FR2824130A1 - Procede de controle d'un produit traite dans un four et four ainsi equipe de moyens de contole - Google Patents

Abstract

Procédé de contrôle de la qualité d'un produit traité à une température et sous une atmosphère engendrés par des brûleurs disposés en certains emplacements du four dans lequel défile les produits à traiter, grâce à l'utilisation d'une diode laser dont le faisceau laser traverse l'atmosphère du four, les caractéristiques optiques du faisceau étant modifiées après traversée du four. L'analyse des modifications du faisceau qui passe à proximité des produits traités permet d'agir immédiatement sur les injections de fluide (comburant/ combustible) dans les brûleurs pour modifier cette atmosphère et contrôler ainsi la qualité des produits.Application : Four de réchauffage.

Description

, La présente invention concerne un procèdé de contrôle, notamment de la

qualité, d'un produit traité dans un four et notamment un four équipé de

moyens de contrôles adaptés, notamment à la mise en _uvre de ce procédé.

Elle se rapporte plus particulièrement à un procédé pour améliorer le chauffage des fours en particulier ceux dits à chargement continu et plus particulièrement le chauffage de fours destinés à porter à haute température, le plus uniformément possible, des produits sidérurgiques pouvant être de fortes sections, par exemple des brames, des billettes, des blooms ou des

lingots en vue notamment d'une opération de laminage ultérieurement.

Les fours dans lesquels peut être mis en _uvre ce procèdé peuvent être des fours à longerons, des fours poussants, des fours à sole tournante, notamment, mais également des fours pour le traitement thermique de matériaux (par exemple des fours de recuit ou autres dans lesquels les propriétés mécaniques de pièces à traiter sont modifiées en présence d'une atmosphère gazeuse particulière et à température généralement élevée), au défilé notamment, pour des produits semi-finis ou finis (bandes, tubes, fils,

pièces diverses).

Un four de réchauffage de produits sidérurgique est généralement un four de type longitudinal comportant une extrémité d'enfournement des prod uits et une extrémité de défournement des prod uits. Ces fours sont habituellement constitués de plusieurs zones successives. Après l'enfournement d'un produit dans le four, celui-ci traverse tout d'abord (dans le sens de défilement des produits dans le four), une première zone amont dite zone d'épuisement (ou de récupération) des fumées dans laquelle on réalise un échange thermique entre les fumées produites en aval du four et qui circulent à contre-courant des produits à réchauffer, afin de préchauffer ce produit, au moins dans sa partie superficielle (le but d'un four de réchauffage est d'amener le produit qui sort du four à une température considérée comme idéale pour l'étape suivante, en général, le laminage, et

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avec une température du produit aussi homogène que possible dans tout son volume). Cette zone d'épuisement ou de récupération est ensuite suivie d'une ou plusieurs deuxièmes zones dite de chauffage puis se termine par une troisième zone dite d'égalisation. Chaque zone de chauffage est généralement pourvue de moyens de chauffage du type brûleurs (air/combustible) et permet de transférer de l'énergie thermique au produit, tandis que la zone d'égalisation peut également comporter des brûleurs, sa fonction étant d'assurer l'homogénéité thermique du produit à la sortie du four. Les brûleurs sont généralement installés de préférence de part et d'autre du produit qui circule dans le four ou peuvent être placés dans la voûte du four (cas des voûtes radiantes) ou encore dans des niches, en

fonction de la largeur du four.

Le transfert de chaleur entre les brûleurs et la charge à réchauffer est principalement effectué par rayonnement entre les parois du four, chauffées par les brûleurs, et la charge. Ensuite, la pièce est chauffée dans son épaisseur par conduction thermique à partir de la ou des surface(s) chauffée(s). La distribution de puissance aux brûleurs ainsi que les vitesses de défilement des produits et leur espacement sont générés de manière à obtenir un profil de montée en température de la surface chaude des pièces calculé pour chaque type de pièce. La zone de récupération permet d'augmenter la température des produits typiquement jusqu'à 600 C/700 C, ( puis la zone de chauffe permet d 'augmenter ensuite la températu re d es produits jusqu'à environ 11 00 C/1 250 C en surface. Enfin, la zone d'égalisation, permet à la température de s'homogénélser dans la masse des pièces en utilisant des brûleurs à puissance inférieure à la puissance de ceux utilisés dans les fours de chauffe, la température visée étant typiquement 1200 C/1250 C pour tout le volume de la pièce, cette température finale

dépendant du type d'acier réchauffé.

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Si les brûleurs utilisés sont des bruleurs à air enrichi à l'oxygène (le comburant comportant plus de 21% vol. 02 jusqu'à environ 90% vol. 02) ou des bruleurs oxy-combustibles (c'est à dire utilisant un comburant qui comporte plus de 90%vol. 02 tel que notamment l'oxygène produit pour les appareils de type VSA, de préférence plus de 98% 02) le transfert de chaleur peut également s'effectuer grâce au rayonnement, vers la charge, des flammes et surtout du volume de gaz constitué par les produits de

combustion de la dite flamme.

