FR2581163A1 - Bruleur pour flamber des materiaux en acier - Google Patents
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Abstract
LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN BRULEUR PERMETTANT UN FLAMBAGE DIRECT AVEC REDUCTION, COMPRENANT PLUSIEURS SORTIES 2 POUR L'AIR DE COMBUSTION REPARTIES A LA PERIPHERIE D'UNE PAROI INTERIEURE 6 D'UN FOYER TUBULAIRE 1 DU BRULEUR PRESENTANT UNE PARTIE D'EXTREMITE OUVERTE 5, AINSI QUE PLUSIEURS SORTIES 3 POUR LE GAZ COMBUSTIBLE DISPOSEES AU CENTRE DU FOYER 1. SELON L'INVENTION, LA SORTIE 2 DE L'AIR DE COMBUSTION EST FORMEE DE TELLE FACON QUE LA DIRECTION D'EJECTION DE L'AIR FORME UN ANGLE NON SUPERIEUR A 60 PAR RAPPORT A UNE TANGENTE A LA CIRCONFERENCE INTERIEURE DU FOYER 1; LA DISTANCE N DANS UNE DIRECTION AXIALE DU BRULEUR, ENTRE LA SORTIE 2 DE L'AIR DE COMBUSTION ET LA SORTIE 3 DU GAZ COMBUSTIBLE A UNE VALEUR DE -0,1D A 0,4D (DDIAMETRE INTERIEUR DU BRULEUR), ETANT (-) DANS LE CAS OU LA SORTIE 3 DU GAZ COMBUSTIBLE EST POSITIONNEE PLUS PRES DE LA SORTIE DU FOYER 1 QUE LA SORTIE 2 DE L'AIR DE COMBUSTION, ET ETANT (), DANS LE CAS CONTRAIRE; ET LA DISTANCE L DE LA SORTIE 2 DE L'AIR DE COMBUSTION A LA SORTIE DU FOYER 1 A UNE VALEUR DE 0,6D A 3D (D: MEME SIGNIFICATION QUE CI-DESSUS).
Description
Brûleur pour flamber des matériaux en acier La présente invention se
rapporte à un brûleur, et plus
particulièrement à un brûleur permettant de flamber directe-
ment des matériaux en acier tout en les soumettant à une réduction.
Les brûleurs de ce type sont placés dans des zones de chauffage de fours à recuire en continu, d'installations de plaquage de zinc ou d'aluminium par immersion à chaud en continu, et autres, de façon que le chauffage
puisse être effectué en ne provoquant pas d'oxydation.
Il est nécessaire de flamber directement les aciers
dans les zones de chauffage sans provoquer d'oxydation.
De façon classique, les brûleurs connus de ce type sont des brûleurs à injection à haute vitesse, qui projettent la flamme contre le feuillard d'acier pour le chauffer par conduction de chaleur classique, et, d'autre part, les brûleurs à cuvette radiante, qui chauffent une surface intérieure d'un foyer réfractaire à des températures élevées, pour chauffer le feuillard par conduction de chaleur par
rayonnement à partir dudit foyer.
Le brûleur à injection à haute vitesse brûle des mélanges gazeux dans une chambre de combustion et émet un jet de gaz de combustion, à une vitesse élevée, en provenance d'une buse à étranglement. Ce brûleur présente la caractéristique de provoquer un flux d'écoulement de températures élevées, sur une plage de températures relativement faibles du matériau de chauffe. Cependant, étant donné que la flamme, pendant la réaction de combustion, heurte directement le feuillard, une légère oxydation est produite inévitablement, due à la
présence de 02 O, OH et autres dans celui-ci.
Le brûleur à cuvette radiante brûle rapidement- un mélange d'air et de gaz combustible, qui ont été mélangés à l'avance dans une cuvette hémisphérique du foyer de brûleur, afin de produire une réaction de combustion rapide, de faon à augmenter la température de la surface intérieure du foyer de brûleur, et chauffe le feuillard par conduction de chaleur radiante en provenance de ladite surface 2. intérieure. Ce brûleur présente la caractéristique de provoquer un flux d'écoulement de températures élevées, sur
un domaine de températures élevées du matériau de chauffe.
Si le gaz combustible est brûlé avec une proportion d'air n'excédant pas 1,0, il est possible d'introduire une proportion de non-brûlés réducteurs, tels que CO, H2 et autres,dans le gaz de combustion, et si ce gaz de combustion entre en contact avec le feuillard, il est possible d'effectuer le chauffage en ne provoquant pas d'oxydation
mais en provoquant une réduction.
Ainsi, le brûleur radiant convient pour le chauffage sans provoquer d'oxydation, mais étant donné qu'il est du type à pré-mélange et qu'il est nocif de mélanger au préalable l'air pré-chauffé à une température élevée dans le gaz de combustion, l'air de combustion ne pourrait pas être pré-chauffé. En conséquence, une chaleur appréciable provenant d'un gaz brûlé par pré-chauffage de l'air ne pourrait pas être produite, et, de ce fait, un moyen indépendant devrait être prévu pour produire la chaleur appréciable du gaz brûlé pour économiserde l'énergie. Il est utile de pré-chauffer l'air pour augmenter la température de la flamme, et il est efficace de réaliser une réduction par CO, H2, pour augmenter la température de la flamme. En conséquence, il n'est pas souhaitable, si l'on considère le chauffage sans oxydation, de ne pas pré-chauffer l'air. En outre, le fait de prévoir un dispositif de pré-mélange ou un dispositif de vérification à contre-flamme entraînerait des
coûts élevés en matériels.
En outre, les brûleurs de ce type ne pourraient pas pré-chauffer l'air de combustion, le chauffage sans oxydation étant limité à la température de 750 C, et si un chauffage à des températures plus élevées est nécessaire,
ces brûleurs ne sont pas utilisables.
