EP2181198B1 - Procede de mise en uvre d'une ligne de recuit ou de galvanisation en continu d'une bande metallique - Google Patents

Procede de mise en uvre d'une ligne de recuit ou de galvanisation en continu d'une bande metallique Download PDF

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EP2181198B1
EP2181198B1 EP08828389.0A EP08828389A EP2181198B1 EP 2181198 B1 EP2181198 B1 EP 2181198B1 EP 08828389 A EP08828389 A EP 08828389A EP 2181198 B1 EP2181198 B1 EP 2181198B1
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EP
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metal strip
air
heating section
direct flame
zone
Prior art date
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EP2181198A1 (fr
Inventor
Pierre-Jérôme BORREL
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Clecim SAS
Original Assignee
Primetals Technologies France SAS
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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

Definitions

  • the invention relates to a method for implementing a continuous annealing or galvanizing line of a metal strip.
  • the use of a section of direct flame furnace upstream of the sections with radiant tubes makes it possible to reduce the temperature rise time and thus the total length of the furnace, which facilitates the good guiding of the duct. 'steel.
  • the direct flame furnace provides, in addition, a surface cleaning of the steel strip, to eliminate the degreasing step of the steel strip before annealing.
  • the steel strip must be free from any surface oxidation so that the alloying is done correctly with the molten alloy.
  • the air / fuel ratio decreases throughout the furnace by progressive enrichment with fuel. This causes a decrease in the temperature of the flue gas to the furnace outlet.
  • the maximum temperatures of flue gas usually reached under stoichiometric conditions and are around 1400 ° C, to maintain a temperature of about 1300 ° C, the refractories walls.
  • the maximum temperature of the flue gases can decrease by more than 100 ° C in the last sections of the furnace, which leads to operation of the furnace with reduced capacity. This reduction in temperature results in a heating end of the steel strip under non-reducing conditions.
  • the object of the invention is to provide a method of heat treatment of a metal strip to increase the heating capacity and the efficiency of the direct flame furnace.
  • the invention relates to a method of implementing a continuous annealing or galvanizing line of a metal strip, comprising a direct flame heating section, the direct flame heating section being followed by a radiant tube heating section, and the metal strip being indirectly heated by the flame in the direct flame heating section.
  • sub-stoichiometric mixture of air and oxygenated fuel means a mixture comprising a slight excess of fuel.
  • combustion gas means the gases resulting from combustion, that is to say the flue gases and unburnt.
  • the method of implementing a continuous annealing or galvanizing line of a metal strip makes it possible to increase the heating and production capacity of direct flame furnaces while maintaining the air ratios. fuel / fuel and remaining under controlled oxidation / reduction conditions. This process is called the "SUROX" process.
  • ratio or "ratio" air / fuel, the mass ratio between air and fuel.
  • the temperature of the metal strip is higher at the output of the direct flame furnace, which improves the cleaning of the metal strip.
  • the fuel consumption decreases.
  • the method of implementing a continuous annealing or galvanizing line of a metal strip according to the invention is compatible with existing direct flame furnaces.
  • the temperature of the flue gas is compatible with that of the furnace wall refractories. It is not necessary to change the composition of the refractory, which makes it easy to change, without stopping production, all installations with direct flame ovens.
  • the continuous annealing or galvanizing line of a metal strip comprises a direct flame heating section 9.
  • This direct flame heating section 9 comprises an upstream zone 10 and a downstream zone 11. terms "upstream” and “downstream” are defined with respect to the direction of progression of the metal strip in the direct flame heating section 9.
  • upstream and downstream zones are defined with respect to the direction of progression of the metal strip in the direct flame heating section 9.
  • the direct flame heating section 9 of the furnace comprises a plurality of burners.
  • the burners are arranged inside the oven and distributed along the latter.
  • the metal strip is heated in the direct flame furnace by direct combustion of fuel and combustion air (atmospheric air) within the furnace, producing flue gas (or flue gas) heating the metal strip by convection and radiation.
  • the metal strip is indirectly heated by the flame in the direct flame heating section 9. In other words, the metal strip is not in direct contact with the flame of the burners in the direct flame heating section 9.
  • the direct flame heating section 9 of the furnace may be preceded by a preheating section of the metal strip.
  • the preheating of the metal strip is obtained by the combustion gases from the direct flame heating section 9.
  • the figure 1 represents the temperature and percentage distribution of unburned gases as a function of the progression of the metal strip in the preheating section 8 and the direct flame heating section 9.
  • the x-axis 1 represents the different sections crossed by the metal strip.
  • the y-axis 2, located to the left of the figure 1 represents the temperature in ° C of the metal strip, combustion gases and furnace walls.
  • the ordinate axis 3, located to the right of the figure 1 represents the volume percentage of unburned gases (CO + H 2 ), relative to the volume of flue gas.
  • Curve 4 represents the temperature of the combustion gases as a function of the cross-section through the metal strip. It shows that during the step of preheating the metal strip in the preheating section 8, the temperature of the combustion gases is about 1000 ° C., and that it increases gradually as a function of the progression of the metal strip in the heating section 9, until reaching a maximum value close to 1400 ° C at the outlet of the upstream zone 10 of the heating section 9.
  • the temperature of the combustion gases may be between 1350 ° C. and 1500 ° C. at the outlet of the upstream zone 10 of the heating section 9.
  • Curve 5 represents the temperature of the metal strip as a function of the cross-section through the latter.
  • the temperature of the metal strip increases progressively in the heating section 9 until reaching a value close to 700 ° C., at the outlet of the heating section 9.
  • Curve 6 represents the percentage of unburned gases (CO + H 2 ) as a function of the cross-section through the metal strip.
  • the percentage of unburned gases increases progressively in the heating section 9. In the example of the figure 1 it is about 4.5% by volume relative to the volume of combustion gas. It then increases fairly quickly at the end of the upstream zone 10 and especially in the downstream zone 11 of the heating section 9 at the outlet of which it can reach more than 6% by volume relative to the volume of combustion gas.