Lors du procèdé de réchauffage certains composants des produits de combustion de l'atmosphère du four (notamment 02, H20, CO2) réagissent avec l'acier, conduisant à la formation de couches d'oxydes à la surface des produits. L'ensemble des couches d'oxydes est appelée calamine. La calamine se retrouve sous forme de dépôt en surface. Une partie de la

calamine se détache lors de la traversée des produits dans le four.

L'accumulation de calamine dans l'enceinte du four nécessite d'arrêter réqulièrement le four pour nettoyer l'enceinte de la calamine accumulée. Ce qui reste de la calamine sur le produit en sortie de four doit être éliminé juste avant le laminage. Ces deux phénomènes constituent une perte de matière importante pouvant aller jusqu'à 1% de la masse de la pièce. Il est important pour l'opérateur d'un four de pouvoir contrôler la quantité de calamine sur les

produits et les propriétés physiques de cette calamine.

Un mécanisme parallèle voire concurrent qui entre également en jeu à la surface de l'acier est la décarburation. En présence d'atmosphères oxydantes, des atomes de carbone d iffusent de l' i ntérieu r de l' acier vers la surface. La décarburation est alors limitée par la diffusion du carbone à la température du traitement et est favorisée par l'aptitude des gaz formés (CO) à s'échapper de l'interface calamine-acier. L'épaisseur de la couche présentant des déficits d'atome de carbone est appelée " épaisseur

décarburée ".

f. j^

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Comme cette couche n'a plus les propriétés mécaniques souhaitées en terme de longévité, dureté etc., les sidérurgistes cherchent à minimiser cette épaisseur. Ce phénomène est plus prononcé pour les aciers à haute

teneur en carbone.

Le facteur essentiel assurant la qualité du réchauffage d'un produit est le contrôle de la température finale du produit et de son homogénéité thermique, et ce quel que soit l'historique de la chauffe ayant eu lieu dans le four (temps passé à certains niveaux de température, ralentissement de la cadence suite à un incident laminoir etc...),. Tout défaut d'homogénéité thermique entranera des défauts de structure et a posteriori des fragilités mécaniques des produits finis. Ces défauts peuvent également provoquer des arrêts voire des casses de certaines parties du laminoir (notamment des

cages de laminoir).

Enfin, lors du réchauffage des produits, certains produits de la combustion sont des polluants gazeux, principalement des oxydes d'azote (NOX) et du monoxyde de carbone (CO) qui sont très dépendants des

conditions de combustion dans le four et qu'il convient donc de contrôler.

Un autre problème lié aux émissions de NOx est le problème de la mesure de ces polluants en sortie de four qui est également une problématique non résolue. Les normes environnementales devenant de plus en plus sévères, une mesure fiable et continue des NOx et du CO en sortie de four serait un moyen efficace pour le suivi et le contrôle des émissions polluantes d'une installation de réchauffage. Ce type de mesure n'est

actuellement pas disponible.

Pour contrôler les phénomènes de calamine et de décarburation, la seule information disponible dans un four industriel, est généralement fournie par des sondes de mesure d'oxygène situées, soit dans la voGte soit dans la cheminée du four. Ces sondes sont par exemple des sondes zircone ou des

sondes par prélèvement suivi d'une mesure par analyseur 02.

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Ces sondes, quel que soit leur principe de fonctionnement, ont besoin

de calibrages fréquents et posent donc des problèmes de maintenance.

De plus, ces sondes ne mesurent qu'une teneur globale en oxygène de l'atmosphère située proche de la voûte qui peut ne pas être représentative de I'atmosphère située à proximité du produit. Or c'est l'atmosphère à proximité

de la surface qui va conditionner les réactions de formation de calamine.

Enfin, la seule information mesurée est une concentration en oxygène alors que les concentrations en vapeur d'eau et en dioxyde de carbone ont aussi un rôle d'ox,vdant sur la charge et interviennent dans les réactions de

formation de calamine.

Concernant le contrôle de l' homogénéité thermi que d u prod uit en sortie de four, aucune mesure ne permet à ce jour d'évaluer celle-ci. La conduite du four est effectuée par des opérateurs de manière à assurer une montée en température du p rod uit sel on u n profi l initial donné pour u n four don né, en fonction du t,vpe de charge et de production. Ce profii est soit connu de l'opérateur grâce à son savoir faire, ou calculé à partir d'abaques, ou encore

calculé à l'aide d'un logiciel adapté.

Les seules informations disponibles pour l'opérateur eVou les logIciels de conduite de four, sont les mesures délivrées par un ou plusieurs thermocouples situés dans la voûte du four. Ces thermocouples sont disposés loin de la charge et ne sont pas représentatifs du flux thermique reçu par la charge, sous les brûleurs. Une estimation de la relation reliant la température de voûte (mesurée) et la température de la charge (information utile) est donc nécessaire. Cette relation est soit empirique (basé sur le

savoir faire des opérateurs) soit calculée par les logiciels de conduite de four.