Pour apporter une solution à ces problèmes qui se posent avec les brûleurs de l'état antérieur de la technique, ont déjà été proposées les solutions données dans la Demande de Brevet Japonais Publiée NO 58-107425 et dans la Demande de Brevet Japonais Publiée N 60-26212. Les brûleurs décrits dans ces demandes de brevet sont définis comme présentant plusieurs sorties d'éjection de l'air de combustion réparties à la périphérie d'une paroi intérieure d'un foyer tubulaire de brûleur présentant une extrémité ouverte, ainsi que des sorties d'éjection du gaz combustible disposées au centre du foyer de brûleur, ladite sortie d'éjection de l'air de combustion étant formé d'une manière telle que la direction d'éjection de l'air forme un angle non supérieur à 60 par rapport à une tangente à la circonférence intérieure du foyer de brûleur. Ces brûleurs ne nécessitent pas de pré-mélange du gaz de combustion et de l'air, et il peuvent chauffer le feuillard d'une manière efficace. Malheureusement, ces brûleurs présentent les problèmes que le domaine de la flamme est instable et étroit si le feuillard est chauffé sans provoquer d'oxydation, et
qu'ils ne sont pas pratiques sur unechaîne de production.
Dans ces conditions, la présente invention a poue objectif de proposer un brûleur perfectionné de ce type qui
ne comporte plus ces défauts de la technique antérieure.
Conformément à la présente invention, on propose un brûleur permettant de flamber directement les matériaux en acier tout en les soumettant à une réduction et sans provoquer d'oxydation La présente invention a encore pour objectif de proposer un brûleur permettant de flamber directement les matériaux tout en les soumettant à une réduction, qui puisse utiliser
l'air pré-chauffé.
La Figure 1 est un diagramme montrant un exemple de mesure d'un espace formant un domaine de non-équilibre de l'air et du combustible du brûleur conforme à la présente invention; La Figure 2 est un diagramme montrant la caractéristique de chauffage avec réduction de ce brûleur; La Figure 3 est un diagramme montrant la relation entre une distance de la sortie du brûleur, la température du gaz, la concentration en 02' et la force ionique, lorsque la distance N. dans une direction axiale du brûleur, entre la sortie d'éjection du gaz combustible et la sortie d'éjection l'air est de - 0.,25D (D: diamètre intérieur du brûleur); La Figure 4 est un diagramme montrant la relation entre la distance N, dans la direction axiale du brûleur, de la sortie d'éjection du gaz combustible à la sortie d'éjection de l'air, et la distance L0 d'existence de 02 libre, dans la direction axiale du brûleur; La Figure 5 est un diagramme montrant la relation entre la distance de la sortie du brûleur ML), la température du gaz, la concentration en 02 et la force ionique, lorsque la distance N est de +0,1D; La Figure 6 est un diagramme montrant la relation entre la distance N de la sortie d'éjection du gaz combustible à la sortie d'éjection de l'air et la température (Tb) d'une paroi arrière du foyer de brûleur; La Figure 7 est un diagramme montrant la relation entre la distance L de la sortie d'éjection de l'air à la sortie du brûleur, et la distance LR jusqu'à la fin du domaine de non- équilibre de l'air et du combustible; La Figure 8 est une vue en coupe transversale verticale du brûleur de chauffage conforme à la présente invention; La Figure 9 est une vue en coupe transversale selon la ligne IX-IX de la Figure 8; La Figure 10 est une vue en coupe transversale verticale d'un autre mode de réalisation de la présente invention; La Figure 11 est une vue en coupe transversale selon la ligne XI-XI de la Figure 10; Les Figures 12 et 13 sont des diagrammes montrant les caractéristiques de chauffage avec réduction du brûleur représenté sur les Figures 10 et 11, la Figure 12 étant un diagramme montrant la relation entre l'angle O 2 dans la direction d'éjection de l'air et la longueur de la flamme, tandis que la Ekgre 13 est un diagramme montrant la distribution des températures dans la direction diamétrale du brûleur et un autre mode de réalisation de la présente invention; Les Figures 14 et 15 montrent un autre mode de réalisation de la présente invention, la Figure 14 étant une vue en coupe transversale verticale de ce mode de réalisation, et la Figure 15 est une vue en coupe transversale selon la ligne XV-XV de la Figure 14; La Figure 16 est une vue explicative montrant un domaine de circulation de l'air et du combustible qui doit être formé dans le brûleur représenté sur les Figures 14 et 15; La Figure 17 est un diagramme montrant la relation entre l'angle d'élargissement ou de conicité a et XIL (point extrême (P) du domaine de circulation) de la Figure 16; La Figure 18 est une vue en coupe transversale verticale montrant un autre mode de réalisation de la présente invention; La Figure 19 est une vue en coupe transversale verticale montrant un autre mode de réalisation d'une buse d'éjection de gaz combustible de la présente invention; Les Figures 20 et 21 montrent un autre mode de réalisation de la buse d'éjection de gaz de la présente invention, la Figure 20 étant une vue en coupe transversale verticale et la Figure 21 une vue frontale de cette buse; Les Figures 22 et 23 représentent un autre mode de réalisation de la présente invention, la Figure 22 étant une vue en coupe transversale verticale de ce mode de réalisation et la Figure 23 une vue en coupe transversale selon la ligne XXII-XXII de la Figure 22; Les Figures 24 (a) et (b) sont des vues explicatives montrant les directions d'éjection de l'air de combustion et du gaz combustible d'autres modes de réalisation de la présente invention et des modes de réalisation des Figures 22 et 23; La Figure 25 est un diagramme montrant la distribution des températures selon la direction diamètrale des brûleurs et un autre mode de réalisation de la présente invention; Les Figures 26 et 27 montrent un autre mode de réalisation de la présente invention,la Figure 26 étant une vue en coupe transversale verticale de ce mode de réalisation, et la Figure 27 une vue en coupe transversale selon la ligne XXVII-XXVII de la figure 26; Les Figures 28 et 29 montrent au autre mode de réalisation de la présente invention,la Figure 28 étant une vue en coupe transversale verticale de ce mode de réalisation, et la Figure 29 une vue en coupe transversale selon la ligne XXIX-XXIX de la figure 28; Les Figures 30 et 31 montrent un autre mode de réalisation de la présente invention, oO la Figure 30étant une vue en coupe transversale verticale de ce mode de réalisation, et la Figure 31 une vue en coupe transversale selon XXXI-XXXI de la Figure 30; La Figure 32 est une vue en coupe transversale montrant un autre mode de réalisation de l'invention; La Figure 33 est une vue en coupe transversale verticale montrant un autre mode de réalisation de l'invention; La Figure 34 est une vue en coupe transversale verticale d'un autre mode de réalisation de l'invention; La Figure 35 est une vue en coupe transversale verticale d'un autre mode de réalisation de l'invention; et La Figure 36 est un diagramme montrant la comparaison entre la caractéristique de chauffage du brûleur de la figure 35 et d'un autre mode de réalisation de la présente invention. Pour atteindre les objectifs mentionnés ci-dessus, le brûleur conforme à la présente invention est doté de plusieurs sorties d'air réparties à la p6riphérie de la paroi int6rieure du foyer tubulaire de brûleur présentant une partie d'extrémité ouverte, ainsi que de sorties de gaz combustible disposées au centre du foyer de brûleur, les sorties d'air de combustion et les sorties de gaz combustible étant formées de manière que: a) la sortie de l'air de combustionsoit formée de telle sorte que la direction d'éjection de l'air forme un angle non supérieur à 60 par rapport à une tangente à la circonférence intérieure du foyer de brûleur;
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b) la distance N, dans une direction axiale du brûleur, entre la sortie de l'air de combustion et la sortie du gaz combustible a une valeur de - O,1D à + 0,4D {D: diamètre intérieur du brûleur), étant (-) dans le cas ou la sortie du gaz combustible est positionnée plus prés de la sortie du foyer de brûleur que la sortie d'air de cambustion, et étant (+) dans le cas contraire; et c) la distance L de la sortie d'air de combustion à la sortie du foyer de brûleur a une valeur de 0,6D à 3D (D =
même définition que ci-dessus).