  • the direct flame heating section 9 comprises an upstream zone 10.
  • the temperature of the combustion gases increases gradually in the upstream zone 10 until reaching a value close to 1350 ° C. .
  • Table 1 gives values for flue gas temperature, metal strip temperature, and air / fuel ratio for continuous annealing line heating or galvanizing sections of a strip. metallic.
  • Direct flame heating section Preheating section downstream Zone 1 Zone 2 Zone 3 Zone 4 Air / fuel ratio 1.02 0.95 0.92 0.85 Band temperature 120 ° C 120 ° C 310 ° C 415 ° C 510 ° C 600 ° C 680 ° C Gas temperature 1260 ° C 1380 ° C 1404 ° C 1354 ° C 1326 ° C
  • the temperature of the combustion gases is 1380.degree. C. and that of the metal strip is 415.degree. C. for an air / fuel ratio of 1.02.
  • the temperature of the combustion gases is 1404 ° C. and that of the metal strip is 510 ° C. for an air / fuel ratio of 0.95.
  • the temperature of the combustion gases and of the metal strip increases progressively, as shown in FIG. figure 1 by the respective curves 4 and 5.
  • the air / fuel ratio decreases due to an increasing fuel supply in the air / fuel mixture as a function of the progression of the metal strip in the upstream zone 10.
  • This increasing fuel supply contributes to an increase in the percentage in unburned gas (CO + H 2 ), which increases to about 5.1% by volume, relative to the volume of combustion gas, at the end of the upstream zone 10.
  • the percentage oxygen in the combustion air supplying the burners of the upstream zone 10 is about 20.8% by volume, which corresponds to the average percentage of oxygen in the atmospheric air.
  • the downstream zone 11 of the direct flame heating section 9 also consists of two zones including a first zone (zone 3), positioned after the second zone (zone 2) of the upstream zone 10. , and a second zone (zone 4) positioned between the first zone (zone 3) of the downstream zone 11 and the exit of the direct flame heating section 9.
  • This example is not limiting and the number of zones may vary in the upstream and downstream zones.
  • the curve portion 4a of the curve 4 represents the evolution of the temperature of the combustion gases in the downstream zone 11, according to the prior art.
  • This portion of curve 4a shows that the temperature of the combustion gases decreases in the downstream zone 11 to a value between 1250 ° C. and 1350 ° C. This reduction in the temperature of the combustion gases causes a decrease in the heating rate of the metal strip.
  • the temperature of the metal strip is between 650 ° C. and 700 ° C. at the outlet of the downstream zone 11.
  • the percentage of unburnt gases (CO + H 2 ) increases to about 6.2% by volume. relative to the volume of flue gas.
  • the temperature of the combustion gases is 1354 ° C. and that of the metal strip is 600 ° C. for an air / fuel ratio of 0.92, in the first zone (zone 3) of the downstream zone 11.
  • the temperature of the combustion gases is 1326 ° C. and that of the metal strip only reaches 680 ° C. for an air / fuel ratio of 0.85.
  • the heating capacity of the direct flame furnace is lower in the downstream zone 11 than in the upstream zone 10.
  • the direct flame heating section 9 is usually followed by a radiant tube heating section in a neutral atmosphere, comprising nitrogen.
  • a radiant tube heating section in a neutral atmosphere, comprising nitrogen.
  • the temperature of the metal band included between 650 ° C and 700 ° C, is then insufficient and requires the continuation of heating in the section of the radiant tube furnace which must have a large capacity, which increases the cost of installation and aggravates the problems of guiding the metal band over as far.
  • the figure 2 illustrates an oxidation / reduction diagram on which are represented curves 14a and 14b corresponding to the correlative evolution of the temperature of the combustion gases and that of the metal strip, according to the prior art and the invention respectively.
  • This example is given for a mild steel strip in a direct flame furnace with an atmosphere comprising 4% to 6% unburned gas (CO + H 2 ) by volume relative to the volume of flue gas.
  • the oxidation / reduction diagram of the figure 2 shows that when the temperature of the flue gas is less than about 1000 ° C, it is under oxidation conditions of the surface of the steel strip.
  • the temperature of the combustion gases in the combustion chamber of the downstream zone 11 of the heating section 9 is higher by using a superoxygenated air, while maintaining the same conditions of unburned gas content.
  • Oxygen can also be advantageously obtained by oxygen separation processes, described below.
  • the temperature of the combustion gases is almost identical in the first and second zones (zones 3 and 4) of the downstream zone 11 for a percentage of oxygen in the air of between 24.8% and 26.8%. in volume, ie a rate of oxygen superoxygenation of between 4% and 6% by volume relative to the average rate of oxygen contained in the atmospheric air.
  • the temperature of the combustion gases is then maintained at about 1400 ° C.
  • Oxidation-reduction equilibria are dependent on the temperature and composition of the combustion gases but also on the temperature of the strip.
  • the volume percentage of oxygen in the air is different in the first and second zones.
  • the volume percentage of oxygen in the air of the second zone of the downstream zone 11 is greater than that of the first zone of the downstream zone 11.
  • the radiant tube section In the case of a continuous annealing line or in the case of a continuous galvanizing line, the radiant tube section must be continuously supplied with nitrogen to ensure that the atmosphere of the oven and the purges of the oven are swept. after each stop and before each restart.
  • It can be produced on site by combustion and refining (endothermic generator) or by air separation.
  • the air separation can be achieved by "Pressure Swing Adsorption” (PSA) delivering oxygen gas phase under pressure.
  • PSA Pressure Swing Adsorption
  • the separation of air can be carried out by membranes delivering oxygen in the gaseous phase under pressure.
  • the nitrogen consumption of a galvanizing line is of the order of 300 to 1200 Nm 3 / h continuously and up to 5000 Nm 3 / H during a purge phase.
