EP1618347A2 - Procede de controle de l homogeneite de temperature des prod uits dans un four de rechauffage de siderurgie, et four de rechauffage. - Google Patents

Procede de controle de l homogeneite de temperature des prod uits dans un four de rechauffage de siderurgie, et four de rechauffage.

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Publication number
EP1618347A2
EP1618347A2 EP04742455A EP04742455A EP1618347A2 EP 1618347 A2 EP1618347 A2 EP 1618347A2 EP 04742455 A EP04742455 A EP 04742455A EP 04742455 A EP04742455 A EP 04742455A EP 1618347 A2 EP1618347 A2 EP 1618347A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
oven
burners
temperature
furnace
thermal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04742455A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Alain Morel
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.)
Fives Stein SA
Original Assignee
Stein Heurtey SA
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
Application filed by Stein Heurtey SA filed Critical Stein Heurtey SA
Publication of EP1618347A2 publication Critical patent/EP1618347A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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 invention relates to a process for controlling the temperature uniformity of steel products, in particular slabs or billets, in a reheating furnace equipped with side burners.
  • the function of steel reheating furnaces is to bring the products to a given rolling temperature, with good temperature uniformity in all points of the product.
  • the heating of the ovens is traditionally obtained by burners supplied with air and fossil fuel and arranged on the walls of the furnace.
  • the burners are characterized by their power and the shape of their flame for different operating regimes which depend on their design and on the pressures and flow rates of fuel and oxidant.
  • This flame generally has a characteristic thermal profile with the presence of a hot spot where a large part of the release of energy and radiation is concentrated. Controlling the position of the hot spot of the flame is not simple since this position is variable and depends on the speed of the burner itself depending on the thermal demand of the oven.
  • the thermal profile of the flames produced by the burners has a direct influence on the temperature distribution of the walls of the oven and of the products located in their vicinity which more or less directly reproduce the same pattern of temperature distribution depending on the position of the hot spot of the flame.
  • the temperature differences on the product will be all the greater as the hot point of the burner flame is concentrated and its temperature is high compared to that of the surface of the product. Temperature differences will also be created on the product if there are obstacles to radiation between the hot spot of the flame and the product, for example caused by a product support creating a shadow effect.
  • Products if exposed to significant radiation, also tend to be hotter at their ends because, in addition to their two main faces (upper and lower), their ends are also exposed to radiation from flames or walls. This phenomenon is accentuated by the influence of the hot point of the flame on the side wall of the oven which contributes to the overheating of the ends of the product.
  • the products are reheated to a temperature several tens of degrees higher than the ideal rolling temperature in order to guarantee that all their points are located above of this temperature.
  • the temperature heterogeneities, and in particular the cold spots, will however produce significant forces in the stands of the rolling mill and variations in thickness or perceptible shape in the finished product.
  • the heating in the products is managed by controlling the position of the hot spot by locally using the radiation from the flames and combustion fumes and taking into account the particularities and imperfections of their distribution.
  • the search for a homogeneous product in temperature at the outlet of the reheating oven has developed essentially by taking into account the imperfections of the temperature distributions in the flames of the burners and by trying to provide an answer by means to correctly position the heating energy on a bed of products.
  • FR-A-2 794 132 The management of local overheating according to FR-A-2 794 132 is effective but has limits because it leads to an increasing complexity of the burners and of the furnace control / command equipment in order to obtain, with a computer algorithm, separate management of the position of the hot spots of the burners as a function of the positions of the products and of the temperature measurements taken at the outlet of the oven.
  • the object of the invention is to provide a process which, while remaining relatively simple and economical to implement, ensures better temperature uniformity of the products reheated in the steel furnaces in order to limit the appearance of defects in the rolling operations.
  • a process for controlling the temperature uniformity of steel products, in particular slabs or billets, in a reheating furnace equipped with side burners on each of two opposite sides, parallel to the direction of movement of the products in the oven, the method according to which the side burners are operated in all or nothing, and the operating and stopping time of each burner is adjusted to obtain the desired temperature is characterized in that one chooses as side burners spread flame burners, that these burners are operated at a speed close to the maximum speed or at maximum speed, and that the ignition order of the burners is chosen to promote the mixing and circulation of the fumes in order to reduce the hot point of the flame and to obtain better temperature uniformity of the walls of the oven and of the products.
  • Suitable spread flame burners are described in FR-A -2 784 449 (98 12824). Thanks to the particular implementation of spread flame burners operating in "all or nothing" and used so as to minimize the presence of hot spots in the flame and the fumes developed in the oven enclosure, the homogeneity of temperature of reheated products is improved. The uniformity of the temperatures of the smoke and of the walls of the furnace substantially reduces the drawbacks inherent in the presence of hot spots in the flames of the ovens produced according to the state of the art.
  • provision is made to equip the oven with at least two burners on each of its side walls, and the order of lighting of these burners is provided to promote the mixing and circulation of the fumes.
  • the modification of the smoke flows in the enclosure of said furnace is controlled by a computer using mathematical control algorithms as a function of a thermal objective on the product.
  • the thermal distribution, in particular the longitudinal and / or transverse curve, of the oven temperature can be checked by the computer, depending on the position of the load, its characteristics and its progress over the length of the oven and the target temperature and outlet temperature distribution for this product.
  • the order of ignition of the burners and the instant when these burners are ignited can be checked by the computer in order to reduce pressure variations inside the furnace and in the fuel supply circuits of the burners and in oxidizer.
  • the thermal distribution of temperature in the furnace can be controlled by the computer as a function of a production program to come into the oven and a rolling program at the outlet, to optimize the heating characteristics of the products.
  • the power distribution injected into the enclosure can be adjusted so as to favor energy recovery in the inlet zone of the oven.
  • the distribution of thermal power injected in the longitudinal and transverse direction of the furnace can be deduced from measurements carried out during the rolling operation.