Le brûleur ainsi constitué forme un domaine de non-équilibre de l'air et du combustible dans une étendue déterminée dans la flamme en réglant la proportion de l'air a une valeur non supérieure à 1,0.o Autrement dit, le b;rQleur de chauffage peut rapidement provoquer la combustion par un écoulement tourbillonnaire de l'air à partir de la sortie d'air et du gaz combustible à partir du centre du brilleur, et former un domaine ne contenant pas d'oxygène libre non réactif, c'est à dire, un domaine de non-éuilibre de l'air et du combustible d'un façon stable et d'une fajon large, étant donné que la flamme contient beaucoup de produits de la combustion intermédiaire (ions intermédiaires, radicaux intermédiaires et autres) sur une étendue déterminée
à l'extérieur de la sortie du brûleur.
La Figure 1 montre un exemple du domaine de non-équilibre de l'air et du combustible dans la flamme qui doit être formée par le brûleur, mesuré par une sonde détectrice d'ions, or une valeur élevée du courant électrique implique que la force ionique est grande et que ledit domaine contient beaucoup de produitsprovenant de la combustion intermédiaire. Conformément à ce fait, le domaine de non-équilibre est formé sur le domaine déterminé en dehors de la sortie du brûleur, et au-delà de cette sortie un domaine de semi-équilibre est formé, contenant C02, H20, N2 et autres La Figure 2 montre les caractéristiques de chauffage avec réduction du brûleur, autrement dit, les températures limites o un matériau en acier peut être chauffé sans provoquer d'oxydation ou avec réduction (température limite pour l'acier en plaque mince ou l'acier ordinaire). Le présent brûleur peut chauffer le feuillard d'acier jiusqu'à environ 900 C sur une plage située entre 0,85 et 0,95 de la
proportion d'air sans provoquer d'oxydation.
On expliquera ici les raisons des limites apportées aux
conditions (a) à c) mentionnées ci-dessus.
EN CE QUI CONCERNE (a): L'angle par rapport à la tangente à la circonférence intérieure du foyer de brûleur dans une direction d'éjection de l'air est destiné à provoquer l'écoulement tourbillonnaire dans l'air de combustion à l'intérieur du foyer de brûleur. Par suite de l'écoulement tourbillonnaire, un domaine de pression négative est formé sur le côté intérieur du brûleur, et par suite de cette pression négative, le gaz subit une re-circulation et la combustion est accélérée, de sorte qu'un domaine propre de non-équilibre puisse être formé. L'angle d'éjection de l'air et de 60 au maximum, de préférence de 20 à 40 , permettant ainsi d'effectuer un tourbillonnement stable de l'écoulement
de l'air.
EN CE QUI CONCERNE (b): Pour ce qui est de la distance N, dans la direction axiale du brûleur, entre la sortie d'air de combustion et la sortie de gaz combustible, lorsqu'elle est (-), la température du gaz est élevée et les produits de la combustion intermédiaire sont répartis de fason large, mais l'02 libre (02 n'ayant pas réagi) est projeté dans la direction axiale du brûleur. Il est nécessaire de minimiser la distance existante de l'02 libre dans la direction axiale pour former, de manière appropriée, le domaine de non-équilibre, ce qui est un objectif de la présente
invention, et sa limite est de - 0,lD.
La Figure 3 examine la relation entre la distance, dans la direction axiale, de la sortie du brûleur, la température du gaz à l'intérieur du foyer de brûleur, la concentration en 02' et la force ionique, lorsque la direction axialeN du brûleur N entre la sortie de l'air et la sortie du gaz a une valeur de - Q0,25D. Conformément à cet examen, on voit que lorsque N est sur le côté (-), la distance L0 d'existence d'O2 libre, dans la direction axiale du brûleur,
est grande.
La Figure 4 montre la relation entre la distance axiale N du brûleur. de la sortie d'air à la sortie du gaz et la distance L0 de l'existence d'O2 libre dans la direction axiale du brûleur,relation selon laquelle, si N est supérieur à -0,iD vers le côté (-), L0 devient rapidement grande et, par
conséquent, la limite du côté (-) est de - 0,lD.
La Figure 5 examine, lorsque N est +0,1D, la relation entre la direction axiale de la sortie de brûleur, la concentration en
02, la force ionique et la température du gaz.
Sur les Figures 4 et 5, lorsque N est du côté (+), aucun problème n'est soulevé en ce qui concerne la concentration en 02 et le domaine propre de non-équilibre est formé sur la partie o la distance de la sortie du brûleur est supérieure
à 0,5D.
