauffage de brames. Sur la figure 4, les mêmes éléments que ceux de la figure 3 portent les mêmes références. Dans ce type de fours existants (fig. 4a), la zone amont 5 du four comporte déjà une zone de chauffe
6, alimentée par des brûleurs aéro-gaz, selon les dispositions de la figure 4a. En remplaçant les brûleurs 10 (fig. 4a) par les brûleurs 11 (fig. 4b), on constate là encore une diminution du ΔT des produits de l'ordre de 30% pour une augmentation de la tirée pouvant aller jusqu'à 50% si la puissance consommée totale est conservée. La disposition des brûleurs 11 suit les règles exposées ci- dessus pour l'installation des brûleurs oxycombustibles.

Claims

REVENDICATIONS 1. Procédé de réchauffage de produits métallurgiques dans lequel on procède au réchauffage de produits solides, notamment en acier afin de les amener d'une température inférieure à sensiblement 400°C à une température d'au moins environ 1000°C par passage dans un four comportant une zone amont dans laquelle lesdits produits sont préchauffés et une zone aval dans laquelle lesdits produits sont amenés à leur température finale de sortie du four, la zone aval du four étant équipée de brûleurs dont certains au moins fonctionnent avec un comburant qui est de l'air, les fumées engendrées par ces brûleurs circulant à contre courant des produits et venant préchauffer ceux-ci dans la zone amont de préchauffage, caractérisé en ce que l'on dispose au moins un brûleur dans la zone amont de préchauffage du four, ce brûleur étant alimenté par du comburant et du combustible, le comburant contenant plus de 21% et de préférence plus de 30% en volume d'oxygène.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on modifie un four existant, caractérisé en ce que ledit brûleur oxycombustible situé dans la zone amont du four, est installé à un emplacement qui ne comportait pas de brûleur initialement.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel on modifie un four existant, caractérisé en ce que le dit brûleur oxycombustible est substitué à un ou plusieurs brûleurs aérocombustibles existants.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la proportion d'oxygène dans le comburant injecté dans ledit brûleur oxycombustible est choisie en fonction de la température de préchauffe de l'air de combustion des brûleurs aéro combustibles existants.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la proportion d'oxygène dans le comburant injecté dans ledit brûleur oxycombustible est supérieure ou égale à 88% vol., de préférence supérieure ou égale à 95% vol.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le comburant fourni audit brûleur oxycombustible est un mélange d'oxygène industriellement pur et d'air.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le comburant fourni audit brûleur oxycombustible est un mélange d'air et d'oxygène issu d'un VSA.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le comburant injecté dans ledit brûleur oxycombustible comporte de 1 à 5% d'argon en vol. environ.
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