  • the thermal profile of the oven and the longitudinal thermal profile of the product delivered by the oven can be calculated automatically by a computer using mathematical models, fuzzy logic systems or neuro-predictive or other algorithms.
  • the invention also relates to an oven for heating steel products, in particular slabs or billets, equipped with side burners and comprising control means for operating the side burners on or off, and for adjusting the operating time. and shutdown of each burner in order to obtain the desired temperature, characterized in that the side burners are spread flame burners, that these burners are controlled so as to operate at a speed close to the maximum speed or at the maximum speed , and following an ignition order suitable for promoting the mixing and circulation of smoke in order to reduce the hot point of the flame, the pressure variations in the oven and the burner supply circuits and to obtain better homogeneity of oven wall and product temperature.
  • Fig.l is a section in elevation of a furnace for reheating steel products according to the invention.
  • Fig.2 is a schematic view of a spread flame burner.
  • Fig. 3 is a diagram schematically representing the distribution according to several operating regimes of the thermal flow of a spread flame burner 5 in a transverse plane of the furnace, the variation of the thermal flow is plotted on the y-axis, the abscissa is the distance of the side wall of the oven supporting the burner.
  • Fig.4 is a schematic and partial plan section of an oven according to the invention with a pair of burners located on each of its side walls.
  • Fig. 5 is a diagram illustrating an example of an order of ignition of the furnace burners in an ignition cycle.
  • Fig. 6 to 8 are diagrams illustrating, similarly to Fig. 5, other examples of burner ignition orders.
  • FIG. 1 we can see schematically a reheating oven composed of an insulated enclosure 1, the steel products 2 to be reheated are supported inside the oven by 3 and moved by a mechanism 4, from the right of the figure to left.
  • Spreader burners 5 are installed on the side walls of the oven, above and below the bed of products 2.
  • FIG. 2 schematically presents a spread flame burner provided with a combustion tunnel 6 having an enlarged shape with L equal to at least 1.3 times H and fuel injection orifices 8 and oxidant 7 substantially parallel to the large axis of symmetry of the PS tunnel and parallel to the P plane of the products located in the oven.
  • the orientation of the fuel injection and oxidizer orifices is chosen so as to create a difference in the distribution of the combustion products and the recycled fumes in order to obtain a spread flame ensuring a homogeneous distribution of the heat flux.
  • FIG.4 we can see schematically an example of an oven according to the invention presented in plan view and in section.
  • This oven is equipped with four flame spreaders Bl to B4 equipping an oven 1.
  • the steel products to be heated 2 are supported and moved from the left to the right of the figure.
  • On each side of the oven on the side walls at least four burners B1, B2, B3 and B4 are provided above and below the plane P of the products.
  • the burners B1 and B3 are respectively upstream of the burners B2 and B4 in the direction of movement of the products in the oven.
  • the burners B1 and B3, as well as the burners B2 and B4 are installed face to face.
  • a spread flame burner by design, is designed to produce a spread flame for all operating conditions, but under conditions which may vary.
  • Fig. 3 presents, for example for the burner 5 seen in a transverse plane of the furnace, the distribution of the energy or of the thermal flux in kW carried on the ordinate as a function of the distance from the side wall of the furnace 1 in which this burner is installed presented on the abscissa.
  • Curves C1, C2 and C3 show the distribution of the heat flow from this burner for different operating modes.
  • Curve C1 shows the operation of the burner at low speed, curve C2 for an intermediate speed and the curve C3 for the maximum speed or full fire.
  • Fig. 3 shows that, at low speed, the hot point of the burner is located near the wall of the oven which will be overheated, causing the ends of the products to overheat with, at the outlet of the oven, the thermal profile of the characteristic product with ends warmer than the center.
  • the spread flame burners B1-B4 are operated near, or at, their maximum speed, in all or nothing, and according to an ignition order suitable for promoting the mixing and circulation of the fumes in order to reduce the hot spot of the flame and to obtain better temperature uniformity of the oven walls and the products.
  • a first example of the ignition order of the burners B1 to B4 is provided by the sequence presented in FIG. 5.
  • the time is plotted on each abscissa and, on the ordinate, the operating state corresponding to a symbolic non-zero ordinate level, and the stop state corresponding to a zero ordinate.
  • the operation therefore corresponds to a time slot whose length represents the duration at a speed close to the maximum; the non-operation or shutdown of the burner corresponds to a zero ordinate range.
  • the operating time "t" of each burner is a fraction of the time corresponding, for a given instant, to a fraction of the total power installed in the oven area and necessary for heating needs of the load present in this zone. According to Fig. 5, the operating times of each burner are the same.
  • the operating order (Fig. 5) of the burners for a cycle is as follows: Bl, B4, B2, B3.
  • the simultaneous or successive operation of the burners B1 and B4 causes the fumes to rotate in a clockwise direction; then the operation simultaneous or successive of burners B2 and B3 causes a rotation of the fumes in an anti-clockwise direction.
  • Fig. 6 shows another example of the order and duration of ignition of the burners B1 to B4 of the oven of FIG. 4.
  • the burners B1 and B3 operate simultaneously, as do the burners B2 and B4. These two pairs of burners operate alternately.
  • the burners B2 and B4 operate for a time "t 2" greater than the operating time "tl" of the burners Bl and B4, which makes it possible to inject more thermal energy into the zone of the furnace which corresponds to the burners B2 and B4 to adapt the thermal power injected to the need of the load present in this part of the furnace.
  • Fig. 7 shows another example of the order and duration of ignition of the burners for which each burner operates for a given time (B1, t3), (B2, t4), (B3, t5) and (B4, t6) corresponding to the thermal demand corresponding to the part of the oven opposite each of the burners.
