EP1322900B1 - Procede de rechauffage de produits metallurgiques - Google Patents

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EP1322900B1
EP1322900B1 EP01967440A EP01967440A EP1322900B1 EP 1322900 B1 EP1322900 B1 EP 1322900B1 EP 01967440 A EP01967440 A EP 01967440A EP 01967440 A EP01967440 A EP 01967440A EP 1322900 B1 EP1322900 B1 EP 1322900B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
products
furnace
oxy
burners
oxidizer
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP01967440A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP1322900A1 (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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=8854113&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP1322900(B1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
Publication of EP1322900A1 publication Critical patent/EP1322900A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1322900B1 publication Critical patent/EP1322900B1/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 peculiar to furnaces of these types
    • F27B9/3005—Details, accessories, or equipment peculiar to 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 peculiar to furnaces of these types
    • F27B9/36—Arrangements of heating devices

Definitions

  • the present invention relates to a method for reheating products metallurgical processes in which solid products are reheated, especially steel to bring them from a lower temperature to substantially 400 ° C at a temperature of at least about 1000 ° C passage in an oven having an upstream zone in which products are preheated and a downstream zone in which the products are brought to their final outlet temperature of the oven, the downstream zone of the furnace being equipped with burners, some of which at least operate with an oxidizer is air, the fumes generated by these burners circulating against the current products and preheating them in the upstream preheating zone.
  • Reheat furnaces in the iron and steel industry are used to heat steel products derived in particular from the continuous casting and bring them to the rolling temperature which is of the order of 1000 to 1300 ° C.
  • Furnaces of this type usually consist of several zones successive. Starting with the charging (in the direction of scrolling products in the furnace), these successive zones are the so-called upstream zone of exhaustion of fumes (or recovery) in which we recover the thermal energy of the fumes produced downstream of the furnace and circulating at counter current of the products to be heated, to start preheating these products.
  • a gaseous fuel body is incorporated in the fumes and oxygen is introduced to burn this combustible body so as to raise the temperature in the recovery zone.
  • This preheating zone being followed by one or more zones of heating, and the furnace ending with a so-called equalization zone which serves to ensure the homogeneity of the temperature of the product at the exit of the oven.
  • of the burners can be installed preferably on either side of the product which circulates from the preheating zone to the end of the zone (s) of heater. Such burners can also be placed in the vault of the kiln (radiating vaults) or in niches depending on the width of the oven.
  • the difference of temperature ⁇ T will be the difference between the temperature of the upper surface of the product exposed to the radiation of the oven and the temperature of the surface bottom of the product in contact with the sole.
  • the temperature difference ⁇ T will be the difference between surface temperature and temperature in the heart of product.
  • FIG. 1 there is shown in the abscissa the product position in the oven and the ordinate the value of ⁇ T.
  • the initial temperature difference (.DELTA.T init) may be zero, when stuffs at room temperature, or non-zero in the case of products whose temperature has not yet returned homogeneous, for example in the case of treatment of metallurgical products shortly after their elaboration.
  • X represents the position of the product in the oven, the abscissa 0 being the charging point of the products in the oven, while X B is the defrosting or exit abscissa of 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 ( ⁇ T max ), a point D where the parameter ⁇ T has a value ⁇ T init. which is the value of ⁇ T at the charging of the product and a point B where the parameter ⁇ T has a final ⁇ T value, at the exit of the product of the oven (rerouting).
  • the temperature difference ⁇ T reaches its maximum ( ⁇ T max ).
  • This value ⁇ T max must be as low as possible, since 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.
  • the operators must limit the power of the oven and / or the production of the oven to avoid the occurrence of temperature differences ⁇ T too large, which is a major drawback for an industrial.
  • Figure 2 illustrates the relationship between the temperature difference ⁇ T and the arrow ie the vertical deformation of the product when it passes through the oven.
  • final ⁇ T should be zero at the furnace outlet (disassembly).
  • a certain final temperature difference ⁇ T is tolerated, which should not exceed about 100 ° C for the billets and 200 ° C for the slabs and blooms.
  • a large temperature difference causes indeed rolling difficulties that can go as far as mechanical incidents in some mill cages.
  • any temperature inequality results in a drop in quality on the finished product.
  • the process according to the invention consists in the installation of burners whose percentage in oxygen of the oxidant is greater than 21% vol. and less than or equal to 100% flight. (hereinafter referred to as an "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 progression in the oven, after their charging.
  • the preheating zone constituted by these oxybrulers is therefore the first zone preheating the oven.
  • the invention thus consists of to place oxy-burners in the area of the oven where the first burners ("first" with regard to the direction of movement in the oven metallurgical product).
  • the process according to the invention is characterized in that minus one oxy-fuel burner in the upstream preheating zone of the furnace, this burner being fueled by an oxidant and a fuel, the oxidant containing 88% or more, and preferably 95% or more by volume of oxygen.
  • the power of the burners using air as oxidant is reduced by a power between one and twice the power of said oxy-fuel burner.
  • Food in oxidizer and burner fuel can be done either by separate injection (injectors opening into the oven), or by coaxial injection (burner co-axial multitubes)), or by oxidizing premix and fuel before injection into the burner then the oven. These different injection techniques are in themselves well known to those skilled in the art.
  • the invention may have two variants.
  • the first variant consists of the creation of a new oven zone with oxy-burners.
  • oxy-burners in an oven area that does not did not initially involve.