Non seulement, cette mesure n'est qu'une mesure indirecte de l'information nécessaire, mais la relation estimée peut se révéler de plus en plus inexacte lors du vieillissement du four, des caractéristiques thermiques

des différentes charges et de la variation du t,vpe de combustible utilisé.

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Enfin, cette mesure est une mesure ponctuelle habituellement située su r l' axe d u four et q ui ne rend pas compte des éventuel les variations d ud it

paramètre sur toute la largeur du four.

Pour minimiser les émissions de NOx et de CO, plusieurs techniques sont disponibles et appliquées dans le domaine des fours de réchauffage. Ces techniques sont des mesures de type primaire, c'est à dire que leur but est de réduire les émissions formées dans l'enceinte même du four, par opposition aux mesures dites secondaires (qui ont pour but d'éliminer les NOx après formation par réaction d'un produit tel que de l'urée, en présence ou non d'un catalyseur, pour créer de l'azote), situées en aval de la cheminée du four. L'optimisation du fonctionnement de ces mesures primaires nécessite pour la plupart la connaissance d'un certain nombre d'informations

aujourd'hui non disponibles.

Par exemple, les opérations dite de rebrulage visant à réduire les émissions de NOx consistent à injecter une quantité de combustible dans le four pour détruire les NOx présents et le re-combiner en N2. Aujourd'hui le taux de combustible est réglé empiriquement et a une valeur initiale fixée quel que soit le mode de fonctionnement du four. En particulier, ce procédé est réglé une fois pour toute, en se basant sur une mesure ponctuelle

d'émissions effectuée à la sortie du four, au moment de l'installation.

Un autre procédé de réduction des NOx est par exemple la combustion oscillante (décrite dans US-A-5,522,721 et EP-A-524880) consistant à faire osciller l' i njecti on de combustible et/ou de comburant. La fréquence, I'amplitude et les phases d'oscillation sont des paramètres qui vont influencer la réduction des NOx. Actuellement ces paramètres sont fixés une fois pour toute avec pour seule mesure, une mesure d'émissions ponctuelle effectuée

à la sortie du four, au moment de l'installation.

Le problème se pose de la même manière pour le monoxyde de

carbone. Les brûleurs sont souvent réglés avec un excès d'air dans un four.

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Tout excés d'air représentant une perte d'énergie pour le procédé, les opérateurs du four souhaitent minimiser au maximum cet excès d'air. Or la seule information disponible est une information globale, mesurée en sortie de four: c'est la concentration d'oxygène dans les fumées En outre, on a mis en évidence que si les solutions primaires pour la réduction des NOX (mentionnées ci-dessus) sont mal contrôlées, ceci peut

conduire à augmenter la concentration en CO dans les fumées.

Il est connu de EP-A-1 001 237, un système de post combustion dans un four. Dans ce type de système, il existe des zones riches en CO dans le four, ce monoxyde de carbone étant oxydé à l'aide d'oxygène par une réaction exothermique. Cependant, aucun contrôle local de CO n'est

disponible rendant délicate la mise en _uvre optimale d'un tel procédé.

La présente invention permet de résoudre les problèmes ainsi posés et

d'éviter les inconvénients de l'art antérieur.

Le but de la présente invention est de proposer une méthode visant à: Améliorer la qualité métallurgique de la surface du produit, c'est à dire réduire la formation de calamine et/ou contrôler les caractéristiques des différentes couches d'oxydes formant la calamine afin d'en faciliter l'élimination (décalaminage) eVou réduire l'épaisseur de la couche décarburée, eVou - Améliorer l'homogénéité thermique en mesurant la température réelle du produit, et/ou - Réduire les émissions polluantes (NOX et CO), et/ou

- Améliorer le rendement thermique du four.

Pour contrôler la formation de la calamine et faciliter son élimination, et pour contrôler l'épaisseur décarburée, le procédé selon l'invention consiste à

installer des moyens de mesures en temps réel, à temps de réponse court.

Ces moyens de mesures sont répartis en différents points du four eVou de sa

cheminée et permet de caractériser l'atmosphère à proximité de la charge.