  • Fig. 8 presents a different arrangement of the ignitions of the burners B1 to B4 for respective durations t3 to t6 identical to those of the oven operating case defined in FIG. 7. We can see in this figure that, at most, two burners are lit simultaneously and that at all times the burners are all off.
  • the adjustment of the power distribution injected into the oven enclosure is carried out in such a way as to favor energy recovery in the inlet area of the oven by first lighting the burners located at the outlet of the oven to lengthen thus the heat recovery zone located at the inlet of the oven.
  • the control of the temperature map and the distribution of the thermal power in the oven allows the monitoring of the heating of a particular product or of all the products contained in the oven during their entire residence time in the oven. .
  • Combined operation of all of the oven's burners for a time defined by the energy requirements of the products (calculator or regulators) makes it possible to appropriately distribute the thermal load in the oven thanks to the spread flame burner technology used in all or nothing and the mixing of the combustion gases obtained by controlling the ignition order of these burners.
  • the oven 1 preferably comprises a computer using mathematical algorithms for controlling as a function of a thermal objective on the product to control the order and the duration of lighting of each burner and ensure the modification of the circulation of the fumes in the enclosure. of said oven.
  • the sensors fitted to the oven 1 give the computer information enabling it to control the thermal distribution, in particular the longitudinal and / or transverse curve of the temperature of the oven, as a function of the position of the load of the products, of its characteristics and of its advancement over the length of the oven and the target temperature and outlet temperature distribution targeted for this product.
  • the computer includes means for entering data in order to make it control the thermal distribution of temperature in the oven as a function of a production program to come into the oven, and of an output rolling program, to optimize the product heating characteristics.
  • Information such as the temperature or the temperature distribution in the product and coming from the rolling equipment can be introduced into the oven control computer to deduce the distribution of thermal power to be injected in the longitudinal and transverse direction of the oven in order to '' improve the temperature uniformity of the products to be removed.
  • the computer can use for its operation mathematical models, fuzzy logic systems or neuro-predictive type algorithms to calculate (determine) the thermal profile of the oven and the longitudinal thermal profile of the product to be delivered by the oven.
  • the invention provides the advantages listed below.
  • the burners operate at a fixed speed, hence an optimization of the distribution of thermal energy over the entire surface of the "spread" flame and better mixing of the fumes in the oven.
  • the flames produced no longer have a hot spot, or have a less marked hot spot, so that concentrated radiation is avoided, generating temperature differences on the walls of the oven and on the products, or shadow effects on products.
  • the fixed regime also allows optimization of pollutant releases (for example NOx, CO, C0 2 ), of the oxygen content in the oven, thus reduction of the surface oxidation of the products and of the "loss on ignition".
  • the mixing of the gases in the oven results in a reduction in the temperature differences between the fumes, the walls, the product supports and the products in the oven, which makes it possible to obtain a more homogeneous product in temperature.
  • Reduction of flame hot spots and equalization of smoke and wall temperatures make it possible to limit the shadow effects of the supports on the products and also make it possible to equalize the temperature of these supports (elimination of the effect “a hot face / a cold face”), therefore leading to a significant reduction of the black marks on products .
  • the equalization of the temperature of the fumes in the oven makes it possible to reduce the overheating of the walls of the oven as well as the influence of these walls on the ends of the product with as a consequence the reduction of the "hot head and tail" effect characteristic of ovens according to the state of the art.
  • the uniform distribution of the heat fluxes in the oven reduces the constraints of positioning the products in the oven.
  • the load of the furnace can therefore be placed more freely, for example as a function only of the mechanical forces taken up by the supports.
  • the better homogeneity of the products makes it possible to reduce the safety overheating frequently used in conventional ovens to take account of the temperature heterogeneities of the products.
  • the energy consumption of the oven is therefore reduced according to the invention.
  • Optimizing the active hot length of the oven i.e. for which the burners are in operation, makes it possible to increase the length of the recovery zone and thus reduce the consumption of the oven.

Landscapes

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Abstract

Procédé de contrôle de l'homogénéité de température de produits sidérurgiques (B) dans un four de réchauffage (5) équipé de brûleurs latéraux sur chacun de deux côtés opposés, parallèles à la direction de déplacement (D) des produits dans le four, procédé selon lequel on fait fonctionner les brûleurs latéraux en tout ou rien, et on règle le temps de fonctionnement et d'arrêt de chaque brûleur pour obtenir la température souhaitée. On choisit comme brûleurs latéraux des brûleus à flamme étalée (1-4); on fait fonctionner ces brûleurs à un régime proche du régime maximum ou au régime maximum, et l'ordre d'allumage des brûleurs (1-4) est choisi pour favoriser le brassage et la circulation des fumées afin de réduire le point chaud de la flamme pour obtenir une meilleure homogéneité de température des parois du four et des produits.

Description

PROCEDE DE CONTROLE DE L'HOMOGENEITE DE TEMPERATURE DES PRODUITS DANS UN FOUR DE RECHAUFFAGE DE SIDERURGIE, ET FOUR DE RECHAUFFAGE.
L' invention est relative à un procédé de contrôle de l'homogénéité de température de produits sidérurgiques, notamment de brames ou de billettes, dans un four de réchauffage équipé de brûleurs latéraux. Les fours de réchauffage sidérurgiques ont pour fonction de porter les produits à une température de laminage donnée, avec une bonne homogénéité de température en tous points du produit.
Le chauffage des fours est traditionnellement obtenu par des brûleurs alimentés en air et combustible fossile et disposés sur les parois du four. Les brûleurs se caractérisent par leur puissance et la forme de leur flamme pour différents régimes de marche qui dépendent de leur conception et des pressions et débits de combustible et comburant . Cette flamme présente généralement un profil thermique caractéristique avec la présence d'un point chaud où est concentrée une part importante du dégagement d'énergie et de rayonnement. Le contrôle de la position du point chaud de la flamme n'est pas simple car cette position est variable et dépend du régime du brûleur lui même dépendant de la demande thermique du four.