  • the equivalent production of oxygen (in the proportion of about 1/5 of the volume of air treated) is largely sufficient to ensure the partial or total operation of the oven in overoxygenation, with the double advantage of not being dependent on the deliveries of oxygen and reduce operating costs.
  • the invention is not limited to continuous annealing or galvanizing lines, but can be generalized to any process including a step of heat treatment of a metal strip.

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Description

  • L'invention concerne un procédé de mise en oeuvre d'une ligne de recuit ou de galvanisation en continu d'une bande métallique.
  • Le laminage à froid de l'acier provoque un durcissement de l'acier par écrouissage, ce qui entraîne une fragilité de l'acier rendant difficile, voir impossible, la mise en forme ultérieure des bandes d'acier laminées.
  • Afin de restaurer la ductilité de l'acier, on pratique un traitement thermique dit « de recuit de recristallisation ». Le traitement thermique des bandes d'acier en défilement continu est réalisé dans des fours assurant le chauffage, l'égalisation et le maintien de la bande d'acier à la température requise pendant le temps requis. Les bandes d'acier peuvent être chauffées dans des fours à tubes radiants (RT) ou dans des fours comprenant un arrangement mixte de chauffage à flamme directe (DFF) et d'égalisation / maintien de la température dans un four à tubes radiants.
  • En recuit continu, l'utilisation d'une section de four à flamme directe en amont des sections à tubes radiants permet de réduire le temps de montée en température et donc la longueur totale du four, ce qui facilite le bon guidage de la bande d'acier. Le four à flamme directe assure, en plus, un nettoyage de surface de la bande d'acier, permettant de supprimer l'étape de dégraissage de la bande d'acier avant recuit.
  • De tels fours sont également utilisés pour les procédés de galvanisation.
  • Pour certaines applications comme le bâtiment, l'automobile ou l'électroménager, on dépose à la surface des bandes d'acier une mince couche de zinc ou d'alliage à base de zinc, afin d'améliorer la résistance des bandes d'acier à la corrosion. Ce revêtement est réalisé sur des lignes continues de galvanisation qui comportent un four, tel que décrit ci-dessus, destiné à assurer le recuit de la bande d'acier et sa mise en température correcte avant l'opération de galvanisation.
  • A la sortie du four, la bande d'acier doit être exempte de toute trace d'oxydation de surface afin que l'alliation se fasse correctement avec l'alliage en fusion.
  • Dans leur principe, les fours à flamme directe assurent la combustion dans l'air de combustibles tels que les gaz naturels ou les fuels. Le chauffage de la bande d'acier est assuré à la fois par radiation et par convection au contact des gaz brûlés ou gaz de combustion.
  • La température maximum des gaz brûlés est normalement obtenue dans les conditions stoechiométriques, c'est-à-dire sans excès d'air, ni de combustible. Un excès d'air conduit à la présence d'oxygène libre capable d'oxyder la surface de la bande. Un excès de combustible libère au contraire du monoxyde de carbone et de l'hydrogène qui sont des éléments réducteurs.
  • La capacité pour l'atmosphère du four d'oxyder ou de réduire la surface de la bande d'acier, à une température de gaz brûlés donnée, varie avec le pourcentage d'éléments réducteurs (CO + H2) disponibles.
  • Le brevet US 3,320,085 enseigne qu'il est possible de maintenir dans les fours à flamme directe des teneurs en (CO + H2) voisines de 3% à 6%, afin d'assurer une fin de chauffage de la bande d'acier en conditions réductrices.
  • Dans les fours à flamme directe, le rapport air/combustible diminue tout au long du four par enrichissement progressif en combustible. Cela entraîne une diminution de la température des gaz brûlés vers la sortie du four. Les températures maximums de gaz brûlés habituellement atteintes en conditions stoechiométriques et se situent aux alentours de 1400°C, afin de maintenir une température d'environ 1300°C, au niveau des réfractaires des murs.
  • Dans des conditions de fonctionnement du four à pleine capacité, la température maximum des gaz brûlés peut diminuer de plus de 100°C dans les dernières sections du four, ce qui conduit à un fonctionnement du four à capacité plus réduite. Cette diminution de température entraîne une fin de chauffage de la bande d'acier en conditions non réductrices.
  • D'autre part, cette diminution du rendement de la combustion et donc des capacités de chauffage du four à flamme directe impose l'utilisation d'un four à tubes radiants, en sortie du four à flamme directe, ayant une capacité plus importante. Il est donc important d'optimiser la combustion du four à flamme directe.
  • Il a été proposé, dans le document US 3,936,543 , d'utiliser des rapports air / gaz stoechiométriques ou en léger excès d'air afin d'améliorer le rendement de la combustion par suppression des gaz imbrûlés et d'augmenter la capacité de chauffage du four à flamme directe.
  • Dans ces conditions légèrement oxydantes, une mince couche d'oxydes se forme en surface de la bande d'acier. Ces oxydes sont ensuite réduits dans des sections de chauffage de maintien en température, placées sous atmosphère composée d'un mélange d'au moins 5% d'hydrogène réducteur et d'azote.
  • Un autre moyen efficace et simple d'améliorer la combustion consiste à préchauffer l'air avant combustion. Cette solution, à elle seule, ne peut toutefois pas être retenue car elle augmente le rejet d'oxydes d'azote (NOx) avec l'utilisation de brûleurs conventionnels.
  • Enfin, on connaît du document US 6,217,681 , une méthode de combustion appelée « Oxy-fuel », consistant à assurer la combustion dans l'oxygène pur. Cette méthode permet d'augmenter considérablement le rendement du four. Cette solution présente toutefois l'inconvénient d'un coût important en oxygène.
  • L'objectif de l'invention consiste à proposer un procédé de traitement thermique d'une bande métallique permettant d'augmenter la capacité de chauffage et le rendement du four à flamme directe.