Selon l'invention, on mesure à proximité de la charge la température de l'atmosphère du four eVou la composition en O2 et /ou CO2 etiou H2O etiou CO. Les informations recueillies sont utilisées pour régler les brûleurs de chaque zone du four afin d'engendrer une atmosphère gazeuse spécifique dans ces différentes zones et donc de contrôler la qualité métallurgique du produit. Concernant les moyens de mesure situés dans l'une des zones du four, la distance entre le point de mesure et le produit sera de préférence comprise entre 1 mm et 1 5cm et plus préférablement entre environ 2cm et 6cm. Dans le cas de fours dits " poussants ", cette distance se mesure par rapport à la surface supérieure du produit. Dans le cas de fours dits " à longerons ", cette distance est mesurée par rapport à la position haute de la surface supérieure du produit. (le produit ayant une position haute et une position basse, au moins) Concernant les moyens de mesure situés dans la cheminée, il est important d'effectuer la mesure le plus près possible du carneau d'évacuation des furnées. Une mesure ponctuelle dans le conduit d'évacuation ne sera pas représentative car les fumées ne sont pas homogènes dans cette zone. Il est donc préférable nécessaire d'utiliser un moyen de mesure qui permette d'obtenir une valeur moyenne de la ou des variables à mesurer, obtenue sur

le diamètre du conduit o est effectuée la mesure.

L'invention concerne un procédé de contrôle d'un produit traité dans un four, dans lequel le produit est introduit dans le four, puis traité dans le four à une température T généralement variable selon l'endroit choisi dans ce four, et sous une atmosphère contenant différentes espèces dont certaines au moins sont mesurables, le produit étant ensuite extrait du four après une durée de traitement donnée, le four comportant des moyens de mesure de l'un au moins des paramètres du four, choisi parmi l'ensemble des paramétres constitué par la température T et les espèces de l'atmosphère 3 0 dont la présence est mesu rable, caractérisé en ce q ue l' u n au moi ns desd its j.

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paramètres est mesuré à l'aide d'un faisceau laser émis par des moyens émetteurs de faisceau laser et capté après avoir traversé au moins une fois le four par des moyens de réception de faisceau laser, ledit faisceau laser traversant le four à une distance du produit, lorsque l'on effectue la mesure, qui est comprise entre 1mm et 15cm, de préférence entre 2 et 6cm, la réception du faisceau laser par les moyens de réception permettant de mesurer l'un au moins des paramètres souhaités par évaluation de

l'absorption du laser par l'espèce.

El le concerne également un procédé pour l'obtention de données relatives à l'atmosphère d'un four, notamment de réchauffage caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'émission pour émettre un faisceau laser à travers l'atmosphère du four, la longueur d'onde du faisceau laser pouvant varier dans une plage de longueur d'ondes, des moyens de balayage pour faire varier la longueur d'onde du faisceau laser à l'intérieur de sa plage de longueurs d'ondes et des moyens de détection du faisceau laser transmis après au moins un passage à travers l'atmosphère du four et pour convertir le faisceau laser transmis en un signal électrique représentatif des données

relatives à l'atmosphère eVou la température du four.

Selon le mode préféré de l'invention, le moyen de mesure sera constitué par une diode laser. Le principe de la diode laser consiste à mesurer l'absorption d'une partie d'un faisceau laser émis à une longueur d'onde appropriée par le gaz dont on cherche à mesurer la concentration. Dans le cadre de la présente invention, on entend par diode laser, un sytème de mesure se composant d'un émetteur de faisceau laser ayant de préférence une longueur d'onde variable dans une plage de longueurs d'ondes Ad qui englobe l'une au moins des longueurs caractéristiques absorbée par l'espèce dont on veut détecter la présence (et la concentration après calibrage de l'appareil) et d'un récepteur de ce faisceau après sa traversée du milieu à analyser et de moyens de comparaison, par exemple de l'amplitude du faisceau laser reçu (intensité du faisceau) et de l'amplitude du faisceau laser émis dans toute la plage de longueurs d'ondes considérées. Pour plus de détails sur ce type de système de mesure à diode laser, on pourra se reporter à l'article de Mark G. Allen, intitulé " Diode Laser Absorption Sensors for Gas Dynamic and Combustion Flows >> et publié dans la revue Meas. Sci. Technology, 9, 1998, pages 545 à 562. Dans un premier mode de réalisation, la diode laser est réglée pour mesurer toutes les informations nécessaires, par exemple l'absorption de l'une au moins des espèces O2, CO, H20, CO2 et/ou NOx ainsi que de préférence la température moyenne le long du chemin optique parcouru par le rayon laser. On peut ainsi disposer d'un unique système de diode laser, relié à plusieurs points de mesure (multiplexage). Pour plus de détails sur ce mode particulier de fonctionnement d'une diode laser, on pourra se reporter à la demande de brevet N PCT/US/00/28869, déposée le 1er novembre 2000 et intitulé " Method for Continuously Monitoring Chemical Species and

Temperature in Hot Process Gases.

Un autre mode de réalisation consiste à utiliser plusieurs diodes mesurant chacune une ou plusieurs espèces parmi les informations nécessaires. Par exemple, CO et CO2 à l'aide d'une première diode laser,

H20 et T à l'aide d'une seconde diode et O2 à l'aide d'une troisième, etc...