Le profil thermique des flammes produites par les brûleurs a une influence directe sur la répartition de température des parois du four et des produits situés à leur proximité qui reproduisent plus ou moins directement la même allure de distribution des températures suivant la position du point chaud de la flamme.
Les différences de température sur le produit seront d'autant plus grandes que le point chaud de la flamme du brûleur est concentré et que sa température est importante par rapport à celle de la surface du produit . Des différences de température seront également créées sur le produit s'il existe des obstacles au rayonnement entre le point chaud de la flamme et le produit, par exemple provoqués par un support de produit créant un effet d'ombre.
Les produits, s'ils sont exposés à un rayonnement important, ont également tendance à être plus chauds à leurs extrémités car, outre leurs deux faces principales (supérieure et inférieure) , leurs extrémités sont également exposées au rayonnement des flammes ou des parois. Ce phénomène est accentué par l'influence du point chaud de la flamme sur la paroi latérale du four qui participe à la surchauffe des extrémités du produit.
Les produits les plus minces placés entre des lots de produits épais et exposés à un régime thermique identique seront également surchauffés et inversement.
Pour compenser ces imperfections des moyens de chauffage, on constate généralement qu'en sortie du four, les produits sont réchauffés à une température supérieure de plusieurs dizaines de degrés à la température de laminage idéale afin de garantir que tous leurs points soient situés au-dessus de cette température. Les hétérogénéités de température, et en particulier les points froids, produiront cependant des efforts importants dans les cages du laminoir et des variations d'épaisseur ou de forme perceptibles dans le produit fini .
La réduction des différences de température dans les produits réchauffés dans les fours a toujours été une préoccupation importante des utilisateurs et constructeurs de fours et menée suivant plusieurs axes , par exemple :
- une meilleure localisation des brûleurs dans le four et/ou une augmentation de leur nombre avec une puissance unitaire plus faible, - une gestion améliorée des brûleurs avec modulation de la position de leur point chaud et du temps durant lequel le brûleur est utilisé.
En particulier, d'après FR-A- 2 794 132 (99 06725) il est connu de faire fonctionner les brûleurs latéraux en tout ou rien, et de régler le temps de fonctionnement et d'arrêt de chaque brûleur pour obtenir la température souhaitée .
Selon cet état de la technique, on gère le chauffage dans les produits en maîtrisant la position du point chaud en utilisant localement le rayonnement des flammes et des fumées de combustion et en tenant compte des particularités et des imperfections de leur distribution. La recherche d'un produit homogène en température en sortie du four de réchauffage s'est développée essentiellement en tenant compte des imperfections des répartitions de température dans les flammes des brûleurs et en essayant d'y apporter une réponse par des moyens pour positionner correctement l'énergie de chauffage sur un lit de produits.
La gestion des surchauffes locales selon FR-A- 2 794 132 est efficace mais présente des limites car elle conduit à une complexité croissante des brûleurs et des équipements de contrôle / commande du four pour obtenir, avec un algorithme de calculateur, une gestion séparée de la position des points chauds des brûleurs en fonction des positions des produits et des mesures de températures réalisées en sortie du four.
En outre, malgré la complexité du contrôle de la carte thermique du four, on constate qu'il subsiste une hétérogénéité résiduelle, faible mais significative, liée à la différence de température élevée entre le point chaud de la flamme et les produits et les parois du four ainsi que liée aux effets d'ombre importants, ceci pour chaque régime de fonctionnement du brûleur. Ces hétérogénéités se matérialisent par des différences de température entre les extrémités du produit et son centre ainsi que par la présence de points froids situés sur les produits au niveau de leurs appuis sur les supports situés dans le four. US-A-4 281 984 propose un allumage alterné des brûleurs et des modifications des débits de comburant et/ou de combustible, ce qui conduit à des modifications du régime de fonctionnement des brûleurs. Ceci n'est pas favorable à un bon rendement du brûleur, ni à une température homogène.
L'invention a pour but de fournir un procédé qui, tout en restant relativement simple et économique à mettre en œuvre, assure une meilleure homogénéité de température des produits réchauffés dans les fours de sidérurgie afin de limiter les apparitions de défauts des opérations de laminage.
Selon l'invention, un procédé de contrôle de l'homogénéité de température de produits sidérurgiques, notamment de brames ou de billettes, dans un four de réchauffage équipé de brûleurs latéraux sur chacun de deux côtés opposés, parallèles à la direction de déplacement des produits dans le four, procédé selon lequel on fait fonctionner les brûleurs latéraux en tout ou rien, et on règle le temps de fonctionnement et d'arrêt de chaque brûleur pour obtenir la température souhaitée , est caractérisé en ce que l'on choisit comme brûleurs latéraux des brûleurs à flamme étalée, que l'on fait fonctionner ces brûleurs à un régime proche du régime maximum ou au régime maximum, et que l'ordre d'allumage des brûleurs est choisi pour favoriser le brassage et la circulation des fumées afin de réduire le point chaud de la flamme et pour obtenir une meilleure homogénéité de température des parois du four et des produits . Des brûleurs à flamme étalée pouvant convenir sont décrits dans FR-A -2 784 449 (98 12824) . Grâce à la mise en œuvre particulière de brûleurs à flamme étalée fonctionnant en « tout ou rien » et utilisés de façon à réduire au maximum la présence de points chauds dans la flamme et les fumées développées dans l'enceinte du four, l'homogénéité de température des produits réchauffés est améliorée . L' uniformisation des températures des fumées et des parois du four réduit sensiblement les inconvénients inhérents à la présence des points chauds dans les flammes des fours réalisés suivant l'état de la technique.