  • A cet effet, l'invention concerne un procédé de mise en oeuvre d'une ligne de recuit ou de galvanisation en continu d'une bande métallique, comprenant une section de chauffage à flamme directe, la section de chauffage à flamme directe étant suivie d'une section de chauffage à tubes radiants, et la bande métallique étant indirectement chauffée par la flamme dans la section de chauffage à flamme directe.
  • Selon l'invention :
    la section de chauffage à flamme directe comporte une zone amont et une zone aval,
    • dans la zone amont, le chauffage de la bande métallique est obtenu par combustion d'un mélange d'air atmosphérique et de combustible tel que la température des gaz de combustion soit comprise entre 1250°C et 1500°C, de préférence voisine de 1350°C, et
    • dans la zone aval, le chauffage de la bande métallique est obtenu par combustion d'un mélange sous-stoechiométrique d'air et de combustible suroxygéné tel que la température des gaz de combustion atteinte en fin de zone amont soit maintenue jusqu'à la fin de la zone aval de la section de chauffage à flamme directe,
    • le taux de suroxygénation du mélange d'air et de combustible est compris entre 1% et 15%, en volume par rapport au taux moyen d'oxygène contenu dans l'air atmosphérique,
    • dans la section de chauffage à flamme directe, le pourcentage en volume de gaz imbrûlés (CO + H2) est inférieur à 6%, par rapport au volume de gaz de combustion, de préférence compris entre 4% et 6%.
  • On entend par « mélange sous-stoechiométrique d'air et de combustible suroxygéné », un mélange comprenant un léger excès de combustible.
  • On entend par « gaz de combustion », les gaz issus de la combustion, c'est-à-dire les gaz brûlés et imbrûlés.
  • Dans différents modes de réalisation possibles, la présente invention concerne également les caractéristiques suivantes qui pourront
    être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles et apportent chacune des avantages spécifiques :
    • la suroxygénation du mélange d'air et de combustible est obtenue par une suroxygénation de l'air atmosphérique,
    • la suroxygénation du mélange d'air et de combustible est obtenue par une oxygénation du combustible,
    • le taux de suroxygénation du mélange d'air et de combustible est compris préférentiellement entre 1% et 7% en volume par rapport au taux moyen d'oxygène contenu dans l'air atmosphérique,
    • le taux de suroxygénation est croissant tout au long de la section de chauffage à flamme directe,
    • la zone aval de la section de chauffage à flamme directe consiste approximativement en une moitié de section de chauffage à flamme directe,
    • la section de chauffage à flamme directe est précédée d'une section de préchauffage de la bande métallique, le préchauffage de la bande métallique étant obtenu par les gaz de combustion issus de ladite section de chauffage à flamme directe,
    • la section de chauffage à flamme directe est suivie d'une section de chauffage à tubes radiants, la température de la bande métallique pouvant dépasser 800°C à l'entrée de la section de chauffage à tubes radiants,
    • l'oxygène nécessaire à la suroxygénation de l'air de combustion dans la zone aval de la section de chauffage à flamme directe est un sous produit issu d'un procédé de séparation d'air destiné à produire de l'azote.
  • Le procédé de mise en oeuvre d'une ligne de recuit ou de galvanisation en continu d'une bande métallique, selon l'invention, permet d'augmenter la capacité de chauffage et de production des fours à flamme directe tout en conservant les rapports air/combustible habituels et en restant dans des conditions d'oxydation / réduction contrôlées. Ce procédé est appelé procédé « SUROX ».
  • On entend par « rapport » ou « ratio » air / combustible, le rapport de masse entre l'air et le combustible.
  • La température de la bande métallique est plus élevée en sortie du four à flamme directe, ce qui permet d'améliorer le nettoyage de la bande métallique.
  • La consommation en combustible diminue.
  • De plus, l'impact sur l'environnement est amélioré par réduction des NOx.
  • Le procédé de mise en oeuvre d'une ligne de recuit ou de galvanisation en continu d'une bande métallique, selon l'invention, est compatible avec les fours à flamme directe existants. En effet, la température des gaz brûlés est compatible avec celle des réfractaires du mur du four. Il n'est pas nécessaire de changer la composition du réfractaire, ce qui permet de modifier facilement, et sans arrêt de la production, toutes les installations dotées de fours à flamme directe.
  • La mise en oeuvre du procédé « SUROX », selon l'invention, est bien plus économe que les procédés « OXY-FUEL », de l'art antérieur, qui exigent une grande quantité d'oxygène.
  • L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • la figure 1 représente la répartition des températures et du pourcentage de gaz imbrûlés en fonction de la progression de la bande métallique dans la section de préchauffage et la section de chauffage à flamme directe ;
    • la figure 2 représente un diagramme d'oxydation/réduction dans lequel la température des gaz de combustion est corrélée avec celle de la bande métallique ;
    • la figure 3 représente le pourcentage de gaz imbrûlés (CO + H2) et d'oxygène en fonction du rapport air/combustible ;
  • La ligne de recuit ou de galvanisation en continu d'une bande métallique, selon l'invention, comprend une section de chauffage à flamme directe 9. Cette section de chauffage à flamme directe 9 comprend une zone amont 10 et une zone aval 11. Les termes « amont » et « aval » sont définis par rapport au sens de progression de la bande métallique dans la section de chauffage à flamme directe 9. Ainsi, lors de la progression de la bande métallique dans la section de chauffage à flamme directe 9, cette dernière traverse la zone amont 10, puis la zone aval 11. La limite entre les zones amont et aval se situe au maximum de température de gaz brûlés atteinte en combustion sous air atmosphérique.
  • La section de chauffage à flamme directe 9 du four comprend une pluralité de brûleurs. Les brûleurs sont disposés à l'intérieur du four et répartis le long de ce dernier.
  • La bande métallique est chauffée dans le four à flamme directe par combustion directe d'un combustible et d'air de combustion (air atmosphérique) à l'intérieur du four, produisant des gaz de combustion (ou gaz brûlés) chauffant la bande métallique par convection et rayonnement. La bande métallique est indirectement chauffée par la flamme dans la section de chauffage à flamme directe 9. Autrement dit, la bande métallique n'est pas en contact direct avec la flamme des brûleurs dans la section de chauffage à flamme directe 9.