Ces différentes diodes laser peuvent éventuellement être utilisées dans le mode multiplexé pour multiplier les points de mesures sur le four, comme décrit ci-avant. Le système de diode laser est installé à l'emplacement voulu

sur le four qui comportera des ouvertures ou fenêtres de visée.

Le rayon laser pénètre dans le four par les fenêtres de visée. L'émetteur et le récepteur laser peuvent être positionnés derrière chacune de ces fenêtres de visée placées de part et d'autre du produit, en général dans les parois latérales du four. Selon une variante, I'émetteur et le récepteur peuvent être placés derrière la même fenêtre de visée et un miroir est alors

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placé derrière l'autre fenêtre de visée de manière à réfléchir le rayon laser émis par l'émetteur vers le récepteur. Un gaz généralement inerte, par exemple de l'azote, peut être utilisé pour nettoyer la surface des fenêtres de visée de l'émetteur et du récepteur de la diode laser afin d'éviter le dépôt de poussière préjudiciable à la mesure et/ou également pour prévenir un échauffement trop important de l'émetteur et du récepteur. (la température du gaz utilisé sera de préférence inférieure ou égale à la température amblante). Dans le cadre de la présente invention, le terme a moyens émetteurs de faisceau laser " (ou plus simplement " diode laser " qui a la même signification plus particulièrement lié à un type de source de faisceau laser), couvre les différentes variantes décrites ci-avant: on peut soit disposer d'une seule source de faisceau laser que l'on envoie successivement dans différentes fibres optiques ou autres guides optiques (multi plexage) ou bien disposer d' une source de faisceau laser pour chaq ue fenêtre de visée, ou une combinaison de ces deux modes. Lorsqu'on utilise plusieurs sources de faisceau laser afin de mesurer une ou plusieurs espèces à partir de chaque source de faisceau laser, chaque source peut elle-même être utilisée en mode multiplexage ou bien en prévoyant une diode pour chaque fenêtre de visée, ou une combinaison de ces deux modes, selon

les espèces et/ou les fenêtres.

L'utilisation d'une diode laser telle que définie ci-dessus présente de nombreux avantages: - la mesure s'effectue le long du chemin optique, et représente donc la moyenne spatiale sur toute la largeur du four, pour la concentration de l'espèce désirée, - la mesure peut s'effectuer à quelques cm au dessus de la charge sans pénétration d'instrument dans le four ce qui évite, par rapport aux systèmes de l'art antérieur: - une maintenance élevée des capteurs en contact fréquent avec des produits de combustion à haute température,

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- un accès au capteur limité et difficile, - un effet pouvant engendrer des modifications du transfert thermique à la charge au cas o une sonde est disposée au

dessus de celle-ci, à quelques cm.

- la possibilité d'utiliser un seul émetteur de laser duquel part un réseau de fibres optiques pouvant être disposées en de multiples

points autour du four.

De préférence, on utilisera une mesure à l' aide d' un faisceau l aser d ans l'une au moins des zones du four décrites ci-avant, de préférence dans plusieurs de ces zones, notamment celles comportant des moyens de chauffage, tels des brûleurs, dont on pourra alors régler les débits de combustible eVou de comburant afin de modifier les conditions dans lesquelles s'effectue cette combustion et augmenter (ou de préférence diminuer) la concentration de la ou les espèces gazeuses mesurées, d'une

manière en soi bien connue de l'homme de métier.

Selon un autre aspect de l'invention, celle-ci concerne également un appareil pour l'obtention de données relatives à l'atmosphère d'un four, notamment de réchauffage caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'émission pour émettre un faisceau laser à travers l'atmosphère du four, la longueur d'onde du faisceau laser pouvant varier dans une plage de longueur d'ondes, des moyens de balayage pour faire varier la longueur d'onde du faisceau laser à l'intérieur de sa plage de longueurs d'ondes et des moyens de détection du faisceau laser transmis après au moins un passage à travers I'atmosphère du four et pour convertir le faisceau laser transmis en un signal électrique représentatif des données relatives à l'atmosphère du four. De préférence, cet apparei l pour l' obtention de données dans un four da ns leq uel se trouve au moins un produit qui se déplace de l'entrée vers la sortie du four, caractérisé en ce que les moyens d'émission et les moyens de détection sont placés de manière telle que le faisceau laser est à une distance

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comprise entre 1 mm et 15 cm, de préférence entre 2 cm et 6 cm du produit,

lorsqu'on effectue la mesure.

Pl us généralement, I' i nvention concerne l' utilisation d' une diode laser pour la mesure de la température eVou au moins une espèce choisie parmi 02, CO, C02, H20, NOx, dans un four et notamment un four de réchauffage. L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation suivants donnés à titre non limitatifs, conjointement avec les figures qui représentent: La figure 1, une courbe de température dans un four de réchauffage en fonction de la position dans le four; La figure 2, une vue en coupe de la mise en _uvre d'une diode laser; La figure 3 qui représente la température réelle mesurée à l'aide d'une

diode laser dans un four.