Lorsque N est du côté (+), le domaine propre de non-équilibre est formé, mais, si elle dépasse +0,4D, l'air et le combustible ne sont pas totalement mélangés. Le brûleur conforme à la présente invention permet d'accélérer le mélange des deux par injection du gaz combustible à partir de son centre dans le tourbillon rapide de l'air, et si N est rendue extraordinairement grande, l'action d'accélération du mélange ne pourrait pas être totalement obtenue, de sorte que le domaine de non-équilibre ne pourrait pas être formé de faon stable. Ainsi, la limite
supérieure de N est de +0,4D.
En raison de ce qui vient d'être mentionné, la distance axiale N, dans le centre du brûleur, entre la sortie du gaz combustible et la sortie de l'air se situe dans la plage
allant de -0,1D à +0,4D.
En outre, plus N devient grande, plus la température de la paroi intérieure du foyer de brûleur s'élève. La Figure 6 montre la relation entre la distance N et la température Tb de la paroi intérieure du foyer de brûleur. Lorsque N vaut +0,25D, Tb vaut 1.400 C, et, en général, des matériaux erdinaires résistant à la chaleur peuvent être utilisés jusqu'aux environs de cette température. Lorsque N vaut +0,4D, ladite paroi intérieure est élevée à une température allant jusqu'à plus de 1. 800 C, et dans un tel cas, des matériaux résistant aux températures élevees sont utilisés
comme matériaux pour le foyer du brûleur.
EN CE QUI CONCERNE (c) La distance L de la sortie d'air à la sortie du foyer du brûleur est en relation étroite avec l'étendue du domaine de nonéquilibre de l'air et du combustible. Si L dépasse 3D, le domaine de nonéquilibre est formé seulement juste après la sortie du foyer de brûleur, et si L est inférieur à 6D, la flamme devient analogue à des pétales de fleur juste après la sortie du foyer du brûleur, de telle sorte que le domaine de non-équilibre n'est pas correctement formé dans la ligne centrale du brûleur. Ainsi, L vaut de 0,6D à 3,OD. Lorsque la feuille mince d'acier est chauffée en continu et si la. distance entre la sortie du foyer de brûleur et la plaque d'acier n'était pas obtenue avec une valeur supérieure à une certaine longueur (normalement supérieure à mm environ), la plaque d'acier entrerait. en contact avec le brûleur pendant le passage de la ligne. Par conséquent, il sera souhaitable de former le domaine de non-équilibre dans le flambage sur une étendue aussi large que possible incluant le chemin de passage du feuillard qui existe à partir de la sortie du brûleur à une position déterminée. La Figure 7 étudie la relation entre ladite distance L et la fin du domaine de non-équilibre à partir de la sortie du brûleur (une extrémité opposée au côté brûleur, par exemple, le point A de la Figure 5). Si L dépasse 3D, le domaine de non-Cquilibre est formé seulement juste après la sortie du foyer de brûleur et se raréfie vers l'avant par rapport à ladite sortie. Le domaine de non-équilibre est élargqi au fur et à mesure que L devient plus petit, et lorsque L se situe dans 1 'étendue (X) de moins de 0,6D, la flamme présente, comme mentionné ci-dessus, une forme
analogue à un pétale de fleur.
EXEMPLES
Les Figures 8 et 9 montrent un mode de réalisation de }0 la présente invention, o le chiffre de référence 1 désigne un foyer réfractaire tubulaire en tant que corps principal présentant une sortie 5 à une extrémité, et le brûleur est dots de plusieurs sorties d'air 2 réparties à la périphérie de la paroi intérieure 6 du -foyer tubulaire du brûleur, ainsi que de sorties de gaz combustible 3 au centre du foyer du brûleur. Dans ce mode de réalisation, une paroi d'extrémité intérieure 4 du foyer de brûleur 1 est traversée par une buse de gaz combustible 7, et la buse de gaz combustible 7 comporte plusieurs sorties de gaz combustible 3 dans direction diamétrale du foyer de brûleur
1, réparties à la périphérie de ladite buse 7.
Dans cette structureles sortiesd'air de combustion 2 et lessortiesde gaz combustible 3 sont composées commme indiqué ci-dessous: (a) Chaque sortie d'air de combustion 2 est formée de telle sorte qu'une direction d'éjection de l'air forme un angle 01 non supérieur à 60 C par rapport à une tangente à une circonférence intérieure du foyer de brûleur; (b) la distance N. dans une direction axiale du brûleur entre la sortie d'air de combustion 2 et les sorties de gaz combustible 3 a une valeurallant de -O, lD à +0,4D (D: diamètre intérieur du brûleur), étant (-) dans le cas o lessortiesde gaz combustiblesont positionnée plus près de la sortie du foyer de brûleur queles sorties d'air de combustion 2, et étant (+) dans le cas contraire; et (c) une distance L des sortiesd'air de combustion 2 à la sortie du foyer de brûleur est déterminée comme allant de
0,6D a 3D (D: même signification que précédemment).
Les Figures 10 et 11 montrent un autre mode de réalisation de la présente invention, dans lequel les sorties d'air d combustion 2 sont formées de telle sorte qu'une direction d'éjection de l'air forme un-angle 91 non supérieur à par rapport à la tangente à la circonférence intérieure du foyer de brûleur, et forme un angle de torsion 82 non supérieur à 300 en direction du diamètre du foyer de brûleur et vers la sortie de celui-ci. Avec une telle structure, il est possible d'uniformiser davantage la distribution des températures de la flamme provenant de la sortie du brûleur, et de commander d'une facon appropriée les déviations des caractéristiques de réduction et des caractéristiques de chauffage. Par l'angle el, l'air de combustion est amené à suivre un écoulement tourbillonnaire à l'intérieur du foyer de brûleur, ce qui permet de réaliser une combustion rapide et de former un domaine de réduction incluant les produits d'une réaction intermédiaire. Lorsque l'air de combustion est fourni selon la direction de la-circonférence du brûleur en raison de l'angle 1el, la force tourbillonnaire sera suffisamment forte pour provoquer un domaine de pression négative dans la flamme et la déviation de la distribution des températures. Sur quoi, conformément à ce mode de réalisation, la direction d'éjection de l'air est inclinée vers la direction axiale du brûleur (la sortie du brûleur), de sorte que la force tourbillonnaire de l'air est affaiblie dans la direction diamétrale, de facon à uniformiser la distribution des
température de la flamme.