Avantageusement, on prévoit d'équiper le four d'au moins deux brûleurs sur chacun de ses murs latéraux, et l'ordre d'allumage de ces brûleurs est prévu pour favoriser le brassage et la circulation des fumées. De préférence, on commande la modification des circulations des fumées dans l'enceinte dudit four par un calculateur utilisant des algorithmes mathématiques de contrôle en fonction d'un objectif thermique sur le produit . On peut faire contrôler par le calculateur la distribution thermique, en particulier la courbe longitudinale et/ou transversale, de température du four, en fonction de la positon de la charge, de ses caractéristiques et de son avancement sur la longueur du four et de l'objectif de température et de répartition de température de sortie visé pour ce produit.
On peut faire contrôler par le calculateur l'ordre d'allumage des brûleurs et l'instant où ces brûleurs sont allumés afin de réduire les variations de pression à l'intérieur du four et dans les circuits d'alimentation des brûleurs en carburant et en comburant.
On peut faire contrôler par le calculateur la distribution thermique de température dans le four en fonction d'un programme de fabrication à venir à l'enfournement et d'un programme de laminage en sortie, pour optimiser les caractéristiques de chauffage des produits .
Le réglage de la répartition de puissance injectée dans l'enceinte peut être réalisé de façon à privilégier la récupération d'énergie dans la zone d'entrée du four.
La répartition de puissance thermique injectée suivant la direction longitudinale et transversale du four peut être déduite de mesures opérées durant l'opération de laminage.
Le profil thermique du four et le profil thermique longitudinal du produit délivré par le four peuvent être calculés automatiquement par un calculateur utilisant des modèles mathématiques, des systèmes de logique floue ou des algorithmes de type neuro-prédictifs ou autres .
L'invention est également relative à un four de réchauffage de produits sidérurgiques , notamment de brames ou de billettes, équipé de brûleurs latéraux et comprenant des moyens de commande pour faire fonctionner les brûleurs latéraux en tout ou rien, et pour régler le temps de fonctionnement et d'arrêt de chaque brûleur en vue d'obtenir la température souhaitée, caractérisé en ce que les brûleurs latéraux sont des brûleurs à flamme étalée, que ces brûleurs sont commandés de manière à fonctionner à un régime proche du régime maximum ou au régime maximum, et suivant un ordre d'allumage propre à favoriser le brassage et la circulation des fumées afin de réduire le point chaud de la flamme, les variations de pression dans le four et les circuits d'alimentation des brûleurs et pour obtenir une meilleure homogénéité de température des parois du four et des produits .
L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question à propos d' exemples de réalisation décrits en détail avec référence aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins :
Fig.l est une coupe en élévation d'un four de réchauffage de produits sidérurgiques suivant l'invention.
Fig.2 est une vue schématique d'un brûleur à flamme étalée.
Fig.3 est un diagramme représentant schématiquement la distribution suivant plusieurs régimes de fonctionnement du flux thermique d'un brûleur à flamme étalée 5 dans un plan transversal du four, la variation du flux thermique est portée en ordonnée, en abscisse est portée la distance du mur latéral du four supportant le brûleur. Fig.4 est une coupe en plan schématique et partielle d'un four selon l'invention avec une paire de brûleurs implantés sur chacun de ses murs latéraux.
Fig. 5 est un diagramme illustrant un exemple d'ordre d'allumage des brûleurs du four dans un cycle d'allumage.
Fig.6 à 8 sont des diagrammes illustrant, semblablement à Fig.5, d'autres exemples d'ordres d'allumage des brûleurs.
En se reportant à la Fig . 1. on peut voir de façon schématique un four de réchauffage composé d'une enceinte isolée 1, les produits sidérurgiques 2 à réchauffer sont supportés à 1 ' intérieur du four par 3 et déplacés par un mécanisme 4, de la droite de la figure vers la gauche. Des brûleurs à flamme étalée 5 sont implantés sur les parois latérales du four, au dessus et au dessous du lit des produits 2.
La figure 2 présente schématiquement un brûleur à flamme étalée muni d'un tunnel de combustion 6 présentant une forme élargie avec L égal au moins à 1,3 fois H et des orifices d'injection de carburant 8 et de comburant 7 sensiblement parallèles au grand axe de symétrie du tunnel PS et parallèles au plan P des produits situés dans le four. L'orientation des orifices d'injection de carburant et de comburant est choisie de façon à créer une différence de répartition des produits de combustion et des fumées recyclées afin d'obtenir une flamme étalée assurant une répartition homogène du flux thermique .
En se reportant à Fig.4 on peut voir de façon schématique un exemple de four suivant l'invention présenté en vue en plan et en coupe . Ce four est équipé de quatre brûleurs à flamme étalée Bl à B4 équipant un four 1. Les produits sidérurgiques à réchauffer 2 sont supportés et déplacés de la gauche vers la droite de la figure. De chaque côté du four sur les parois latérales, au moins quatre brûleurs B1,B2, B3 et B4 sont prévus au- dessus et au dessous du plan P des produits. Les brûleurs Bl et B3 sont respectivement en amont des brûleurs B2 et B4 suivant la direction de déplacement des produits dans le four. Les brûleurs Bl et B3 , ainsi que les brûleurs B2 et B4 sont implantés face à face .
De tels brûleurs à flamme étalée sont enseignés par FR-A-2 784 449 dont la description est incorporée, par référence, à la présente description.
Un brûleur à flamme étalée, de par sa conception, est prévu pour produire une flamme étalée pour tous les régimes de fonctionnement, mais dans des conditions qui peuvent varier.