  • La section de chauffage à flamme directe 9 du four peut être précédée d'une section de préchauffage de la bande métallique. Le préchauffage de la bande métallique est obtenu par les gaz de combustion issus de la section de chauffage à flamme directe 9.
  • La figure 1 représente la répartition des températures et du pourcentage de gaz imbrûlés en fonction de la progression de la bande métallique dans la section de préchauffage 8 et la section de chauffage à flamme directe 9.
  • Les valeurs de l'exemple de la figure 1 et du tableau 1 sont données pour une bande d'acier d'une largeur de 1500 mm et un four à flamme directe comprenant quatre zones de chauffage. Chaque zone de chauffage a une puissance de 3.250.000 Kcal/h. Un tel four à flamme directe est capable de chauffer en continu 60 tonnes par heure de bande d'acier à 680°C.
  • L'axe des abscisses 1 représente les différentes sections traversées par la bande métallique. L'axe des ordonnées 2, situé à gauche de la figure 1, représente la température en °C de la bande métallique, des gaz de combustion et des murs des fours. L'axe des ordonnées 3, situé à droite de la figure 1, représente le pourcentage en volume de gaz imbrûlés (CO + H2), par rapport au volume de gaz de combustion.
  • La courbe 4 représente la température des gaz de combustion en fonction des sections traversées par la bande métallique. Elle montre que lors de l'étape de préchauffage de la bande métallique dans la section de préchauffage 8, la température des gaz de combustion est d'environ 1000° C, et qu'elle augmente progressivement en fonction de la progression de la bande métallique dans la section de chauffage 9,
    jusqu'à atteindre une valeur maximum voisine de 1400°C en sortie de la zone amont 10 de la section de chauffage 9.
  • De manière générale, la température des gaz de combustion peut être comprise entre 1350°C et 1500°C en sortie de la zone amont 10 de la section de chauffage 9.
  • La courbe 5 représente la température de la bande métallique en fonction des sections traversées par cette dernière.
  • La température de la bande métallique augmente progressivement dans la section de chauffage 9 jusqu'à atteindre une valeur voisine de 700°C, en sortie de la section de chauffage 9.
  • La courbe 6 représente le pourcentage de gaz imbrûlés (CO + H2) en fonction des sections traversées par la bande métallique.
  • Le pourcentage de gaz imbrûlés (CO + H2) augmente progressivement dans la section de chauffage 9. Dans l'exemple de la figure 1, il est d'environ 4,5% en volume par rapport au volume de gaz de combustion. Il augmente ensuite assez vite dès la fin de la zone amont 10 et surtout dans la zone aval 11 de la section de chauffage 9 à la sortie de laquelle il peut atteindre plus de 6% en volume par rapport au volume de gaz de combustion.
  • Les variations de température des murs du four de préchauffage, représentées par la courbe 7, suivent celles des gaz de combustion, la température des murs du four de préchauffage restant inférieure à celle des gaz de combustion.
  • Comme dit précédemment, la section de chauffage à flamme directe 9 comprend une zone amont 10. La température des gaz de combustion augmente progressivement dans la zone amont 10 jusqu'à atteindre à sa sortie, une valeur voisine de 1350°C à 1450°C.
  • Le tableau 1, ci-dessous, donne des valeurs de température de gaz de combustion, de température de bande métallique et de rapport air/combustible pour des sections de chauffage à flamme directe de ligne de recuit ou de galvanisation en continu d'une bande métallique.
    Section de chauffage à flamme directe
    Section de préchauffage
    aval
    Zone 1 Zone 2 Zone 3 Zone 4
    Rapport air/combustible 1,02 0,95 0,92 0,85
    Température de bande 120°C 120°C 310°C 415°C 510°C 600°C 680°C
    Température des gaz 1260°C 1380°C 1404°C 1354°C 1326°C
  • Dans cet exemple, la zone amont 10 et la zone aval 11 comprennent chacune deux zones.
  • Dans la première zone (zone 1) de la zone amont 10, la température des gaz de combustion est de 1380°C et celle de la bande métallique est de 415°C pour un rapport air / combustible de 1,02.
  • Dans la deuxième zone (zone 2) de la zone amont 10, la température des gaz de combustion est de 1404°C et celle de la bande métallique est de 510°C pour un rapport air / combustible de 0,95.
  • Dans la zone amont 10, la température des gaz de combustion et de la bande métallique augmente progressivement, comme illustrée sur la figure 1 par les courbes 4 et 5 respectives. Quant au rapport air / combustible, il diminue en raison d'un apport croissant en combustible dans le mélange air / combustible en fonction de la progression de la bande métallique dans la zone amont 10. Cet apport en combustible croissant contribue à une augmentation du pourcentage en gaz imbrûlés (CO + H2), qui augmente jusqu'à environ 5,1% en volume, par rapport au volume de gaz de combustion, en fin de zone amont 10. Le pourcentage d'oxygène dans l'air de combustion alimentant les brûleurs de la zone amont 10 est d'environ 20,8% en volume, ce qui correspond au pourcentage moyen d'oxygène dans l'air atmosphérique.
  • Dans l'exemple ci-dessus, la zone aval 11 de la section de chauffage à flamme directe 9 est également constituée de deux zones dont une première zone (zone 3), positionnée après la deuxième zone (zone 2) de la zone amont 10, et une deuxième zone (zone 4) positionnée entre la première zone (zone 3) de la zone aval 11 et la sortie de la section de chauffage à flamme directe 9.
  • Cet exemple n'est pas limitatif et le nombre de zones peut varier dans les zones amont et aval.
  • Sur la figure 1, la portion de courbe 4a de la courbe 4 représente l'évolution de la température des gaz de combustion dans la zone aval 11, selon l'art antérieur.