L'angle oblique e2, dans la direction d'éjection de l'air, est, de préférence, maintenu, à une valeur supérieure à 10 , de fajon à uniformiser le domaine propre de température; cependant, si l'angle était trop grand, il serait difficile d'obtenir la force tourbillonnaire dans la direction diamétrale. La combustion rapide en tant qu'objectif de base ne pourrait pas être obtenu et la longueur de la flamme serait trop grande, et le domaine de non-équilibre stable ne pourrait être obtenu. En particulier, si 02 dépasse 30 , comme cela est représenté sur la Figure 12, la flamme est considérablement allongée et le domaine de nonéquilibre est très instable. Par conséquent, 62 devrait se situer dans une plage ne dépassant
pas 30 .
La Figure 13 est un exemple montrant la distribution des températures du gaz selon le diamètre du brûleur entre le présent brûleur ( 01: 30 , 02: 15 ) et le brûleur sans 02 dans la direction d'éjection de l'air ( 01: 30 , 02: 0 ), comme représenté sur la Figure 8. De la même manière, un trait en pointillés (a) montre le présent mode de réalisation et un trait plein (b) montre le brûleur ayant la structure de la Figure 8. Le brûleur représenté sur la Figure 8 présente une grande dépression qui sera due à la pression négative, dans le centre du brûleur, alors que le brûleur selon le présent mode de réalisation a été perfectionné en ce qui concerne une telle dépression de la température et montreune distribution des températures
relativement uniforme dans la direction diamétrale.
Les Figures 14 et 15 montrent un autre mode de réalisation de l'invention, selon lequel la paroi intérieure 6 du foyer du brûleur est dotée d'un angle d'élargissemento< à la sortie, de fapon à former une paroi intérieure conique. La partie de paroi intérieure donnée par cet angle d'élargissement a est formée à la sortie, au moins à partir dessortiesde l'air de combustion. En prévoyant l'angle a, la flamme provenant de la sortie du brûleur est largement
étalée sur les plaques d'acier.
Le brûleur conforme à la présente invention provoque l'écoulement tourbillonnaire de l'air de combustion à l'intérieur du foyer de brûleur, et cet écoulement tourbillonnaire forme un domaine de circulation de l'air et du gaz combustible, et ce domaine de circulation permet d'effectuer une combustion rapide. Si l'angle d'élargissement a est rendu plus grand, le domaine de circulation (domaine de pression négative), tel que représenté sur la Figure 16, est formé à l'extérieur du brûleur, de sorte qu'il est difficile de réaliser la combustion rapide. Le domaine de circulation commande la combustion rapide, et la formation de la combustion rapide à l'intérieur du foyer du brûleur conduit à une formation stable du domaine de non-équilibre pour le chauffage avec
réduction à la sortie du brûleur.
La Figure 17 représente la relation entre l'angle d'élargissement a et le point extrême du domaine de circulation (P) (voir Figure 16), et "X/L = 1" suppose que le point extrême (P) rencontre la sortie de brûleur 5, d'après quoi le point extrême (P) s'approche de la sortie du brûleur lorsque l'angle d'élargissement a vaut environ 250 et par conséquent, il est préférable que l'angle
d'élargissement a ne soit pas supérieur à 25 .
La Figure 18 est un mode de réalisation qui est formé avec un angle oblique 82, de la sortie d'air de combustion 2
conjointement avec l'angle d'élargissement a.
En ce qui concerne les structures mentionnées ci-dessus, telles que représentées sur les Figures 8 et 9, les Figures et 11, et les Figures 14 et 15, la sortie de gaz 3 est formée à l'intérieur du foyer de brûleur, comme représenté sur la Figure 19, de telle sorte que le gaz combustible est éjecté le long de la direction axiale du brûleur, modérant ainsi la force tourbillonnaire et uniformisant la
distribution des températures de la flamme de brûleur.
Une ligne en traits interrompus (c) sur la Figure 13 montre la distribution des températures de la flamme selon le diamètre du brûleur lorsque la structure de la Figure 19 est appliquée au brûleur des Figures 10 et 11, et on voit que la distribution est davantage uniformisée que celles
mentionnées ci-dessus. Comme cela est représenté sur les Figures 20 et 21, les sorties de gaz
combustible 3 peuvent être formses de telle sorte que le gaz est éjecté selon une direction oblique. En outre, les sorties de gaz combustible 3 peuvent être naturellement incorporées dans les structures telles que représentées sur les Figures 8 à 18, la Figure 19 et les Figures 20 et 21. Par exemple, la sortie de gaz peut être définie par plusieurs orifices à la périphérie de la buse du gaz combustible, et selon une ou plusieurs
sorties à l'avant de labuse 1.
Les Figures 22 et 23 montrent un brûleur dans lequel plusieurs sorties de gaz combustible 3 sont formées dans !0 une buse de gaz combustible 7, réparties à la périphérie de celle-ci, la buse se projetant au centre d'un foyer de brdleur 1, la sortie de gaz combustible 3 étant formée de telle sorte que la direction d'éjection du gaz n'est pas a angle droit par rapport a une tangente a la circonférence extrrieure de la buse de gaz et que l'écoulement tourbillonnaire de gaz est, de ce - fait, oppose à l'Vëcoulment de l'air provenant de la sortie d'air 29 comme
cela est représenté sur la Figure 25 (b).
En formant l'écoulement tourbillonnaire de gaz combustible à l'opposé de l'écoulement tourbillonnaire de l'air de combustion, il est possible de mieux uniformiser la distribution des températures de la flamme à partir de la sortie du brûleur 5 et de commander, de faon appropriée, la déviation des caractéristiques réductrices et des caractéristiques de chauffage. Comme mentionné ci-dessus, lorsque l'air de combustion est fourni selon la directionde la circonférence du brûleur, en raison de l'angle -e, la force tourbillonnaire sera suffisamment forte pour provoquer un domaine de pression négative dans la flamme et la déviation de la distribution des températures. Sur quoi, dans ce mode de réalisation, l'écoulement tourbillonnaire du gaz combustible en opposition à l'écoulement tourbillonnaire de l'air est formé de.fagon positive, affaiblissant ainsi la force tourbillonnaire de l'air dans la direction diamétrale et uniformisant la
distribution des températures de la flamme.