La figure 4 qui représente un four de réchauffage équipé d'une diode laser pour l'optimisation d'une mesure primaire pour la réduction des NOx La figure qui représente un four de réchauffage équipé d'une diode

laser pour l'optimisation d'un système de combustion oscillante.

Exemple 1:

La figure 1 décrit une mise en _uvre permettant de contrôler et donc d'améliorer la qualité métallurgique de la surface du produit. Lors de sa circulation dans le four de réchauffage, la charge (5) subit une première montée en température dans la zone (2). Typiquement, la zone (2) contient la zone dite de récupération. Eventuellement la zone (2) peut être confondue avec la zone de récupérationEnsuite, les températures atteignent une température Tdécab. Cette température est typiquement de 700 C pour les aciers et la décarburation sera d'autant plus sensible à cette température que la teneur en carbone de l'acier est élevée. Au delà de Tdéca,b, et en présence d'espèces oxydantes, les réactions de décarburation et de formation de calamine s'accélèrent: la température à laquelle la formation de

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calamine devient effective est d'environ 800 C pour les aciers. Le produit traverse la zone (3) puis entre dans la zone d'égalisation (4) quand il est à la température Tégajsajon (typiquement 11 00 C). Cette zone à très haute température amène le produit à sa température finale (Tfina, typiquement 1250 C) et est particulièrement critique pour la formation de calamine. La courbe de température du produit est indiquée au dessus du four, courbe (10).

Trois accès (fenêtres pour le faisceau laser) sont installés sur ce four.

L'accès (6) est situé dans la zone de d'égalisation (4), I'accés (7) est situé dans la zone de chauffe (3), I'accès (8) est situé dans la zone (2) qui contient la zone dite de récupération tandis que l'accès (9) est situé dans la cheminée (1). Chaque accès peut être équipé de son propre ensemble (émetteurirécepteur) diode laser. De prétérence, on utilisera une seule source laser relise par fibres optiques aux différents accès o sont installés un récepteur et un émetteur. Entre la source laser et l'émetteuron utilisera une fibre optique et un câble coaxial de retour du faisceau ayant traversé le four (une fois ou plusieurs fois si l'on choisit le fonctionnement avec réflecteur sur la deuxième fenêtre, comme décrit précédemment) du récepteur vers le système de traitement de signal le faisceau laser alimentant séquentiellement

(multiplexage) chaque fibre pour chaque accès.

Selon l'invention, la mesure de la concentration des espèces oxydantes est effectuée par les accés (6),(7),(8),(9) auxquels on aura connecté une ou

plusieurs diodes laser.

Dans la zone (2) (température inférieure à Tecarb)' les débits de combustible et comburant des brûleurs de la zone (2) devront être réglés selon l'invention de manière à engendrer une teneur en oxygène dans l'atmosphère entre 0.5% et 4% et de manière préférentielle entre 2 et 3%. La mesure est effectuée soit au plus près du produit (comme décrit ciavant), par l'accès (8), soit, de manière préférentielle, par l'accès (9). Si la mesure montre un défaut d'oxygène, la réqulation des bruleurs devra corriger et .

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augmenter le débit de comburant aux brûleurs de la zone. Si la zone (2) n'est pas équipée de brûleur (cas o la zone (2) est confondue avec la zone de récupération), I'ajustement de la concentration en oxygène pourra se faire à l'aide d'injection d'oxygène dans le four, au plus près du produit, par exemple par la mise en _uvre de lance à oxygène, I'oxygène étant préférentiellement

de l'oxygène industriellement pur.

Dans la zone (2), une couche protectrice de Fe2O3 et Fe3O4 sera formée et renforcée par la présence d'oxygène résiduel dans les fumées. Ces oxydes seront forrnés au détriment des oxydes plus plastiques comme FeO ou

FeSiO4, qui conduisent dans ce cas à une forte adhérence de la calamine.

De plus, à faible température, le régime protecteur (stade parabolique de l'oxydation) s'établit plus rapidement pour les pressions partielles d'oxygène comprises dans l'intervalle pré-cité. Dans la zone (3) (température supérieure à Tecab et inférieure à TgajsajOn), les débits de combustible et comburant des brûleurs de la zone (3) devront être réglés selon l'invention de manière à

engendrer une teneur en oxygène dans l'atmosphère voisine de zéro.

L'atmosphère sera en défaut d'oxygène, donc en excès de combustible et en particulier de CO. Grâce à la mesure effectuée par l'accès (7), les brûleurs seront réglés de sorte que la concentration en 02 soit nulle et la concentration en CO entre 0% et 5% et de manière préférentielle entre 0,5 et 3%. Dans cette zone à plus haute température, on cherche à limiter au maximum la formation de calamine et la décarburation en réduisant la

concentration des espèces oxydantes (02, C02, H20).