  • Cette portion de courbe 4a montre que la température des gaz de combustion diminue dans la zone aval 11 jusqu'à une valeur comprise entre 1250°C et 1350°C. Cette diminution de la température des gaz de combustion entraîne une diminution de l'allure de chauffage de la bande métallique. La température de la bande métallique est comprise entre 650°C et 700°C en sortie de la zone aval 11. Quant au pourcentage de gaz imbrûlés (CO + H2), il augmente jusqu'à environ 6,2% en volume par rapport au volume de gaz de combustion.
  • Dans l'exemple du tableau 1, la température des gaz de combustion est de 1354°C et celle de la bande métallique est de 600°C pour un rapport air / combustible de 0,92, dans la première zone (zone 3) de la zone aval 11.
  • Dans la deuxième zone (zone 4) de la zone aval 11, la température des gaz de combustion est de 1326°C et celle de la bande métallique n'atteint que 680°C pour un rapport air / combustible de 0,85. La capacité de chauffage du four à flamme directe est plus faible dans la zone aval 11 que dans la zone amont 10.
  • La section de chauffage à flamme directe 9 est habituellement suivie d'une section de chauffage à tubes radiants sous atmosphère neutre, comprenant de l'azote. La température de la bande métallique, comprise entre 650°C et 700°C, est alors insuffisante et impose la poursuite du chauffage dans la section du four à tubes radiants qui doit avoir une capacité importante, ce qui augmente le coût de l'installation et aggrave les problèmes de guidage de la bande métallique sur d'aussi grande distance.
  • De plus, à ces températures, on peut se trouver en limite des conditions de réduction de la surface de la bande métallique, comme le montre la figure 2.
  • La figure 2 illustre un diagramme d'oxydation/réduction sur lequel sont représenté les courbes 14a et 14b correspondant à l'évolution corrélative de la température des gaz de combustion et de celle de la bande métallique, selon l'art antérieur et l'invention respectivement.
  • Cet exemple est donné pour une bande d'acier doux dans un four à flamme directe avec une atmosphère comprenant 4% à 6% de gaz imbrûlés (CO + H2) en volume par rapport au volume de gaz de combustion.
  • L'axe des abscisses 15 représente la température de la bande métallique en °C et l'axe des ordonnées 16 représente la température des gaz de combustion en °C.
  • Le diagramme d'oxydation/réduction de la figure 2 montre que lorsque la température des gaz de combustion est inférieure à environ 1000°C, on se trouve dans des conditions d'oxydation de la surface de la bande d'acier.
  • La courbe 14a représentant l'évolution corrélative de la température des gaz de combustion et de celle de la bande métallique, selon l'art antérieur, montre qu'on atteint les limites de la zone de réduction lorsque la température des gaz de combustion diminue jusqu'à environ 1300°C et que celle de la bande métallique se trouve aux alentours de 690°C.
  • Pour résoudre ce problème, l'invention propose d'utiliser, lors du chauffage à flamme directe de la bande métallique dans la zone aval 11, une combustion d'un mélange sous-stoechiométrique d'air et de combustible suroxygéné, tel que la température des gaz de combustion atteinte en fin de zone amont 10 soit au moins maintenue jusqu'à la fin de la zone aval 11 de la section de chauffage à flamme directe 9.
  • La température des gaz de combustion dans la zone aval 11 peut varier de plus ou moins 10°C par rapport à la température de gaz de combustion atteinte en fin de zone amont 10.
  • Par rapport à l'art antérieur, la température des gaz de combustion dans la chambre de combustion de la zone aval 11 de la section de chauffage 9 est plus élevée en utilisant un air suroxygéné, tout en conservant les mêmes conditions de teneur en gaz imbrûlés réducteurs CO + H2.
  • La zone aval 11 de la section de chauffage à flamme directe peut correspondre approximativement à la dernière moitié de la section de chauffage à flamme directe 9. La zone aval 11 de la section de chauffage à flamme directe peut également correspondre à plus ou moins d'une moitié de section de chauffage à flamme directe 9.
  • Selon un mode de réalisation de l'invention, la suroxygénation du mélange d'air et de combustible est obtenue par une augmentation du pourcentage en volume d'oxygène dans l'air de combustion.
  • Autrement dit, le taux de suroxygénation du mélange d'air et de combustible peut être compris entre 1% et 15% en volume par rapport au taux moyen d'oxygène contenu dans l'air atmosphérique. Préférentiellement, on limite ce taux entre 1% et 7% afin de ne pas augmenter la température des gaz de combustion au-delà des capacités des murs réfractaires existants.
  • Le taux moyen d'oxygène contenu dans l'air atmosphérique étant d'environ 20,8%, le pourcentage d'oxygène dans l'air de combustion suroxygéné est donc préférentiellement porté entre 21,8% et 27,8% en volume.
  • L'enrichissement en oxygène de l'air du mélange air/combustible permet de diminuer le ballast d'azote du mélange au profit du mélange oxygène / combustible, sans modifier le rapport air/combustible habituel qui évolue naturellement le long du four par accumulation des gaz imbrûlés. Dans l'exemple donné précédemment, le rapport air/combustible varie d'environ 1 à 0,85. La suroxygénation de l'air du mélange air/combustible ne change pas cette évolution du rapport air/combustible.
  • On utilise de l'oxygène pur, tel qu'habituellement fourni dans le commerce. L'oxygène peut également être avantageusement obtenu par des procédés de séparation de l'oxygène, décris plus loin.
  • Le tableau 2, ci-dessous, basé sur les données de la figure 1 et du tableau 1, donne des valeurs de température de gaz de combustion dans les première (zone 3) et deuxième (zone 4) zones de la zone aval 11 en fonction du pourcentage en volume d'oxygène dans l'air de combustion.
    Figure imgb0001
  • On constate que la température des gaz de combustion est presque identique dans les première et deuxième zones (zones 3 et 4) de la zone aval 11 pour un pourcentage d'oxygène dans l'air compris entre 24,8% et 26,8% en volume, soit un taux de suroxygénation de l'air compris entre 4% et 6% en volume par rapport au taux moyen d'oxygène contenu dans l'air atmosphérique. La température des gaz de combustion est alors maintenue à environ 1400°C.