  • this may consist of the installation of oxy-burners at the end of the so-called recovery oven zone, just before the first heating zone (which normally has burners aero fuel).
  • the second variant consists of the conversion of an existing zone; to say that all or part of the air-fuel burners are removed from a zone of existing preheating to replace them with oxy-burners installed in the same area.
  • the method according to the invention is characterized in that the proportion of oxygen in the oxidant injected into said burner oxy-fuel is a function of the preheating temperature of the burners existing aero-fuels, the proportion of oxygen being chosen so that the thermal efficiency of said oxy-fuel burner is greater than thermal efficiency of existing air-fuel burners.
  • the process 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 of oxygen from a VSA (system "Vacuum Switching Adsorption", well known of the skilled person) and air.
  • VSA system "Vacuum Switching Adsorption", well known of the skilled person
  • the process according to the invention is characterized in that the oxidant injected into the at least one burner has 1 to 5% argon in flight.
  • Molar mass and density argon being higher than those of oxygen, the presence of argon in the oxidant containing oxygen allows to increase the amount of movement of the flame. This increase of amount of motion will give a more stable flame, less sensitive to transverse flows, closer to the metallurgical product to be heated and will therefore result in a more efficient and homogeneous heating of product to be heated.
  • the invention can be applied to different types of furnaces, whether for new furnaces on which the method of the invention can be directly installed or existing furnaces that are then modified.
  • one of the important parameters of the process according to the invention is to use as oxidant in at least some burners of the preheating zone of the furnace, oxygen-enriched air, the percentage of oxygen of which may vary according to the purpose. So the percentage of oxygen in the oxidizer may vary up to 100% vol.
  • FIG. 7 shows the evolution of performance and volume of fumes according to parameters such as the preheating temperature of the air, on the one hand, and the percentage of oxygen, on the other hand.
  • the temperature of Preheating the air when using air as an oxidizer, it is possible to find a percentage of oxygen in the oxidizer that gives a better only with combustion in the air. For example, if the temperature of preheating of the air is 300 ° C, any oxidizer whose% 02 is higher at 30% vol. (from figure 7) will give a better thermal efficiency, synonymous with saving energy.
  • FIG. 8 represents the evolution of the volume of the fumes (in Nm3 / h by kW of fuel) as a function of the percentage of oxygen in the oxidant.
  • the volume of fumes when using air (“aero reference" on the Figure 8) is valid regardless of the preheating temperature of the air.
  • the use of pure oxygen as an oxidizer can reduce the volume of fumes from 10.6 to 3 Nm3 / h is a reduction of a factor of 3.5.
  • the volume of fumes in the furnace is directly related to the pressure in the oven (which must remain minimal): increase the thermal power delivered in the oven retaining the air as oxidizer would actually mean a increase in the volume of fumes in the oven and therefore an increase in the pressure in the furnace, which would lead to the risk of deterioration of the oven, up to its destruction.
  • the power of the aero-gas burners in the modified furnace is then equal to the initial aero-gas power (before modification of the furnace, ie P aero ref .) Minus ⁇ P oxy , with 1 ⁇ ⁇ 2
  • FIG. 5 which shows the theoretical variations of ⁇ T between a burning any aero and a combustion, in the same furnace, where some burners have been replaced by burners with pure oxygen, we note that the two problems related to the temperature difference ⁇ T are solved.
  • ⁇ T max is lowered while ⁇ T final is also lowered.
  • FIG. 5 shows another consequence of the invention: it is possible to increase the hourly production by keeping the values of ⁇ T max and ⁇ T final as they are in the furnace by using an air combustion only.
  • This increase in hourly production can take place in two ways: increasing the rate of defloration by keeping the size of the product heated or keeping the rate of diversion and increase the size of the heated product.
  • the implementation of the invention makes it possible to reduce ⁇ T max and ⁇ T final and thus again makes it possible to increase pulling.
  • the ⁇ T max and ⁇ T final values will return to their initial value, but the hourly output will have been increased, without additional energy consumption.
  • Curve G represents the case of a 100% air combustion (existing furnace)
  • curve H represents the same furnace equipped with oxy-fuel burners allowing the increase of production
  • curve I represents the same furnace equipped with oxy-fuel burners allowing to keep a constant production but lower ⁇ T max and ⁇ T final .
  • Another way of increasing hourly production is to increase the size of products at a constant rate of production.
  • the consequences are the same as those described above.
  • the size of the products increases, the characteristic time of the conduction is modified and the temperature differences will therefore widen; ⁇ T max and ⁇ T final increase if the combustion is done only in air.
  • the implementation of the invention makes it possible to lower these values in a first step and thus to process (heat up) products of larger size.
  • FIG. 3 shows the implementation of the invention on a 1 kiln of billets with sole spars, the furnace having a power about 30 MW, a pull of 92 t / h.
  • the oven consists of an upstream zone 5 constituting the first half of the furnace and a downstream zone 6 occupying the second half of the oven.
  • Products 8 enter furnace 1 through entrance 2 and move from the right to the left in the figure, to exit 3. Burners aerofuels in the downstream zone 6 have been retained, while several oxy-fuel burners 11 were installed in about half of the area upstream 5 (the nearest half of the downstream zone 6). The fumes circulate from the exit to the input, countercurrent products 8 which are thus preheated to their contact. The fumes are evacuated by the chimney 4.
  • FIG. 4 represents another example of implementation of the invention with a slab reheating furnace.
  • the same elements that those of Figure 3 have the same references.
  • the upstream zone 5 of the furnace already has a heating zone 6, powered by air-gas burners, according to the provisions of Figure 4a.
  • the burners 10 Fig. 4a
  • the burners 11 Fig. 4b
  • a decrease of the ⁇ T of the products of the order of 30% for a increase of the pulling up to 50% if the power consumed total is retained.
  • the arrangement of the burners 11 follows the rules set out above for the installation of oxy-fuel burners.