Dans la zone (4) (température supérieure à Tgajsajon)' les débits de combustible et comburant des brûleurs de la zone (4) devront être réglés selon l'invention de manière à générer une teneur en oxygène dans

l'atmosphère entre 0.5% et 5% et de manière préférentielle entre 1.5 et 4%.

La mesure est effectuée au plus près du produit, par l'accès (6). Dans cette zone et en présence d'oxygène, il y a une consommation de la couche ;

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décarburée par oxydation qui sera accompagnée d'une augmentation de

porosité de la calamine, qui facilitera son élimination en sortie de four.

L'accès (9) permet de vérifier à tout moment la concentration en CO et

en 02 avant évacuation des fumées.

Exemole 2: Cet exemple de mise en _uvre de l'inventi on permet d' obteni r une

meilleur homogénéité thermique des produits.

L'invention consiste à permettre le réglage des brûleurs par une mesure locale, zone par zone et à quelques cm au dessus de la charge, de la

température de l'atmosphère du four grâce à n système de diode laser.

Sur la figure 2, la vue transversale du four (11) montre l'emplacement

du produit (12) et du thermocouple (13) selon la technique de l'art antérieur.

La mesure du thermocouple (13) donne une valeur de température dans l'axe

du four et loin du produit (12).

Selon l'invention on met en place une diode laser (14) pour mesurer une valeur de température moyenne le long du chemin optique (15), donc

dans la largeur du four.

Une telle disposition permet: - Une mesure moyenne le long du four, plus représentative du

produit qu'une mesure ponctuelle en voûte.

- Une mesure proche du produit donc directement liée à la température de surface du produit qui est à l'équilibre avec la

température du gaz en contact avec la dite surface.

- Une quantification de la relation entre température de voûte et température du produit qui était effectuée empiriquement dans l'état

de l'art (en conservant le thermocouple de voute).

La mise en ceuvre de l 'invention va mai nten ant être expl icitée à l'aide de la figure 3. Le nombre de points de mesures a ici été limité à trois. De

préférence, on utilisera entre 1 et 10 points de mesure dans un four.

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Un four (21) est équipé des accès (23, 24, 25) situés au dessus du

produit (22).

L'opérateur du four doit respecter au maximum un profil de montée en température du produit (27). Ce profil est fourni à l'opérateur, soit par son expérience soit par une abaque, soit par un logiciel de conduite de four. Pour contrôler la montée en température du produit (27), I'homme de l'art ne disposait jusque là que de la courbe (26) décrivant la température de la voûte dans l'axe du four. Selon l'invention, I'homme de l'art a maintenant accés aux mesures situées sur la courbe (27) qui sont directement liées à la température de surface du produit. L'opérateur peut donc agir sur la puissance des brûleurs pour retrouver le niveau souhaité de température sur la courbe (27). Si la température mesurée est trop basse, alors l'opérateur augmentera la puissance de chauffage dans la zone proche du point de mesure. A l'inverse, si la température mesurée est trop haute, alors

I'opérateur réduira la puissance dans la zone proche du point de mesure.

L'invention présente également l'avantage suivant: Certains fours utilisent un logiciel dit de " Niveau 2 " pour reproduire quelles que soient les conditions de chauffe une montée en température du produit, selon un profil initial donné. L'homme de métier ne disposait jusqu'à ce jour d'aucune mesure pour valider en continu l'effet du logiciel. C'est un autre aspect de l'invention que de coupler ce logiciel avec les mesures directes du produit selon l'invention, ce qui permet d'avoir une vérification

systématique en temps réel de la température visée du produit.

Exemule 3: Cette exemple montre l'application de l'invention pour le contrôle de pollution. Toutes les solutions dites primaires sont des solutions locales, dont l'effet prend place dans le four et dans différentes zones du four. De plus, ce sont des solutions dynamiques. Une solution primaire est par exemple un brûleur dont on peut régler les injections comburanVcombustible séparément. j

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Une mesure au c_ur du four et une mesure continue et à faible temps

de réponse sont indispensables pour optimiser leur efficacité.

Selon le mode préféré de l'invention, cette analyse est effectuée par diode laser dans les zones du four dans lesquelles on effectue ces opérations primaires. La figure 4 représente la mise en _uvre d'une solution primaire (34), dans un four (31). Les accés (32) et (33) sont équipés d'un système de mesure et préférentiellement d'un système de diode!aser mesurant dans

l'enceinte du four, en continu à faible temps de réponse: CO, NOx, T .

La mesure (32) va permettre de caractériser l'état des fumées arrivantes (polluants, T ) dans la zone d'action de la solution primaire. Les paramètres caractéristiques de la solution primaire pourront être ajustés en conséquence. Pour le re-brûlage, par exemple, dont l'efficacité dépend du niveau de température et de la concentration initiale en NOx, on pourra ajuster le débit de combustible. Pour la post-combustion, par exemple, on

pourra ajuster le débit de comburant au CO mesuré.