Fig. 3 présente, par exemple pour le brûleur 5 vu dans un plan transversal du four, la distribution de l'énergie ou du flux thermique en kW portée en ordonnée en fonction de la distance de la paroi latérale du four 1 dans laquelle est implanté ce brûleur présentée en abscisse. Les courbes Cl, C2 et C3 présentent la répartition du flux thermique de ce brûleur pour différents régimes de marche. La courbe Cl présente le fonctionnement du brûleur à bas régime, la courbe C2 pour un régime intermédiaire et la courbe C3 pour le régime maximum ou plein feu.
On constate qu'en fonction du régime de marche, l'étalement de la flamme, suivant la largeur du four 5, est meilleur pour les régimes proches du maximum suivant la courbe C3. Fig.3 montre, qu'à bas régime, le point chaud du brûleur est situé près de la paroi du four qui sera surchauffée, entraînant la surchauffe des extrémités des produits avec, en sortie du four, le profil thermique du produit caractéristique avec des extrémités plus chaudes que le centre .
Selon l'invention, on fait fonctionner les brûleurs à flamme étalée B1-B4 près de, ou à, leur régime maximum , en tout ou rien, et suivant un ordre d'allumage propre à favoriser le brassage et la circulation des fumées afin de réduire le point chaud de la flamme et pour obtenir une meilleure homogénéité de température des parois du four et des produits.
Ceci permet d'améliorer la répartition de l'énergie thermique. L'optimisation de la technologie du brûleur pour un régime de fonctionnement unique proche du maximum permet de réduire les émissions de polluants dans les gaz de combustion produits.
Le fonctionnement à plein régime des brûleurs avec des vitesses de gaz à l'ouvreau très importantes permet de mieux répartir l'énergie thermique sur toute la surface de la flamme, de brasser et de faire circuler les fumées dans l'enceinte du four. Il en résulte globalement une réduction supplémentaire du point chaud de la flamme au profit d'une meilleure répartition de l' énergie thermique sur les parois et sur les produits .
La réduction du point chaud de la flamme, le brassage et la circulation des fumées dans le four provoqués par le cycle de fonctionnement « tout ou rien » des brûleurs, permettent l'homogénéisation du rayonnement de l'ensemble de la masse des fumées qui produit un échange de chaleur homogène des parois du four et des produits. Les effets d'ombre provoqués par exemple par les supports 3 sur la face inférieure des produits 2 sont également fortement réduits grâce à l'uniformisation des températures des fumées et des parois du four qui égalisent la transmission de chaleur sur la surface du produit mais aussi sur les supports eux-mêmes qui sont sur toute leur surface à la température des parois. Le résultat est un produit défourné avec une meilleure homogénéité de température qui autorise une meilleure qualité de laminage à une température de laminage plus basse, donc la réalisation d'un produit fini de meilleures caractéristiques métallurgiques et dimensionnelles . Un premier exemple d'ordre d'allumage des brûleurs Bl à B4 est fourni par la séquence présentée sur Fig. 5. On a représenté pour chaque brûleur le temps en abscisse et, en ordonnée, l'état de marche correspondant à un niveau d'ordonnée non nulle symbolique, et l'état d'arrêt correspondant à une ordonnée nulle. Le fonctionnement correspond donc à un créneau dont la longueur représente la durée à un régime proche du maximum ; le non-fonctionnement ou arrêt du brûleur correspond à une plage d'ordonnée nulle. Pour un temps « T » de cycle d'allumage des brûleurs, la durée « t » de fonctionnement de chaque brûleur est une fraction du temps correspondant, pour un instant donné, à une fraction de la puissance totale installée dans la zone du four et nécessaire aux besoins de chauffage de la charge présente dans cette zone. Selon Fig.5, les durées de fonctionnement de chaque brûleur sont les mêmes.
L'ordre de fonctionnement (Fig.5) des brûleurs pour un cycle est le suivant : Bl, B4, B2 , B3 . Avec la disposition de Fig. 4, le fonctionnement simultané ou successif des brûleurs Bl et B4 provoque une rotation des fumées suivant le sens horaire ; puis le fonctionnement simultané ou successif des brûleurs B2 et B3 provoque une rotation des fumées suivant le sens anti-horaire.
L'allumage alterné des brûleurs Bl et B2 , puis B3 et B4 permet d'alterner le sens de circulation des fumées à l'intérieur du four dans la zone correspondante.
Fig . 6 présente un autre exemple d'ordre et de durée d'allumage des brûleurs Bl à B4 du four de Fig.4 . Les brûleurs Bl et B3 fonctionnent simultanément , de même que les brûleurs B2 et B4. Ces deux paires de brûleurs fonctionnent en alternance. En outre, les brûleurs B2 et B4 fonctionnent durant un temps « t 2» supérieur au temps « tl » de fonctionnement des brûleurs Bl et B4 ce qui permet d'injecter plus d'énergie thermique dans la zone du four qui correspond aux brûleurs B2 et B4 pour adapter la puissance thermique injectée au besoin de la charge présente dans cette partie du four.
Fig. 7 présente un autre exemple d'ordre et de durée d'allumage des brûleurs pour lequel chaque brûleur fonctionne durant un temps donné (Bl, t3) , (B2, t4) , (B3, t5) et (B4, t6) correspondant à la demande thermique correspondant à la partie du four en regard de chacun des brûleurs. On voit sur cette figure que, pour l'instant noté « ts », trois brûleurs sont en fonctionnement alors que pour l'instant noté « tr », aucun brûleur ne fonctionne. On comprend que le fonctionnement du four selon ce mode va entraîner des variations importantes des niveaux de pression dans le four et dans les circuits d'alimentation en carburant et en comburant des brûleurs entre les instants ts et tr et, plus généralement lors des allumages et extinctions des brûleurs.
Fig. 8 présente un arrangement différent des allumages des brûleurs Bl à B4 pour des durées respectives t3 à t6 identiques à celles du cas de marche du four défini sur la Fig. 7. On voit sur cette figure que, au maximum, deux brûleurs sont allumés simultanément et que, à aucun moment, les brûleurs sont tous éteints.