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Description

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. Selon EP-A-1001237, on incorpore aux fumées un corps combustible gazeux et on introduit de l'oxygène pour brûler ce corps combustible afin d'élever la température dans la zone de récupération.
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 coeur du produit. La maítrise 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 coeur 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 (ΔTinit) 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 ΔTfinal, 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 ΔTfinal en sortie de four. Idéalement, ΔTfinal devrait être nul en sortie de four (défournement). En pratique, on tolère un certain écart de température ΔTfinal 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 ΔTfinal d'un produit sortant d'un four de réchauffage sans augmenter la consommation d'énergie dans le four.
L'article intitulé "Efficient operation 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 ΔTmax 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 oxycombustible dans la zone amont de préchauffage du four, ce brûleur étant alimenté par un comburant et un combustible, le comburant contenant 88% ou plus, et de préférence 95% ou plus en volume d'oxygène. La puissance des brûleurs utilisant de l'air comme comburant est réduite d'une puissance comprise entre une fois et deux fois la puissance dudit brûleur oxycombustible. 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 oeuvre 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 le comburant fourni audit au moins un brûleur est un mélange d'oxygène industriellement pur et d'air.
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 issu d'un VSA (Système « Vacuum Switching 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 oeuvre de l'invention sur un four de réchauffage de billettes.
  • La figure 4, un exemple de mise en oeuvre 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 oeuvre 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 oeuvre 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 de la zone de préchauffage 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 jusqu'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 l'air est de 300°C, tout comburant dont le %02 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 oeuvre 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 (Poxy) 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 Poxy 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 αPoxy, 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 ΔT de température sont résolus.
    ΔTmax est abaissé tandis que ΔTfinal 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 ΔTmax et ΔTfinale 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 détournement 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 défoumement. 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 ΔTfinal augmentent ce qui rend impossible l'augmentation de tirée.
    La mise en oeuvre de l'invention permet de réduire ΔTmax et ΔTfinal et donc permet à nouveau l'augmentation de tirée. Les valeurs ΔTmax et ΔTfinal 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 ΔTfinal.
    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 ΔTfinal 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 oeuvre 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
    Figure 00100001
    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 oeuvre 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 (7)

    1. Procédé de réchauffage de produits métallurgiques dans lequel on procède au réchauffage de produits sotides, 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 oxycombustible dans la zone amont de préchauffage du four, ce brûleur étant alimenté par du comburant et du combustible, 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., la puissance des brûleurs utilisant de l'air comme comburant étant réduite d'une puissance comprise entre une fois et deux fois la puissance dudit brûleur oxycombustible.
    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 le comburant fourni audit brûleur oxycombustible est un mélange d'oxygène industriellement pur et d'air.
    6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le comburant fourni audit brûleur oxycombustible est un mélange d'air et d'oxygène issu d'un VSA.
    7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, 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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