  • Dans la première zone (zones 3) de la zone aval 11, lorsque le pourcentage en volume d'oxygène dans l'air varie entre 21,8% et 25,8%, la température des gaz de combustion varie entre 1366°C et 1418°C. Dit autrement, la température des gaz de combustion peut être maintenue à environ 1400°C, dans la première zone (zones 3) de la zone aval 11.
  • Dans la deuxième zone (zones 4) de la zone aval 11, lorsque le pourcentage en volume d'oxygène dans l'air varie entre 21,8% et 27,8%, la température des gaz de combustion varie entre 1341°C et 1417°C. Dit autrement, la température des gaz de combustion peut être maintenue à environ 1400°C, dans la deuxième zone (zones 4) de la zone aval 11.
  • Sur la figure 1, la portion de courbe 4b de la courbe 4 représente l'évolution de la température des gaz de combustion en fonction de la progression de la bande métallique dans la zone aval 11, selon l'invention.
  • Dans cet exemple, la température des gaz de combustion est maintenue à environ 1400°C, lors de la progression de la bande métallique dans la zone aval 11. La température de bande métallique augmente jusqu'à atteindre une valeur pouvant dépasser 800°C en sortie du four à flamme directe (non représenté sur la figure 1).
  • On obtient ainsi une température de gaz brûlés homogène d'environ 1400°C sur toute la zone aval de la section de chauffage à flamme directe 9.
  • Dans la section de chauffage à flamme directe 9, le pourcentage en volume de gaz imbrûlés (CO + H2) est conservé entre 4% et 6% par rapport au volume de gaz de combustion, soit un rapport air/combustible supérieur à 0,85, comme le montre la figure 3.
  • La figure 3 représente le pourcentage de gaz imbrûlés (CO + H2) et d'oxygène en fonction du rapport air/combustible.
  • L'axe des abscisses 12 représente le rapport air/combustible et l'axe des ordonnées 13 représente le pourcentage de gaz imbrûlés (CO + H2) et d'oxygène.
  • La figure 3 montre qu'un excès d'air conduit à la présence d'oxygène libre capable d'oxyder la surface de la bande métallique et qu'un excès de combustible libère, au contraire, du monoxyde de carbone et de l'hydrogène qui sont réducteurs.
  • Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, on se place avantageusement dans des conditions telles que l'atmosphère à l'intérieur du four contienne un léger excès de gaz imbrûlés.
  • La courbe 14b de la figure 2 représentant l'évolution corrélative de la température des gaz de combustion et de celle de la bande métallique, selon l'invention, montre que la suroxygénation du mélange air/ combustible permet de rester dans les conditions de réduction, avec une température de gaz de combustion homogène, d'environ 1400°C, et une température de bande métallique pouvant dépasser 800°C. D'une manière générale, et toutes autres choses égales par ailleurs, la suroxygénation contrôlée de l'air de combustion permet d'atteindre des températures de bande supérieures à celles obtenues en combustion dans l'air atmosphérique.
  • Les équilibres d'oxydoréduction sont dépendants de la température et composition des gaz de combustion mais aussi de la température de la bande.
  • Selon un autre mode de réalisation de l'invention possible, le pourcentage en volume d'oxygène dans l'air est différent dans les première et deuxième zones. Le pourcentage en volume d'oxygène dans l'air de la deuxième zone de la zone aval 11 est supérieur à celui de la première zone de la zone aval 11. Ce mode de réalisation permet, plus facilement et avec une moindre consommation d'oxygène, d'obtenir une température homogène dans toute la section de chauffage à flamme directe 9.
  • Le taux de suroxygénation peut être croissant tout au long de la section de chauffage à flamme directe 9, de façon continu ou discontinue.
  • Selon un autre mode de réalisation de l'invention possible, la suroxygénation du mélange d'air et de combustible, dans la zone aval 11, est obtenue par une oxygénation du combustible. Le combustible est oxygéné avant injection dans les brûleurs dans des proportions permettant de rester hors du domaine d'explosivité.
  • Enfin, la section de chauffage à flamme directe 9 de la ligne de recuit ou de galvanisation en continu est suivie d'une section de chauffage à tubes radiants. La température de la bande métallique peut atteindre plus de 800°C à l'entrée de la section de chauffage à tubes radiants, ce qui permet d'utiliser un four à tubes radiants de capacité de chauffage réduite ou standard.
  • Dans le cas d'une ligne de recuit continue ou dans le cas d'une ligne de galvanisation continue, la section à tubes radiants doit être continuellement alimentée en azote pour assurer le balayage de l'atmosphère du four ainsi que les purges de ce four après chaque arrêt et avant chaque redémarrage.
  • L'azote peut être fourni par un approvisionnement auprès de distributeurs de gaz. Il peut être fourni par l'aciérie en cas de site intégré car l'azote est un sous-produit abondant de la fabrication de l'oxygène.
  • Il peut être produit sur place par combustion et affinage (générateur endothermique) ou par séparation d'air.
  • La séparation d'air peut être réalisée par « Pressure Swing Adsorption » (PSA) délivrant de l'oxygène en phase gazeuse sous pression.
  • La séparation d'air peut être réalisée par des membranes délivrant de l'oxygène en phase gazeuse sous pression.
  • Enfin, elle peut être réalisée par distillation de l'air liquide, générant de l'oxygène en phase liquide à 10% et en phase gazeuse à 90%.
  • Dans les procédés de séparation d'air, l'azote est produit à une pureté supérieure à 99,99%. Un flux de sous produit nommé « tail gas », riche en oxygène, est rejeté dans l'atmosphère.
  • Dans un mode de réalisation de l'invention, l'oxygène nécessaire à la suroxygénation de l'air de combustion dans la zone aval 11 de la section de chauffage à flamme directe 9 est un sous produit issu d'un procédé de séparation d'air destiné à produire de l'azote.