On comprend que pour cette figure, les variations de pression dans le four et dans les circuits d'alimentation des brûleur seront beaucoup plus faibles que pour le cas de marche décrit par la figure 7.
Il est clair que de nombreux ordres d'allumage sont utilisables pour modifier le brassage des fumées dans le four et/ou la répartition de la puissance thermique dans le four et/ou limiter les variations de la pression du four ou des pressions des circuits d'alimentation en carburant et comburant des brûleurs. Ce principe est transposable à des fours de dimensions importantes, équipés d'un nombre de brûleurs plus important que celui retenu pour 1 ' exemple . Les principes d'allumage des brûleurs peuvent également être adaptés pour les brûleurs situés au dessus et en dessous du plan P des produits .
Le même principe d'ajustement des durées de fonctionnement de chaque brûleur équipant le four en fonction de sa position permet de contrôler la carte des températures dans le four en fonction des caractéristiques locales de la charge dans le four ou des caractéristiques thermiques du produit à défourner.
En particulier, le réglage de la répartition de puissance injectée dans l'enceinte du four est réalisé de façon à privilégier la récupération d' énergie dans la zone d'entrée du four en allumant de façon prioritaire les brûleurs situés en sortie du four pour allonger ainsi la zone de récupération de chaleur située en entrée du four.
Le contrôle de la carte des températures et de la répartition de la puissance thermique dans le four permet le suivi du chauffage d'un produit particulier ou de l'ensemble des produits contenus dans le four durant la totalité de leur temps de séjour dans le four. Un fonctionnement combiné de l'ensemble des brûleurs du four durant un temps défini par les besoins énergétiques des produits (calculateur ou régulateurs) permet de répartir de façon adaptée la charge, thermique dans le four grâce à la technologie des brûleurs à flamme étalée utilisés en tout ou rien et au brassage des gaz de combustion obtenu par le contrôle de l'ordre d'allumage de ces brûleurs .
Un fonctionnement combiné de l'ensemble des brûleurs du four durant un temps défini par les besoins énergétiques des produits et un allumage de ces brûleurs suivant une séquence définie (calculateur ou régulateurs) permet de réduire les variations de pression dans le four et dans les circuits d'alimentation en carburant et en comburant des brûleurs.
Le four 1 comporte de préférence un calculateur utilisant des algorithmes mathématiques de contrôle en fonction d'un objectif thermique sur le produit pour commander l'ordre et la durée d'allumage de chaque brûleur et assurer la modification des circulations des fumées dans l'enceinte dudit four.
Les capteurs équipant le four 1 donnent au calculateur des informations lui permettant de contrôler la distribution thermique, en particulier la courbe longitudinale et/ou transversale de température du four, en fonction de la positon de la charge des produits, de ses caractéristiques et de son avancement sur la longueur du four et de l'objectif de température et de répartition de température de sortie visé pour ce produit. Le calculateur comporte des moyens pour entrer des données afin de lui faire contrôler la distribution thermique de température dans le four en fonction d'un programme de fabrication à venir à l'enfournement, et d'un programme de laminage en sortie, pour optimiser les caractéristiques de chauffage des produits. Des informations telles que la température ou la répartition de température dans le produit et issues des équipements de laminage peuvent être introduites dans le calculateur de conduite du four pour en déduire la répartition de puissance thermique à injecter suivant la direction longitudinale et transversale du four afin d'améliorer l'homogénéité de température des produits à défourner.
Le calculateur peut utiliser pour son fonctionnement des modèles mathématiques, des systèmes de logique floue ou des algorithmes de type neuro-prédictifs pour calculer ( déterminer) le profil thermique du four et le profil thermique longitudinal du produit à délivrer par le four. L'invention apporte les avantages énumérés ci- après .
Les brûleurs fonctionnent à régime fixe, d'où une optimisation de la répartition de l'énergie thermique sur toute la surface de la flamme « étalée » et un meilleur brassage des fumées dans le four. Les flammes produites n'ont plus de point chaud, ou ont un point chaud moins marqué, de sorte que l'on évite un rayonnement concentré générant des différences de température sur les parois du four et sur les produits ou des effets d'ombre sur les produits. Le régime fixe permet également une optimisation des rejets de polluants (par exemple NOx, CO, C02) , de la teneur en oxygène dans le four, donc réduction de l'oxydation de surface des produits et de la « perte au feu » . Le brassage des gaz dans le four entraîne une réduction des différences de température entre les fumées, les parois, les supports de produits et les produits dans le four, ce qui permet d'obtenir un produit plus homogène en température . La réduction des points chauds de la flamme et l'égalisation des températures de fumées et de parois permettent de limiter les effets d'ombre des supports sur les produits et permettent aussi d'égaliser la température de ces supports (suppression de l'effet « une face chaude / une face froide ») , donc entraînent une réduction importante des traces noires sur les produits .
L'égalisation de température des fumées dans le four permet de réduire la surchauffe des murs du four ainsi que l'influence de ces murs sur les extrémités du produit avec pour conséquence la réduction de l'effet « tête et queue chaudes » caractéristique des fours suivant l' état de la technique .
La répartition uniforme des flux thermiques dans le four réduit les contraintes de positionnement des produits dans le four. La charge du four peut donc être placée plus librement, par exemple en fonction seulement des efforts mécaniques repris par les supports.
La réduction des variations de pression dans le four limite les entrées d'air parasite ce qui provoque la réduction de l'oxydation de la surface des produits et la « perte au feu » .
La meilleure homogénéité des produits permet de réduire les surchauffes de sécurité utilisées fréquemment dans les fours classiques pour tenir compte des hétérogénéités de température des produits . La consommation d'énergie du four est donc réduite selon 1' invention.