La Figure 25 montre un exemple drune distribution de températures du gaz selon le diamètre du brûleur, entre le brûleur de ce mode de réalisation représenté sur la Figure 24 (b) et un brûleur d'un autre mode de réalisation de la Figure 24 (a). Une ligne en traits interrompus (b) désigne le présent mode de réalisation et un trait plein (a) désigne un autre mode de réalisation. Comme on peut le voir, le brûleur représenté suivant le trait plein (a) présente une large dépression qui sera due à la pression négative, dans le centre du brûleur, alors que le brûleur de ce mode de réalisation a été amélioré en ce qui concerne une telle dépression de la température et présente une distribution relativement uniforme de la température dans la direction diamétrale. Egalement dans ce mode de réalisation, un angle oblique dirigé vers le diamètre du brûleur et vers sa sortie peut être donné à la direction d'éjection de l'air de la sortie d'air 2et àla direction d'éjection du gaz combustible de la sortie de combustible 3, comme cela est représenté sur les Figures 10 et 20. La partie de la paroi intérieure donnée par l'angle d'élargissement a est formée à la sortie au moins à partir de la sortie d'air de combustion. En prévoyant l'angle a, la flamme provenant de la sortie du
brûleur est largement étalée sur les plaques d'acier.
Chacun des modes de réalisation représentés sur la Figure 21 et les Figures restantes est doté d'un chemin tourbillonnaire d'air de combustion 8, suivant une direction périphérique du brûleur dans la paroi du foyer tubulaire de brûleur 1, présentant une extrémité ouverte et plusieurs sorties d'air de combustion 2 guidant ledit chemin 8 vers l'intérieur du brûleur, de faSon que la direction d'éjection de l'air forme un angle non supérieur à par rapport à une tangente à la circonférence intérieure
du foyer de brûleur.
Dans le mode de réalisation représenté sur les Figures 26 et 27, les deux chemins tourbillonnaires 8 sont formés en opposition dans la direction de la circonférence. Chacun des chemins tourbillonnnaires 8 devient plus étroit lorsque l'on tourne dans le sens des aiguilles d'une montre sur la Figure 27et est formé pour qu'à la fin, la sortie d'air de combustion 2 soit en communication avec l'intérieur du foyer de brûleur. D'autre part, l'extrémité arrière de celui-ci s'ouvre suivant une chambre d'air 9 prévue à l'extrémité arrière du foyer de brûleur, de façon à former une entrée
d'air 81 pour le chemin tourbillonnaire 8.
Les Figures 28 et 29 montrent un autre mode de réalisation de la présente invention, suivant lequel quatre chemins tourbillonnaires 8 sont prévus à la périphérie du brûleur avec des chevauchements partiels aux parties supérieure et inférieure, et des sorties d'air de combustion
2 sont prévues aux extrémités des chemins 8.
Dans chacun des modes de réalisation représentés sur les Figures 26, 27 et 28, la sortie d'air 2 peut être formée sur
le trajet du chemin 8, également.
Les figures 30 et 31 montrent un autre mode de réalisation de l'invention, suivant lequel un chemin tourbillonnaire 8 est formé suivant un chemin tourbillonnaire en spirale destiné à être prévu à la périphérie du brûleur, de faon à formerdes sortiesd'air 2
réparties à la périphérie du chemin en spirale 8.
Dans ce mode de réalisation, des plaques guides déflectrices 10 sont installées dans les sorties d'air 2 à l'intérieur
des chemins d'écoulement.
Dans les trois modes de réalisation mentionnés ci-dessus, l'air de combustion s'écoule dans le chemin tourbillonnaire en spirale 8, réalisant ainsi la force tourbillonnaire à la périphérie du brûleur, de sorte que l'air éjecte de la sortie d'air devient un chemin tourbillonnaire à l'intérieur du brûleur. Par cet écoulement tourbillonnaire, un domaine de pression négative est formé à l'intérieur du brûleur, et par cette pression négative, le gaz est amené à re- circuler, de telle sorte que la combustion est accélérée, et qu'un domaine de non-équilibre désiré est formé. En particulier, dans le présent mode de réalisation, le chemin tourbillonnaire est formé par le chemin tourbillonnaire 8 avant l'iection, et étant donné qu'il peut être conduit à l'intérieur du brûleur à partir de la sortie d'air, un écoulement tourbillonnaire d'air présentant une grande énergie cinétique peut être formé à l'intérieur du brûleur. Les Figures 32 à 34 montrent divers modes de réalisation modifies. Sur la Figure 32, la sortie de gaz 3 qui doit être prévue à la périphérie de labuse 7 est formée de telle sorte que la direction d'éjection de gaz n'est pas à angle droit par rapport à -une tangente à la circonférence extérieure de la buse de gaz, et l'écoulement tourbillonnaire de gaz est, de ce fait, opposé à l'écoulement de l'air provenant de la sortie d'air 2,
autrement dit, heurte l'écoulement tourbillonnaire de l'air.
La Figure 33 montre qu'une sortie de gaz de combustion 3 est disposée à l'avant d'une buse de gaz dans le foyer de brûleur, de sorte qu'un gaz combustible est éjecté le long d'une direction axiale du brûleur (vers la sortie de brûleur). De cette manière, la force tourbillonnaire de l'écoulement d'air est modérée et le même effet que sur la Figure 32 peut être obtenu. La sortie de gaz 3 de la buse de gaz 7 peut incliner sa direction d'éjection de gaz à un angle extérieur propre par rapport à la direction axiale du brûleur, comme on peut le voir sur les Figures 20 et 21. La sortie de gaz 3 forme un angle dans la direction d'éjection comme on peut le voir sur la Figure 32, de sorte que l'écoulement de gaz peut tourbillonner en opposition à l'écoulement tourbillonnaire de l'air. La sortie de gaz 3 peut être associée de facon appropriée avec celles
représentées sur les Figures 1, 20 et 33.
La Figure 34 montre que le diamètre intérieur du brûleur est élargi vers l'extrémité du brûleur d'un angle a dans la paroi intérieure de la sortie extrême à partir d'au moins
la sortie d'air.
L'effet en fonctionnement de la structure représentée sur les Figures 32 à 34 est le même que ceux mentionnées ci-dessus. En tant que mode de réalisation modifié, on peut choisir une structure qui est associée avec un mécanisme d'injection
d'un gaz sous forme de plasma.