  • Il est possible de récupérer ce gaz très riche en oxygène pour l'utiliser dans les fours afin d'assurer une suroxygénation contrôlée ou même un fonctionnement « Oxy-fuel ». Le coût de revient en oxygène est alors quasi nul.
  • A titre d'exemple, la consommation en azote d'une ligne de galvanisation est de l'ordre de 300 à 1200 Nm3/h en continu et jusqu'à 5000 Nm3/H pendant une phase de purge. La production équivalente d'oxygène (dans la proportion de 1/5 environ du volume d'air traité) est largement suffisante pour assurer la marche partielle ou totale du four en suroxygénation, avec le double avantage de ne pas être tributaire des livraisons d'oxygène et de réduire les coûts d'exploitation.
  • Ainsi, le procédé de mise en oeuvre d'une ligne de recuit ou de galvanisation en continu d'une bande métallique, selon l'invention, permet d'augmenter la capacité de chauffage et de production des fours à flamme directe tout en conservant les rapports air/combustible habituels et en restant dans des conditions d'oxydation / réduction contrôlées de la bande.
  • La température de la bande métallique est plus élevée en sortie du four à flamme directe, ce qui permet d'améliorer le nettoyage de la bande métallique.
  • La consommation de gaz de combustion diminue.
  • De plus, l'impact sur l'environnement est amélioré par réduction des NOx. Le procédé selon l'invention, procure, à quantité d'air égale, une proportion plus importante d'oxygène et une diminution corrélative de la quantité d'azote.
  • Le procédé de mise en oeuvre d'une ligne de recuit ou de galvanisation en continu d'une bande métallique, selon l'invention, est compatible avec les fours à flamme directe existants. En effet, la température de la bande métallique est compatible avec celle des réfractaires du mur du four. Il n'est pas nécessaire de changer la composition du réfractaire, ce qui permet de modifier facilement, et sans arrêt de la production, toutes les installations dotées de fours à flamme directe.
  • L'invention n'est pas limitée aux lignes de recuit ou de galvanisation continues, mais peut être généralisée à tout procédé incluant une étape de traitement thermique d'une bande métallique.
  • La mise en oeuvre du procédé « SUROX », selon l'invention, est bien plus économe que les procédés « OXY-FUEL », de l'art antérieur, qui exigent une grande quantité d'oxygène.

Claims (9)

  1. Procédé de mise en oeuvre d'une ligne de recuit ou de galvanisation en continu d'une bande métallique, comprenant une section de chauffage à flamme directe (9), la section de chauffage à flamme directe (9) étant suivie d'une section de chauffage à tubes radiants, et la bande métallique étant indirectement chauffée par la flamme dans la section de chauffage à flamme directe (9),
    caractérisé en ce que :
    - la section de chauffage à flamme directe (9) comporte une zone amont (10) et une zone aval (11),
    - dans la zone amont (10), le chauffage de la bande métallique est obtenu par combustion d'un mélange d'air atmosphérique et de combustible tel que la température des gaz de combustion atteinte en fin de zone amont (10) soit comprise entre 1250°C et 1500°C, de préférence voisine de 1350°C,
    dans la zone aval (11), le chauffage de la bande métallique est obtenu par combustion d'un mélange sous-stoechiométrique d'air et de combustible suroxygéné tel que la température des gaz de combustion atteinte en fin de zone amont (10) soit maintenue jusqu'à la fin de la zone aval (11) de la section de chauffage à flamme directe (9).
    - le taux de suroxygénation du mélange d'air et de combustible est compris entre 1 et 15%, en volume par rapport au taux moyen d'oxygène contenu dans l'air atmosphérique,
    - dans la section de chauffage à flamme directe (9), le pourcentage en volume de gaz imbrûlés (CO + H2) est inférieur à 6%, par rapport au volume de gaz de combustion, de préférence compris entre 4% et 6%.
  2. Procédé de mise en oeuvre d'une ligne de recuit ou de galvanisation en continu d'une bande métallique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la suroxygénation du mélange d'air et de combustible est obtenue par une suroxygénation de l'air atmosphérique.
  3. Procédé de mise en oeuvre d'une ligne de recuit ou de galvanisation en continu d'une bande métallique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la suroxygénation du mélange d'air et de combustible est obtenue par une oxygénation du combustible.
  4. Procédé de mise en oeuvre d'une ligne de recuit ou de galvanisation en continu d'une bande métallique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le taux de suroxygénation du mélange d'air et de combustible est compris préférentiellement entre 1% et 7%.
  5. Procédé de mise en oeuvre d'une ligne de recuit ou de galvanisation en continu d'une bande métallique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le taux de suroxygénation est croissant tout au long de la section de chauffage à flamme directe (9).
  6. Procédé de mise en oeuvre d'une ligne de recuit ou de galvanisation en continu d'une bande métallique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la zone aval (11) de la section de chauffage à flamme directe consiste approximativement en une moitié de section de chauffage à flamme directe (9).
  7. Procédé de mise en oeuvre d'une ligne de recuit ou de galvanisation en continu d'une bande métallique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la section de chauffage à flamme directe (9) est précédée d'une section de préchauffage (8) de la bande métallique, le préchauffage de la bande métallique étant obtenu par les gaz de combustion issus de ladite section de chauffage à flamme directe (9).
  8. Procédé de mise en oeuvre d'une ligne de recuit ou de galvanisation en continu d'une bande métallique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la température de la bande métallique dépasse 800°C à l'entrée de la section de chauffage à tubes radiants.
  9. Procédé de mise en oeuvre d'une ligne de recuit ou de galvanisation en continu d'une bande métallique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'oxygène nécessaire à la suroxygénation de l'air de combustion dans la zone aval (11) de la section de chauffage à flamme directe (9) est un sous produit issu d'un procédé de séparation d'air destiné à produire de l'azote.
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