L'optimisation de la longueur chaude active du four, c'est à dire pour laquelle les brûleurs sont en fonctionnement, permet d'augmenter la longueur de la zone de récupération et ainsi de réduire la consommation du four.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de contrôle de l'homogénéité de température de produits sidérurgiques (2) , notamment de brames ou de billettes, dans un four de réchauffage (1) équipé de brûleurs latéraux, procédé selon lequel on fait fonctionner les brûleurs latéraux en tout ou rien, et on règle le temps de fonctionnement et d'arrêt de chaque brûleur pour obtenir la température souhaitée , caractérisé en ce que l'on choisit comme brûleurs latéraux des brûleurs à flamme étalée (B1-B4) , que l'on fait fonctionner ces brûleurs à un régime proche du régime maximum ou au régime maximum, et que l'ordre d'allumage des brûleurs (B1-B4) est choisi pour favoriser le brassage et la circulation des fumées afin de réduire le point chaud de la flamme et pour obtenir une meilleure homogénéité de . température des parois du four et des produits .
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on prévoit sur chacune des parois latérales du four au moins deux brûleurs (Bl, B2) et (B3, B4) , et que l'ordre d'allumage des brûleurs (Bl, B2 ; B3 , B4) est prévu pour favoriser le brassage et la circulation des fumées dans le four.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on prévoit sur chacune des parois latérales du four au moins deux brûleurs (Bl, B2) et (B3, B4) , et que l'ordre d'allumage des brûleurs (Bl, B2 ; B3 , B4) est choisi de façon à réduire les variations de pression dans le four et dans les circuits d'alimentation en carburant et comburant des brûleurs .
4 . Procédé selon la revendication 1 à 3, caractérisé en ce que l'on commande la marche et l'arrêt des brûleurs pour la modification des circulations des fumées dans l'enceinte du four (1) par un calculateur utilisant des algorithmes mathématiques de contrôle en fonction d'un objectif thermique défini pour le produit.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on fait contrôler par le calculateur la distribution thermique, en particulier la courbe longitudinale et/ou transversale de température du four, en fonction de la positon de la charge, de ses caractéristiques et de son avancement sur la longueur du four et de l'objectif de température et de répartition de température de sortie visé pour ce produit .
6. Procédé selon la revendication 4 , caractérisé en ce que l'on fait contrôler par le calculateur la distribution thermique de température dans le four (1) en fonction d'un programme de fabrication à venir à l'enfournement, et d'un programme de laminage en sortie, pour optimiser les caractéristiques de chauffage des produits .
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réglage de la répartition de puissance injectée dans l'enceinte est réalisé de façon à privilégier la récupération d'énergie dans la zone d'entrée du four.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes , caractérisé en ce que la répartition de puissance thermique injectée suivant la direction longitudinale et transversale du four peut être déduite de mesures opérées durant l'opération de laminage qui suit le réchauffage.
9. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le profil thermique du four (1) et le profil thermique longitudinal du produit (2) délivré par le four sont calculés automatiquement par un calculateur utilisant des modèles mathématiques, des systèmes de logique floue ou des algorithmes de type neuro-prédictifs .
10. Four de réchauffage (1) de produits sidérurgiques (2) , notamment de brames ou de billettes, équipé de brûleurs latéraux, comprenant des moyens de commande pour faire fonctionner les brûleurs latéraux en tout ou rien, et pour régler le temps de fonctionnement et d'arrêt de chaque brûleur en vue d'obtenir la température souhaitée, caractérisé en ce que les brûleurs latéraux sont des brûleurs à flamme étalée (Bl- B4) , que ces brûleurs sont commandés de manière à fonctionner à un régime proche du régime maximum ou au régime maximum, et suivant un ordre d' allumage propre à favoriser le brassage et la circulation des fumées afin de réduire le point chaud de la flamme et pour obtenir une meilleure homogénéité de température des parois du four et des produits.
11. Four de réchauffage de produits sidérurgiques selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte sur ses parois latérales au moins deux brûleurs (Bl, B2) et (B3, B4) et que l'ordre d'allumage des brûleurs (Bl- B4) est prévu pour favoriser le brassage et la circulation des fumées .
12. Four de réchauff ge de produits sidérurgiques selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte sur ses parois latérales au moins deux brûleurs (Bl, B2) et (B3 , B4) et que l'ordre d'allumage des brûleurs (Bl- B4) est prévu pour limiter les variations de pression dans le four et dans les circuits d'alimentation en carburant et comburant des brûleurs .
13. Four de réchauffage de produits sidérurgiques selon les revendications 10 à 12 , caractérisé en ce qu'il comporte un calculateur utilisant des algorithmes mathématiques de contrôle en fonction d'un objectif thermique sur le produit pour commander la modification des circulations des fumées dans l'enceinte dudit four.
14. Four de réchauffage de produits sidérurgiques selon la revendication 13 , caractérisé en ce qu' il comporte des capteurs pour fournir au calculateur des informations lui permettant de contrôler la distribution thermique, en particulier la courbe longitudinale et/ou transversale de température du four, en fonction de la positon de la charge, de ses caractéristiques et de son avancement sur la longueur du four et de l'objectif de température et de répartition de température de sortie visé pour ce produit .
15. Four de réchauffage de produits sidérurgiques selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce qu'il comporte des capteurs de mesures de températures opérées durant une opération de laminage à la suite du four, ces capteurs étant reliés au calculateur qui en déduit la répartition de puissance thermique injectée suivant la direction longitudinale et transversale du four.
16. Four de réchauffage de produits sidérurgiques selon la revendication 13, caractérisé en ce que le calculateur est programmé avec des modèles mathématiques, des systèmes de logique floue ou des algorithmes de type neuro-prédictifs pour déterminer le profil thermique du four et le profil thermique longitudinal du produit délivré par le four.
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