La mesure (33) permet de vérifier l'efficacité et d'effectuer les corrections complémentaires par une boucle d'information (feedback) sur la

solution primaire.

Exemple 4:

Un autre exemple de mise en _uvre de l'invention concerne la combustion dite a oscillante ". La figure 5 représente une vue de dessus d'un four (41) dont une zone (42) au moins est équipée de brûleurs munis d'un système de combustion oscillante (43). Une diode laser (44) mesure au c_ur de la zone ou en sortie de cette zone le taux de NOx et de CO. En fonction de cette information locale, on pourra faire varier la fréquence eVou l'amplitude des oscillations, la phase respective des brûleurs situés côte à

côte et/ou des brûleurs situés face à face.

L'invention a été plus particulièrement décrite pour un four de réchauffage, mais s'applique à tous type de four dans lequel on traite un J l

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produit, généralement à température supérieure à la température ambiante, sous une atmosphère quelconque et Iorsqu'on dispose de moyens pour faire varier la composition eVou la température de l'atmosphère après avoir détecter grâce à la diode laser, à proximité du produit, une concentration (ou présence) d'une espèce que l'on veut modifier ou contrôler. Bien entendu, I'invention peut s'appliquer également à tout procédé de traitement d'un produit dans un four également à température inférieur à la température ambiante, même en dessous de 0 C, ayant une atmosphère (ou température) contrôlable. -

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Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Procédé de contrôle d'un produit traité dans un four, dans lequel le produit est introduit dans le four, puis traité dans le four à une température T généralement variable selon l'endroit choisi dans ce four, et sous une atmosphère contenant différentes espèces dont certaines au moins sont mesurables, le produit étant ensuite extrait du four après une durée de traitement donnée, le four comportant des moyens de mesure de l'un au moins des paramètres du four, choisi parmi l'ensemble des paramètres constitué par la température T et les espèces de l'atmosphère dont la présence est mesu rable, caractérisé en ce que l' un au moi ns desd its paramètres est mesuré à l'aide d'un faisceau laser émis par des moyens émetteurs de faisceau laser et capté après avoir traversé au moins une fois le four par des moyens de réception de faisceau laser, ledit faisceau laser traversant le four à une distance du produit, lorsque l'on effectue la mesure, qui est comprise entre 1mm et 15cm, de préférence entre 2 et 6cm, la réception du faisceau laser par les moyens de réception permettant de mesurer l'un au moins des paramètres souhaités par évaluation de

l'absorption du laser par l'espèce.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le four

est un four de réchauffage.

3. Procédé selon l'une des revendications précédentes,

caractérisé en ce que le four comporte au moins une zone de traitement et une zone d'évacuation de l'atmosphère, la mesure d'un paramètre

d'effectuant dans l'une au moins de ces deux zones.

4. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans

lequel l'une au moins des zones du four comporte un brûleur, caractérisé en ce que la mesure du paramètre permet de contrôler l'injection du comburant

et/ou du combustible qui sont injectés dans le bruleur.

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5. Four de traitement d'un produit sous atmosphère comportant au moins une espèce et dont la température peut varier, caractérisé en ce qu'il comporte, de préférence sur l'une de ses parois latérales des moyens émetteurs de faisceau laser et sur l'une quelconque des parois du four, des moyens récepteur du faisceau laser émis par les moyens émetteurs, ainsi que des moyens de traitement du signal émis par les moyens récepteurs, à réception du faisceau laser, les moyens émetteurs et récepteurs étant disposés de telle manière que le faisceau laser passe à une distance comprise au plus entre 1 mm et 15 cm, de préférence 2 et 6 cm lorsque l'on

effectue la mesure avec le faisceau laser.

6. Procédé pour l'obtention de données relatives à l'atmosphère d'un four, notamment de réchauffage caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'émission pour émettre un faisceau laser à travers l'atmosphère du four, la longueur d'onde du faisceau laser pouvant varier dans une plage de longueur d'ondes, des moyens de balayage pour faire varier la longueur d'onde du faisceau laser à l'intérieur de sa plage de longueurs d'ondes et des moyens de détection du faisceau laser transmis après au moins un passage à travers l'atmosphère du four et pour convertir le faisceau laser transmis en un signal électrique représentatif des données relatives à l'atmosphère eVou la

température du four.

7. Procédé selon la revendication 6, pour l'obtention de données dans un four dans lequel se trouve au moins un produit qui se déplace de l'entrée vers la sortir du four, caractérisé en ce que les moyens d'émission et les moyens de détection sont placés de manière telle que le faisceau laser est à une distance comprise entre 1 mm et 15 cm, de préférence entre 2 cm

et 6 cm du produit, lorsqu'on effectue la mesure.

8. Utilisation d'une diode laser pour la mesure de la température et/ou au moins une espèce choisie parmi 02, CO, CO2, H20, NOx, dans un