La Figure 35 montre qu'un couple d'électrodes 11 composé d'une électrode tubulaire et d'une électrode introduite dans celle-ci est incorporé au centre d'une buse' de gaz combustible 7, et un gaz sous forme de plasma (P) formé entre les électrodes est injecté dans l'intérieur du brûleur
a partir d'une sortie 12 de la buse.
De cette manière, la température de la flamme du brûleur peut être augmentée et la flamwmeprésenitant des températures élevées peut heurter le matériau en acier. La gaz sous forme de plasma (P) fourni dans la buse est chauffé -jusqu'à des températures très élevées entre les électrodes, et est injecte dans la flamme tourbillonnaire à i'intérieur du brûleur. Ainsi, la température de la flamme est éLevée jusqu'à une valeur supérieure à 20000C, de sorte que l'acier
peut-etre chauffe à une efficacité élevée.
Le gaz sous forme de plasma (P) est un gaz unique de H29 Ar, N2i He, CH4 ou 02, ou un gaz d'un four à cokes d'un fourneau ou d'un convertisseur, qui est un sous produit dans
les procédés de fabrication de l'acier.
La Figure 36 montre la relation obtenue expérimenta-
lement entre la température de la flamme juste après la sortie du foyer du brûleur représenté sur la Figure 35 et les températures limites de chauffage de la plaque d'acier
sans oxydation et avec réduction.
Dans ces expériences, le taux d'air pendant la combustion était constamment de 0,9 et le combustible était le gaz de fours à coke. Lorsque l'on utilisait un plasma, le gaz sous forme de plasma était le gaz de four à coke, et sa quantité d'alimentation était de 10% de la quantité totale utilisée. La force du plasma était commandée par une puissance électrique, et allait de 0,5 Kw à 3,2 Kw dans
les expériences.
Sur la Figure 26, le repère "o" représente le gaz de combustion - l'air normal, le repère "x" représente le gaz de combustion - l'air pré-chauffe, et le repère " " représente le gaz de combustion - plasma - air préchauffé, les températures de l'air pré-chauffé sont de 400 à 600G. Si le plasma est ajouté pour augmenter la température de la flamme jusqu'à environ 2200 C, il est confirmé que l'acier peut être chauffé sans provoquer
d'oxydation jusqu'à environ 1200 C.
Dans le mécanisme d'injection du gaz sous forme de plasma desdits modes de réalisation, le couple d'électrode 11 est incorporé dans la buse de gaz combustible 7 et cette buse est dotée d'une sortie éjectant le plasma, indépendamment de la sortie éjectant le gaz combustible 3,
pour être,de ce fait,plus facilement incorporé au brûleur.
Claims (24)
1. Brûleur permettant un flambage direct avec réduction,
comprenant plusieurs sorties (2) pour l'air de combustion ré-
parties à la périphérie d'une paroi intérieure (6) d'un foyer tubulaire (1) du brûleur présentant une partie d'extrémité
ouverte (5), ainsi que plusieurs sorties (3) pour le gaz com-
bustible disposées au centre du foyer (1) du brûleur, caracté-
risé par le fait que ladite sortie (2) de l'air de combustion et ladite sortie (3) du gaz combustible sont réalisées de telle manière que: a) la sortie (2) de l'air de combustion soit formée de telle sorte que la direction d'éjection de l'air forme un angle
non supérieur à 60 par rapport à une tangente à la circonfé-
rence intérieuredu foyer (1) du brûleur; b) la distance N dans une direction axiale du brûleur, entre la sortie (2) de l'air de combustion et la sortie (3) du gaz combustible a une valeur de -0,1D à + 0,4D (D = diamètre intérieur du brûleur), étant (-) dans le cas o la sortie (3) du gaz combustible est positionnée plus près de la sortie du foyer (1) de brûleur que la sortie (2) de l'air de combustion, et étant (+), dans le cas contraire; et c) la distance L de la sortie (2) de l'air de combustion à la sortie du foyer (1) de brûleur a une valeur de 0,6D à
3D (D: même signification que ci-dessus).
2. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la sortie (2) de l'air de combustion est formée de telle sorte que la direction d'éjection de l'air suive une
section transversale du foyer (1) de brûleur.
3. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la sortie (2) de l'air de combustion est formée de telle sorte que la direction d'éjection de l'air forme un angle non supérieur à 60 par rapport à une tangente à une circonférence intérieure du foyer (1) de brûleur et un angle oblique non supérieur à 30 en direction de la sortie du foyer (1) de brûleur par rapport à la direction diamètrale du foyer
(1) du brûleur.
4. Brûleur selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait que le diamètre intérieur du brûleur s'élargit en direction de la sortie formée dans sa paroi intérieure,au moins à partir de la sortie d'air de combustion (2) du foyer (1) de brûleur.
5. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1
à 4, caractérisé par le fait que plusieurs sorties (3) de gaz combustible sont formées à la périphérie de la buse (7) de gaz, qui fait saillie au centre du foyer (1) de brûleur, de telle façon que la direction d'éjection du gaz combustible ne soit pas perpendiculaire à une tangente à la circonférence extérieure
de la buse (7) de gaz combustible et que, de ce fait, l'écoule-
ment de gaz combustible tourbillonne en sens contraire de l'é-
coulement d'air provenant de la sortie (2) de l'air de combus-
tion.
6. Brûleur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que des chemins tourbillonnaires (8) sont prévus à la périphérie du brûleur et vers l'intérieur du foyer tubulaire
(1) de brûleur présentant une extrémité ouverte (5), et plu-
sieurs sorties (2) d'air de combustion sont prévues pour diri-
ger lesdits chemins vers l'intérieur du brûleur.
7. Brûleur selon la revendication 6, caractérisé par le
fait que le diamètre intérieur du brûleur s'élargit en direc-
tion de la sortie formée dans sa paroi intérieure, au moins à partir de la sortie d'air de combustion du foyer (1) de brûleur.
8. Brûleur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que plusieurs sorties (3) du gaz combustible sont formées à la périphérie de la buse (7) de gaz, qui fait saillie au
centre du foyer (1) de brûleur, de telle façon que la direc-
tion d'éjection du gaz combustible ne soit pas perpendiculaire à une tangente à la circonférence extérieure de la buse (7) de gaz combustible et que, de ce fait, l'écoulement de gaz combustible tourbillonne en sens contraire de l'écoulement
d'air provenant de la sortie (2) de l'air de combustion.
9. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 1 à
4 caractérisé par le fait qu'un mécanisme d'injection est pré-
vu pour un gaz sous forme de plasma (P) chauffant à des tempé-
ratures élevées, de façon à appliquer un jet de plasma sous des
températures élevées à l'intérieur du foyer (1) de brûleur.
10. Brûleur selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'un mécanisme d'injection est prévu pour un gaz sous forme de plasma (P) chauffant à des températures élevées, de
façon à appliquer un jet de plasma sous des températures éle-
vées à l'intérieur du foyer (1) de brûleur, et que la sortie
(2) d'air de combustion est formée de telle sorte que la direc-
tion d'éjection de l'air forme un angle non supérieur à 60 par rapport à une tangente à une circonférence intérieure du foyer (1) du brûleur et un angle oblique non supérieur à 30 en direction de la sortie du foyer (1) de brûleur par rapport
à la direction diamètrale du foyer (1) de brûleur.
11. Brûleur selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'un mécanisme d'injection est prévu pour un gaz sous forme de plasma (P) chauffant à des températures élevées, de
façon à appliquer un jet de plasma sous des températures éle-
vées à l'intérieur du foyer (1) de brûleur, et que le diamètre intérieur du brûleur s'élargit en direction de la sortie formée dans sa paroi intérieure au moins à partir de la sortie d'air
de combustion du foyer (1) de brûleur.
12. Brûleur selon la revendication 11, caractérisé par le fait que plusieurs sorties (3) de gaz combustible sont formées à la périphérie de la buse (7) de gaz, qui fait saillie au
centre du foyer (1) de brûleur, de telle façon que la direc-
tion d'éjection du gaz combustible ne soit pas perpendiculaire à une tangente à la circonférence extérieure de la buse (7)
de gaz combustible et que, de ce fait l'écoulement de gaz com-
bustible tourbillonne en sens contraire de l'écoulement d'air
provenant de la sortie (2) de l'air de combustion.
13. Brûleur selon la revendication 1, 2 ou 4, caractérisé par le fait qu'un mécanisme d'injecticn est prévu pour un gaz sous forme de plasma (P) chauffant à des températures élevées,
de façon à appliquer un jet de plasma sous des temperatures-
élevées a l'intérieur du foyer (1) de brûleur, et que plusieurs sorties (3) de gaz combustible sont formées à la périphérie de la buse (7) de gaz, qui fait saillie au centre du foyer (1) de brûleur, de telle façon que la direction d'éjection du gaz combustible ne soit pas perpendiculaire à une tangente à la circonférence extérieure de la buse (7) de gaz combustible et que, de ce fait, l'écoulement de gaz combustible tourbillonne en sens contraire de l'écoulement d'air provenant de la sortie
(2) de l'air de combustion.
14. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 9
à 11, caractérisé par le fait qu'un couple d'électrodes (11) est prévu à l'intérieur de la buse (7) de gaz combustible pour chauffer le gaz sous forme de plasma (P), et les chemins et sorties pour le gaz sous forme de plasma (P) sont formés
indépendamment des chemins et des sorties pour le gaz combus-
tible.
15. Brûleur selon la revendication 12 ou 13, caractérisé
par le fait qu'un couple d'électrodes (11) est prévu à l'in-
térieur de la buse (7) de gaz combustible pour chauffer le gaz sous forme de plasma (P), et les chemins et sorties pour le gaz sous forme de plasma (P) sont formés indépendamment des
chemins et des sorties pour le gaz combustible.
16. Brûleur selon l'une quelconque des revendications
2,3,4,6 et 7, caractérisé par le fait que les sorties (3) de gaz combustible sont formées à la périphérie d'une buse (7) de gaz combustible qui est en saillie par rapport à une paroi intérieure (4) du foyer (1) de brûleur, de telle façon que le gaz combustible soit eéjecté dans une direction diamétrale
du foyer (1) de brûleur.
17. Brûleur selon l'une quelconque des revendications
2,3,4,6 et 7, caractérisé par le fait que la sortie (3) de gaz combustible est formée vers l'intérieur du foyer (1) de brûleur, de telle façon que le gaz combustible soit éjecté
dans une direction axiale du brûleur.
18. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 2
à 8, caractérisé par le fait que la sortie (3) de gaz combus-
tible est formée vers l'intérieur du foyer (1) de brûleur, de telle façon que le gaz combustible soit éjecté suivant une
direction oblique par rapport à la direction axiale du brûleur.
19. Brûleur selon l'une quelconque des revendications 6,
7,8,10,11 et 12, caractérisé par le fait que les sorties d'air de combustion sont dotées de plusieurs chemins tourbillonnaires (8) et positionnées aux extrémités des chemins tourbillonnaires
au moins.
20. Brûleur selon l'une quelconque des revendications
6,7,8,10,11 et 12, caractérisé par le fait que les chemins tourbillonnaires (8) sont formés en spirale à la périphérie du brûleur, et que plusieurs sorties (2) d'air de combustion
sont formées le long du trajet desdits chemins.
21. Brûleur selon la revendication 14, caractérisé par la fait que les sorties (3) du gaz combustible sont formées à la périphérie d'une buse (7) de gaz combustible qui est en saillie par rapport à une paroi intérieure (4) du foyer (1) de brûleur, de telle façon que le gaz combustible soit éjecté
dans une direction diamétrale du foyer (1) de brûleur.
22. Brûleur selon la revendication 14, caractérisé par le
fait que la sortie de gaz combustible est formée vers l'inté-
rieur du foyer (1) de brûleur, de telle façon que le gaz com-
bustible soit éjecté dans une direction axiale du brûleur.
23. Brûleur selon la revendication 14 ou 15, caractérisé par le fait que la sortie (3) du gaz combustible est formée vers l'intérieur du foyer (1) de brûleur, de telle façon que le gaz combustible soit éjecté suivant une direction oblique
par rapport à la direction axiale du brûleur.
24. Brûleur selon l'une quelconque des revendications
21 à 23, caractérisé par le fait que les sorties du gaz sous forme de plasma (P) sont prévues à une extrémité de la buse
(7) de gaz combustible.
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